Взаимодействие аллелей одного гена

Введение

Основой для формулировки законов Менделя послужили многолетние опыты по скрещиванию нескольких сортов гороха. Современники Грегора Менделя не смогли оценить важности сделанных им выводов (его работа была доложена в 1865 и вышла в свет в 1866), и лишь в 1900 эти закономерности были переоткрыты и правильно оценены независимо друг от друга.

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.

Неполное доминирование - так называется вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву и имеет среднее (промежуточное) значение между ними. Имеет место при наследовании окраски околоцветника ночной красавицы, львиного зева, окраски шерсти морских свинок и пр.

Кодоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву, и в фенотипе гетерозигот присутствуют продукты обоих генов. Имеет место при формировании, например, IV группы крови системы (АВ0) у человека.

Виды взаимодействия неаллельных пар генов:

Комплементарность — вид взаимодействия неаллельных генов, при котором признак формируется в результате суммарного сочетания продуктов их доминантных аллелей. Имеет место при наследовании ореховидной формы гребня у кур, синей окраски баклажанов, зеленого оперения у волнистых попугайчиков и пр.

Эпистаз — вид взаимодействия неаллельных генов, при котором одна пара генов подавляет (не дает проявиться в фенотипе) другую пару генов.

Полимерия - это вид взаимодействия двух и более пар неаллельных генов, доминантные аллели которых однозначно влияют на развитие одного и того же признака

Законы Грегора Менделя

При моногибридном скрещивании родители различаются по аллелям одного гена.

Первый закон Менделя:

Закон единообразия гибридов первого поколения, или первый закон Менделя, утверждает, что потомство первого поколения, различающихся по одному признаку, имеет одинаковый фенотип по этому признаку. При этом все гибриды могут иметь фенотип одного из родителей (полное доминирование), как это имело место в опытах Менделя, или, как было обнаружено позднее, промежуточный фенотип (неполное доминирование). В дальнейшем выяснилось, что гибриды первого поколения могут проявить признаки обоих родителей (кодоминировапие). Этот закон основан на том, что при скрещивании двух гомозиготных по разным аллелям форм (АА и аа) все их потомки одинаковы по генотипу (гетерозиготны — Аа), а значит, и по фенотипу.

Второй закон Менделя:

Закон расщепления, или второй закон Менделя, гласит, что при скрещивании гибридов первого поколения между собой среди гибридов второго поколения в определ. соотношениях появляются особи с фенотипами исходных родительских форм и гибридов первого поколения. Так, в случае полного доминирования выявляются 75% особей с доминантным и 25% с рецессивным признаком, т. е. два фенотипа в отношении 3:1. При неполном доминировании и кодоминировании 50% гибридов второго поколения имеют фенотип гибридов первого поколения и по 25% — фенотипы исходных родительских форм, т. е. наблюдают расщепление 1:2:1. В основе второго закона лежит закономерное поведение пары гомологичных хромосом (с аллелями А и а), к-рое обеспечивает образование у гибридов первого поколения гамет двух типов, в результате чего среди гибридов второго поколения выявляются особи трёх возможных генотипов в соотношении 1АА:2Аа:1аа. Конкретные типы взаимодействия аллелей и дают расшепления по фенотипу в соответствии со вторым законом Менделя.

1 и 2 законы Менделя выполняются только при условии, если:

1) родители имеют указанные генотипы,

2)учитывают статистические данные, т.е.следует говорить о вероятности.

3) гаметы всех типов образуются и сливаются с равной вероятностью,

4)все гаметы, зиготы и эмбрионы имеют одинаковую жизнеспособность.

При полигенном скрещивании родители различаются по аллелям двух или несколькихгенов.

3 закон Менделя:

Закон независимого комбинирования (наследования) признаков, или третий закон Менделя, утверждает, что каждая пара альтернативных признаков ведёт себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков второго поколения в определ. соотношении появляются особи с новыми (по отношению к родительским) комбинациями признаков. Напр., при скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, во втором поколении выявляются особи с четырьмя фенотипами в соотношении 9:3:3:1 (случай полного доминирования). При этом два фенотипа имеют «родительские» сочетания признаков, а оставшиеся два — новые. Этот закон основан на независимом поведении (расщеплении) неск. пар гомологичных хромосом. Напр., при дигибридном скрещивании это приводит к образованию у гибридов первого поколения 4 типов гамет (АВ, Ab, aB, ab) и после образования зигот — закономерному расщеплению по генотипу и соответственно по фенотипу.

Для того, чтобы все типы гамет образовывались с одинаковой вероятностью, нужно, чтобы:

1)гены были не сцеплены, т.е. находились в гомологичных хромосомах,

2) чтобы в первомделении мейоза ( т.е. в ходе гаметогенеза) все гомологичные хромосомы расходились к полюсам клеток дочерних.

Взаимодействие аллелей одного гена

1) полное доминирование: Например, элементарный признак – количество пальцев на руках и ногах. 6 или 5 пальцев – альтернативные проявления признака. Доминантный аллель А вызывает полидактилию (шесть пальцев), а рецессивный аллель – нормальное число пальцев.

Полидактилия (генотип – Аа)

Норма (генотип –аа )

Для полного доминирования характерно проявление доминантного признака Аа.

 Доминантным, т.е. в переводе с латинского - преобладающим, аллель оказывается из-за того, что с него синтезируется больше белка, чем со второго аллеля, либо активность этого белка более высока.

Аллели всегда взаимодействуют друг с другом на уровне продуктов, т.е. белков

2) неполное доминирование:

 Пример пары альтернативных признаков – у АА- нормальный обмен производной аминокислот цистина (цистин = две аминокислоты цистеин, соединенные дисульфидной связью), у аа – т.н. цистинурия - образование цистиновых камней в почках из-за нарушения мембранного транспорта. У Аа детей камней не будет, но уровень цистина в крови и в моче выше нормы. Т.е. для неполного доминирования характерно промежуточное проявление признака у гетерозигот.

Оно обычно для доминантных патологий, которые у доминантных гомозигот приводят к смерти.

3) кодоминирование (лат ко- вместе):

 Многие гены у людей имеет более двух вариантов аллелей, т.е. множественный аллелизм.

Наследование групп крови в системе АВО. Ген I имеет 3 варианта аллелей – А, В и О (ноль!). Генотипы людей с I группой крови (О)- О О, со второй (А)- А О, А А, с третьей (В)- В О, В В, с четвертой (АВ)- АО, ВО.

I,II иIII группы наследуются по типу полного доминирования (аллель О- рецессивный), а IV-я группа – по типу кодоминирования, т.е. у гетерозиготы проявляются оба аллеля.

4) межаллельная комплементация. Характерна для белков с четвертичной структурой, т.е. состоящих из нескольких субъединиц. В результате соединения субъединиц с разными повреждениями в один белок, этот белок может сохранить свои функции. Например, ген имеет 1 нормальный аллель и несколько разных рецессивных мутантных аллелей: А, а_1,

а₂ , а₃ .

Людей с разными наборами аллелей одного гена называют компаунды.

У разных компаундов по рецессивным мутантным аллелям могут быть разные фенотипы: например, а₁ а₂ - может иметь почти нормальный фенотип, потому что 50% белков, кодируемых этим геном, собираются из разных субъединиц ( т.е. а_{1 +} а₂₎ . А у а₁а₁ или а₂а₂ – белки будут патологическими – т.к. они собираются из одинаковых субъединиц. 

3. Взаимодействие аллелей разных генов

Многие признаки контролируются несколькими генами. Гены взаимодействуют на уровне продуктов, т.е. белков.

Типы взаимодействия:

1. комплементарность (лат комплементум – дополнение)– при этом взаимодействии наличие в генотипе доминантных аллелей обоих генов определяет развитие такого варианта признака, который невозможен при других комбинациях аллелей этих генов.

Примеры: 1) А- синтезируется альфа- цепь гемоглобина А

                  а- синтез альфа-цепи снижен (из-за мутации в инициаторе гена)

                 В- синтезируется бета-цепь гемоглобина А

                 в- синтез бета-цепи снижен

Только при комбинации аллелей А возможно образование нормального количества гемоглобина А: Hb A= 2 +2.

А-вв, ааВ-  нелетальнаяформа талассемии (анемия),

аавв- смерть (т.к. гемоглобин А -отсутствует) .

В основе этого заболевания (талассемии) лежит первый механизм взаимодействия генов, т.е. комплиментарность

Больные родители могут иметь разные формы анемии, поэтому в браке:

Р   А-вв х  ааВ-

может родиться здоровый ребенок с генотипом т.е. заболевание генетическинаследуется.

2.эпистаз (греч эпи – сверх, над): при этом взаимодействии аллели одного гена подавляют (эпистатируют) действие другого гена. Подавляющий аллель называют эпистатным. Выделяют доминантный и рецессивный эпистаз.

При доминантном эпистазе ингибируетдоминантныйаллель. Например:

А- норма, а-аплазия (врожденное отсутствие) слуховых косточек в среднем ухе,

D – атрезия (т.е. отсутствие естественного отверстия) слухового прохода –эпистативныйаллель, d – норма.

Люди с набором аллелей A-D- , aaD- , aadd будут больны

A-dd – здоровы

При рецессивном эпистазе ингибирует рецессивный аллель, если находится в гомозиготном состоянии.

Например, бомбейский феномен.

В основе этого признака лежит второй механизм взаимодействия генов, т.е доминирование.

За группы крови в системе АВО (или иначе АВН) отвечают гены I и H.

Бомбейский феномен- необычное явление, при котором наличие в генотипе 2-х рецессивных аллелей hh подавляет проявление аллелей гена I.

Если человек имеет аллель:

I А – с него образуется фермент, который синтезирует на эритроцитах антиген А (АГ А),

В– фермент – АГ В,

О– фермент не синтезируется – на эритроцитах нет АГ А или В.

Ферменты, синтезированные с гена I, могут присоединять АГ А или В только к АГ Н на эритроците. Если у человека есть аллель

H – с него образуется фермент- идет синтез АГ Н на эритроците, а у hh – фермент не синтезируется и АГ Н на эритроцитах нет.

Если АГ Н не синтезируется, то АГ а или АГ В на эритроцитах не образуются, т.е. АГ Н – предшественник антигенов А и В.

I^AI- hh , I^BI- hh, I^OI^O hh, I^ОI^О H- 1 гр.

Первая группа (I⁰I⁰) – «универсальный донор», её можно переливать всем другим группам крови. Вторую (I^AI-) и третью (I^BI-) можно переливать четвертой (I^AI^B), соответственно четвертая группа – «универсальный реципиент».

3.полимерия:

При этом взаимодействии разные гены дублируют действие друг друга. В связи с этим взаимодействующие гены часто обозначают одной буквой с разными индексами, например, А ₁ , А ₂ , А ₃ .

Выделяют кумулятивную (от лат кумулюс- складывать) и некумулятивную полимерию.

При некумулятивной полимерии одного доминантного аллеля любого из взаимодействующих генов достаточно для проявления доминантного фенотипа.

Некумулятивная полимерия возможна : 1) для качественных признаков (т.е. признак или есть или его нет),

2)при полном доминировании по всем взаимодействующим генам.

Пример некумулятивной полимерии:

(А ₁ ) = D – атрезия слухового прохода

( a ₁ )= d -норма

 (А ₂ )= R - аплазия кортиева органа во внутреннем ухе

(a ₂ ) = r - норма.

D-R-, D-rr, ddR- - глухота, ddrr -норма

Второй вид полимерии – кумулятивная:

При кумулятивной полимерии степень проявления признака зависит от количества доминантных аллелей в генотипе из взаимодействующих генов.

Чем больше генов участвуют в развитии признака, тем сильнее может отличаться степень его проявления у разных людей.

Возможна: 1)для количественных признаков (т.е. признак можно измерить),

2)при неполном доминировании по всем взаимодействующим генам.

Примеры: наследование роста, веса, интеллектуального коэффициента, цвета кожи

 (рецессивный признак – белая кожа). Генотипы людей (пример) с разным цветом кожи – ААВВ – негр, ААВb – темный мулат, АаВb – мулат, Ааbb – светлый мулат, ааbb –белый.

Любое взаимодействие двух генов приводит к появлению не одного, а разныхпризнаков, однако при скрещивании двух дигетерозигот расщепление по фенотипу у потомков будет как при независимом дигибридном наследовании, т.е. либо 9:3:3:1 либо модификацией этого расщепления. Разным генотипам будут соответствовать разные варианты проявления одного признака, например, разная степень анемии или пигментации.

             4. Виды моногенного сцепленного с полом наследования

1)полное сцепление с полом – при этом типе наследования аллели генов находятся только в Х-хромосоме.

Рецессивные признаки развиваются чаще всего у мужчин, т.к. они имеют только одну Х-хромосому, а в У-хромосоме не может быть аллелей данных генов.

Если А-норма, а- мутация, то:

Р          ♀ Х ^А Х ^а                  х           ♂ Х ^А У

G       Х ^А  Х ^а                                            Х ^А         У

F ₁              Х^АХ^А : Х^АУ :     Х^АХ^а : Х^аУ          

25% Норма 25% норма 25% норма 25% забол.

Генотип мужчин, имеющих в норме только одну Х-хромосому, называют гемизиготным. Может быть рецессивная гемизигота - Х ^а У, и доминантная гемизигота - Х ^А У (греч геми – это половинный, полу- ).

Т.е. Х-хромосома с мутацией передается от матери к дочери и к сыну, но проявляется только у сына. Х-хромосома от отца может попасть только к его дочери. Такая передача потомкам признаков (от матери к сыновьям, а от отца –к дочерям) называется крисс-кросс наследование (англ. крест-накрест).

Если женщина гетерозиготна по какой-то рецессивной мутации в Х-хромосоме, то у неё могут проявиться отдельные признаки этого рецессивного заболевания. Это связано с тем, что в разных клетках у женщин работают разные Х-хромосомы. Выключенная Х-хромосома (суперспирализованная) называется тельце Барра.

 Т.е. у таких женщин наблюдается функциональный генетический мозаицизм.

2)частичное (неполное) сцепление с полом:

При этом типе наследования аллели гена расположены в гомологичных участках Х и У-хромосомы. Пример – ген, контролирующий толщину эмали зубов.

Наследование напоминает аутосомное, но есть одна особенность. Возьмем семью:

Р          ♀ Х ^а Х ^а                  х           ♂ Х ^А У^А

F ₁    Х ^А Х ^а                                            Х ^а У^А

F ₂              Х^АХ^а : Х^аХ^а:  Х^АУ^А: Х^аУ^А

Если поколение F ₁ будет гетерозиготным, то рецессивный признак проявится в F ₂  у людей того же пола (у женщины).

3)голандрическое (греч голос-целиком, весь; греч андрос-мужчина) наследование:

При этом типе наследования аллели генов находятся только в У-хромосоме. Примеры таких генов- ген SRY , отвечающий за развитие первичных мужскихполовых признаков;

-ген GCY, участвующий в контроле роста (средний рост у мужчин выше среднего роста женщин).

8. Многие варианты поведения, а также психические расстройства обнаруживают внутрисемейное сходство, более чем случайное: два члена одной семьи чаще демонстрируют похожую выраженность расстройства или чаще страдают одним и тем же расстройством, чем два индивида из нормальной популяции, не являющиеся родственниками. Анализ внутрисемейного сходства в отношении диспозиции поведения и расстройств — предмет научной дисциплины, которая сегодня называется «генетикой поведения», и использует она методы генетики человека и генетической эпидемиологии. Работы в области генетики имеют значение также для разработки валидной диагностической системы. В идеале классификация должна быть ориентирована на факторы, являющиеся причинами или условиями, но именно они и неизвестны для большинства психических расстройств. Однако даже если мы не осведомлены о специфических причинах, можно принять следующее предположение: если два члена одной семьи заболели одной и той же болезнью, то в обоих случаях вероятна одна и та же или схожая причина. Таким образом, паттерны семейного накопления свидетельствуют о воздействии похожих причинных факторов. И наоборот, если два случая расстройства в одной и той же семье произошли не одновременно и ясно, что это не более чем случайность, то маловероятно, что в основе лежат схожие, семейно обусловленные, причинные факторы. И, несмотря на то что причинные факторы для психических расстройств еще не достаточно специфицированы, все-таки паттерн семейного накопления помогает определить более или менее гомогенные в отношении их этиологии классы расстройств.