Закономірності успадкування при моногібридному схрещуванні. Перший і другий закони Г. Менделя. Менделюючі ознаки. Моногенні хвороби.

Генетика (гр genetikos - походження) вивчає закономірності спадковості і мінливості, які відносяться до основних властивостей живої матерії всіх організмів. Генетика як наука розвинулась у зв’язку з практичними потребами. При розведенні свійських тварин і культурних рослин здавна використовувалась гібридизація, тобто схрещення організмів, які належать до різних видів, порід, сортів. Порівнюючи гібриди з вихідними формами практики давно помітили деякі особливості успадкування ознак. Основні закономірності наступності властивостей і ознак у поколіннях були відкриті Г.Менделем (1822-1884). Про свої дослідження він зробив повідомлення у 1865р. на засіданні Товариства природодослідників у м. Брно (Чехо-Словаччина). Робота Менделя «Досліди над рослинними гібридами», яка стала класичною, була опублікована у працях того ж товариства у 1866р., але у свій час не привернула увагу сучасників.Лише у 1900р. ті ж закономірності знову встановили незалежно один від одного Г. де Фріз у Голландії, К. Коренс у Німеччині і Е. Чермак у Австрії. Невдовзі завдяки дослідам по гібридизації, проведеним з численними об’єктами, було показано, що відкриті Менделем закономірності властиві всім організмам, рослинам і тваринам. 1900р. можна вважати роком народження генетики.

На межі XIX і XX ст. передавання спадкових властивостей ще не пов’язували з певними структурами, хоча не викликало сумнівів те, що воно здійснюється якимись факторами матеріальної природи, які знаходяться у статевих клітинах. На початку XX ст. за пропозицією датського вченого І. Іогансена дискретні одиниці спадковості назвали генами.

На час другого відкриття законів Менделя наука вже нагромадила факти, які сприяли виявленню матеріального субстрату спадковості.

У 80-х роках XIX ст. Ван-Бенден, Т. Боварі та інші дослідники описали складні процеси, які відбуваються при утворенні гамет (мейоз), і встановили, що у зиготі відбувається відновлення диплоїдного набору хромосом, яких складається з однакової кількості хромосом обох батьків.

У 1902 р. Т. Боварі у Німеччині, Е. Вільсон і Д. Сеттон у США відмітили, що у передаванні спадкових ознак існує паралелізм у поведінці хромосом при формуванні статевих клітин і заплідненні. Із цього витікало припущення про зв'язок спадкових факторів з хромосомами. Гіпотеза виявилась плідною і ознаменувала новий етап у вивченні явищ успадкування, пов'язаний із синтезом генетики і цитології.

Найбільший успіх у цьому напрямку було досягнуто школою американського генетика Т.Г.Моргана (1866-1945), який сформулював хромосомну теорію спадковості (1911). Школа Моргана довела, що гени знаходяться у хромосомах і розташовані у них лінійно. Успіхи цієї школи певною мірою зумовлені введенням нового об’єкта генетичних досліджень – плодової мушки дрозофіли. Для неї характерні інтенсивне розмноження, швидка зміна поколінь (до 30 на рік), наявність ознак (колір тіла, величина і форма крил, колір очей тощо), які мають чіткі альтернативні прояви. Позитивним для цього об’єкта є також простота утримання і розведення, відносно простий каріотип (4 пари хромосом). Як з’ясувалося пізніше, клітини слинних залоз у дрозофіли містять особливі гігантські (політенні) хромосоми. Перераховані особливості зробили дрозофілу зручним об’єктом для дослідження найважливіших питань генетики.

На початку XX ст. панувало уявлення про стабільність і незмінність генів (А. Вейсман, У. Бетсон). Вважалось також, що якщо зміни генів можливі, то відбуваються вони залежно від впливу середовища, тобто довільно (Г. де Фріз). У наступні роки завдяки відкриттю у лабораторних умовах можливості отримувати спадкові зміни (мутації) дією певних факторів були відкинуті помилкові уявлення про автономність і незмінність генів. Перші індуковані мутації отримали Г. А. Надсон і Г.С. Філіппов (1925) у СРСР на грибах, Г. Меллер (1927) у США – на дрозофілі, Л.Д. Стадлер (1928) – на кукурудзі.

У 30-х роках XX ст. визначення гена як частини хромосоми вже перестало задовольняти дослідників. Успіхи розвитку біохімії дозволили більш точно охарактеризувати матеріальний субстрат спадковості.

Радянський дослідник М.К.Кольцов (1872-1940) ще у 1928 році висловив думку про зв'язок генів з певною хімічною речовиною. Він припускав, що хромосома являє собою велику білкову молекулу, окремі радикали якої виконують функцію генів. М.К.Кольцов вважав, що білкові міцели здатні до само відтворення. Ця теорія виявилась помилковою, Але у ній вперше в науці була зроблена спроба розглянути закономірності спадковості на молекулярному рівні і вперше висунута ідея про авторепродукцію одиниць спадковості інформації (матричний принцип синтезу макромолекул).

У 40-х роках Д. Бідл і Е.Тейтем зясували, що гени зумовлюють утворення ферментів, які, спрямовуючи певним чином клітинний метаболізм, впливають на розвиток структур і фізіологічних властивостей організмів (один ген – один фермент).

У 1944 році О. Ейлері, К. Мак-Леод і К. Мак-Карті на мікроорганізмах встановили, що передача спадкової інформації пов’язана з нуклеїновою кислотою (ДНК). Важливу роль у вивченні ДНК відіграли дослідження радянського біохіміка А.М. Бєлозерського (1905 - 1972). Ще у 30-ті роки він стверджував, що ДНК 0 обов’язковий компонент хромосом клітин рослин і тварин, та вивчив нуклеотидний склад ДНК багатьох видів. На початку 50-х років у лабораторії, якою керував англійський фізик М. Уілкінсон, за допомогою рентгенівських променів і математичних розрахунків були отримані рентгенограми нитки ДНК. Американський біохімік Е.Чаргафф відкрив правило комплементарності пуринових і піримідинових основ. На основі зіставлення і аналізів цих даних генетики Дж. Уотсон і Ф. Крік у 1953 році запропонували модель макромолекулярної структури ДНК, яка має вигляд подвійної спіралі. Почалося поглиблене вивчення спадковості на молекулярному рівні, що вимагало залучення нових обєктів дослідження. Бактерії, нижчі гриби і віруси стали класичними обєктами молекулярної генетики. Завдяки інтенсивності розмноження і швидкій зміні поколінь мікроорганізми дуже зручні для вивчення закономірностей спадковості. Клітина бактерії не являється частиною організму (як у багатоклітинних), а являє собою особину. Поняття «ознака» і «біохімічна особливість» часто співпадають, тобто шлях від гена до ознаки більш прямий і простежити за ним значно легше. У прокаріот є одна хромосома, тобто будь-яка мутація проявляється фенотипово.

Часто використовують у експериментах кишкову паличку (Escherichia coli), яка входить до складу флори кишок здорової людини. Крім бактерій у молекулярній генетиці використовують віруси, у тому числі бактеріографи.

Таким чином, у історії генетики можна виділити три етапи: перший – вивчення явищ спадковості на рівні організму, другий – на клітинному, третій – на молекулярному рівні. Вивчення властивостей успадкування на всіх трьох рівнях не втратило свого значення і сьогодні.

Генетика тісно пов’язана з медициною. Відомо більше двох тисяч спадкових хвороб і аномалій розвитку. Їх вивчають на молекулярному, клітинному рівнях, на рівні організму і популяції. Генетикою отримані важливі відомості про те, що спадкові хвороби у певних умовах можуть не проявлятися; у ряді випадків можуть бути дані цінні рекомендації по їх запобіганню. І на сучасному етапі актуальними завданнями генетики є подальше вивчення цих хвороб, розроблення методів по запобіганню дефектів розвитку, спадкових хвороб та злоякісних новоутворень.

Моногенним називається такий тип успадкування, коли спадкова ознака контролюється одним геном. Досліджував закономірності моногенного успадкування видатний вчений Г.Мендель. Він експериментально обґрунтував наявність одиниць спадковості (спадкових задатків, спадкових факторів) і описав їх важливі властивості – дискретність, стабільність, специфічність алельного стану.

Менделюючі ознаки людини. Загальні закони спадковості однакові для всіх живих істот. Для людини характерні відомі типи успадкування ознак: домінантний і рецесивний, аутосомний і зчеплений зі статевими хромосомами.

Основні закономірності успадкування були відкриті Менделем. За рівнем розвитку науки свого часу Мендель не міг ще пов’язати спадкові фактори з певними структурами клітини. Згодом було встановлено, що гени знаходяться у хромосомах, тому при поясненні закономірностей, які встановив Мендель, будемо виходити із сучасних уявлень на клітинному рівні. Мендель досяг успіхів у своїх дослідженнях завдяки зовсім новому, розробленому ним методу, який назвали методом гібридологічного аналізу (гібрид – це сукупність). Аналізуючи результати моно- і дигібридного схрещувань гороху, він дійшов висновку, що:

1)розвиток спадкових ознак залежить від передачі нащадкам спадкових факторів;

2)спадкові чинники, які контролюють розвиток окремої ознаки, - парні: один походить від батька, другий – від матері; у функціональному відношенні чинники мають властивості домінантної і рецесивної ознак; домінантна (від лат.dominans – панувати) ознака, яка проявляє себе, рецесивна(від лат. recessivus – відступаючий) ознака – себе не проявляє в одинарній дозі;

3)спадкові фактори передаються в ряду поколінь, не втрачаючи своєї індивідуальності, тобто характеризуються сталістю;

4)в процесі утворення статевих клітин парні алельні гени потрапляють у різні гамети (закон чистоти гамет);відновлення таких пар відбувається в результаті запліднення;

5)материнський і батьківський організми рівною мірою беруть участь у передачі своїх спадкових факторів нащадкам. Нове покоління отримує не готові ознаки, а тільки матеріальні фактори.

На цих принципах ґрунтуються правила (закони) успадкування, сформульовані Г.Менделем.

Закон одноманітності гібридів першого покоління. У дослідах Менделя при схрещуванні сортів гороху, які мали жовте і зелене насіння, все потомство (тобто гібриди першого покоління) виявилось із жовтим насінням. Виявлена закономірність була названа законом одноманітності гібридів першого покоління. Вияв ознаки у першому покоління отримав назву домінантного, а той вияв, що був пригнічений, тобто не проявився, назвали рецесивним. “Спадкові фактори” (за сучасною термінологією - гени) Мендель запропонував позначати літерами латинського алфавіту. Домінантний – великою літерою, рецесивний – малою. Кожна клітина тіла має диплоїдний набір хромосом. Всі хромосоми парні, алелі ж генів знаходяться у гомологічних хромосомах. Отже, у зиготі завжди є дві алелі, і генотипові формулу за будь-якою ознакою необхідно записувати двома літерами (АА – особина, гомозиготна за домінантним алелем, за рецесивним – аа, гетерозиготна Аа). Досліди показали, що рецесивний алель проявляється тільки у гомозиготному стані, а домінантний – як у гомозиготному, так і у гетерозиготному стані. Гени розташовані у хромосомах. Отже, в результаті мейозу гомологічні хромосоми (а з ними алелі генів) розходяться у різні гамети. Оскільки гомозиготна особина у своєму наборі хромосом містить один і той же алель, то така особина утворює один тип гамет.

Розглянемо приклад моногібридного схрещування. Із спостережень відомо, що у людини здатність краще володіти правою рукою домінує над здатністю краще володіти лівою. Якщо припустимо, що взяли шлюб гомозиготні правша і лівша, то генотипи батьків і дітей у цій сім'ї необхідно записати так:

P АА × аа

G А а

F Аа 100%

Оскільки у першого батька тільки один тип гамет (А) і у другого батька також один тип гамет (а), можливе лише одне поєднання – Аа. Всі гібриди першого покоління виявляються одноманітними; гетерозиготними за генотипом і домінантними за фенотипом (правшами).

Отже, перший закон Менделя, або закон одноманітності гібридів першого покоління, у загальному вигляді можна сформулювати так: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за однією парою альтернативних виявів ознаки, все потомство у першому поколінні одноманітне як за фенотипом, так і за генотипом.

При схрещуванні однорідних гібридів першого покоління між собою (самозапилення або споріднене схрещування) у другому поколінні з'являються особини як з домінантними так і з рецесивними виявами ознаки, тобто спостерігається розщеплення. Узагальнюючи фактичний матеріал Мендель дійшов висновку, що у другому поколінні відбувається розщеплення виявів ознаки у певних частотних співвідношеннях, а саме 75% особин мають домінантні ознаки, а 25% - рецесивні. Ця закономірність отримала назву другого закону Менделя, або закону розщеплення.

З другого закону Менделя, використовуючи сучасну термінологію, можна зробити висновок, що:

1) алелі гена, перебуваючи у гетерозиготному стані, не змінюють один одного;

2) при дозріванні гамет у гібридів утворюється приблизно однакова кількість гамет з домінантними і рецесивними алелями;

3) при заплідненні чоловічі й жіночі гамети, що несуть домінантні і рецесивні алелі, вільно комбінуються.

При схрещуванні двох гетерозигот (Аа), у кожної з яких утворюється два типи гамет – половина з домінантним алелем (А), половина з рецесивним алелем (а), необхідно очікувати чотири типи поєднання. Яйцеклітина з алелем А може бути запліднена з однаковою долею ймовірності як сперматозооном з алелем А, так і сперматозооном з алелем а. Точно так само яйцеклітина з алелем а може бути запліднена сперматозоонами тих же двох типів або з алелем А, або з алелем а. Виникнуть зиготи АА, Аа, Аа, аа. За зовнішнім виглядом (фенотипом) особини АА і Аа не відрізняються, тому розщеплення відбувається у співвідношенні 3:1. Проте генотипом співвідношення залишиться 1АА:2Аа:1аа.

Таким чином, другий закон Менделя формулюється так: при схрещуванні двох гетерозиготних особин, тобто гібридів, які аналізуються за однією парою альтернативних виявів ознаки, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 3:1 і за генотипом 1:2:1.

Алелі гена, знаходячись у гетерозиготному стані, не зливаються, не розводяться, не змінюють один одного. Цю закономірність Мендель назвав гіпотезою чистоти гамет. Згодом гіпотеза отримала цитологічне обґрунтування. Ми пам’ятаємо, що у соматичних клітинах диплоїдний набір хромосом. У однакових місцях (локусах) гомологічних хромосом знаходяться алелі гена. Якщо це гетерозиготна особина, то у одній із гомологічних хромосом розташований домінантний алель, у другій – рецесивний. При утворенні статевих клітин відбувається мейоз і у кожну з гамет потрапляє лише одна з гомологічних хромосом. У гаметі може бути лише один алель гена. Гамети залишаються “чистими”, вони несуть тільки якийсь один алель, що визначає один з альтернативних виявів ознаки.

Успадкування однієї з груп крові у людини пов’язане з серією множинних алелів. Система груп крові АВО успадковується за типом множинних алелів. Вона має чотири фенотипи: група І (О), група ІІ (А), група ІІІ (В) і група IV (АВ). Кожний з цих фенотипів відрізняється специфічними білками-антигенами, які містяться у еритроцитах, і антитілами – зосереджуються у сироватці крові. Фенотип І (О) зумовлений відсутністю у еритроцитах антигенів А і В і наявністю у сироватці крові антитіл α і β. Фенотип ІІ (А) характеризує наявність у еритроцитах антигена А і антитіл β у сироватці. Фенотип ІІІ (В) пов’язаний з наявністю у еритроцитах антигена В, а у сироватці крові – антитіла α. Фенотип IV (АВ) залежить від наявності у еритроцитах антигенів А і В та відсутності у сироватці крові антитіл α і β. Встановлено, що чотири групи крові людини зумовлені успадкуванням трьох алелів одного гена (ІА, ІВ, і). При цьому І (нульова) група зумовлена рецесивним алелем (і), над яким домінує як алель ІА, який визначає ІІ групу, так і алель ІВ, від якого залежить ІІІ група. Алелі ІА, ІВ у гетерозиготі визначають IV групу, тобто має місце кодомінування. Таким чином, І група крові буває лише при генотипі і і, ІІ – при генотипах ІА ІА і ІА і, ІІІ – при генотипах ІВ ІВ і ІВ, і, IV – при генотипі ІА, ІВ.

Кодомінування має місце і при успадкуванні групи крові за системою MN, відкритою у 1927 році. Ця система визначається двома алелями: ІM і ІN. У сироватці крові з тим чи іншим фенотипом за цією системою груп крові немає антитіл до відповідних антигенів, як це має місце у системі АВО. Тому звичайно при переливанні крові ця система може не враховуватись. Принцип успадкування груп крові, зокрема за системою АВО, використовується у судовій практиці з метою експертизи батьківства. При цьому необхідно пам’ятати таке: за групою крові не можна встановити, що певний чоловік є батьком дитини. Можна лише сказати, чи міг він бути батьком дитини чи батьківство виключене.

Таблиця успадкування груп крові за системою

АВО

Групи Гени, які визначають синтез специфічних Можливі генотипи

еритроцитарних білків

І (О) і іі

ІІ (А) ІА ІА ІА, ІА і

ІІІ (В) ІВ ІВ ІВ, ІВ і

IV (АВ) ІА, ІВ ІА ІВ