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

Стр 1 из 11Следующая ⇒

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 (А¹ 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.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒
Поделиться:

Популярное:
IX.4.1. Аутосомно-доминантный тип наследования заболевания
IX.4.2. Аутосомно-рецессивный тип наследования заболевания
Административно – процедурное производство. Сущность и виды.
Антропогенетика как наука. Её предмет, методы, задачи.
Безналичные расчеты, их виды.
Безработица и занятость, их виды.
Безработица.сущность.виды.последствия
Библиографические ссылки: понятие, виды.
Биологические процессы в океане и их взаимодействие с гидрологическими условиями
В40. Доверенность: понятие, форма, срок, виды. Передоверие
Вариация признаков. Порядок исчисления показателей вариации.
Вексель как средство расчетов и кредитования. Понятие, признаки, виды. Вексельная ответственность. Протест векселя.

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