Пішак_Медична біологія_2004. Лауреат и но белівсь ко ї прем І ї мечников І
 Скачать 14.51 Mb.
|
|
Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.104 Повне домінування. А ген, відповідальний за форму В ген, відповідальний за колір. А, В домінантні гени; а , в рецесивні гени. му прояв одного з алелів домінує над проявом іншо- го. За повного домінування розщеплення за генотипом не співпадає з розщепленням за фенотипом. У медичній практиці з двох тисяч моно генних спадкових хворобу майже половини має місце домінування прояву патологічних генів над нормальними. У гетерозигот патологічний алель проявляється у більшості випадків ознаками захво- рювання (домінантний фенотип. Неповне домінування така форма взаємодії, коли у гетерозиготного організму (Аа) домінантний ген (Ане повністю пригнічує рецесивний гена, внаслідок чого проявляється проміжна між батьків- ськими ознака. Тут розщеплення за генотипом і фенотипом співпадає і складає 1:2:1 (рис. 1.105). При кодомінуванні в гетерозиготних організ- мів кожний з алельних генів викликає формуван- ня залежного від нього продукту, тобто виявля- ються продукти обох алелів. Класичним прикладом такого прояву є система груп крові, зокрема система АБО, коли еритроцити людини несуть на поверхні антигени, що контролюються обома але- лями. Така форма прояву носить назву кодоміну вання. Так, ген J A визначає утворення в еритро- цитах антигену А тоді як ген J B зумовлює утво- рення антигену В Люди гетерозиготні за цими ге 158 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Рис 1.105 еповне домінування на прикладі успадкування забарвлення у квіток. нами J A J B , містять в еритроцитах як антиген Атак і антиген В. Наддомінування коли домінантний гену гетерозиготному стані виявляється сильніше, ніж у го- мозиготному. Так, у дрозофіли при генотипі АА нормальна тривалість життя; Аа подовжена три- валість життя; аа летальний наслідок. 1.3.2.6 Множинний алелізм У кожного організму є лише по два алельних гени. Разом з тим нерідко в природі кількість алелів може бути більше двох, коли якийсь локус може перебу вати в різних станах. У таких випадках говорять про множинні алелі або множинний алеломорфізм. Множинні алелі позначаються однією літерою з різними індексами, наприклад J a , .Ρ, J°, або А , А, Ау А Алельні гени локалізуються в однакових ділянках гомологічних хромосом. Оскільки в каріо- типі завжди присутні по дві гомологічних хромосо- ми, то і при множинних алелях кожний організм може мати одночасно лише по два однакових або різних алелі. У статеву клітину (разом із розходженням го- мологічних хромосом) попадає тільки по одному із них. Для множинних алелів характерний вплив всіх алелів на одну і ту ж ознаку. Відмінність між ними полягає лише в ступені розвитку ознаки. Другою особливістю є те, що в соматичних кліти- нах або в клітинах диплоїдних організмів міститься максимум по два алелі з декількох, оскільки вони розташовані водному і тому ж локусі хромосоми. Ще одна особливість властива множинним алелям. За характером домінування алеломорфні ознаки роз- міщуються в послідовному ряду частіше нормальна, незмінена ознака домінує над іншими; другий ген ряду рецесивний щодо першого, проте домінує над наступними і т.д. Одним з прикладів прояву множинних алелів у людини є групи крові системи АВО. Множинний алелізм має важливе біологічне і практичне значення, оскільки підсилює комбінативну мінливість, особливо генотипну. 159 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини 1.3.2.7 Взаємодія неалельних генів Відомо багато випадків, коли ознака або властивості детермінуються двома або більше неалельними генами, які взаємодіють між собою. Хоча і тут взаємодія умовна, бо взаємодіють не гени, а контрольовані ними продукти. При цьому має місце відхилення від менде лівських закономірностей розщеплення. Розрізняють чотири основних типи взаємодії генів: комплементарність, епістаз, полімерію і модифікуючу дію (плейотропія). Комплементарність (від лат complementum доповнення) такий тип взаємодії неалельних генів, коли один домінантний ген доповнює дію іншого не алельного домінантного гена, і вони разом визначають нову ознаку, яка відсутня у батьків. Причому відпо- відна ознака розвивається тільки в присутності обох неалельних генів. Наприклад, сіре забарвлення шерсті у мишей контролюється двома генами (А і В. Ген А детермінує синтез пігменту, проте як гомо- зиготи (АА), так і гетерозиготи (Аа) альбіноси. Інший ген В забезпечує скупчення пігменту пере- важно біля основи і на кінчиках волосся. Схрещування дигетерозигот (АаВЬ х АаВЬ) призводить до розщеп- лення гібридів у співвідношенні 9:3:4 (9 "агуті": 3 чор- на шерсть : 4 біла шерсть. Числові співвідношення при комплементарній взаємодії можуть бути як 9:7; 9:6:1 (видозміна менделівського розщеплення). Прикладом комплементарної взаємодії генів у людини може бути синтез захисного білка інтер- ферону. Його утворення в організмі повязано з комплементарною взаємодією двох неалельних генів, розташованих у різних хромосомах. Епістаз (від грец. έπίστασις зупинка, перешкода) це така взаємодія неалеьних генів, за якої один ген пригнічує дію іншого неалельного гена. Пригнічення можуть викликати як домінантні, так і рецесивні гени (А>В, а>В, В>А, Ь>А), і залежно від цього розрізня- ють епістаз домінантний і рецесивний. Пригнічу- ючий ген отримав назву інгібітора, або супресора. Гени інгібітори в основному не детермінують розви- ток певної ознаки, а лише пригнічують дію іншого гена. Ген, ефект якого пригнічується, отримав назву гіпостатичного. При епістатичній взаємодії генів розщеплення за фенотипом в F, складає 13:3; 12:3:1 або 9:3:4 та ін. Вважають, що деякі спадкові хвороби людей співпадають з групами крові, гаплотипами HLA та ін., коли має місце епістатична взаємодія. Забарв- лення плодів гарбузів, масть коней теж визначають- ся цим типом взаємодії. Якщо ген супресор рецесивний, то виникає криптомерія (від грец. κρυπτας таємний, прихо- ваний). У людини таким прикладом може бути "бомбейський феномен. У цьому випадку рідкісний рецесивний алель "х" у гомозиготному стані (хх) пригнічує активність гена В (який визначає В (III) групу крові системи АВО). Тому жінка з генотипом J B _xx, фенотипно має І групу крові 0 (І. 1.3.2.8 Полігенне успадкування кількісних ознак • плейотропія • експресивність та пенетрант ність генів Більшість кількісних ознак організмів визначаєть- ся декількома неалельними генами (полігенами). Взаємодія таких генів у процесі формування ознаки називається полімерною (від грец. poly багато, meros — частина). У цьому випадку два або більше домінантних алелі однаковою мірою впливають на розвиток однієї і тієї ж ознаки. Тому полімерні гени прийнято позначати однією літерою латинського алфавіту з цифровим індексом, наприклад: А 1 А 1 і а, А А і а 2 а 2 ; А 3 А 3 і а 3 а 3 і т. д. Вперше однозначні фактори були виявлені шведським генетиком Нільсоном Еле (1908 р) при вивченні успадкування кольору у пше- ниці. Було встановлено, що ця ознака залежить від двох полімерних генів, тому при схрещуванні домі- нантних і рецесивних дигомозигот забарвленої А А А Аз безколірною (а 1 а 1 а 2 а 2 ) — у F 1 всі рослини дають забарвлене насіння, хоча вони по- мітно світліші, ніж батьківські екземпляри, які ма- ють червоне насіння. У F 2 при схрещуванні особин першого покоління виявляється розщеплення за фенотипом у співвідношенні 15 : 1, бо безколірними є лише рецесивні дигомозиготи (a 1 a l a 2 a 2 ). У пігмен 160 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя тованих екземплярів інтенсивність кольору дуже ко ливається залежно від кількості отриманих ними до домінантних алелів: максимальна в домінантних ди гомозигот (A 1 A 1 A 2 A 2 ) і мінімальна в носіїв одного домінантних алелів (A l a 1 а 2 а 2 і а [ а 1 А а. Важлива особливість полімерії сумація (ади тивність) дії неалельних генів на розвиток кількісних ознак. Якщо при моногенному успадкуванні ознаки можливі три варіанти "доз" гена в генотипі: АА, Аа, аа, то при полігенному кількість їх зростає до чоти рьох і більше. Сумація "доз" полімерних генів забез печує існування неперервних рядів кількісних змін. Біологічне значення полімерії полягає щей в тому, що ознаки, які кодуються цими генами, більш стабільні, ніж ті, що кодуються одним геном, Організм без полімерних генів був би дуже не стійким: будь яка мутація або рекомбінація призво дила б до різкої мінливості, а це в більшості випадків має несприятливий характер. У тварин і рослин є багато полігенних ознак, се ред них і цінні для господарства інтенсивність росту, скороспілість, несучість, кількість молока, вміст цукристих речовин і вітамінів тощо. Пігментація шкіри у людини визначається пять ма або шістьма полімерними генами. У корінних жителів Африки (негроїдної раси) переважають до мінантні алелі, у представників європеоїдної раси рецесивні. Тому мулати мають проміжну пігмента- цію, але при шлюбах мулатів у них можлива поява як більш, так і менш інтенсивно пігментованих дітей рис. 1.106). Багато морфологічних, фізіологічних і патологіч- них особливостей людини визначається полімер- ними генами зріст, маса тіла, величина артеріаль- ного тиску та ін. Розвиток таких ознак у людини підпо- рядковується загальним законам полігенного успад- кування і залежить від умов середовища. У цих ви- падках спостерігається, наприклад, схильність до гіпертонічної хвороби, ожиріння тощо. Дані ознаки за сприятливих умов середовища можуть не про- явитися або проявитися незначною мірою. Цим полі генно спадкові ознаки відрізняються від моноген них. Змінюючи умови середовища, можна значною мірою забезпечити профілактику ряду полігенних захворювань. Плейотропія (від грец. πλείων більш числен- ний, τροπή поворот, напрям). Плейотропна дія генів це залежність кількох ознак від одного гена, тобто множинна дія одного гена. У дрозофіли ген білого кольору очей воднораз впливає на колір тіла, довжи- ну крил, будову статевого апарату, знижує плодю- чість, зменшує тривалість життя. У людини відома спадкова хвороба арахнодактилія ("павучі пальці" дуже тонкі і довгі пальці), або хвороба Марфана. Рис. 1.106 Негр. Мулат. Європеєць. 161 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльне сті людини Ген, який відповідає за цю хворобу, викликає пору- шення розвитку сполучної тканини й одночасно впли- ває на розвиток кількох ознак: порушення будови кришталика ока, аномалії у серцево судинній системі. Плейотропна дія гена може бути первинною і вторинною. При первинній плейотропіїген проявляє свій множинний ефект. Наприклад, при хворобі Хар тнупа мутація гена призводить до порушення всмок- тування амінокислоти триптофану в кишках і його реабсорбції у ниркових канальцях. При цьому вра- жаються одночасно мембрани епітеліальних клітин кишок і ниркових канальців з розладами травної і видільної систем. При вторинній плейотропії є один первинний фенотипний прояв гена, услід за яким роз- вивається ступінчастий процес вторинних змін, які призводять до множинних ефектів. Так, при серпо подібноклітинній анемії у гомозигот спостерігаєть- ся кілька патологічних ознак: анемія, збільшена се- лезінка, ураження шкіри, серця, нирок і мозку. Тому гомозиготи за геном серпоподібноклітинної анемії гинуть, як правило, в дитячому віці. Всі ці фенотипні прояви гена складають ієрархію вторинних проявів. Першопричиною, безпосереднім фенотипним про- явом дефектного гена є аномальний гемоглобін і еритроцити серпоподібної форми. Внаслідок цього відбуваються послідовно інші патологічні процеси: злипання і руйнування еритроцитів, анемія, дефекти в нирках, серці, мозку. Ці патологічні ознаки є вто- ринними. Більш розповсюджена вторинна плейо тропія (рис. 1.107). При плейотропії ген, впливаючи на якусь одну основну ознаку, може також змінювати, модифіку- вати прояв інших генів, у зв'язку з чим введено по- няття про гени модифікатори. Останні підсилюють або послаблюють розвиток ознак, які кодуються "основним" геном. Показниками залежності функціонування спад- кових задатків від характеристик генотипу є пенет рантність і експресивність. Ці терміни були за- пропоновані російським вченим МВ. Тимофєєвим Ресовським у 1925 р. Розглядаючи дію генів, їх алелів необхідно враху- вати і модифікуючий вплив середовища, в якому роз- вивається організм. Якщо рослини примули схрещу- вати при температурі 15 20 Сто в F p згідно з менде лівською схемою, все покоління матиме рожеві квіти. Але коли таке схрещування проводити затем- ператури 35 Сто всі гібриди матимуть квіти біло- го кольору. Якщо ж здійснювати схрещування при температурі близько 30 Сто виникає різне спів- відношення (від 3:1 до 100 відсотків) рослин з біли- ми квітами. Таке коливання класів при розщепленні залежно від умов середовища отримало назву пенет рантність (від лат penetrans проникнення, до- сягнення) сила фенотипного прояву. Отже, пенет 162 Рис. 1.107 Варіанти дії плейотропних генів. 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя Рис 1.108 Полідактилія. рантність це частота прояву гена, явище появи або відсутності ознаки у організмів, однакових за генотипом. Пенетрантність значно коливається як серед домінантних, так і серед рецесивних генів. Поряд з генами, фенотип яких з'являється тільки за поєднан ня певних умов і досить рідкісних зовнішніх умов висока пенетрантність), у людини є гени, фено типний прояв яких відбувається забудь яких по- єднань зовнішніх умов (низька пенетрантність). Пенетрантність вимірюється відсотком орга- нізмів з фенотипною ознакою від загальної кількості обстежених носіїв відповідного апеля. Якщо ген регулярно визначає фенотиповий про яз. то він має пенетрантність 100 відсотків. Проте деякі домінантні гени проявляються менш регулярно. Так, полідактилія (рис. 1.108) має чітке верти- кальне успадкування, але бувають пропуски по- колінь. Домінантна аномалія передчасне статеве дозрівання властиве тільки чоловікам, проте іноді може передатися захворювання від чоловіка, який не страждав цією патологією. Пенетрантність по- казує, у якому відсотку носіїв гена виявляється відповідний фенотип. Так, у гомозигот шизофренія проявляється у 100 % це повна пенетрантність. Якщо в носіїв певного ге іа ознака виявляється тільки у частини особин це г еповна пенетрантність. На- приклад шизофренія у гетерозигот складає 20 %, лукровий діабет 20 %, уроджений вивих стегна 25 %, ретинобластома 60 %. Отже, пенетрантність залежить від генів, від середовища, від тогой іншого. Таким чином, цене константна властивість гена, а функція генів у пев- них умовах середовища. Експресивність (від лат expressio вираз) це зміна кількісного прояву ознаки у різних особин носіїв відповідного алеля. При домінантних спадкових захворюваннях екс- пресивність може коливатися. В одній і тій самій ро- дині можуть проявлятися спадкові хвороби за пере- бігом від легких, ледь помітних до тяжких різні фор- ми гіпертонії, шизофренії, цукрового діабету тощо. Рецесивні спадкові захворювання в межах сім'ї проявляються однотипно і мають незначні коливан- ня експресивності. 1.3.2.9 Зчеплене успадкування генів • хромосомна теорія спадковості Т. X. Морган та ін.) Доведено, що кількість спадкових ознак організ- му значно перевищує число хромосом гаплоїдного набору. Так, у гаплоїдному наборі класичного об'єк- та генетичних досліджень мухи дрозофіли є лише чотири хромосоми, але число спадкових оз- нак і відповідно генів, які їх визначають, безсумнів- но, значно більше. Це означає, що в кожній хромо- сомі розміщено багато генів. Тож разом із ознака- ми, які успадковуються незалежно, повинні існува- ти і такі, що успадковуються зчеплено одна з одною, бо вони визначаються генами, розташовани- ми в одній хромосомі. Такі гени утворюють групу зчеплення. Кількість груп зчеплення в організмів певного виду дорівнює кількості хромосому га- плоїдному наборі (наприклад, у дрозофіли п, у людини п. Експериментальні дослідження явища зчеплено- го успадкування провів видатний американський генетик Τ Χ. Морган зі своїми співробітниками. їхні результати обґрунтували запропоновану ними хро- мосомну теорію спадковості. Слід зазначити, що Т. X. Морган, як і свого часу Г. Мендель, вдало обрав для досліджень муху дрозо філу, яка згодом стала класичним об'єктом для гене- тичних експериментів. Дрозофіл легко утримувати в лабораторіях, вони мають значну плодючість, швид- ку зміну поколінь (за оптимальних умов утримання нове 163 Розділ 1. Біологічні основи життєдіяльності людини Рис. 1.109 Схема схрещування при повному зчепленні. покоління виникає кожні півтора два тижні), невелике число хромосом, що спрощує спостереження. Явище зчепленого успадкування Т. X. Морган встановив у такому досліді. Самців дрозофіли, гомо- зиготних за домінантними алелями забарвлення тіла (сіре) та формою крил (нормальні), схрестили із самками, гомозиготними за відповідними рецесивними алелями (чорне тіло недорозвинені крила). Геноти- пи цих особин позначили відповідно EEVV та eevv. Усі гібриди першого покоління мали сіре тіло і нор- мальні крила, тобто були гетерозиготними за обома парами апелів (генотип EeVv) (рис. 1.109). Потім гібридів схрестили з особинами, гомози- готними за відповідними рецесивними алелями (ана- лізуюче схрещування). Теоретично можна було очікувати два варіанти розщеплення. Якби гени, які зумовлюють забарв- лення тіла та форму крил, містилися в негомологіч них хромосомах, тобто успадковувалися незалеж- но, розщеплення мало бути таким 25 % особин із сірим тілом і нормальними крилами, 25 % із сірим тілом і недорозвиненими крилами, ще 25 % з чор- ним тілом і нормальними крилами таз чор- ним тілом і недорозвиненими крилами (тобто у співвідношенні 1:1:1:1). Якщо б ці гени розміщу- валися в одній хромосомі і успадковувалися зчеп- лено, то було б отримано 50 % особин з сірим тілом і нормальними крилами таз чорним тілом і недорозвиненими крилами (тобто 1:1). Насправді 41,5 % особин мали сіре тіло і нор- мальні крила, 41,5 % чорне тіло і недорозвинені крила, 8,5 % сіре тіло і недорозвинені крила і 8,5 % 164 чорне тіло і нормальні крила, тобто розщеплення на- ближувалося до співвідношення фенотипів 1:1 (яку разі зчепленого успадкування), але разом з тим про- явилися всі чотири варіанти фенотипу (яку випад- ку незалежного успадкування) (рис. 1.110). На підставі цих даних Т. X. Морган припустив, що гени, які визначають забарвлення тіла і форму крил, розташовані в одній хромосомі, але в процесі мейозу під час утворення гамет гомологічні хро- мосоми можуть обмінюватися ділянками, тобто має місце явище, яке дістало назву перехрест хромосом або кросинговер. Кросинговер (від англ crossing over пере- хрест) обмін ділянками гомологічних хромосому процесі клітинного поділу, переважно в профазі пер- шого мейотичного поділу, іноді в мітозі. Дослідами Т. Моргана, К. Бріджеса і А. Стер теванта було показано, що немає абсолютно пов- ного зчеплення генів, за якого гени передавались би завжди разом. Імовірність того, що два гени, локалізовані в одній хромосомі, не розійдуться в процесі мейозу, коливається в межах 1 0,5. У при- роді переважає неповне зчеплення, зумовлене пе- рехрестом гомологічних хромосом і рекомбінацією генів (рис. 1.111). Цитологічна картина кросинговеру була вперше описана датським вченим Ф. Янсенсом. Рис 1.110 Схема схрещування при неповному зчепленні. 1.3. Онтогенетичний рівень організації життя деп загальне число особин в F; п сумарне число кросоверних особин. Відрізок хромосоми, на якому здійснюється 1 % кросинговеру, дорівнює одній морганіді (умовна міра відстані між генами. Частоту кросинговеру вико- ристовують для того, щоб визначити взаємне роз- міщення генів і відстань між ними. Для побудови ге- нетичної карти людини користуються новими техно- логіями. Побудовані цитогенетичні карти хромосом. Розрізняють декілька типів кросинговеру: по- двійний, множинний (складний), неправильний, не- рівний. Кросинговер призводить до нового поєднання генів, що викликає зміну фенотипу. Крім того, він поряд з мутаціями є важливим фактором еволюції організмів. Зазначені докази були покладені в основу хро- мосомної теорії спадковості: 1. Гени розміщаються у хромосомах по довжині в лінійному порядку різні хромосоми містять неод накове число генів; набір генів кожної з негомоло гічних хромосом унікальний. 2. Алельні гени займають певні й ідентичні ло куси (місця) гомологічних хромосом. 3. Гени, розташовані в одній хромосомі, утворю- ють групу зчеплення, завдяки чому має місце зчеп- лення деяких ознак, які разом (зчеплено) переда- ються нащадкам. Кількість груп зчеплення дорів- нює гаплоїдному набору хромосом. Зчеплення не абсолютне. 4. Під час мейозу, який відбувається тільки при утворенні гамет, диплоїдне число хромосом змен- шується вдвічі (гаплоїдне число. Це відповідає закону розщеплення, за яким генетичний матеріал обох батьків по різному комбінується в гаметах. 5. Згідно з законом незалежного розподілу бать- ківські й материнські набори незчеплених генів роз- щеплюються незалежно один від одного. Якщо не зчеплені гени розташовані в різних хромосомах, то під час мейозу материнські й батьківські хромосо- ми повинні розподілитися між гаметами випадково. 6. Між генами гомологічних батьківських і мате- ринських груп зчеплення можуть відбуватися, завдя- ки кросинговеру, реципрокній рекомбінації. Цьому відповідає утворення хіазм під час кон'югації гомоло- гічних хромосому мейозі (генетичний кросинговер). 7. Сила зчеплення між генами обернено пропор- ційна відстані між ними. Чим ближче розташовані гени в одній хромосомі, тим сильніше їх зчеплення, тим менше виникатиме рекомбінацій між ними, і на- впаки. Відстань між генами вимірюється у відсот- ках кросинговеру. Один відсоток кросинговеру відповідає одній морганіді. 8. Кожний біологічний вид характеризується специфічним набором хромосом каріотипом. |