6. Наслідування ознак за законами Менделя

Закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем

Закономірності успадкування ознак вперше в 1865 р. встановив чеський учений Г.Мендель у дослідах з гібридизації різних сортів посівного гороху . Ці закономірностівідомі тепер як три закони (правила) Г.Менделя і закон (гіпотеза) чистоти гамет. Це основні   закони генетики.

І до Г.Менделя учені намагалися пояснити  закономірності успадкування, але ніхто з них не одержав точних даних.  Успіх сприяв Г.Менделю завдяки вдалому вибору об'єкта досліджень і застосуванню розробленого самим Г.Менделем гібридологічного методу вивчення спадковості.  

Горох посівний (Pisum sativum) – самозапильна рослина, тому нащадки кожної рослини є чистими лініями (чистосортні). Для дослідів Г.Мендель вибрав 22 сорти, які відрізнялися між собою чіткими і зручними для дослідження альтернативними ознаками і на них вивчав успадкування 7 пар ознак (високе чи низьке стебло, жовтий чи зелений колір насіння, ін.). Г.Мендель стежив за успадкуванням одночасно не всіх ознак, як це робили інші вчені, а однієї або небагатьох пар альтернативних ознак. Горох має 7 пар хромосом (це було встановлено пізніше) і гени кожної з 7 пар ознак були розташовані в різних парах хромосом. Ця обставина допомогла ученому сформулювати закон незалежного комбінування ознак.Свої досліди учений ретельно планував, вів точний кількісний облік потомства за кожною парою досліджуваних ознак у ряді поколінь і результати досліджень піддавав математичному аналізу. Методика проведення дослідів склала основу гібридологічного методу, який став основним методом  класичної і сучасної генетики.

 Гібридологічний метод – вивчення успадкування знак шляхом гібридизації (схрещування), тобто поєднання двох генетично різних організмів (гамет).  Гетерозиготний організм, який утворюється при цьому, називається гібридом, а потомство – гібридним. Основні положення гібридологічного методу: 1) для схрещування використовуються чистосортні (гомозиготні)  батьківські організми, які відрізняються між собою за однією чи небагатьма парами  альтернативних ознак; 2) проводиться точний кількісний облік потомства окремо за кожною досліджуваною ознакою в ряді поколінь.

Схрещування, в якому батьківські організми відрізняються за однією парою альтернативних ознак, називається моногібридним, за двома – дигібридним, за трьома і більше –полігібридним.

Заслугою Г.Менделя було також і те, що він запропонував алгебраїчні символи для позначення генетичних схем схрещувань, які з небагатьма доповненнями застосовуються і в сучасній генетиці. На схемах батьки умовно позначаються  літерою Р (лат. parentes – батько), схрещування – знаком множення х, жіноча стать – символом ♀ (дзеркало Венери), чоловіча - ♂ (щит і спис Марса), домінантний алель – великою літерою латинського алфавіту, рецесивний алель того самого гена – такою ж літерою, але маленькою, гібридне покоління –  через F (лат. filii - діти) з цифровим індексом, який вказує на порядковий номер: F₁- перше покоління, F₂- друге і т.д. У першому рядку схеми записують генотипи батьків (на перше місце переважно ставлять жіночий організм, на друге – чоловічий), у другому – типи гамет, які вони утворюють, у третьому – всі можливі генотипи дітей.

 Перший закон Г.Менделя  – закон одноманітності гібридів першого покоління

Вивчення успадкування ознак Г.Мендель  почав з моногібридного схрещування. При запиленні чистосортного (гомозиготного) гороху з жовтим насінням АА пилком гороху з зеленим насінням аа усі гібриди першого покоління F₁ мали жовте насіння. Аналогічні результати Г.Мендель одержав також у дослідах, де вивчалося успадкування інших пар альтернативних ознак (червоні і білі квітки, гладенька і зморшкувата форма насіння). В усіх випадках у гібридів першого покоління проявлялася ознака лише одного з батьків, ознака іншої батьківської форми не проявлялася. Явище переважання в гібридів першого покоління ознаки одного з батьків Г.Мендель назвав домінуванням (лат. dominancio - панування), ознаку, яка проявилася в гібридів першого покоління – домінантною, яка не проявилася –  рецесивною (лат. recessum – відступ).

Виявлена закономірність складає суть першого закону Г.Менделя –  закону одноманітності гібридів першого покоління, або закону домінування: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за однією парою альтернативних ознак  спостерігається одноманітність гібридів першого покоління F₁ як за фенотипом, так і за генотипом. За фенотипом усі особини мають домінантну ознаку, за генотипом вони гетерозиготні  

Цитологічні основи цього закону: гомозиготні батьки (АА х аа) в процесі мейозу утворюють гамети лише одного типу – А і а відповідно. Поєднання цих гамет дає зиготу лише одного типу – Аа.

Другий закон Г.Менделя – закон розщеплення ознак

У схрещуванні шляхом самозапилення гібридів першого покоління F₁ між собою в другому поколінні F₂ з’являються особини як з домінантною, так і з рецесивною ознаками в співвідношенні 3:1 (три жовтих і один зелений), тобто спостерігається розщеплення. Розщеплення підкоряється певним статистичним закономірностям і становить основу другого закону  Г.Менделя – закону розщеплення ознак: при схрещуванні двох гетерозиготних особин (гібридів), які відрізняються за однією парою альтернативних ознак, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом 3:1 і за генотипом  1:2:1. За фенотипом  3/4 особин (75 %) мають домінантну ознаку, а 1/4  (25 %) - рецесивну. За генотипом 1/4 особин (25 %) - домінантні гомозиготи АА, 2/4  (50 %) - гетерозиготи Аа і 1/4 (25 %) - рецесивні гомозиготи аа.

 Цитологічні основи другого закону:  гібриди першого покоління F₁ (Аа) при мейозі утворюють яйцеклітини і спермії двох типів – А і а, поєднання яких при схрещуванні дає три типи зигот: АА, АА, Аа. Тому одноманітності в F₂ не може бути, бо в основі закону розщеплення лежить феномен незмішування алелей у гібридних організмів (закон чистоти гамет).

Закон чистоти гамет

Той факт, що рецесивна ознака (зелений колір насіння), яка була відсутня в гібридів першого покоління F₁,  знову з’явилася в 1/4  гібридів другого покоління F₂, Г.Мендель пояснив тим, що успадковуються не самі ознаки, а спадкові фактори (гени), які визначають розвиток цих ознак і що ці фактори дискретні. У гібридів F₁  (Аа) існує два спадкові фактори ( алельні гени), один з них А відповідає за жовтий колір насіння, інший а – за зелений. Алельні гени, знаходячись у гетерозиготному стані, не зливаються, не змінюють один одного і, не втрачаючи своєї індивідуальності, передаються в гамети. Гамети є  «чистими»: вони несуть лише один з двох  алелей певного гена.. Цю закономірність Г.Мендель назвав гіпотезою «чистоти гамет». Її цитологічною основою є  мейоз, який був відкритий значно пізніше законів Г.Менделя. Алельні гени знаходяться в гомологічних (парних) хромосомах. При мейозі в кожну гамету попадає лише одна з гомологічних хромосом і відповідно один ген з пари алельних генів.

Аналізуюче схрещування

Генотип організму з рецесивною ознакою визначається за його фенотипом. Такий організм обов’язково повинен бути гомозиготним за рецесивним геном (аа).  Гомозиготна (АА) і гетерозиготна (Аа) особини з домінантною ознакою за фенотипом не відрізняються. Для визначення генотипу в дослідах на рослинах і тваринах проводять аналізуюче схрещування і визначають генотип особини за фенотипом потомства.

Аналізуюче –  схрещування, в якому особина, генотип якої невідомий, але його потрібно встановити (АА чи Аа), схрещується з рецесивною гомозиготою (аа). Якщо все потомство від цього схрещування буде одноманітним, досліджуваний організм має генотип АА. Якщо у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1, досліджуваний організм є гетерозиготою Аа.

Третій закон Г.Менделя – закон  незалежного комбінування ознак

Цей закон Г.Мендель встановив у дигібридному і тригібридному схрещуваннях. У дигібридному схрещуванні гомозиготного гороху з жовтим і гладеньким насінням ААВВ і гомозиготного гороху з зеленим і зморшкуватим насінням ааbb усі гібриди  АаBb першого покоління F₁ мали жовте і гладеньке насіння (одноманітність гібридів першого покоління).

При самозапиленні гібридів першого покоління F₁ у другому поколінні F₂ було одержано потомство чотирьох фенотипових класів у співвідношенні  9 жовтих гладеньких : 3 жовтих зморшкуватих : 3 зелених гладеньких : 1 зелений зморшкуватий (9:3:3:1). При подальшому аналізі Г.Мендель встановив, що за однією, окремо взятою парою ознак, насіння розподілялося приблизно у співвідношенні 3:1, як у моногібридному схрещуванні.

Результати досліду Г. Мендель пояснив незалежним розподілом спадкових факторів (генів), що контролюють колір і форму насіння. На цьому грунтується третій закон Г.Менделя – закон незалежного комбінування ознак: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються двома (і більше) парами альтернативних ознак, у другому поколінні F₂ спостерігається незалежне успадкування і комбінування ознак, якщо гени цих ознак розташовані в різних парах гомологічних хромосом.

Щоб зрозуміти сутність явищ, які мають місце в дигібридному схрещуванні, розглянемо його генетичну схему (рис. 4.5):

А – домінантний алель жовтого кольору насіння гороху;

а – рецесивний алель зеленого кольору насіння;

В – домінантний алель гладенької форми насіння;

b – рецесивний алель зморшкуватої форми насіння.

 

 

♂ Гамети ♀	АВ	Аb	aВ	ab
АВ	ААВВ Жовтий гладенький	ААВb Жовтий гладенький	АaВВ Жовтий гладенький	АaВb Жовтий гладенький
Аb	ААВb Жовтий гладенький	ААbb Жовтий зморшкуватий	АaВb Жовтий гладенький	Аabb Жовтий зморшкуватий
aВ	АaВВ Жовтий гладенький	АaВb Жовтий гладенький	аaВВ Зелений гладенький	аaВb Зелений гладенький
ab	АaВb Жовтий гладенький	Аabb Жовтий зморшкуватий	аaВb Зелений гладенький	аabb Зелений зморшкуватий

Решітка Пеннета

Схема дигібридного схрещування, яка ілюструє третій закон Г.Менделя – закон незалежного комбінування  ознак

 Цитологічною основою цього закону є мейоз. У мейозі негомологічні хромосоми розходяться незалежно і можуть комбінуватися в будь-яких поєднаннях.   Тому алель А може виявитися в одній гаметі з однаковою ймовірністю з алелем В або з алелем b, але не з алелем а. З такою ж ймовірністю алель а може потрапити в гамету з алелем В або з алелем b, але не з алелем А. Гібриди F₁    в мейозі утворюють яйцеклітини 4-х типів: АВ, Аb, аВ і аb і стільки ж типів сперміїв. При випадкому поєднанні  цих гамет  можливе утворення 16 типів зигот (4 х 4), які можна визначити за решіткою Р.Пеннета. Ці типи зигот дають 4 фенотипових класи у співвідношенні  9 жовтих гладеньких : 3 жовтих зморшкуватих : 3 зелених гладеньких : 1 зелений зморшкуватий (9:3:3:1) і 9 генотипових класів у співвідношенні 1ААВВ:2АаВВ:2ААВb:4АаВb:1ААbb:2Aabb:1aaBB:2aaBb:1aabb. Підрахунок розщеплення в F₂   за кожною парою ознак показує, що воно в обидвох випадках дорівнює 12:4, тобто 3:1, як при моногібридному схрещуванні. Отже, дигібридне схрещування  – це, по суті, два незалежних моногібридних, які ніби накладаються одне на одне.

Застосовуючи закони Г.Менделя, можна спрогнозувати розщеплення і для більш складних схрещувань: три-, тетрагібридного і т.д. В основі завжди лежатиме розщеплення при моногібридному схрещуванні.

Загальні формули гаметоутворення і розщеплення

2ⁿ- кількість типів гамет;

4ⁿ - кількість комбінацій гамет при утворенні другого покоління F₂;

(3:1)ⁿ - розщеплення за фенотипом у другому поколінні F₂;

(1:2:1)ⁿ  - розщеплення за генотипом у другому поколінні  F₂;

2ⁿ - кількість класів за фенотипом у другому поколінні F₂;

3ⁿ - кількість класів генотипів у другому поколінні F₂;

n - число генів у гетерозиготному стані.

Відповідно до сучасної генетичної термінології, закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем, грунтуються на наступних положеннях:

1. Кожна ознака в організмі контролюється парою алелей певного гена.

2. При мейозі кожна пара алелей розщеплюється і кожна гамета одержує по одному алелю з кожної пари.

3. При утворенні чоловічих і жіночих гамет у кожну з них може попасти будь-який алель з однієї пари разом з будь-яким алелем з іншої пари.

4. Кожний алель передається з покоління в покоління як дискретна незмінна одиниця спадковості.

5. Материнський і батьківський організми в рівній мірі беруть участь у передаванні своїх спадкових факторів нащадкам. Нове покоління отримує не готові ознаки, а тільки матеріальні фактори –  по одному алелю (для кожної ознаки) від кожної батьківської особини.

 

7. Основні поняття генетики –  генотип, фенотип,  алельні, неалельні гени

Генотип – сукупність всіх генів організму.    

Фенотип – сукупність всіх зовнішніх і внутрішніх ознак організму.  Фенотип є результатом взаємодії генотипу і умов зовнішнього середовища. Фенотип ніколи не буває відображенням  усього генотипу, а завжди відбиває лише ту частину його, яка реалізується за даних умов. Терміни генотип і фенотип увів у науку в 1909 р. датський генетик В.Йогансен.

Алельні гени, алелі (лат. allelos – протилежний) – різні форми того самого гена, вони займають одне і те саме місце (локус) гомологічних хромосом і визначають  альтернативні стани однієї і тієї самої ознаки. Гени, як і хромосоми, парні. У кожній клітині диплоїдного організму будь-який ген представлений двома алельними генами (алелями), один з яких організм одержав від батька, другий – від матері. Виняток становлять статеві клітини – гамети, в яких міститься лише один алель даного гена. Алельні гени – парні гени, або гени однієї алельної пари. Неалельні гени – гени різних алельних пар.

Алельні гени бувають домінантними і рецесивними. Домінантний ген (алель) – ген, який визначає фенотип гетерозиготного організму. Рецесивний ген (алель) – ген, який не проявляється в фенотипі гетерозиготного організму. Домінантний і рецесивний алелі одного гена позначають однаковою літерою латинського алфавіту, але домінантний алель пишуть великою літерою, а рецесивний – маленькою. Наприклад, у людини нормальна пігментація шкіри визначається домінантним алелем А, а її відсутність (альбінізм) – рецесивним алелем того самого гена а.  

 Взаємодія  генів

Генотип функціонує як єдина цілісна система взаємодіючих генів. Розрізняють  взаємодію алельних генів (генів однієї алельної пари) і взаємодію неалельних генів (генів різних алельних пар).

Взаємодія алельних генів

Основні форми взаємодії алельних генів – повне і неповне домінування, наддомінування і кодомінування.

Домінування (домінантність) – переважання в фенотипі гетерозиготного організму одного алеля (домінантного) над іншим (рецесивним) алелем того самого гена. Рецесивність – пригнічення в фенотипі гетерозиготного організму одного алеля (рецесивного) іншим алелем (домінантним) того самого гена. Домінування може бути повним і неповним. У випадку повного домінування домінантна гомозигота (АА) і гетерозигота (Аа) мають однаковий фенотип. Явище повного домінування спостерігалося в дослідах  Г.Менделя, де один алельний ген завжди був домінантним, інший – рецесивним. Тому насіння гороху за кольором завжди було або жовтим, або зеленим і не мало іншого, наприклад, синього кольору. При повному домінуванні  в схрещуванні гетерозигот (Аа х Аа) розщеплення за фенотипом  – 3:1, за генотипом – 1:2:1.

За типом повного домінування в людини успадковуються  менделюючі ознаки (моногенне успадкування): ямочки на щоках, здатність згортати язик трубочкою, властивість загинати язик назад, вільна мочка вуха, а також багато спадкових хвороб: полідактилія, бульозний епідермоліз, міопатія, кістозно-аденоїдна епітеліома, ахондроплазія, ін.

Неповне домінування – взаємодія алельних генів, при якій у гетерозиготного організму домінантний алель не проявляє повністю своєї домінантності, а рецесивний алель того самого гена – своєї рецесивності. При неповному домінуванні фенотип гетерозиготи Аа є проміжним між фенотипом домінантної АА і рецесивної аа гомозигот. Так, у схрещуванні нічної красуні з червоними квітками (АА) і нічної красуні з білими квітками (аа), всі гібриди (Аа) першого покоління F₁ мали рожеве забарвлення квіток. У схрещуванні гібридів першого покоління F₁ між собою (Аа х Аа) у другому поколінні F₂  відбувається  розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:2:1, яке співпадає із співвідношенням розщеплення за генотипом 1АА:2Аа:1аа, але відхиляється від розщеплення за фенотипом при повному домінуванні (3:1).

За типом неповного домінування в людини успадковуються цистинурія, пильгерова анемія,  таласемія, атаксія Фрідрейха, ін. У гомозигот за рецесивним геном цистинурії аа в нирках утворюються цистинові камені, у гетерозиггт Аа камені не утворюються, а спостерігається лише підвищений вміст цистину в сечі, гомозиготи АА – здорові.

 Наддомінування –  взаємодія алельних генів, при якій домінантний алель у гетерозиготному стані  проявляється в фенотипі сильніше, ніж у  гомозитному (Аа >АА).

 Кодомінування – взаємодія алельних генів, при якій у фенотипі гетерозиготного організму проявляються обидва алелі того самого гена. За типом кодомінування в людини успадковується четверта група крові (генотип І^АІ^В). У людей цієї групи в еритроцитах крові одночасно наявні антиген А, який контролюється алелем І^А і антиген В – продукт експресії алеля І^В. Алелі  І^А і І^В – кодомінантні.

 Взаємодія неалельних генів

Основні форми взаємодії неалельних генів – комплементарність, епістаз і полімерія. Вони переважно видозмінюють класичну формулу розщеплення за фенотипом, встановлену Г.Менделем для дигібридного схрещування (9:3:3:1).

Комплементарність (лат. complementum – доповнення). Комплементарними, або взаємодоповнюючими, називаються неалельні гени, які поодинці не виявляють своєї дії, але при одночасній наявності в генотипі зумовлюють розвиток нової ознаки. У запашного горошку забарвлення квіток зумовлене двома домінантними неалельними генами, з них один ген (А) забезпечує синтез безкольорового субстрату, інший (В) – синтез пігмента. Тому при схрещуванні рослин з білими квітками (ААbb х ааВВ) всі рослини в першому поколінні F₁ (АаВb) мають забарвлені квітки, а в другому поколінні F₂ відбувається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 9:7, де 9/16 рослин мають забарвлені квітки і 7/16 – незабарвлені.    

У людини нормальний слух обумовлений комплементарною взаємодією двох домінантних неалельних генів D і  Е, з них один визначає розвиток завитки, інший –  слухового нерва. Люди з генотипами D–Е– мають нормальний слух, з генотипами D–ее і ddЕ– – глухі. У шлюбі, де батьки глухі (DDee ´  ddEE), всі діти будуть мати нормальний слух (DdEe).

Епістаз – взаємодія неалельних генів, при якій один ген пригнічує дію іншого, неалельного, гена. Перший ген називається  епістатичним, або супресором (інгібітором), інший, неалельний, ген – гіпостатичним. Якщо епістатичний ген – домінантний, епістаз називають домінантним (А>В). І, навпаки, якщо епістатичний ген рецесивний, епістаз – рецесивний (аа>В або аа >вв). Взаємодія генів при епістазі протилежна комплементарності.

У курей домінантний алель С одного гена  обумовлює розвиток забарвлення пір’я, але домінантний алель І іншого гена є його супресором. Тому кури  з генотипом І–С– – білі, а з генотипами ііСС і ііСс – забарвлені.  У схрещуванні білих курей (ІІСС х іісс) гібриди першого покоління F₁ виявляться білими, але при схрещуванні F₁ між собою у другому поколінні F₂ відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 13:3. З 16 особин 3 будуть забарвлені (ііСС і ііСс), тому що в них відсутній домінантний ген-супресор і є домінантний ген забарвлення. Інші 13 особин будуть білими. Даний приклад ілюструє явище домінантного епістазу.

 Прикладом рецесивного епістазу може бути бомбейський феномен – незвичайне успадкування груп крові системи АВО, вперше виявлене в одній індійській сім’ї. У родині, де батько мав групу крові І (О), а мати –ІІІ (В), народилася дівчинка з групою І (О), вона одружилася з чоловіком з групою крові ІІ(А) і в них народилося дві дівчинки: одна з групою крові ІV (АВ), інша – з І (О). Народження дівчинки з ІV (АВ) групою крові в родині, де батько мав ІІ (А), а  мати – І (О) було незвичайним. Генетики пояснили цей феномен так: дівчинка з групою ІV (АВ) успадкувала алель І^А від батька, а алель І^В – від матері, але в матері алель І^Вфенотипово не виявлявся, тому що в її генотипі був присутній рідкісний рецесивний епістатичний ген s у гомозиготному стані, який пригнічував фенотиповий прояв алеля І^В.

 Гіпостаз – взаємодія неалельних генів, при якій домінантний ген однієї алельної пари пригнічується  епістатичним геном з іншої алельної пари. Якщо ген А пригнічує ген В (А>В), то по відношенню до гена В взаємодія неалельних генів називається гіпостазом, а по відношенню до гена А – епістазом.

 Полімерія – взаємодія неалельних генів, при якій одну і ту саму ознаку контролюють кілька домінантних неалельних генів, які діють на цю ознаку однозначно, в однаковій мірі, підсилюючи її прояв. Такі однозначні гени називають полімерними (множинними, полігенами) і позначають однією літерою латинського алфавіту, але з різними цифровими індексами. Наприклад, домінантні полімерні гени – А₁, А₂, А₃ і т.д., рецесивні – а₁, а₂, а₃ і т.д. Відповідно позначають генотипи – А₁А₁А₂А₂А₃А₃, а₁а₁а₂а₂а₃а₃. Ознаки, які контролюються полігенами, називають полігенними, а успадкування цих ознак – полігенним, на відміну від моногенного, де ознака контролюється одним геном. Явище полімерії вперше описав у 1908 р. шведський генетик Г.Нільсон-Еле при вивченні успадкування кольору зерна в пшениці.

Полімерія буває кумулятивною і некумулятивною. При кумулятивній полімерії кожний ген окремо має слабку дію (слабку дозу), але кількість доз всіх генів у кінцевому результаті сумується, так що ступінь вираження ознаки залежить від числа домінантних алелей. Сумування доз полімерних генів (аддитивність) забезпечує існування неперервних рядів кількісних змін.

За типом полімерії в людини успадковуються ріст, маса тіла, колір шкіри, розумові здібності, величина артеріального тиску. Так, пігментація шкіри в людини визначається 4-6 парами полімерних генів. У генотипі корінних жителів Африки наявні переважно домінантні алелі (Р₁Р₁Р₂Р₂Р₃Р₃Р₄Р₄), у представників європеоїдної раси – рецесивні (p₁p₁p₂p₂p₃p₃p₄p₄). Від шлюбу негра і білої жінки народжуються діти з проміжним кольором шкіри – мулати (Р₁р₁Р₂р₂Р₃р₃Р₄р₄). Якщо подружжя – мулати, то можливе народження дітей з пігментацією шкіри від максимально світлої до максимально темної.

Полігенно в типових випадках успадковуються кількісні ознаки. Проте в природі існують приклади полігенного успадкування якісних ознак, коли   кінцевий результат не залежить від числа домінантних алелей у генотипі – ознака або проявляється, або не проявляється (некумулятивна полімерія).