ЛЕКЦИЯ N 7
ГЕНОТИП И ФЕНОТИП
1. Фенотип как результат реализации генотипа в определенных условиях среды.
2. Взаимодействие аллелей в детерминации признаков.
3. Множественные аллели. Наследование групп крови по системе АВО.
4. Взаимодействие неаллельных генов.
5. Количественная и качественная специфика проявления генов в признаках.
6. Мультифакториальный принцип формирования фенотипа как выражение диалектического единства генетических и средовых факторов.
Все живые организмы характеризуются приспособленностью к различным факторам среды. Среди них есть и такие, которые действуют на организм на протяжении многих геологических эпох (сила тяготения, смена дня и ночи, магнитное поле и т.д.), такие, которые действуют только короткое время и строго локально (недостаток пищи, переохлаждение, перегревание, шум и т.д.). Поэтому, у человека в ходе исторического развития выработался высокий уровень адаптации к окружающей среде благодаря тому, что гены определяют не только конечный признак, но и пределы вариации признаков в зависимости от определенных факторов внешней среды. Этим достигается меньшая зависимость от окружающей среды, но повышается сложность строения генетического аппарата и сложность контроля развития признаков. Для того, чтобы признак развивался, т.е. генотип реализовался в фенотипе, необходимы соответствующие условия среды, что можно проиллюстрировать следующей схемой:
ОНТОГЕНЕЗ
ГЕНОТИП -------------------- ФЕНОТИП
УСЛОВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
Основные процессы, характеризующие закономерности наследования:
1) самовоспроизведение;
2) распределение хромосом (и генов) при образовании половых клеток и последующее сочетание их в процессе оплодотворения;
3) действие генов в индивидуальном организме (в процессе онтогенеза).
Ген, как единица наследственности, определяющая свойства или признаки организма, имеет определенные характеристики:
1. Ген дискретен в своем действии: обуславливает течение той или иной биохимической реакции, степень развития или подавления определенного признака.
2. Каждый ген специфичен: он отвечает за синтез первичной структуры белковой молекулы.
3. Ген может действовать множественно - множественный эффект или п л е й о т р о п и я. Опосредованно воздействует на развитие многих признаков.
4. Разные гены, находящиеся в разных парах, могут действовать на развитие одного и тогоже признака, усиливая или ослабляя - п о л и м е р и я.
5. Ген вступает во взаимодействие с другими генами, в силу этого его эффект может меняться.
6. Проявление действия гена зависит от фактора внешней среды.
При анализе правил Менделя мы исходили из того, что доминантный ген полностью подавляет проявление рецессивного гена. Тщательный анализ реализации генотипа в генотип показал, что проявление признаков может определяться взаимодействием генов одной аллели: доминированием, неполным доминированием, рецессивностью и кодоминированием.
Доминирование является свойством гена обуславливать развитие признака в гетерозиготном состоянии. Значит ли это, что рецессивная аллель полностью подавлена и абсолютно не функционирует? Оказывается, нет.
ДОМИНАНТНЫЙ │ РЕЦЕССИВНЫЙ
───────────────────┼───────────────────
НОРМА
карие глаза │ голубые глаза
темный волос │ светлый волос
монголоидные глаза │ европеоидные глаза
нос с горбинкой │ нос прямой
ямочки на щеках │ отсутствие
веснушки │ отсутствие
праворукость │ леворукость
RR+ │ RR-
ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ
карликовая хондро- │ нормальное развитие
дистрофия │ скелета
полидактилия │ норма
(6пальцев) │
брахидактилия (ко- │ норма
роткопалость) │
нормальное сверты- │ гемофилия
вание крови │
нормальное цвето- │ дальтонизм
ощущение │
пигментация │ альбинизм (отсут-
│ ствие пигмента)
нормальное усвоение│ фенилкетонурия
фенилаланина │
гемералопия (ночная│
слепота) │
Для большого числа признаков у животных и человека характерно п р о м е ж у т о ч н о е н а с л е д о в а н и е или неполное доминирование. При неполном проявлении гена гибрид не воспроизводит полностью ни одного из родительских признаков. Выражение признака оказывается промежуточным с большим или меньшим уклонением к доминантному или рецессивному состоянию. Примерами неполного доминирования у человека может быть наследование серповидноклеточной анемии, анофтальмии, пельгеровской аномалии сегментирования ядер лейкоцитов, акаталазии (отсутствие каталазы в крови).
Гены одной аллели в гетерозиготном состоянии могут проявляться оба одновременно. Это явление получило название к о д о м и н и р о в а н и я. Например: каждый из аллелей кодирует синтез определенного белка, тогда у гетерозигот отмечается синтез обоих белков, что можно выявить биохимически. Этот метод нашел применение в медико-генетических консультациях для выявления гетерозиготных носителей генов, обуславливающих молекулярную болезнь веществ (изоферменты холинэстеразы).
При изложении материала мы исходили из положения, что один и тот же локус хромосом (признак, контролируемый одним геном) может быть представлен двумя аллелями: А или а, В или в и т.д. На самом же деле один и тот же признак проявляется в нескольких формах, контролируемый 3 и более аллелями (т.е. ген А может мутировать в состоянии а1, а2, а3.....аn). Ряд состояний одного и того же гена называют серией мно- жественных аллелей, а само явление - м н о ж е с т в е н н ы м а л л е л и з м о м.
Наследование членов серии множественных аллелей подчиняется множественным закономерностям. У норок существует серия множественных аллелей по окраске шерсти: коричневая, платиновая, белая. У дрозофилы описана серия множественных аллелей цвета глаз (красные, желтые, оранжевые и белые). У человека известна серия аллелей IO, IA, IB, которая определяет полиморфизм по группам крови. Наличие групп крови было установлено К. Ландштейнером в 1911 г., который обнаружил, что в определенных случаях, при переносе эритроцитов одного человека в сыворотку другого, наблюдается склеивание этих клеток. При переливании крови это может привести к смерти. Было установлено наличие в эритроцитах двух антигенов А и В, а в сыворотке - двух агглютинирующих антител ( и ). Популяция человека оказалась разбитой на 4 группы по свойствам крови: группа АВ всегда гетерозиготна, имея генотип IAIB. Группа А состоит из гомозигот IAIA и гетерозигот IAIO. В группе В генотипы могут быть IBIO и IBIB. Группа О всегда гомозиготна по рецессивным аллелям - IOIO. Группа А (наличие антигена А и антител ), группа В (наличие антигена В и антител ), группа АВ (оба антигена и нет антител) группа О (отсутствие обоих антигенов и наличие обоих антител).
Значительное отклонение от численных отношений фенотипических классов при расщеплении могут возникать вследствие взаимодействия между собой неаллельных генов. Различают следующие виды взаимодействия неаллельных генов: эпистаз, гипостаз, комплементарность и полимерия.
При доминировании действие одной аллели подавляется другой аллелью этого же гена: А>а, В>в и т.д. Но существует взаимодействие неаллельных генов, при котором один ген из одной аллели подавляет действие другого из другой аллели: А>B, C>D, c>d и т.д. Такое явление и получило название эпистаза, причем ген, подавляющий проявление другого называется эпистатическим, а ген, проявление которого подавляется гипостатическим. Эпистатические гены называют еще генами-супрессорами. Эпистаз принято делить на 2 типа: доминантный и рецессивный.
Под доминантным эпистазом понимают подавление одним доминантным геном действие другого гена. У лошадей вороная масть обусловлена доминантным геном "В", рыжая - аллелем "в". Ген "С" принадлежащий к другой паре аллелей, вызывает раннее поседение волос, вследствие чего масть лошадей оказывается серой, независимо от того, присутствует ли у нее ген "В" или "в", ибо эти гены гипостатичны по отношению к гену "С". В данном случае наблюдается расщепление: 12 серых, 3 вороных, 1 рыжая вместо - 9: 3: 3: 1.
Под рецессивным эпистазом понимают такой тип взаимодействия, когда рецессивная аллель одного гена в гомозиготном состоянии не дает возможности проявиться доминантной или рецессивной аллели другого гена: aa>B- или aa>bb. Например, при скрещивании черных кроликов (ААвв) с белыми (ааВВ) все гибриды (АаВв) имеют окраску агути, а в F2 наблюдается: 9 крольчат агути (А-В-), 3 черных (А-вв), 4 белых (ааВ- и аавв). такое расщепление объясняется эпистазом типа аа>В- и аа>вв (ген в гомозиготном состоянии блокирует образование пигмента и препятствует проявлению гена В - распределителя пигмента и гена черной окраски в).
К о м п л е м е н т а р н ы м и, или дополняющими называют такие доминантные гены, которые при совместном нахождении в генотипе (А-В-) обуславливают развитие нового признака по сравнению с действием каждого гена в отдельности (А-вв или аа-В). По принципу комплементарности наследуется форма гребня у петуха: простой (ав), гороховидный (Ав), ореховидный (АВ) и розовидный (аВ); желтая и белая окраска у шелкопряда, нормальный слух у человека. При комплементарности нередко отменяется развитие у гибридов признаков, не соответственных исходным формам.
Рассмотренные до сих пор типы взаимодействия генов относились к альтернативным признакам. Однако такие свойства организмов, как темп роста, вес, длина тела, степень пигментации и т.д. нельзя разложить на фенотипические классы. Их обычно называют к о л- и ч е с т в е н н ы м и. Каждый из таких признаков формируется обычно под влиянием сразу нескольких эквивалентных генов. Это явление получило название полимерии, а гены называют п о л и м е р н ы м и. В этом случае принят принцип однозначного действия генов на развитие признака. Именно с полимерий связана передача поколению количественных признаков. Например, у овса, пшеницы окраска зерен определяется несколькими полимерными генами. Степень развития окраски зависит от количества доминантных полимерных генов. Полимерно наследуется рост и пигментация кожи у человека.
Т.о., рассмотренные три типа взаимодействия неаллельных генов (эпистаз. комплементарность, полимерия) видоизменяют классическую формулу расщепления по фенотипу, но это является не следствием нарушения генетического механизма расщепления, а результатом взаимодействия генов между собой в онтогенезе.
Наряду с явлениями взаимодействия генов существует множественное ( п л е й о т р о п н о е ) действие генов, когда один ген определяет развитие одновременно не одного, а нескольких признаков, т.е. имеет плейотропный эффект. Так, например, синдром Морфана является менделирующим заболеванием, обусловленным одним геном. В состав этого синдрома входят такие признаки: высокий рост за счет длинных конечностей, тонкие пальцы (арахнодактилия), подвывих хрусталика, порок сердца, высокий уровень катоколоминов в крови. Другим примером плейотропного гена у человека может служить мутация серповидноклеточности. Мутация нормального аллеля приводит к изменению молекулярной структуры белка гемоглобина, эритроциты теряют способность к транспорту кислорода и приобретают серповидную форму вместо округлой. Гомозиготы по гену серповидноклеточности гибнут при рождении, гетерозиготы живут и обладают устойчивостью против малярийного плазмодия. Доминантная мутация у человека укороченных пальцев (брахиодактилия) в гомозиготном состоянии приводит к гибели эмбриона на ранних стадиях развития.
Проявление действия гена имеет определенные характеристики, поскольку один и тот же ген у разных организмов может проявлять свой эффект различным образом. Это обусловлено генотипом организма и условиями внешней среды, при которых протекает его онтогенез. Вариации степени выраженности признака в зависимости от фенотипического гена названо Н. В. Тимофеевым-Рессовским в 1927 г. э к с п р е с с и в н о с т ь ю. Примеры: брахидактилия, полидактилия в разной степени выраженности. Один и тот же признак, контролируемый одним геном, проявляется у одних и не проявляется у других особей родственной группы. Это явление названо п е н е т р а н т н о с т ь ю. Пенетрантность измеряется процентом особей, имеющих мутантный фенотип, в популяции, состоящей из организмов, гомозиготных по данному гену. При полной пенетрантности (100%) ген проявляется у каждой особи, при неполной - только у части особей (например, у 30-40% особей). Примеры пенетрантности у человека: коломбо (деффект оболочек глаза) наследуется по данному доминантному типу с пенентрантностью около 50%, аналогично наследуется амиотрофический боковой склероз, отосклероз, ангиоматоз сетчатки. Синдром голубых склер (тонкая наружная оболочка глаза, которая сочетается с отосклерозом, глухотой, хрупкостью костей с частыми переломами) дает 100% пенетрантность в отношении голубизны склер, хрупкость же костей отмечается в 63% и глухота в 60% случаев. Все три симптома выявляются только у 44% лиц. Понятия "экспрессивность" и "пенетрантность" относятся, прежде всего, к аутосомно-доминантным генам и признакам. Аутосомно-рецессивные признаки проявляются только у гемизигот с полной пенетрантностью и высокой экспрессивностью. Экспрессивность и пенетрантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и различной реакцией последнего на факторы внешней среды.