Специфика проявления гена в признак

Плейотропия – множественное действие гена (один ген контролирует развитие нескольких признаков).

Часто наблюдается явление, когда одна пара генов влияет сразу на несколько признаков. Еще Мендель в своих опытах установил, что растения гороха, имеющие пурпуровые цветки, кроме того всегда имеют красные пятна в пазухах листьев и образуют семена, покрытые серой или бурой кожурой, и что все эти признаки зависят от действия одного наследственного фактора.

При изучении генетических особенностей персидской пшеницы Н.И.Вавилов установил, что доминантный ген черной окраски всегда одновременно вызывает и сильное опушение чешуй.

У плодовой мушки дрозофилы ген, определяющий отсутствие пигмента в глазах, снижает плодовитость, влияет на окраску некоторых внутренних органов и уменьшает продолжительность жизни.

У каракульских овец одним геном определяются цвет шерсти и развитие рубца.

Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным (рис. 56).

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.

У человека известен доминантный ген, определяющий признак "паучьи пальцы" (синдром Марфана). Одновременно ненормальное развитие пальцев сопровождается нарушением строения хрусталика и развитием порока сердца (рис. 57). Здесь в основе множественного эффекта тоже лежит действие одного гена, вызывающего нарушение развития соединительной ткани.

При вторичной плейотропии есть один первичный фенотипический признак – проявление мутантного гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных изменений, приводящих к множественным эффектам. Так, при серповидноклеточной анемии у гомозигот наблюдается несколько патологических признаков: анемия, увеличенная селезенка, поражение кожи, сердца, почек и мозга. Поэтому гомозиготы с геном серповидноклеточной анемии гибнут, как правило, в детском возрасте. Все эти фенотипические проявления гена составляют иерархию вторичных проявлений. Первопричиной, непосредственным фенотипическим признаком проявлением дефектного гена является аномальный гемоглобин и эритроциты серповидной формы. Вследствие этого происходят последовательно другие патологические процессы: слипание и разрушение эритроцитов, анемия, дефекты в почках, сердце, мозге – эти патологические признаки вторичны.

При плейотропии, ген, воздействуя на какой-то один основной признак, может также менять, модифицировать проявление других генов, в связи с чем введено понятие о генах-модификаторах. Последние усиливают или ослабляют развитие признаков, кодируемых "основным" геном.

Модифицирующее действие гена – ген усиливает или ослабляет действие неаллельного гена. Существуют гены "основного действия", т.е. такие, которые определяют развитие признака или свойства, например выработку пигмента, форму плода, чувствительность или устойчивость к заболеваниям и т.д. Наряду с такими генами, по-видимому, существуют гены, которые сами по себе не определяют какую-либо качественную реакцию или признак, они лишь усиливают или ослабляют проявление действия "основного" гена, т.е. модифицируют его, – такие гены получили название модификаторов. Любые взаимодействующие гены в одно и то же время являются генами "основного" действия по одному признаку, а по другому (или другим) являются генами-модификаторами.

Показателями зависимости функционирования наследственных задатков от характеристик генотипа является пенетрантность и экспрессивность.

Рассматривая действие генов, их аллелей необходимо учитывать и модифицирующее влияние среды, в которой развивается организм. Если растения примулы скрещивать при температуре 15-20 °С, то в F₁ согласно менделевской схеме, все поколения будут иметь розовые цветы. Но когда такое скрещивание проводить при температуре 35 °С, то все гибриды будут иметь цветы белого цвета. Если же осуществлять скрещивания при температуре около 30 °С, то возникает разное соотношение (от 3:1 до 100%) растений с белыми цветами.

Такое колебание классов при расщеплении в зависимости от условий среды получило название пенетрантность – сила фенотипического проявления. Итак, пенетрантность – это частота проявления гена, явление появления или отсутствия признака у организмов, одинаковых по генотипу.

Пенетрантность значительно колеблется как среди доминантных, так и среди рецессивных генов. Наряду с генами, фенотип которых появляется только при сочетании определенных условий и достаточно редких внешних условий (высокая пенетрантность), у человека есть гены, фенотипическое проявление которых происходит при любых соединениях внешних условий (низкая пенетрантность). Пенетрантностьизмеряется процентом (%) организмов с фенотипическим признаком от общего количества обследованных носителей соответствующих аллелей.

Если ген полностью, независимо от окружающей среды, определяет фенотипическое проявление, то он имеет пенетрантность 100 % (полная пенетрантность). Однако, некоторые доминантные гены проявляются менее регулярно. Так, полидактилия имеет четкое вертикальное наследования, но бывают пропуски поколений. Доминантная аномалия – преждевременное половое созревание – присуще только мужчинам, однако иногда заболевание может передаться от человека, который не страдал этой патологией. Пенетрантность указывает, в каком проценте носителей гена оказывается соответствующий фенотип. Итак, пенетрантность зависит от генов, от среды, от того и другого. Таким образом, это не константное свойство гена, а функция генов в конкретных условиях среды.

Экспрессивность (лат. “ехргеssio” – выражение) – это изменение количественного проявления признака в разных особях-носителях соответствующего аллеля.

При доминантных наследственных заболеваниях экспрессивность может колебаться. В одной и той жесемье могут проявляться наследственные болезни от легких, едва заметных до тяжелых: различные формы гипертонии, шизофрении, сахарного диабета и т.д. Рецессивные наследственные заболевания в пределах семьи проявляются однотипно и имеют незначительные колебания экспрессивности.

Таким образом, пенетрантность – это вероятность фенотипического проявления гена, которая выражается в процентах (отношение больных особей к числу носителей соответствующего гена).

Экспрессивность – степень клинического проявления гена, которая может быть слабой или сильной. Пенетрантность и экспрессивность генов зависят от эндогенных и экзогенных факторов. Например, если для проявления гемофилии решающее значение имеет нарушение в геноме, то возникновение сахарного диабета зависит от взаимодействия генетических факторов и внешней среды. В последнем случае говорят о наследственном предрасположении. Способность генотипа по-разному проявляться в различных условиях среды называется нормой реакции. Норма реакции наследуется, а изменения в пределах нормы реакции не наследуются.

Ряд сходных по внешнему проявлению признаков, в том числе и наследственных болезней, может вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называется генокопией. Биологическая природа генокопий заключается в том, что синтез одинаковых веществ в клетке в ряде случаев достигается различными путями.

Одним из первых это явление изучал Н.В.Тимофеев-Ресовский. По предложению Н.В.Тимофеева-Ресовского, с середины 1930-х годов гетерогенными группами стали называть группы генов, дающих весьма сходное внешнее проявление, но локализованных в разных хромосомах или разных локусах, как, например, группа генов minute, обусловливающих редукцию щетинок у дрозофилы. Это явление широко распространено в живой природе, включая человека. Правда, в генетической литературе для его обозначения обычно используют не термин Н.В. Тимофеева-Ресовского «гетерогенные группы», а более поздний (середины 40-х годов XX века), предложенный немецким генетиком X.Нахтсхаймом – «генокопии», в дополнение к которому позже был введен термин «фенокопии».

В наследственной патологии человека большую роль играют также фенокопии – модификационные изменения. Они обусловлены тем, что в процессе развития под влиянием внешних факторов признак, зависящий от определенного генотипа, может измениться; при этом копируются признаки, характерные для другого генотипа. Таким образом, фенокопия – ненаследственное изменение фенотипа организма, вызванное действием определённых условий среды и копирующее проявление какого-либо известного наследственного изменения – мутации – у этого организма.

В развитии фенокопий могут играть роль разнообразные факторы среды – климатические, физические, химические, биологические и социальные. Врожденные инфекции (краснуха, токсоплазмоз, сифилис) также могут стать причиной фенокопий ряда наследственных болезней и пороков развития. Существование гено- и фенокопий нередко затрудняет постановку диагноза, поэтому существование их врач всегда должен иметь в виду.