Спадковість, зчеплена зі статтю

Гени, що знаходяться в статевих хромосомах, називають зчепленими зі статтю. У Х-хромосомі є ділянка, для якої в Y-хромосомі немає гомолога. Тому у осіб чоловічої статі ознаки, які визначаються генами цієї ділянки, виявляються навіть в тому випадку, якщо вони рецесивні. Ця особлива форма зчеплення дозволяє пояснити спадковість ознак, зчеплених з статтю, наприклад колірної сліпоти, раннього облисіння і гемофілії у людини. Гемофілія - зчеплена з статтю рецесивна ознака, при якій порушується утворення чинника VIII, який прискорює згортання крові. Ген, що детермінує синтез чинника VIII, знаходиться в ділянці Х-хромосоми, що не має гомолога, і представлений двома алелями - домінантним нормальним і рецесивним мутантом.

Можливі наступні генотипи і фенотипи:

 

Генотип	Фенотип
Х^НХ^Н	Нормальна жінка
X^HX^h	Нормальна жінка (носій)
Х^нY	Нормальний чоловік
X^HY	Чоловік - гемофілик

 

Осіб жіночої статі, гетерозіготних за будь-якою із зчеплених зі статтю ознак, називають носіями відповідного рецесивного гена. Вони фенотипічно нормальні, але половина їх гамет несе рецесивний ген. Не дивлячись на наявність у батька нормального гена, сини матерів - носіїв з вірогідністю 50% страждатимуть гемофілією.

Від шлюбу жінки - носія з нормальним чоловіком можуть народитися діти з різними фенотипами (рисунок 12.9).

 

Рисунок 12.9 – Механізм спадкування алелі гемофілії, який зчеплений зі статтю

 

Один з найкращих документованих прикладів спадкоємства гемофілії ми знаходимо в родоводу нащадків англійської королеви Вікторії. Припускають, що ген гемофілії виник в результаті мутації у самої королеви Вікторії або у одного з її батьків. На рисунку 12.10 показано, як цей ген передавався її нащадкам. На схемі показані лише ті нащадки, які безпосередньо приймали участь у передачі гемофілії (були її носіями) або ті, хто хворів на неї.

 

 

Рисунок 12.10 – Спадкування гемофілії у нащадків королеві Вікторії.

 

Взаємодія між генами

До цього часу нами розглядалися відносно прості аспекти генетики: домінування, моногібридне і дігібридне схрещування, зчеплення, визначення статі та спадковість, зчеплена з статтю. Відомі, проте, й інші взаємодії між генами, і можливо, що саме вони визначають велику частину фенотипічних ознак організму.

Неповне домінування

Відомі випадки, коли два або більше алелей не проявляють повною мірою домінантність або рецесивність, так що в гетерозіготному стані жоден з алелей не домінує над іншим. Це явище неповного домінування, або кодомінантність, є виключенням з описаного Менделем правила спадковості при моногібридних схрещуваннях. На щастя, Мендель вибрав для своїх експериментів ознаки, яким не властиве неповне домінування; інакше це могло б сильно ускладнити його перші дослідження.

Неповне домінування спостерігається як у рослин, так і у тварин. В більшості випадків гетерозіготи володіють фенотипом, який є проміжним між фенотипами домінантної і рецесивної гомозігот. Прикладом служать кури Андалузії, отримані в результаті схрещування чистопорідних чорних і «окроплених білих» (splashed white) курей. Чорне оперення обумовлене наявністю алеля, що визначає синтез чорного пігменту меланіну. У «окроплених» курей цей алель відсутній. У гетерозігот меланін розвивається не повною мірою, створюючи лише голубуватий відлив на оперенні.

При схрещуванні між собою особин F1 відношення фенотипів в F2 відрізняється від відношення Менделя 3:1, типового для моногібридного схрещування. В цьому випадку виходить відношення 1:2:1, де у половини осіб F2 буде такий же генотип, як у F1. Відношення 1:2:1 характерне для результатів схрещувань при неповному домінуванні. Інші приклади приведені в таблиці 12.1.

 

Таблиця 12.1 - Приклади неповного домінування

 

Об'єкт	Гомозіготні фенотипи	Гетерозіготний фенотип
Левовий зів (Antirrhinum) Mirabilis	Червоні квітки	Рожеві квітки
Білі квітки
Худоба шортгорнської породи	Руда масть	Чала масть
Біла масть
Кролі породи реке і ангорські	Довга шерсть	Проміжна шовковиста шерсть
Коротка шерсть

 

Множинні алелі

У всіх розглянутих до цього часу випадках кожна ознака контролювалася одним геном, який міг бути представлений однією з двох алельних форм. Відомо, проте, багато прикладів, коли одна ознака виявляється в декількох різних формах, що контролюються трьома і більше алелями, з яких будь-які два можуть знаходитися у відповідних локусах гомологічних хромосом. У таких випадках говорять про множинні алелі. Такі ознаки, як забарвлення шерсті та очей у мишей і групи крові у людини, контролюються множинними алелями.

Спадковість груп крові

Група крові контролюється аутосомним геном. Локус цього гена позначають буквою І (від слова «ізогемаглютиноген»), а три його алеля буквами А, В і О. Алелі А і В домінантні однаковою мірою, а алель О -рецесивний по відношенню до них обох. Генотипи, представлені в таблиці 12.2, визначають фенотипічний прояв груп крові. За наявності одного домінантного алеля в крові утворюється речовина, яку називають аглютинином, що діє як антитіло. Наприклад, при генотипі I^АI^O на мембрані еритроцитів утворюється аглютиноген А, а в плазмі міститься аглютинін Анти-В (кров відповідає групі А).

 

Таблиця 12.2 - Генотипи груп крові у людини

 

Генотип	Група крові (фенотип)
I^АI^A	А
I^АI^O	А
I^BI^B	В
I^BI^O	В
I^АI^B	АВ
I^OI^O	О

 

 

Летальні гени

Відомі випадки, коли один ген може мати вплив на декілька ознак, зокрема на життєздатність. У людини і інших ссавців певний рецесивний ген викликає утворення внутрішніх спайок легенів, що приводить до смерті при народженні. Іншим прикладом служить ген, який впливає на формування хряща і викликає природжену потворність, що веде до смерті плоду або новонародженого.

Дія летального гена чітко видна на прикладі спадкування забарвлення шерсті у мишей. У диких мишей шерсть зазвичай сіра, типу агуті; але у деяких мишей шерсть жовта. При схрещуваннях між жовтими мишами в потомстві виходять як жовті миші, так і агуті у відношенні 2:1. Єдине можливе пояснення таких результатів полягає в тому, що жовте забарвлення шерсті домінує над агуті та що всі жовті миші гетерозіготні. Атипове відношення Менделя пояснюється загибеллю гомозіготних жовтих мишей до народження. При розтині вагітних жовтих мишей, схрещених з жовтими ж мишами, в їх матках були виявлені мертві жовті мишенята. Якщо ж схрещувалися жовті миші і агуті, то в матках вагітних самок не виявлялося мертвих жовтих мишенят, оскільки при такому схрещуванні не може бути потомства, гомозіготного по гену жовтої шерсті (YY).

Генні комплекси

В деяких випадках в якомусь генному локусе присутня пара алелей, яка повністю контролює одну фенотипічну ознаку. Проте такі випадки порівняно рідкісні. Більшість ознак визначаються взаємодією декількох генів, що створюють генний комплекс. Наприклад, ознака може контролюватися двома або більшим числом взаємодіючих генів, що знаходяться в різних локусах. Так, спадковість форми гребеня у півнів контролюється генами, що знаходяться в двох локусах і притому в різних хромосомах; в результаті взаємодії цих генів виникають чотири різних фенотипи, що відомі під назвами горохоподібного, рожоподібного, горіхоподібного і простого гребеня (таблиця 12.3). Розвиток горохоподібного і рожоподібного гребеня визначається відповідно наявністю домінантного алеля Р або R за відсутності іншого домінантного алеля. Горіхоподібний гребінь утворюється в результаті модифікованої форми неповного домінування, коли є щонайменше по одному алелю горохоподібного і рожоподібного гребеня (тобто при генотипі PR). Простий гребінь розвивається тільки у гомозігот по обох рецесивних генах (тобто ррRR).

 

Таблиця 12.3 - Можливі генотипи курей з різною формою гребеня

 

Фенотип	Можливі генотипи
Горохоподібний гребінь	Рргг Рргг
Рожоподібний гребінь	RRpp Rrpp
Горіхоподібний гребінь	PPRR, PpRr, PPRr, PpRR
Простий гребінь	рргг

 

 

Епістаз

Ген називають епістатичним (від грец. Epi - над), якщо його присутність пригнічує ефект якого-небудь гена, що знаходиться в іншому локусі. Епістатичні гени іноді називають генами - інгібіторами, а ті гени, дія яких ними пригнічується, - гіпостатичними (від грец. Hypo - під).

Забарвлення шерсті у мишей контролюється парою генів, що знаходяться в різних локусах. Епістатичний ген визначає наявність забарвлення і має два алеля: домінантний, такий, що визначає забарвлену шерсть, і рецесивний, такий, що обумовлює альбінізм (біле забарвлення). Гіпостатичний ген визначає характер забарвлення і має два алеля: агуті (домінантний, тобто такий, що визначає сіре забарвлення) і чорний (рецесивний). Миші можуть мати сіре або чорне забарвлення залежно від своїх генотипів, але наявність забарвлення можлива тільки в тому випадку, якщо у них одночасно є алель забарвленої шерсті. Миші, гомозиготні по рецесивному алелю альбінізму, будуть альбіносами навіть за наявності у них аллелей агути і чорної шерсті. Можливі три різних фенотипи: агуті, чорна шерсть і альбінізм. При схрещуванні можна отримати ці фенотипи в різних співвідношеннях залежно від генотипів схрещуваних осіб.

Полігенна спадковість

Багато з найпомітніших ознак організму є результатом сумісної дії багатьох різних генів; ці гени утворюють особливий генний комплекс, що називають полігенною системою. Хоча внесок кожного окремого гена, що входить в таку систему, дуже малий, щоб зробити який-небудь значний вплив на фенотип, проте майже нескінченна різноманітність, що створюється сумісною дією цих генів (полігенів), складає генетичну основу безперервної мінливості.

 

Мінливість ознак

Мінливістю називають всю сукупність відмінностей за тією або іншою ознакою між організмами, що належать до однієї і тієї ж природної популяції або виду. Вражаюча морфологічна різноманітність осіб в межах будь-якого виду привернула увагу Дарвіна і Уоллеса під час їх подорожей. Закономірний, передбачений характер передачі таких відмінностей по спадку послужив основою для досліджень Менделя. Дарвін встановив, що певні ознаки можуть розвиватися в результаті відбору, тоді як Мендель пояснив механізм, що забезпечує передачу з покоління в покоління ознак, по яких ведеться відбір.

Мендель описав, яким чином спадкові чинники визначають генотип організму, який в процесі розвитку виявляється в структурних, фізіологічних і біохімічних особливостях фенотипу. Якщо фенотипічний прояв будь-якої ознаки обумовлений у підсумку генами, які контролюють цю ознаку, то на ступінь розвитку певних ознак може мати вплив середовище.

Вивчення фенотипічних відмінностей в будь-якій великій популяції показує, що існують дві форми мінливості - дискретна і безперервна. Для вивчення мінливості якої-небудь ознаки, наприклад зросту у людини, необхідно зміряти цю ознаку у великого числа індивідуумів в популяції, що вивчається. Результати вимірювань представляють у вигляді гістограми, що відображає розподіл частот різних варіантів цієї ознаки в популяції. На рисунку 12.11 представлені типові результати, що отримуються при таких дослідженнях, і вони наочно демонструють відмінність між дискретною і безперервною мінливістю.

 

Рисунок 12.11 – Гістограми, що відображують розподіл частот у випадку переривчастої (А) та безперервної (В) мінливості

 

 

Дискретна мінливість

Деякі ознаки в популяції представлені обмеженим числом варіантів. У цих випадках відмінності між особами чітко виражені, а проміжні форми відсутні; до таких ознак відносяться, наприклад, групи крові у людини, довжина крил у дрозофіли, меланістична і світла форми у березового п'ядуна, довжина стовпчика у первоцвіту (Primula) і стать у тварин і рослин. Ознаки, для яких характерна дискретна мінливість, зазвичай контролюються одним або двома головними генами, у яких може бути два або декілька алелей, і зовнішні умови відносно мало впливають на їх фенотипічну експресію.

Оскільки дискретна мінливість обмежена деякими чітко вираженими ознаками, її називають також якісною мінливістю на відміну від кількісної, або безперервної, мінливості.

Безперервна мінливість

За багатьма ознаками в популяції спостерігається повний ряд переходів від однієї крайності до іншої без всяких розривів. Найбільш яскравими прикладами служать такі ознаки, як маса (вага), лінійні розміри, форма і забарвлення організму в цілому і окремих його частин. Частотний розподіл за ознакою, що проявляє безперервну мінливість, відповідає кривий нормального розподілу. Більшість членів популяції потрапляють в середню частину кривої, а на її кінцях, відповідних двом крайнім значенням даної ознаки, знаходиться приблизно однакове (дуже мале) число осіб. Ознаки, для яких характерна безперервна мінливість, обумовлені сумісною дією багатьох генів (полігенів) і чинників середовища. Кожний з цих генів окремо має дуже невеликий вплив на фенотип, але спільно вони створюють значний ефект.

Вплив середовища

Головний чинник, що детермінує будь-яку фенотипічну ознаку, - це генотип. Генотип організму визначається у момент запліднення, але ступінь подальшої експресії цього генетичного потенціалу значною мірою залежить від зовнішніх чинників, що впливають на організм під час його розвитку. Так, наприклад, використаний Менделем сорт гороху з довгим стеблом зазвичай досягав висоти 180 см. Проте для цього йому необхідні були відповідні умови - освітлення, постачання водою і хороший грунт. За відсутності оптимальних умов (за наявності лімітуючих чинників) ген високого стебла не міг повною мірою проявити свою дію. Ефект взаємодії генотипу і чинників середовища продемонстрував данський генетик Іогансен. У ряді експериментів на карликовій квасолі він вибирав з кожного покоління рослин, що самозапилювалися, найважче і найлегше насіння і висаджував їх для отримання наступного покоління. Повторюючи ці експерименти впродовж декількох років, він виявив, що в межах «важкої» або «легкої» селекційної лінії насіння мало розрізнялося по середній вазі, тоді як середня вага насіння з різних ліній сильно розрізнялася. Це дозволяє вважати, що на фенотипічний прояв ознаки роблять вплив як спадковість, так і середовище. На підставі цих результатів можна визначити безперервну фенотипічну мінливість як «кумулятивний ефект варіюючих чинників середовища, що впливають на варіабельний генотип». Крім того, ці результати показують, що ступінь успадкованості даної ознаки визначається в першу чергу генотипом.

Що стосується розвитку таких чисто людських якостей, як індивідуальність, темперамент і інтелект, то, судячи з наявних даних, вони залежать як від спадкових, так і від середовищних чинників, які, взаємодіючи в різному ступені у різних індивідуумів, впливають на остаточний вираз ознаки. Саме ці відмінності в тих і інших чинниках створюють фенотипічні відмінності між індивідуумами. Ми поки що не маємо в своєму розпорядженні даних, які твердо указували б на те, що вплив якихось з цих чинників завжди переважає, проте середовище ніколи не може вивести фенотип за межі, детерміновані генотипом.

Джерела мінливості

Необхідно ясно уявляти собі, що взаємодія між дискретною і безперервною мінливістю і середовищем робить можливим існування двох організмів з ідентичним фенотипом. Механізм реплікації ДНК при мітозі такий близький до досконалості, що можливості генетичної мінливості у організмів з безстатевим розмноженням дуже малі. Тому будь-яка видима мінливість у таких організмів майже напевно обумовлена діями зовнішнього середовища. Що ж до організмів, що розмножуються статевим шляхом, то у них є широкі можливості для виникнення генетичних відмінностей. Практично необмеженими джерелами генетичної мінливості служать два процеси, що відбуваються під час мейозу:

1. Реципрокний обмін генами між хроматидами гомологічних хромосом, який може відбуватися в профазі мейозу. Він створює нові групи зчеплення, тобто служить важливим джерелом генетичної рекомбінації алелей.

2. Орієнтація пар гомологічних хромосом (бівалентів) в екваторіальній площині веретена в метафазі мейозу визначає напрям, в якому кожен член пари переміщатиметься в анафазі I. Ця орієнтація носить випадковий характер. Під час метафази II пар хроматид знову таки орієнтується випадковим чином, і цим визначається, до якого з двох протилежних полюсів попрямує та або інша хромосома під час анафази II. Випадкова орієнтація і подальша незалежна розбіжність (сегрегація) хромосом роблять можливим велике число різних хромосомних комбінацій в гаметах; число це можна підрахувати.

3. Третє джерело мінливості при статевому розмноженні - це те, що злиття чоловічих і жіночих гамет, що приводить до об'єднання двох гаплоїдних наборів хромосом в диплоїдному ядрі зиготи, відбувається абсолютно випадковим чином (в усякому разі, в теорії); будь-яка чоловіча гамета потенційно здатна злитися з будь-якою жіночою гаметою.

Ці три джерела генетичної мінливості і забезпечують постійне «перетасовування» генів, яке лежить в основі генетичних змін, що відбуваються весь час. Середовище має вплив на весь ряд фенотипів, що утворюються таким чином, і ті з них, які краще всього пристосовані до даного середовища, досягають успіху. Це веде до змін частот алелей і генотипів в популяції. Проте ці джерела мінливості не породжують крупних змін в генотипі, які необхідні, згідно еволюційної теорії, для виникнення нового виду. Такі зміни виникають в результаті мутацій.

 

Мутації

Мутацією називають стійкі спадкові зміни кількості або структури ДНК даного організму. Мутація приводить до зміни генотипу, яка може бути успадкована клітинами, що походять від клітини мутанта в результаті митозу або мейозу. Мутація може викликати зміни будь-яких ознак в популяції. Мутації, що виникли в статевих клітинах, передаються наступним поколінням організмів, тоді як мутації в соматичних клітинах успадковуються тільки дочірніми клітинами, що утворилися шляхом митозу, і такі мутації називають соматичними.

Мутації, що виникають в результаті зміни числа або макроструктури хромосом, відомі під назвою хромосомних мутацій або хромосомної аберації (перебудов). Іноді хромосоми так сильно змінюються, що це можна побачити під мікроскопом. Але термін «мутація» використовують головним чином для позначення зміни структури ДНК в одному локусі, коли відбувається так звана генна, або точкова, мутація.

Уявлення про мутацію як про причину раптової появи нової ознаки було вперше висунуто в 1901 р. голландським ботаніком Гуго де Фрізом, що вивчав спадковість у енотери. Через 9 років Т. Морган почав вивчати мутації у дрозофіли, і незабаром за участю генетиків всього світу у неї було ідентифіковано більше 500 мутацій.