Глава 8 Взаимодействие генов

8.1.Комплементарность

Например, чтобы человек имел нормальный слух, необходима согласованная деятельность не­скольких пар генов, каждый из которых может быть представлен доминантным и рецессивным аллелями. У человека слух нормален, если каж­дый из них имеет хотя бы по одному доминантно­му аллелю в диплоидном наборе хромосом. В слу­чае, если хотя бы один из них представлен гомози­готой рецессивной, человек будет глухим. Мы раз­берем это на простом примере, предположив., что нормальный слух формирует пара генов, и рас­смотрим явление комплементарности. В брак всту­пает пара глухих, у них рождаются дети, которые все слышат. Это может быть только в случае, если один родитель страдает глухотой по гену «в» (ААвв), а другой — по гену «а» (ааВВ).

Р ♀ ААвв х ♂ааВВ

глухая глухой

Гаметы: Ав; аВ;

F₁ АаВв;

слышащий

Все дети получат с гаметами Ав и аВ доминан­тные аллели, их генотипы будут одинаковы — АаВв, то есть каждая гамета будет иметь доминантный аллель по каждому гену, которые будут взаимо­действовать, дополняя друг друга и формировать новый, по отношению к родителям, признак — нор­мальный слух. Это и есть комплементарное взаи­модействие генов.

Допустим, что дети вступят в брак с себе по­добными, и оценим вероятность рождения слы­шащих и глухих детей в этом случае.

Р ♀АаВв х ♂АаВв

слышащая слышащий

♂ ♀	1/4 АВ	1/4 Ав	1/4 аВ	1/4 ав
1/4 АВ	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-В слышащий
1/4 Ав	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-вв-глухой	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-вв глухой
1/4 аВ	1/16 А-В- слышащий	1/16 А-В-слышащий	1/16 ааВ-глухой	1/16 ааВ-глухой
1/4 ав	1/16 А-В-слышащий	1/16 А-вз глухой	1/16 ааВ-глухой	1/16 аавв глухой

Таким образом, мы получили соотношение:

9 А-В- : 3 А-вв : 3 ааВ- : 1 аавв

слышащие глухие глухие глухой

или 9 слышащих : 7 глухих

Соотношение фенотипических классов при ком­плементарном взаимодействии может быть раз­ным, в зависимости от вида комплементарности и проявляемости отдельных генов: 9:3:3:1; 9:6:1; 9:7.

8.2. Эпистаз

Эпистаз — подавление действия одного гена действием другого гена. Различают эпистаз до­минантный (доминантный аллель эпистатирует, или подавляет проявление доминантного аллеля другого гена) и рецессивный (рецессивный аллель эпистатирует, ингибирует или подавляет прояв­ление доминантного аллеля другого гена). Ана­лиз при эпистатическом взаимодействии ведется так же на основе дигибридного скрещивания, как и в предыдущих случаях. Цифровые расщепления при эпистазе 12:3:1 (если каждый из двух генов имел самостоятельное проявление, при этом в пер­вом поколении признак особей повторяет фено­тип одного из родителей) и 13:3 (ген-ингибитор не имеет самостоятельного проявления, при этом фе­нотип родителей и первого поколения одинаков). Подавляющий ген называется геномсупрессором, или ингибитором, а подавляемый — гипостатическим. Этот тип взаимодействия наиболее характе­рен для генов, участвующих в регуляции работы генов в онтогенезе и работе иммунных систем че­ловека (см. раздел 13.5).

Известно немало примеров эпистатического взаимодействия локусов у человека, приводящих к тому, что тот или иной доминантный аллель у некоторых индивидуумов не получает фенотипи-ческого выражения. Подобным примером может служить полидактилия, которая наследуется, как правило, по доминантному типу. Иногда встре­чается у детей «совершенно здоровых» родителей. В этом случае предполагается, что действие дан­ного аллеля у родителей подавлялось другими ге­нами (см. раздел 11.4).

8.3. Полимерия

Полимерия — обусловленность определенно­го (обычно количественного) признака нескольки­ми эквивалентными (полимерными) генами. При таком взаимодействии индивидуальное проявле­ние каждого усиливается в результате взаимодей­ствия. Полимерия бывает двух видов'

некумулятивная — когда не важно количество доминаитных генов в генотипе, а важно его присутствие;

кумулятивная — когда число доминантных ал­лелей влияет на степень выраженности данного признака

У человека по типу кумулятивной полимерии наследуется пигментация кожи: чем больше доми­нантных аллелей, тем больше меланина образует­ся и тем интенсивнее окраска кожи. Разберем сле­дующий пример, в котором необходимо опреде­лить вероятность появления детей с разными фено­типами в браке мулатов (особи дигетерозиготны).

♂ ♀	1/4 АА,	1/4 Аа,	1/4 аА,	1/4 аа,
1/4 АА,	1/16 АААА негр	1/16 АААа светло­кожий негр	1/16 АААа светло­кожий негр	1/16 АаАа мулат
1/4 Аа,	1/16 АААа светло­кожий негр	1/16 ААаа мулат	1/16 АаАа мулат	1/16 Аааа светло­кожий мулат
1/4 аА	1/16 АаАА светло­кожий негр	1/16 АаАа мулат	1/16 ааАА мулат	1/16 ааАа светло­кожий мулат
1/4 аа 1	1/16 АаАа мулат	1/16 Аааа светло­кожий мулат	1/16 ааАа светло­кожий мулат	1/16 аааа белый

— негры (АААА) 1/16,

— светлокожие негры (АААа) 4/16,

— мулаты (ААаа) 6/16,

— светлокожие мулаты (Аааа) 4/16,

— белые (аааа) 1/16.

Обратите внимание, что при полимерии гены, как правило, обозначаются одинаковыми буква­ми, чтобы подчеркнуть однонаправленность их действия, т.к. при формировании признака не важ­но, какому гену принадлежат доминантные гены, а важно их количество.

Статистическое распределение вариантов цве­та кожи оказывается непрерывным, т.е. аналогич­ным распределению роста и других метрических признаков (рис. 8.1).

В случаях наследования двух полимерных ге­нов цифровые расщепления при скрещивании гиб­ридов будут иметь четкие зависимости, являющие­ся модификациями все того же расщепления для двух генов 9:3:3:1. При кумулятивной полимерии соотношение фенотипов будет 1:4:6:4:1, а'при неку­мулятивной полимерии — 15:1. В представлен­ном выше примере, если допустить, что нас интере­сует факт наличия пигментации у человека, а не ее интенсивности, получим соотношение, характер­ное для некумулятивной полимерии: 15 пигменти­рованных к 1 белому.

Если учесть, что спонтанные мутации происхо­дят крайне редко (вероятность спонтанной мутации одного аллеля составляет 1/1000000-1/1000000000), то вероятность рождения у белых людей даже свет­локожего мулата, а у негров — детей с более свет­лой кожей, крайне ничтожна.

Рис. 8.1. Распределение цвета кожи у негров и людей бе­лой расы. Цвет кожи оценивали по величине отражения света с длиной волны 685 нм. Кривые F₂ представляют собой теоретически ожидаемые на основе различных пред­положений о числе генов, определяющих различие в цвете кожи между неграми и белыми. Исследование потомства F₂ выявляет распределения, сходные с распределениями, по­лученными на основе предположения об участии трех или четырех пар генов [по W.F.Bodmer, L.L.Cavalli-Sforza (1976). Genetics, Evolution and Man, Freeman, San Francisco].

Меланин — пигмент, определяющий все мно-гобразие окрасок покровов, синтезируется в орга­низме из аминокислоты тирозина в несколько эта­пов (рис. 8.2). Формирование промежуточного про­дукта диоксифениланина (ДОФА) — медиатора симпатической нервной системы свидетельствует о возможном плейотропном влиянии генов, участву­ющем в синтезе меланина, на свойства нервной системы. Меланин, формируя окраску покровов, яв­ляется протектором от воздействия на организм УФ-лучей. Существуют два типа меланинов:

эумеланин — черный и темно-коричневый; феумеланин — желтый и рыжий.

Показано, что на их синтез оказывает влияние метаболизм в клетках: при усиленном митозе кле­ток в основании волоса образуется феумеланин, а при замедлении эумеланин. При образовании фёумеланина важным условием является повышенная концентрация сульфгидрильных соединений, Феу­меланин содержит меньше мономеров в молекуле. Описаны некоторые формы злокачественного пе­рерождения клеток кожного эпителия, сопровож­дающиеся накоплением меланина (меланомы).

Все цвета волос, за исключением рыжих, соста­вляют непрерывный ряд от темного до светлого, что соответствует уменьшению концентрации пиг­мента меланина, и наследуются полигенно. Есть основания утверждать, что различия в цвете во­лос обусловлены чисто количественными измене­ниями в содержании пигмента. Пигмент рыжих волос отличается по составу от меланина (феуме­ланин). Цвет волос часто меняется с возрастом, считают, что с наступлением половой зрелости пиг­ментация стабилизируется.

Цвет радужной оболочки глаза зависит, с од­ной стороны, от присутствия гранул пигмента ме­ланина, а с другой — от характера отражения све­та. Черный и коричневый цвета обусловлены на­личием многочисленных пигментных клеток в пе­реднем слое радужной оболочки. При светлых гла­зах содержание пигмента значительно меньше. Оп­тическим эффектом объясняется преобладание го­лубого цвета в свете, отраженном от депигменти-рованного переднего слоя радужной оболочки. Раз­личное содержание пигмента определяет весь диа­пазон цвета глаз.

Следует помнить, что при кажущемся наруше­нии закона Менделя о независимом наследовании признаков для двух генов, связанного с тем или иным видом взаимодействия генов, в основе «нео­жиданных» цифровых соотношений лежит класси­ческое расщепление 9:3:3:1. Кроме того, в каждом

конкретном случае необходимо понять, как проис­ходит объединение расщепляющихся классов в еди­ные фенотипы, только после этого можно интер­претировать результаты. Термин «взаимодействие генов» довольно условен, поскольку взаимодейству­ют не сами гены, а их продукты.

8.4. Гены-модификаторы

Генами-модификаторами называют такие ге­ны, которые регулируют активность других генов, усиливая или ослабляя их проявления. В таком случае получается, что в формировании призна­ков, кроме «основных» генов, принимают участие гены-модификаторы. Такой тип наследования встре­чается очень часто. Примером модифицирующего аллеля у человека может служить брахидактилия. Существуют различные формы проявления: резкое укорочение указательного пальца и незначитель­ное укорочение. Большинство больных с брахидак-тилией гетерозиготны (ВЬ). Анализируя родослов­ную, можно предположить наличие гомозиготного рецессивного аллеля n-модификатора, определя­ющего крайнее проявление гена, и доминантного аллеля N — определяющего слабое проявление. Исходя из этого, генетическая конституция у индивида с выраженной брахидактилией будет Bbnn, у индивидов со слабой брахидактилией BbNn либо BbNN, а нормальными могут быть индиви­ды, принадлежащие к трем различным генотипам: bbnn; bbNn; bbNN (Штерн, 1965). Гены-модифика­торы у людей выявляются очень сложно. Поэтому признание их наличия не помогает предсказать спе­цифический характер проявления признака в бу­дущих поколениях. И все же важно знать о тех

осложнениях, которые могут быть вызваны гена­ми-модификаторами.

Природа генов-модификаторов до сих пор не выяснена: то ли это истинные гены-модификато­ры, влияющие на действие основных генов, или это эффект плейотропии.

8.5. Плейотропия

Явления взаимодействия генов указывают на целостность генотипа при индивидуальном разви­тии особи, а признание принципа взаимодействия допускает, что все гены так или иначе взаимосвя­заны в своем действии. Исходя из этого, мы можем сказать, что и один ген может влиять на несколько признаков. Такое множественное действие гена называют плейотропией. При плейотропии гены взаимодействуют на уровне продуктов контроли­руемых ими реакций, т.е. каждый ген ответствен за определенный этап метаболизма. Нарушения метаболизма на каком-либо из этапов отразятся на последующих (т.е. на нескольких элементарных признаках). У человека синдром Марфана (впер­вые описан в 1896 г.) обуславливается аутосомно-доминантным аллелем с высокой пенетрантностью и различной экспрессивностью. Синдром Марфа­на связан с высоким ростом, значительным удли­нением костей пальцев ног и пальцев рук (паучьи пальцы — арахнодактилия), гиперподвижностью суставов, подвывихом хрусталика и аневризмом аорты. Соотношение полов равное, популяционная частота 0.04 на 1000 (Мак-Кьюсик). Такого рода аномалии скелета часто сопровождаются ненор­мальным расположением хрусталиков и порока­ми сердца. Разные симптомы, по Мак-Кьюсику,

Нет стр 136-137

9:3:3:1; 1:4:6:4:1; 12:3:1; 13:3; 9:7; 9:3:4.

• Какой тип взаимодействия генов имеет мес­то в данной задаче — полимерия, эпистаз, компле-ментарность?

• Какова вероятность рождения слышащих детей в этой семье?

1/16; 3/16; 9/16; 7/16; 13/16; 12/16; 1/4; 1/2.

• Какое возможно потомство у этого ребен­ка, если он вступит в брак со здоровой женщи­ной, в семье которой никогда не было зарегистри­ровано случаев глухоты?

Все дети будут здоровы; все дети больны; 25% здоровых детей; 50% здоровых детей; 12,5% здо­ровых детей.

8.7. Лабораторная работа. Создайте лицо

Наверное, вы не раз удивлялись, почему все люди так не похожи друг на друга, даже близкие родственники не выглядят точной копией друг друга. Это связано с большим разнообразием су­ществующих характерных черт в человеческой по­пуляции и новыми их сочетаниями, образующи­мися в процессе репродукции человека. Причины того, почему братья и сестры имеют различные генотипы, могут быть исследованы в результате проведения данной работы.

Возьмите монетку: орел — доминантный при­знак; решка — рецессивный. Подбрасывая монет­ку, определите, кто из родителей передал ребенку доминантный или рецессивный признак. Допус­тим, что ваш ребенок имеет гетерозиготу для дан­ной черты лица, представленной в этой лаборатор­ной работе. Заполните предлагаемую таблицу и

нарисуйте портрет ребенка, который у вас в этой работе получится. 1. Определите пол ребенка. Ге­нотип девочки XX (решка), генотип мальчика XY (орел). 2. Дайте имя ребенку. 3. Определите черты лица. 4. Нарисуйте портрет вашего ребенка и пусть ваш ребенок выглядит так, как если бы он (она) достиг(ла) совершеннолетия.

5. Цвет кожи — наследуется полимерными ге­нами А, В, С, которые обладают аддитивным эф­фектом. За каждого родителя подбрасываем моне­ту 3 раза для определения генотипа каждого из генов. Например, первая пара может иметь следу­ющие генотипы: АА; Аа; аа — соответственно Та­кие же пары образуются для генов В и С.

Чем больше доминантных генов присутствует в геноме, тем более активно проявляется пигмента­ция кожи:

6 доминантных генов — очень черная кожа

5 доминантных генов — очень коричневая кожа 4 доминантных гена — темно-коричневая кожа 3 доминантных гена — коричневая кожа 2 доминантных гена — светло-коричневая кожа 1 доминантный ген — смуглая О доминантных генов — белая 6. Цвет волос — подобно цвету кожи наследует­ся полимерными генами. Принимая во внимание, что в образовании цвета волос участвуют 4 гена — А, В, С, D, подбрасываем монету 4 раза за каждо­го родителя.

8 доминантных генов — черные волосы

7 доминантных генов — очень коричневые во­лосы

6 доминантных генов — темно-каштановые

5 доминантных генов — каштановые

4 доминантных гена — светло-русые

3 доминантных гена — рыжеватая блондинка

2 доминантных гена — блондинка

1 доминантный ген — очень светлая блондинка

О доминантных генов — белые (альбинос)

7. Рыжие волосы определяются единственным геном, представленным двумя аллелями Red (R) и red (г), и проявляются только в сочетании с доми­нантным геном,

RR — ярко-рыжие; Rr — светло-рыжие; гт —отсутствие рыжих волос.

Рыжие волосы проявляются только если у вашего ребенка меньше 6 доминантных генов.

Нет стр.142-143

Примечание: В данной задаче предложена упрощенная модель наследования некоторых черт лица. В действительности, в жизни все намного сложнее, так как большинство компонентов реа­лизуется многими составными и определяется пу­тем совместной работы нескольких генов.

Задание.

1. Как много в процентах каждый из родите­лей привнес генетически ребенку в

а. генотип?

б. фенотип?

в. доминантных признаков?

г. рецессивных признаков?

2. Внимательно просмотрите полученные дан­ные и создайте портрет вашего ребенка в юно­шеском возрасте.