Хромосомная теория наследственности

В 1910 году в лаборатории Томаса Моргана в Колумбийском университете среди тысяч обычных красноглазых дрозофил объявилась одна-единственная белоглазая муха. Мутант оказался самцом, и его скрещивания дали неслучайное расщепление: белые глаза передавались определённому полу. Одна мутация открыла целую теорию: гены живут в хромосомах, а хромосомы — носители наследственности. Через двадцать три года Морган получил за эту работу Нобелевскую премию — первую, присуждённую за генетику.

Почему дрозофила и что нашли

Дрозофила — идеальный лабораторный работник: живёт две-четыре недели, даёт сотни потомков за раз, умещается в бутылочке с питательной средой, у неё всего четыре пары хромосом и десятки заметных мутаций окраски, крыльев и глаз. Морган и его ученики — Альфред Стёртевант, Кальвин Бриджес, Герман Мёллер — за считаные годы накопили статистику по сотням скрещиваний. Вывод: наследственные задатки расположены в хромосомах линейно, и поведение генов при скрещивании повторяет поведение хромосом в мейозе. Белоглазая мутация оказалась сцепленной с X-хромосомой — так открылось наследование, связанное с полом.

Основные положения хромосомной теории сформулировали к началу 1910-х годов. Гены находятся в хромосомах, и каждый ген занимает своё место — локус. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и наследуются вместе; число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом: у дрозофилы — 4, у человека — 23. При образовании гамет гомологичные хромосомы могут обмениваться участками — кроссинговером, который разъединяет гены одной хромосомы.

В хромосомах — не вся наследственность. Собственная ДНК митохондрий передаётся строго по материнской линии: митохондрии сперматозоида сидят в хвосте и в зиготу не попадают. Отсюда митохондриальные болезни: они бьют по самым энергоёмким тканям — мышцам и нервам — и передаются от матери всем детям, а от отца — никому. По митохондриальной ДНК генетики восстанавливают древние родословные: она не перемешивается при оплодотворении и накапливает мутации с ровной скоростью.

Сцепление и генетические карты

Скрестив дрозофил с генами чёрного тела и зачаточных крыльев с рецессивными гомозиготами, Морган получил потомство, далёкое от «независимых» 9:3:3:1: подавляющее большинство особей повторяло родительские сочетания — гены сцеплены. Но небольшой процент рекомбинантов всё же рождался: между гомологами происходил кроссинговер. Стёртевант заметил главное: чем дальше гены друг от друга в хромосоме, тем чаще между ними происходит обмен. Так частота рекомбинации стала линейкой. За единицу приняли морганиду — расстояние, которому соответствует 1% кроссинговера; между генами тела и крыльев у дрозофилы — около 17 морганид. В 1913 году Стёртевант построил первую генетическую карту хромосомы: линейный порядок генов, восстановленный по частотам обмена.

Сегодня карты уточняют секвенированием ДНК, но принцип остался: порядок генов линеен, и по частотам рекомбинации восстанавливают их взаимное расположение. Сцепление объясняет, почему некоторые признаки ходят в потомстве вместе — как окраска тела и форма крыльев у дрозофилы: целые «пакеты» генов едут в одной хромосоме.

Секвенирование дало и числа: у дрозофилы около четырнадцати тысяч генов, у человека — около двадцати тысяч, и почти все сидят в двадцати трёх группах сцепления. Генов оказалось заметно меньше, чем предсказывали: сложность организма создают не количество генов, а их регуляция и совместная работа. В картах человека по-прежнему живут морганиды: расстояния между генами оценивают по частоте рекомбинации в родословных, а точный порядок дублируют физическими картами секвенирования.

Генотип как система: плейотропия и эпистаз

Один ген не всегда означает один признак. Плейотропия — множественное действие гена: он влияет сразу на несколько признаков. Классический пример — серповидноклеточная анемия: одна замена в гене гемоглобина меняет форму эритроцитов и вызывает болезнь, но заодно защищает носителей от малярии — в африканских регионах мутацию удерживает именно это. Эпистаз — взаимодействие неаллельных генов: ген одного локуса подавляет действие гена другого; такой ген-подавитель может выключить пигментацию, заданную другим геном, и тогда расщепления получаются отличными от менделевских. Есть и комплементарность, когда оба гена нужны продукту сразу, и полимерия, когда признак складывают несколько одинаковых генов — так наследуются рост и масса.

Хромосомное определение пола

У человека 22 пары аутосом — одинаковых у обоих полов — и одна пара половых хромосом: женщина несёт две X-хромосомы, мужчина — X и Y. Пол ребёнка определяет сперматозоид: с X или с Y, вероятности равны. У птиц схема перевёрнута: гетерогаметны самки (ZW), а самцы — ZZ. За запуск мужского развития отвечает ген на Y-хромосоме.

Признаки, сцепленные с полом: гемофилия и дальтонизм — рецессивные гены в X-хромосоме. Женщина-носительница с одним мутантным аллелем здорова: второй аллель её прикрывает; у мужчины второй X нет, поэтому одного мутантного аллеля достаточно — болеют чаще мужчины. Такие генотипы записывают надстрочным индексом у X: $X^H{X}^h$ — женщина-носительница, $X^{h}Y$ — больной мужчина. Королева Виктория была носительницей гемофилии и передала ген по королевским домам Европы — болезнь вошла в наследство испанских и российских правнуков.

Термин «дальтонизм» появился задолго до Моргана: английский химик Джон Дальтон в 1794 году описал собственную цветовую слепоту — он не различал красную часть спектра. Цифры пригодятся в задачах: дальтонизм встречается примерно у восьми процентов мужчин и лишь у полпроцента женщин, классическая гемофилия — примерно у одного мальчика из десяти тысяч.

Два правила наследования, сцепленного с полом, держат задачи и родословные. Первое: отец передаёт X-хромосому только дочерям, сыну достаётся лишь Y. Второе: единственная X мальчика приходит от матери. Отсюда «крисс-кросс»-схема: больной отец не передаст гемофилию сыну ни при каком раскладе, но все его дочери — носительницы; больной дальтонизмом сын здоровых родителей выдаёт мать-носительницу.

Есть и тонкость женской генетики: в каждой клетке женщины одна из двух X-хромосом выключается и сворачивается в плотное тельце Барра. Выключение случайно и происходит рано в зародыше, поэтому организм женщины — мозаика из клеток с работающей отцовской или материнской X. Живой пример — черепаховые кошки: ген рыжей окраски сидит в X-хромосоме, и рыжие и чёрные пятна — участки кожи, где активна то одна, то другая хромосома. Трёхцветный кот — редчайшее исключение: ему нужна лишняя X-хромосома.

Хромосомная теория#

учение о хромосомах как носителях генов

Группа сцепления#

все гены одной хромосомы, наследующиеся совместно

Морганида#

единица расстояния: 1% кроссинговера между генами

Плейотропия#

влияние одного гена на несколько признаков

Эпистаз#

подавление геном одного локуса действия гена другого

Аутосомы#

хромосомы, одинаковые у мужских и женских особей

Как это спрашивают на контрольной

• Сформулируй основные положения хромосомной теории наследственности.
• Почему у дрозофилы четыре группы сцепления?
• Как по частоте кроссинговера определить расстояние между генами?
• Приведи пример плейотропии и объясни, почему мутация серповидноклеточности удерживается в популяциях.
• Почему дальтонизм у мужчин встречается чаще, чем у женщин?

Образец полного ответа. Вопрос: «Почему третий закон Менделя нарушается при сцеплении?» Ответ: «Третий закон описывает независимое наследование генов, лежащих в разных хромосомах. Гены одной хромосомы попадают в гамету вместе, поэтому их признаки наследуются совместно, и расщепление отклоняется от 9:3:3:1. Лишь кроссинговер изредка разъединяет сцепленные гены — доля рекомбинантов соответствует расстоянию между ними в морганидах».

Дальше по программе — генетика человека и мутации: как читать родословные и что происходит, когда хромосомный набор сбивается. А пока закрой виджеты урока без ошибок: положения теории и тройка дат — самый частый материал проверочных по этой теме.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема