Лекція №4: «Успадкування при взаємодії генів»

Питання:

1. Типи взаємодії генів: комплементарність, епістаз, полімерія, модифікуюча дія генів.

2. Розщеплення по фенотипу залежно від взаємодії генів.

3. Плейотропія. Цілісність і дискретність генотипу.

З бурхливим розвитком генетики, котрий розпочався після перевідкриття законів Менделя, крім підтвердження останніх, було відкрито багато явищ, які є причиною значного відхилення співвідношень фупнащадків Р_г від очікуваних у відповідності з цими законами.

З'ясувалось, що однією з причин таких відхилень є функціональна взаємодія неалельних генів. Кла­сичним прикладом взаємодії неалельних генів, яка призводить до виникнення нових ознак, є успадкуван­ня форми гребенів у курей. Так, від схрещування гомозиготних курей, які мають розовидний гребінь ААвв, а особинами, які мають гороховидний гребінь ааВВ, у всіх нащадків Р, АаВв формується гороховидний ребінь, схожий на половинку грецького горіха. (Таку форму гребенів має малайська порода курей).

Якщо нащадків з горіховидним гребенем розмножувати в межах своєї сукупності, то утворюються нащадки, які розщеплюються за схемою дигібридного схрещування, тобто — 9 горіховидних : 3 розовидних : 3 гороховидних : 1 листовидний.

При розщепленні нащадків Р_г у співвідношенні 9:3:3:1, утворення групи особин з гороховидними гребенями спричинено взаємодією двох неалельних, домінантних генів А і В. Звернімо увагу на те, що в дигібридному схрещуванні неалельні гени А і В) обумовлювали формування двох різних ознак, наприклад забарвлення насіння і форму насіння. В разі ж взаємодії два неалельних ге­ни обумовлюють формування лише однієї ознаки — форми гребеня. З іншого боку, на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем відщеплюється одна особина з листовидним гребенем. У дигібридній схемі це відповідає подвійно-рецесивному генотипу за двома різними ознаками. Крім виниклих нових ознак, серед нащадків Р_г на кожні дев'ять особин з горіховидним гребенем І одну— з листовидним гребенем виникло дві групи (по три особини кожна), в яких відтворились розовидна та гороховидна форми гребенів. Це мають бути особини, в яких домінантний ген однієї якості ознаки комбінується з рецесивним неалельним геном іншої якості тієї ж самої ознаки або навпаки. Такі генотипи мають особини з розовидним (ААвв чи Аавв) та гороховидним (ааВВ чи ааВв) гребенями.

Рецесивні ав-гени обумовлюють формування листовидного гребеня. Домінантний А-ген у комбінації з рецесивним в-геном обумовлює формування розовидного гребеня, а домінантний В-ген у комбінації з рецесивним а-геном дає гороховидний гребінь. І, нарешті, взаємодія домінантних генів А і В формує нову ознаку — гороховидний гребінь.

Спостереження за закономірностями спадкування ознак показує, що нерідко фенотипова ознака проявлясіься за наявності в складі генотипу дьох домінантних неалельних генів. Якщо ж до складу геному входить домінантний ген у комбінації з неалельним до нього рецесивним геном, очікуваний фенотиповий ефект не настає. Наприклад, при схрещуванні двох білоквіткових сортів запашного горошку в гібридів Р, всі квітки виявляються червоними, а в нащадків Р₂ на кожні дев'ять червоноквіткових особин з'являється сім білоквіткових. Оскільки сума цих двох чисел (7 І 9) дорівнює 16, стає цілком очевидним, що сукупнісІ ь нащадків із 16 рівновеликих груп може утворитись лише від 16 комбінацій гамет. А це трап­ляється лиціе в разі дигібридного схрещування.

Дев'ять червоноквіткових груп нащадків мають червоне за­барвлення пелюсток лише в тому разі, коли до складу генотипів цих рослин входять домінантні гени А і В. Разом з тим наявність у складі генотипу домінантного А-гєна а комбінації з рецесивним в-геном або В-ге­на в комбінації з рецесивним а-геном не обумовлює будь-якого забарвлення квіток у відповідних рослин.

Таким чином, у горошків два неалельних домінантних АВ-гени в своїй функції доповнюють один одно­го. Кожний з них окремо не обумовлює фенотипового ефекту, але цей ефект чітко проявляється в разі їхньої взаємодії. Таке явище назвали комплементарною взаємодією гонів. Отже, ком­плементарною взаємодією генів називають явище, коли ознака формується при взаємодії двох неалельних домінантних генів, кожний з яких самостійно не дає фенотипового ефекту.

Іноді явище комплементарної дії генів може стосуватись лише одного домінантного гена і не мати місця щодо другого неалельного домінантного гена. Взаємодію в таких випадках ще називають дією до неалельних генів. Наприклад, якщо схрестити рослини льону, що мають блакитні квітки, з білоквітковими особинами, то в другому поколінні на кожних дев'ять блакитноквіткових вищеплюється три рожеві і чотири білоквіткових рослини. Це співвідношення відповідає дигібридній схемі схрещувань, наведених 4М'|Ше. УІІ.З. Аналіз схеми показує, що домінантний А-ген обумовлює формування рожевих квіток у комбінації з числельним рецесивним в-геном.

Що ж до домінаніного В-гена, то в комбінації з рецесивним неалельним до нього а-геном він не спричинює формування забарвлених квпок. Разом з цим при взаємодії домінантних генів А І В форму­ються блакиїні квітки.

Така взаємодія генів, за якої один ген пригнічує функцію другого, неалельного до нього гена, нази­вається епістазом або супресією генів.

Якщо домінантний ген пригнічує фенотиповий прояв неалельного до нього домінантного гена, то та­кий епістаз називають домінантним, а епістатичний ген — геном супресором. Наприклад, схрещування гомозиготних сірих коней з гнідими в Р, дає сірих нащадків. Розмноження цих нащадків у межах власної сукупності утворює нащадків Р₂, які розщеплюються на фенотипові групи у співвідношенні 12 сірих : 3 во­роних : 1 гнідий. На схемах схрещувань (рис. VII.4} видно, що домінантний ген В у комбінації з неалельним до нього рецесивним с-геном обумовлює формування особин вороної масті. Однак у комбінації з неалельним домінантним С-геном — здатність домінантного В-гена впливати на формування масті у коней пригнічується. Таким чином, домінантний С-ген пригнічує функцію домінантного В-гена. Це і є прикладом домінантного епістазу.

Якщо рецесивний ген пригнічує дію неалельного до нього домінантного гена епістаз називають ре­цесивним. У даному разі рецесивні гени виступають у ролі генів-супресорів. Ген-супресор є епістатичним геном пригнічуваного ним неалельного гена, а подавлений ген відноситься до гена-супресора стає гіпостатичним геном.

Розглянемо приклад рецесив­ного епістазу. Польові миші мають сіре забарвлення хутра (забарвлен­ня агуті). При розмноженні їх у не­волі серед нащадків наступних по­колінь іноді з'являються мутантні особини, які за забарвленням хутра відрізняються від особин дикого ти­пу, тобто із забарвленням агуті. Як­що методом штучного добору ство­рити гомозиготні лінії мишей з чор­ним і, скажімо, білим забарвленням хутра, а потім схрестити їх між со­бою, то всі нащадки Р, матимуть за­барвлення агуті, а в Р_г відбудеться розщеплення у співвідношенні дев'ять сірих (агуті) : три чорних : чотири білих. Зі схем схрещувань (рис. VII.5) видно, що домінантний С-ген самостійно спричиняє форму­вання чорного забарвлення хутра, а у взаємодії з домінантним неалельним А-геном формується сіре за­барвлення хутра. З іншого боку, домінантний А-ген не дає са­мостійного фенотипового прояву, Тому він може розглядатись як ком­плементарний щодо С-гена. Крім того, оскільки А-ген у взаємодії з С-геном дає фенотиповий ефект, а з рецесивним с-геном його дія не проявляється, то це свідчить, що рецесивний с-ген пригнічує функцію неалельного домінантного А-гена. Тому останній є гіпостатичним до рецесивного с-гена.

Сукупності неалельних генів у складі генотипу, які обумовлюють розвиток однієї і тієї ж ознаки, на­зивають полімерними (багатомірними) генами. Поняття полімерний означає багатомірний. Отже, полімерні гени —це гени однозначної дії. Своєю функцією вони обумовлюють формування кількісних оз­нак. Слід відзначити, що переважна кількість ознак у видів живих організмів успадковується кількісно. При цьому характер фенотипового прояву кількісної ознаки обумовлюється сумарною дією блоку полімерних генів однозначної дії. Сумарну дію генів, від яких залежить формування певної ознаки, ще називають ку­мулятивною або адитивною дією.

Наочним прикладом кумулятивної дії генів є синтез вітаміну А в ендоспермі зернівок кукурудзи. На­гадаємо, що клітини ендосперму кожної зернівки злакових рослин — триплоїдні. Це означає, що в кожній клітині ендосперму локалізовано по три набори хромосом. Тому і кожний ген генотипу тут представле­ний потрійною дозою.

Було з'ясовано, що кількість вітаміну А. вираженого в одиницях активності, синтезується домінант ним У-геном і майже не синте­зується рецесивним у-геном. Тому накопичення цього вітаміну в кліти­нах повністю залежить від дози домінантного У-гена. Наприклад, наведені нижче генотипи ендоспер­му кукурудзи дають такий ефект: ууу - 0,05; Ууу — 2,25; УУу — 5,00; УУУ-".ВО одиниці активності вітаміну А.

Цей приклад дає чітке уявлен­ня про кумулятивний ефект дози ге­на, хоча у переважній більшості ви­падків визначити внесок кожного полімерного гена у формування о:» наки дуже важко і лише деякі озна­ки можуть піддатися такому аналізові. Зокрема, шведський вче­ний Г.Нфьсон-Єле ще в 1910 р. вивчив закономірності успадкуван­ня забарвлення зернівок пшениці. Як відомо, в пшениці вони бувають білі та червоні. Причому білі зернівки в процесі їхньої іден­тифікації завжди відносяться до однієї фенотипової групи, а червоні за інтенсивністю забарвлення роз­щеплюються на декілька фенотипо-вих груп. Схрестивши рослини, що мали темно-червоні зернівки з білозерними особинами, Нільсон-Еле одержав гібридне насіння Р„ яке було червоним. Подальше, розмноження дало сукупність насінний Р₂, які розщепились у такому співвідношенні: 1 темно-чер­вона : 4 густо-червоних : 6 червоних : 4 світло-червоних : 1 біла. Якщо розглянути те­оретично очікувану частоту генотипів та фенотипів у решітці Пеннета, то видно, що інтенсивність забарвлення насінин обумов­люється сумарною дозою домінантних генів однознач­ної дії. Тобто проявляється кумулятивний ефект.

З аналізу співвідношен­ня фенотипових груп на­щадків Р_г видно, що коефіцієнти кож­ної з цих груп розподілились таким чином 1:4:6:4:1. Саме такі коефіцієнти утворюються в разі розкладання бінома Ньютона. В нашому прикладі цей біном набуває форми (р+р)4. Тут четвірка означає частоту домінантних Н-генів однозначної дії. їх комбінацій між собою та зі своїми рецесивними алелями в кожному генотипі може бути не більше чотирьох. Якщо генотипи кожної групи особин розписати в порядку сліду­вання генотипових частот, одержимо гістограму, яка наочно показує, що кількісні озна­ки успадковуються відповідно до законів біноміального розподілу. Відзначимо, що домі­нантні полімерні гени в парах зі своїми рецесив­ними алелями характеризуються проміжним домінуванням.

Частіше кількісні ознаки обумовлюються дією великого числа неалельних генів однознач­ної функції. Але точно визначити кількість не­алельних генів, які формують певну кількісну оз­наку, практично неможливо. Пояснюється це тим, що деяка частина з блоку полімерних генів завжди може перебувати в гомозиготному стані. Зрозуміло, що триґетерозигота утворить на­щадків відповідно до тригібридної схеми.

Тут фенотипово проявиться дія всіх трьох не­алельних А-генів. Дигетерозиготна особина утво­рить нащадків за дигібридною схемою. І тут фе­нотипово проявляться А, — і Аз-гени, але не проявиться ген А;,. Нарешті, моногетерозиготна особина ут­ворить нащадки за монопбридною схемою. Тут фенотипово проявиться дія А,-гена і не проявиться дія Ось чому слід мати на увазі, що б природі в межах кожного блоху полімерних генів деяка ча­стина їх завжди може перебувати а гомо­зиготному стані. Це унеможливлює іден­тифікацію функціональної активності відповідних генів. Велика кількість неалельних генів, які складають блок їхньої однозначної дії, нерідко обумовлюють фенотипову непе­рервність в успадкуванні кількісних ознак. Тому закономірності успадкування кіль­кісних ознак найчастіше вивчають метода­ми варіаційної статистики.

Явище неповного домінування харак­теризується формуванням проміжного значення ознаки порівняно з її крайніми альтернативними формами. Наприклад, при схрещуванні червоноквіткових особин нічної красуні з білоквітковими всі нащадки Р, е рожевоквітковими, а нащадки другого по­коління розщеплюються у співвідношенні 1:2:1.

Явище неповного домінування прак­тично можна спостерігати при схрещу­ванні не тільки за моногібридного, але і за дигібридного та полігібридного схемами. Наприклад, у котиків від схрещування особин з червоними квітками нормальної форми квітів і особи­нами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отри­мують розщеплення нащадків у та­ких співвідношенні: червонопелюсткових, пелоричних -ААвв — 1, червонопелюсткових, нормальної фор­ми—ДАВ— З, рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2, рожевопелюсткових, нормальної фор­ми — АаВ- — 6, білопелюсткових, нормальної форми.

Як бачимо, в ротиків зка забарвлення пелю­сток успадковується проміжково, тимчасом як форма квітки характеризується повним домінуванням ми нормальної форми квітів і особи­нами з білими квітками пілоричної форми, у другому поколінні отри­мують розщеплення нащадків у та­ких співвідношенні:

червонопелюсткових, пелоричних — ААвв — 1,

червонопелюсткових, нормальної фор­ми — ААВ- — З,

рожевопелюсткових, пелоричних -Аавв — 2,

рожевопелюсткових, нормальної фор­ми — АаВ- — 6,

білопелюсткових, нормальної форми - азВ- — З,

Внаслідок перекомбінації гена, що характеризується неповним до­мінуванням, з шість груп замість чотирьох, які очікувались при дигібридному схрещуванні.

У суниць обидві ознаки, що обговорюються, контролюються генами, які характеризуються проміжним мінуванням. Тут замість чоіирьох очікуваних у Р_г груп отримано дев'ять груп. При цьому в кожній фемо-Іипошй групі проявляться також її генотип, про Ідо свідчить фенотипоьий прояв доз домінантних генів у різних комбінаціях між собою.

Проміжне домінування характерне для багатьох кількісних ознак. Вже на закономірностях успадку­вання забарвлення зернівок пшениці було показано (рис. VII.6, 7), що доза гена з проміжним домінуван­ням відіграє провідну роль у формуванні ознаки, а отже, має важливе значення для селекційної роботи.

Здатність гена у своїй функції обумовлювати формування двох або декількох різних фенотипових оз­нак називається плейотропією. Класичним прикладом плейотропної ДІЇ гена є рецесивний ген серповидно-клітинної анемії. Мутація домінантного 5-гена до рецесивного стану і перехід мутантного алеля в гомозиготний стан обумовлює формування еритроцитів крові людини, які набувають форми м'ячиків з випущеним повітрям. На препаратах під мікроскопом такі еритроцити за формою нагадують серпики. Діти, гомозиготні за цим мутантним геном, доживають лише до дворічного віку і гинуть від анемії. Цікаво відзначить, що в басейні р. Конго в Африці місцеві популяції людей є переважно гетеро­зиготними за геном серповидно-клітинної анемії і характеризуються 55-генотипом. Обумовлено це тим, що рецесивний 5-ген забезпечує стійкість до малярії. Отже, мутантний 5-ген, який в гомозиготному стані спричинює анемію, одночасно формує стійкість організму людини до малярії. В болотистих районах ба­сейну р. Конго, де за високих температур повітря разом з його вологістю дуже поширена малярійна інфек­ція, люди з рецесивним яз-генотипом гинуть від анемії, а з 53-генотипом — від малярії. І тільки гетерози­готні особини Зз-генотипу виявляються нормально забезпеченими газообміном і є стійкими до малярії.

В людини можлива домінантна мутація, внаслідок якої довшають кінцівки, особливо пальці. Звідси назва таких пальців — павучі. Але, крім павучих пальців, цей мутантний ген спричинює формування де­фективних кришталиків очей.

У великої рогатої худоби відомі мутації гена коротконогості. Ця ознака проявляється лише в гетеро­зиготних за цією мутацією особин, а той самий ген у гомозиготному стані обумовлює летальний ефект.

Плейотропною дією характеризується ген сірого забарвлення смушку в каракульських овець. З'ясу­валось, що вівці каракульських порід із сірим забарвленням смушку є гетерозиготними. Але одержане від схрещування між собою сірих овець потомства завжди розщеплюються у співвідношенні 2:1. Тобто на кожні двоє сірих ягнят народжується одне чорне. Дослідження показали, що ген сірого забарвлення в го­мозиготному стані виступає як рецесивний летальний ген, а в гетерозиготному стані з алельним геном дикого типу обумовлює сіре забарвлення смушку.

Явище плейотропії досить широко розповсюджене в складі генотипів різних таксономічних видів ор­ганізмів і суттєво впливає на їхню еволюцію.

Гени, які посилюють або послаблюють чіткість фенотипічних проявів інших неалельних генів, назива­ються генами-модифікаторами. Наприклад, кучеряве оперення в курей, спричинене відповідною домі­нантною мутацією, характеризується чітким фенотиповим проявом як у гомозиготному, так і в гетерози­готному стані. Проте існує ген неалельний до гена кучерявості оперення, котрий в гомозиготному стані пригнічує домінування мутантного гена кучерявості. Цим самим даний ген виконує функцію гена-модифікатора.

У генів-модифікаторів самостійна функція нерідко не проявляється. Про існування цих генів дізна­ються, коли стає очевидним їхній вплив на активність функціонування інших генів. Наприклад, Ю.О.Філіпченко ще в 1928 р. встановив, що довжина колосків пшениць успадковується за багатогенною схемою. Проте детальний аналіз показав, що успадкування гена довжини колоса значною мірою модифікується декількома неалельними генами-модифікаторами, які не мають іншого фенотипового прояву.

Особливо відчутно впливають гени-модифікатори на характер фенотипового прояву кількісних ознак, таких, як врожайність, маса організму, його лінійні та об'ємні розміри, концентрація білків, жирів або вуг­леводів у клітинному соку тощо.

Шляхом штучного добору можна накопичувати гени-модифікатори в таких комбінаціях, які будуть суттєво посилювати або послаблювати фенотиповий прояв тих чи інших кількісних ознак.

Розглядаючи різні випадки взаємодії генів, ми переконались, Ідо одні гени можуть пригнічувати дію інших, неалельних до них генів (епістаз, супресія), або здатні викликати фенотиповий ефект при взаємодії з неалельними генами (комплементарність, дія полімерних генів, явище плейотропії тощо). Все це свідчить про те, що формування будь-якої ознаки обумовлене дією не одного, а багатьох неалельних генів. Звідси й виникає уявлення про гени-модифікатори, яке експериментальне підтверджується на різних генетичних об'єктах. Як уже зазначалось, гени-модифікатори не мають самостійного фенотипово­го прояву. Вони лише змінюють активність функціонування Інших, неалельних до них генів.

Дані про взаємодію генів свідчать, що нормальний розвиток організму забезпечується складною системою функціонально інтегрованих генів, які утворюють генетичну програму відповідного організму. Порушення цієї програми може мати трагічні наслідки для даного організму. Наприклад, у людини трапляються випадки иерозходження хромосом в мейозі. Внаслідок цього утворюються гамети, в яких замість очікуваних міститься по 24 та по 22 хромосоми. Це означає, що якась хромосома в 24-хромосомній гаметі представлена двома гомологами, а в 22-хромосомній гаметі не вистачає відповідної хромосоми. Якщо 24-хромосомна гамета об'єднається з нормальною гаметою протилежної статі, то утвориться зиго­та, в якій кожна з 22 хромосом буде представлена парами гомологів, а одна хромосома буде представ­лена трьома гомологами. Це означає, що каріотип майбутнього організму замість 46 буде нараховувати 47 хромосом. Тобто за якоюсь із 23 пар очікуваних хромосом майбутній організм виявиться трисоміком. Встановлено, що утворення зиготи-три соміка по 21-й хромосомі започатковує організм дитини з Іромом Дауна. Такі діти характеризуються розумовою відсталістю. При утворенні трисомій по 5 й хромосомах народжуються діти з рудиментарними очима. 8 окремих випадках у таких дітей очі повністю відсутні. Іноді в них формується вовча паща або заяча губа. В разі трисомії по 17-18-й хромо­сомах народжуються діти з аномаліями вух, черепних кісток, з порушеннями психіки. Аналогічні аномалії, спричинені трисомією, спостерігаються в тварин та рослин.

Таким чином, втрата генотипом одного чи декількох генів, що трапляється в разі порушення ціліс­ності хромосом, при моносомії, нулісомії тощо або ж поповнення генотипу додатковими генами, що трап­ляється при утворенні трисоміків, полісоміків чи хромосомних перебудовах, може суттєво порушувати генний баланс, який склався протягом тривалого еволюційного розвитку організмів. Механізм цього ба­лансу полягає в тому, що в генотипі будь-якого виду організмів між десятками тисяч генів проявляється чітко інтегрована їхня функція. Втрата чи надбання певних генів генотипу впливає на гальмування або на надмірне зростання темпів формування відповідних ознак. Цим і обумовлюються аномалії в їхньому фенотиповому прояві.

Підсумовуючи викладене, можна дійти висновку, що гени в складі генотипу не є ізольованими один від одного. Вони взаємодіють у процесі функціонування. Ця взаємодія простежується в дослідженнях з гібридологічного аналізу, в цитогенетичних та біохімічних дослідженнях. Накопичення даних про зако­номірності різних форм взаємодії генів набуває все більшого значення в практиці селекції домашніх тварин та сільськогосподарських рослин.