Хромосомная теория наследственности Т. Моргана

РЕФЕРАТ

«Хромосомная теория наследственности Т. Моргана»

Оглавление

Введение

1. Формирование хромосомной теории наследственности Т. Моргана

2. Генетика пола

2.1 Генетические механизмы формирования пола

2.2 Наследование признаков, сцепленных с полом

3. Сцепленное наследование признаков

3.1 Нарушение закона независимого наследования признаков

3.2 Сцепление кроссинговер

3.3 Хромосомы и группы сцепления

Заключение

Библиографический список

Введение

Человеческая жизнь на Земле подчиняется множеству законов, положений и теорий. Огромное число законов и теорий помогают нам раскрыть некоторые тайны природы, познать то, что ранее было загадкой, понять сущность биологических закономерностей. Одной из таких важнейших теорий познания жизни на Земле является хромосомная теория наследственности Томаса Моргана.

Хромосомная теория наследственности является неотъемлемым звеном, которое «вооружает» любого цитогенетика. Данная теория развивается в направлении углубления знаний об универсальных носителях наследственной информации -- молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Установлено, что непрерывная последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований вдоль цепи ДНК образует гены, межгенные интервалы, знаки начала и конца считывания информации в пределах гена; определяет наследственный характер синтеза специфических белков клетки и, следовательно, наследственный характер обмена веществ.

Хромосомная теория наследственности, объясняя закономерности наследования признаков у животных и растительных организмов, играет важную роль в сельскохозяйственной науке и практике. Она вооружает селекционеров методами выведения пород животных и сортов растений с заданными свойствами. Некоторые положения хромосомной теории позволяют более рационально вести сельскохозяйственное производство. На знании закономерностей хромосомных перестроек основывается изучение наследственных заболеваний человека, поэтому совершенствование знаний по столь важной теории является наиболее актуальной на современном этапе развития жизни на Земле.

Целью работы является раскрытие сущности и значения хромосомной теории наследственности Т. Моргана.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить основные вехи в формировании хромосомной теории наследственности Т. Моргана;

2. Раскрыть роль хромосомного аппарата в определении пола;

3. Изучить закономерности наследования признаков сцепленных с полом;

4. Раскрыть понятие о генетической карте хромосом;

5. Определить основные положения хромосомной теории наследственности Т. Моргана

Объектом исследования является генетический аппарат двух царств: животные и растения.

Предметом исследования является закономерности наследования признаков в ряду поколений, согласно основным положениям хромосомной теории наследственности Т. Моргана.

Основными методами исследования послужили анализ учебной и научной литературы по рассматриваемой теме, синтез полученных сведений в единую, взаимосвязанную систему.

1. Формирование хромосомной теории наследственности

Т. Моргана

Вступление в XX в. ознаменовалось в биологии бурным развитием генетики. Важнейшим исходным событием явилось новое открытие законов Менделя. В 1900 г. законы Менделя были переоткрыты независимо сразу тремя учеными -- Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Далее последовала лавина эмпирических открытий и построение различных теоретических моделей. За относительно короткий срок (20--30 лет) в учении о наследственности был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал.

Начало XX в. принято считать началом экспериментальной генетики, принесшей множество новых эмпирических данных о наследственности и изменчивости. К такого рода данным можно отнести: открытие дискретного характера наследственности; обоснование представления о гене и хромосомах как носителях генов; представление о линейном расположении генов; доказательство существования мутаций и возможность вызывать их искусственно; установление принципа чистоты гамет, законов доминирования, расщепления и сцепления признаков; разработка методов гибридологического анализа, чистых линий и инцухта, кроссинговера (нарушение сцепления генов в результате обмена участками между хромосомами) и др. Важно, что все эти и другие открытия были экспериментально подтверждены, строго обоснованы[4].

В первой четверти XX в. интенсивно развивались и теоретические аспекты генетики. Особенно большую роль сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910--1915 гг. в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г.Дж. Меллера и др. Она строилась на следующих исходных абстракциях: хромосома состоит из генов; гены расположены на хромосоме в линейном порядке; ген -- неделимая корпускула наследственности, “квант”; в мутациях ген изменяется как целое. Эта теория была первой обстоятельной попыткой теоретической конкретизации идей, заложенных в законах Менделя.

Первые 30 лет XX в. прошли под знаком борьбы представителей различных концепций наследственности. Так, против хромосомной теории наследственности выступал У. Бэтсон, считавший, что эволюция состоит не в изменениях генов под влиянием внешней среды, а лишь в выпадении генов, в накоплении генетических утрат[4].

Формированию хромосомной теории способствовали данные, полученные при изучении генетики пола, когда были установлены различия в наборе хромосом у организмов различных полов.

2. Генетика пола

Пол - совокупность признаков, по которым производится специфическое разделение особей или клеток, основанное на морфологических и физиологических особенностях, позволяющее осуществлять в процессе полового размножения комбинирование в потомках наследственных задатков родителей.

Морфологические и физиологические признаки, по которым производится специфическое разделение особей, называется половым.

Признаки, связанные с формированием и функционированием половых клеток, называется первичными половыми признаками. Это гонады (яичники или семенники), их выводные протоки, добавочные железы полового аппарата, копулятивные органы. Все другие признаки, по которым один пол отличается от другого, получили название вторичных половых признаков. К ним относят: характер волосяного покрова, наличие и развитие молочных желез, строение скелета, тип развития подкожной жировой клетчатки, строение трубчатых костей и др.[5]

2.1 Генетические механизмы формирования пола

Начало изучению генотипического определения пола было положено открытием американскими цитологами у насекомых различия в форме, а иногда и в числе хромосом у особей разного пола (Мак-Кланг, 1906, Уилсон, 1906) и классическими опытами немецкого генетика Корренса по скрещиванию однодомного и двудомного видов брионии. Уилсон обнаружил, что у клопа Lydaeus turucus самки имеют 7 пар хромосом, у самцов же 6 пар одинаковых с самкой хромосом, а в седьмой паре одна хромосома такая же, как соответствующая хромосома самки, а другая маленькая[1].

Пара хромосом, которые у самца и самки разные, получила название идио, или гетерохромосомы, или половые хромосомы. У самки две одинаковые половые хромосомы, обозначаемые как Х-хромосомы, у самца одна Х-хромосома, другая -Y-хромосома. Остальные хромосомы одинаковые у самца и у самки, были названы аутосомами. Таким образом, хромосомная формула у самки названного клопа запишется 12A + XX, у самца 2A + XY. У ряда других организмов, хотя и существует в принципе тот же аппарат для определения пола, однако гетерозиготны в отношении реализаторов пола не мужские, а женские организмы.

Особи мужского пола имеют две одинаковые половые хромосомы ZZ, а особи женского пола - ZO или ZW. ZZ-ZW тип определения пола наблюдается у бабочек, птиц, ZZ-ZO - ящериц, некоторых птиц[14].

Совершенно другой механизм определения пола, называемый гаплодиплоидный, широко распространен у пчел и муравьев. У этих организмов нет половых хромосом: самки - это диплоидные особи, а самцы (трутни) - гаплоидные. Самки развиваются из оплодотворенных яиц, а из неоплодотворенных развиваются трутни.

Человек в отношении определения пола относится к типу XX-XY. При гаметогенезе наблюдается типичное менделевское расщепление по половым хромосомам. Каждая яйцеклетка содержит одну Х-хромосому, а другая половина - одну Y-хромосому[16].

Пол потомка зависит от того, какой спермий оплодотворит яйцеклетку. Пол с генотипом ХХ называют гомогаметным, так как у него образуются одинаковые гаметы, содержащие только Х-хромосомы, а пол с генотипом XY-гетерогаметным, так как половина гамет содержит Х-, а половина - Y-хромосому. У человека генотипический пол данного индивидуума определяют, изучая неделящиеся клетки. Одна Х-хромосома всегда оказывается в активном состоянии и имеет обычный вид. Другая, если она имеется, бывает в покоящемся состоянии в виде плотного темноокрашенного тельца, называемого тельцем Барра (факультативный гетерохроматин). Число телец Барра всегда на единицу меньше числа наличных х-хромосом, т.е. в мужском организме их нет вовсе, у женщин (ХХ) - одно. У человека Y-хромосома является генетически инертной, так как в ней очень мало генов. Однако влияние Y-хромосомы на детерминацию пола у человека очень сильное. Хромосомная структура мужчины 44A+XY и женщины 44A+XX такая же, как и у дрозофилы, однако у человека особь кариотипом 44A+XD оказалась женщиной, а особь 44A+XXY мужчиной. В обоих случаях они проявляли дефекты развития, но все же пол определялся наличием или отсутствием y-хромосомы. Люди генотипа XXX2A представляют собой бесплодную женщину, с генотипом XXXY2A - бесплодных умственно отстающих мужчин. Такие генотипы возникают в результате нерасхождения половых хромосом, что приводит к нарушению развития (например, синдром Клайнфельтера (XXY). Нерасхождение хромосом изучаются как в мейозе, так и в митозе. Нерасхождение может быть следствием физического сцепления Х-хромосом, в таком случае нерасхождение имеет место в 100% случаев[16].

Рис.1. Вид половых хромосом человека в метафазе митоза

Всем млекопитающим мужского пола, включая человека, свойственен так называемый H-Y антиген, находящийся на поверхности клеток, несущих Y-хромосому. Единственной функцией его считается дифференцировка гонад. Вторичные половые признаки развиваются под влиянием стероидных гормонов, вырабатываемых гонадами.

Развитие мужских вторичных половых признаков контролирует тестостерон, воздействующий на все клетки организма, включая клетки гонад. Мутация всего одного Х-хромосомы, кодирующего белок-рецептор тестостерона, приводит к синдрому тестикулярной феминизации особей XY. Клетки-мутанты не чувствительны в действию тестостерона, в результате чего взрослый организм приобретает черты, характерные для женского пола. При этом внутренние половые органы оказываются недоразвитыми и такие особи полностью стерильные[11].

Таким образом, в определении и дифференцировке пола млекопитающих и человека взаимодействуют хромосомный и генный механизмы.

Несмотря на то, что женщины имеют две Х-хромосомы, а мужчины - только одну, экспрессия генов Х-хромосомы происходит на одном и том же уровне у обоих полов. Это объясняется тем, что у женщин в каждой клетке полностью инактивирована одна Х-хромосома (тельце Барра), о чем уже было сказано выше. Х-хромосома инактивируется на ранней стадии эмбрионального развития, соответствующей времени имплантации. При этом в разных клетках отцовская и материнская Х-хромосомы выключаются случайно. Состояние инактивации данной Х-хромосомы наследуется в ряду клеточных делений.

Таким образом, женские особи, гетерозиготные по генам половых хромосом, представляют собой мозаики (пример, черепаховые кошки). То есть, пол человека представляет собой менделирующий признак,

наследуемый по принципу обратного (анализирующего) скрещивания. Гетерозиготой оказывается гетерогаметный пол (XY), который скрещивается с рецессивной гомозиготой, представленной гомогаметным полом (XX). В результате в природе обнаруживается наследственная дифференцировка организмов на мужской и женский пол и устойчивое сокращение во всех поколениях количественного равенства полов[8].

2.2 Наследование признаков, сцепленных с полом

Морган и его сотрудники заметили, что наследование окраски глаз у дрозофилы зависит от пола родительских особей, несущих альтернативные аллели. Красная окраска глаз доминирует над белой. При скрещивании красноглазого самца с белоглазой самкой в F1, получали равное число красноглазых самок и белоглазых самцов. Однако при скрещивании белоглазого самца с красноглазой самкой в F1 были получены в равном числе красно самцы и самки. При скрещивании этих мух F1, между собой были получены красноглазые самки, красноглазые и белоглазые самцы, но не было ни одной белоглазой самки. Тот факт, что у самцов частота про рецессивного признака была выше, чем у самок, наводил на мысль, что рецессивный аллель, определяющий белоглазость, находится в Х - хромосоме, а Y - хромосома лишена гена окраски глаз. Чтобы проверить эту гипотезу, Морган скрестил исходного белоглазого самца с красноглазой сам из F1. В потомстве были по красноглазые и белоглазые самцы и самки. Из этого Морган справедливо заключил, что только Х - хромосома несет ген окраски глаз. В Y - хромосоме соответствующего локуса вообще нет. Это явление известно под названием наследования, сцепленное с полом[14].

Гены, находящиеся в половых хромосомах, называют сцепленными с полом. В Х-хромосоме имеется участок, для которого в Y-хромосоме нет гомолога. Поэтому у особей мужского пола признаки, определяемые генами этого участка, проявляются даже в том случае, если они рецессивны. Эта особая форма сцепления позволяет объяснить наследование признаков, сцепленных с полом.

При локализации признаков как в аутосоме, так и в Х- b Y-хромосоме наблюдается полное сцепление с полом. У человека около 60 генов наследуются в связи с Х-хромосомой, в том числе гемофилия, дальтонизм (цветовая слепота), мускульная дистрофия, потемнение эмали зубов, одна из форм агаммглобулинемии и другие. Наследование таких признаков отклоняется от закономерностей, установленных Г.Менделем. Х-хромосома закономерно переходит от одного пола к другому, при этом дочь наследует

Х-хромосому отца, а сын Х-хромосому матери. Наследование, при котором сыновья наследуют признак матери, а дочери - признак отца получило, название крисс-кросс (или крест-накрест)[10].

Известны нарушения цветового зрения, так называемая цветовая слепота. В основе появления этих дефектов зрения лежит действие ряда генов. Красно-зеленая слепота обычно называется дальтонизмом. Еще задолго до появления генетики в конце XVIII и в XIX в. было установлено, что цветовая слепота наследуется согласно вполне закономерным правилам. Так, если женщина, страдающая цветовой слепотой, выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, то у их детей наблюдается очень своеобразная картина перекрестного наследования. Все дочери от такого брака получат признак отца, т.е. они имеют нормальное зрение, а все сыновья, получая признак матери, страдают цветовой слепотой (А-дальтонизм, сцепленный с Х-хромосомой)

Р Ха Ха х Ха y

Ха Ха,y

F1 Ха Ха, Хаy

Рис.2 Схема наследования дальтонизма

В том же случае, когда наоборот, отец является дальтоником, а мать имеет нормальное зрение, все дети оказываются нормальными. В отдельных браках, где мать и отец обладают нормальным зрением, половина сыновей может оказаться пораженными цветовой слепотой. В основном наличие цветовой слепоты чаще встречается у мужчин. Э.Вильсон объяснил наследование этого признака, предположив, что он локализовал в Х-хромосоме и что у человека гетерогаметным (XY) является мужской пол. Становится вполне понятным, что в браке гомозиготной нормальной женщины (Ха Ха) с мужчиной дальтоником (Ха y) все дети рождаются нормальными. Однако при этом, все дочери становятся скрытыми носителями дальтонизма, что может проявиться в последующих поколениях.

Другим примером наследования сцепленного с полом, может послужить рецессивный полулетальный ген, вызывающий несвертываемость крови на воздухе - гемофилию. Это заболевание появляется почти исключительно только у мальчиков. При гемофилии нарушается образование фактора VIII, ускоряющего свертывание крови. ген, детерминирующий синтез фактора VIII, находится в участке Х-хромосомы, недоминантным нормальным и рецессивным мутантным[9]. Возможны следующие генотипы и фенотипы:

Генотипы	Фенотипы
Хн Хн	Нормальная женщина
Хн Хn	Нормальная женщина (носитель)
Хнy	Нормальный мужчина
Хny	Мужчина гемофилик

В гомозиготном состоянии у женщин ген гемофилии летален.

Особей женского пола, гетерозиготных по любому из сцепленных с полом признаков, называют носителями соответствующего рецессивного гена. Они фенотипически нормальны, но половина их гамет несет рецессивный ген. Несмотря на наличие у отца нормального гена, сыновья матерей-носителей с вероятностью 50% будут страдать гемофилией.

Один из наиболее хорошо документированных примеров наследования гемофилии мы находим в родословной потомков английской королевы Виктории. Предполагают, что ген гемофилии возник в результате мутации у самой королевы Виктории или у одного из ее родителей. Среди унаследовавших это врожденное заболевание - цесаревич Алексей, сын последнего русского царя Николая II. Мать цесаревича, царица Александра Федоровна (рис. 3), получила от своей бабушки королевы Виктории ген гемофилии и передала его в четвертом поколении бывшему наследнику царского престола.

Один из сцепленных с полом рецессивных генов вызывает особый тип мышечной дистрофии (тип Дюмена). Эта дистрофия проявляется в раннем детстве и постепенно ведет к инвалидности и смерти ранее 20-летнего возраста. Потому мужчины с дистрофией Дюмена не имеют потомства, а женщины гетерозиготные по гену этого заболевания, вполне нормальны.

Среди доминантных признаков, связанных с Х-хромосомой, можно указать на ген, который вызывает недостаточность органического фосфора в крови. В результате, при наличии этого гена, часто развивается рахит, устойчивый к лечению обычными дозами витамина А. В этом случае картина сцепленного с полом наследования заметно отличается от того хода передачи по поколениям, который был описан для рецессивных болезней. В браках девяти больных женщин со здоровыми мужчинами среди детей была половина больных девочек и половина мальчиков. Здесь, в соответствии с характером наследование доминантного гена, в Х-хромосомах произошло расщепление в отношении 1:1:1:1.

Другим примером доминантного гена, локализованного в Х-хромосоме человека, может послужить ген, вызывающий дефект зубов, приводящий к потемнению эмали зубов.

Так как гетерогаметный пол гемизиготен по сцепленным с полом генам, то эти гены всегда проявляются в их фенотипе, даже если они рецессивны. Большинство генов, имеющихся в Х-хромосоме, в Y-хромосоме отсутствует, однако определенную генетическую информацию она все-таки несет. Различают два типа такой информации: во-первых, содержащуюся в генах, присутствующих только в Y-хромосоме, и, во-вторых, в генах, присутствующих как в Y-, так и в Х-хромосоме (гемфрагический диатез). Y-хромосома передается от отца всем его сыновьям, и только им. Следовательно, для генов, содержащихся только в Y-хромосоме, характерно голандрическое наследование, т.е они передаются от отца к сыну и проявляются у мужского пола[16].

У человека в Y-хромосоме содержатся по крайней мере три гена, один из которых необходим для дифференциации семенников, второй требуется для проявления антигена гистосовместимости, а третий оказывает влияние на размер зубов. Y-хромосома имеет немного признаков, среди которых есть

патологические. Патологические признаки наследуются по параллельной схеме наследования (100%-ое проявление по мужской линии). К ним относят:

1) облысение;

2) гипертрихоз (оволосенение козелка ушной раковины в зрелом возрасте);

3) наличие перепонок на нижних конечностях;

4) ихтиоз (чешуйчатость и пятнистое утолщение кожи)[17].

3. Сцепленное наследование признаков

3.1 Нарушение закона независимого наследования признаков

Согласно хромосомной гипотезе наследственности закон независимого наследования признаков Г. Мендаля отражает независимость расхождения хромосом в анафазе I мейоза. Однако в начале 19 в. У. Сэттон обратил внимание на то, что число признаков, различия по которым обнаруживают моногибридное наследование, может значительно превосходить число хромосом гаплоидного набора у исследуемого объекта. Особенно показательно это для видов с небольшим числом хромосом. Например, у гороха n=7, у ржи - также 7, у растения гаплопаппус n=2, у дрозофилы - 4, у аскариды - 1 и т. д.

У. Сэттон полагал, что в таком случае каждая хромосома должна быть детерминантом не одного, а нескольких элементарных признаков. Если такое предположение справедливо, то должны встречаться случаи, когда разные менделеевские факторы будут наследоваться совместно. При этом невозможна их перекомбинация в мейозе[8].

Действительно, пример нарушения независимого комбинирования признаков был вскоре (1906) обнаружен У. Бэтсоном и Р. Пеннетом в работе с душистым горошком. Эти авторы изучали наследование следующих признаков: окраску цветка - пурпурная (Р) или красная (р) и форму пыльцевых зерен - удлиненная (L) или круглая (l). При скрещивании растений с пурпурными цветками и удлиненной пыльцой (РРLL) и растений с красными цветками и круглой пыльцой (ррll) в F₁ были получены растения с пурпурными цветками и удлиненной пыльцой (РрLl).

Эти гибриды первого поколения в результате самоопыления дали следующее расщепление во втором поколении:

пурпурные цветки, удлиненная пыльца (Р- L-) - 4831 (69,5%);

пурпурные цветки, круглая пыльца (Р-ll) - 390 (5,6%);

красные цветки, удлиненная пыльца (ррL-) - 393 (5,6%);

красные цветки, круглая пыльца (ррll) - 1338 - (19,3%).

Как видно, при расщеплении получены все четыре ожидаемых фенотипических класса, но вовсе не в соотношении 9:3:3:1, характерном для дигибридного скрещивания при независимом наследовании признаков.

В 1919 г. Дж. Холдэйн подсчитал, что такое расщепление может получиться, если четыре типа гамет у гибридов первого поколения будут образовываться не с одинаковой частотой, а в следующем соотношении: 0,44РL:0,06Рl:0,06рL:0,44рl.

Следовательно, родительские сочетания аллелей исследованных РL и рl предпочтительно попадают в одни и те же гаметы, в то время как их новые рекомбинантные сочетания встречаются гораздо реже. Это явление в дальнейшем получило название сцепление генов. Однако в отличии от того, что предсказывал У. Сэттон, сцепление оказалось не полным, а частичным[1].

3.2 Сцепление и кроссинговер

В дальнейшем Т. Морган и его сотрудники в экспериментах с дрозофилой обнаружили большое число примеров сцепления генов и показали, что это сцепление, как правило, неполное.

Рассмотрим один из первых экспериментов Т. Моргана по изучению сцепленного наследования[8]. При скрещивании дрозофил, различающихся по двум парам сцепленных признаков -- серых с зачаточными крыльями и черных с нормальными крыльями -- гибриды F1 были серыми с нормальными крыльями (рис. 4).



Рис.4 Наследование сцепленных признаков у дрозофилы

а--полное сцепление (дигетерозиготен самец, у которого отсутствует кроссинговер); б -- сцепление с кроссинговером {дигетерозигатна самка, у которой кроссинговер не подавлен); b+ ,b- ~ серая и черная окраски тела; vg+ , vg- -- нормальные и зачаточные крылья соответственно

Далее были проведены два типа анализирующих скрещиваний. В первом из них брали дигетерозиготных самцов F1, и скрещивали с гомозиготными по рецессивным аллелям самками, а во втором -- дигетерозиготную самку скрещивали с самцами, рецессивными по обоим признакам (черное тело и зачаточные крылья). Результаты этих скрещиваний оказались разными (рис. 4).

В первом случае были получены потомки с исходными для этого опыта родительскими (Р) фенотипами, т. е. серые мухи с зачаточными крыльями и черные мухи с нормальными крыльями в отношении 1:1. Следовательно, данная дигетерозигота образует только два типа гамет (b+vg и bvg+) вместо четырех. Исходя из указанного расщепления, можно предположить, что у самца наблюдается полное сцепление генов.

Во втором случае в F2 наблюдалось иное расщепление. Кроме родительских комбинаций признаков, появились новые -- мухи с черным телом и зачаточными крыльями, а также с серым телом и нормальными крыльями. Правда, количество рекомбинантных потомков невелико и составляет 17%, ародительских -- 83%. Причиной появления небольшого количества мух с новыми сочетаниями признаков является кроссинговер, который приводит к новому рекомбинантному сочетанию аллелей генов b и vg в гомологичных хромосомах. Эти обмены происходят с вероятностью 17% и в итоге дают два класса рекомбинантов с равной вероятностью -- по 8,5%.

Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды. Человек специально проводит гибридизацию с целью получения необходимых вариантов комбинаций для использования в селекционной работе.

Приняв положения, что

1) генов в хромосоме может быть много,

2) гены расположены в хромосоме в линейном порядке,

3) каждая аллельная пара занимает определенные и идентичные локусы в гомологичных хромосомах, Т. Морган допустил, что перекрест между хроматидами гомологичных хромосом может происходить одновременно в нескольких точках кроссинговер, происходящий лишь в одном месте, называют одиночным кроссинговером, в двух точках одновременно- двойным, в трех - тройным и т.д., т.е. кроссинговер может быть множественным[13].

Пусть, например, в гомологичной паре хромосом содержатся три пары аллелей в гетерозиготном состоянии , тогда перекрест, произошедший только в участке между генами А и В или между В и С, будет одинарным. В результате одинарного перекреста возникают в каждом случае только две кроссоверные хромосомы aBC и Abc или Abc и aBC.

Каждый двойной кроссинговер возникает благодаря двум независимым одинарным разрывам в двух точках. Таким образом, двойные кроссинговеры сокращают регистрируемое расстояние между генами[12].

Вместе с тем между обменами на соседних участках хромосом существует взаимовлияние, названное интерференцией. Такое взаимовлияние можно выразить количественно. Для этого составляют реально наблюдаемую частоту двойных кроссинговеров с частотой, теоретически ожидаемой на основе предположения о том, что обмены на соседних участках происходят независимо друг от друга. Степень и характер интерференции измеряется величиной коинциденции (С). Коинциденцию оценивают как частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных кроссоверов на теоретически ожидаемую частоту двойных кроссоверов. Последнюю величину получают, перемножая частоты кроссинговера на соседних участках.

Величину интерференции (I) определяют по формуле

I=1-C

Если С<1, то интерференция положительная, т.е. одинаковый обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если С>1, то интерференция отрицательная, т.е. один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности существует только положительная интерференция при реципрокной рекомбинации - кроссинговере, а кажущееся неслучайным совпадение двух и более обменов, характерное для очень коротких расстояний - результат нереципрокных событий при рекомбинации[6].

Таким образом, при карплеровании генов в группах сцепления на основе изучения частот рекомбинации необходимо учитывать две противоположные тенденции.

Двойные обмены “сокращают” расстояния между генами, и интерференция препятствует множественным обменам, вероятность которых увеличивается с расстоянием.

В обобщенном виде зависимость частоты рекомбинации от реального расстояния с учетом множественных обменов описывает функция Дж. Холдэйна:

где rf - картирующая функция (в нашем случае - это частота учитываемых кроссинговеров), d - реальное расстояние, на котором происходят обмены, e -основание натурального логарифма.

При изучении множественных обменов и интерференции между ними используют тетрадный анализ. Для этого рассматривают тригибридное скрещивание (ABC x abc) по сцепленным генам. Учитывая, что кроссинговер происходит на стадии 4-х хроматид, возможны три типа двойных обменов. Это двойные двухроматидные обмены, двойные треххроматидные обмены и двойные четыреххроматидные обмены только между несестринскими хроматидами, последствия которых генетически различимы[10].

3.3 Хромосомы и группы сцепления

Линейное расположение генов в группах сцепления послужило еще одним аргументов в пользу хромосомной теории наследственности. Хромосомы - тоже линейные структуры. В настоящее время карты групп сцепления построены для многих генетических объектов: насекомых (несколько видов дрозофилы, комнатная муха, комар, таракан и др.); млекопитающих (человек, мышь, крыса, кролик); птиц (курица), многих растений (кукуруза, пшеница, ячмень, рас, томаты, горох и др.), а также для микроорганизмов: грибов (дрожжи, нейроспора и др.), водорослей (хламидомонада), бактерий (кишечная палочка, сальмонелла и др.), для многих вирусов эукариот и бактериофагов.

Особенно наглядно карта групп сцепления показана для дрозофилы (рис. 5). У плодовой мушки кариотип составляет три пары крупных хромосом: X- или 1, 2и 3 и пара микрохромосом 4. в соответствии с этим и группы сцепления представлены тремя длинными : 72(1); 108(2); 106(3) сМ и одной короткой - около 3 сМ (4)[7].

Несмотря на то, что между сцепленными генами регистрируемая частота кроссинговера не может быть больше 50%. Длина групп сцепления может превышать и 50 и даже 100%, как у плодовой мушки. В этом нет ничего удивительного, поскольку общая длина групп сцепления составляется благодаря суммированию коротких расстоянии, непосредственно определяемых в опыте.

Таким образом, сравнение числа групп сцепления из числа хромосом в гаплоидном наборе также подтверждает хромосомную теорию.

«Даже если бы хромосомы никогда нельзя было видеть. Генетическое сцепление потребовало бы их изобрести. Линейное расположение генов в хромосомных группах и явления кроссинговера и структурных изменений - все это может быть выведено логическим путем», - писал в 1955 году известный английский генетик К. Мазер. У многих объектов хромосомы хорошо различимы в световой микроскоп, и сопоставления цитологических и генетических карт, или карт групп сцепления, еще раз подтвердило хромосомную теорию. Такое сопоставление удобнее всего для объектов, у которых наиболее четко различима продольное дифференцировка хромосом по хромомерному строению[8].

У дрозофилы известно большое число хромосомных перестроек, например делеций, приводящих к физической утрате целых участков хромосом, а с ними и доминантных аллелей тех генов, которые в них локализованы. Концы делеций можно локализовать на цитологической карте гигантских хромосом. При объединении в гетерозиготе какой-либо рецессивной аллели в одной из гомологичных хромосом и делеции - в другой получится гемизиготное состояние, в котором проявится рецессивная аллель. Проведя серию таких скрещиваний, можно достаточно точно локализовать соответствующий ген на цитологической карте. Для тех же целей используют и транслокации - перенос фрагмента одной хромосомы на другую. Определяя цитологически точку разрыва при транслокации и наблюдая изменение характера наследования генов, можно локализовать их на цитологической карте[3].

Рис.5. Генетическая карта для Х-хромосомы плодовой мушки дрозофилы

Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют 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, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

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

Заключение

В данной работе мы попытались изложить основные факты, создавшие фундамент хромосомной теории наследственности. Они были установлены при исследовании таких проблем, как хромосомный механизм определения пола, наследование признаков, сцепленных с полом, сцепление генов и кроссинговер, на основе построения генетических и сопоставления генетических карт с цитологическими картами хромосом. В итоге были получены исчерпывающие доказательства локализации конкретных генов в конкретных участках отдельных хромосом у многих растений, животных и микроорганизмов. Все развитие генетики опирается на хромосомную теорию, и все последующие достижения генетики развивают эту теорию.

Таким образом, генетика занимает важное место в жизни человека. Именно она объясняет механизмы наследования признаков человека, как патологических, так и положительных. Так, пол человека - это менделирующий признак, наследуемый по принципу обратного скрещивания.

У мужчин пол гетерогаметен (XY), у женщин гомогаметен (XX). Среди признаков, подчиняющихся законам Г. Менделя, существуют признаки наследуемые сцеплено. Однако сцепление часто бывает неполным, причина тому кроссинговер, который имеет важное биологическое значение - лежит в основе комбинативной изменчивости.

Библиографический список

1. Антала Ф., Дж. Кайгер, Современная генетика. М.: Мир, 1990, Т.1.

С. 63-80.

2. Балашов В.П., Шеворокова Т.Н. Задачник по медицинской генетике. Саранск, Издательство Мордовского университета, 1998.

3. Босток К., Самнер Э. Хромосома эукариотической клетки. М., 1981, 312 с.

4. Гайсинович Л.Е. Зарождение и развитие генетики. М., 1988, 450 с.

5. Грин Н.П. Биология. М.: Мир, 1993.

6. Дубинин Н.П. Общая генетика. М.: Наука, 1970, С. 142-169.

7. Захаров И.А. Генетические карты высших организмов. Л., 1979, 356 с.

8. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа, 1989, С. 85-111, С. 154-165.

9. Кибернштерн Ф. Гены и генетика. М.: Параграф, 1995.

10. Лобашев М.Е., Ватти К.В. Генетика с основами селекции. М., 1979, 475 с.

11. Лобашев М.Е. Генетика. Ленинград, Издательство Ленинградского

университета, 1967, С. 680-714.

12. Лильин Е.Г., Богомазов Е.А., Гофман-Кадашников П. Б. Генетика для врачей. М.: Медицина, 1990, 225 с.

13. Медведев Н.Н. Беседы по биологии пола. Минск, 1972, 254 с.

14. Морган Т. Структурные основы наследственности. Москва - Петроград, 1924, 396 с.

15. Пеков А.П. Биология и общая генетика. М.: Издательство Российского

универститета дружбы народов, 1994, С. 131-139.

16. Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека. Новосибирск, Наука, 1997. 224 с.

17. Ярыгин В.Н. Биология. М.: Медицина, 1985, С. 82-87.