Вирішення завдань на зчеплене успадкування

Наприкінці дев'ятнадцятого століття в результаті технічного прогресу суттєво підвищилися оптичні якості мікроскопів, а також значно удосконалено цитологічні методи досліджень. Це дозволило вченим зробити низку важливих відкриттів. Було доведено провідна роль ядра клітини у передачі спадкових ознак. Вони звернули увагу на дивовижну подібність між поведінкою хромосом під час утворення гамет та запліднення та схемою успадкування генетичних факторів, які описав Мендель. З усіх цих даних було сформульовано хромосомна теорія спадковості. Згідно з цією теорією пара факторів локалізована в парі гомологічних хромосом і кожна з цих хромосом несе по одному фактору. Згодом термін фактор, який означав основну одиницю спадковості, був замінений терміном - ген. Таким чином, можна сказати, що гени, які розташовані в хромосомах, є фізичною одиницею, завдяки якій відбувається передача ознак від батьків до нащадків. Кожен ген представлений у гомологічних хромосомах як пари алелей, які займають один локус, тобто одне й те місце у цих хромосомах. Тепер можна пояснити основні закони спадковості з погляду хромосомної теорії, як особливості пересування хромосом під час мейозу. Розбіжність гомологічних хромосом, що відбувається в анафазі 1 мейозу та випадкове розподілом алелей між гаметами є основою для пояснення першого закону – закон розщеплення. А незалежність розбіжності негомологічних хромосом в анафазі 1 мейозу є основою другого закону – закону незалежного успадкування ознак.

Однак було цілком ясно, що кожен організм має величезну кількість ознак і ця величина може бути значно більшою, ніж числохромосом гаплоїдного набору. Особливо це помітно для видів із невеликим числом хромосом. Наприклад, у гороху число хромосом гаплоїдного набору дорівнює 7, у жита також дорівнює 7, у плодової мушки 4, а у аскариди 1. Тоді очевидно, що в кожній хромосомі повинні бути розташовані гени, які визначають розвиток як мінімум декількох різних ознак. Такі гени називають зчепленими і кількість груп зчеплення дорівнює числу хромосом у гаплоїдному наборі. Відповідно такі гени нічого не винні підпорядковуватися принципу незалежного розподілу - вони мають успадковуватися спільно, як єдине ціле.

Генетичний калькулятор для зчепленого успадкування

У генетичному калькуляторі для позначення генетичного зчеплення запису батьківських генотипів зчеплені гени полягають у дужки. Для дигібриду можливі два варіанти локалізації домінантних та рецесивних алелей у хромосомах. У першому випадку домінантні алелі знаходяться в одній із пари гомологічних хромосом, а рецесивні в іншій – (AB)(ab). Такий варіант локалізації алелів називається цис-позицією. Генотип (AB)(ab) можна отримати від схрещування батьків з генотипами (AB)(AB) – фенотип AB та (ab)(ab) – фенотип ab. У другому випадку домінантні та рецесивні алелі гена знаходяться у різних гомологічних хромосомах - (Ab)(aB). І такий варіант локалізації називається trans-position. Генотип (Ab)(aB) можна отримати відповідно від схрещування батьків з генотипами (Ab)(Ab) - фенотип Ab і (aB)(aB) - фенотип aB. Відмінність у співвідношенні фенотипів у потомстві для менделівського наслідування та генетичного зчеплення буде легше продемонструвати за допомогою аналізуючого схрещування. У цьому схрещуванні кількість типів гамет дорівнює числу фенотипічних класів у потомстві. У разі незалежного наслідування генотип AaBb дасть чотиритипу гамет AB, Ab, aB та ab. Відповідно від схрещування особин з генотипами AaBb та aabb ми отримаємо чотири класи фенотипів AB, Ab, aB та ab у співвідношенні 1:1:1:1. У разі генетичного зчеплення генотип (AB)(ab) може дати лише два типи гамет (AB) та (ab). Відповідно від схрещування особин з генотипами (AB)(ab) та (ab)(ab) ми отримаємо два класи фенотипів AB та ab у співвідношенні 1:1. Генотип (Ab)(aB) також дасть два типи гамет (Ab) та (aB). І від схрещування батьків з генотипами (Ab)(aB) та (ab)(ab) ми отримаємо також два класи фенотипів Ab та aB у співвідношенні 1:1. Як ви можете бачити в обох випадках генетичного зчеплення фенотипні класи нащадків залежать від розташування домінантних та рецесивних алелів у хромосомах та збігаються з фенотипами батьків, від схрещування яких було отримано вихідний дигібрид.

Але такі результати можна отримати лише у разі повного зчеплення. Зазвичай, повне зчеплення зустрічається досить рідко. Справа в тому, що в процесі мейозу гомологічні хромосоми можуть обмінюватись між собою ділянками. Цей процес отримав назву кросинговер або генетична рекомбінація. У процесі генетичної рекомбінації алелі, які входять до груп зчеплення у батьківських особин, можуть розділятися та давати нові поєднання у гаметах. Фенотипи, які виходять із таких гамет, називають рекомбінантами або кросоверами. Таким чином у потомстві буде не два, а чотири фенотипи, як за незалежного спадкування. Але для зчепленого наслідування співвідношення буде інше. Класи з батьківськими фенотипами становитимуть більшу частину потомства, а рекомбінантні класи меншу частину. Наприклад для генотипу (AB)(ab) буде більше нащадків з фенотипами AB та ab і менше з фенотипами Ab та aB, а для генотипу (Ab)(aB) навпаки. Конкретне співвідношення щодофенотипам залежатиме від відстані між генами. Чим далі один від одного знаходяться зчеплені гени, тим більша ймовірність того, що між ними станеться кросинговер. Таким чином частота кросинговера або рекомбінації може бути мірою визначення відстані між генами. Якщо між генами відбувається одинарний кросинговер і відома кількість кросоверних особин, то відстань між генами можна обчислити за формулою: RF = (c/t) * 100% де RF - відсоток кросинговера (відстань між генами), c - число кросоверних особин, t - загальна кількість особин, отриманих від аналізуючого схрещування. Якщо величина кросинговеру перевищує 50%, то можна говорити про незалежне комбінування генів, тобто без зчепленого успадкування. У прикладах, які ми розглянемо далі, ми будемо використовувати "Калькулятор побудови кросоверних карт" для обчислення відстані між генами, а Генетичний калькулятор ("Обчислення грат Пеннета") для моделювання схрещувань з генетичним зчепленням. Важливо, що "Калькулятор побудови кросоверних карт" може дати правильні результати тільки для схрещувань, що аналізують. Спочатку давайте розглянемо деякі особливості роботи з цим калькулятором.

Калькулятор побудови кросоверних карт

"Калькулятор побудови кросоверних карток" має досить простий і ясний інтерфейс. Його можна розділити на дві частини - у частині "Гени та фенотипи" вводяться необхідні дані, а у правій "Результати" виводяться результати обчислень. У лівій частині знаходиться перемикач "Три гени / Два гени" - так як ми зараз будемо розглядати приклади для двох зчеплених генів, то ви повинні переключити його на "Два гени", а особливості вирішення генетичних проблем для трьох зчеплених генів ми розглянемо пізніше. Алгоритм введення даних будевиглядати так: 1) Вибираєте число генів ( У разі - перемикаєте значення на " Два гена " ). 2) Записуєте домінантні та рецесивні алелі генів у першу таблицю. 3) Натисніть кнопку "Обчислити фенотипи". Програма автоматично заповнить першу колонку другої таблиці всіма можливими комбінаціями фенотипів. 4) У другу колонку потрібно записати кількість особин для кожного фенотипу. 5) Натиснути кнопку "Обчислити результати".

Для прикладів із двома зчепленими генами ви можете отримати такі результати у правій частині: 1) У першій таблиці ви можете бачити частоту рекомбінації між генами. 1% рекомбінації відповідає отриманню 1 рекомбінанту на 100 особин (1% частоти рекомбінації = 1 м.е. (міжнародних одиниць) одиниця генетичної карти або 1 сантиморган (cM)). 2) Відстань на карті (м.е.) – реальна відстань між генами. Ця відстань враховує вплив інтерференції та можливі подвійні кросовери. Частота рекомбінації і Map distance пов'язані між собою цією формулою (функція Холдейна): RF = (1 - e ^ (-2 * відстань на карті)) / 2 або відстань на карті = - (ln(1 - 2RF) / 2), де RF – частота рекомбінації. 3) Батьківські генотипи. На підставі батьківських генотипів ви можете судити про локалізацію генів - знаходяться вони в цис-або транс-позиції.

Приклади зчепленого наслідування

Дигібридне аналізуюче схрещування для двох зчеплених генів у томатів

Перейдемо до розгляду конкретних прикладів. У томатів гени, що визначають висоту рослини - T (високий) і t (карликовий) і форму плодів - S (круглі) і s (грушоподібні), локалізовані в одній хромосомі, тобто є зчепленими. Якщо схрестити гомозиготні рослини з генотипами TTSS і ttss, так само, як і у випадку незалежногорозподілу, все потомство матиме однаковий фенотип. В даному випадку всі рослини були високими з округлими плодами та мали генотип TtSs. В результаті аналізуючого схрещування, коли ці рослини схрестили з гомозиготними рецесивними рослинами (ttss), отримали в потомстві 40 високих рослин з круглими плодами, 40 карликових з грушоподібними плодами, 10 високих рослин з грушоподібними плодами і 10 карликових з плодами. Якби зчеплення генів було повним, то в потомстві були б тільки високі рослини з круглими плодами і карликові з грушоподібними плодами в рівних пропорціях, а якби гени не були зчеплені, то співвідношення фенотипів було б 1:1:1:1. Таким чином, можна сказати, що в даному випадку між зчепленими генами відбувається кросинговер, який дає в потомстві нові рекомбінантні фенотипи. Тепер проаналізуємо отримані дані.

"Калькулятор побудови кросоверних карток".

Перемикаємо значення на "Два гени".
Записуємо домінантні та рецесивні алелі генів у першу таблицю: