ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биологии имени академика Е.Н.Павловского

УТВЕРЖДАЮ"

Заведующий кафедрой биологии

профессор

А.Ф.НИКИТИН

" "_________ 2013 г.

Доктор медицинских наук профессор

Никитин А.Ф.

Л Е К Ц И Я N11

по биологии тему

«ПОЛИГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. НАСЛЕДОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ. ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ. ЭПИГЕНОМНОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ И ГЕНОМНЫЙ ИМПРИНТИНГ»

для курсантов и слушателей I курса 2 факультета

по специальности «Медико-профилактическое дело»

Обсуждена на заседании кафедры

" "___________________ 2013 г.

Протокол n__________________

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ

2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Открытие Менделем основных законов наследственности оказалось возможным благодаря тому, что он анализировал контрастирующие или альтернативные признаки, резко отличающиеся друг от друга Каждый признак в его опытах был представлен двумя альтернативными формами, определяемыми двумя аллелями одного гена. Однако такие четко отличимые альтернативные формы существуют не для всех признаков. Многие признаки формируются в процессе взаимодействия не только аллелей одного гена , но и аллелей разных генов. Генотип организма нельзя рассматривать как простую сумму независимых генов, каждый из которых выполняет свою, не связанную с действием других генов функцию. Это доказывается тем , что один ген обычно влияет на многие признаки - указанное явление называется плейотропией, а также тем , что для одного и того же признака нередко удается найти и идентифицировать несколько генов его обуславливающих. Все это обосновывает положение сформулированное Н.В.Тимофеевым- Ресовским М.Е.Лобашевым о том, что генотип не сумма, а система определенным образом взаимодействующих генов. Изучению конкретных типов и возможных механизмов взаимодействия генов посвящена настоящая лекция.

На предшествующих лекциях мы с Вами также познакомились с закономерностями наследования качественных признаков. К таковым признакам относятся контрастирующие четко различающиеся признаки, которые изучал Мендель. Для таких признаков характерна дискретная илb рерывистая изменчивость. Иными словами по таким признакам организмы весьма четко разделяются на несколько различимых групп. Примерами таких признаков могут служить окраска и форма гороха, группы крови у человека, окраска глаз и многие другие. Однако,для целого ряда признаков характерна непрерывная изменчивость: эти признаки имеют количественные параметры и более или менее непрерывно изменяются в некотором диапазоне. Например рост большинства людей колеблется между 145 и 185 см. и их по этом признаку нельзя подразделить только на хорошо различающихся два фенотипических класса, как это можно сделать для многих качественных признаков.

В начале ХХ века перед генетиками встал вопрос: имеет ли количественная изменчивость наследственную природу и если да, то наследуются ли количественные признаки в соответствии с законами Менделя. О том, как решается этот вопрос, мы познакомимся на втором часе лекции.

На лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

1.Виды взаимодействия аллелей, относящихся к разным генам;

2.Плейотропное действие генов;

3. Наследование количественных признаков.

4.Оценка соотносительной роли наследственности и среды в проявлении количественных признаков. Понятие наследуемости.

5. Цитоплазматическое наследование;

6. Эпигеномное наследование;

7. Геномный импринтинг и его биологическое значение;

Взаимодействие аллелей разных генов подразделяется на следующие типы :

1. Комплементарное взаимодействие генов

2. Эпистаз

3. "Эффект положения"

4. Полимерия

Комплиментарное взаимодействие генов - это такое взаимодействие генов, при котором появляется новый фенотип.Для комплементарного взаимодействия генов необходимо наличие в генотипе двух доминантных аллелей определенных генов. Примерами такого взаиомдействия генов может служить наследование формы гребня у кур. При скрещивании кур с розовидной и гороховидной формой гребня в первом поколении все особи имеют ореховидную форму гребня. Такие же взаимоотношения наблюдаются и при генетическом анализе наследования окраски шерсти у мышей, наследовании окраски волос у человека. Так мыши " агути " , составляющие большинство природных популяций, имеют серую окраску. Она развивается за счет взаимодействия доминантных аллелей двух генов: гена А , контролирующего синтез пигмента, и гена В , обеспечивающего распределение пигмента по длине волоса , преимущественно в его основании и на конце.При скрещивании дигетерозиготных мышей по генам А и В расщепление гибридов по признаку окраски шерстного покрова происходит в отношении 9 ( " агути " ) : 7 ( 3 с черной и 4 с белой окраской шерсти ). Черные мыши имеют генотип А-/bb, белые -аа/В-. Отбор в природных популяциях благоприятствует окраске агути, которая является покровительственной . У человека комплементарным действием обладают гены, контролирующие окраску волос. Ген- М определяет образование черного пигмента меланина и представлен тремя аллелями: первый аллель обусловливает синтез пигмента в значительных количествах , второй -в промежуточных и, наконец, третий -в малых количествах .У гомозигот по аллелю альбинизма , который локализуется в другом локусе пигмент не образуется . Примером комплементарного взаимодействия генов у человека может служить генетический контроль развития органа слуха . Нормальный слух обусловлен взаимодействием двух доминантных неаллельных генов Д и Е,из которых ген Д определяет развитие улитки , а ген Е –слухового нерва. Рецессивные гомозиготы по любому из этих генов –глухие. Образование таких сложных белков как гемоглобин, в состав которых входит четыре разных полипептидных цепей, также можно объяснить исходя из комплементарного взаимодействия генов, контролирующих синтез каждой отдельно взятой полипептидной цепи.

Эпистаз - это взаимодействие генов обратное комплементарному. При таком взаимодействии один ген подавляет или супрессирует действие другого гена. Выделяют два вида эпистаза - доминантный и рецессивный. Доминантный эпистаз встречается у кур, когда доминантный алллель С, контролирующий образование пигмента , подавляется доминантным алллелем другого гена 1, обозначаемого как супрессор. По этой причине куры, имеющие хотя бы одну доминантную аллель гена, оказываются белыми . При скрещивании двух белых доминантных и рецессивных гомозигот в первом поколении все птицы также оказываются белыми, что согласуется с менделевским законом о единоообразии первого поколения и объясняется супрессирующим влиянием гена 1. Однако во втором поколении расщепление по фенотипу происходит в соотношении 13:3 и не соответствует ожидаемому расщеплению, если бы эти признаки наследовались в соответствии с законос Менделя, т.е. независимо друг от друга . Примером рецессивного эпистаза может служить так называемый " Бомбейский феномен" ,обусловленный наличием в генотипе рецессивного аллеля гена н. Бомбейский феномен встречается с частотой примерно 1/13000 среди индусов, говорящих на языке махарати. В присутствии этого аллеля подавляется действие генов, контролирующих образование антигенов Аи В, локализующихся в оболочке эриитроцита. По-видимому, это связано с нарушением синтеза фермента, модифицирующего преобразование общего предшественника в антиген Н, который в свою очередь является предшественником антигенов А и В. Эпистатическое взаимодействие генов лежит и в основе многих ферментопатий - заболеваний, связанных с отсутствием тех или иных ферментов, когда наличие или отсутствие продуктов какого-либо гена препятствует образованию жизненно важных ферментов, котролируемых другим геном

Полимерия - взаимодействие неаллельных генов , каждый из которых вносит небольшой вклад в изменчивость количественного признака.Впервые это явление было обнаружено в 1908 году голландским исследователем Нильссоном -Эле при изучении наследования окраски у пшеницы. Существуют гомозиготные линии пшеницы с красными семенами и с семенами почти лишенными пигмента бледно - желтого цвета. При скрещивании особей из этих линий гибриды первого поколения дают семена с промежуточной розовой окраской .Во втором же поколении появляются семена с окраской, варьирующей от красного до бледно желтого цветов. Окраска пшеницы зависит от количества красного пигмента : чем больше его, тем интенсивнее окраска. В свою очередь количество накопленного пигмента определяется количеством доминантных аллелей генов: с увеличением их количества возрастает и интенсивность окраски .

3. Генные взаимодействия происходят на нескольких уровнях: а)непосредственно в генотипическом материале клеток,б) между РНК и образующимися полипептидами,в) в процессе биосинтеза белка, г)между белками ферментами одного метаболического пути. Ясно, что в данном случае речь идет не о физическом взаимодействии генов, а о взаимодействии их первичных и вторичных продуктов на путях становления соответствующих признаков. Так , например, на молекулярном уровне синтез белка кодируется структурным геном и проявление признака обычно включает длительную последовательность процессов протекающих в ходе транскрипции и трасляции. Конечный же результат фенотипического проявления гена, т.е. синтез соответствующего белка очевидно будет зависеть и от действия других генов. При этом следует иметь ввиду, что на действие гена оказывают влияние не только регуляторные, но и структурные гены.

2. Выше мы рассмотрели взаимодействие между генами, влияющими на один признак. Однако во многих случаях , если не всегда, один ген влияет на несколько признаков . Это явление получило название плейотропии или множественного действия генов . Плейотропия описана у растений, многих представителей животного мира, человека. Н.И.Вавилов впервые описал плейотропное действие гена , контролирующего черную окраску колоса у персидской пшеницы, который одновременно вызывал развитие другого признака –опушение колосковых чешуй. Хорошо изучено множественное действие генов у дрозофилы. Некоторым линиям этих мух, гомозигтным по аллелю, контролирующему зачаточные крылья, свойственны также низкая продолжительность жизни, сочетающаяся с изменением репродуктивных органов и рядом других признаков. У человека известно заболевание -синдром Морфана, проявляющееся тонкими паучьими пальцами, нарушениями в строении хрусталика , нередко катарактой и аномалиями со стороны сердечно-сосудистой системы. Объясняется это заболевание одновременным влиянием одного гена на развитие нескольких признаков. Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным . При первичной плейотропии ген одновременно проявляет свое множественное действие в разного типа клетках и сразу в нескольких органах. Например, при болезни Хартнепа мутация гена приводит к нарушению всасывания аминокислоты триптофана в эпителии кишечника и блокаде реабсорбции триптофана в почечных канальцах . Происходит одновременное расстройство деятельности пищеварительной и выделительной систем. При вторичной плейотропии ген имеет лишь одно фенотипическое проявление, на фоне которого развиваются процессы, приводящие к множественным эффектам. Примером вторичного плейотропного действия гена может быть фенилкетонурия - заболевание, связанное с мутацией гена, контролирующего синтез фермента фенилаланин -нидроксилазы , катализирующей образование аминокислоты тирозина из фенилаланина. Это заболевание помимо накопления в крови аминокислоты -фенилаланина ,сопровождается также нарушением развития мозга, уменьшением размеров головы , светлой окраской волос и другими сиптомами. Поскольку на уровне первичного действия гена он имеет лишь одну функцию - кодирование соответствующего полипептида, в случае фенилкетонурии фермента фенилаланин- гидроксилазы , наблюдаемый плейотропный эффект при этом заболевании является отражением интегрированности процессов развития. Сущность этой интегрированности заключается в том, что продукт одного биохимического пути может в конечном итоге оказывать влияние на множество путей развития .Результатом этого является не только накопление в крови страдающих фенилкетонурией аминокислоты финилаланина, но и формирование других свойственных этой болезни признаков.Например, светлая окраска волоса у таких больных обусловлена невозможностью образования в их организме тирозина, необходимого компонента пигментного обмена . При серповидноклеточной анемии у гомозигот наблюдается несколько патологических признаков : анемия, увеличение селезенки, поражение кожи, почек ,сердца .Все эти патологические признаки - результат вторичных патологически проявлений. Первичным же непосредственным фенотипическим проявлением мутантного гена служат синтез аномального гемоглобина и образование серповидной формы эртитроцитов.

3. Признаки, характеризующиеся непрерывной изменчивостью называют количественными, или метрическими. Разница между такими признаками во многих случаях оказывается небольшой, и ее обнаружение требует точных измерений. Напротив разница между качественными признаками, как правило велика и видна при простом наблюдении. Одна из особенностей количественных признаков состоит в том, что распределение их численных значений представляет собой колоколообразную фигуру, называемую нормальным распределением. Нормальное распределение обладает некоторыми интересными свойствами, относящимися к среднему значению и стандартному отклонению. При нормальном распределении 50% выборки или результатов наблюдений попадают в интервал, заключенный между значениями - 0,67s+0.67s,67% выборки оказываются в интервале Х + s и 95% выборки - в интервале Х + 1,96s.

В 1903 году датским генетиком Вильгельмом Иогансеном было показано, что что непрерывная изменчивость имеет частично средовую, частично генетическую природу. Шведский исследователь Нильсон Эле впервые доказал, что непрерывная изменчивость обусловлена действием нескольких генов, каждый из которых имеет небольшой эффект и наследуется в соответствии с законами Менделя.

Гены, каждый из которых вносит небольшой вклад в изменчивость количественного признака, получили название полигенов. Важной особенностью полимерии является ее аддитивность - суммирование влияния генов на проявление признака. Действие генов при этом носит кумулятивный характер. Однако не всегда все аллели оказывают одинаковый эффект на проявление признака - действие одних может быть выражено больше, чем действие других аллелей.

Первая важная закономерность в наследовании количественных признаков заключается в том, что в отсутствии средовой изменчивости число генотипических классов в F равно числу аллелей плюс 1.

Вторая закономерность состоит в том, что с увеличением числа локусов, контролирующих проявление количественного признака, изменчивость этого признака все более приближается к непрерывной.

Для иллюстрации этого явления обратимся к гипотетическому примеру по скрещиванию между двумя линиями кукурузы, имеющих неодинаковую длину початков и различающихся между собой по одному, двум, трем и шести локусам. В этом примере в качестве родительских взяты растения с длиной початков 6 см (у родителей с короткими початками) и 18 см (у родителей с длинными початками).Предполагается, что разница в длине початков обусловлена одной парой генов, так, что доминантный аллель А в первом случае приводит к увеличению длины початка на 6 см по сравнению родительской формой с короткими початками. Во втором случае то же самое различие в росте початков растений достигается за счет двух аллелей А и В, каждый из которых приводит к увеличению длины початка на 3см. В случае три аллели АВС прибавляют к длине початка соответственно по 2 см, а в случае шесть каждый из аллелей увеличивает рост початка на 1 см. Ожидаемые распределения в F и F приведены на рисунке 1.

Из рисунка видно, что чем больше число локусов, оказывает кумулятивное влияние на признак, тем ближе к непрерывной будет изменчивость этого признака, иными словами увеличение числа локусов приводит к уменьшению дисперсии (возрастанию непрерывности)в распределении признаков в F . поскольку в промежуточные классы попадает большая доля особей.

Присутствие же средовой изменчивости обычно приводит к тому, что количественные признаки не распадаются на классы, в точности соответствующие фенотипам. Поэтому часто оказывается невозможным определить число генов, контролирующих данный количественный признак. Весьма трудным оказывается также дифференцировать генетическое и средовое влияние на проявление непрерывной изменчивости.