Лекция 5 Хромосомная теория наследственности Генетика пола

Лекция № 5 Хромосомная теория наследственности. Генетика пола. Профессор Смирнов Сергей Николаевич 1

План. 1. Хромосомная теория наследственности. 2. Сцепленное наследование. Особенности наследования групп сцепления генов. 3. Кроссинговер, его механизм цитологические доказательства, и биологическое значение. 4. Генетические карты хромосом. Методы картирования хромосом человека. Современное состояние исследований генома человека. 5. Наследование пола человека. Признаки, сцепленные с полом, закономерность их наследования. Наследование сцепленных с полом заболеваний человека. Признаки, ограниченные полом и зависимые от пола. Нарушения генетического определения пола у человека. 6. Нехромосомная наследственность. 2

1. Хромосомная теория наследственности. В 1902 У. Сеттон в США, и Т. Бовери в Германии выдвинули хромосомную гипотезу наследственности, согласно которой менделевские наследственные факторы (название впоследствии генами) локализованы в хромосомах. Дальнейшее обоснование Хромосомная теория наследственности принадлежит американскому генетику Т. Х. Моргану. 3

Основные положения хромосомной теории. 1. Гены расположены в хромосомах. Расположение генов линейно. Каждый ген занимает определенное положение (локус). В идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены. 2. Гены, лежащие в одной хромосоме, образуют группу сцепления. Количество групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом. 4

3. Гены, находящиеся в одной группе сцепления, наследуются сцеплено (совместно). 4. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами (кроссинговер). Вероятность кроссинговера прямо пропорциональна расстоянию между генами. 5. Каждый биологический вид имеет постоянный по числу, форме и размерам набор хромосом – кариотип. 5

Закон Моргана. Между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами (кроссинговер). Вероятность кроссинговера прямо пропорциональна расстоянию между генами. Расстояние между генами измеряется в Морганидах. Одна Морганида – это такое расстояние между генами, при котором вероятность кроссинговера составляет один процент. Максимально возможное расстояние между генами в одной хромосоме (независимо от физических размеров хромосомы) составляет 50 Морганид. 6

Первая хромосома человека – первая группа сцепления генов у человека. Вторая хромосома человека – вторая группа сцепления генов у человека. 7

2. Сцепленное наследование. Особенности наследования групп сцепления генов. Сцепленное наследование признаков возникает благодаря сцеплению генов. Сцепление генов – совместная передача двух или более генов от родителей потомкам. Объясняется тем, что эти гены лежат в одной хромосоме, то есть принадлежат одной группе сцепления и поэтому не могут случайно перекомбинироваться в мейозе, как это бывает при наследовании генов, лежащих в разных хромосомах. 8

Сцепление генов было открыто в 1906 английскими генетиками У. Бэтсоном и Р. Пеннетом, обнаружившими в опытах по скрещиванию растений у некоторых генов тенденцию передаваться совместно и тем самым нарушать закон независимого комбинирования признаков. Объяснение этому дали Т. Морган и сотрудники, обнаружившие аналогичное явление при изучении наследования признаков у дрозофилы. 9

При полном сцеплении генов гены, лежащие в одной группе сцепления, всегда наследуются совместно (сцеплено). Это полное сцепление. Расстояние между генами равно 0 Морнанид. При неполном сцеплении генов гены, лежащие в одной группе сцепления, не всегда наследуются совместно (сцеплено). Это неполное сцепление. Расстояние между генами больше, чем 0 Морнанид. Как при полном, так и при неполном сцеплении законы Г. Менделя нарушаются. 10

Сцепленное наследование генов окраски тела и состояния крыльев у плодовой мухи. Ген серого цвета (В) доминирует над геном черного цвета тела (b), ген длинных крыльев (V) - над геном коротких крыльев (v). В и V находятся в одной хромосоме. А. Полное сцепление генов вследствие отсутствия кроссинговера (перекреста хромосом) у дрозофилы. Самка серая с длинными крыльями (BBVV) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbvv); F 1 - серый самец с длинными крыльями (Bb. Vv) скрещен с черной короткокрылой самкой (bbvv); F 2 - поскольку у самца не происходит кроссинговера, появятся два вида потомков: 50% - черных короткокрылых и 50% - серых с 11 нормальными крыльями.

Б. Неполное (частичное) сцепление признаков вследствие перекреста хромосом у самок дрозофилы: Самка с длинными крыльями (BBVV) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbw); F 1 - серая самка с длинными крыльями (Bb. Vv) скрещена с черным короткокрылым самцом (bbvv). F 2 - поскольку у самки происходит кроссинговер гомологичных хромосом, образуются четыре типа гамет и появятся четыре вида потомков: некроссоверы - серые с длинными крыльями (Bb. Vv) и черные короткокрылые (bbvv), кроссоверы черные с длинными крыльями (bb. Vv), серые короткокрылые (Bbvv). 12

Схема записи скрещивания при полном сцеплении генов. В - ген серого цвета тела. Р 1 ♀ BV bv b - ген черного цвета тела. G BV bv bv 50% 50 % 100% V - ген длинных крыльев. х ♂ bv bv v - ген коротких крыльев. F 1 BV bv bv bv |BV| = 0 M - расстояние равно 0 морганид фено тип 50% серые длиннокрылые 50% черные короткокрылые 13

3. Кроссинговер, его механизм, цитологические доказательства и биологическое значение. Кроссинговер (перекрёст хромосом) — явление обмена участками гомологичных хромосом при мейозе. Биологическое значение кроссинговера состоит в том, что он является механизмом осуществления комбинативной изменчивости, которая создает материал для действия естественного отбора. 14

Кроссинговер происходит во время профазы первого деления мейоза (в пахитене), когда гомологичные хромосомы обмениваются участками. У человека в каждой паре гомологичных хромосом кроссинговер имеет место в среднем в 2 - 3 точках. При кроссинговере осуществляется разрыв двойной спирали ДНК в одной материнской и одной отцовской хроматиде, а затем получившиеся отрезки воссоединяются "наперекрест". 15

Схема кроссинговера. 1 - пара гомологичных хромосом до кроссинговера. 2, 3 – взаимное переплетение гомологичных хромосом (образование бивалент или тетрад). Хромосомы соединены в зонах хиазм. 4 – пара переплетенных гомологичных хромосом после кроссинговера. 5 – пара гомологичных хромосом после кроссинговера. 16

17

Цитологические доказательства кроссинговера. В настоящее время накоплен широкий круг цитологических доказательств наличия кроссинговена, которые базируются на результатах цитогенетического картирования хромосом. Первые цитологические доказательства кроссинговера получил К. Штерн (1931) на D. Melanogaster, исследовав Х-хромосомы, которые имели морфологические различия и, следовательно, были гомологичны не полностью. 18

Одна из Х-хромосом самки в результате перемещения фрагмента Y-хромосомы, приобрела Г-образную форму. Вторая Х-хромосома была короче нормальной, так как часть ее была перенесена на IV хромосому. Были получены самки, гетерозиготные по указанным двум, морфологически различным, Ххромосомам, а также гетерозиготные по двум генам, локализованным в Х-хромосоме. Цитологическое исследование показало, что у кроссоверных особей произошел обмен участками Ххромосом, и, соответственно, изменилась их форма. 19

Все четыре класса самок имели по одной нормальной, то есть палочковидной, хромосоме, полученной от отца. Схема опыта по цитологическому анализу кроссинговера. К. Штерн (1931). Кроссоверные самки содержали в своем кариотипе преобразованные в результате кроссинговера Х -хромосомы – длинную палочковидную или двуплечую с короткими плечами. 20

Схема записи скрещивания при неполном сцеплении генов (при наличии кроссинговера). Некроссоверные гаметы – гаметы, образовавшиеся без кроссинговера. Кроссоверные гаметы – гаметы, образовавшиеся после кроссинговера. P 1 В - ген серого цвета тела. b - ген черного цвета тела. G некроссоверные х ♀ BV bv ♂ bv bv v - ген коротких крыльев. |BV| = 0 M - расстояние равно 13 Морганид F 1 bv 43, 5% 87 % Bv b. V bv 6, 5% V - ген длинных крыльев. bv 43, 5% G кроссоверные BV 6, 5% 13 % BV bv bv bv 43, 5% - серые с длинными крыльями 43, 5% - черные короткокрылые Bv bv b. V bv 6, 5% - серые короткокрылые 6, 5% - черные с длинными крыльями 21

Схема записи скрещивания дигетерозигот при неполном сцеплении генов (при наличии кроссинговера). А – 1 доминантный ген Р 1 ♀ АВ ав В – 1 рецессивный ген G некроссоверные АВ ав Ав а. В 40% 40% Ав а. В АВ ав 10% 10% ♀♂ Ав 40% а. В 40% АВ 10% Ав 10% АВ 40% Ав АВ 16% а. В АВ 16% АВ АВ 4% Ав 40% Ав Ав 16% а. В Ав 16% АВ Ав 4% Ав 10% Ав Ав 4% а. В Ав 4% АВ Ав 1% Ав Ав 1% а. В 10% Ав а. В 4% АВ а. В 1% Ав а. В 22 1% В – 2 доминантный ген в – 2 рецессивный ген G кроссоверные |АВ| = 20 M F 1 х ♂ Ав а. В

Вероятность появления определенного типа зигот равна произведения вероятностей возникновения гамет, его образующих. Например: 40 х40: 100=16, 40 х10: 100=4, 10 х10: 100=1. 23

4. Генетические карты хромосом. Методы картирования хромосом человека. Современное состояние исследований генома человека. Генетические карты хромосом — схемы относительного расположения генов в хромосомах, позволяющие предсказывать характер наследования изучаемых признаков организмов. Генетические карты хромосом отображают реально существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах. 24

Генетическая карта локуса бета-глобинового гена человека. Перекрывающиеся фрагменты геномной ДНК человека получены путем ее частичного расщепления рестриктазой Eco. RI, сайты рестрикции для которой отмечены поперечными черточками. Указаны расстояния между Eco. RI-сайтами рестрикции, гены бета-глобинового локуса, а также названия рекомбинантных фагов. 25

Цитогенетические карты хромосом - схематическое изображение хромосом с указанием мест фактического размещения отдельных генов, полученное с помощью цитологических методов. Сопоставление цитологических карт хромосом с генетическими показало, что физическое расстояние между генами в хромосомах не соответствует генетическому (частота кроссинговера неодинакова в разных участках хромосом), поэтому плотность распределения генов на цитологических и генетических картах хромосом различна. 26

Цитогенетическая карта 3 хромосомы человека. 27

Методы картирования хромосом человека. Генетическое картирование. Цитогенетическое картирование. Физическое картирование. 28

Генетическое картирование осуществляется с применением разных методик. Генетическое картирование проводится путем генетического анализа - построения генетических карт или карт сцепления (linkage map). Взаимное расположение генов и расстояние между ними определяют по проценту кроссинговера. Расстояние между генами в Морганидах равно вероятности появления кроссоверного потомства в процентах. 29

Генетическое картирование проводится путем параллельных исследования на человеке и на модельных объектах (млекопитающих). Высокий процент сходства между кодирующими областями гомологичных генов млекопитающих и человека, а также большое число консервативных групп сцепления с идентичным расположением генов позволяют проводить параллельные исследования на модельных объектах, значительно ускоряющие эффективность картирования и молекулярного анализа индивидуальных генов человека. 30

Генетическое картирование проводится с использованием СЕРН-коллекций родословных. CEPH (Centre d'Etudes du Polymorphysme Humain) коллекция перевиваемых клеточных культур, полученных от членов семей, многоступенчатые родословные которых насчитывают десятки и сотни индивидуумов. В результате исследования этих клеточных линий определены генотипы членов СЕРН-семей одновременно по тысячам полиморфных локусов и построены соответствующие генетические карты. 31

Цитогенетическое картирование осуществляется с применением разных методик. Цитогенетическое картирование проводят с использованием методов дифференциального окрашивания хромосом, который позволяют идентифицировать при многоцветной окраске (multicolor banding) любой участок хромосомы (бэнд). Цитогенетические карты показывают локализацию маркера с точностью до определенной хромосомы, плеча или хромосомного сегмента. 32

Цитогенетическое картирование проводят, определяя локализацию маркеров, с использованием гибридов соматических клеток между различными видами млекопитающих или непосредственной гибридизации in situ уникальных молекулярных зондов на митотические хромосомы. К основным методам формирования цитогенетических карт относятся также - хромосомный сортинг (проточная цитометрия), микродиссекции и микроклонирование определенных геномных фрагментов и сравнительное генетическое картирование. 33

Физическое картирование проводят с применением разных методик. Физическое картирование позволяет определять физические расстояния между маркерами в каждой хромосоме. К методам физического картирования относят рестрикционное картирование, RH-картирование; клонирование в YAC (от англ. yeast artificial chromosome), BAC (от англ. bacterial artificial chromosome), космидах, плазмидах и других векторах и контиг-картирование на их основе, а также секвенирование ДНК. 34

Основой физического картирования генома является построение физических карт, то есть определение порядка расположения физических маркеров вдоль молекулы ДНК. В качестве физических маркеров могут выступать сами гены, анонимные фрагменты ДНК (D-сегменты), точки расщепления ДНК рестриктазами и т. п. 35

Метод секвенирования ДНК посредством удлинения цепи. Одноцепочечный фрагмент ДНК, называемый матрицей, вместе с коротким олигонуклеотидом, комплементарным её концевому участку, фиксируют на подложке (а). Добавляют флуоресцентно меченные дезоксинуклеозидтрифосфаты (d. NTP) и полимеразу, которая присоединяет к концу праймера d. NTP, комплементарный соответствующему звену матрицы (б). Несвязавшиеся d. NTP и полимеразу удаляют с помощью лазера, возбуждают флуоресценцию присоединённого к праймеру нуклеотида и идентифицируют его (в). Удаляют флуорофор и продолжают удлинение цепи. 36

Современное состояние исследований генома человека. В ядре каждой соматической клетки человека содержится 23 пары хромосом. На каждую из них приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул в одной клетке тела человека равна почти 2 м. общая длина молекул ДНК в организме человека достигнет 1 х1014 м. Проект по расшифровке генома человека (англ. The Human Genome Project, HGP) - международный научноисследовательский проект, главная цель которого определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20. 000 -25. 000 37 генов в человеческом геноме.

Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США. В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном - в 2003. Сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен. Кроме фундаментальной значимости, определение структуры человеческих генов является важным шагом для разработки новых медикаментов и развития других аспектов здравоохранения. 38

5. Наследование пола человека. Нарушения генетического определения пола у человека. Признаки, сцепленные с полом, закономерность их наследования. Наследование сцепленных с полом заболеваний человека. Признаки, ограниченные полом и зависимые от пола. Наследование пола человека. Пол — это совокупность взаимно контрастирующих генеративных и связанных с ними признаков особей одного вида. 39

Принадлежность к тому или другому полу у всех животных и у человека определяется несколькими факторами. Процесс формирования пола занимает длительное время. Этапы формирования пола. Хромосомный этап. Гонадный этап. Соматический этап. Нейронный этап. Социальный этап. 40

Хромосомный этап. Пол определяется во время оплодотворения. У человека одна из 23 пар хромосом – половые хромосомы, обозначаемые как X и Y. Женщины – гомогаметный пол, то есть имеют две Xхромосомы (ХХ), одну – полученную от матери, а другую – от отца. Мужчины – гетерогаметный пол (ХУ), имеют одну Xодну Y-хромосому, причем X передается от матери, а Y – от отца. 41

Теоретически возможна избирательная элиминация спермиев с X- или Y-хромосомой, приводящая к разным вероятностям рождения мальчиков или девочек в каких-то семьях; однако в среднем эта вероятность остается близкой к 0, 5. Наследование пола у человека на хромосомном (генетическом) этапе. 42

Гонадный этап. Первичные гонады (половые железы) не дифференцированы по полу. Под влиянием специального белка (фактора регрессии Мюллеровых протоков), характерного только для клеток с генотипом ХY, происходит превращение зачаточных гонад в семенники. В отсутствие этого фактора первичные гонады превращаются в яичники. 43

Соматический этап. Дифференцировка тканей и органов тела по мужскому типу происходит под влиянием андрогенов, секретируемых гонадами зародыша — фетальных андрогенов. Если у эмбриона подопытного животного удалить половые железы, то разовьется и родится женская особь. Помимо формирования гениталий на соматическом этапе формируются и все другие половые особенности строения тела. 44

Нейронный этап формирования пола. На нейронном этапе происходит дифференцировка ЦНС, в частности гипоталамуса, по мужскому или по женскому типу. Соответственно, секреция гонадолиберина будет происходить по женскому или мужскому типу, и половое поведение будет либо женским, либо мужским. 45

Социальный этап. Этап, на котором происходит понимание принадлежности к определенному полу. Наступает после рождения. Определяющим фактором на этом этапе являются социальные влияния, которые перерабатываются мозгом, уже дифференцированным по женскому или мужскому типу. Осознание своей половой принадлежности формируется у ребенка уже к полутора годам. С возрастом объем и содержание половой идентичности меняются, включая широкий набор мужских и женских качеств. Этап половой самоидентификации может 46 растянуться на всю жизнь.

У разных биологических видов имеются разные механизмы хромосомной (генетической) детерминации пола. 1) ♀XX, ♂ХО (O обозначает отсутствие хромосом) встречается у видов Protenor (насекомые); 2) ♀XX, ♂XY — он характерен, например, для дрозофилы, млекопитающих (в том числе и для человека); 3) ♀XY, ♂XX — этот тип определения пола характерен для бабочек, птиц, рептилий; 4) ♀ХО, ♂XX — наблюдается у тли; 5) гапло-диплоидный тип (♀ 2 n, ♂n) встречается, например, у пчел: самцы развиваются из неоплодотворенных гаплоидных яйцеклеток, самки — из оплодотворенных диплоидных. 47

Нарушения генетического (хромосомного) определения пола у человека. Основными генетическими факторами этиологии форм врожденной патологии полового развития являются отсутствие половых хромосом, избыток их числа или их морфологические дефекты, которые могут возникать в результате нарушений мейотического деления хромосом (оогенеза и сперматогенеза) в организме родителей или при дефекте деления оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) на первых этапах дробления. В последнем случае возникают «мозаичные» варианты хромосомной патологии. 48

Признаки, сцепленные с полом, закономерности их наследования. Наследование сцепленных с полом заболеваний человека. Признаки, которые определяются генами, лежащими в половых хромосомах, называются признаками, сцепленными с полом. Различают признаки, сцепленные с X-хромосомой, и признаки, сцепленные с Y-хромосомой. 49

Х-хромосома и Y-хромосома. Электронограмма. 50

Признаки, сцепленные с X-хромосомой. Если ген находится в половой хромосоме, то проявление его у потомков следует иным, чем для аутосомых генов, правилам. Дочь наследует две X-хромосомы: одну – от матери, а другую – от отца. Сын имеет только одну X-хромосому – от матери; от отца же он получает Y-хромосому. Поэтому отец передает гены, имеющиеся в его Xхромосоме, только своей дочери, сын их получить не может. 51

Например, в Х-хромосоме человека содержатся гены, определяющие нормальную свертываемость крови (доминантный признак, Н) и несвертываемость крови - гемофилию (рецессивный признак, h), нормальное цветощущение (доминантный признак, С) и цветовую слепоту - дальтонизм (рецессивный признак, с). 52

Гены Ххромосомы. Цитогенетическа я карта Ххромосомы человека. 53

Признаки, сцепление с Y-хромосомой. Эти признаки передаются только по мужской линии: от отца к сыну. Признаки, наследуемые через Yхромосому, носят название голандрических. В Y-хромосоме выявлено 86 генов, которые кодируют 23 белка. 54

Y-хромосома содержит ген SRY, определяющий мужской пол организма, а также гены, необходимые для нормального формирования сперматозоидов. Мутации в гене SRY могут привести к формированию женского организма с генотипом XY (синдром Суайера). В Y-xpoмосоме есть ТДФ-ген, он кодирует тестикул детерминирующий фактор, который определяет развитие мужского пола. Имеется ряд морфологических признаков, которые, определяются генами Y-хромосомы. Среди них – развитие волосяного покрова ушей. 55

Цитогенетическая карта Yхромосомы человека. Хромосома Y делится на три участка: эухроматиновое короткое плечо Yp 11, эухроматиновая проксимальная часть длинного плеча Yq 11 и гетерохроматиновый дистальный участок Yq 12. 56

Признаки, ограниченные полом. Ограниченный полом признак – это признак, обусловленный генами, имеющимися в генотипе обоих полов (лежат в аутосомах), но проявляющийся только у особей одного пола. Например, гены, определяющие ширину таза женщины, локализованы в аутосомах, но проявляются только у женщин. Среди мужских признаков, ограниченных полом, можно назвать количество и распределение волосяного покрова на теле. 57

Признаки, зависимые от пола (признаки, контролируемые полом) – это признаки, гены которых имеются в генотипе обоих полов (лежат в аутосомах), проявляющиеся у особей обоих полов, но по-разному у мужчин и женщин. 58

Например, у мужчин раннее облысение - признак доминантный, он проявляется как у доминантных гомозигот (АА), так и у гетерозигот (Аа). У женщин этот признак рецессивный, он проявляется только у рецессивных гомозигот (аа). Поэтому лысых мужчин гораздо больше, чем женщин. Другим примером может служить подагра, у мужчин ее пенетрантность выше: 80% против 12% у женщин. Значит, чаще подагрой болеют мужчины. 59

Экспрессивность признаков, контролируемых полом, обусловлена половыми гормонами. Например, тип певческого голоса (бас, баритон, тенор, сопрано, меццо-сопрано и альт) находится под влиянием половых гормонов. 60

6. Нехромосомная наследственность. В 1909 г. К. Корренс на Mirabilisjalapa (ночной красавице) и Э. Баур на Pelargonium гопак (герани) обнаружили, что наследование пестролистности растений (чередование белых и зеленых участков на листьях) не подчиняется законам Менделя. Первоначально такой тип наследования назвали цитоплазматическим, позднее появились и другие термины: нехромосомная, внеядерная или неменделевская наследственность. 61

В 1962— 1964 годах было установлено, что носителем генетической информации в случае внеядерной наследственности является ДНК цитоплазматических органелл (хлоропластов или митохондрий). Таким образом, выяснилось, что генетическая информация в эукариотических клетках поделена между двумя системами, одна их которых находится в ядре (хромосомы), а другая в ДНК пластид (хлоропласты) и митохондрий. 62

Нехромосомная ДНК имеется и у прокариот (плазмиды). Кроме того, оказалось, что и у эукариот, и у прокариот есть как постоянные, гак и факультативные генетические элементы не только в ядре (нуклеоиде у прокариот), но и во внеядерных структурах. 63

Митохондриальный геном у человека содержит от 1 до 8 копий небольшой кольцевой молекулы ДНК. Гены митохондриальных хромосом кодирует белкиферменты, ответственные за синтез АТФ, а также рибосомальные и транспортные РНК, участвующие в митохондриальном синтезе белка. 64

Карта митохондриальной ДНК (митохондриального генома) человека. 65

Нарушения в митохондриальной ДНК, содержащей у человека 37 генов, впервые были обнаружены в 1981 году. За прошедшие годы показана роль мутаций 30 генов в развитии заболеваний человека, включая атаксию Фредерика (прогрессирующую утрату координации движений), наследственную спастическую параплегию. 66

Благодарю за внимание! 67