Наследяване при човека — урок по биология

1. Как изучаваме наследствеността при човека

Мендел кръстосва грах както си иска и брои хиляди потомци (виж Законите на Мендел). При човека това е невъзможно: не можем да избираме кой с кого да има деца, семействата са малки, а едно поколение е около 25–30 години. Затова генетиците използват други методи:

родословен (генеалогичен) метод – проследява белега в няколко поколения на едно семейство;
близначен метод – сравнява еднояйчни и двуяйчни близнаци;
цитогенетичен метод – изследва под (кариотип);
популационен метод – колко често се среща в цяла ;
молекулярни методи – търсене на мутацията направо в ДНК (виж Генни технологии).

О

Еднояйчни и двуяйчни близнаци

Еднояйчните (монозиготни) близнаци се развиват от една зигота, която се разделя на два зародиша – гените им са еднакви. Двуяйчните (дизиготни) са от две яйцеклетки, оплодени от два сперматозоида – приличат си генетично колкото обикновени братя и сестри (средно половината от вариантите им са общи).

Ако един белег е силно наследствен, еднояйчните близнаци си приличат по него много повече от двуяйчните. Мярка за приликата е конкордантността – в каква част от двойките и двамата имат белега – или корелацията между стойностите му.

Т

Наследственост по Фалконър

H^2 \approx 2\,(r_{\text{ЕБ}} - r_{\text{ДБ}})

, където

r_{\text{ЕБ}}

и

r_{\text{ДБ}}

са корелациите на белега при еднояйчни и двуяйчни близнаци.

H^2

показва каква част от разликите между хората в дадена популация и среда се дължи на разлики в гените.

2. Родословие

Родословието е схема на семейството: мъжете са квадратчета, жените – кръгчета, хората с белега са оцветени. Хоризонтална линия свързва родителите, а от нея слиза линия към децата им. Поколенията се номерират с римски цифри, а хората в едно поколение – отляво надясно (II-3 е третият човек във второто поколение). Човекът, от когото започва изследването, се нарича пробанд.

О

Как се анализира родословие

1) Ако двама здрави родители имат дете с белега, той е рецесивен. Ако двама родители с белега имат здраво дете, той е доминантен. 2) Ако рецесивен белег е при жена, чийто баща е здрав, или болна майка има здрав син, белегът не е X-свързан рецесивен. Ако болен баща има здрава дъщеря или болен син има здрава майка, белегът не е X-свързан доминантен. 3) Ако никой от изброените признаци не изключва даден начин, проверяваме колко души отвън трябва случайно да са носители – при рядка болест по-вероятен е начинът, който изисква по-малко такива случайности.

Изпробвай правилата в лабораторията. Избери начин на унаследяване и програмата ще провери дали някое семейство в родословието му противоречи.

Как се унаследява белегът? Избери предположение:

💡 Програмата пробва всички възможни генотипове на всички хора. Приема, че белегът се проявява винаги, когато генотипът го позволява, и че няма нови мутации. „Носители“ – колко здрави хора от първото поколение или от онези, които влизат в семейството отвън, трябва случайно да носят рядкия алел. Колкото повече са, толкова по-малко вероятен е този начин.

3. Автозомно унаследяване

Човекът има 23 двойки хромозоми: 22 двойки автозоми – еднакви при мъжете и жените – и една двойка полови хромозоми. в автозомите се унаследяват по законите на Мендел, еднакво при двата пола.

начин	как изглежда в родословие	примери
автозомно доминантно	във всяко поколение; болният има болен родител; мъже и жени еднакво; и от баща на син	болест на Хънтингтън, ахондроплазия
автозомно рецесивно	прескача поколения; здрави родители (носители) имат болно дете; по-често при бракове между роднини	муковисцидоза, фенилкетонурия, сърповидноклетъчна анемия
X-свързано рецесивно	болни са главно мъже; предава се през здрави майки-носителки; никога от баща на син	хемофилия, червено-зелен далтонизъм, мускулна дистрофия на Дюшен
X-свързано доминантно	болният баща има само болни дъщери и здрави синове; жените са по-често болни	хипофосфатемичен рахит (рядко)
Y-свързано	само мъже; от баща на всички синове	някои гени за развитие на сперматозоидите

Болестта на Хънтингтън е автозомно доминантна: един алел е достатъчен. Симптомите – неволеви движения и загуба на паметта – обикновено започват между 30 и 50 години, често след като болният вече има деца. Всяко дете на болен родител има шанс $\frac{1}{2}$ да наследи болестта.

Муковисцидозата (кистозна фиброза) е автозомно рецесивна – най-честата тежка наследствена болест при хората от европейски произход. Повреденият не пренася хлоридни през мембраната и слузта в белите дробове става гъста. Болни са само $aa$ , а носителите $Aa$ са напълно здрави и обикновено не знаят за алела си.

Пример

Двама здрави родители имат дете с муковисцидоза. Каква е вероятността следващото им дете да е болно? А да е здрав носител?

Щом детето е болно ( $aa$ ), всеки родител му е дал по един алел $a$ – и двамата са $Aa$ .
$Aa \times Aa$ : $\frac{1}{4}\,AA$ , $\frac{1}{2}\,Aa$ , $\frac{1}{4}\,aa$ .
Болно: $\frac{1}{4}$ , всяко дете поотделно – предишните деца не променят шанса. Носител: $\frac{1}{2}$ .

Генът и средата действат заедно. При фенилкетонурия (автозомно рецесивна) липсва , който преработва фенилаланин. Тя се натрупва и уврежда мозъка. Но ако болестта се открие веднага след раждането и детето спазва диета с малко фенилаланин, то се развива нормално. Затова в България, както в повечето европейски страни, всички новородени се изследват за фенилкетонурия с капка кръв от петичката.

4. Полови хромозоми и унаследяване, свързано с пола

Жените имат две X-хромозоми (XX), а мъжете – една X и една Y (XY). винаги носят X, а – X или Y по равно. Затова полът на детето се определя от бащата и вероятността за момче или момиче е около $\frac{1}{2}$ . На Y-хромозомата е генът SRY: около седмата седмица той включва развитието на тестиси, а те с си насочват целия зародиш към мъжки пол. Без SRY зародишът се развива като женски.

О

Унаследяване, свързано с пола

Унаследяване на гени, разположени в половите хромозоми. X-хромозомата носи над 800 гена, повечето без връзка с пола (съсирване на кръвта, цветно зрение, мускули); Y-хромозомата – малко гени. Мъжът има само една X, затова всеки алел в нея се проявява (хемизиготен е). Синът получава X от майка си, а дъщерята – по една X от двамата родители.

При X-свързаните белези алелите се пишат като горен индекс: $X^H$ – нормално съсирване, $X^h$ – хемофилия. Жената $X^HX^h$ е здрава носителка, а мъжът $X^hY$ е болен – при него няма втора X, която да „покрие“ . Затова X-свързаните рецесивни болести – хемофилия (около 1 на 5000 момчета), червено-зелен далтонизъм (около 8% от мъжете в Европа), мускулната дистрофия на Дюшен – са много по-чести при мъжете.

Пример

Кралица Виктория е носителка ( $X^HX^h$ ), а съпругът ѝ Алберт е здрав ( $X^HY$ ). Каква част от синовете им се очаква да са болни, а от дъщерите – носителки?

Яйцеклетки: $X^H$ и $X^h$ по $\frac{1}{2}$ . Сперматозоиди: $X^H$ и $Y$ по $\frac{1}{2}$ .
Синове ( $Y$ от бащата): $X^HY$ или $X^hY$ – болни са $\frac{1}{2}$ .
Дъщери ( $X^H$ от бащата): $X^HX^H$ или $X^HX^h$ – носителки са $\frac{1}{2}$ , болни няма.
От четирите сина на Виктория болен е един (Леополд), а поне две от петте ѝ дъщери са носителки – напълно в рамките на случайността.

Защо жените с две X нямат „двойна доза“ от гените ѝ? В ранния зародиш във всяка женска клетка едната X се изключва случайно и се свива в плътно телце на Бар. Изборът се запазва при всички клетки потомци. Затова тялото на жената носителка е мозайка: в едни клетки работи $X^H$ , в други – $X^h$ . Най-нагледно е при трицветните котки: алелите за рижа и черна козина са в X-хромозомата, а петната показват кои клетки са изключили коя X.

5. Кръвни групи

През 1900 г. Карл Ландщайнер смесва кръвта на сътрудниците си и забелязва, че в някои се слепват. Така открива кръвните групи A, B и 0 (малко по-късно – и AB) и прави възможно безопасното кръвопреливане. Групата се определя от захарите () по повърхността на еритроцитите, а те – от един ген с три алела.

О

Кръвни групи AB0

Алелите

I^A

и

I^B

дават антиген A и антиген B и са кодоминантни – при

I^AI^B

се проявяват и двата (група AB). Алелът

i

не дава антиген и е рецесивен. Група A:

I^AI^A

или

I^Ai

; група B:

I^BI^B

или

I^Bi

; група AB:

I^AI^B

; група 0:

ii

.

Това е пример за множествени алели – в популацията има повече от два алела на един ген, макар всеки човек да носи най-много два от тях. Отделно от групата AB0 е резус-факторът: алелът $D$ (Rh⁺) е доминантен над $d$ (Rh⁻). Около 15% от европейците са Rh⁻.

Майка: A Rh⁻

Баща: B Rh⁺

♀ \ ♂	I^B	i
I^A	I^AI^B AB	I^Ai A
i	I^Bi B	ii 0

A

1/4

B

1/4

AB

1/4

0

1/4

Rh⁺

1/2

Деца: AB Rh⁺ – 1/8 · AB Rh⁻ – 1/8 · A Rh⁺ – 1/8 · A Rh⁻ – 1/8 · B Rh⁺ – 1/8 · B Rh⁻ – 1/8 · 0 Rh⁺ – 1/8 · 0 Rh⁻ – 1/8

Майката е Rh⁻, а детето може да е Rh⁺ (вероятност 1/2). При раждането кръв на детето може да попадне при майката и тя да започне да прави антитела срещу Rh⁺ – опасни за следващо Rh⁺ дете. Затова на майката се дават анти-D антитела.

💡 I^A и I^B са кодоминантни, i е рецесивен. Резус-факторът се определя от отделен ген: D (Rh⁺) е доминантен над d (Rh⁻). Двата гена се унаследяват независимо, затова вероятностите се умножават.

Ако Rh⁻ майка носи Rh⁺ дете, при раждането малко кръв на детето може да попадне в нейната. Имунната ѝ система започва да прави срещу Rh⁺ еритроцитите. Първото дете обикновено не страда, но при следваща бременност с Rh⁺ дете антителата минават през и разрушават червените му кръвни клетки – хемолитична болест на новороденото. Днес тя се предотвратява: след раждането на майката се дават готови анти-D антитела, които унищожават попадналите Rh⁺ клетки, преди тялото ѝ да се „научи“ да прави свои.

6. Кариотип и хромозомни болести

О

Кариотип

Наборът хромозоми на клетката – брой, големина и форма. Записва се като брой хромозоми, полови хромозоми и отклонения:

46{,}\text{XX}

– нормална жена,

46{,}\text{XY}

– нормален мъж,

47{,}\text{XY}{,}+21

– мъж с три хромозоми 21. За изследване се взимат делящи се клетки (например бели кръвни клетки), спрени в метафаза, когато хромозомите са най-къси и ясни.

Повечето хромозомни аномалии се дължат на при : двете хромозоми от двойката (или двете ) отиват в една (виж Клетъчно делене). Тогава получава 47 или 45 хромозоми. Повечето такива зародиши загиват рано – оцеляват главно тези с отклонения при малките хромозоми 13, 18 и 21 или при половите хромозоми.

кариотип46,XXхромозоми46полженскителца на Бар1

Нормален женски кариотип. 22 двойки автозоми и две X-хромозоми.

💡 Схема: хромозомите са подредени по големина, а дължините им са пропорционални на броя базови двойки. В истинския кариотип се виждат и ивици след оцветяване, по които се разпознават двойките. Телцата на Бар са неактивните X-хромозоми: във всяка клетка остава активна само една.

Синдромът на Даун (описан от Джон Даун през 1866 г., причината – тризомия 21 – е открита от Жером Льожон през 1959 г.) е най-честата хромозомна аномалия при живородените. Хората със синдрома имат характерни черти на лицето, различна степен на умствено изоставане и по-често сърдечни дефекти. Рискът расте с възрастта на майката: около 1 на 1200 при 25 години, около 1 на 350 при 35 години и около 1 на 100 при 40 години (оценките в различните изследвания малко се различават). Причината вероятно е, че яйцеклетките остават спрени в мейоза I от раждането на жената до – десетки години.

Отклоненията при половите хромозоми са по-леки. Синдромът на Търнър ( $45{,}\text{X}$ ) – жена, обикновено ниска и безплодна. Синдромът на Клайнфелтер ( $47{,}\text{XXY}$ ) – мъж, често висок и безплоден. Двата синдрома показват, че полът се определя от Y-хромозомата, а не от броя на X: $\text{XXY}$ е мъж, $\text{X}$ – жена.

7. Полигенни белези и среда

Ръстът, цветът на кожата, не попадат в няколко ясни класа – те се изменят непрекъснато. Такива белези зависят от много гени, всеки с малък принос, и от средата: храненето влияе на ръста, слънцето – на цвета на кожата.

О

Полигенно унаследяване

Белегът се определя от много гени с адитивен (сумиращ се) ефект. При

n

гена с по два алела броят на „активните“ алели е от

0

до

2n

– възможни са

2n + 1

фенотипа. При много гени и влияние на средата разпределението става камбанообразно.

Пример

Нека цветът на кожата зависи от 3 гена с адитивни алели и двамата родители са $AaBbCc$ . Каква част от децата имат точно 3 тъмни алела? А всичките 6?

Всяко дете получава 6 алела, всеки е тъмен с вероятност $\frac{1}{2}$ – $2^6 = 64$ равновероятни комбинации.
Точно 3 тъмни: $\binom{6}{3} = 20$ комбинации – $\frac{20}{64} = \frac{5}{16}$ .
Всичките 6: една комбинация – $\frac{1}{64}$ . Средните цветове са най-чести, крайните – редки.

Внимание: висока наследственост не значи, че средата е без значение. Средният ръст в много европейски страни е нараснал с над 10 cm за около век – гените не са се променили толкова бързо, а храненето и здравеопазването – да.

8. Генетична консултация

Семейство с наследствена болест може да потърси генетична консултация. Лекарят генетик изяснява родословието, пресмята риска за бъдещите деца и обяснява какви изследвания са възможни – откриване на носителство, пренатална диагностика. Решението какво да правят остава на семейството. Ето пример за пресмятане, при което помага информацията, която вече имаме.

Пример

Здрав мъж има сестра с муковисцидоза, родителите им са здрави. Каква е вероятността той да е носител? Каква е вероятността детето му от жена без болни роднини (вероятност за носителство 1/25) да е болно?

Родителите са $Aa \times Aa$ . Възможните деца: $AA$ , $Aa$ , $aA$ , $aa$ .
Знаем, че мъжът е здрав – $aa$ отпада. От трите равновероятни случая в два е носител: $\frac{2}{3}$ (а не $\frac{1}{2}$ !).
Детето е болно, ако и двамата родители са носители и детето получи $a$ от всеки: $\frac{2}{3} \cdot \frac{1}{25} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{150}$ .

Такива пресмятания с „условна“ информация се правят по формулата на Бейс: допускането се претегля според това колко добре обяснява наблюдаваното. Например ако жена, чиято майка е носителка на хемофилия, вече има няколко здрави сина, шансът тя да е носителка намалява – виж задача 7.

9. Тренажор

Вероятности при автозомно и X-свързано унаследяване, кръвни групи, полигенни белези и кариотипи. Можеш да пишеш дроби, например 3/4.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

X^HX^h,\ 3\ \text{сина}

Носителка на X-свързана рецесивна болест има 3 сина. Каква е вероятността нито един да не е болен?

10. Генетиката в числа

0 / 5

🫁 Муковисцидоза

Приблизително 1 от 25 души от европейски произход е здрав носител на муковисцидоза. Каква е вероятността двама случайни души да са носители? А детето им да е болно? Отговорете във вида „1 от N“.

🎨 Далтонизъм при жените

Около 8% от мъжете в Европа имат червено-зелен далтонизъм (X-свързан рецесивен). Каква част от жените (в %) очакваме да са далтонистки, ако алелите се комбинират случайно?

🩸 Резус и бременност

Майката е Rh⁻ ( $dd$ ), бащата е Rh⁺ и хетерозиготен ( $Dd$ ). Каква е вероятността (в %) първото им дете да е Rh⁺? А и двете от първите две деца да са Rh⁺?

👯 Близнаци и ръст

В изследване на близнаци корелацията на ръста е 0,86 при еднояйчните и 0,47 при двуяйчните. Оценете наследствеността по формулата на Фалконър.

👑 Синовете на носителката

Жена е носителка на хемофилия, а мъжът ѝ е здрав. Те имат два сина. Каква е вероятността (в %) нито един от тях да не е болен?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

„Вече имаме болно дете“

✗ Имаме едно болно дете, значи следващите три ще са здрави (1 от 4).

✓ Всяко дете е независимо: вероятността е $\displaystyle \frac{1}{4}$ за всяко, колкото и болни или здрави деца да има вече.

Доминантно = често

✗ Доминантните алели са най-чести в популацията.

✓ Доминантността казва само кой алел се проявява при хетерозиготата. Алелът за болестта на Хънтингтън е доминантен, но рядък.

Хемофилията от бащата

✗ Болен баща може да предаде хемофилия на сина си.

✓ Синът получава от бащата Y, а не X. Болният баща предава алела на всички дъщери (носителки).

Здравият брат

✗ Здрав брат на болен от рецесивна болест е носител с вероятност $\displaystyle \frac{1}{2}$ .

✓ Знаем, че не е $\displaystyle aa$ – остават три случая, в два от които е носител: $\displaystyle \frac{2}{3}$ .

Кръвната група и бащинството

✗ Детето има групата на баща си, значи той е бащата.

✓ Кръвните групи могат само да изключат даден мъж. За доказване се използва ДНК профил.

Наследственост

✗ Наследственост 80% значи, че 80% от ръста ми е от гените.

✓ Наследствеността описва разликите между хората в една популация и среда, а не отделния човек.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое от изброените е признак на автозомно рецесивно унаследяване в родословие?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ При човека няма опитни кръстосвания – използват се родословия, близнаци, кариотип и ДНК
✓ Рецесивен: здрави родители имат болно дете; доминантен: болни родители имат здраво дете
✓ X-свързано рецесивно: болни са главно мъже, предава се през носителки, никога от баща на син
✓ Полът се определя от бащата; генът SRY в Y насочва развитието към мъжки пол; в женските клетки едната X е неактивна (телце на Бар)
✓ Кръвни групи AB0: три алела, $I^A$ и $I^B$ са , $i$ е рецесивен; Rh⁻ майка и Rh⁺ дете – риск от хемолитична болест
✓ Кариотип: $47{,}\text{XY}{,}+21$ – Даун, $45{,}\text{X}$ – Търнър, $47{,}\text{XXY}$ – Клайнфелтер; причината е неразделяне
✓ Полигенни белези: $2n + 1$ класа, непрекъснато изменение, силно влияние на средата
✓ Здрав брат или сестра на болен от рецесивна болест е носител с вероятност $\frac{2}{3}$

💡 Интересен факт

Повече от 30 години в учебниците пише, че човекът има 48 хромозоми – толкова преброява американецът Теофилус Пейнтър през 1923 г. в срези от тестиси. Хромозомите в тези препарати са сплетени на кълбо и се броят трудно. През 1956 г. Джо Хин Тжио и Алберт Леван в Швеция обработват клетките с разреден , от който те набъбват и хромозомите се разпръскват. Преброяват ясно 46. Шимпанзетата, горилите и орангутаните наистина имат 48 – нашата хромозома 2 се е образувала от сливането на две хромозоми на общия ни прародител.