Сцепленное с полом наследование: генетика человека и разбор задач ЕГЭ

Большинство животных и двудомных растений являются раздельнополыми организмами. В их популяциях число мужских и женских особей обычно примерно одинаково, что обеспечивает соотношение 1:1.

Пол можно рассматривать как один из признаков организма. Однако, в отличие от большинства морфологических и физиологических признаков, которые наследуются через гены, механизм определения пола имеет особую природу. Его называют хромосомным механизмом.

Существует пара половых хромосом и аутосомы. Аутосомы — это парные хромосомы, одинаковые у мужских и женских организмов. Половые хромосомы различаются по строению и несут гены, которые определяют половую принадлежность.

В природе выделяют несколько систем определения пола:

• Тип XX и XY. Характерен для млекопитающих, включая человека, а также для двукрылых насекомых. Женский пол имеет две одинаковые хромосомы XX и является гомогаметным полом, так как образует один тип гамет. Мужской пол имеет хромосомы XY и называется гетерогаметным полом, поскольку формирует два типа сперматозоидов.
• Тип ZZ и ZW. Встречается у птиц, пресмыкающихся и бабочек. В этой системе гетерогаметным полом выступает женский организм (ZW), а гомогаметным остаётся мужской организм (ZZ).
• Тип XX и X0. Характерен для некоторых насекомых, например кузнечиков. Женский пол имеет набор XX, а мужской содержит только одну половую хромосому X.

Понимание того, какой пол является гетерогаметным, важно, когда необходимо понять, как решать генетические задачи.

Половые хромосомы X и Y имеют различную форму и генный состав. Х-хромосома крупная и содержит сотни генов, необходимых для нормальной жизнедеятельности независимо от пола. Y-хромосома значительно меньше и несёт гены, которые определяют развитие по мужскому типу.

Поскольку большинство генов Х-хромосомы не имеют аллельной пары в Y-хромосоме, рецессивные мутации у гетерогаметного пола проявляются сразу. Именно поэтому генетика человека демонстрирует высокую частоту определённых заболеваний у мужчин.

Гемофилия как классический пример

Гемофилия — тяжёлое наследственное заболевание, при котором нарушается процесс свёртывания крови. Болезнь обусловлена рецессивной мутацией гена, расположенного в X-хромосоме.

Исторически алгоритм передачи этого заболевания изучался на примере королевских династий Европы, из-за чего гемофилия получила название «королевская болезнь». Королева Виктория была носительницей мутантного аллеля. Поскольку женщины имеют две X-хромосомы, наличие одного доминантного здорового аллеля полностью компенсирует дефект. Мужчины получают единственную X-хромосому от матери. Если эта хромосома несёт ген гемофилии, заболевание обязательно проявится. Передача признака от матери к сыну носит название «наследование крест-накрест».

Дальтонизм и цветовое зрение

Дальтонизм выражается в неспособности различать определённые цвета, чаще всего красный и зелёный спектры. Мутация также носит рецессивный характер и сцеплена с X-хромосомой.

Женщина заболевает дальтонизмом только в том редком случае, если наследует два мутантных аллеля одновременно от отца-дальтоника и матери-носительницы или матери-дальтоника. У мужчин заболевание проявляется значительно чаще, так как для формирования фенотипа достаточно одной мутантной копии гена.

В современной науке выделяют участки половых хромосом, которые являются гомологичными. Они называются псевдоаутосомными регионами. В этих зонах X-хромосома и Y-хромосома могут конъюгировать и обмениваться участками в процессе мейоза.

Если ген располагается в псевдоаутосомном участке, он присутствует как в X-, так и в Y-хромосоме. Кроссинговер между половыми хромосомами приводит к тому, что аллель может переходить из X-хромосомы в Y-хромосому и обратно. Этот сложный механизм с объяснением кроссинговера активно используется создателями экзаменационных материалов.

В экзаменационных вариантах ЕГЭ эта тема встречается в развёрнутых заданиях № 28. Рассмотрим примеры с решениями для каждого типа. Ты увидишь, что при пошаговом подходе такие задания решаются достаточно просто.

Задание 28

У дрозофилы гетерогаметным полом является мужской пол. При скрещивании самки дрозофилы с серым телом, нормальными крыльями и самца с чёрным телом, обрезанным краем крыльев всё гибридное потомство было единообразным по цвету тела и форме края крыльев. При скрещивании самки дрозофилы с чёрным телом, обрезанным краем крыльев и самца с серым телом, нормальными крыльями в потомстве получились самки с серым телом, нормальными крыльями и самцы с серым телом, обрезанным краем крыльев.
Составьте схемы скрещиваний. Определите генотипы родительских особей, генотипы и фенотипы, пол потомства в двух скрещиваниях. Объясните фенотипическое расщепление во втором скрещивании.

I. Условные обозначения и локализация генов

II. Анализ первого скрещивания

Фенотипы родителей:
♀ серое тело, нормальные крылья × ♂ чёрное тело, обрезанные крылья

Наблюдаемое потомство (F₁): единообразное по обоим признакам.

Единообразие F₁ указывает на гомозиготность доминантной родительской особи по всем анализируемым локусам.

Схема скрещивания 1:

P: ♀ AAXᴺXᴺ × ♂ aaXⁿY

G: AXᴺ aXⁿ , aY

F₁: ♀ AaXᴺXⁿ ♂ AaXᴺY

Генотипы и фенотипы F₁:

• ♀ AaXᴺXⁿ → серое тело, нормальные крылья.
• ♂ AaXᴺY → серое тело, нормальные крылья.

Расщепление по полу: 1♀ : 1♂. Фенотипически всё потомство единообразно.

III. Анализ второго скрещивания

Фенотипы родителей:
♀ чёрное тело, обрезанные крылья × ♂ серое тело, нормальные крылья

Схема скрещивания 2:

P: ♀ aaXⁿXⁿ × ♂ AAXᴺY

G: aXⁿ AXᴺ , AY

F₁: ♀ AaXᴺXⁿ ♂ AaXⁿY

Генотипы и фенотипы F₁:

• ♀ AaXᴺXⁿ → серое тело, нормальные крылья.
• ♂ AaXⁿY → серое тело, обрезанные крылья.

Наблюдаемое расщепление:

• По окраске тела: 100% серое тело (единообразие).
• По форме крыльев: все самки нормальные, все самцы обрезанные.
• По полу: 1♀ : 1♂.

IV. Объяснение фенотипического расщепления во втором скрещивании

1. Аутосомный признак (окраска тела).
   Родительские особи гомозиготны по противоположным аллелям (aa × AA). Всё потомство F₁ гетерозиготно (Aa) и проявляет доминантный фенотип — серое тело. Наследование не зависит от пола, поэтому расщепления по данному признаку не наблюдается.
2. Признак, сцепленный с X-хромосомой (форма края крыльев).
   Самка-мать гомозиготна по рецессивному аллелю (XⁿXⁿ) и передаёт аллель Xⁿ всем потомкам независимо от пола. Самец-отец (XᴺY) передаёт доминантный аллель Xᴺ только дочерям, а сыновьям — Y-хромосому, не несущую данного гена.
   • Дочери получают генотип XᴺXⁿ: наличие одного доминантного аллеля обеспечивает нормальную форму крыльев.
   • Сыновья получают генотип XⁿY: гемизиготность по X-хромосоме приводит к проявлению рецессивного фенотипа (обрезанные крылья).

   Данное явление соответствует наследованию крест-накрест, которое характерно для рецессивных признаков, локализованных в X-хромосоме. Признак проявляется у самцов первого поколения, получивших рецессивную X-хромосому от матери, и маскируется у гетерозиготных самок.

3. Взаимодействие локусов.
   Гены окраски тела и формы крыльев расположены в разных хромосомах (аутосома и X-хромосома соответственно), поэтому они наследуются независимо в соответствии с третьим законом Менделя.

V. Итоговые схемы

Схема 1 (прямое скрещивание)

P: ♀ AAXᴺXᴺ (серое, нормальные) × ♂ aaXⁿY (чёрное, обрезанные)

G: AXᴺ aXⁿ aY

F₁: ♀ AaXᴺXⁿ (серое, нормальные) ♂ AaXᴺY (серое, нормальные)

Результат: 100% единообразное потомство.

Схема 2 (обратное скрещивание)

P: ♀ aaXⁿXⁿ (чёрное, обрезанные) × ♂ AAXᴺY (серое, нормальные)

G: aXⁿ AXᴺ AY

F₁: ♀ AaXᴺXⁿ (серое, нормальные) ♂ AaXⁿY (серое, обрезанные)

Результат: по окраске тела — единообразие; по крыльям — сцепление с полом (♀ нормальные, ♂ обрезанные). Соотношение ♀:♂ = 1:1.

Аутосомный ген и ген, локализованный в X-хромосоме

У человека аллели генов атрофии зрительного нерва и ихтиоза (заболевание кожи) находятся в одной хромосоме и наследуются сцепленно с полом. Женщина, не имеющая этих заболеваний, у матери которой был ихтиоз, а у отца — атрофия зрительного нерва, вышла замуж за мужчину без этих заболеваний. Родившаяся в этом браке гомозиготная здоровая дочь вышла замуж за мужчину, не имеющего этих заболеваний. В их семье родился ребёнок, страдающий ихтиозом. Составьте схемы решения задачи. Укажите генотипы, фенотипы родителей и генотипы, фенотипы, пол возможного потомства в двух браках. Возможно ли в первом браке рождение ребёнка, страдающего двумя названными заболеваниями? Ответ поясните.

I. Условные обозначения и локализация генов

Формат записи сцепленных аллелей: Xᴬᴮ (оба доминантных), Xᵃᴮ (атрофия, кожа нормальная), Xᴬᵇ (зрение нормальное, ихтиоз), Xᵃᵇ (оба заболевания).

II. Определение генотипов особей первого брака

1. Родители женщины (пробанды):
   • Мать (ихтиоз) → XᴬᵇXᴬᵇ (гомозигота по рецессивному аллелю ихтиоза).
   • Отец (атрофия зрительного нерва) → XᵃᴮY.
2. Женщина (пробанда):
   • Фенотипически здорова. От матери унаследовала Xᴬᵇ, от отца — Xᵃᴮ.
   • Генотип: XᴬᵇXᵃᴮ (дигетерозигота, аллели расположены в транс-положении).
3. Муж женщины (первый брак): фенотипически здоров → XᴬᴮY.
4. Дочь от первого брака: по условию гомозиготна и здорова → XᴬᴮXᴬᴮ. Получила Xᴬᴮ от отца и рекомбинантную гамету Xᴬᴮ от матери (образовалась в результате кроссинговера).

III. Схема скрещивания 1 (первый брак)

P: ♀ XᴬᵇXᵃᴮ (здоровая) × ♂ XᴬᴮY (здоровый)

G: Xᴬᵇ, Xᵃᴮ (родительские) Xᴬᴮ, Y

Xᴬᴮ, Xᵃᵇ (кроссоверные)

F₁: ♀ XᴬᴮXᴬᴮ ♀ XᴬᴮXᴬᵇ ♀ XᴬᴮXᵃᴮ ♀ XᴬᴮXᵃᵇ

♂ XᴬᴮY ♂ XᴬᵇY ♂ XᵃᴮY ♂ XᵃᵇY

Генотипы и фенотипы F₁:

• ♀ XᴬᴮXᴬᴮ → гомозиготная здоровая (кроссоверная).
• ♀ XᴬᴮXᴬᵇ → здоровая носительница ихтиоза.
• ♀ XᴬᴮXᵃᴮ → здоровая носительница атрофии.
• ♀ XᴬᴮXᵃᵇ → здоровая двойная носительница.
• ♂ XᴬᴮY → здоровый.
• ♂ XᴬᵇY → ихтиоз.
• ♂ XᵃᴮY → атрофия зрительного нерва.
• ♂ XᵃᵇY → оба заболевания (кроссоверный).

IV. Анализ второго брака и генетическое противоречие

1. Родители второго брака:
   • Дочь (из первого брака) → XᴬᴮXᴬᴮ (гомозиготна по доминантным аллелям).
   • Её муж → XᴬᴮY (фенотипически здоров).
2. Потомство: ребёнок с ихтиозом.
3. Генетический анализ: оба родителя не несут аллель Xᵇ. Согласно законам классической генетики, появление рецессивного фенотипа в данном скрещивании невозможно. В биологической практике единственное объяснение — спонтанная генная мутация Xᴮ → Xᵇ в гамете одного из родителей.

В типовых экзаменационных вариантах условие обычно подразумевает гетерозиготность дочери (XᴬᴮXᴬᵇ). Если допустить гетерозиготность, больной ребёнок будет сыном с генотипом XᴬᵇY. В строгом решении опираемся на указанное в условии состояние (XᴬᴮXᴬᴮ) и фиксируем мутационный механизм.

V. Ответ на вопрос о возможности рождения ребёнка с двумя заболеваниями в первом браке

Ответ: да, возможно.

Объяснение

Мать в первом браке является дигетерозиготой с транс-расположением мутантных аллелей (XᴬᵇXᵃᴮ). В процессе мейоза (профаза I) между гомологичными X-хромосомами происходит кроссинговер. В результате образуются рекомбинантные гаметы Xᴬᴮ и Xᵃᵇ. Гамета Xᵃᵇ при оплодотворении сперматозоидом, несущим Y-хромосому, формирует зиготу XᵃᵇY. Поскольку у мужчин присутствует только одна X-хромосома (гемизиготность), оба рецессивных аллеля проявятся фенотипически. Таким образом, рождение сына, страдающего одновременно атрофией зрительного нерва и ихтиозом, генетически закономерно, хотя его вероятность зависит от генетического расстояния между локусами (обычно не превышает 1–5%).

VI. Итоговые схемы

Схема 1 (первый брак: сцепленное наследование + кроссинговер)

P: ♀ XᴬᵇXᵃᴮ (здоровая) × ♂ XᴬᴮY (здоровый)

G: Xᴬᵇ, Xᵃᴮ (некросс.) | Xᴬᴮ, Xᵃᵇ (кросс.) → Xᴬᴮ, Y

F₁: ♀ XᴬᴮXᴬᴮ ♀ XᴬᴮXᴬᵇ ♀ XᴬᴮXᵃᴮ ♀ XᴬᴮXᵃᵇ

♂ XᴬᴮY ♂ XᴬᵇY ♂ XᵃᴮY ♂ XᵃᵇY

Фенотипы F₁: 100% дочерей фенотипически здоровы (носительницы). Сыновья: 50% — здоровые, 25% — ихтиоз, 25% — атрофия, возможны кроссоверные с обоими заболеваниями.

Схема 2 (второй брак: строгий анализ по условию)

P: ♀ XᴬᴮXᴬᴮ (гомозиготная здоровая) × ♂ XᴬᴮY (здоровый)

G: Xᴬᴮ Xᴬᴮ, Y

F₁: ♀ XᴬᴮXᴬᴮ (здоровая) ♂ XᴬᴮY (здоровый)

Вывод: при указанных генотипах рождение ребёнка с ихтиозом невозможно. Появление больного фенотипа объясняется мутацией de novo.

Вопрос: возможно ли в первом браке рождение ребёнка с двумя заболеваниями?

Ответ: да.

Механизм: кроссинговер в оогенезе матери (XᴬᵇXᵃᴮ) → образование гаметы Xᵃᵇ → оплодотворение Y-сперматозоидом → генотип сына XᵃᵇY. Признаки проявятся вследствие гемизиготности мужского пола.

Псевдоаутосомные участки

На X-хромосоме и Y-хромосоме существуют псевдоаутосомные участки. Женщина с дальтонизмом и нормальной кистью выходит замуж за мужчину с нормальным зрением и аномалией кисти. Его мать была гомозиготна по аллелю нормальной кисти.

I. Условные обозначения и локализация генов

Примечание по локализации: гены, расположенные в псевдоаутосомных участках, присутствуют как на X-, так и на Y-хромосомах. Наследование таких признаков формально сходно с аутосомным, но допускает прямую передачу аллелей от отца к сыну через Y-хромосому.

II. Определение генотипов родительских особей

1. Мать:
   • Дальтонизм → рецессивный фенотип у женщины возможен только в гомозиготном состоянии: XᵈXᵈ.
   • Нормальная кисть → рецессивный фенотип: XᵇXᵇ.
   • Совмещённый генотип: XᵈᵇXᵈᵇ (оба рецессивных аллеля локализованы на X-хромосомах).
2. Отец:
   • Нормальное зрение → доминантный аллель на X-хромосоме: XᴰY_.
   • Аномалия кисти → доминантный признак. Его мать была гомозиготна по нормальной кисти (XᵇXᵇ), следовательно, отец унаследовал от неё X-хромосому с аллелем b. Проявление аномалии возможно только при наличии доминантного аллеля B на Y-хромосоме.
   • Совмещённый генотип: XᴰᵇYᴮ.
3. Потомство (прогноз):
   • Дочери получат Xᴰᵇ от отца и Xᵈᵇ от матери.
   • Сыновья получат Yᴮ от отца и Xᵈᵇ от матери.

III. Схема скрещивания

P: ♀ XᵈᵇXᵈᵇ (дальтонизм, нормальная кисть) × ♂ XᴰᵇYᴮ (нормальное зрение, аномалия кисти)

G: Xᵈᵇ Xᴰᵇ Yᴮ

F₁: ♀ XᴰᵇXᵈᵇ ♂ XᵈᵇYᴮ

Генотипы и фенотипы F₁:

• ♀ XᴰᵇXᵈᵇ → нормальное цветовое зрение (гетерозиготная носительница), нормальная кисть.
• ♂ XᵈᵇYᴮ → дальтонизм, аномалия кисти.

Соотношение потомства: 1♀ : 1♂. Фенотипическое расщепление полностью коррелирует с полом.

IV. Объяснение закономерностей наследования

1. Наследование дальтонизма (дифференциальный участок X-хромосомы).
   Признак рецессивный и сцеплен с полом. Мать гомозиготна по рецессивному аллелю (XᵈXᵈ) и передаёт его всем потомкам. Отец (XᴰY) передаёт доминантный аллель Xᴰ только дочерям, обеспечивая у них нормальный фенотип за счёт комплементации. Сыновья получают от отца Y-хромосому, не несущую гена зрения, поэтому проявляют рецессивный признак, унаследованный от матери. Данный механизм соответствует классическому наследованию крест-накрест рецессивного сцепленного с полом признака.
2. Наследование аномалии кисти (псевдоаутосомный регион).
   Ген расположен в гомологичном участке половых хромосом, поэтому функционирует по принципу, близкому к аутосомному, с ключевой особенностью: возможностью прямой передачи от отца к сыну. Мать гомозиготна по рецессивному аллелю (XᵇXᵇ). Отец унаследовал Xᵇ от матери, поэтому доминантный аллель B, обусловливающий аномалию, локализован на его Y-хромосоме (Yᴮ). При гаметогенезе отец формирует два типа гамет: Xᴰᵇ и Yᴮ. Аллель Yᴮ передаётся всем сыновьям, гарантируя проявление признака в мужском потомстве. Дочери получают от отца X-хромосому с аллелем b, поэтому фенотипически сохраняют нормальное строение кисти.
3. Взаимодействие локусов.
   Оба гена физически расположены на половых хромосомах. Однако в данном скрещивании мать гомозиготна по обоим рецессивным аллелям (XᵈᵇXᵈᵇ), что исключает влияние кроссинговера на фенотипическое соотношение. Наследование признаков протекает как анализирующее скрещивание по двум сцепленным локусам, дающее чёткое расщепление 1:1, полностью совпадающее с расщеплением по полу.

V. Итоговые схемы

Схема скрещивания (псевдоаутосомное + сцепленное с X наследование)

P: ♀ XᵈᵇXᵈᵇ (дальтонизм, нормальная кисть) × ♂ XᴰᵇYᴮ (нормальное зрение, аномалия кисти)

G: Xᵈᵇ Xᴰᵇ Yᴮ

F₁: ♀ XᴰᵇXᵈᵇ ♂ XᵈᵇYᴮ

Фенотипы F₁:

• ♀ нормальное зрение, нормальная кисть (XᴰᵇXᵈᵇ).
• ♂ дальтонизм, аномалия кисти (XᵈᵇYᴮ).

Соотношение: 1♀ : 1♂.

По зрению: ♀ 100% нормальное, ♂ 100% дальтонизм.

По кисти: ♀ 100% нормальное, ♂ 100% аномалия.

Полное сцепление фенотипов с полом обусловлено гомозиготностью матери и локализацией доминантного аллеля кисти на Y-хромосоме отца.

Анализ родословной и определение типа наследования признака

По изображённой на рисунке родословной установите характер наследования признака, выделенного чёрным цветом (доминантный или рецессивный, сцеплен или не сцеплен с полом). Результаты обоснуйте. Определите генотипы родителей 1, 2 и потомков 3, 4, 5, 6. Определите вероятность рождения у родителей 5, 6 следующего ребёнка с признаком, выделенным на рисунке родословной чёрным цветом.

I. Определение характера наследования

Признак является доминантным и аутосомным.

Обоснование:

1. Доминантный характер подтверждается тем, что родители 3 и 4 оба имеют признак, но у них рождается дочь без признака (белый круг). Если бы признак был рецессивным, два поражённых родителя могли бы иметь только поражённых детей. Признак проявляется в каждом поколении.
2. Аутосомное наследование (не сцеплено с полом), так как поражённый мужчина (2) имеет как поражённых, так и непоражённых дочерей. При X-сцепленном доминантном наследовании все дочери поражённого отца были бы поражёнными. Непоражённая женщина (1) имеет поражённых сыновей, что невозможно при X-сцепленном рецессивном наследовании. Признак встречается с одинаковой частотой у мужчин и женщин.

II. Определение генотипов

Обозначения:

• A — доминантный аллель (проявление признака);
• a — рецессивный аллель (норма).

III. Схема скрещивания родителей 5 и 6

P: ♀ aa (5) × ♂ Aa (6)

G: a A, a

F₁: Aa, aa

Возможные генотипы и фенотипы потомства:

• Aa (50%) — ребёнок с признаком;
• aa (50%) — ребёнок без признака.

IV. Вероятность рождения ребёнка с признаком

Ответ: 50% (или 1/2). Вероятность не зависит от пола ребёнка, так как признак аутосомный.

Итоговая таблица

ХАРАКТЕР НАСЛЕДОВАНИЯ: аутосомно-доминантный

ОБОСНОВАНИЕ:

1. Доминантный: поражённые родители (3, 4) имеют здорового ребёнка.
2. Аутосомный: поражённый отец (2) имеет здоровых дочерей.

ГЕНОТИПЫ:

1: aa

2: Aa

3: Aa

4: Aa

5: aa

6: Aa

Для самостоятельной тренировки реши экзаменационное задание. Внимательно прочитай условия и составь схемы наследования.

У человека аллели генов мышечной дистрофии и гипофосфатемического рахита находятся в одной хромосоме и наследуются сцепленно с полом. Женщина без заболеваний выходит замуж за здорового мужчину. Известно, что мать женщины имела рахит, а отец имел мышечную дистрофию. Родившаяся здоровая дочь (моногомозигота) выходит замуж за здорового мужчину. У них рождается ребёнок с рахитом. Возможно ли в первом браке рождение ребёнка с двумя заболеваниями сразу?

Сцепленное с полом наследование связано с расположением генов в X- и Y-хромосомах. Для успешной сдачи государственного экзамена важно уверенно оперировать понятиями гомогаметного и гетерогаметного пола, а также уметь составлять генетические схемы с учётом наследования признаков крест-накрест.

Необходимо помнить о возможности кроссинговера в псевдоаутосомных участках и регулярно проверять корректность определения гамет и фенотипов. Это поможет избежать потери баллов в развёрнутой части экзамена. Систематическая работа по алгоритмам позволит уверенно и без ошибок решать задачи по генетике человека.