Хромосомная теория наследственности

а) Создание хромосомной теории наследственности

Одной из самых важных вех в развитии генетики стали экспериментальные работы Т. Моргана (1911-1914 гг.) и его сотрудников (А. Стертеван, К. Бриджис, Г. Меллер) с плодовой мушкой дрозофилой. Ими была установлена связь генов с хромосомами. Эти работы экспериментально доказали хромосомную теорию наследственности.

1901-1902 гг. – Мак-Кланг предположил, что хромосомы являются определяющим пола (1905 г –Вильсон и Стивенс подтвердили половые хромосомы).

1902 г - Бовери и Сэттон обнаружили, что количество признаков намного превосходит количество хромосом.

1902 г – Сэттон установил сходство поведения хромосом во время образования гамет, оплодотворения и передачи менделеевских наследственных факторов.

Было выдвинуто предположение: в каждой хромосоме должно быть множество различных задатков, которые должны наследоваться совместно.

1902 – 1907 гг. – Бовери проводил эксперименты над яйцами морских ежей и доказал, что требуется наличие всех хромосом, присущих непосредственно виду. Так же описаны все хромосомы, относящиеся к определенному полу

1905 г – Стивенсон установил различия в половом наборе самок и самцов насекомых.

1902-1903 гг. – Сэттон и Бовери сформировали основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Хромосома – материальный носитель наследственных задатков;

2. Пара наследственных задатков (отца и матери) локализованы в паре хромосом отцовского и материнского происхождения, при этом каждая хромосома несет по одному наследственному задатку из пары;

3. Каждая хромосома содержит множество наследственных задатков;

4. Наследственные задатки, расположенные в одной паре, наследуются совместно.

б) Экспериментальное доказательство хромосомной теории наследственности (работы Т. Моргана)

1911-1914 гг – Томас Морган в экспериментальном исследовании с мушкой дрозофилы экспериментально доказал основные положения хромосомной теории (в 1933 г – нобелевская премия).

Разработана теория линейного расположения гена в хромосоме и вытекающие от сюда процессы сцепления и кроссинговер.

В качестве исследования использовал дрозофилу melanogaster, так как:

1. Маленький размер

2. Неприхотлива

3. Легко разводится на искусственной питательной среде

4. Обладает высокой плодовитостью (1 особь – 100 потомков)

5. Имеет ряд менделирующих альтернативных признаков

6. Короткий цикл индивидуального развития (10 дней)

7. Минимальное количество хромосом (4 пары)

8. Самец имеет полное сцепление

 

I. Опыт

Красные глаза доминируют над белыми. Морган взял красноглазую самку и белоглазого самца, скрестил их и в первом поколении наблюдал единообразие (красные глаза), что подтверждает первый закон Менделя.

При скрещивании гибридов первого поколения он наблюдал расщепление по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1, что доказывало второй закон Менделя.

II. Опыт

Затем скрестил красноглазого самца и белоглазую самку, в первом поколении наблюдал расщепление 1:1. Установил закономерность, что красноглазыми были самки, а белоглазыми – самцы. Сделал вывод, что признак, отвечающий за цвет глаз, находится в хромосоме, преимущественно в Х и наследуется совместно и не подчиняется законам Менделя.

 III. Опыт

3.1. Взял альтернативные признаки: цвет тела (черный, серый), форму крыльев (длинные, редуцированные), чистые линии (не дают расщепления в потомстве). Серый цвет тела доминирует над черным. Длинные крылья доминируют над короткими.

Скрещивал гомозиготную самку по обоим доминантным признакам и гомозиготного самца по обоим рецессивным признакам. Получил единообразие первого поколение поколения (серый цвет, длинные крылья).

Затем провел анализирующее скрещивание (самец F1 с гомозиготной самкой). В результате получил расщепление 1:1, полностью соответствуют родительским. А Мендель получил бы 4 фенотипических класса в равном соотношении 25% каждый (1:1:1:1).

3.2.  Скрестил самку гибридов F1 с гомозиготным самцом и получил иные результаты: 4 фенотипических класса, с соотношением: 2 класса с признаками родителей (большинство) – 83% (по 41,5%) и 2 с перекомбинацией генов – 17% (по 8,5%).

При скрещивании гибридов первого поколения, самки – доминантные, самцы – рецессивные, 4 фенотипических класса 83% с признаками родителей и 17% с перекомбинацией признаков.

Это позволило Т. Моргану и его коллегам сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

2. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

3. Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, то есть наследуются преимущественно сцеплено, благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола).

5. Сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами).

6. Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом -- кариотипом.

в) Сцепление генов (полное, неполное). Группы сцепления у разных биологических видов.

Сцепление генов – гены находятся в одной хромосоме.

Группа сцепления - совокупность генов, локализованных в одной хромосоме. Число групп сцепления равно числу пар хромосом в диплоидном наборе данного вида.

Сцепление неаллельных генов может быть полным (если гены всегда передаются вместе) и неполным (встречается чаще):

Полное сцепление – разновидность сцепленного пола, при котором гены анализируемых признаков располагаются близко друг к другу

Неполное сцепление – это такое, при котором анализируемое скрещивание гетерозиготного организма по двум признакам с рецессивной формой, мы получаем не два фенотипа, а четыре.

Неполное сцепление генов обусловлено кроссинговером, который происходит в профазе (стадия пахитены) первого деления митоза. Кроссинговер - это процесс обмена одинаковыми участками между гомологичными хромосомами. В результате кроссинговера возникают новые комбинации генов в гомологичных хромосомах. Генетические рекомбинации приводят к формированию в гаметогенезе различных типов гамет: одни гаметы с хромосомами, которые не подвергались кроссинговеру (некроссоверные гаметы), другие гаметы с хромосомами, которые участвовали в кроссинговере (кроссоверные гаметы).

Вероятность кроссинговера и количество кроссоверных (рекомбинантных) гамет (особей) зависит от расстояния между генами (прямая зависимость). Чем ближе друг к другу расположены гены в хромосоме, тем реже происходит их расхождение при кроссинговере, и, наоборот, чем дальше друг от друга отстоят гены, тем чаще возможно нарушение их сцепления. Мерой расстояния между генами является частота кроссинговера, которая определяется через отношение числа кроссоверных особей в потомстве (образовались при участии кроссоверных гамет) к общему числу потомков в данном скрещивании, выраженное в процентах. Единицей расстояния между генами является морганида. 1 морганида соответствует 1% кроссинговера (или 1%кроссоверных особей, или 1% кроссоверных гамет).

Следует отметить, что у подавляющего большинства животных, растений и человека кроссинговер происходит в одинаковых долях как у особей женского, так и мужского пола. К исключениям относятся, лишь самец дрозофилы и самка тутового шелкопряда, у которых кроссинговер не происходит, и образуются только некроссоверные гаметы.

Группы сцепления – гены, расположенные в линейной последовательности в одной хромосоме и наследуемые совместно.

Неаллельные гены, локализованные в одной хромосоме образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно числу пар хромосом в диплоидном наборе данного вида. Например, у самки дрозофилы имеется восемь хромосом и соответственно четыре группы сцепления; у самца дрозофилы имеется также восемь хромосом, но групп сцепления будет пять: три за счет трех пар аутосом, одна за счет Х-хромосомы и одна за счет Y-хромосомы. Выделение отдельных групп сцепления у самца по Х- и Y-хромосомам определяется тем, что эти хромосомы не являются гомологичными и имеют существенные различия по генному составу. Аналогичным образом у человека, женский организм имеет 23 группы сцепления, а мужской — 24 группы сцепления.

г) Основные положения хромосомной теории наследственности.

1. Гены локализуются в хромосоме в линейной последовательности. Каждый ген занимает определённое место – локус;

2. Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом;

3. Сила сцепления генов в хромосоме зависит от расстояния между ними. Чем ближе расположены гены друг к другу, тем сильнее сила их сцепления;

4. Сцепление генов может нарушаться процессом кроссинговера, в результате которого образуются рекомбинантные хромосомы. Чем сильнее сцеплены гены, тем меньше величина кроссинговера;

5. Сцепление генов и их рекомбинация в результате кроссинговера – это закономерные биологические явления, в которых выражается единство наследственности и изменчивости как свойства живого.

д) Принципы построения генетических карт. Цитологические карты хромосом.

Генетическое картирование – это определение положения какого-либо гена по отношению к другим генам в данной группе. Результат – составление генетических карт хромосом.

Генетическая карта – это отрезок прямой, на котором обозначен порядок взаимного расположения генов в хромосоме и указание расстояния между ними, которое измеряется в морганидах, или в процентах кроссинговера.

В основе – линейный порядок расположения генов. Строятся на результатах анализирующих скрещиваний.

Физический метод построения. При помощи электронного микроскопа или при некоторых видах электрофореза определяют межгенное расстояние.

Генетический метод. Определяют частоту рекомбинации генов, на основе чего строят генетическую карту.

Цитогенетический. Значение картирования – предотвращение и лечение наследственных заболеваний и ускорения изучения молекулярных механизмов, которые лежат в основе отклонений от нормы (нарушений).

Цитологические (цитогенетические) карты хромосом – схематическое изображение хромосом, при которых указывается привязка гена к конкретному участку хромосомы. Например, гены группы крови системы АВ0 расположены в длинном плече 9й хромосомы в 34 сегменте – обозначается: 9q34.субсимир12