Глава 5. Взаимодействие генов

Выделяют 2 основных типа взаимодействия генов: внутриаллельное и межаллельное.

Внутриаллельное взаимодействие генов – взаимное влияние аллельных генов друг на друга.

Виды внутриаллельного взаимодействия:

признак	ген	Р. Аа O----ˆАа G. (А) (а) (А) (а) F. АА; Аа; Аа; аа. т т т с 3 : 1 по фенотипу, 1 : 2 : 1 по генотипу	1. Полное доминирование– доминантный ген полностью подавляет действие рецессивного, поэтому гомозиготное и гетерозиготное состояния фенотипически идентичны: АА =Aa. Так наследуется цвет волос и глаз у человека, форма и цвет семян гороха и т.д.;
Темный цвет волос	А
Светлый цвет волос	а

2. Неполное доминирование– доминантный ген не полностью подавляет действие рецессивного и в гетерозиготном состоянии фенотипически возникает новый вариант признака, занимающий промежуточное положение между доминантным и рецессивным: АА > Аа. В потомстве доминантные гомо- и гетерозиготы будут отличаться фенотипически и расщепление по фенотипу и генотипу одинаково (1:2:1) - 1 часть растений с красными цветами, 2 части - с розовыми и 1 часть - с белыми.

признак	ген	Р: Аа х Аа G: (А) (а) (А) (а) F1: АА; Аа; Аа; аа. К Р Р Б
Красный цвет	А
Белый цвет	а
Розовый цвет	А, а	1:2:1 по фенотипу, 1:2:1 по генотипу.

Так наследуется курчавость волос человека, масть крупного рогатого скота, окраска оперения у кур и т.д.

3. Сверхдоминирование- в гетерозиготном состоянии доминантный ген проявляется сильнее, чем в гомозиготном: Аа > АА. Пример: АА – нормальная жизнеспособность мух дрозофил, Аа - повышенная жизнеспособность, аа – летальное действие.

Задача 1.Редкий ген а у человека вызывает анофтальмию (отсутствие глазных яблок), его аллель А обусловливает нормальное развитие глаз, у гетерозигот глазные яблоки уменьшены. Определите расщепление по фенотипу и генотипу у потомков, если их родители имеют уменьшенные глазные яблоки.

Задача 2.Серповидноклеточная анемия и талассемия (снижение синтеза полипептидных цепей, входящих в структуру нормального гемоглобина) наследуются как два признака с неполным доминированием; гены не сцеплены между собой и находятся в аутосомах. У гетерозигот по серповидноклеточной анемии, так же как и у гетерозигот по талассемии, заболевание не имеет выраженной клинической картины. Но во всех случаях носители гена талассемии или серповидноклеточной анемии устойчивы к малярии. У двойных гетерозигот (дигибриды по обеим парам анализируемых признаков) развивается микродрепаноцитарная анемия. Гомозиготы по серповидноклеточной анемии и талассемии в подавляющем большинстве случаев умирают в детстве. Определите вероятность рождения совершенно здоровых детей в семье, где один из родителей гетерозиготен по серповидноклеточной анемии, но нормален по талассемии, а второй - гетерозиготен по талассемии, но нормален в отношении серповидноклеточной анемии.

Задача 3.Одна из форм цистинурии (нарушение обмена четырёх аминокислот) наследуется как аутосомный рецессивный признак. У гетерозигот наблюдается повышенное содержание цистина в моче, у гомозигот - образование цистиновых камней в почках.

1. Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один супруг страдал этим заболеванием, а другой имел лишь повышенное содержание цистина в моче.

2. Определите возможные формы проявления цистинурии у детей в семье, где один из супругов имел камни в почках, а другой был нормален в отношении анализируемого признака.

4. Кодоминирование- 2 аллельных гена равнозначны по отношению друг к другу, и, находясь вместе, они обуславливают новый вариант признака. Пример: наследование у человека IV группы крови по системеАВ0.Группы крови по системе антигеновАВ0- обусловлены 3-мя аллелями одного гена:I⁰, I^A, I^B. (множественный аллелизм). АллельI^о не детерминирует синтез антигенов в эритроцитах. АллелиI^A и I^B доминантны по отношению к аллелюI⁰ и детерминируют синтез в эритроцитах антигенов А и В соответственно. Присутствие в генотипе аллелейI^A и I^B обусловливает наличие антигенов А и В (IV группа крови).

Группа крови	Генотип
Iгруппа0 (I)	I0I0 или (ii)
IIгруппаА (II)	IAIA,илиIAI0,
IIIгруппа В (III)	IBIB,или IBI0,
IVгруппа АВ (IV)	IAIB

Группы крови системы MN. Система MN закодирована в двух генах, что дает три возможных генотипа (MM, MN и NN), которые соответствуют группам крови М, MN и N. Пара аллелей может быть раскрыта в системе MN, потому что здесь имеется два гена. В случае, когда ребенок от родителей получает М и М или N и N, то он будет иметь систему ММ или NN. Но если ребенок получил М и N, то он будет иметь систему MN, где проявляется также кодоминантность. В этом случае он может передать потомству М или N с равной вероятностью. Согласно генотипическим показателям, выделяется 3 гр. людей: MM, MN, NN. Частота гетерозигот обусловливается частотой гомозигот ММ и NN. Исследованиями в популяции установлено, что генные системы АВО и MN наследуются независимо и, по-видимому, расположены в разных хромосомах.

Дополнительная информация о группах крови. Прочие антигены групп крови (Kell, Duffy, Kidd, Lewis и Lutheran) названы по именам тех людей, у которых они были впервые обнаружены и описаны. Первые три из них могут вызывать осложнения и гемолитическую болезнь при переливании крови; для двух последних таких осложнений не описано. Известны еще некоторые редкие системы групп крови, важные с генетической точки зрения. Среди них можно назвать Diego - систему, практически не встречающуюся у жителей Европы и Западной Африки, но изредка выявляемую у лиц монголоидной расы, за исключением эскимосов. Относительно недавно обнаружена система Xg, представляющая особый интерес, потому что кодирующий ее ген расположен в Х-хромосоме. Это первая из известных систем групп крови, сцепленная с полом.

Задача 4.Так называемый «бомбейский феномен» состоит в том, что в семье, где отец имел I группу крови, а мать III, родилась девочка с I группой крови, несмотря на то, что у нее в генотипе обнаружен ген I^B. Она вышла замуж за мужчину, гетерозиготного по II группе крови и у них родилось две девочки: первая с IV, а вторая с I группой крови. Такое явление было объяснено наличием редкого рецессивного эпистатического генаf, подавляющего проявление генов I^Aи I^B. Принимая эту гипотезу, установите вероятные генотипы всех членов этой семьи.

Решение

Признак	Ген	Генотип
I (0) группа крови	I0, F	I0I0F-, I0I0ff
I (0) группа крови	IB, f	IBIBff, IBI0ff
I (0) группа крови	IA, f	IAIAff, IAI0ff
I (0) группа крови	IA, IB, f	IAIBff
II (A) группа крови	IA, F	IAIAF-, IAI0F
III(B) группа крови	IB, F	IBIBF-, IBI0F
IV (AB) группа крови	IA, IB, F	IAIBF-

Генетическая запись брака родителей девочки:

P. I^BI- F- O----ˆ I⁰I⁰F-

F1: I^BI⁰ff – девочка

Так как в генотипе девочки обнаружен ген I^B, а она имеет I группу крови, то у нее есть два рецессивных гена f (ff). Значит в генотипах ее родителей будут эти гены: генотип отца I⁰I⁰Ff, генотип матери I^BI-Ff. Генотип девочки I^BI⁰ff, так как ген I⁰она получила от своего отца.

Далее записываем генетическую схему брака этой девушки:

P2. I^BI⁰ff O----ˆ I^AI⁰F-

F2: I^AI^BF-, I⁰I⁰Ff.

Так как в данном браке в генотипе матери есть два гена ff, то и в генотип детей должны быть эти гены, то есть их генотипы: I^AI^BFfиI⁰I⁰Ff.Установить генотип отца, гетерозиготный он или гомозиготный по гену F, невозможно.

Задача 5. Перед судебно-медицинской экспертизой поставлена задача: выяснить, является ли мальчик, имеющийся в семье супругов, родным или приемным сыном. Исследование крови всех трех членов семьи дало следующие результаты. Женщина имеет резус- положительную кровь IV группы с антигеном М. Ее супруг имеет резус-отрицательную кровь I группы с антигеном N. Кровь ребенка резус-положительная I группы с антигеном М. Какое заключение должен дать эксперт и на чем оно основывается?

Задача 6. У двух мальчиков группа крови I(0) N и II(А) М, у двух женщин - IV(АВ) М и II(А) МN. Определите, кто чей сын?

Задача 7. У мальчика группа крови MN, у его матери - М. Какая группа крови невозможна у отца?

Межаллельное взаимодействие генов– взаимное влияние неаллельных генов.

Исходя из законов Г.Менделя, можно прийти к заключению, что существует довольно прочная связь между геном и признаком, что генотип слагается из суммы независимо действующих генов, а фенотип – механическая совокупность отдельных признаков. Однако прямые и однозначные связи гена с признаком скорее исключение, чем правило. Развитие признака организма обычно находится под контролем многих генов, и признак является результатом взаимодействия неаллельных генов.

Неалаелльные гены– гены, которые находятся в разных парах гомологичных хромосом и определяют один и тот же признак.

Различают три типа взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерия.

Комплементарность или дополнительность(лат.complementum— дополнение) — это явление, при котором ген одной аллельной пары способствует проявлению действия генов другой аллельной пары (илияв­ление, при котором два неаллельных гена, находясь одновременно в генотипе, приводят к формированию нового фенотипического признака).

Рассмотрим различные варианты комплементарного взаимодействия генов.

•Для проявления признака в генотипе должны присутствовать доминантные аллели двух разных генов. Примером такого комплементарного взаимодействия генов является наследование формы плода у тыквы. При наличии обоих доминантных аллелей плоды имеют дисковидную форму, при наличии одного (любого!) доминантного аллеля – сферическую, а при отсутствии доминантных аллелей – удлиненную.

Таким образом, 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.

Эпистаз, или подавление(греч.epistasis— остановка, препятствие) – один ген подавляет действие другого неаллельного ему гена. Если геном-подавителем будет доминантный ген, то это доминантный эпистаз, а если геном-подавителем является рецес­сивный ген, -рецессивный эпистаз.

Взаимодействие генов, при котором один ген подавляет действие другого, неаллельного первому, называется эпистазом (от греч. эпи – над и стазис – стоять), а гены, подавляющие действие других генов, называются генами-супрессорами, или генами-ингибиторами (от лат. inhiber – удерживать), или эпистатическими генами. Подавляемый ген называется гипостатическим.

Различают эпистаз доминантный и рецессивный.

•Доминантный эпистаз связан с доминантным геном-ингибитором. Например, ген I обусловливает белый цвет плодов тыквы, при его наличии действие гена В не проявляется. При генотипе iiВВ или iiВb плоды тыквы имеют желтый цвет. Наконец, если оба гена представлены рецессивными аллелями, плоды тыквы имеют зеленый цвет. По этому же типу может наследоваться окраска шерсти собак, овец и других животных.

•Рецессивный эпистаз обнаруживается тогда, когда проявление гена подавляется рецессивными аллелями другого гена. Этот вид эпистаза иллюстрируется наследованием окраски шерсти у домовых мышей. Окраска агути (рыжевато-серая) определяется доминантным геном А, его рецессивный аллель а дает черную окраску. Ген из неаллельной пары В способствует проявлению цветности, а ген b является супрессором и подавляет действие доминантного аллеля А и рецессивного а. Мыши с генотипом Аbb неотличимы по фенотипу от особей с генотипом ааbb – все белые.

Полимерия – тип взаимодействия неаллельных генов, при котором несколько пар неаллельных генов действуют на развитие одного признака. Такие гены называются полимерными (от греч. полис – много и мерос – часть). Их обозначают одной буквой, но с разными индексами, которые указывают на число аллельных пар в генотипе, обусловливающих развитие конкретного признака (А₁А₁А₂А₂).

Различают два варианта полимерии: с суммирующим действием генов (кумулятивная полимерия) и без усиления генов друг другом (некумулятивная полимерия).

•Суммирующее действие полимерных генов (кумулятивная полимерия - зависит от количества доминантных генов в генотипе). В этом случае степень проявления признака зависит от числа доминантных аллелей в генотипе особи. Так, красная окраска зерен пшеницы определяется двумя и более парами генов. Каждый из доминантных генов этих аллелей определяет красную окраску, рецессивные гены определяют белый цвет зерен. Один доминантный аллель дает не очень сильно окрашенные зерна. Если в генотипе присутствуют два доминантных аллеля, интенсивность окраски повышается. Лишь в том случае, когда организм оказывается гомозиготным по всем парам рецессивных генов, зерна не окрашены. Таким образом, при скрещивании дигибридов происходит расщепление в отношении 15 окрашенных к одному белому. Но из 15 окрашенных один будет иметь интенсивный красный цвет, т.к. содержит четыре доминантных аллеля, четыре будут окрашены несколько светлее, т.к. содержат в генотипах три доминантных аллеля и один рецессивный аллель, шесть – еще светлее с двумя доминантными и двумя рецессивными аллелями в генотипах, четыре – еще более светлые, т.к. имеют лишь один доминантный и три рецессивных гена, то есть истинное расщепление будет 1:4:6:4:1.

По данному варианту полимерии наследуются окраска кожи, рост и масса у человека. Подобный же механизм наследования характерен для многих количественных, в том числе и хозяйственно-ценных признаков: содержание сахара в корнеплодах свеклы, содержание витаминов в плодах и овощах, длина колоса злаков, длина початка кукурузы, плодовитость животных, молочность скота, яйценоскость кур и др.

•Полимерные гены не усиливают друг друга (некумулятивная полимерия, когда степень проявления признака не зависит от числа доминантных генов в генотипе). В этом случае расщепление в F₂ будет 15:1. Так, плоды пастушьей сумки могут быть треугольными (доминантный признак) и  овальными (рецессив). Признак контролируется двумя парами полимерных генов. Если в генотипе растения имеется хотя бы один доминантный аллель из первой или второй пары полимерных генов, то форма плода у него будет треугольной (А₁А₂; А₁а₂; а₁А₂). Овальную форму плодов будут иметь лишь те растения, у которых в генотипе нет ни одного доминантного аллеля – а₁а₁а₂а₂.

Таким образом, накопление определенных аллелей в генотипе может привести к изменению выраженности признаков.

Множественное действие генов

Часто ген оказывает действие не на один, а на ряд признаков организма. Явление, при котором один ген может влиять на формирование нескольких признаков организма, называется плейотропией (от греч. плеон – более многочисленный и тропос – поворот).

Существование этого явления отнюдь не противоречит классической концепции «один ген – один белок – один признак». Упрощенно влияние одного гена сразу на несколько признаков можно представить следующим образом. В результате считывания информации с гена образуется некий белок, который затем может участвовать в различных процессах, происходящих в организме, оказывая таким образом множественное действие. Например, у гороха бурая окраска кожуры семян и развитие пигмента в других частях растения, окраска цветков зависят от одного гена; у дрозофилы ген, обусловливающий белую окраску глаз, влияет на осветление окраски тела и изменение некоторых внутренних органов; у человека ген, отвечающий за рыжий цвет волос, одновременно определяет более светлую окраску кожи и появление веснушек. Синдром Марфана обусловлен аутосомным доминантным плейотропным геном и проявляется высоким ростом, удлинением костей пальцев рук и ног (паучьи пальцы), гиперподвижностью суставов, подвывихом хрусталика глаза, пороком сердца.

Такое множественное действие характерно для большинства генов. Однако не следует представлять, что плейотропный ген в равной степени влияет на каждый из признаков. Для абсолютного большинства генов с той или иной степенью плейотропии характерно более сильное влияние на один признак и значительно более слабое – на другой.

Задача 8.Синтез интерферона (защитный белок, вырабатываемый клетками в организме в ответ на заражение их вирусами)человека зависит от двух генов, один из которых находится в хромосоме 2, а другой - в хромосоме 5.

1. Назовите форму взаимодействия между этими генами.

2. Определите вероятность рождения ребёнка, не способного синтезировать интерферон, в семье, где оба супруга гетерозиготны по указанным генам.

Задача 9.В развитии органа слуха участвуют комплементарные гены А и B. Глухота - рецессивный признак. Молодые супруги глухие. Анализ их родословных подтвердил аутосомно-рецессивный тип наследования признака. Предполагалось, что все их дети будут глухими. У них родились сын, дочь и разнополая двойня. У всех детей был нормальный слух. Объясните этот случай.

Задача 10.Человек с генотипом А1А1А2А2 - имеет высокий рост, а с генотипом а1а1а2а2 - низкий рост. Напишите варианты генотипов у людей среднего роста.