Короткі теоретичні відомості. За сучасними даними експертів Усесвітньої організації охорони здоров'я, із тисячі новонароджених у 42–65виявляють моногенні захворювання

За сучасними даними експертів Усесвітньої організації охорони здоров'я, із тисячі новонароджених у 42–65виявляють моногенні захворювання, що мають менделюючий характер.

Серед загальної кількості спадкових хвороб значна частка успадковується відповідно до законів Менделя. Тільки спадкових хвороб обміну речовин сучасна медицина нараховує понад 600. Усі вони переважно є вираженими менделюючими ознаками.

Як відомо, генетика вивчає закономірності спадковості й мінливості.

Успадкування – процес передачі спадкової інформації у ряді поколінь. Застосування терміна «успадкування ознак» є умовним, оскільки успадковуються не ознаки, а гени, які несуть інформацію про всі ознаки і властивості організму. Тому для розуміння багатьох спадкових процесів слід опанувати закономірності успадкування (із по­коління в покоління) генів.

Генотип – сукупність усіх генів організму (у широкому розумінні – сукупність спадкових факторів). Генотип успадковується від батьківських форм і здатний потенційно визначати ознаки організму.

Фенотип – сукупність усіх зовнішніх і внутрішніх ознак організму. Він є результатом взаємодії генотипу й умов навколишнього середовища. Фенотип ніколи не буває відображенням усього генотипу, а завжди відображає лише ту частину його, яка реалізується за цих умов, тому, як правило, ознака має певний діапазон прояву (норму реакції), що відображає характер змін факторів середовища.

Алельні гени, алелі (від лат. alleles – протилежний) – парні гени, що займають одні й ті самі локуси гомологічних хромосом і визначають альтернативні взаємовиключні стани однієї й тієї самої ознаки. Гени, як і хромосоми, парні. У кожній клітині диплоїдного організму будь-який ген представлений двома алелями, один з яких організм одержав від батька, інший – від матері. (Виняток становлять лише статеві клітини – гамети, у яких міститься лише один алель цього гена.)

Таким чином, алельні гени, або гени однієї алельної пари, – це насправді різні форми (різновиди) того самого гена.

Неалельні гени – гени різних алельних пар. Вони, відповідно, визначають варіанти різних ознак і характеризуються протилежними, порівняно з алельними генами, властивостями.

Алельні гени бувають домінантними і рецесивними.

Домінантний ген (алель) – ген, який проявляється у фенотипі гетерозиготного організму (варіант ознаки, що ним визначається, теж є домінантним).

Рецесивний ген (алель) – ген, який не проявляється в фенотипі гетерозиготного організму (визначає, відповідно, рецесивний варіант ознаки).

Домінантний і рецесивний алелі одного гена позначають однаковою літерою латинського алфавіту, але домінантний алель пишуть великою літерою (А), а рецесивний – маленькою (а).

Гомозиготний організм (гомозигота) – диплоїдний організм, в обох гомологічних хромосомах якого містяться однакові алелі певного гена (наприклад АА чи аа). Гомозигота характеризується, відповідно, гомозиготним генотипом. Гомозиготний генотип буває:

– гомозиготний домінантний – АА;

– гомозиготний рецесивний – аа.

Гомозиготний організм утворює один тип гамет за цим геном (А або а).

Гетерозиготний організм (гетерозигота) – диплощний організм, обидві гомологічні хромосоми якого містять різні алелі певного гена (Аа). Гетерозигота характеризується гетерозиготним генотипом – Аа й утворює два типи гамет за цим геном (А й а).

Гемізиготний організм (від грец. hemi –напів) – організм, генотип якого виражається не двома, а одним алелем, і цей алель завжди фенотипово проявляється, навіть тоді, коли він рецесивний.

Гемізиготними є гаплоїдні організми, а також диплоїдний гетерогаметний організм, але лише за тими генами, які локалізовані у статевих хромосомах. Наприклад, чоловіки (XY) є гемізиготними за генами гемофілії, дальтонізму, які локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, оскільки в них лише одна Х-хромосома, а Y-хромосома цих генів не містить.

Узагальнюючи все вище сказане, розглянемо для прикладу алельну пару, що контролює стан кисті людини:

А – ген полідактилії (багатопалості, найчастіше шестипалості);

а – ген нормальної будови кисті (п'ятипалості).

Теоретично можливими є такі генотипи та фенотипи:

Закономірності успадкування ознак установлені Г. Менделем

Закономірності успадкування ознак уперше 1865 р. відкрив Г. Мендель у дослідах з гібридизації різних сортів посівного гороху. Ці закономірності відомі тепер як три закони (правила) Г. Менделя і закон (гіпотеза) чистоти гамет. Це основні закони генетики.

Суть гібридологічного методу

Успіх сприяв Г. Менделю завдяки вдалому вибору об'єкта досліджень (горох посівний) і застосуванню розробленого ним гібридологічного методу вивчення спадковості, який став основним методом класичної і сучасної генетики. Його назва зумовлена тим, що вивчення успадкування ознак здійснювалося шляхом гібридизації (схрещування), тобто поєднання двох генетично різних організмів (гамет).

Гетерозиготний організм, який утворюється при цьому, називають гібридом, а потомство – гібридним.

Особливостями гібридологічного методу були:

– самозапильність гороху, що визначало чистолінійність усіх поколінь (гомозиготність, чистосортність);

– відбір для дослідів тих сортів, які різнилися між собою чіткими і зручними для дослідження альтернативними ознаками;

– спостереження за успадкуванням не всіх ознак одночасно, як це робили інші вчені, а однієї або кількох пар альтернативних ознак;

– ретельне планування дослідів, ведення точного кількісного обліку потомства за кожною парою досліджуваних ознак у ряді поколінь та його математичний аналіз.

За збігом обставин горох має 7 пар хромосом (це було встановлено пізніше) і гени кожної із 7 пар ознак розташовані в різних парах хромосом. Ця обставина допомогла вченому відкрити явище незалежного успадкування ознак.

Моногібридне схрещування –це схрещування, у якому батьківські організми різняться за однією парою альтернативних ознак, дигібридне – за двома, полігібридне –за трьома парами ознак і більше.

Символіка генетичних схем

Заслугою Г. Менделя було також і те, що він запропонував алгебраїчні символи для позначення генетичних схем схрещувань, які з деякими доповненнями застосовують і в сучасній генетиці:

Р (від лат. parentes –батьки) – батьківські форми;

× – схрещування;

♀ – жіноча стать (дзеркало Венери);

♂– чоловіча стать (щит і спис Марса);

велика літера латинського алфавіту – домінантний алель;

маленька літера латинського алфавіту – рецесивний алель;

F (від лат. filii –діти) – гібридне покоління;

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 рядку – усі можливі генотипи дітей.

Вивчення успадкування ознак Г. Мендель почав з моногібридного схрещування. Наприклад, схема його досліду для гороху мала такий вигляд:

А – ген жовтого забарвлення насіння;

а – ген зеленого забарвлення насіння.

Р ♀АА × ♂ аа

жовті гомозиготи зелені гомозиготи

Гамети А а

F₁ Аа

100 % гетерозиготи з жовтим насінням

Перший і другий закони Г. Менделя

Наведена схема ілюструє перший закон Г. Менделя – закон одноманітності гібридів першого покоління: при схрещуванні гомозиготних особин, які різняться 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.

Якщо адаптувати цей закон Менделя (ураховуючи його універсальний характер) стосовно успадкування вище розглянутої патогенної ознаки людини (полідактилія), то матимемо:

А – ген полідактилії;

А – ген нормальної будови кисті.

Р ♀ АА × ♂ аа

гомозиготи-полідактиліки гомозиготи з нормальною кистю

Гамети А а

F₁ Аа

100 % гетерозиготи з полідактилією

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

Наступні закономірності Г. Менделя розглядатимемо також на прикладі патогенних ознак людини. Якщо зобразити схему шлюбу людей з генотипами, що відповідають F₁, матимемо:

Р ♀Аа × ♂Аа

гетерозиготи- гетерозиготи-

полідактиліки полідактиліки

Гамети А, а А, а

F₂ АА, Аа, Аа, аа

Генотип: гомозигота домінантна гетерозиготи гомозигота рецесивна

Фенотип: п о л і д а к т и л і я п’ятипалість

Другий закон Г. Менделя – закон розщеплення ознак: при схрещуванні (шлюбі) двох гетерозиготних особин (гібридів), які різняться 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, 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 алелів у гібридних організмів.

Закон чистоти гамет

Той факт, що рецесивна ознака, 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 F, (Аа) є два спадкові фактори (алельні гени), один із них А відповідає за домінантну ознаку, інший а – за рецесивну.

Отже, 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 із двох алелей певного гена.

Ця закономірність була названа гіпотезою «чистоти» гамет, її цитологічну основу забезпечує механізм мейозу, який був відкритий значно пізніше законів Г. Менделя. Оскільки алельні гени знаходяться в гомологічних (парних) хромосомах, а при мейозі в кожну гамету потрапляє лише одна з гомологічних хромосом, відповідно – й один ген з цієї алельної пари.

Аналітичне схрещування

Фенотип організму з рецесивною ознакою цілком визначається його генотипом, оскільки такий організм обов'язково має бути гомозиготним за рецесивним геном (аа), тоді як організм з домінантною ознакою може мати як гомозиготний домінантний генотип (АА), так і гетерозиготний (Аа). Для визначення генотипу в дослідах на рослинах і тваринах проводять аналітичне схрещування і визначають генотип особини за фенотипом потомства.

Аналітичне схрещування – це схрещування, у 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 (схема а). Якщо у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1, досліджуваний організм є гетерозиготою Аа за схемою:

а)

Р ♀ АА × ♂ аа

Гамети А а

F₁ Аа

100 %

б)

Р ♀ Аа × ♂ аа

Гамети А, а а

F₁ Аа, аа

50 % 50 %

Третій закон Г. Менделя – закон незалежного комбінування ознак

Цей закон Г. Мендель відкрив для дигібридного і тригібридного схрещувань. Щоб зрозуміти суть тих явищ, які мають місце у дигібридному схрещуванні, розглянемо його генетичну схему, моделюючи успадкування патогенних ознак на основі двох алельних пар людини:

А – ген полідактилії;

а – ген нормальної будови кисті;

В – ген нормального вуглеводного обміну;

в – ген цукрового діабету.

Як відомо, при схрещуванні Менделем гороху батьківські форми були гомозиготами із суто домінантним і суто рецесивним генотипами, тобто батьківські форми людей будуть із такими генотипами й фенотипами:

ААВВ – гомозигота-полідактилік без цукрового діабету;

аавв – гомозигота з нормальною кистю і цукровим діабетом.

Р ♀ ААВВ × ♂ аавв

Гамети АВ ав

F₁ АаВв

100 % дигетерозиготи з полідактилією без цукрового діабету

Для отримання F₂ розглянемо шлюб біологічних особин F₁:

Р? АаВв ×?АаВв

Результати злиття гамет зручніше виразити у формі решітки Пеннета (табл. 6.1)

Таблиця 6.1 – Результати злиття гамет

Оскільки закони Менделя мають статистичний характер, то слід розуміти, що схема ілюструє не кількість фактично народжених дітей у подружньої пари, а лише дає можливість знайти вірогідність певних генотипів чи фенотипів потомства при заданих генотипах батьків.

Отже, у другому поколінні F₂ наявне потомство чотирьох фенотипових класів у співвідношенні 9 полідактиліків: 3 полідактиліки з цукровим діабетом: 3 здорових: 1 із цукровим діабетом (9:3:3:1). Нескладно побачити, що за однією, окремо взятою парою ознак, потомство розподіляється приблизно у співвідношенні 3:1, як у моногібридному схрещуванні, тобто таке кількісне співвідношення можна пояснити незалежним розподілом спадкових факторів (генів), що контролюють стан кисті й вуглеводний обмін. З математичної точки зору маємо:

(3 + 1) × (3 + 1) = (3 + 1)²= 9 + 3 + 3 + 1.

На цих висновках ґрунтується третій закон Г. Менделя – закон незалежного комбінування ознак: при схрещуванні гомозиготних особин, які різняться двома (і більше) парами альтернативних ознак, у другому поколінні F₂ спостерігається незалежне успадкування і комбінування ознак, якщо гени цих ознак розташовані в різних парах хромосом.

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 вірогідністю з алелем В або з апелем в, але не з алелем а. З такою ж імовірністю алель а може потрапити в гамету з алелем В або з алелем в, але не з алелем А. Гібриди F₂ у мейозі утворюють яйцеклітини чотирьох типів: АВ, Ав, аВ і ав і стільки ж типів сперміїв. При випадкому поєднанні цих гамет можливе утворення 16 типів зигот (4 × 4), які можна визначити за решіткою Пеннета. Ці типи зигот дають чотири фенотипових класи у співвідношенні 9:3:3:1 і дев'ять генотипових класів у співвідношенні: 1 ААВВ: 2 АаВВ: 2 ААВв: 4 АаВв: 1 ААвв: 2 Аавв: 1 ааВВ: 2 ааВв: 1 аавв.

Підрахунок розщеплення в F₂ за кожною парою ознак показує, що воно в обох 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 одного.

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 (табл. 6.2).

Таблиця 6.2 – Характеристика типів схрещування

Із кількісних співвідношень гаметоутворення випливає формула:

N = 2ⁿ, (6.1)

де N – кількість типів гамет; n – число гетерозиготних алелів генотипу.

Якщо викладені закономірності гаметоутворення адаптувати до дигібридного схрещування, то для можливих класів генотипів отримаємо результати:

Завдання до теми

1. У людини полідактилія (шестипалість) – автосомно-домінантна ознака. П'ятипалий чоловік, батьки якого були шестипалі, одружився із шестипалою жінкою, батько якої п'ятипалий. Які діти можуть народитися у цієї шлюбної пари? Визначити генотипи всіх згаданих осіб.

2. У здорових батьків народилися син, що хворіє на фенілкетонурію, і здорова дочка. Яка вірогідність того, що дочка є носієм гена фенілкетонурії?

3. У людини є дві форми глухонімоти, які зумовлюють рецесивні алелі різних генів а і в. Визначити вірогідність народження нормальної дитини в сім'ї, де обоє батьків мають різні форми глухонімоти, а за другою парою алелів вони гетерозиготні.

4. Скільки типів гамет і які саме утворюють особини з генотипами: 1) АА; 2) Аа; 3) АаВВ; 4) АаВв; 5) AaBBCcDD; 6) ааВВ; 7) АаВвСс?

5. У людини ген полідактилії домінує над геном нормальної будови кисті, а ген альбінізму є рецесивним відносно гена нормальної пігментації. Жінка – полідактилік одружилася з чоловіком – альбіносом. У цього подружжя народилося двоє дітей, у однієї з яких спостерігаються полідактилія й альбінізм, а друга – здорова. Визначити генотипи батьків і дітей та пояснити такі наслідки шлюбу.

Контрольні питання

1. У чому суть універсальності законів Г. Менделя?

2. Які принципові відмінності між поняттями «генотип» і «фенотип»?

3. Що таке алельні гени? Яке їх походження?

4. У чому суть та які клітинні основи гіпотези «чистоти» гамет?

5. Який генетичний зміст першого і другого законів Менделя?

6. За якими особливостями гетерозиготний організм відрізняється від гомозиготного?

7. Чому третій закон Менделя називають ще законом незалежного комбінування ознак?

8. Чи може гібридологічний метод Г. Менделя моделювати вивчення спадковості людини?

Література: [7, с. 14–17; 8, с. 174–178; 9, с. 347–349; 10, с. 56–59, 304–307; 14, с. 89–94; 16, с. 13–18; 17, с. 19–23].

Практичне заняття № 7

Тема. Закономірності спадковості, що не відповідають законам Г. Менделя

Мета: засвоїти генетичну зумовленість хвороб, їх передачу в поколіннях, прояв в онтогенезі, поширення в популяціях, географічне поширення.

Навчальні елементи: моногенне, автосомно-домінантне, автосомно-рецесивне, зчеплене успадкування.

Поиск по сайту: