1. Взаимодействие аллельных генов. Гены, которые занимают идентичные (гомологические) локусы в гомологичных хромосомах, называются аллельными. У каждого организма есть по два аллельных гена.
Основная форма взаимодействия - полное доминирование, которое впервые описано Г. Менделем. Суть его заключается в том, что в гетерозиготном организме проявление одной из аллелей доминирует над проявлением другой. При полном доминировании расщепления по генотипу 1:2:1 не совпадает с расщеплением по фенотипу - 3:1. В медицинской практике с двух тысяч моногенных наследственных болезней почти в половины имеет место доминированое проявления патологических генов над нормальными. В гетерозигот патологический аллель проявляется в большинстве случаев признаками заболевания (доминантный фенотип).
Неполное доминирование - форма взаимодействия, при которой у гетерозиготного организма (Аа) доминантный ген (А) не полностью подавляет рецессивный ген (а), вследствие чего проявляется промежуточный между родительскими признак. Здесь расщепление по генотипу и фенотипу совпадает и составляет 1:2:1
При кодоминировании в гетерозиготных организмах каждый из аллельных генов вызывает формирование зависимого от него продукта, то есть оказываются продукты обеих аллелей. Классическим примером такого проявления является система групп крови, в частности система АBО, когда эритроциты человека несут на поверхности антигены, контролируемые обеими аллелями.
Сверхдоминирование - когда доминантный ген в гетерозиготном состоянии проявляется сильнее, чем в гомозиготном. Так, у дрозофилы при генотипе АА-нормальная продолжительность жизни; Аа - удлиненная триватисть жизни; аа - летальный исход.
2. Полное доминирование — это вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот не отличается от фенотипа гомозигот по доминанте, то есть в фенотипе гетерозигот присутствует продукт доминантного гена. Полное доминирование широко распространено в природе, имеет место при наследовании, например, окраски и формы семян гороха, цвета глаз и цвета волос у человека, резус-антигена и мн. др.
Наличие резус-антигена (резус-фактора) эритроцитов обусловливается доминантным геном Rh. То есть генотип резус-положительного человека может быть двух видов: или RhRh, или Rhrh; генотип резус-отрицательного человека — rhrh. Если, например, мать — резус-отрицательная, а отец резус-положительный и гетерозиготен по этому признаку, то при данном типе брака с одинаковой вероятностью может родиться как резус-положительный, так и резус-отрицательный ребенок. Между резус-положительным плодом и резус-отрицательной матерью может возникнуть резус-конфликт.
Р: ♀rhrh (резус-отрицательная) × ♂Rhrh (резус-положительный)
Типы гамет: гамета rh гамета Rh ; гамета rh
F: Rhrh (резус-положительный) 50% ; rhrh (резус-отрицательный) 50%
Неполное доминирование наблюдается, когда фенотип гетерозигот отличается от фенотипа гомозигот промежуточным проявлением признака. Это объясняется тем, что аллель, способный сформировать нормальный признак, находясь в двойной дозе, у гомозигот проявляется сильнее, чем в единственной дозе у гетерозигот. В этом случае генотипы различаются экспрессивностью, то есть степенью выраженности признака. При неполном доминировании доминантный ген не полностью подавляет проявление действия рецессивного гена. У гибридов первого поколения наблюдается промежуточное наследование, а во втором поколении - расщепление по фенотипу и генотипу одинаково 1:2:1 (проявляется доза действия генов). Например, если скрестить растения душистого горошка с красными и белыми цветами, первое поколение будет иметь розовые цветки.
Сверхдоминирование - феномен, при котором гетерозиготы проявляют большую мощность и жизнеспособность по сравнению с обеими гомозиготами по данной паре аллелей (например, Аа) по сравнению с обоими типами гомозигот (АА и аа). Серхдоминирование можно определить также как гетерозис, возникающий при моногибридном скрещивании. Наиболее известный пример сверхдоминирования — взаимоотношения между нормальным (S) и мутантным (s) аллелями гена, контролирующего структуру гемоглобина у человека. Люди, гомозиготные по мутантной аллели (ss), страдают тяжёлым заболеванием крови — серповидноклеточной анемией, от которого они гибнут обычно в детском возрасте (эритроциты больного имеют серповидную форму и содержат гемоглобин, структура которого незначительно изменена в результате мутации). Однако в тропической Африке и других районах, где распространена малярия, в популяциях человека постоянно присутствуют все три генотипа — SS, Ss и ss (20—40% населения гетерозиготы — Ss). Оказалось, что сохранение в популяциях человека летальной (смертельной) аллели (s) обусловлено тем, что гетерозиготы (Ss) более устойчивы к малярии, чем гомозиготы по нормальному гену (SS), и, следовательно, обладают отборным преимуществом
В качестве примера можно привести наследование серповидноклеточной анемии. Основной функцией эритроцитов является транспорт кислорода от легких к тканям и углекислого газа от тканей к легким. Этот перенос возможен благодаря тому, что в эритроцитах есть специальный дыхательный пигмент - гемоглобин. Гемоглобин у людей с серповидноклеточной анемией отличается от нормального только тем, что в результате единичной мутации, глутаминовая кислота в положении 6 в B-цепи заменена валином. Такое незначительное различие однако оказывает существенное влияние на свойства и функции гемоглобина. Если в норме эритроциты имеют форму двояковогнутого диска, то у людей с этим заболеванием они преобретают серповидноклеточную форму, становятся более хрупкими и быстрее разрушаются. Уменьшение количества тромбоцитов вызывает у человека симптомы анемии. В настоящее время известно достаточно большое количество форм аномальных гемоглобинов. Наследование каждой из них определяется особым геном. Обозначим рецессивную аллель гена, который вызывает серповидноклеточную анемию, как "<Hbs>", а доминантную аллель как "<HbA>". Люди с гомозиготные по рецессивному аллелю ("<Hbs> <Hbs>") будут иметь серповидноклеточную анемию, а люди с генотипом "<HbA> <HbA>" будут совершенно здоровы.
При сверхдоминировании доминантный ген в гетерозиготном состоянии проявляет себя сильнее, чем в гомозиготном. У мухи дрозофилы имеется рецессивный летальный ген (а) – гомозиготы (аа) погибают. Мухи, гомозиготные по гену А (АА), имеют нормальную жизнеспособность, а гетерозиготы (Аа) - живут дольше и более плодовиты, чем доминантные гомозиготы. Объяснить это можно взаимодействием продуктов генной активности.
Аутосомно-рецессивное наследование - наследование признака, контролируемого рецессивными аллелями аутосомного гена; тип наследования признака или болезни, при котором мутантный аллель, локализованный в аутосоме, должен быть унаследован от обоих родителей. К аутосомно-рецессивным заболеваниям относят заболевания, при которых для появления фенотипических признаков необходимы две копии мутантного гена, находящиеся в гомозиготном состоянии. Это означает, что оба родителя должны быть гетерозиготными носителями мутантного гена. Появление аутосомно-рецессивной патологии более вероятно при кровнородственных браках за счёт большей вероятности встречи двух супругов, гетерозиготных по одному и тому же патологическому аллелю, полученному от их общего предка. Чем больше степень родства супругов, тем эта вероятность выше. Чаще всего вероятность наследования болезни аутосомно-рецессивного типа составляет 25%, так как вследствие тяжести заболевания такие больные либо не доживают до детородного возраста, либо не вступают в брак.
Родословная , иллюстрирующая аутосомно-рецессивный тип наследования, характеризуется следующим: 2) Лица мужского и женского пола поражаются с одинаковой частотой; 3) Лица с фенотипическими проявлениями заболевания практически всегда появляются только в одном поколении семьи; 4) Дети от гомозиготного родителя с аутосомно-рецесгивным заболеванием являются гетерозиготаыи по мутантному гену; 5) У детей от гомозиготного родителя фенотипические проявления заболевания могут возникать только в том случае, если второй супруг имеет мутантный ген в гетерозиготном состоянии.
Цистинурия - заболевание, связанное с нарушением обмена цистина, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. У таких больных отсутствует транспортная система, выводящая цистин из лизосом. Цистин, накапливаясь в почках, способствует развитию симптомокомплекса, включающего полиурию, лихорадку, гипотрофию и потерю аппетита.
3. Множественный аллелизм.
Иногда ген имеет не два, а большее число аллелей, которые возникают в результате мутации. Многократное мутирование одного и того же гена образует серию множественных аллелей, а само явление называется явлением множественного аллелизма. За проявление таких признаков отвечают несколько генов, два из которых могут находиться в соответствующих локусах хромосом.
Имеются определенные закономерности множественного аллелизма: 1) Каждый ген может иметь большое число аллелей; 2) Любой аллель может возникнуть в результате прямой и обратной мутации любого члена серии множественных аллелей. 3) В диплоидном организме могут одновременно находиться два любых аллеля из серии множественных аллелей; 4) Один и тот же аллель может быть доминантным по отношению к одному аллелю и рецессивным по отношению к другому 5) Члены серии множественных аллелей наследуются так же, как и пара аллелей 6) Разные сочетания аллелей в генотипе обуславливают различные фенотипические проявления одного и того же признака; 7) Серии аллелей увеличивают комбинатов ну ю изменчивость.
Наследование групп крови у человека – пример множественного аллелизма. Группа крови у человека контролируется аутосомным геном, его локус обозначается I, три его аллели обозначаются А, В, 0. А и В – кодоминантны, О – рецессивен по отношению к обоим. Можно сказать, что четыре группы крови человека определяются антигенами А и В. Если ни одного из них нет, то у человека первая (нулевая) группа крови. Присутствие антигена А дает вторую группу, антигена В - третью, совместное их присутствие обусловливает развитие четвертой группы. Сделано предположение, что нулевая группа зависит от рецессивного гена, обозначаемого через i, над ним доминирует как ген IA, дающий вторую группу, так и ген Iв, дающий третью группу. Гены IA и IB вместе дают четвертую группу крови. Зная, что из трех аллелей в генотипе может быть только две, мы можем предположить, что сочетания могут быть соответствующими четырем группам крови:
В наследовании групп крови есть несколько очевидных закономерностей: 1. Если хоть у одного родителя группа крови I(0), в таком браке не может родиться ребёнок с IV(AB) группой крови, вне зависимости от группы второго родителя. 2. Если у обоих родителей I группа крови, то у их детей может быть только I группа. 3. Если у обоих родителей II группа крови, то у их детей может быть только II или I группа. 4. Если у обоих родителей III группа крови, то у их детей может быть только III или I группа. 5. Если хоть у одного родителя группа крови IV(AB), в таком браке не может родиться ребёнок с I(0) группой крови, вне зависимости от группы второго родителя. 6. Наиболее непредсказуемо наследование ребенком группы крови при союзе родителей со II и III группами. Их дети могут иметь любую из четырёх групп крови.
5. Аллельное исключение
Аллельное исключение – вид взаимодействия аллельных генов, при котором в разных клетках одного и того же организма фенотипически проявляются разные аллели. В результате возникает мозаицизм. Пример: фенотипическое проявление аллельных генов, расположенных в Х-хромосоме женского организма. В норме в каждой клетке женщины из двух Х-хромосом функционирует только одна. Другая находится в плотном спирализованном состоянии (инактивированном) и образует «тельце Барра». При этом в одних клетках будет функционировать Х-хромосома, полученная от матери и несущая один аллельный ген (А), а в других клетках - хромосома, полученная от отца и содержащая другой аллельный ген (а).
7. Плейотропное действие генов - это зависимость нескольких признаков от одного гена, то есть множественное действие одного гена. Плейотропное действие генов имеет биохимическую природу: один белок-фермент, образующийся под контролем одного гена, определяет не только развитие данного признака, но и воздействует на вторичные реакции биосинтеза других признаков и свойств, вызывая их изменение. Плейотропное действие генов впервые было обнаружено Г. Менделем, который установил, что у растений с пурпурными цветками всегда имелись красные пятна в пазухах листьев, а семенная кожура была серого или бурого цвета. То есть развитие этих признаков определяется действием одного наследственного фактора (гена).
Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным. При первичной плейотропии ген проявляет свой множественный эффект. Например, при болезни Хартнупа мутация гена приводит к нарушению всасывания аминокислоты триптофана в кишечнике и его реабсорбции в почечных канальцах. При этом поражаются одновременно мембраны эпителиальных клеток кишечника и почечных канальцев с расстройствами пищеварительной и выделительной систем.
При вторичной плейотропии есть один первичный фенотипний проявление гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных изменений, приводящих к множественным эффектам. У человека встречается рецессивная наследственная болезнь — серповидно-клеточная анемия. Первичным дефектом этой болезни является замена одной из аминокислот в молекуле гемоглобина, что приводит к изменению формы эритроцитов. Одновременно с этим возникают: анемия, увеличенная селезенка, поражение кожи, сердца, почек и мозга. Это приводит к тому, что гомозиготный по этому заболеванию ребенок погибает в детстве.
Причиной синдрома Марфана является доминантная мутация гена, контролирующего одновременно рост, длину пальцев, формирование интеллекта и форму хрусталика. Для человека с этим синдромом характерен комплекс следующих признаков — высокий рост, очень длинные гибкие («паучьи») пальцы, повышенный интеллект, близорукость.
8. Пенетрантность — частота фенотипического проявления аллеля в популяции. Определяется как отношение числа особей, у которых наблюдаются фенотипические проявления наличия аллеля, к общему числу особей, у которых данный аллель присутствует в необходимом для фенотипического проявления количестве копий (в зависимости от характера доминирования, для фенотипического проявления может быть достаточно только одной копии аллеля или двух, если для фенотипического проявления необходимо, чтобы особь была гомозиготна по данному гену).
Например, фраза «аллель A обладает пенетрантностью 95 %» означает, что из всех особей, у которых данный аллель имеется в необходимом числе копий, лишь у 95 % наличие этого аллеля можно установить по показателям фенотипа. Полная пенетрантность — это 100 % фенотипическое проявление наличия данного аллеля в пределах популяции. Пенетрантность — вероятность того, что ген будет иметь любые фенотипические проявления. Если частота экспрессии фенотипа менее 100%, т.е. существуют лица, имеющие соответствующий генотип без каких-либо его проявлений, говорят, что ген имеет неполную пенетрантность. Пенетрантность — понятие типа «все или ничего». Это процент людей с патологическим генотипом и его проявлениями, хотя бы в некоторой степени
Пенетрантность определяется по проценту особей в популяции, имеющих мутантный фенотип. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у каждой особи. При неполной пенетрантности (меньше 100%) ген проявляется фенотипически не у всех особей.
Экспрессивность – степень проявления доминантного признака у гетерозигот. Экспрессивность – степень фенотипического проявления гена как меры силы его действия, определяемая по степени развития признака. У некоторых гетерозиготных организмов при полном доминировании наблюдается различная степень выраженности доминантного признака. В этом случае говорят о различной экспрессивности и пенетрантности генов. Например, аллели групп крови АВ0 у человека имеют постоянную экспрессивность (всегда проявляются на 100%), а аллели, определяющие окраску глаз, – изменчивую экспрессивность.
Экспрессивность — тяжесть экспрессии фенотипа среди индивидуумов с одним патологическим генотипом. Когда тяжесть болезни различается у людей, имеющих тот же генотип, говорят, что фенотип имеет вариабельную экспрессивность. Даже в одной родословной два индивидуума, несущих те же мутантные гены, могут иметь некоторые одинаковые признаки и симптомы, а другие проявления болезни могут различаться в зависимости от пораженных тканей и органов. На экспрессивность могут влиять гены – модификаторы и факторы среды. У мутантов с неполной пенентрантностью часто изменяется и экспрессивность. Пенетрантность – явление качественное, экспрессивность количественное.
Механизмы, лежащие в основе законов Г. Менделя:
1. Мейоз
2. Оплодотворение