Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Взаимодействие неаллельных генов, виды. Доминантный и рецессивный эпистаз. Гены супрессоры, энхансеры, модификаторы. Комплементарность. Генетика количественных признаков. Полимерия



Генотип любого организма представляет собой сложную систему взаимодействующих генов как аллельных, так и неаллельных. При этом число генов, существенно влияющих на какой-либо признак, по-видимому, ограничено, иначе повреждение только одного гена, а их у человека не менее 30 000, приводило бы к изменению всей генетической системы.

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ

Под комплементарностью понимают такой тип взаимодействия генов, при котором два гена вместе обусловливают развитие нового признака, отличного от родительских вариантов. Существует не менее трех типов комплементарности:

 

• доминантные гены различаются по фенотипическому проявлению;

• доминантные гены имеют сходное фенотипическое проявление;

• и доминантные, и рецессивные гены имеют самостоятельное фенотипическое

проявление.

Если доминантные аллели двух генов обусловливают разный фенотип, то в F2 наблюдается расшепление 9: 3: 3: 1. В качестве примера данного типа взаимодействия генов можно привести наследование формы гребня у кур (рис. 5.4.).

У гибридов первого поколения (F, ) доминантные гены А и В дополняют друг друга и вместе обусловливают ореховидную форму гребня, которой не было у родительских форм. При скрещивании гибридов F1: АаВЬ х АаВЬ во втором поколении, наряду с ореховидной, розовидной и гороховидной появляется простая форма гребня в соотношении: 9 А_ В_: 3 А_ ЬЬ: 3 аа В_: 1 аа ЬЬ («_» означает, что аллель в гомологичной хромосоме может быть как доминантным, так и рецессивным). В отличие от менделевского расщепления, наблюдаемого во втором поколении дигибридного скрещивания, в данном случае в первом поколении два гена действуют на один признак.

При другом варианте комплементарности доминантные аллели двух взаимодействующих генов не имеют собственного фенотипического проявления: новый фенотип у гибридов определяется одновременным присутствием в генотипе двух неаллельных доминантных генов.

Так, у тутового шелкопряда Bombyx mori желтая окраска кокона определяется наличием в генотипе двух доминантных генов — А и В, при наличии в генотипе только одного из этих генов, а также у двойных гомозигот ааЬЬ - окраска кокона белая. Поэтому в F2 у 7/16 коконов окраска белая, а у 9/16 А В - желтая.

Р ААЬЬ х ааВВ

белые коконы белые коконы

F1 АаВЬ

желтые коконы

F2 9/16А_В _: 3/16 А_ ЬЬ : 3/16 аа В _: 1/16 аа ЬЬ

желтые коконы (9) белые коконы (7)

ДОМИНАНТНЫМ И РЕЦЕССИВНЫМ ЭПИСТАЗ

При эпистазе происходит подавление действия одного гена другим, не аллельным геном: А > В или А > ЬЬ. Гены, подавляющие действие других генов, называют ингибиторами или супрессорами. Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. При доминантном эпистазе один доминантный ген подавляет проявление другого доминантного гена.

Возможны два варианта доминантного эпистаза

1. Гомозиготы по рецессивным аллелям фенотипически отличаются от генотипов с доминантными аллелями.

У тыквы Cucurbita реро окраска плода может быть желтой (А) и зеленой (а). Эта окраска может подавляться доминантным ингибитором (I), в результате чего плоды (I_А_; /I_ аа) получаются белыми.

Р: IIAA х iiаа

белая зеленая

F1: IiAaбелая

F2: 9/16 I_A_; 3/16 I_ aa ; 3/16 iiA _; 1/16 iiaa

белые (12) желтые (3) зеленые (1)

В описанном и аналогичных случаях в F2 имеет место расщепление по фенотипу 12: 3: 1.

2.Гомозиготы по рецессивным аллелям iiaa не отличаются по фенотипу от I_А_ и от I_ аа. Например, у кукурузы Zea mays окраска зерна может быть пурпурной (А) и белой (а).

У 9/16 растений I_А_ при наличии доминантного ингибитора / пигмент не син­тезируется. У 3/16 растений с генотипом I_аа и у 1/16 ii аа отсутствует ген пурпур­ной окраски, поэтому зерна в початках кукурузы также белые. И только у 3/16 ii А_окраска зерен пурпурная, поскольку в генотипе есть ген окраски, а ингибитор пред­ставлен рецессивным аалелем. Таким образом, в F, соотношение растений с окра­шенными и неокрашенными зернами 13: 3.

При рецессивном эпистазе рецессивный аллель одного гена подавляет действие неаллельного доминантного гена аа > В_, а между доминантными генами наблюда­ется комплементарность.

Например, у льна Linum usiiatissimum аллель А определяет окрашенный венчик, аа — неокрашенный (белый), В - голубой, ЬЬ - розовый. По-видимому, ген А необ­ходим для синтеза предшественника пигмента, без которого ни голубой, ни розовый пигменты не образуются. Гетерозиготные растения А_В_ имеют голубую окраску венчика (комплементарностьдоминантных генов), АаЬЬ — розовую, тогда как рецес­сивные аллели гена а в гомозиготном состоянии подавляют синтез как голубого пиг­мента в генотипах ааВВ и ааВЬ, так и розового пигмента у аа ЬЬ (рецессивный эпи­стаз).

Вследствие двух типов взаимодействия генов у льна в F2 наблюдается расщепле­ние 9: 3: 4.

Р ААЬЬ х ааВВ

розовый белый

F1 АаВЬ

голубой

F2: 9/16 A_В_; 3/16 А_bb; 3/16 аа В_; 1/16 аа ЬЬ

голубые (9) розовые (3) белые (4)

 

ДВОЙНОЙ РЕЦЕССИВНЫЙ ЭПИСТАЗ

При таком варианте эпистатического взаимодействия рецессивные аллели имеют собственное фенотипическое проявление; в двойных гомозиготах рецессивные алле­ли взаимно подавляют друг друга: аа > ЬЬ, а ЬЬ> аа.

Примером может служить взаимодействие мутации дрозофилы brown, bw (корич­невые глаза) с мутациями vermilion, v; cinnabar, сп; scarlet, st и cardinal, cd, каждая из которых фенотипически проявляется как ярко-красные глаза. Мутации bw и сп лока­лизованы во второй хромосоме, st — в третьей, v — в первой хромосоме. Мутации раз­личных генов: сп, st, v и им подобные X. Нахтсхайм (1946) стал называть генокопия- ми, поскольку они имеют сходный фенотип. Ранее Н.В. Тимофеев-Ресовский назы­вал такие мутации гетерогенными группами генов.

Соотношение по фенотипу в F2 от скрещиваний мутантов bw х st, bwxv зависит от локализации этих генов. При локализации взаимодействующих генов в различ­ных аутосомах (bw и st) наблюдается расщепление по фенотипу - 9 bw+ st+: 3 bw+ st : 3 bw st+: 1 bwst (см. схему). В такой форме записи указаны только те аллели, которые проявляются на фенотипическом уровне, индексы «+» означают нормальные аллели (или аллели дикого типа), доминантные по отношению к bw, v, и st. При этом после­довательность записи генов в фенотипе и генотипе соответствует порядковому номе­ру хромосомы. Например, геи bw локализован во второй хромосоме, a st - в третьей, поэтому ген bw в генотипе bw/bw; st/st записывается раньше гена st.

Генотипы Р и F1:

Р: (ж) bw+/bw+ ; st/st х (м) bw/bw, st+/st+

F1: (ж) bw+/bw, st/st+ x (м) bw+/bw; st/st+

Обозначения:

/ — гомологичные хромосомы;

верхние индексы «+» над символами мутаций — нормальные аллели генов;

brown, bw - коричневые глаза, мутация второй хромосомы;

scarlet, st — ярко-красные глаза, мутация третьей хромосомы.

Расщепление по фенотипу в F2 можно рассчитать по формуле, исходя из гетеро- зиготности самок и самцов по генам bw и st, и независимого наследования этих ге­нов, локализованных в разных хромосомах:

(3 bw+ + 1 bw) х (3 st+ + 1 st)

Фенотипы F2:

9 bw+st+ темно-красные глаза (нормальные)

3 bw st+ — коричневые глаза

3 bw+st — ярко-красные глаза

1 bw st — белые глаза

В случае сцепленного с полом наследования одной из мутаций (v) отношение по фенотипу в F2 будет иным: 3 + +: 3 v +: 1+ bw : 1 v bw (см. схему). При скрещивании самок vermilion с самцами brown в первом поколении самки имеют нормальный фе­нотип, а самцы — vermilion. Исходя из генотипов самок и самцов F, по генам vermil­ion - v/v+ х v/Y и brown - bw/bw+ x bw/bw+ можно рассчитать по формуле ожидаемое расщепление по фенотипу в F2: (lv+ + lv) х (3 bw+ + 1 bw) = 3 v+ bw +: 3 v bw+: 1 v+ bw: 1 v bw или 3 + +: 3 v +: 1 + bw: 1 v bw. У мух v bw глаза белого цвета, поскольку образование красного и коричневого пигментов у них блокировано.

Р: (ж) v/v; bw+/bw+ х (м) +/Y; bw/bw

F, (ж) v/v+; bw/bw+ х (м) v/Y; bw/bw+

F2: 3 + +: 3 v +: 1 + bw : 1 v bw

Таким образом, количественно расщепление по фенотипу во втором поколении зависит не только от типа взаимодействия, но и от локализации генов в аутосомах или половых хромосомах.

Изучена биохимическая природа взаимодействия этих генов. Известно, что каж­дый из этапов метаболизма того или иного соединения катализируется ферментами. В свою очередь фермент находится под контролем одного или нескольких генов в зависимости от числа неидентичных субъединиц, входящих в его структуру. В мета­болических путях продукт каждой предыдущей ферментативной реакции является субстратом следующей. Так происходит до тех пор, пока не образуется конечный продукт. При этом последовательно активируются гены, кодирующие ферменты, которые необходимы для превращения субстратов в продукты на всех этапах био­синтеза. Биосинтез коричневого пигмента у Drosophila melanogaster представляет со­бой именно такой метаболический путь; различные этапы этого пути блокируются мутациями v, сп, st, cd. Мутация гена vermilion блокирует превращение триптофана в формилкинуренин вследствие потери активности фермента триптофанпирролазы (рис. 5.5). У мутантов cinnabar из-за отсутствия активности кинуренингидроксилазы нарушено превращение кинуренина в 3-оксикинуренин. Мутации cardinal и scarlet нарушают последний этап биосинтеза оммохромов из 3-оксикинуренина. При этом у мутантов cardinal снижена активность феноксазино-синтетазы, а у мутантов scarlet нарушено поглощение кинуренина тканями. Носители мутаций, блокирующих синтез коричневого пигмента, но не влияющих на синтез красных пигментов, имеют сходный фенотип: ярко-красную окраску глаз.

Каждый из аутосомных генов, блокирующих один из этапов биосинтеза коричне­вых пигментов, наследуется по менделевским правилам. Так, при скрещивании му­тантов bw х bw*\ st х st*', cd x cd* в первом поколении у гетерозигот bw/bw*, st/st*, cd/cd + доминируют нормальные аллели, а во втором поколении во всех скрещивани­ях наблюдается расщепление 3: 1. С одной стороны, такой тип наследования призна­ка, судя по зависимости признака от определенного гена, является моногенным. Но, с другой стороны, в биохимической цепи синтеза коричневого пигмента каждый следующий этап синтеза зависит от предыдущего, находящегося под контролем дру­гого гена. Так кинуренингидроксилаза (первичный продукт гена cinnabar) обеспечи­вает синтез 3-оксикинуренина из кинуренина, но кинуренин образуется из предыду­щего соединения (формилкинуренина) при действии фермента триптофанпиррола- зы, кодируемого другим геном — vermilion. Поэтому образование коричневого пиг­мента зависит от согласованного действия всех нормальных аллелей генов: v+, сп*, st+ и cd*. На этом примере видно, что моногенность наследования признаков отнюдь не означает абсолютную независимость действия генов, которые кодируют фермен­ты, участвующие в последовательных реакциях одного метаболического пути.

В приведенном примере мутации v, сп, st, cd, с одной стороны, и мутация bw —с другой, блокировали пути биосинтеза различных пигментов. Вместе с тем у эукари­от известны примеры взаимосвязанных метаболических путей, когда одна мутация может одновременно блокировать разные цепи биохимических процессов.

Так в экспериментах на Drosophila melanogaster была показана биохимическая природа взаимодействия двух мутаций Pgd(Phosphogluconate dehydrogenase) и Zw (Zwischenferment), локализованных в Х-хромосоме. Мутации гена Pgd, (6ФГД) блоки­руют превращение 6-фосфоглюконата в рибулозо-5-фосфат вследствие снижения активности фермента 6-фосфоглюконатдегидрогеназы. 6-Фосфоглкжонат (промежуточный продукт пентозного пути) ингибирует фермент гликолиза — глюкозофос- фатизомеразу, превращающую глюкозо-6-фосфат во фруктозо-6-фосфат (рис. 5.6). Блокирование двух путей окисления глюкозы гликолиза и пентозо-фосфатного цикла является летальным, поскольку в отсутствие гликолиза организм не обеспечен достаточным количеством молекул АТР, а пентозо-фосфатный путь необходим для синтеза молекул NADPH и нуклеиновых кислот.

Супрессорами для всех Pgd-деталей служат мутации в гене Zw. При наличии мутаций в гене Zw снижается активность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД); в результате глюкозо-6-фосфат может быть использован в гликолизе. В этом случае 6-фосфоглюконат не ингибирует гликолиз, а выступает в роли субстрата для образования пентоз. Мутации гена Zw восстанавливают жизнеспособность мух без восстановления функции локуса Pgd (см. рис. 5.6.).

 

ГЕНЫ-МОДИФИКАТОРЫ

Наряду с генами «основного» действия, на развитие любого признака оказывают влияние и другие гены, как правило, не имеющие собственного фенотипического проявления. Энхансеры усиливают, а супрессоры (ингибиторы) ослабляют проявление основных, главных генов. Такие неаллельные гены, усиливающие или ослабляющие действие главного гена, называются генами-модификаторами. Многие гены в организме в одно и то же время могут быть генами «главного действия» по одним признакам и генами-модификаторами по другим. Это частный случай плейотропно- го (множественного) действия генов, когда один ген влияет одновременно на несколько признаков организма.

На дрозофиле было показано, что гены-модификаторы обладают следующими свойствами:

• могут быть локализованы либо в той же хромосоме, что и основной ген, либо в другой хромосоме;

• могут оказывать плейотропный эффект на такие количественные признаки, как жизнеспособность и плодовитость;

• один и тот же ген-модификатор может ослаблять действие одних и усиливать действие других генов.

ПОЛИГЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ И КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ

Кумулятивная полимерия. Значительная часть признаков у эукариот, наследуемых по- лигенно, находится под контролем не двух-фех, а большего числа генов (их количество пока еще фудно определить). При моногенном типе наследования в мо- ногибридном скрещивании один ген проявляется в двух альтернативных состояниях без переходных форм. Такие признаки относятся к качественным, при их анализе, как правило, не проводится никаких измерений. При неаллельном взаимодействии двух несцепленных генов даже при сохранении менделевского отношения 9: 3: 3: 1 фе­нотип первого поколения гибридов зависит от действия обоих генов. Однако насле­дование качественных признаков может определяться взаимодействием трех и более генов. При этом каждый из этих генов имеет свою долю влияния на развитие призна­ка. Примером может служить наследование красной и белой окраски зерен пшени­цы в опытах шведского генетика Нильсона-Эле. Результаты этих опытов были опуб­ликованы в 1909 г.

При скрещивании сорта пшеницы, зерна которой имели темно-красную окраску, с сортом, имеющим белые зерна, гибриды первого поколения имели красную окра­ску более светлых тонов. Во втором поколении получилось такое соотношение по фенотипу: на 63 окрашенных зерна с различными оттенками красного цвета прихо­дилась 1 белое зерно (неокрашенное). Эти результаты были объяснены Нильсоном- Эле следующим образом. Темно-красная окраска зерен пшеницы обусловлена дей­ствием трех пар доминантных генов, а белая — трех пар рецессивных, при этом по мере увеличения числа доминантных генов окраска становится более интенсивной. Обозначим доминантные аллели фех генов, локализованных в разных хромосомах, прописными буквами А1 А2 А 3 а рецессивные — строчными а 1 а2 а3, тогда генотипы ис­ходных форм будут: А1А 1 А2А2 А3А 3 х а'а1 а2а2 а3 а3

Гаметы А1 А2А3 А1 А2а3 а1 А2А3 А1 а2А3 А1 а2а3 а1А2а3 а'а2А3 а1 а2а3
А'А2А3
А1 А2а3
а1 А2А3
А1 а2А3
А1 а2а3
а1 А2а3
а1 а2А3
а1а2а3

 

Рис. 5.10. Определение частот доминантных генов в скрещивании краснозерных и бе­лозерных сортов пшеницы

Окраска зерен у гибридов первого поколения А1 а1 А2а2 А3а3 при наличии трехдо- минантных аллелей будет промежуточной светло-красной. При скрещивании гиб­ридов первого поколения А 1а1 А2а2 А3а3х А1а1 А2а2 А3а3 у каждого из гибридов обра­зуется по 8 типов гамет, поэтому во втором поколении ожидается расщепление в 64- х долях (8 х 8). Среди 63/64 растений с окрашенными зернами интенсивность окра­ски усиливается по мере увеличения числа доминантных аллелей различных генов в генотипе. Видимо, каждый доминантный ген способствует увеличению количества синтезированного пигмента, и в этом смысле такой признак можно отнести к коли­чественным. Тип аддитивного действия генов, каждый из которых оказывает свою, часто небольшую, долю влияния на признак, называется кумулятивной полимерией.

Используя решетку Пеннета, можно подсчитать частоты доминантных геновсреди генотипов второго поколения. Для этого в каждой из 64 клеток вместо генотипа записывается число присутствующих в нем доминантных аллелей (рис. 5.10). Определив частоты доминантных аллелей, можно убедиться, что генотипы с числом доминантных генов 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0 встречаются 1, 6, 15, 20, 15, 6, 1 раз соответственно. Эти данные представлены в виде графика на рис. 5.11. На горизонтальной оси указано число доминантных генов в генотипе, а на вертикальной — частоты их встречаемости. С увеличением числа генов, определяющих один признак, этот график приближается к идеальному нормальному распределению. Такого типа графики характерны для количественных признаков, таких как рост, вес, длительность жизни, яйценоскость и других признаков, показатели которых можно измерить.

 

К количественным относятся признаки, варьирующие более или менее непрерывно от одной особи к другой, что позволяет распределить особей по классам в соответствии со степенью выраженности признака. На рис. 5.12 приведен пример распределения по росту у мужчин. Эта выборка разделена на 7 классов с 5 см-интервалом. Мужчины со средним ростом (171—175 см) составляют большую часть выборки. С наименьшей частотой встречаются мужчины, которые включены в класс с ростом 156—160 см и 186—190 см. С увеличением выборки и с уменьшением классового интервала график может приблизиться к нормальному распределению по росту.

Фенотипическая изменчивость без разрывов в проявлении, представленная на графике нормального распределения признака, называется непрерывной. Непрерывная изменчивость количественных признаков зависит от двух причин: 1) от генетического расщепления по большому числу генов, 2) от влияния среды, как причины модификационной изменчивости.

Впервые датский генетик Иогансен показал, что непрерывная изменчивость такого количественного признака как масса бобов фасоли Phaseolus vulgaris зависит как от генетических, так и средовых факторов. Путем инбридинга в течение ряда поколений он вывел несколько чистых (гомозиготных) линий, различающихся по средней массе бобов. Например, средняя масса бобов в линии 1 была 642 мг, в линии 13-454 мг, в линии 19-351 мг. Далее Иогансен вел отбор крупных и мелких бобов в каждой линии с 1902 по 1907 г. Вне зависимости от массы родительских семян средняя масса бобов после 6 лет отбора была такой же, как и в исходной линии (рис. 5.13). Так в линии № 13 при массе родительских семян от 275 мгдо 575 мг средняя масса семян в потомстве сохранилась на том же уровне ±450 мг (табл. 5.1). При этом в каждой линии масса бобов варьировала от минимальных до максимальных значений, а наиболее многочисленным был класс со средней массой, что характерно для количественных признаков (см. рис. 5.13). Отбор в чистых линиях оказался невозможен.

Еще один пример. В 1977 г. Д.С. Билева, JI.H. Зимина, А.А. Малиновский изучали влияние генотипа и среды на продолжительность жизни двух инбредных линий Drosophila melanogaster. Путем инбридинга и отбора были выведены две линии № 5 и № 3, четко различающиеся по длительности жизни. Продолжительность жизни определялась на трех вариантах корма: полноценном (дрожжи, манная крупа, сахар, агар-агар), обедненном (манная крупа, сахар, агар-агар) и сахарном (сахар, агар-агар). Обеднение состава корма приводило к уменьшению длительности жизни. Продолжительность жизни самок 5-й линии на сахарном корме (в днях) снизилась с 58±2, 1 до 27, 2±1, 8, а самцов с 63, 7±2, 9 до 34, 8±1, 5, т.е. оказалась примерно в 2 раза меньше, чем на полноценном корме. Такая же закономерность была характерна и для самок и самцов 3-й линии. Длительность жизни самок этой линии снизилась с 50, 7±1, 9 до 24, 3±1, 2, а самцов с 32, 9±2, 9 до 21, 6± 1, 5 дня. При этом гистограмма, отражающая изменчивость по данному признаку на полноценном корме, близка к гистограмме представленной на рис. 5, 12, а, а на обедненном и сахарном наблюдается ассиметричное распределение со сдвигом средней величины в сторону уменьшения длительности жизни.

Некумулятивная полимерия. Наряду с кумулятивной (аддитивной) полимерией известны случаи наследования по типу некумулятивной (неаддитивной) полимерии, когда характер проявления признака не меняется в зависимости от числа доминантных полимерных генов. Так у кур оперенность ног определяется доминантными аллелями двух генов А1 и А2:

В F2 среди 15/16 гибридов с оперенными ногами есть такие, которые имеют четы­ре доминантных аллеля ( А'А1 А2А2), три (А'А1 А2а2), два (А'а1 А2а*) или всего один 1 а1 а2а2), характер оперенности ног в этих случаях один и тот же.

Главные гены в системе полигенов. Среди генов, влияющих на количественный признак, может оказаться «сильный» или главный ген, и более «слабые» гены. Дей­ствие главного гена иногда настолько существеннее действия других генов, что при­знак, кодируемый им, наследуется по менделевским законам. Изменчивость одного и того же признака может находиться под контролем как одного главного гена, так и полигенов. Например, карликовость у человека в случае ахондроплазии обусловлена специфическим главным геном, в то время как изменчивость по росту в нормальной популяции индивидов является примером полигенной изменчивости. Гены, дейст­вие которых заметно сильнее действия других генов на этот признак, можно изучать по отдельности от действия других генов. С другой стороны, один и тот же ген вслед­ствие плейотропного действия, может оказывать сильное влияние на один признак и менее значительное на другой признак. К тому же к главным генам могут быть от­несены те, которые определяют признаки, наследуемые по законам Менделя, без их отношения к системе полигенов. Подразделение генов на главные и неглавные не всегда обосновано, хотя бесспорно, что их роль в определении признака может быть различна.

Широко распространенные болезни человека, например, артериальная гипер­тензия, ишемическая болезнь сердца, бронхиальная астма, язвенная болезнь желуд­ка, наследуются полигенно. При этом тяжесть заболевания зависит не только от со­вокупного действия множества генов, но и от провоцирующих средовых факторов.

 


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 2849; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.115 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь