Единый государственный экзамен как государственный мониторинг знаний по школьной биологии

Моногибридное скрещивание

Моногибридное скрещивание является одной из важнейших тем теоретического курса генетики. Без освоения этой темы невозможно решать задачи по другим разделам курса. Для анализа задач необходимо знание законов Г. Менделя, понятий ген, аллель, гомо- и гетерозигота, реципрокное, возвратное и анализирующее скрещивание.

Моногибридным называют скрещивание, при котором родительские формы отличаются друг от друга одной парой альтернативных (взаимоисключающих) признаков (например, гладкие или морщинистые семена). Моногибридное скрещивание лежит в основе изучения закономерностей моногенного наследования, т.е. наследования признаков, формирование которых определяется аллелями одного гена.

В опытах Г. Менделя при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков, в первом поколении все потомство оказывалось однородным.

Рассмотрим схему моногибридного скрещивания на примере одного из опытов Г. Менделя по скрещиванию растений гороха, различающихся по окраске лепестков:

Из схемы видно, что все потомство первого поколения выглядит одинаково, т.е. имеет одинаковый фенотип (фиолетовую окраску цветков). Получив аналогичные результаты по другим парам альтернативных признаков, Мендель сделал вывод, что действие наследственных факторов определяющих белую окраску цветков было подавлено факторами фиолетовой окраски.

Менделем также был сделан вывод о том, что гибриды первого поколения содержат по два наследственных фактора, определяющих окраску цветков: и фиолетовую и белую. Впоследствии наследственные факторы и соответствующие признаки, проявляющиеся у гибридов первого поколения, были названы доминантными, а факторы (признаки), не проявляющиеся у гибридов - рецессивными. Явление единообразия признаков у гибридов первого поколения получило название - первого закона Менделя.

При самоопылении гибридов первого поколения во втором поколении наблюдается расщепление признаков на исходные родительские в отношении 3:1 по фенотипу (3/4 фиолетовых и 1/4 белых цветков). Эта закономерность является статистической, так как соотношение выполняется не точно, а приблизительно и носит название закона расщепления, или второго закона Менделя.

Появление рецессивного признака во втором поколении говорит о том, что наследуются не сами признаки, а наследственные факторы, их определяющие. Позднее наследственные факторы стали называть генами, разные варианты одного и того же гена - аллелями, а состав наследственных факторов организма - генотипом.

Организмы, у которых в гомологичных хромосомах содержатся одинаковые аллели одного гена, называются гомозиготными, организмы с разными аллелями - гетерозиготными.

При анализе наследованных признаков для краткости при записи генотипов удобно пользоваться так называемыми фенотипическими радикалами - неполные записи генотипа, отражающие фенотип особей. Например, фенотипический радикал A-bb говорит о том, что у особи первый признак доминантный (A-), а второй рецессивный (bb)., при этом генотип по первому признаку неизвестен - AA или Aa. Вместо неизвестной аллели ставится черточка.

Для объяснения закономерностей расщепления признаков у гибридов F2 Мендель предложил гипотезу чистоты гамет, согласно которой доминантный и рецессивный аллели в гетерозиготном генотипе F1 (Аа) не смешиваются, а образуют два типа гамет в равном соотношении: 1/2 А и 1/2 а.

Случайное сочетание этих гамет дает в F2 три генотипа в соотношении 1АА:2Аа:1аа.

Генетическая символика

Для упрощения записи скрещиваний Г. Мендель ввел особые правила и специальную символику, которые используются в генетике до настоящего времени. Доминантные признаки и аллели обозначают прописными буквами (А, В, С...), рецессивные - строчными (а, b, с...).

Родительские организмы, взятые в скрещивание, обозначают буквой Р (от латинского parientalis - родители). Гибридное поколение обозначают буквой F (от лат. filii - дети) с цифровым индексом, соответствующим порядковому номеру гибридного поколения F1, F2 и т.д. Потомство от возвратного скрещивания (гибрида с родительскими особями - беккросс) обозначают как Fb (от англ. back - назад, обратно и cross - скрещивание). Потомство анализирующего скрещивания (гибрида первого поколения с рецессивной гомозиготой - аа) обозначают Fa.

В схемах на первом месте принято ставить генотип женского пола. Женский пол обозначают знаком + (зеркало Венеры), мужской - > (щит и копье Марса). Скрещивание обозначают знаком умножения - X.

Правила решения задач

Основными вопросами в условиях задач на моногибридное скрещивание являются: определение генотипов и фенотипов потомков и (или) родителей по результатам скрещиваний, выявление характера наследования признаков (доминантный, рецессивный, кодоминантный).

Важным моментом успешного решения задачи является внимательное изучение условия задачи. Если указано, какой признак является доминантным, а какой - рецессивным, то вводятся соответствующие обозначения. Заглавными буквами обозначаются доминантные, строчными - рецессивные признаки. В условиях некоторых задач обозначения уже имеются.

Если в условии задачи не указано доминирование, то прежде чем ввести обозначение генов, нужно путем анализа установить, какой признак является доминантным. Доминирование можно определить по фенотипам потомков или по фенотипам организмов предыдущих поколений. Рассмотрим несколько примеров:

Если родители имеют разные признаки альтернативной пары, а все потомки - признаки одного из родителей, то достоверность вывода о доминантности признака, проявившегося у потомков, будет напрямую зависеть от численности потомства. Чем больше потомков, тем надёжнее будет этот вывод. Так, рождение кареглазого ребёнка у родителей, один из которых кареглазый, а другой голубоглазый не означает, что карий цвет глаз является доминантным признаком и что генотип кареглазого родителя - АА. В действительности, генотип кареглазого родителя может быть гетерозиготным (Аа), а в браке Аа х аа вероятность рождения как кареглазого (Аа), так и голубоглазого (аа) ребёнка составляет 50%..

Рождение нескольких кареглазых детей в семье кареглазого и голубоглазого родителей повышает вероятность того, что генотип кареглазого родителя АА. Вместе с тем повышается и надёжность вывода о доминантности карего цвета глаз. Таким образом, вероятность гетерозиготного генотипа у одного из родителей уменьшается при увеличении числа потомков с признаком этого родителя. Например, в семье с пятью детьми, имеющими карий цвет глаз, вероятность гетерозиготного генотипа у кареглазого родителя составляет 1/32. Вывод же о доминантности признака справедлив с вероятностью не менее 31/32 (~97%) (табл.8).

Таблица 8

Вероятность рождения единообразного потомства

в браке Аа х аа в зависимости от числа потомков

В браке, где родители имеют разные признаки альтернативной пары, часть потомства имеет признак одного из родителей, а другая часть - признак другого родителя, один из родителей гетерозиготен (Аа), другой - рецессивная гомозигота (аа) по данной паре альтернативных признаков. Однако мы не можем узнать какой из признаков доминантный, а какой - рецессивный, так как при скрещивании типа Аа х аа с равной вероятностью могут родиться потомки с генотипами обоих родителей (Аа и аа).

Если признак наследуется по моногенному типу, то в браке, где родители и часть потомков имеют одинаковые признаки, другая часть потомков имеет альтернативное проявление признака (имеет место расщепление) родители и похожие на них потомки имеют доминантный признак. При этом родители - гетерозиготы (Аа). Часть потомков с новым признаком - рецессивные гомозиготы (аа).

Этот вывод вытекает из того факта, что расщепление в потомстве одинаковых по фенотипу родителей может быть только в том случае, если оба родителя - гетерозиготы - Аа х Аа. Например, рождение голубоглазого ребёнка в браке кареглазых родителей свидетельствует о том, что карий цвет глаз доминантный, голубой - рецессивный, а родители - гетерозиготы.

Схема скрещивания (генотип голубоглазого ребенка - аа):

Теоретическое расщепление в скрещивании Аа х Аа должно быть в соотношении 3 : 1. Однако законы Менделя носят статистический характер, поэтому приближение фактического расщепления к теоретическому соотношению наблюдается лишь при большой численности потомства (сотни и тысячи особей). Таким образом, нельзя использовать числовые соотношения потомков с разными признаками для каких-либо выводов о генотипе родителей, если исследуются организмы с малым числом потомков (например, человек).

У двух родителей с доминантным признаком могут родиться дети, как с доминантным, так и с рецессивным признаком, а у двух родителей с рецессивным признаком не может быть детей с доминантным признаком. Исключением из этого правила являются случаи доминантных мутаций в гамете одного из родителей. Но, поскольку частота мутирования каждого отдельного гена низка (~ 10-5-10-6 на одну гамету), то в большинстве скрещиваний, где численность потомства не превышает нескольких десятков или сотен особей, мутации не обнаруживаются.

Если в результате многих скрещиваний разных пар родителей с одинаковыми признаками, в потомстве никогда не наблюдается расщепления - все потомки имеют признаки родителей, то родители и их потомки - гомозиготы, доминантные (АА) или рецессивные (аа) (в потомстве от скрещивания АА х АА или аа х аа не может быть расщепления).

Приведённые фрагменты генетического анализа встречаются в задачах на моно-, ди- и полигибридные скрещивания и пригодны для задач из других разделов. См. приложение А.

Неполное доминирование. Кодоминирование

Различают три типа взаимодействия аллелей одного гена: полное и неполное (или частичное) доминирование и кодоминирование. Полным доминированием называют тип наследования, при котором фенотип гетерозиготы (Аа) неотличим от фенотипа доминантной гомозиготы (АА). Т.е. одна из аллелей гена полностью подавляет действие другой аллели. Все описанные выше примеры относятся к этому типу взаимодействия.

В случае полного доминирования, когда один аллель (А) полностью

подавляет действие другого (а), расщепление по генотипу 1АА : 2Аа : 1аа не

совпадает с расщеплением по фенотипу: 3А-:1аа.

При неполном доминировании ни одна из аллелей не доминирует и гетерозигота имеет фенотип, промежуточный между фенотипом доминантной и рецессивной гомозигот. При неполном доминировании соблюдается правило единообразия гибридов первого поколения, в то время как во втором поколении расщепление по генотипу и по фенотипу выражается соотношением 1:2:1.

Примером неполного доминирования может служить наследование окраски цветков ночной красавицы Mirabilis jalapa. При скрещивании растений имеющих красные цветки (АА) с белоцветковыми растениями (аа) иногда все потомство имеет розовые цветки (Аа). Дальнейшее скрещивание гибридов F1 (Аа х Аа) приводит к расщеплению потомства на три фенотипических класса: 1/4 (25%) АА (красноцветковые) : 2/4 (50%) Аа (розовоцветковые) : 1/4 (50%) аа (белоцветковые). Таким образом, при неполном доминировании расщепление по фенотипу во втором поколении совпадает с расщеплением по генотипу.

При кодоминировании у гетерозиготы проявляются признаки, определяемые аллелями обоих генов. Примером кодоминирования у людей служит наличие четвертой группой крови (генотип IАIB). У людей с этой группой крови на поверхности эритроцитов вырабатываются оба типа антигенов - А и В.

Другим примером кодоминирования является наследование окраски шерсти шортгорнских коров. При скрещивании красных коров (АА) с белыми быками (аа) получаются телята чалой масти (смесь красных и белых волос по всему телу). По фенотипу гибридов F1 легко определить, что они гетерозиготны (Аа). Как и в случае с неполным доминированием расщепление и по фенотипу и по генотипу происходит в соотношении 1:2:1. См. приложение Б.

Наследование групп крови

Анализ предыдущих задач может привести к выводу о том, что любой ген существует только в двух различных вариантах - аллелях. На самом деле более вероятно представляется ситуация в которой ген должен иметь огромное число различных состояний. Вся совокупность морфологически проявляющихся аллелей гена называется серией множественных аллелей. Однако каждый диплоидный организм содержит только две аллели из этой серии. В случае множественного аллелизма каждый конкретный генотип, состоящий из двух аллелей серии, называется компаундом.

Значение множественного аллелизма заключается в том, что он резко увеличивает разнообразие генотипов и, соответственно фенотипов. Так, например, серия из трех аллелей обуславливает наличие шести различных генотипов, серия из четырех аллелей обеспечивает образование десяти компаундов.

Число различных компаундов, которые можно образовать из серии, содержащей n аллелей, можно определить по формуле N = [n (n + 1)]/2. См. приложение В.

Независимое наследование признаков

Наследование признаков, которые кодируются генами, локализованными в разных парах хромосом, осуществляется независимо. Это связано с тем, что при мейозе хромосомы разных гомологичных пар ориентируются в экваториальной плоскости независимо друг от друга (рис. 1).

Следствием независимого расхождения разных пар хромосом является равновероятное образование гамет с различными сочетаниями хромосом и содержащихся в них аллелей.

Хромосомы при мейозе распределяются таким образом, что в каждую гамету попадает гаплоидный набор хромосом или только одна хромосома из каждой пары. Следовательно, в каждую гамету попадает только одна аллель из каждой пары аллелей гена.

Так, например, дигетерозигота АаВb с одинаковой частотой образует четыре типа гамет: AB, Ab, aB, ab.

Число типов гамет для гетерозиготного генотипа с числом пар аллелей, равным N, определяется формулой 2N, где N - число пар аллелей в гетерозиготном состоянии. Эта формула справедлива как для независимого, так и для сцепленного наследования, когда аллели принадлежат хромосомам одной гомологичной пары.

Рис. 1. Независимое поведение двух пар гомологичных хромосом в фазах первого деления мейоза: 1 - профаза I; 2 - метафаза (два равновероятных варианта ориентации бивалентов на экваторе клетки); 3 - четыре равновероятных типа гамет.

Проявлением независимого наследования в скрещивании типа AaBb x AaBb является образование четырех фенотипических классов потомков в соотношении: 9A-B- : 3A-bb : 3aaB- : 1aabb, где «-» в данном случае обозначает, что ген может находиться либо в доминантном, либо в рецессивном состоянии.

Полигибридное скрещивание

Полигибридным называют такое скрещивание, при котором родительские формы отличаются друг от друга несколькими парами альтернативных (взаимоисключающих) признаков. Простейшим примером полигибридного скрещивания является дигибридное скрещивание при котором родительские формы отличаются по двум парам альтернативных признаков.

Для определения фенотипов и генотипов потомства при полигибридном скрещивании удобно пользоваться решеткой Пеннета, для построения которой по вертикальной оси следует отметить гаметы одного родительского организма, а по горизонтальной - другого. В месте пересечения вертикалей и горизонталей записываются генотипы дочерних организмов. В ячейках с генотипами можно также делать сокращенные подписи фенотипов.

Решетка Пеннета для дигибридного скрещивания

AaBb x AaBb

А - желтая окраска семян (ж),

а - зеленая окраска семян (з),

В - гладкая поверхность семян (г),

b - морщинистая поверхность семян (м).

Наиболее вероятное расщепление по фенотипу:

9 A-B- - желтая гладкая;

3 A-bb - желтая морщинистая;

3 ааB- - зеленая гладкая;

1 aabb - зеленая морщинистая.

Для выяснения генотипов по расщеплению в потомстве следует учитывать, что при скрещивании двух дигетерозигот в потомстве наблюдается расщепление на четыре фенотипических класса в соотношении 9:3:3:1. а для каждого отдельно взятого признака соотношение фенотипов составляет 3:1. Последнее условие позволяет при необходимости в решении задач на выяснение генотипа при дигибридном скрещивании рассматривать каждую пару признаков в отдельности от другой.

Если обе пары генов наследуются по типу неполного доминирования, то расщепление по фенотипу и генотипу будет совпадать друг с другом. Если неполное доминирование осуществляется по одной паре генов, то совпадение генотипов или фенотипов будет происходить только по этой паре. См. приложение Г.

Сцепленное наследование признаков

Основные положения хромосомной теории Т.Х. Моргана

Сцепленное наследование признаков впервые было описано в 1906 году У. Бэтсоном и Р. Пеннетом при изучении наследования окраски цветка и формы пыльцевых зерен у душистого горошка. Ученые обнаружили, что при скрещивании сортов растений с пурпурными цветками и удлиненной пыльцой (доминантные признаки - ААBB) и растений с красными цветками и круглой пыльцой (рецессивные признаки - aabb) в F1 наблюдается единообразие, все гибриды имеют пурпурные цветки и пыльцу удлиненной формы:

В результате самоопыления полученных гибридов, во втором поколении должно было получиться расщепление 9:3:3:1. Однако в действительности было получено расщепление:

A-B- - 4831 (69,5 %)

A-bb - 390 (5,6 %)

aaB- - 393 (5,6 %)

aabb - 1338 (19,3 %)

Эти результаты показали, что не для всех признаков характерно независимое распределение в потомстве и свободное комбинирование. Очевидно, что в гаметы предпочтительно попадают исходные сочетания аллелей исследуемых генов (AB и ab), новые же сочетания аллелей (aB и Ab) встречаются значительно реже. Однако открыв сцепленное наследование, ученые не смогли объяснить это явление.

Число признаков организма многократно превышает число хромосом. Следовательно, в одной хромосоме должно располагаться множество генов, отвечающих за развитие разных признаков.

Природа сцепленного наследования была подробно изучена в лаборатории американского генетика Т.Х. Моргана. В своих экспериментах он отдавал предпочтение плодовой мушке дрозофиле - Drosophila melanogasret. Она удобна для гибридологического анализа благодаря наличию четко различимых морфологических мутаций.

Т.Х. Морган с сотрудниками скрещивали гомозиготные чистые линии мух, несущие одну из мутаций. В потомстве F1 наблюдалось единообразие:

Если исследуемые гены находились в разных хромосомах, то особь с генотипом АаBb образовывала четыре типа гамет в равном соотношении:

Соответственно в анализирующем скрещивании (АаBb х aabb) получалось четыре равных по численности фенотипических класса потомков. В этом случае делался вывод о независимом наследовании признаков (гены признаков находятся в разных хромосомах):

Если же в потомстве обнаруживалось два больших, примерно равных по численности класса, и два малых, то следовал вывод о сцепленном наследовании.

Т. Морган и его сотрудники обнаружили множество примеров сцепленного наследования признаков. Было установлено, что гены, находящиеся в одной хромосоме связаны между собой и образуют группу сцепления. Внутри каждой группы признаки наследуются сцеплено. Признаки из разных групп сцепления проявляют независимое наследование. Все признаки у дрозофилы распределяются на четыре группы сцепления в соответствии с числом и величиной хромосом.

Неполное сцепление. Кроссинговер

Если гены сцеплены, то они попадают в одну гамету. В этом случае, особь с генотипом АаBb должна образовывать не четыре, а только два типа гамет. Следовательно, в анализирующем скрещивании должно образоваться не четыре, а только два фенотипических класса потомков в соотношении 1:1. Эти фенотипические классы должны точно соответствовать фенотипам родителей. Так и происходит при полном сцеплении.

Однако сцепление, как правило, не является абсолютным (полным). В потомстве анализирующего скрещивания дигетерозиготы по генам, наследуемым сцеплено, т.е. расположенным в одной хромосоме, часто появляются особи с новым (рекомбинантным) сочетанием генов, которые отсутствовали у родителей. Эти новые фенотипические классы уступают по численности классам с исходными родительскими фенотипами.

Очевидно, что появление потомков с новым сочетанием генов возможно лишь в результате обмена участками между гомологичными хромосомами. Такой обмен действительно был обнаружен. В профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют по всей длине и между их хроматидами образуются места пересечения - хиазмы. Этот обмен участками между гомологичными хромосомами был назван Морганом кроссинговером (рис. 2). Продукты кроссинговера - гаметы, споры и зиготы, в которых сцепленные гены находятся в новых сочетаниях по отношению к исходным, родительским, сочетаниям, называются кроссоверными.

Рис. 2. Схема образования кроссоверных хромосом в случае одинарного кроссинговера

В результате исследований Морган пришел к выводу, что вероятность появления форм с рекомбинантным сочетанием признаков зависит от частоты кроссинговера, которая определяется долей кроссоверных классов в потомстве.

Ученым удалось установить, что гены расположены в хромосоме в строгой линейной последовательности, т.е. у всех особей одного вида гены занимают строго определенные локусы. Следовательно, частота кроссинговера между двумя определенными генами всегда одинакова, но различна для разных пар генов.

Морган высказал предположение, что гены, расположенные в одной хромосоме близко друг к другу, сцеплены сильно, в то время как сцепление между генами, лежащими на большем расстоянии, выражено слабее. Иными словами, он предположил, что степень сцепления обратно пропорциональна расстоянию между генами.

Сотрудник Т. X. Моргана А. Стертевант предположил, что частота кроссинговера на участке между генами, локализованными в одной хромосоме, может служить мерой расстояния, на котором они находятся друг от друга. Тогда можно использовать частоту кроссинговера для того, чтобы определять взаимное расположение генов и расстояние между ними. Было предложено измерять расстояние между локусами как процентное отношение числа кроссоверных потомков в потомстве анализирующего скрещивания к общему числу потомков:

Единицей этого расстояния служит 1 % кроссинговера, или 1 сантиморган (centiMorgan).

Дальнейшие исследования показали, что кроссинговер в мейозе происходит не между хромосомами, а между хроматидами гомологичных хромосом (рис. 2). Именно поэтому кроссоверных потомков образуется не более 50 %. Однако если локусы генов в хромосоме расположены далеко друг от друга, то на участке между ними всегда происходит кроссинговер. Это приводит к тому, что далеко отстоящие гены проявляют независимое наследование, как если бы они находились в разных хромосомах.

На участке хромосомы, расположенном между двумя генами, кроссинговер может происходить в двух или в нескольких точках (рис. 3). При двойном кроссинговере хроматиды обмениваются средними участками. Участки, находящиеся справа и слева от образовавшихся хиазм, остаются в своих хроматидах. При двойном кроссинговере не образуется кроссоверных потомков по генам, расположенным справа и слева от хиазм.

Рис. 3. Схема образования кроссоверных хромосом в случае двойного кроссинговера. Кроссоверных гамет по локусам А и B не образуется

Двойной кроссинговер можно обнаружить только в тригибридном скрещивании, так как в этом случае средний участок маркирован третьим геном (рис. 4). Чем дальше друг от друга отстоят гены, тем больше вероятность двойного кроссинговера, следовательно, по результатам анализирующего дигибридного скрещивания точно определить расстояние можно лишь для близко расположенных локусов, когда вероятность двойного кроссинговера между ними невелика. Генетическое расстояние между локусами находящимися далеко друг от друга нужно определять как сумму расстояний между промежуточными локусами.

Рис. 4. Схема образования кроссоверных хромосом в случае двойного кроссинговера. Двойные кроссоверные гаметы можно обнаружить лишь в тригибридном скрещивании, если средний (обменивающийся) участок маркирован каким-либо третьим геном (в данном случае это ген С).

Генетические карты хромосом

Определение величины кроссинговера легло в основу построения генетических карт - схем линейного расположения генов по длине хромосомы с указанием генетических расстояний между локусами в % кроссинговера. Впервые генетическая карта была построена для Х-хромосомы дрозофилы в 1911 г. Стертевантом. Он установил, что данные по частоте рекомбинации между отдельными парами генов можно использовать для построения модели или карты Х-хромосомы. Стертевант первый использовал долю рекомбинации (частоту кроссинговера) в качестве критерия удаленности сцепленных генов друг от друга.

На основании данных, полученных при сравнении частот рекомбинации между генами, Стертевант построил первую карту в виде прямой, которая отражала что:

гены локализованы в одной хромосоме;

гены расположены линейно;

гены находятся на определенном расстоянии друг от друга, которое точно соответствует проценту кроссинговера и равно доле кроссоверных особей в потомстве анализирующего скрещивания Fа.

Алгоритм решения задач на сцепленное наследование

Наиболее часто встречающийся элемент в задачах на сцепленное наследование - анализирующее скрещивание. Оно может быть моногибридным, дигибридным и полигибридным. В общем виде анализирующее скрещивание записывается формулой:

A-B-C-… x aabbcc…

В задачах данного типа использование анализирующего скрещивания позволяет ответить на следующие вопросы:

Определите генотипы родителей и потомства.

Какой закон наследственности проявляется в данном случае?

Выяснение характера наследования признаков

Обычно в задачах на сцепленное наследование приводятся результаты анализирующего скрещивания. Требуется определить, сцеплены или нет признаки и, если они сцеплены. Для определения характера наследования признаков решающее значение имеет характер расщепления в потомстве анализирующего скрещивания (Fa). Если в Fa получено четыре фенотипических класса потомков в равном соотношении (1:1:1:1), то делается вывод о независимом наследовании изучаемых признаков, т.е. гетерозигота АаBb с равной частотой образует четыре типа гамет: AB, Ab, aB, ab. Это возможно, если гены находятся в разных парах гомологичных хромосом. Если же в Fa получено два больших, примерно равных по численности класса потомков, и два малых, то это свидетельствует о сцепленном наследовании признаков.

Запись генотипов

В задачах на сцепленное наследование запись генотипов в схемах скрещиваний отличается от таковой при независимом наследовании. Для обозначения гомологичных хромосом при сцепленном наследовании генов принято записывать генотип в виде натуральной дроби:

Числитель и знаменатель дроби соответствуют двум родительским гомологичным хромосомам, из которых одна отцовская, а другая материнская.

Для удобства можно использовать также линейную запись генотипов:

AB/ab; ABC/abc; Ab/aB C/c

Запись Ab/aB C/c в приведенных примерах означает, что аллели А и b сцеплены в одной, а аллели а и B - в другой гомологичной хромосоме. Аллели гена С находятся в другой паре гомологичных хромосом и наследуются независимо от генов А и B.

Если гены изучаемых признаков находятся в половых хромосомах (сцеплены с полом), то Х-хромосома обозначается черточкой, а Y-хромосома - полустрелкой:

Такая запись означает, что аллели А и B сцеплены с Х-хромосомой, а в Y-хромосоме аллельных генов нет.

Для того, чтобы определить генетическую конструкцию гетерозиготной родительской особи (т.е. установить, что с чем сцеплено, AB/ab или Ab/aB), необходимо по результатам анализирующего скрещивания выявить некроссоверные классы потомков. Если некроссоверными (большими по численности) являются потомки с генотипами AaBb и aabb, то генотип гетерозиготы AB/ab. Если же в потомстве преобладают классы Aabb и aaBb, то генотип гетерозиготы Ab/aB.

Определение типов гамет

Распространенной ошибкой при решении задач на сцепленное наследование является неправильное определение типов гамет. Определение числа и типов гамет в задачах этого типа происходит, как и при независимом наследовании, по формуле: 2n, где n - число пар генов в гетерозиготном состоянии. Например, у организма с генотипом AB/ab две пары генов в гетерозиготном состоянии, т.е. n = 2, следовательно, данный организм образует 22 = 4 типа гамет. При этом гаметы АB и ab образуют большие по численности некроссоверными классы с неизменённым составом аллелей. Гаметы Ab и aB - малые по численности кроссоверные классы с новым сочетанием аллелей.

У организма с генотипом aBc/AbC три пары генов в гетерозиготном состоянии, следовательно, он образует 23=8 типов гамет. Гаметы aBc и AbC составляют большие по численности некроссоверные классы.

В правильном написании кроссоверных типов гамет может помочь составление схем кроссинговера.

Схемы кроссинговера для данного организма будут выглядеть следующим образом:

Одиночный кроссинговер между локусами генов А и В:

Одиночный кроссинговер между локусами генов В и С:

Двойной кроссинговер между локусами генов А и С:

При составлении схем кроссинговера следует помнить, что основное количество гамет будут составлять некроссоверные, а кроссоверные гаметы будут встречаться в меньших количествах. Двойные кроссоверные гаметы составляют самые малые по численности классы. См. приложение Д.

Наследование признаков, сцепленных с полом

Факторы внешней среды, безусловно, в некоторой степени влияют на половой фенотип, однако, к настоящему времени установлено, что пол у большинства раздельнополых организмов определяется преимущественно хромосомным набором.

В соматических клетках все хромосомы парные (отсюда и диплоидный набор хромосом) и большинство таких парных хромосом в мужском и женском организмах гомологичны друг другу. Однако по одной паре хромосом они все же отличаются друг от друга. Эти хромосомы называются половыми и обозначают буквами X и Y.

Цитологическое изучение хромосомных наборов мужского и женского пола у многих организмов показало, что один пол имеет две одинаковые половые X-хромосомы, а другой - гетероморфную пару из X и Y хромосом, либо только одну X-хромосому.

Пол, у которого половые хромосомы одинаковы (XX), называют гомогаметным, т.к. он образует одинаковые по составу половых хромосом гаметы (несут по одной Х-хромосоме).

У человека, всех млекопитающих, большинства насекомых (в том числе и дрозофилы), ракообразных, большинства земноводных, некоторых видов рыб, большинства двудомных растений гомогаметным является женский пол.

У птиц, бабочек, пресмыкающихся, некоторых видов рыб, немногих земноводных и некоторых двудомных растений (земляника) гомогаметным является мужской пол.

Пол, у которого половые хромосомы гетероморфные (XY или X0), называют гетерогаметным, так как у него в равном соотношении образуются два типа гамет: половина с X-, половина с Y-хромосомой (или X и 0).

X-хромосома, обычно крупнее Y-хромосомы. В Х и Y-хромосомах есть участки, гомологичные друг другу, которые содержат аллельные гены. Признаки таких генов должны подчиняться классическим законам наследования. Но большая часть Х и Y-хромосом негомологичны - в участках Х-хромосомы содержатся гены, аллельных которым в Y-хромосоме нет (например, ген классической гемофилии), и наоборот, в негомологичном участке Y-хромосомы содержатся гены, у которых нет аллелей в Х-хромосоме (например, ген, определяющий оволосение края ушной раковины человека).

Наследование признаков, гены которых находятся в половых хромосомах, называется наследованием, сцепленным с полом.

Поскольку половые хромосомы Х и Y не являются полностью гомологичными друг другу, то наследование признаков, гены которых находятся в негомологичных участках половых хромосом, имеет свои особенности:

Отец всегда передает свою Х-хромосому дочери, а Y-хромосому - сыну. Мать передает Х-хромосому или сыну, или дочери;

Признаки, развитие которых определяется генами, расположенными в негомологичных участках Y-хромосомы, всегда встречаются у мужчин и никогда не встречаются у женщин;

Рецессивные гены, расположенные в Х-хромосомах, всегда проявляются у мужчин, а у женщин - только в гомозиготном состоянии;

Доминантные гены в Х-хромосомах у женщин могут быть в гомозиготном или гетерозиготном состоянии, а у мужчин - только в гомозиготном.

Решение задач, в которых рассматриваются признаки, гены которых расположены в Х-хромосомах, следует начинать с мужских особей, поскольку у них всегда проявляется действие и рецессивных, и доминантных генов. Затем можно определить генотип матери по генотипу сыновей и генотип дочерей по генотипу отца или братьев.

При анализе признаков, сцепленных с полом, в схемах скрещиваний используются не только условные обозначения генов, но и обозначения половых хромосом (X, Y).

Приступая к решению задач на наследование сцепленное с полом, прежде всего, необходимо записать схему скрещивания согласно половым хромосомам. Например:

P: + XX x > XY

При записи сцепленных с полом генов, аллели этих генов удобнее записывать нижними или верхними индексами к хромосомах, в которых они локализованы. Например:

P: + XАXА x > XаY

Если, кроме сцепленных с полом генов, в задаче необходимо учесть еще и аутосомные гены, то их записывают, так же как в предыдущих задачах. Например:

P: + XАXАBb x > XаYbb

См. приложение Е.

Анализ и составление родословных

Применение гибридологического метода не всегда возможно, например, при изучении закономерностей наследования признаков у человека или при малочисленном потомстве. В этих случаях применяют другие методы генетики, в частности, генеалогический.

Генеалогический метод, или метод анализа родословных, является наиболее фундаментальным и универсальным методом изучения наследственности и изменчивости человека. Он заключается в изучении какого-либо нормального или чаще патологического признака в поколениях людей, которые находятся друг с другом в родственных отношениях. Сутью генеалогического метода является составление и анализ родословных. Анализу по изучаемому признаку подвергается несколько поколений родственников или нескольких семей. Это отчасти позволяет компенсировать низкую плодовитость человека и увеличивает число изучаемых потомков.

Целью генеалогического анализа является установление генетических закономерностей. В частности, метод позволяет:

определить наследуется ли изучаемый признак;

определить доминантным или рецессивным является изучаемый признак;

выявить локализацию изучаемого гена: в аутосоме, Х-хромосоме или Y-хромосоме;

выявить сцепление генов;

рассчитать пенетрантность изучаемого гена;

определить генотип того или иного члена родословной;

оценить вероятность рождения ребенка с тем или иным альтернативным проявлением признака;

выявить взаимодействие генов.

Генеалогический метод включает в себя два последовательных этапа:

сбор сведений о членах родословной и составление словесного описания родословной; словесное описание родословной с указанием родства и наличием или отсутствием изучаемого признака называется легендой;

составление графического изображения родословной, ее анализ и составление прогноза.

Составление родословных таблиц имеет свои правила. Лицо, по отношению к которому составляется таблица, называется пробандом. На рисунке пробанд указывается стрелкой. Чаще всего пробандом является больной или носитель изучаемого признака. Братья и сестры называются сибсами. В таблице сибсы обозначаются: женщины - кружками, мужчины - квадратами. Родительская пара и их дети называются ядерной семьей. Совокупность семей, состоящих в кровном родстве, называется родом.

При составлении родословных используются специальные символы:

Графическое изображение родословной представляет собой совокупность символов, обозначающих особей мужского и женского пола, у одних из которых имеется изучаемый признак, а у других этот признак отсутствует. На графическом изображении все члены родословной связаны друг с другом горизонтальными или вертикальными линиями, отражающими родственные или брачные отношения (муж - жена, родители - дети). Все индивиды одного поколения располагаются строго в один ряд. Поколения обозначаются римскими цифрами сверху вниз; обычно цифры ставятся слева от родословной. Арабскими цифрами нумеруются все индивиды одного поколения слева направо, последовательно. Братья и сестры располагаются в родословной в порядке рождения.

Графическое изображение одной из родословных включающей в себя представителей четырех поколений представлено на рис. 5.

Рис. 5. Графическое изображение родословной

Графическое изображение родословных существенно облегчает последующий анализ: определение типа наследования, генотипа пробанда и вероятности рождения у пробанда ребенка с тем иным альтернативным значением признака.

Болезни и нейтральные признаки человека могут быть доминантными, рецессивными, кодоминантными, аутосомными или сцепленными с полом. В связи с этим выделяют различные типы наследования и характерные для них родословные.

Для успешного определения типа наследования и генотипов членов родословной необходимо знать теоретические основы закономерностей наследования и характерные особенности, которыми обладает родословная каждого из основных типов наследования. Эти особенности обусловлены расположением генов в хромосомах и особенностями взаимодействия между их аллелями.

Аутосомно-доминантное наследование

Доминантными признаками (болезнями) считаются те, которые проявляются у гетерозигот. Это определение в некоторой степени отличается от менделеевского, согласно которому доминантными считаются признаки, которые одинаково проявляются у доминантных гомозигот и гетерозигот. Эти различия обусловлены тем, что большинство доминантных болезней человека летальны в гомозиготном состоянии. Как правило, гомозиготы погибают, не достигнув репродуктивного возраста.

Характерной особенностью родословных с аутосомно-доминантным типом наследования является:

частая встречаемость признака в каждом поколении (рис. 6);

признак встречается у детей, у которых хотя бы один из родителей имеет изучаемый признак;

мужчины и женщины с изучаемым признаком встречаются с приблизительно одинаковой частотой.

Рис. 6. Аутосомно-доминантный тип наследования. Генотип пробанда - Аа.

Аутосомно-рецессивное наследование

Рецессивные болезни выявить труднее, чем доминантные, так как у гетерозигот отсутствуют клинические симптомы (хотя современными методами биохимии и молекулярной генетики гетерозиготное носительство можно диагностировать с абсолютной точностью).

Большинство родословных с рецессивными признаками содержит браки между кровными родственниками (рис. 7). Это обусловлено тем, что в родственных браках многократно повторяется вероятность рождения детей-гомозигот (как доминантных, так и рецессивных).

Рис. 7. Аутосомно-рецессивный тип наследования. Генотип пробанда - аа.

Характерной особенностью родословных с аутосомно-рецессивным типом наследования является:

признак встречается относительно редко, не в каждом поколении;

если признак имеется у обоих родителей, то этот признак имеют все их дети;

признак встречается даже у детей, родители которых не имеют изучаемого признака;

мужчины и женщины с изучаемым признаком встречаются с приблизительно одинаковой частотой.

Доминантное сцепленное с Х-хромосомой наследование

Доминантные заболевания, сцепленные с полом, проявляются как у мужчин, так и у женщин, однако у женщин - в более легкой форме, чем у мужчин. Последнее связано с тем, что вредный эффект доминантной аллели частично компенсируется рецессивной аллелью, имеющейся во второй Х-хромосоме (рис. 8). У мужчин лишь одна Х-хромосома и возможности такой компенсации нет.

Рис. 8. Доминантный, сцепленный с Х-хромосомой тип наследования. Генотип пробанда - ХАY.

Особенностью родословных с доминантным сцепленным с Х-хромосомой наследованием является:

признак встречается часто, в каждом поколении;

признак встречается у детей, у которых хотя бы один из родителей имеет изучаемый признак;

признак встречается и у мужчин, и у женщин, но женщин с таким признаком приблизительно в два раза больше, чем мужчин;

если изучаемый признак имеет мужчина, то этот признак будут иметь все его дочери, но не сыновья.

если изучаемый признак имеет женщина, то признак имеют и дочери и сыновья

Рецессивное сцепленное с Х-хромосомой наследование

В родословных с рецессивными признаками, сцепленными с полом, характерно проявление признака преимущественно у мужчин (рис. 9). Больные дочери могут родиться в браке между кровными родственниками.

Особенностью родословных с рецессивным сцепленным с Х-хромосомой наследованием является:

признак встречается не в каждом поколении;

признак встречается преимущественно у мужчин;

признак сыновьям передается от дедов (прадедов) по материнской линии, но не от отцов;

у женщин признак может встречаться только тогда, когда он имеется у их отца;

больные дочери могут родиться от брака между кровными родственниками (поколение 3).

Рис. 9. Рецессивный, сцепленный с Х-хромосомой тип наследования. Генотип пробанда - ХаY.

Сцепленное с Y-хромосомой, или голандрическое, наследование

В родословных с наследованием признаков сцепленных с Y-хромосомой признак встречается часто, в каждом поколении, признак встречается только у мужчин и передается по мужской линии: от отца к сыну и т.д. (рис. 10).

Рис. 10. Сцепленный с Y-хромосомой, или голандрический тип наследования. Генотип пробанда - ХYА (или ХYа)

Алгоритм решения задач по анализу родословных

В большинстве типовых учебных задач по анализу родословных бывает необходимо выполнить следующую последовательность действий:

определить тип наследования изучаемого признака (или болезни);

определить генотип пробанда;

рассчитать вероятность рождения у пробанда ребенка с тем или иным альтернативным проявлением изучаемого признака;

составить графическое изображение родословной.

Определение типа наследования признака

Для определения типа наследования признака рекомендуют придерживаться следующей последовательности действий:

Определите, доминантным или рецессивным является изучаемый признак.

Если изучаемый признак встречаются в родословной редко, не в каждом поколении, и если признак встречается у человека, родители которого не имеют изучаемого признака, то изучаемый признак вероятнее всего является рецессивным.

Если признак встречаются в родословной часто, в каждом поколении, и если дети с таким признаком рождаются в браках, где хотя бы один из родителей имеет данный признак, то изучаемый признак вероятнее всего является доминантным.

Определите, в аутосоме или в половой хромосоме находится ген, обусловливающий формирование изучаемого признака.

Если изучаемый признак встречаются приблизительно с одинаковой частотой у представителей разного пола, то изучаемый признак скорее всего является аутосомным, то есть обусловливающий его ген расположен в аутосоме.

Если признак у представителей разного пола встречаются с разной частотой (вплоть до отсутствия признака у представителей одного пола), то изучаемый признак сцеплен с полом, то есть обусловливающий его ген расположен в половой хромосоме.

Анализ нескольких поколений позволяет определить, в какой именно половой хромосоме - Х или Y расположен этот ген.

В том случае, если ген находится в половой хромосоме, то определите в какой именно половой хромосоме - Х или Y находится ген, обусловливающий формирование изучаемого признака.

Если признак встречается только у особей мужского пола и передается только от отца сыну, то можно думать, что изучаемый ген находится в Y-хромосоме.

Если в конкретной родословной рецессивный признак встречается только у особей мужского пола, у отцов которых данный признак отсутствует, но имеется у дедов или прадедов по материнской линии, то рецессивный аллель, обусловливающий развитие изучаемого признака, расположен в Х-хромосоме.

Если среди особей с доминантным признаком особи женского пола встречаются приблизительно в два раза чаще, чем особи мужского пола, и у мужчины с доминантным признаком все дочери тоже имеют этот признак, а у всех его сыновей этот признак отсутствует, то доминантный аллель, обусловливающий развитие изучаемого признака, расположен в Х-хромосоме.

Установив тип наследования изучаемого признака, убедитесь, что родословная не обладает комплексом признаков, характерных для других типов наследования.

Определив тип наследования изучаемого признака, можно легко выяснить генотип пробанда и сделать прогноз о его вероятном потомстве.

Определение генотипа пробанда

При определении генотипа пробанда необходимо знать основные закономерности наследования генов и хромосом и помнить, что ребенок может иметь в своем генотипе только те гены, которые были у его родителей и которые он в ходе оплодотворения получил от них в составе половых клеток.

Определяя генотип пробанда, мы фактически решаем простейшую генетическую задачу на моногибридное скрещивание, где информация о признаках у тех или иных членов семьи представлена не в виде текста, а в виде графического изображения. Поэтому при определении генотипа пробанда необходимо придерживаться той последовательности действий, которую рекомендуют при решении типовых генетических задач.

Во избежание ошибки в определении генотипа пробанда рекомендуется определять не только генотип пробанда, но и генотипы всех членов родословной. В этом случае рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.