ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ - 2012

Організмовий рівень організації генетичної інформації. Прояви основних закономірностей успадкування на прикладі менделюючих ознак людини

Генетика (грец. genetikos - який відноситься до походження, logos - наука) - наука про спадковість і мінливість. Термін "генетика" вперше в 1906 р. запропонував англійський учений У. Бетсон. Предметом вивчення генетики є спадковість і мінливість - дві фундаментальні властивості, які притаманні всім живим організмам. Основне завдання генетики - вивчити закономірності спадковості і мінливості з метою розробки способів управління ними в інтересах всього людства. Для здійснення цього завдання генетика застосовує метод, гібридологічного аналізу, який запропонував у 1865 р. Г.Мендель. Це суто генетичний метод, який властивий лише генетиці і не властивий іншим наукам. Гібридологічний метод - дуже точний метод, а генетика - точна наука.

Основні закономірності успадкування ознак були відкриті Г. Менделем (1822-1884). Робота Г. Менделя «Досліди над рослинними гібридами» була опублікована у 1866 р., але у свій час не привернула увагу сучасників. Лише у 1900 р. ті ж закономірності знову встановили, незалежно один від одного європейські вчені: Г. де Фріз з Голандії, К. Корренс з Німеччині і

Е. Чермак Австрії. Невдовзі, завдяки дослідам по гібридизації, проведеним з численними об’єктами, було доведено, що відкриті Менделем закономірності властиві всім організмам.

1900 р. можна вважати роком народження генетики. Розвиток загальної генетики стимулював розвиток генетики людини (антропогенетики) та медичної Генетики.

Мендель Грегор Иоганн (1822-1884)

Етапи розвитку загальної генетики, антропогенетики та медгенетики

Основні поняття і терміни сучасної генетики

Предметом вивчення генетики є дві фундаментальні, але протилежні, властивості, які притаманні всім живим організмам.

Спадковість - властивість організмів забезпечувати матеріальну та функціональну спадкоємність із покоління в покоління (між поколіннями); реалізується в процесі успадкування та відтворення в ряді поколінь специфічного характеру обміну речовин та індивідуального розвитку, які генетично детерміновані, в певних умовах середовища. Внаслідок цього кожний вид організмів зберігає і відтворює себе в ряді поколінь.

Мінливість — властивість організмів набувати нових ознак або втрачати попередні в процесі розвитку. Мінливістю називають також відмінності між особинами того самого виду. Мінливість забезпечує різноманітність форм органічного світу і пристосованість їх до мінливих умов середовища. Мінливість протилежна спадковості, але тісно пов'язана з нею. Разом вони становлять основу еволюції.

Успадкування - процес передавання спадкової інформації з одного покоління організмів наступному.

Альтернативні (взаємовиключні) ознаки - різні стани однієї ознаки, які визначаються різними алелями гену. Наприклад, ознака - колір волосся - альтернативні стани: темне - світле...

Генотип - сукупність усіх генів організму. Це спадкова основа (спадкова конституція) даного організму в цілому або по відношенню до даної спадкової ознаки.

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" вперше в 1909 р. запропонував датський генетик В. Иоганнсен.

Алельні гени, алелі (лат. allelos - протилежний) - гени, які знаходяться в однакових локусах гомологічних хромосом та визначають одну ознаку на молекулярному рівні. Алельні гени, як і хромосоми, парні. У кожній клітині диплоїдного організму будь-який ген представлений двома алелями, один з яких організм одержав від батька, другий - від матері. Виняток становлять статеві клітини, в яких міститься лише один алель даного гена. Алельні гени бувають домінантні і рецесивні. Домінантний ген (алель) проявляється в фенотипі гетерозиготного організму. Рецесивний ген (алель) не проявляється в фенотипі гетерозиготного організму.

Гомозиготний організм - організм, в обох гомологічних хромосомах якого містяться однакові алелі певного гена (наприклад, АА або аа), він утворює один тип гамет за даним геном (А або а). При схрещуванні між собою гомозиготи не дають розщеплення в потомстві.

Гетерозиготний організм - організм, обидві гомологічні хромосоми якого містять різні алелі певного гена (Аа), він утворює два типи гамет за даним геном (А і а). При схрещуванні між собою гетерозиготи дають розщеплення в потомстві.

Гемізиготний організм (грец. hemi - напів) - організм, в якому ген представлений не двома, а одним алелем і цей алель завжди фенотипово проявляється, навіть рецесивний. Гемізиготним є гаплоїдний організм, а також диплоїдний гетерогаметний організм, але лише за тими генами, які локалізовані в статевих хромосомах. Наприклад, чоловіки (XY) є гемізиготними за генами гемофілії, дальтонізму, які локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, оскільки в них лише одна X-хромосома, а Y-хромосома цих генів не містить.

Моногібридне схрещування - схрещування, при якому батьківські особини аналізуються за однією парою альтернативних ознак (однією ознакою).

Дигібридне схрещування - схрещування, при якому батьківські особини аналізуються за двома парами альтернативних ознак (двома ознаками).

Полігібридне схрещування - схрещування, при якому батьківські особини аналізуються за багатьма ознаками (багато ознак).

Г. Мендель у дослідах з гібридизації різних сортів посівного гороху встановив основні закономірності успадкування ознак на організмовому рівні, які відомі тепер як три закони Г. Менделя і закон чистоти гамет. Це основні закони генетики. Г. Мендель досяг успіхів у своїх дослідженнях завдяки вдалому вибору об'єкта досліджень та зовсім новому, розробленому ним методу, який назвали методом гібридологічного аналізу. Горох посівний (Pisum sativum) - самозапильна рослина, і це дозволяє зберігати в чистоті досліджувані ознаки. Свої досліди учений ретельно планував, вів точний кількісний облік і результати досліджень піддавав математичному аналізу. Методика проведення дослідів склала основу гібридологічного методу, який став основним методом класичної і сучасної генетики.

Гібридологічний метод - аналіз успадкування ознак шляхом гібридизації (схрещування). Гетерозиготний організм, який утворюється при цьому, називається гібридом, а потомство — гібридним. Основні положення гібридологічного методу:

1) для схрещування використовуються організми, які в попередніх дослідах не давали зміни ознак (гомозиготні);

2) організми, що схрещуються, чітко відрізняються між собою не за всім комплексом ознак, а лише за однією або небагатьма парами альтернативних ознак;

3) точний кількісний облік прояву кожної окремої пари альтернативних ознак у ряді поколінь; аналізується не тільки перше покоління від схрещування, але і потомство кожного гібрида зокрема. До Г. Менделя учені вивчали успадкування одночасно багатьох ознак і не змогли отримати очікуваних результатів.

Г. Менделя 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 - батьки), схрещування — знаком множення х, жіноча стать - символом (дзеркало Венери), чоловіча - (щит і спис Марса), домінантний алель - великою літерою латинського алфавіту (А), рецесивний алель того ж гену - маленькою літерою (а), 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.

Закони спадковості (Г. Мендель, 1865; Г. Де Фріз, К. Корренс, К. Чермак, 1900)

І закон спадковості (закон одноманітності гібридів 1-го покоління)

При схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються одна від одної за однією парою альтернативних ознак, усе потомство в першому поколінні одноманітне як за фенотипом, так і за генотипом.

Схема запису

А - ген жовтого забарвлення гороху;

а - ген зеленого забарвлення гороху;

АА - гомозиготний жовтий горох (генотип);

аа - гомозиготний зелений горох (генотип).

F₁: Аа - гетерозиготний жовтий горох (одноманітність нащадків за фенотипом та

генотипом)

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

ІІ закон спадковості (закон розщеплення)

При схрещуванні двох гетерозиготних особин (гібридів), які аналізуються за однією парою альтернативних ознак, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1 і за генотипом 1:2:1.

Схема запису:

За фенотипом: 3/4 особин (75 %) мають домінантну ознаку (жовте насіння), а 1/4 (25 %) - рецесивну (зелене насіння).

За генотипом: 1/4 (25%) - домінантні гомозиготи АА (жовте насіння); 2/4 (50%) - гетерозиготи Аа (жовте насіння); 1/4 (25%) - рецесивні гомозиготи аа (зелене насіння).

Цитологічною основою другого закону є мейоз: 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 і аа. Тому одноманітності в другому поколінні F, не може бути, бо в основі розщеплення лежить феномен незмішування алелей у гібридів (закон чистоти гамет).

На основі результатів моногібридного схрещування можна зробити такі висновки: а) окремі ознаки організмів при схрещуванні не зникають, а зберігаються у нащадків. Це зумовлено тим, що алелі одного і того ж гена, знаходячись в одній парі гомологічних хромосом, залишаються в ряді поколінь незмінними; б) кожна гамета отримує лише один ген із даної пари алелей, при чому, кількість гамет, що несуть різні алелі відповідного гена, однакові; в) чоловічі та жіночі гамети, які несуть алелі одного й того ж гену, при заплідненні комбінуються випадково.

III закон Менделя (закон незалежного успадкування та комбінування ознак)

При схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за двома або більше парами альтернативних ознак в другому поколінні спостерігається незалежне успадкування та незалежне комбінування ознак (при умові їх незчепленої локалізації), внаслідок чого з’являються особини з новими комбінаціями ознак не властивими батьківським та прабатьківським формам.

Третій закон спадковості був встановлений при дигібридному схрещуванні. Аналізували успадкування двох пар альтернативних ознак: жовтий і зелений колір насіння та гладеньку та зморшкувату форму насіння гороху.

При самозапиленні гібридів першого покоління, в другому поколінні спостерігається розщеплення за фенотипом у такому співвідношенні 9:3:3:1, де 9/16(56,25%) - жовтих гладеньких; 3/16 (18,75%) - жовтих зморшкуватих; 3/16(18,75%) - зелених гладеньких та 1/16 (6,25%) - зелених зморшкуватих. Тобто, крім рослин з насінням, аналогічним батьківським формам, були одержані рослини, у насінні якого спостерігалися нові комбінації батьківських ознак. Цитологічною основою цього закону є мейоз. У мейозі негомологічні хромосоми розходяться незалежно і можуть комбінуватися в будь-яких поєднаннях.

Розщеплення за генотипом — 1 : 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1 (1/16 -гомозиготні жовті і гладенькі; 2/16 - гомозиготні жовті, гетерозиготні гладенькі; 1/16 - гомозиготні жовті і зморшкуваті; 2/16 - гетерозиготні жовті та гомозиготні гладенькі; 4/16 - дигетерозиготні жовті та гладенькі і т.д.)

Успадкування по кожній ознаки відбувається незалежно від інших ознак.

Випадкове (незалежне) комбінування проявляється в тому, що в F₂ з’являються 3/16 жовтих, зморшкуватих та 3/16 зелених, гладеньких - особини з перекомбінованими ознаками.

Незалежне успадкування ознак відбувається в тих випадках, коли гени, які визначають різні ознаки локалізуються в різних негомологічних хромосомах (незчеплена локалізація генів). При локалізації неалельних генів в однієї хромосомі (зчеплена локалізація) спостерігається зчеплене успадкування в відповідності до закономірностей, встановлених Т. Морганом.

При полігібридному схрещуванні співвідношення різних фенотипів F₂ виражається формулою (3:1)ⁿ, де n - число пар ознак, що аналізуються у гетерозиготної особини (ступінь гетерозиготності). Розщеплення за фенотипом при моногібридному схрещуванні (3:1)¹ = 3:1, при дигібридному схрещуванні (3:1)² = 9 : 3 : 3 : 1, при тригібридному схрещуванні (3:1)³ = 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1. Розщеплення за генотипом визначається формулою (1 : 2 : 1)ⁿ, де n - ступінь гетерозиготності.

Схема схрещування

Дано:

А - ген жовтого забарвлення насіння гороху;

а - ген зеленого забарвлення насіння гороху;

В - ген гладенької форми насіння гороху;

в - ген зморшкуватої форми насіння гороху.

ААВВ - генотип гомозиготного жовтого та гладенького гороху,

аавв - генотип гомозиготного зеленого та зморшкуватого гороху.

Розв’язання

F₁: АаВв - дигетерозиготний жовтий гладенький горох (одноманітність гібридів першого покоління).

F₂:

Решітка Пенета

Для розв'язання задач потрібно вірно виписати типи гамет, кількість яких визначається формулою 2ⁿ, де n — число генів, за якими даний гібрид гетерозиготний. У моногібридів Аа два сорти гамет: 2¹ = 2 (двох сортів: А, а), у дигібридів - 2 = 4(АВ, Аb, аВ, а), у тригібридів 2³ = 8 типів гамет. Кількість генотипів у F₂ визначається формулою 3ⁿ, де 3 відображає кількість можливих комбінацій чоловічих і жіночих гамет при моногібридному схрещуванні; n - число пар алелів, за якими даний гібрид гетерозиготний.

Результати дигібридного схрещування та 3-го закону спадковості визначаються тим, що:

а) гени, які ми аналізували знаходяться у різних негомологічних хромосомах, тільки при цьому буде відбуватися незалежне успадкування та випадкове комбінування ознак;

б) при мейозі в анафазі І відбувається незалежне розходження гомологічних хромосом;

в) в анафазі ІІ відбувається незалежне розходження хроматид (алельних генів). Внаслідок незалежного розходження хромосом і хроматид формуються гамети з різними комбінаціями генів;

г) при заплідненні відбувається випадкове поєднання гамет з різними комбінаціями алельних та неалельних генів, внаслідок чого формуються зиготи (організми) з різними генотипами та комбінаціями ознак. Певна частина нащадків (6/16 або 37,5 %) має фенотипи з новими комбінаціями ознак.

Закон чистоти гамет

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.

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 їхній розвиток і що ці фактори дискретні. У гібридів F (Аа) існує два спадкові фактори, один з них А відповідає за жовтий колір насіння, інший а - за зелений. Ця закономірність одержала назву закону "чистоти гамет" і одержала цитологічне обгрунтування: а) за кожну ознаку в організмі відповідають два алельних гена, що знаходяться (фен) в гомологічних хромосомах; б) в гамету в процесі мейозу потрапляє гаплоїдний набір хромосом (одна з гомологічних хромосом, а значить один із алельних генів). Гамети залишаються «чистими», так як мають (в нормі) одну алель гену, що визначає один з альтернативних ознак; в) при заплідненні, під час злиття гамет, відновлюється диплоїдний набір хромосом, а значить і парність алельних генів.

Аналізуюче схрещування

Як відомо, за повного домінування гомозиготні за домінантним алелем та гетерозиготні особини подібні за фенотипом. Визначити їхній генотип можливо за фенотипом нащадків, отриманих від різних типів гібридизації, наприклад, за допомогою аналізуючого схрещування.

Аналізуюче схрещування здійснюють між рецесивною та домінантною за фенотипами особинами. Воно ґрунтується на тому, що особини, гомозиготні за рецесивним алелем, завжди подібні фенотипово та утворюють гамети лише одного сорту. Отже, аналізуюче схрещування дає змогу вже в першому поколінні гібридів визначити генотип особини, домінантної за фенотипом.

Схема схрещування при гомозиготності особини, генотип якої потрібно встановити:

Тож, якщо серед нащадків, отриманих у результаті аналізуючого схрещування, не відбудеться розщеплення за фенотипом, то особина з домінантним фенотипом виявиться гомозиготною.

За умов гетерозиготності схема аналізуючого схрещування має такий вигляд:

Таким чином, якщо внаслідок аналізуючого схрещування серед нащадків відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1, то особина з домінантним фенотипом є гетерозиготною за даною ознакою.

Дигібридне аналізуюче схрещування.

Варіанти:

Одноманітність потомства при дигібридному аналізуючому схрещуванні доводить, що особина, яку аналізували гомозиготна за двома парами домінантних алелів (ААВВ).

Розщеплення за першою ознакою у відношенні 1:1 та одноманітність за другою ознакою доводить, що особина яку ми аналізуємо — гетерозигота за першою парою алелів та гомозигота за другою парою домінантних алелів.

Одноманітність потомства за першою ознакою та розщеплення за другою у відношенні 1:1 доводить, що особина, яку ми аналізуємо — гомозигота за першою парою домінантних алелів та гетерозигота за другою парою.

Розщеплення в потомстві за фенотипом у відношенні 1:1:1:1 вказує, що особина, яку ми аналізуємо — дигетерозигота (АаВв).

В медичній генетиці, антропогенетиці аналізуюче схрещування неможливо застосувати, але знання закономірностей такого схрещування дозволяє встановлювати можливі генотипи батьків та потомків при аналізах родоводів та реальних ситуацій.

У селекції аналізуюче схрещування застосовують для виявлення гомозиготних за певними ознаками особин, у нащадків яких неможливе розщеплення за фенотипом. Наприклад, в одному з господарств розводили кролів породи шиншила. Ці кролі мають гарне сіре забарвлення хутра, тому їхні шкурки високо цінуються. Але внаслідок схрещування особин з шиншиловим забарвленням хутра між собою часто народжувалися рябі кроленята (з великими білими плямами), шкурки яких вибраковували через неможливість рівномірного фарбування. Для з'ясування генотипів кролів з шиншиловим і рябим забарвленням їх схрестили у різних варіантах (шиншилових - з шиншиловими, рябих - з рябими, шиншилових - з рябими). Рябі особини виявилися гомозиготними за рецесивним алелем, тоді як серед особин із шиншиловим забарвленням були як гомо-, так і гетерозиготні за домінантним алелем.

Щоб позбутися гетерозиготних особин (оскільки серед їхніх нащадків відбувається розщеплення ознак), провели аналізуюче схрещування: тварин із шиншиловим забарвленням спарували з рябими. Кролів із шиншиловим забарвленням, серед нащадків яких не було розщеплення за фенотипом, залишили як плідників, а гетерозиготних, серед нащадків яких спостерігалося розщеплення, вибракували.

Летальні гени

Відхилення від очікуваних результатів розщеплення часто пов'язане з фенотиповим проявом летальних алелей, коли розщеплення серед гібридів другого покоління може відрізнятися від очікуваного, оскільки гомозиготи та гетерозиготи за деякими алелями мають різну життєздатність. Алельний ген, який, проявляючись у фенотипі, призводить до смерті особини, називають летальним.

Наприклад, платинове забарвлення хутра лисиць дуже цінується для виготовлення хутряних виробів. Воно виникло на початку XX сторіччя внаслідок мутації та зумовлене домінантним алелем (Р): при схрещуванні платинових лисиць між собою серед їхніх нащадків є особини як із платиновим, так і сріблястим забарвленням хутра.

Спроби вивести гомозиготних платинових лисиць результатів не дали, хоча теоретично це здавалося можливим. За допомогою аналізуючого схрещування з'ясували, що всі платинові лисиці гетерозиготні, оскільки серед нащадків відбувається таке розщеплення: у 58 виводках - 127 платинових і 58 сріблястих щенят (тобто співвідношення наближувалося до 2 : 1, а не 3 : 1, як можна було очікувати згідно із законом розщеплення). Крім того, коли сріблястих лисиць парували між собою або з платиновими, у виводках здебільшого налічували 4-5 щенят, а при схрещуванні платинових лисиць між собою - тільки 3-4. Виявилось, що особин, гомозиготних за алелем платинового забарвлення, взагалі не існує, бо ембріони з таким генотипом (РР) гинуть на ранніх етапах розвитку. Подібне явище відоме і для сірих каракулівницьких овець, у яких ягнята, гомозиготні за домінантним алелем сірого забарвлення вовни, гинуть унаслідок недорозвинутості травної системи. У мишей відомий летальний алель короткохвостості.

Отже, на кількісні співвідношення різних фенотипових груп нащадків впливають летальні алелі, які, проявляючись у фенотипі, знищують організм ще до повного завершення його розвитку. У випадку з платиновими лисицями летальним був домінантний алель, але його негативна дія проявлялася лише в гомозиготному стані. Більшість летальних алелей - рецесивна і тому вони спричиняють загибель особин, гомозиготних за ними (наприклад, алель, який спричинює водянку телят ейрширської породи).

Менделюючі ознаки в людини, моногенні хвороби, моногенне успадкування

Ознаки, які успадковуються за закономірностями, встановленими Г. Менделем, називаються менделюючими. Деякі менделюючі ознаки людини перераховані в табл. Загальна кількість їх складає понад 2300.

Менделюючі ознаки в людини

Всі менделюючі ознаки дискретні і контролюються моногенно, тобто одним геном (моногенне успадкування). До менделюючих ознак належать моногенні хвороби, які теж контролюються одним геном. Розрізняють наступні типи моногенного успадкування: автосомно-домінантний, автосомно-рецесивний, Х-зчеплений (домінантний і рецесивний), Y-зчеплений. Ознаки цих типів успадкування виявляються за допомогою генеалогічного методу шляхом складання та аналізу родоводів.