Орлова Н.Н.
Генетический анализ: Учебн. пособие. — М.; Изд-во МГУ 1991. — 318 с.: ил.
ISBN 5—211—00418—3.
Для студентов биологических специальностей высших учебных заведений, аспирантов, научных работников, селекционеров.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Многолетний опыт преподавания генетики и генетического анализа на биологическом факультете МГУ убеждает меня в том, что студенты достаточно быстро и легко осваивают анализ экспериментальных данных в основном в рамках модельных менделев-ских расщеплений. Для них утверждение, что эти расщепления осуществляются только при соблюдении целого ряда условий, остается абстрактным... Множество экспериментальных данных из курса генетического анализа, в которых вследствие разных причин наблюдаются отклонения от менделевского наследования, заставляют студентов недогматически, творчески подходить к объяснению реальных генетических ситуаций, искать причины отклонений и находить методы их анализа. Кроме того, анализ собственных данных, получаемых в практикуме, позволяет им критически оценивать не только свои, но и публикуемые в различных работах результаты. Однако пособий позволяющих освоить логику и «рецептуру» анализа, практически нет. Эти обстоятельства и побудили взяться за написание настоящей книги, где даны приемы решения основных задач генетического анализа, без знания которых, на мой взгляд, вряд ли можно решать более сложные его проблемы. Большая часть материала книги относится к так называемому «классическому» подходу, поскольку именно он дает в руки исследователя ту методологическую основу, на которой базируется теория и все самые современные методы анализа. Вместе с тем в пособии подчеркивается плодотворность и необходимость единства двух подходов к решению генетических задач - - классического и молекулярно-генетического. В пособии использованы данные оригинальных работ, взятые из статей и монографий, а также результаты, полученные студентами в практикуме по генетическому анализу.
Не претендуя на то, что предложенный мной подход и выбор материала являются наилучшими, могу сказать, что они многократно опробованы и давали неплохие результаты.
Большую помощь в написании книги своими критическими замечаниями и советами оказали мне коллеги-генетики — М. М. Бабыкин, В. М. Глазер, В. В. Грошев, В. М. Гиндилис, С. Г. Инге-Вечтомов, С. В. Каменева, П. Я. Шварцман, С. И. Янушкевич и рецензенты — Е. В. Ананьев и В. С. Анохина, за что приношу им глубокую благодарность. Я признательна также Е. Ю. Покровской и Т. Ю. Сафьянниковой за помощь при подготовке рукописи к печати.
ВВЕДЕНИЕ
Генетический анализ является методологической основой генетики. Его первым специфическим методом, который предложил И. Г. Мендель в 1865 г., был гибридологический метод анализа отдельных признаков. Впервые определение генетического анализа как «системы опытов, наблюдений и вычислений, имеющих целью разложение свойств (признаков) организма на отдельные наследственные элементы, «отдельные признаки», и изучение свойств соответствующих им генов» было дано одним из основоположников генетического анализа Александром Сергеевичем Серебровским в книге «Генетический анализ» (1970). Она до сих пор служит единственным пособием, в котором рассматриваются сложные вопросы анализа наследования признаков организмов и описываются некоторые его методы. Однако книга была написана в 20—40-е гг., задолго до установления генетической роли ДНК, расшифровки тонкой структуры и молекулярно-биохими-ческих основ действия генов, до выяснения механизмов мутирования и т. д. Эти открытия, а также применение различных факторов, многократно повышающих частоты мутирования генов, в значительной мере увеличили разрешающую способность генетического анализа, способствовали дальнейшей разработке его теории и новых методов.
Теория генетического анализа связана с построением логических, математических, экспериментальных моделей, помогающих понять суть генетических процессов и явлений. Арсенал методов генетического анализа в настоящее время гораздо богаче и раз-нообразней,"чем во времена написания книги А. С. Серебровским. Это — использование, наряду с классическим методом менделев-ского анализа, гибридизации соматических клеток, молекулярно-генетических методов; работа с селективными средами, создание специальных линий-анализаторов и пр. Принципы и методы генетического анализа сейчас широко используются как для решения собственно генетических задач, так и в таких науках, как молекулярная биология, эмбриология, биология развития; при составлении селекционных программ, а также в медицинской практике.
Задача настоящего пособия состоит в том, чтобы систематизировать и описать разные подходы и методы анализа, показать возможности их применения; продемонстрировать факторы, влияющие на расщепления, и пути их выявления; дать «рецептуру>
анализа результатов генетических экспериментов и помочь исследователю в выборе методов анализа. В нем изложены принципы и задачи генетического анализа применительно главным образом к эукариотическим организмам, показана роль биологии объекта и средовых факторов в генетических экспериментах. В книге даны примеры разных типов наследования, описаны способы изучения отклонений в расщеплениях, связанных с различными причинами - - гибелью зигот определенного генотипа, неслучайным характером оплодотворения, типом размножения, неодинаковой селективной ценностью гамет, влиянием среды и т. д. В пособии очень кратко рассмотрены возможности анализа количественных признаков, практически нет описания приемов и методов генетического анализа у прокариот, не обсуждается вне-ядерное наследование. Это объясняется, с одной стороны, недостаточно четко разработанной системой анализа количественных признаков и наличием хороших пособий по анализу у прокариот, с другой - - ограниченным объемом пособия. Книга написана на основе опыта многолетнего преподавания автором курсов «Общая генетика» и «Генетический анализ» на биологическом факультете Московского университета. В ней дана та логика анализа, которая, на взгляд автора, обеспечивает наиболее быстрое и эффективное понимание сути такого анализа, позволяет «открывать» на его основе закономерности наследования в каждом конкретном генетическом эксперименте и обобщать экспериментальные данные. Автор стоит на позициях А. С. Серебровского, полагая, что лучшим способом овладения методами генетического анализа является экспериментальная работа с модельными объектами и решение генетических задач. По мнению А. С. Серебровского, решение таких задач - - «отличная школа логики». Поэтому в тексте пособия приводятся и анализируются конкретные примеры-задачи, демонстрирующие разнообразие генетического контроля признаков и причин, вызывающих отклонения в опытах; показаны наиболее рациональные и экономные пути их решения. К каждому разделу дан список соответствующей литературы.
Работа с предлагаемым учебным пособием предполагает хорошее знание азбуки менделизма и основных концепций и положений современной генетики.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...........
Введение.................. 4
ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Глава I. Предмет, задачи и методы генетического анализа ... 6
1.1. Предмет генетического анализа. Понятие «признак» в генетике
1.2. Задачи генетического анализа...........
1.3. Логика, принцип и этапы генетического анализа. Методы анализа . 12
1.3.1. Гибридологический метод. Типы скрещиваний. Системы скрещиваний между несколькими формами........12
1.3.2. Анализ родословных, близнецовый, цитогенетический, молеку-лярно-генетические, биохимические, генно-инженерные и другие методы анализа, их применение...........14
Глава П. Значение биологических особенностей объекта для генетического анализа................16
ИЛ. Жизненные циклы и способы размножения у животных ... 17
II.2. Жизненные циклы, способы и особенности размножения у высших
растений.................20
П.З. Жизненные циклы и способы размножения у грибов-аскомицетов
II.4. Модельные объекты и их роль в генетическом анализе .... 26
Заключение.................36
АНАЛИЗ НАСЛЕДОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ПРИЗНАКОВ
Глава III. Наследование при моногенных различиях между исходными формами.................38
111.1. Менделевское наследование. Его модификации......38
111.1.1. Логик! анализа и статистическая проверка гипотез. Метод х2 42
111.1.2. Анализ расщеплений на малых выборках. Определение вероятностей. Определение минимального объема выборки .... 45
111.2. Систематические отклонения в расщеплениях, их возможные причины .................47
111.2.1. Нарушение нормального расхождения хромосом вследствие мейотических мутаций ............. 48
111.2.2. Нарушение нормальной конъюгации гомологичных хромосом и негомологичное спаривание — одна из причин неравновероятного образования гамет разного генотипа.........49
111.2.3. Влияние перестроек хромосомы на расхождение гомологичных хромосом в мейозе . ............54
111.2.4. «Предпочтительное» расхождение гомологичных хромосом в мейозе — причина нарушений в расщеплениях......56
111.2.5. Разная постмейотическая активность некоторых генов обусловливает преимущество в оплодотворение гаметам определенного генотипа.................59
314
111.2.6. Влияние летальных мутаций, вызывающих избирательную гибель гамет, на расщепление .... ......61
111.2.7. Системы самонесовместимости у растений, методы их изучения
и влияние на расщепление по другим генам.......62
111.2.8. Зависимость расщепления от выживаемости зигот разного генотипа.................72
111.2.9. Неполная пенетрантность и экспрессивность -- одна из причин отклонений в расщеплениях..........82
111.2.10. Влияние способа размножения на расщепление. Наследование при нерегулярных типах полового размножения.....
III.3. Анализ наследования отдельных признаков у низших эукариот . 85
111.3.1. Анализ случайной выборки спор........
111.3.2. Тетрадный анализ............87
Глава IV. Наследование при полигенных различиях между исходными формами..................91
IV.1. Независимое наследование взаимодействующих генов .... 92
IV.1.1. Расщепление при аутосомной локализации генов ... 92
IV.1.2. Расщепление при локализации одного гена в Х-хромосоме,
других — в аутосомах.............96
IV.2. Сцепленное наследование взаимодействующих генов .... 106
IV.2.1. Расщепление при локализации взаимодействующих генов в
аутосоме................106
IV.2.2. Расщепления при локализации взаимодействующих генов в
Х-хромосоме................114
IV.2.3. Роль циклических скрещиваний в генанализе при установлении числа генов, контролирующих признак.......117
IV.2.4. Некоторая формальность и сложности гибридологического анализа. Плюсы и минусы формального подхода.......124
IV.2.5. Некоторые методы генетической проверки гипотез . . . 126
IV.3. Изучение биохимических различий между нормальной и мутантны-ми формами — один из возможных путей анализа проявления моногенных различий и изучения неаллельных взаимодействий ..... 128
IV.4. Особенности наследования количественных признаков. Возможные методы их изучения...............
Глава V. Особенности наследования у полиплоидов......136
V.I. Наследование у аллополишюидов.......... 137
V.2. Наследование у автополиплоидов.......... 140
V.2.I. Случайное хромосомное расщепление....... 140
V.2.2. Случайное хроматидное расщепление. Двойная редукция . . 142
V.3. Расщепление у автополиплоидов с участием двух генов . . . 145
Заключение.................147
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГЕНОВ
Глава VI. Анализ совместного наследования нескольких признаков . 150
VI.1. Анализ на высших эукариотах..........150
VI.1.1. Независимое наследование признаков при локализации генов
в аутосомах................150
VI.1.2. Независимое наследование признаков, один из которых сцеплен с полом................158
VI.1.3. Сцепленное наследование признаков при локализации генов в аутосомах. Анализ расщеплений в анализирующем скрещивании . 160
VI.1.4. Анализ расщеплений по результатам F2 в случае, когда крос-синговер идет у особей обоих полов с одинаковой частотой . . 161
VI.1.5. Анализ расщеплений в р2 при отсутствии кроссинговера у особей одного пола..............165
VI.2. Анализ совместного наследования признаков у грибов-яскомицетов
VI.2.1. Тетрадный .анализ независимого наследования .... 176
VI.2.2. Тетрадный анализ сцепленного наследования у грибов-аскомицетов. Картирование генов и центромеры........181
Глава VII. Определение группы сцепления........185
VII.1. Установление группы сцепления гибридологическим методом . 186
VII.1.1. Дробный способ определения группы сцепления
VII.1.2. Одномоментный способ определения группы сцепления . 188
VI 1.1.3. Определение группы сцепления с помощью реципрокных
транслокаций ............... 192
VII. 1.4. Определение группы сцепления с помощью транслокаций с
участием В-хромосом.............196
VII.1.5. Определение группы сцепления у растений на основе использования анеуплоидных серий — трисомиков, моносомиков и нулли-
сомиков.................197
VII.1.6. Локализация гена с помощью инверсий.....
VII.2. Определение группы сцепления с помощью метода гибридизации
соматических клеток.............205
VII.3. Определение группы сцепления у грибов-аскомицетов на основе
гаплоидизации ............... 207
Глава VIII. Локализация гена в группе сцепления. ; Картирование хромосом.................209
VIII.1. Построение генетических карт хромосом.......210
VIII.1.1. Локализация генов в группе сцепления с помощью учета
мейотических рекомбинантов...........210
VIII.1.2. Картирование при митотическом кроссинговере. Использование центромеры в качестве маркера.........215
VIII.2. Построение цитологических карт хромосом .......217
VIII.2.1. Картирование политенных хромосом с помощью хромосомных перестроек..............i 218
VIII.2.2. Картирование метафазных хромосом......221
VIII.3. Картирование хромосом с помощью гибридизации in situ клонированных нуклеотидных последовательностей ...... 225
VIII.4. Картирование на основе полиморфизма длин рестрикционных
фрагментов ДНК(ПДРФ). Физические карты......229'
Заключение.................237
т
АНАЛИЗ ГЕНА
Глава IX. Этапы и методы изучения гена. Внутригенное картирование 238
IX. 1. Тест на аллелизм как этап изучения гена ....... 238-
IX.2. Внутригенное картирование........... 241
IX.2.1. Метод перекрывающихся делеций........ 241
IX.2.2. Использование двойных и одиночных мутантов для внутри-генного картирования у грибов-аскомицетов (качественный тест) . 245
IX.3. Изучение структуры генов у высших эукариот на примере гена rosy
у Drosophila melanogaster........... 245
IX.4. Принципы идентификации, выделения и анализа генов с помощью
методов генетической инженерии.......... 251
Заключение.................253
316
Глава X. Типы мутаций. Методы выявления и количественного учета
мутаций. Использование разных типов мутаций в генетическом анализе 255
Х.1. Выявление и количественный учет генных мутаций..... 255
Х.1.1. Обнаружение и количественный учет рецессивных, сцепленных
с полом, летальных мутаций у дрозофилы. Методы Меллер-5 и С1В 256
Х.1.2. Учет рецессивных летальных мутаций, локализованных в ауто-
сомах, у дрозофилы.............. 259
Х.1.3. Выявление и определение частоты видимых мутаций в Х-хро-
мосоме дрозофилы. Метод сцепленных Х-хромосом..... 261
Х.2. Обнаружение и учет рецессивных мутаций у других объектов . . 262
Х.2.1. Грибы-аскомицеты как тест-системы для выявления и учета
рецессивных мутаций............. 262
Х.2.2. Использование культур клеток млекопитающих в качестве тест-систем для выявления и количественного учета мутаций .... 266
Х.2.3. Выявление и учет рецессивных мутаций у растений . . . 267
Х.З. Методы учета перестроек хромосом......... 268
Х.3.1. Анализ делеций и дупликаций......... 268
Х.3.2. Анализ инверсий............. 771
Х.3.3. Анализ транслокаций............ 275
Х.4. Роль мобильных (перемещающихся) генетических элементов (МГЭ) 277
в мутагенезе................
Х.5. Использование разных типов мутаций в генетическом анализе . . 279
Заключение.......... 281
Задачи.................. 283
Приложение................. 303
Предметный указатель.............. 306
