Лекция 3. Взаимодействие аллельных генов.

1. Множественный аллелизм.

2. Взаимодействие аллельных генов:

2.1. Доминантно-рецессивное взаимодействие.

2.2. Сверхдоминирование.

2.3. Неполное доминирование.

2.4. Кодоминирование.

2.5. Летальное действие гена.

Ген может находиться в двух альтернативных состояниях – ген дикого типа и мутантный ген. Гену дикого типа соответствует аллель дикого типа, мутантному гену – мутантный аллель. Следовательно, мутантный аллель является результатом мутации в гене. Ген есть определенный участок молекулы ДНК, последовательность нуклеотидов, определяющая синтез одного полипептида, либо молекулы тРНК или рРНК. Изменение одного нуклеотида может привести к мутации, при этом мутировать может любой из них в пределах данного гена. Следовательно, в гене может быть столько мутаций, сколько в нем содержится нуклеотидов. Столько же может быть аллельных состояний у одного и того же гена. Для некоторых генов показано, что каждое аллельное состояние может проявиться новым признаком.

Множественный аллелизм – различное фенотипическое проявление аллелей одного и того же гена. Это явление демонстрирует множественность состояний гена, которые проявляются различными признаками. Если доминантный аллель обозначается как А, а рецессивный как а, то множественные аллели обозначаются как А1, А2, А3, А4 или а 1, а 2, а 3, а 4 и т. д. Особенно- стью множественных аллелей является то, что их можно расположить в ряд с убывающей степенью доминирования, например, А>А1 >А2 >А3 >А4 >а 1 >а 2 >а 3 >а 4 и т. д. Этот ряд указывает на относительный характер их доминирования и зависимость их проявления от конкретных условий генотипической среды.

Аллельные взаимодействия – взаимодействия между аллелями одного и того же гена.

К аллельным взаимодействиям относят:

• доминантно-рецессивные;

• неполное доминирование;

• кодоминирование;

• летальное действие гена.

 

Доминантно-рецессивное взаимодействие

Типичными примерами доминантно-рецессивных взаимодействий является наследование признаков в экспериментах Г. Менделя. Расщепление признаков в F2 при моногибридном скрещивании соответствует формуле 3: 1 по фенотипу или 1: 2: 1 по генотипу. Аллели дикого типа доминируют над рецессивными, в результате чего первое поколение всегда имеет доминантный фенотип. Большинство известных признаков живых организмов дикого типа явля- ются доминантными. Ген в доминантном состоянии обеспечивает проявление признака, а в рецессивном – нет. Поскольку ген в клетке представлен двумя копиями, то вариантов сочетания доминантных и рецессивных аллелей данного гена может быть три: два доминантных аллеля – АА; один доминантный, один рецессивный аллель – Аа; два рецессивных аллеля – аа.

Примером заболевания рецессивного типа является альбинизм – отсутствие пигмента меланина в коже человека, а также в волосах и радужной оболочке глаза относится к заболеваниям рецессивного типа. Причина альбинизма дефект в цепи биосинтеза пигмента меланина (за- тронут один ген). Заболевание возникает, если обе копии гена мутантные. В гетерозиготном состоянии проявляется доминантный признак – пигмент синтезируется в норме. Однако у внешне нормальных родителей в этом случае могут родиться альбиносы.

Сверхдоминирование

В ряде случаев при моногибридном скрещивании может наблюдаться сверхдоминирование, которое выражается формулой ААаа, а при множественном аллелизме – А1А1А2А2, соот- ветственно. В основе этого явления лежит более высокий уровень развития признака (фенотипа) у гетерозигот (Аа) по сравнению с гомозиготными комбинациями аллелей АА или аа. Явление сверхдоминирования может наблюдаться у гибридов первого поколения при скрещивании исходных гомозиготных родительских форм определенного генотипа, а также на популяционном уровне, когда гетерозиготы получают преимущество в соответству- ющих условиях среды (такое явление носит название гетерозиготной адаптивной нормы). Гетерозис. Со сверхдоминированием связано явление гетерозиса, т. е. усиление мощности гетерозиготного организма. Причины гетерозиса сегодня окончательно еще не установлены. Чаще всего в основе этого явления лежит сочетание у гибридов двух исходных родительских генотипов с определенной, выгодной для потомства комбинацией генов. Примером гетерозисных гибридов являются двойные межлинейные гибриды у кукурузы.

Неполное доминирование

Доминантно-рецессивные взаимодействия и проявление доминантного признака в первом поколении обычно называют полным доминиро- ванием. Проявление же нового признака (промежуточного) в F1 – неполное доминирование. Классическим примером неполного доминирования является появление у львиного зева (Antirrhinum majus) и ночной красавицы (Mirabilis jalapa) в потомстве F1 растений с розовыми цветками, при скрещивании родительских форм с красными и белыми цветками. Впервые это явление описал К. Корренс. В первом поколении он обна- ружил отклонение от закона Менделя – потомство оказалось промежу- точной окраски, тогда как во втором – менделевское наследование со- хранялось, но с той лишь разницей, что расщепление по генотипу и фе- нотипу совпадало – 1: 2: 1. Известно, что окраска цветков ряда растений зависит от наличия в их клетках антоцианового пигмента, а интенсивность окраски от его концентрации. Синтез пигмента осуществляется в несколько этапов, один из которых (контролируемый геном А) у данных расте- ний, является лимитирующим – активность фермента ограничивает количество синтезируемого пигмента. При наличии мутации в данном гене в гомозиготном состоянии фермент не синтезируется и окраска цветков исчезает. В гетерозиготном состоянии Ii (одна доза доминантно- го аллеля) активности фермента недостаточно, чтобы обеспечить нор- мальную окраску цветков, в результате чего они становятся розовыми.

Кодоминирование — тип взаимодействия аллелей, при котором оба аллеля в полной мере проявляют своё действие. В результате, так как проявляются оба родительских признака, фенотипически гибрид получает новый, усреднённый вариант двух родительских признаков. Так, у гомозигот АА развивается признак А, у гомозигот A1A1 — признак A1, а у гетерозигот AA1 развиваются оба признака.

Границы между кодоминированием, неполным доминированием и промежуточным наследованием фенотипически достаточно расплывчаты. Так, в некоторых источниках кодоминирование рассматривается как отсутствие доминантно-рецессивных отношений, то есть представляет собой промежуточное наследование. В то же время некоторые случаи неполного доминирования (например, у некоторых видов появляются розовые цветки у гибридов F1 от скрещивания красноцветковых и белоцветковых растений) можно также рассматривать как промежуточное наследование. Причиной путаницы является то, что во всех трёх случаях гибриды первого поколения обладают промежуточным вариантом признака.

Кодоминирование и неполное доминирование, несмотря на фенотипическое сходство, имеют различные механизмы появления. Кодоминирование имеет место при полноценном проявлении двух аллелей; неполное же доминирование происходит тогда, когда доминантный аллель не полностью подавляет рецессивный, то есть у гетерозигот доминантный аллель проявляется слабее, чем у гомозигот по этому аллелю. Указанные генотипы при неполном доминировании отличаются экспрессивностью, то есть степенью выраженности признака.

Широко известным примером кодоминирования является наследование групп крови у человека. Они детерминируются геном I, имеющим три аллели: IA, IB, i0. У гомозигот IAIA эритроциты имеют только поверхностный антиген А (группа крови А(II)), а у гомозигот IBIB имеется лишь поверхностный антиген В (группа крови В(III)). Гомозиготы i0i0 лишены поверхностных антигенов (группа крови 0(I)). Гетерозиготы IAi0 и IBi0 имеют группы крови A(II) и B(III), поверхностные антигены А и В соответственно. А у гомозигот IBIA оба аллеля проявляются одновременно и определяют одновременное присутствие поверхностных антигенов А и В (группа крови AB(IV)).

Другой пример кодоминирования — это взаимодействие аллелей гена бета-глобина. Возможны три генотипа по этому гену: HbA/HbA, HbA/HbS и HbS/HbS, все они могут быть определены методом белкового электрофореза. Оба аллеля в этом случае экспрессируются кодоминантно, то есть оба аллеля транскрибируются в мРНК.

Летальные аллели (также летали) — аллели, как правило, рецессивные, фенотипический эффект которых вызывает гибель организма при определенных условиях, или на определенных этапах развития (чаще всего на эмбриональных стадиях развития, но существуют летали, вызывающие гибель например, при окукливании личинки дрозофилы). Летальные аллели возникают в результате т. н. летальных мутаций — летальность таких мутаций говорит о том, что данный ген ответственен за какую-либо жизненно необходимую функцию.

Летальными называются аллели, носители которых погибают из-за нарушений развития или заболеваний, связанных с работой данного гена. Между летальными аллелями и аллелями, вызывающими наследственные болезни, есть все переходы. Например, больные хореей Хантингтона (аутосомно-доминантный признак) обычно умирают в течение 15—20 лет после начала заболевания от осложнений, и в некоторых источниках предлагается считать этот ген летальным.

Сублетальными, или полулетальными называются аллели, эффект гибельности которых част, но не обязателен (то есть переходные между летальными аллелями и аллелями, вызывающими наследственные болезни), условно летальными называют мутации, при которых организм несущий такие мутации может жить в предельно узком диапазоне условий, например мутации ауксотрофности у микроорганизмов (не способность расти на питательных средах без определённых жизненнонеобходимых веществ из-за утраты способности их синтезировать) субстратнозависимые мутации (неспособность использовать некоторые вещества в качестве источника углерода и энергии) и температурнозависимые мутации (способность жить только в узком диапазоне температур — например некоторые мутанты дрозофилы не способны жить при температуре выше 25 оС).