Зчеплене успадкування

Зчеплене успадкування ознак і кросинговер

Гени, що знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, успадковуються разом і не розходяться у нащадків, бо в процесі гаметогенезу вони потрапляють в одну гамету. Слід відзначити, що у вивченні успадкування зчеплених генів, які знаходяться в статевих хромосомах, має значення напрямок схрещування.

Якщо гени знаходяться в одній хромосомі й завжди передаються разом, говорять про повне зчеплення. Але частіше трапляється неповне зчеплення. Порушення зчеплення пояснюється кросинговером, який є обміном ідентічних ділянок гомологічних хромосом під час першої профази мейозу. Гамети, у яких відбувся кросинговер, називають кросоверними. Частота кросинговеру прямо пропорційна відстані між досліджуваними генами, тому й число гамет з новими комбінованими формами буде залежати від відстані між ними. Відстань обчислюється в морганідах (М) або відсотках кросинговеру. Одній морганіді відповідає утворення 1 % кросоверних гамет. Відповідно, максимальна відстань між генами, на якій можливий кросинговер, становить 50 М. Якщо гени розташовані один від одного на відстані, більшій ніж 50 М, то гени успадковуються як незалежні, хоча й належать до однієї групи зчеплення. На підставі визначених частот кросинговеру вчені будують карти груп зчеплення, на яких показано розташування генів на хромосомі відносно один одного.

Перехрещення між хроматидами гомологічних хромосом може відбуватися одночасно в декількох точках. Кросинговер, що відбувається лише в одному місці, називають поодиноким, у двох точках одночасно — подвійним, у трьох — потрійним. Насправді, у живих клітинах кросинговер завжди є множинним, а всі інші визначення стосуються кількості генів, які досліджуються в певній групі зчеплення.

Успадкування, зчеплене зі статтю

У живих організмів існує кілька способів визначення статі. Стать можуть визначати зовнішні умови (у черва бонелії), плоїд-ність організму (у бджіл і мурах гаплоїдні особини — самці, а ди-плоїдні — самки) чи спеціальні статеві хромосоми (інші хромосоми в цьому випадку називають аутосомами).

Статеві хромосоми можуть бути одного або двох типів. Якщо статеві хромосоми певного виду одного типу, то стать визначається наявністю у хромосомному наборі однієї або двох статевих хромосом. Якщо статеві хромосоми двох типів, то одна стать має дві однакові статеві хромосоми (гомогаметна стать), а друга — дві різні (гетерогаметна стать).

Наприклад, у людини і двокрилих комах гомогаметною є жіноча стать (її представники мають по дві Х-хромосоми, генотип — XX), а гетерогаметною — чоловіча (її представники мають одну X- і одну Y-хромосоми, генотип — XY). У більшості птахів і метеликів, навпаки, гомогаметною статтю є чоловіча (її представники мають по дві однакові хромосоми, але позначаються вони вже іншою латинською літерою — Z, генотип — ZZ), а гетерогаметною — жіноча (генотип — ZW).

У деяких тварин статеві хромосоми одного типу, й одна стать має лише одну статеву хромосому, а друга — дві однакові. Так, серед клопів, ящірок і деяких птахів трапляються види з генотипами чоловічої і жіночої статей ZZ і Z0 та ХО і XX відповідно (цифра 0 у запису означає відсутність другої хромосоми пари).

У людини генотип статі певного індивідума визначають шляхом вивчення клітин, які не діляться. Одна Х-хромосома завжди виявляється в активному стані й має звичайний вигляд. Інша, якщо вона є, перебуває в інактивованому стані у вигляді щільної структури, яку називають тільцем Барра (факультативний гетерохроматин). Число тілець Барра завжди на одиницю менше числа Х-хромосом у клітині. Тобто в нормі в клітинах чоловіків цих тілець немає, а в жінок є лише одне тільце Барра. Завдяки цьому, незважаючи на те що жінки мають дві Х-хромосоми, а чоловіки — тільки одну, експресія генів Х-хромо-соми відбувається на одному й тому самому рівні в обох статей.

Y-хромосома людини вважається генетично інертною, бо в ній дуже мало генів. Однак вплив Y-хромосоми на детермінацію статі в людини дуже значний.

Вірогідність інактивації обох Х-хромосом у клітинах жінок однакова. Тому половина клітин жінки має інактивовану одну хромосому, а половина — другу. Таким чином, жіночі особини, гетерозиготні за генами статевих хромосом, є мозаїками. Так, черепахове забарвлення кішок обумовлене тим, що ген забарвлення шерсті представлений у одній з їх Х-хромосом апелем рудого забарвлення, а в іншій — апелем чорного забарвлення.

Гени, які розташовані у статевих хромосомах, називаються генами, зчепленими зі статтю. Прикладами таких генів є гени забарвлення очей у Х-хромосомі дрозофіли, гени дальтонізму й гемофілії в Х-хро-мосомі людини та гени облисіння й іхтіозу в Y-хромосомі людини.

3. Взаємодія генів

Взаємодія неалельних генів

Відомо багато випадків, коли ознака або властивості детермінуються двома або більше неалельними генами, які взаємодіють між собою. Хоча й тут узаємодія умовна, бо взаємодіють не гени, а контрольовані ними продукти. При цьому має місце відхилення від менделівських закономірностей розщеплення. Розрізняють такі основні типи взаємодії генів: комплементарність, епістаз і полімерію. Крім того, окремо розглядають модифікуючу дію гена (плейотропія), яка проявляється у визначенні одним геном різних ознак.

Типи взаємодії неалельних генів

Тип узаємодії	Розщеплення у випадку схрещування дигетерозигот АаВb х АаВb	Механізм узаємодії
Комплементарність	9:3:4 9:7 9:6:1	Розвиток ознаки відбувається лише у випадку, коли кожний з генів має хоча б по одному домінантному алелю
Епістаз	13:3 12:3:1 9:3:4	Домінантний або рецесивний алель одного гена пригнічує прояв домінантного алеля іншого гена. Відповідно розрізняють домінантний і рецесивний епістаз
Полімерія	1:4:6:4:1(кумулятивна полімерія) 15:1 (некумулятивна полімерія)	Для прояву ознаки необхідна наявність хоча б одного домінантного алеля в будь-якого з полімерних генів. У випадку некумулятивної полімерії ступінь прояву ознаки від кількості домінантних алелей не залежить. У випадку кумулятивної полімерії ступінь прояву ознаки залежить від кількості домінантних алелей — чим більше домінантних алелей, тим більший ступінь про­яву ознаки

Прикладом комплементарної взаємодії генів у людини може бути синтез захисного білка — інтерферону. Утворення цього білка в організмі пов'язано з комплементарною взаємодією двох неалельних генів, розташованих у різних хромосомах. Рецесивні алелі цих генів блокують один з етапів його синтезу. Таким чином, синтез можливий лише у випадку, коли кожен з генів представле­ний хоча б одним домінантним алелем.

Прикладом епістазу є взаємодія генів під час утворення забарвлення плодів гарбузів і масті коней.

Полімерні гени, як правило, визначають кількісні ознаки. Діють вони, доповнюючи один одного, тому їх зазвичай позначають однаковими літерами латинського алфавіту, додаючи нижній числовий індекс для того, щоб розрізняти гени між собою, наприклад А₁А₁а₂а₂. За цим механізмом відбувається успадкування кольору насіння у пшениці та кольору шкіри в людини.

Комбінативна мінливість.

Мутаційна мінливість.

Види мутацій. Мутагени

1. Комбінативна мінливість

Комбінативна мінливість пов'язана з отриманням нових поєднань генів у генотипі. У багатоклітинних організмів, які розмножуються статевим шляхом, це досягається в результаті трьох процесів:

• незалежного розходження хромосом під час мейозу;

• випадкового поєднання під час запліднення;

• рекомбінації генів завдяки кросинговеру.

Самі спадкові фактори (гени) при цьому не змінюються, але виникають їх нові поєднання, що призводить до появи організмів з іншими генотипом і фенотипом. Проілюструвати це можна на прикладі хромосом людини. Людина має 22 пари аутосомних генів. Половину з цих хромосом вона отримує від батька, а половину — від матері. Навіть якщо не враховувати явище кросинговеру, кількість можливих комбінацій аутосом у гаметах становить 2²². Це набагато перевищує кількість усіх особин нашого виду, що жили на планеті з моменту формування виду Homo sapiens. А випадкове поєднання гамети з гаметою іншої статі дає вже 2⁴⁴ комбінацій. Якщо ж додати до цього ще й статеві хромосоми і явище кросинговеру, намагання випадково отримати двох людей з абсолютно однаковим генотипом стає практично неможливим.

Комбінативна мінливість дуже поширена в природі. У мікроорганізмів, які розмножуються нестатевим шляхом, виникли своєрідні механізми, які призводять до появи комбінативної мінливості. Це — кон'югація, трансдукція і трансформація. Слід звернути увагу на те, що всі ці процеси не пов'язані з процесом розмноження (під час них не відбувається збільшення числа особин виду), вони дозволяють лише комбінувати генетичний матеріал різних особин.

Кон'югація — це безпосередній контакт між двома бактеріальними клітинами з допомогою спеціальних структур (F-пілі — порожнисті трубочки, які розташовані на поверхні клітини бактерії і можуть узаємодіяти з іншою клітиною), під час якого генетичний матеріал з однієї клітини переноситься в іншу через F-пілі. Таким чином бактерії, наприклад, можуть обмінюватися плазмідами, що містять гени стійкості до антибіотиків.

Трансформація — це перенесення ДНК зі зруйнованих бактеріальних клітин у живі бактеріальні клітини. Зазвичай, під час цього процесу, фрагменти ДНК зі зруйнованої бактеріальної клітини потрапляють у навколишнє середовище й за певних умов поглинаються живою бактеріальною клітиною, яка ці фрагменти може вбудувати у свій геном.

Трансдукція — це перенесення бактеріальних генів з однієї клітини в іншу з допомогою бактеріофага. Під час розмноження фага в бактеріальній клітині до його білкових капсидів інколи можуть потрапляти не лише гени самого бактеріофага, але й гени бактерії. Заражаючи іншу бактерію, такий бактеріофаг може привносити ці гени в геном нового хазяїна.

До комбінативної мінливості примикає явище гетерозису. Гетерозис (гр. heteroisis — видозміни, перетворення), або «гібридна сила», може спостерігатися в першому поколінні під час гібридизації між представниками різних видів або сортів. Виділяють три основні форми гетерозису: репродуктивний (підвищується врожайність), соматичний (збільшуються лінійні розміри організму) і адаптивний (підвищується стійкість до дії факторів середовища). Гетерозис широко використовують для одержання високопродуктивних ліній культурних рослин (у першу чергу, кукурудзи). Проте, в наступних поколіннях прояви гетерозису зменшуються. Існує кілька можливих пояснень цього явища. Скоріше за все, прояв гетерозису спостерігається внаслідок утворення унікальної комбінації домінантних і рецесивних алелей великої кількості генів.

2. Мутаційна мінливість

Мутацією (лат. mutatio — зміна) називають зміну, яка зумовлена реорганізацією структур відтворення, перебудовою генетичного апарату. Цим мутації різко відрізняються від модифікацій, які не торкаються генотипу особини. Мутації виникають раптово, що іноді різко відрізняє організм від вихідної форми.

Ученим такі зміни були відомі давно. Мутаційній мінливості присвятили свої роботи С. І. Коржинський (1899) і Г. де Фриз (1901). Останньому належить термін «мутація». Крім того він сформулював основні положення теорії мутацій (1901-1903):

1. Мутації виникають раптово, як дискретні зміни ознак.

2. Нові форми є стійкими.

3. На відміну від неспадкової мінливості мутації не утворюють безперервних рядів і не зосереджуються навколо якогось середнього типу. Вони є якісними змінами.

4. Мутації проявляються по-різному. Вони можуть бути і шкідливими, і корисними.

5. Вірогідність виявлення мутацій залежить від числа досліджених особин.

6. Одні й ті самі мутації можуть виникати повторно.

Тепер відомі мутації в усіх класів тварин, рослин і вірусів. Існує багато мутацій і в людини. Саме мутаціями зумовлений поліморфізм людських популяцій: різна пігментація шкіри, волосся, колір очей, форма носа, вух, підборіддя тощо. У результаті мутацій з'являються й успадковуються аномалії в будові тіла, спадкові хвороби людини. З мутаційною мінливістю пов'язана еволюція — процес утворення нових видів, сортів і порід.

Нормальні й мутантні форми живих організмів

Живі організми	Нормальна форма	Мутантна форма
Ячмінь	Нормальна довжина стебла	Карликове стебло
Банан	Плоди з насінням	Плоди без насіння (культурна форма, яка розмножується вегетативно)
Сосна	Нормальна форма крони	Плакуча форма крони (отримана після дії хімічного мутагену)
Ворона	Чорне та сіре забарвлення пір'я	Біле забарвлення пір'я
Дрозофіла	Сірий колір тіла	Чорний колір тіла
Людина	П'ять пальців на руці	Шість пальців на руці

3. Види мутацій. Мутагени

Існує декілька варіантів класифікації мутацій. За типом прояву ознаки в гетерозиготі мутації поділяють на домінантні (спричиняють появу домінантної ознаки) і рецесивні (спричиняють появу рецесивної ознаки). За локалізацією в клітині розрізняють ядерні (змінюють гени, розташовані в ядрі клітини) і цитоплазматичні (змінюють гени, розташовані в цитоплазмі клітини) мутації. Залежно від причини виникнення виділяють спонтанні (виникають унаслідок помилки в процесі копіювання генетичного матеріалу) та індуковані (виникають унаслідок дії на генетичний матеріал зовнішніх факторів) мутації. Важливим є також те, у яких саме клітинах виникають мутації. Якщо вони виникають у соматичних клітинах (соматичні мутації), то можуть передаватися нащадкам лише за умови вегетативного розмноження. Якщо ж вони виникають у гаметах (генеративні мутації), то можуть передаватися нащадкам за звичайного статевого розмноження.

Проте, однією з найбільш поширених класифікацій мутацій є їх розподіл за рівнем організації спадкового матеріалу, на якому відбувається мутація. Якщо мутація змінює лише один ген (заміна, втрата чи додавання пари нуклеотидів), це є прикладом генної мутації. У випадку, коли зачіпається комплекс генів на хромосомі (заміна, втрата, додавання чи зміна місця розміщення ділянки хромосоми),— це приклад хромосомної мутації. А коли зміни відбуваються на рівні геному (зміна кількості окремих хромосом чи всього хромосомного набору) — це приклад геномної мутації. Розглянемо їх докладніше.

Геномні мутації. Гаплоїдний набір хромосом, а також сукупність генів, які знаходяться в гаплоїдному наборі хромосом, називають геномом. До геномних мутацій відносять поліплоїдію й гете-роплоїдію (анеуплоїдія).

Поліплоїдія — це збільшення диплоїдної кількості хромосом шляхом додавання цілих хромосомних наборів у результаті порушення мейозу. Статеві клітини мають гаплоїдний набір хромосом (п), а для зигот і соматичних клітин більшості організмів характерний диплоїд ний набір (2п). У поліплоїдних форм спостерігається збільшення числа хромосом, кратне гаплоїдному набору: Зп — триплоїд, 4 п — тетраплоїд, 5n — пентаплоїд, 6n — гексаплоїд тощо. Поліплоїдія досить часто трапляється у рослин. Наприклад, культурні рослини в більшості є поліплоїдами. У селекційній практиці з метою отримання поліплоїдів на рослини діють критичними температурами, іонізуючим випромінюванням, хімічними речовинами (найбільш поширений алкалоїд колхіцин). Форми, які виникають у результаті збільшення кількості хромосом одного генома, називаються автоплоїдними. Відома й інша форма поліплоїдії — алополіплоїдія, за якої збільшується кількість хромосом двох різних геномів. Алополіплоїди штучно отримані шляхом гібридизації. Так, Г. Д. Карпеченко створив алополіплоїдний гібрид редьки й капусти. У цьому випадку кожний вихідний вид має 18 хромосом, а гібридний — 36, бо є алополіплоїдним. До найвідоміших алополіплоїдів належать м'яка і тверда пшениці. Поліплоїдні форми відомі й у тварин. Мабуть, еволюція деяких груп найпростіших, зокрема інфузорій і радіолярій, ішла шляхом поліплоїдизації. У деяких багатоклітинних тварин поліплоїдні форми вдалося створити штучно (тутовий шовкопряд).

Гетероплоїдія. У результаті порушення мейозу й мітозу кількість хромосом може змінюватися і ставати некратною гаплоїдному набору. Явище, коли яка-небудь із хромосом у генотипі має не дві, а три гомологічні хромосоми, називаються трисомією. Якщо відбувається трисомія за однією парою хромосом, то такий організм називають трисоміком, і його хромосомний набір буде 2п + 1. Трисомія може бути за будь-якою з хромосом і навіть за кількома. Подвійний трисомік має набір хромосом 2п + 2, потрійний — 2п + З тощо. Явище трисомії вперше описано для дурману. У родині Пасльонові ця форма мутацій узагалі трапляється досить часто. Відома трисомія й у інших видів рослин і тварин, а також у людини. Трисоміками є, наприклад, люди із синдромом Дауна. Трисоміки у тварин найчастіше нежиттєздатні, бо вони мають ряд патологічних змін. Протилежне трисомії явище, тобто втрата однієї хромосоми з пари в диплоїдному наборі, називається моносомією, а організм — моносоміком; його каріотип — 2п — 1. За відсутності двох різних хромосом організм буде подвійним моносоміком (2п — 2). Якщо з диплоїдного набору випадають обидві гомологічні хромосоми, організм називається нулісоміком. Він, як правило, нежиттєздатний.

Хромосомні мутації виникають у результаті перебудови хромосом. Це наслідок розриву хромосоми з утворенням їхніх фрагментів, які потім об'єднуються, але при цьому нормальна структура хромосоми не відновлюється. Розрізняють чотири основні типи хромосомних мутацій: нестача, подвоєння (дуплікація), інверсії, транслокації.

Генні мутації можуть виникнути внаслідок заміни однієї пари нуклеотидів на іншу. Внаслідок цього може статися заміна в білку, який кодує цей ген, однієї амінокислоти на іншу. Саме така заміна є причиною, наприклад, серпоподібноклітинної анемії. Через заміну однієї амінокислоти молекули гемоглобіну утворюють специфічну структурну форму, яка набагато гірше переносить кисень. Випадання або додавання пари нуклеотидів призводить до зрушення рамки зчитування, і ділянка гена, розташована за місцем такого порушення, або взагалі не може синтезувати продукт гена, або синтезує інший продукт.

Спостереження показують, що багато мутацій шкідливі для організму. Це пояснюється тим, що функціонування кожного органа збалансоване по відношенню як до інших органів, так і до зовнішнього середовища. Порушення існуючої рівноваги зазвичай веде до зниження життєдіяльності й загибелі організму. Мутації, які знижують життєдіяльність, називають напівлетальними. Несумісні з життям мутації називають летальними (з лат. — смертельний). Проте певна частина мутацій може бути корисною. Такі мутації є матеріалом для прогресивної еволюції, а також для селекції цінних порід свійських тварин і сортів культурних рослин. «Корисні» мутації в поєднанні з добором лежать в основі еволюції.

Фактори, які здатні індукувати мутаційний ефект, називають мутагенними. Встановлено, що будь-які фактори зовнішнього і внутрішнього середовища, які можуть порушувати гомеостаз, здатні викликати мутації. Традиційно їх ділять на фізичні (випромінювання, ультразвук, температура тощо), хімічні (хімічні сполуки різної природи) та біологічні (віруси, токсини).

Основні закономірності функціонування генів у про- і еукаріотів

Ген являє собою послідовність нуклеотидів ДНК розміром від кількох сотень до мільйона пар, у яких закодована генетична інформація про первинну структуру білка (число й послідовність амінокислот). Для регулярного правильного зчитування інформації в гені мають бути: код он ініціації, смислові кодони й код он термі-нації. Три поспіль розташовані нуклеотиди являють собою кодон, що й визначає, яка амінокислота буде розташовуватися в певній позиції в білку. Наприклад, у молекулі ДНК послідовність ТАС є кодоном для амінокислоти метіоніну, а послідовність ТТТ кодує фенілаланін.

Для прокаріотичних організмів є характерною відносно проста структура генів. Так, структурний ген бактерії, фага або вірусу, як правило, контролює лише одну ферментативну реакцію. Специфічною для прокаріотів є оперонна система організації декількох генів. Гени одного оперону (ділянки генетичного матеріалу, що складається з одного, двох і більше зчеплених структурних генів, які кодують білки (ферменти), котрі здійснюють послідовні етапи біосинтезу якого-небудь метаболіту). Оперони прокаріотичних організмів розташовані в кільцевій хромосомі бактерії поряд і контролюють ферменти, що здійснюють послідовні або близькі реакції синтезу (лактозний, гістидиновий та інші оперони). Оперон починається й закінчується регуляторними ділянками — промотором на початку й терминатором у кінці. Завдяки цьому всі гени, які входять до складу оперону, можуть синтезувати свої продукти разом.

Концепція оперону була запропонована 1961 р. французькими вченими Франсуа Жакобом і Жаком Моно, за що вони отримали Нобелівську премію 1965 р.

Структура генів у бактеоріофагов і вірусів, в основному, схожа з бактеріями, але більш ускладнена й пов'язана з геномом господарів. Наприклад, у фагів і вірусів виявлено перекривання генів, а повна залежність вірусів еукаріотів від метаболізму клітини-господаря призвела до появи екзон-інтронів у структурі генів.

А от до оперону еукаріотичних організмів входить, як правило, лише один структурний ген та його регуляторні елементи. Еукаріотичні гени, на відміну від бактеріальних, мають переривчасту мозаїчну будову. Кодуючі послідовності (екзони) перемежовуються з некодуючими (інтрони). Екзон (від англ. ехоп — вираз, виразність) — ділянка гена, що несе інформацію про первинну структуру білка. У гені екзони розділені некодуючими ділянками — інтронами. Інтрон (від лат. Intei між) — ділянка гена, що не несе інформації про первинну структуру білка й розташована між кодуючими ділянками — екзонами. У результаті подібної структури гени еукаріотів мають довшу нуклеотидну послідовність, ніж відповідна зріла і-РНК, послідовність нуклеотидів у якій відповідає послідовності екзонів. У процесі транскрипції інформація про ген списується з ДНК на проміжну і-РНК, що складається з екзонів та інтронів. Потім специфічні ферменти — рестриктази — розрізають цю про-і-РНК по межах екзон-інтрон, після чого екзонні ділянки ферментативно з'єднуються разом, утворюючи зрілу м-РНК (цей процес називається сплайсингом). Кількість інтронів може варіювати в різних генах від нуля до багатьох десятків, а довжина — від кількох пар основ до декількох тисяч.

Поряд зі структурними й регуляторними генами в еукаріотичних організмів знайдені ділянки повторюваних нуклеотидних послідовностей, функції яких вивчені недостатньо, а також мігруючі елементи (мобільні гени), здатні переміщатися по геному. Знайдено також так звані псевдогени в еукаріотів, що являють собою копії відомих генів, які працюють в інших частинах геному та позбавлені інтронів або інактивовані мутаціями.

Дата добавления: 2015-05-24