Сжатая ZIP-папка / ЛК_ген_4_

ЛЕКЦИЯ 6 - ГЕНЕТИКА

ЛЕКЦИЯ 6

НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГЕНОВ

Законы Менделя базируются на положении о том, что каждый признак определяется действием конкретного гена. Однако это не совсем так, особенно у многоклеточных организмов. Современные представления о дискретности гена предполагают присутствие или отсутствие специфической биохимической реакции, от которой зависит развитие или подавление отдельного признака. Поэтому вполне очевидно, что становление в онтогенезе каждой характеристики определяется не отдельно взятыми генами, а их совокупностью. Любое фенотипическое свойство организма (напр., окраска глаз, длина колоса и т.п.) в своей основе есть результат, по крайней мере, нескольких биохимических реакций. Это предполагает, что большинство внешних признаков обусловлено взаимодействием ряда генов.

Тем не менее, в сравнительно простых случаях генетический анализ всё же позволяет судить о характере действия и взаимодействия генов на основе изучения расщепления по фенотипу в последующих поколениях. При этом в основе такого анализа лежат правила, используемые при рассмотрении результатов дигибридного скрещивания.

Расширение знакомства с традициями генетики предполагает обратить внимание на то, что для обозначения аллелей, кроме использования букв латинского алфавита, применяют одну или две буквы признака, определяемого данным геном, не только от латинского, но и часто – от английского термина. При этом доминантные аллели могут быть обозначены не только заглавной буквой слова, но и строчной с плюсом. Напр., для обозначения рецессивного и доминантного аллелей жёлтой окраски эндосперма у кукурузы используют первую букву от английского слова yellow – жёлтый, что выражается как у – для рецессивной аллели и У или у ⁺ - для доминантного аллеля.

Кроме того, в основе анализа лежат представления о расщеплении в потомстве двух дигетерозигот в соотношении 9:3:3:1. При этом важно отобразить проявление наблюдаемых фенотипических признаков через особенности генотипов в виде так называемых радикалов, где на местах прочерков могут быть записаны как рецессивные, так и доминантные аллели. Напр., фенотип, определяемый наличием доминантных аллелей А и В, может быть записан как ААВВ, АаВВ, ААВb, AaBb. В виде радикала его записывают как А_В_, подразумевая под чёрточками либо рецессивный, либо доминантный аллель. Используя такую запись, результаты скрещивания двух дигетерозигот могут быть изображены следующим образом: 9 форм имеют генотип А_В_, 3 формы – А_bb, 3 формы – ааВ_ и 1 форма – ааbb. Именно такая запись и служит опорой при исследовании взаимодействия генов, определяющих проявление одного признака.

ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ

О взаимодействии генов в проявлении одного признака можно говорить в случаях, когда не соблюдается второй закон Менделя, и вместо ожидаемого от скрещивания гетерозигот расщепления в соотношении 3:1 мы наблюдаем фенотипические классы в соотношениях 9:3:3:1, 9:3:4, 9:7, 15:1 и т.д. При этом, как видно, все они представляют собой ту или иную модификацию исходного расщепления, характерного для результатов дигибридного скрещивания.

Различают следующие основные типы взаимодействия генов: комплементарность, эпистаз, полимерию и модифицирующее действие.

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ

Комплементарными или дополнительными генами называют такие доминантные гены, которые при совместном присутствии в генотипе (А_В_) обусловливают развитие нового признака по сравнению с действием каждого гена в отдельности (A_bb или ааВ_).

Расщепление 9:3:3:1

Известно, что окраска глаз у дрозофилы определяется двумя генами. Коричневая и ярко-красная окраска глаз рецессивны по отношению к красной окраске.

При скрещивании мух с коричневыми и ярко-красными глазами в F ₁ получают гибриды, обладающие красными глазами. Первый закон Менделя сохраняется.

В F ₂ наблюдают расщепление на 4 фенотипических класса: 9/16 – мухи с красными глазами, 3/16 – мухи с ярко-красными глазами, 3/16 – мухи с коричневыми глазами и 1/16 – мухи с белой окраской глаз.

Результаты анализа показывают, что окраска глаз определяется вовсе не одним, а двумя генами, поскольку наблюдаемое расщепление соответствует дигибридному и, кроме того, в анализируемом поколении появляется новый признак – белая окраска глаз, отсутствовавшая у родительских форм и представителей первого поколения.

Биохимические исследования показали, что красная окраска глаз определяется наличием трёх видов пигментов: красного, коричневого и жёлтого. Доминантный аллель А определяет синтез жёлтого и красного пигментов, в ген В – синтез коричневого. (Понятие о лимитирующих стадиях цепей реакций, а не обязательно иные пути метаболизма).

В F ₁ объединяются все доминантные аллели генов А и В, поэтому синтезируются все три пигмента, дающие в совокупности красную окраску глаз. В F ₂ только у 9/16 форм присутствуют оба доминантных аллеля (А-В-), и у них проявляется такая же окраска. У 3/16 форм (А-bb) – синтезируются красный и жёлтый пигменты, определяющие ярко-красную окраску глаз. У другой группы 3/16 форм (ааВ-) синтезируется только коричневый пигмент, обусловливающий соответствующую окраску. У 1/16 части представителей второго поколения (ааbb) отсутствуют оба доминантных гена, вследствие чего у них заблокирован синтез всех трёх пигментов и глаза остаются белыми.

Расщепление 9:7

В некоторых случаях проявление признака определяется наличием сразу двух доминантных аллелей двух генов (А_В_). У других форм, у которых присутствует доминантный аллель только одного из двух генов (А_bb или ааВ_) или сразу оба отсутствуют (aabb), признак не наблюдается. Напр., при изучении окраски цветков у душистого горошка было установлено, что при скрещивании форм разного происхождения, обладавших белыми цветками, в F ₁ всё потомство имело цветки пурпурной окраски. Самоопыление привело к тому, что во втором поколении часть растений (9/16) имела пурпурные цветки, а 7/16 – белые.

Анализ генотипических особенностей форм достаточно просто объясняет этот феномен. Биохимическая сторона вопроса состоит в необходимости образования сразу двух ключевых ферментов (при функционировании двух доминантных аллелей двух разных генов) для синтеза антоциановых пигментов.

Расщепление 9:3:4

Известны случаи, когда оба доминантных комплементарных гена характеризуются самостоятельностью проявления. В связи этим во втором поколении наблюдают приведённое выше расщепление по фенотипу. Так, при скрещивании чёрных и белых кроликов в первом поколении все особи имеют окраску под названием агути. Во втором поколении происходит расщепление на 12 окрашенных и 4 белых, а именно: 9/16 – агути, 3/16 – чёрных и 4/16 – белых.

Кролики с окраской агути характеризуются генотипом (А_В_), чёрные – (А_bb), остальные – белые. Такой вариант возможен, если предположить, что отсутствие доминантного аллеля гена А не позволяет синтезировать никакой пигмент. Поэтому даже присутствие аллеля В не меняет фенотипа особей.

Расщепление 9:6:1

Изучение наследования некоторых признаков показывает, что комплементарные гены могут обладать самостоятельным проявлением, причём фенотипически оно бывает одинаковым. Но одновременное присутствие доминантных аллелей обоих генов обусловливает проявление иного признака. Одновременное отсутствие доминантных аллелей обоих генов даёт третью фенотипическую характеристику.

Так, при скрещивании тыкв сферической формы в первом поколении все тыквы имели дисковидную форму. При самоопылении в следующем поколении было получено 9/16 – тыкв с дисковидной формой плода, 6/16 – со сферической и 1/16 – с удлинённой. Появление третьего вида формы плода как раз и обусловлено отсутствием доминантных аллелей обоих признаков.

ЭПИСТАЗ

Взаимодействие генов, при котором один ген подавляет проявление другого, называют этим термином. Эпистаз изображают знаком «>» (больше): A > B, B > A, a > B, a > b и т.п. Гены, подавляющие действие других генов, называют супрессорами (ингибиторами) и часто обозначают соответствующими буквами S (от англ. suppression – подавление) или I (inhibition – ингибирование, подавление). Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. При этом различают доминантный эпистаз, под которым понимают подавление доминантным аллелем одного гена проявления другого гена (напр., A > B, B > A, В > а и т.п.). Под рецессивным эпистазом подразумевают такой тип взаимодействия неаллельных генов, при котором рецессивный аллель в гомозиготном состоянии не даёт возможности проявиться доминантному или рецессивному аллелю другого гена, т.е. aa > B или aa > bb.

Доминантный эпистаз. Расщепление 13:3.

Среди растений льна встречаются особи с цветками, обладающими нормальными и гофрированными лепестками. При скрещивании двух форм с нормальными лепестками, но разного происхождения, в первом поколении все особи имели цветки с лепестками нормальной формы. При самоопылении в следующем поколении наблюдали расщепление: 13/16 растений имели цветки с нормальными лепестками, а 3/13 – с гофрированными. Характер расщепления свидетельствует о том, что признак определяется двумя парами генов.

Если полагать, что ген А обеспечивает проявление нормальной формы лепестков (т.е. подавляет проявление признака гофрированности, связанного с доминантным аллелем гена В), то его отсутствие у генотипов (aaBB, aaBb и aaBb) вызывает формирование гофрированных лепестков. У генотипа aabb подавление отсутствует, но лепестки имеют обычную форму, обусловленную наличием рецессивных аллелей гена В.

Расщепление 12:3:1

При скрещивании собак с белой и коричневой шерстью в первом поколении все щенки имели белый окрас. Скрещивание особей между собой во втором поколении привело к расщеплению, соответствовавшему следующему: 12/16 – имели белую окраску шерсти, 3/16 – чёрную и 1/16 – коричневую.

Анализ генотипов показывает, что присутствие доминантного аллеля гена А у 12 форм обусловило отсутствие окраски шерсти (подавление признака). У 3 форм с указанными в предыдущем расщеплении генотипами доминантный аллель гена В обеспечил проявление чёрной окраски шерсти у собак, а у собак с генотипом aabb – проявилась коричневая окраска, обусловленная действием рецессивного аллеля гена В.

Таким образом, гены-супрессоры обычно сами не определяют какой-либо качественной характеристики в развитии признака, а лишь подавляют проявление других генов.

Рецессивный эпистаз

При рецессивном эпистазе во втором поколении можно наблюдать расщепление по фенотипам в таких соотношениях, как 9:3:4, 9:7 или других, что аналогично рассмотренным выше для примеров комплементарного взаимодействия генов.

Первое соотношение легко выводится как с точки зрения комплементарности (см. выше), так и с позиции рецессивного эпистаза. В последнем случае у форм с генотипами А_В_ проявляется признак, обусловленный наличием доминантных аллелей обоих генов, у трёх форм с генотипами aaBB, aaBb и aaBb подавляется проявление доминантного аллеля гена В, а у генотипа aabb проявляется тот же признак, что и у форм с генотипами AAbb, Aabb и Aabb.

Соотношение 9:7 может быть рассмотрено с точки зрения двойного рецессивного эпистаза, при котором проявление доминантных аллелей невозможно в генотипах ааВ_ и A_bb из-за того, что aa > B и bb > A. При этом рецессивные аллели обоих генов имеют одинаковое фенотипическое проявление, в связи с чем и генотип aabb обладает тем же фенотипическим эффектом.

Представленные данные свидетельствуют о том, что использование только генетического анализа наследования признаков без знания биохимии или физиологии развития признака в онтогенезе часто не может раскрыть природы взаимодействия генов. Но и отсутствие генетического анализа делает невозможным разобраться в механизмах наследственной детерминации развития признаков.

ПОЛИМЕРИЯ

Рассмотренные выше типы взаимодействия генов обеспечивают проявление качественно различных признаков. Однако у разных представителей одного и того же вида существует множество одинаковых признаков, которые характеризуются различной величиной (напр., высота стебля растений пшеницы, число зёрен в колосе и т.п.). Измеряя величину таких признаков, мы можем составить непрерывные ряды их изменчивости. В таких случаях мы говорим о ранжированных рядах, в которых величина признака располагается в порядке его увеличения у разных особей.

Явление взаимодействия неаллельных множественных генов, обусловливающее развитие одного и того же признака, называют полимерией. А неаллельные гены, которые действуют однозначно на формирование одного и того же признака, называют полимерными. По этому типу наследуются важные хозяйственно-ценные признаки, напр., высота растений, количество белка в зерне, содержание витаминов в плодах, жирномолочность коров, яйценоскость у кур и т.д.

Поскольку полимерные гены определяют один и тот же признак, их обозначают одной буквой, а аллельные пары – цифрами, напр., доминантную гомозиготу, у которой признак определяется двумя парами аллелей, обозначают как А₁А₁А₂А₂, гетерозиготу – А₁а₁А₂а₂, рецессивную гомозиготу – а₁а₁а₂а₂.

Различают кумулятивное (аддитивное, суммирующее) действие генов, при котором величина признака зависит от числа доминантных аллелей в генотипе, и некумулятивную полимерию, при которой для проявления признака достаточно наличия в генотипе всего одного доминантного аллеля. Во всех случаях наличие (в той или иной степени) и полное отсутствие признака (точнее наличие его рецессивной формы) выражается соотношением 15:1. Если признак определяется взаимодействием трёх пар генов, то расщепление принимает вид 63:1, а, напр., доминантная гомозигота выглядит следующим образом: А₁А₁А₂А₂А₃А₃.

Широко известна полимерная наследуемость признака окраски зерна у пшеницы, у которой она варьирует от тёмно-красной – до бледно-розовой. Полагая, что этот признак наследуется двумя парами генов, крайние генотипы с подобной окраской можно обозначить как А₁А₁А₂А₂ и А₁а₁а₂а₂ , соответственно. Зёрна белой окраски будут иметь генотип – а₁а₁а₂а₂. В целом соотношение окрашенных и неокрашенных зёрен будет равно 15:1.

Подобным образом наследуется длина тела или пигментация кожи у человека. В последнем случае у чернокожего мужчины и белой женщины рождаются мулаты, обладающие промежуточным цветом кожи. А у отца-мулата и матери-мулатки могут родиться дети с разными оттенками кожи – от чёрной до белой, вероятность появления которых легко рассчитать, полагая, что цвет кожи определяется хотя бы двумя парами неаллельных генов.

Таким образом, в случае кумулятивной полимерии и при неярком проявлении признака бывает достаточно трудно выделить чётко различимые фенотипические классы во втором поколении.

Полимерные гены, как правило, находятся в разных парах хромосом. При этом по силе действия на развитие признака они могут быть одинаковыми или разными, т.е. один ген может оказывать более сильное влияние, чем другой ген. Очевидно, что в таком случае генетический анализ становится более трудным. Контролирование признаков блоками сцепленных генов, находящихся в одной хромосоме, а тем более – в нескольких, может не просто значительно осложнить генетический анализ, но и сделать его невозможным.

Также следует упомянуть о том, что развитие полимерных признаков может сильно зависеть от воздействия внешних условий среды. Простой пример о положительном влиянии, напр., азотных удобрений на высоту растений, служит хорошо известным и ярким фактом нашей жизни.

Кроме того, при изучении полимерии часто наблюдают явление трансгрессии, при котором в гибридных поколениях появляются константные формы с более сильным выражением признака(ов), чем у родителей.

МОДИФИЦИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Функционирование таких генов, которые сами не определяют какую-либо качественную реакцию или признак, а лишь усиливают или ослабляют действие конкретных генов, было выявлено в ряде экспериментов. Они получили название генов-модификаторов. Исследования молекулярных биологов позволило установить существование энхансеров – генов, обеспечивающих повышенную экспрессию (работу) других генов и сайленсеров – генов, снижающих функциональную способность других генов. Они обеспечивают изменение скорости работы отдельных генов или даже целых групп, регулируя таким образом особенности морфогенеза или отдельных стадий онтогенеза.

МНОЖЕСТВЕННОЕ (ПЛЕЙОТРОПНОЕ) ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ

Кроме рассмотренных типов взаимодействия генов, анализ которых достаточно прост, существует явление, при котором один ген может определять развитие не одного, а одновременно нескольких признаков. В таких случаях говорят о плейотропном эффекте. Схематически его можно изобразить следующим образом.

Признак 1

Последовательность

Ген  Первичный продукт гена  химических Признак 2

реакций

Признак 3

Примером такого наглядного плейотропного эффекта являются, напр., мутанты высших растений с так называемой «хлорофилльной недостаточностью». Фенотипической особенностью таких растений является светло-зелёная окраска листьев. Подобные мутанты имеют разную природу, но рассмотрим один из простых случаев.

Известно, что биосинтез хлорофилла осуществляется рядом биохимических реакций. Среди «хлорофилльных» мутантов встречаются такие, у которых нарушено функционирование одного из ферментов цепи синтеза этого пигмента. В результате первичный фенотипический эффект проявляется в нарушении скорости синтеза хлорофилла. Недостаточное его количество влечёт за собой колоссальные изменения множества признаков растений. Наиболее яркие из них включают:

• уменьшение общего содержания хлорофилла в листьях и, как следствие, изменение окраски на светло-зелёную,

• уменьшение размера органов и растения в целом,

• снижение скорости ассимиляции углекислого газа,

• снижение продуктивности растения,

• снижение скорости синтеза АТФ и ряда других веществ.

Биохимический и физиологический анализ таких растений может дать значительно больше информации о нарушениях, первоначально вызванных изменением синтеза одного-единственного фермента. При этом оказываются сниженными важнейшие в генетическом отношении признаки – жизнеспособность и фертильность.

Пример – серповидно-клеточная анемия – замена заряженного глутамина на гидрофобный валин в молекуле гемоглобина в единственном месте. В результате происходит склеивание молекул гемоглобина этими участками, образуются «тяжи», которые деформируют структуру эритроцита. В конечном итоге нарушается ряд функций организма.

Следует подчеркнуть, что плейотропным действием обладает подавляющее большинство генов. Поэтому генотип является не суммой, а сложнейшей системой взаимодействующих генов. Это во многом объясняет сложность анализа функционирования генетического материала.

НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И СРЕДА

Реализация генотипа всегда происходит в определённых условиях среды, которые могут в значительной степени сказываться на его фенотипическом проявлении. Поэтому на практике мы часто сталкиваемся с разной степенью фенотипической выраженности детерминированного признака, т.е. его экспрессивностью. Это означает, что у всех гетерозигот доминантный признак проявляется в различной степени. И он обусловлен как особенностями всего генотипа (плейотропный характер функционирования многих генов организма), так и действием условий окружающей среды. В силу выше изложенного даже доминантные по природе заболевания подвержены значительной индивидуальной изменчивости по времени начала, тяжести проявления как в пределах одной семьи, так и в разных семьях.

Иногда при генетической предрасположенности фенотипический признак может вообще не появляться. Поэтому говорят, что фенотипическое проявление гена среди его носителей характеризуется пенетрантностью, которая выражается в процентах числа особей, у которых этот признак наблюдается. Она может быть полной (100%) или неполной (менее 100%), если проявляется не у всех особей данного генотипа. Поэтому пенетрантность – понятие статистическое.

Яркий пример пенетрантности и экспрессивности известен для аутосомного доминантного признака полидактилии (многопалости). У гетерозигот его фенотипическое проявление варьирует. Пенетрантность может быть равна нулю, в результате чего у гетерозиготного организма и на руках и на ногах присутствует по пять пальцев. У других гетерозигот признак проявляется, но степень его выраженности (экспрессивность) различается. Так, у разных индивидуумов количество пальцев на руках и ногах может быть соответственно: 5,5-6,6, 5,6-5,7, 6,6-6,6. В подобных случаях говорят о варьирующей экспрессивности. Поэтому генетический анализ в подобных случаях возможен только при использовании весьма обширных родословных.

6