Версия для печати          http://bio.fizteh.ru/student/files/biol … ion17.html
Опубликовано: 10.05.2008
Лекция №17. Связь генотипа и фенотипа: варианты проявления менделевских закономерностей
--------------------------------------------------------------------------------

Мы продолжим обсуждать качественные признаки, и говорить о связи генотипа и фенотипа, о вариантах проявления менделевских закономерностей, и что за этим стоит с точки зрения наших представлений о работе генетического материала.

Зачем надо изучать результаты Менделя и Моргана? Прежде всего, нам интересно узнать что-то о нас самих. Нам хочется быть богатыми, здоровыми и счастливыми (последние два признака во многом генетически контролируемые. Есть люди, которые чувствуют себя обычно счастливыми, а есть такие, которые чаще ощущают себя несчастными – эти ощущения связаны с определенными генетическими характеристиками).

Если мы знаем характер генетического контроля признака, то мы можем предсказать с определенной вероятностью фенотип на основе генотипа (если он известен). Если мы не знаем, как признак контролируется, то мы будем в полном неведении, и не сможем ничего сказать относительно признаков будущих поколений. Если мы знаем связь между генотипом и фенотипом, то мы можем сделать определенные предсказания о развитии признака (например, болезни) и, в некоторых случаях, предпринять действия полезные индивиду. Для этого нам надо установить генотип. Сейчас эта задача технически разрешима (поскольку секвенирование генома человека проведено), хотя и непомерно дорога.

В реальности нам дано лишь наблюдать проявление признака в поколениях и на основе этого создавать модель генетического контроля формирования признака, которая может быть верна лишь в данных конкретных условиях. Но, тем не менее, если мы создали такую модель, то мы можем в этом случае иметь средства для регуляции какого-то признака, в частности, повлиять возникновение или ход какой-либо болезни. Таким образом, генетический контроль и его изучение имеет большое практическое, в частности, медицинское, значение. И в основе всего лежат менделевские закономерности, которые могут проявляются по-разному в зависимости от конкретных особенностей генотипа и среды.

Мы сейчас рассмотрим, какие могут быть условия генотипа и среды, при которых эти закономерности будут выглядеть не такими, как их наблюдал Мендель, и почему это происходит. Мендель наблюдал, что при объединении задатков двух признаков в одном организме может быть проявление только одного признака. Второй задаток не проявляется. Такой тип доминирования называется полным.

Переоткрытие законов Менделя привело к выявлению других типов доминирования. Например, неполного доминирования, когда фенотип гетерозиготы является промежуточным между двумя гомозиготами. Есть еще один тип доминирования, очень популярный в последнее время в суде, – кодоминирование – в гетерозиготе проявляются фенотипы каждой из гетерозигот. Это явление имеет место, в частности, и у человека. Если у вас есть папина хромосома и мамина хромосома (а это, несомненно, так), и они различаются в миллионе позиций, что можно выявить разными методами, то это все случаи кодоминирования.

Первичным фенотипом организма является последовательность нуклеотидов молекул его ДНК. На этом фенотипе строятся все фенотипы следующих уровней. То есть при исследовании вашей ДНК проявляются все и папины, и мамины признаки; каждая из молекул ДНК проявляет свой признак независимо от присутствия другой молекулы ДНК с другим признаком: при секвенировании или при расщеплении ДНК какими-либо ферментами видны оба состояния ДНК. Кодоминантные признаки (маркеры самой молекулы ДНК) характеризуют различие между хромосомами и используются для идентификации личности или установления отцовства (число таких случаев разрешаемых в суде составляет несколько сотен в год).

Когда мы говорим о генотипе и фенотипе – это такие крайние единого процесса реализации наследственной информации в индивидуальном развитии. Например, гладкая или морщинистая форма горошины, это ее фенотип. А генотип – это та специфическая последовательность нуклеотидов, которая в данных условиях определяет, что горошина будет гладкой или морщинистой. В 1999 году с менделевскими линиями гороха была проведена следующая работа. Участки хромосомы, отвечающие за форму горошины, были клонированы, секвенированы, и было установлены их особенности - различие последовательностей нуклеотидов – которые и определяли развитие гладкой или морщинистой формы горошины.

Обратите внимание, что форма горошины является конечным признаком, а формированию признака этого уровня предшествует проявление признака на многих предыдущих уровнях. Во-первых, это наличие (аллель 1) или отсутствие (аллель 2) олигосахарида, которое и приводит к той или иной форме горошины. Еще более глубоким уровнем проявления фенотипа является то, что имеется соответствующий белок (аллель 1), который необходим для синтеза олигосахарида или это тот же белок, но альтернативной структуры (аллель 2), при которой олигосахарид не образуется. Еще более глубоким признаком является РНК, с которой синтезируется этот белок. Эти РНК различны по последовательности нуклеотидов (аллели 1 и 2), что и делает различными соответствующие белки. А эти РНК различны, потому что транскрибируется с разных молекул ДНК, папиной и маминой, у которых последовательности нуклеотидов в данной позиции различны (аллели 1 и 2). Все это – проявление одного и того же фенотипа, последовательно реализуемого на каждом из уровней.

Мы имеем право говорить о фенотипе на каждом из этих многих уровней – от конкретных особенностей последовательности нуклеотидов ДНК до формы горошины. При этом, как только мы продвигаемся от ДНК выше, тем больше влияние условий окружающей среды. Например, возможность функционирования разных аллелей на уровне ДНК (транскрипция папиной и маминой копии гена) будет мало зависеть от температуры, а возможность функционирования тех же аллелей на уровне белка может критически зависеть от температуры. При некоторых температурах белок (например, аллель 1) будет работать, а другой (аллель 2) не будет работать. Как только мы выдвигаемся на более высокий уровень в реализации фенотипа, появляется больше возможностей для влияния окружающей среды на проявление признака.

И наоборот, чем ближе мы продвигаемся к генотипу, тем предсказуемее связь между генотипом и фенотипом. При идентификации человека в судебно-медицинской экспертизе чаще всего используются маркеры, которые различают одни и те же участки гомологичных (папины и мамины) хромосом. Обычно эти различия - микровставки в данном месте молекулы ДНК. Принцип метода таков. Мы можем размножить in vitro фрагмент молекулы ДНК в нужном месте хромосомы, например, с координатами от позиции N до позиции N+100. Этот фрагмент мы выбрали потому, что в нем у каждого человека в каждой хромосоме есть вставка, например, динуклеотид СА. В каждой хромосоме длина этой вставки может быть своя. Допустим, в одной хромосоме этот динуклеотид повторен в данном месте 10 раз, а в том же месте другой хромосомы – 15 раз. При размножении этого участка хромосомы мы получим фрагменты двух длин 100 +2*10=120 пар нуклеотидов и 100+2*15=130 пар нуклеотидов. Фрагменты каждого из этих размеров отличимы после их фракционирования электрофорезом в геле.

Пусть и папа и мама гетерозиготны по этому локусу, подобно гибридам первого поколения Менделевского моногибридного скрещивания. Обозначим их генотипы по характеристической длине размножаемых фрагментов ДНК – 120/130. Тогда их дети будут иметь такие генотипы 1 120/120 (гомозиготы по аллелю 120) : 2 120/130 (гетерозиготы) : 1 130/130 (гомозиготы по аллелю 130). Естественно, присутствие в образце фрагмента ДНК одной длины не влияет на возможность детекции фрагмента ДНК другой длины, то есть, используемые маркеры ко-доминантны. Они обе проявляются. Понятно, что здесь проявляются те же менделевские закономерности передачи и расщепления признаков, хотя в качестве признака мы использовали морфологию самой молекулы ДНК – различную длину фрагмента молекулы в данном месте хромосомы.

После переоткрытия законов Менделя выяснялось, что Мендель то в одном как бы как бы не прав, то в другом как бы не прав. Обнаруживались дополнительные обстоятельства, которые модифицировали проявление менделевских закономерностей.

Например, число классов генотипов и фенотипов зависит от плоидности, даже если аллелей всего два. К примеру, эндосперм в зерне кукурузы триплоидный. У него два генома маминых, а один папин (из пыльцевого зерна). Получали растения кукурузы, которые различались по числу доминантного аллеля гена Y. Этот аллель необходим для образования витамина А. Когда в эндосперме была одна копия аллеля Y, то Если относительное количество витамина А при одной копии аллеля Y составляло единицу, то при двух копиях – 2,2, а при трех копиях – 3,3. То есть выраженность конкретного признака может зависеть от дозы гена. А может и не зависеть – как в случае полного доминирования одного аллеля над другим. Все зависит от конкретного механизма формирования признака.

То, что от дозы гена зависит количество его продукта, используется в биотехнологиях, как основа всех современных процессов, основанных на рекомбинантных ДНК. Во всех этих случаях в клетке увеличивают дозу гена. Увеличение дозы гена приводит к нужным нам результатам, но клетка от этого может умереть. Обычно при производстве это безразлично. Критерием эффективности в биотехнологии является получение целевого вещества с минимальными затратами. Впрочем, если бы могли получить корову, которая бы дала сразу цистерну молока, а потом бы умерла, это было бы очень технологично, но не этично. Однако с бактериями так и поступают: выращивают бактерии в идеальных условиях, а затем включают синтез, который стоит бактериям жизни.

Например, с помощью технологий рекомбинантных ДНК сконструированы бактерии, превращающие сахар в аминокислоту треонин. Более половины углерода, поглощенного такими бактериями превращается в единственный целевой продукт. Меньше половины сахара превращается в тысячи других углерод-содержащих соединений клетки, а, кроме того, расходуется еще и как источник энергии, чтобы все это синтезировать и просто жить. Треонин накапливается в среде до концентрации в 100 грамм на литр, что близко к пределу его растворимости. Мировые объемы производства рекомбинантных продуктов составляют десятки тысяч тонн в год (треонин) и даже сотни тысяч тонн (лизин).

В менделевском случае каждый признак формировался под действием как бы одного гена, который на другие признаки не влиял (ведь растение с гладкими семенами могло быть разной высоты, иметь разного цвета семена и цветы и др.), На самом деле формирование каждого признака требует работы многих генов, и большинство генов влияют более, чем на один признак. Например, относительное содержание каждого из трех метаболитов в эндосперме кукурузы (на слайде) зависит от генотипа по каждому из трех исследованных генов.

Видно, что на каждый признак влияет каждый из трех генов, и таких генов наверняка больше. Для формирования каждого признака нужно много генов. Объясним это на примере слуха. Чтобы человек слышал, нужны многие структуры уха: молоточки, наковаленки, барабанные перепонки, и если не будет какого-то белка, нужного, чтобы сформировать эти структуры, то человек не будет слышать. Поэтому глухота у человека может возникать из-за дефектов в десятках известных генов (контролирующих много элементов слухового аппарата, передачу сигнала в нервной ткани т.д.). При этом разные генотипы могут приводить к одному фенотипу (глухота). Внешне одинаковые фенотипы, обусловленные разными генетическими причинами, называются фенокопиями. Мутации глухоты редки и обычно рецессивны. Глухота проявляется обычно как моногенный аутосомный дефект с наследованием по менделевскому типу. Известны случаи, когда муж и жена, оба глухие, хотели бы, чтобы и их будущий ребенок был глухим, чтобы он также принадлежал их сообществу. Этот пример показывает – понятие нормы и болезни относительно. Оно зависит, в том числе, и от отношения индивида к своей особенности и от отношения общества к этой особенности.

Менделевские закономерности при взаимодействии генов (на примере глухоты). Допустим, что глухота определяется рецессивными мутациями в 10 разных генах и частота этих мутаций в популяции одинакова.

Вопрос 1. Какова вероятность того, что у двух глухих родителей будет глухой ребенок? Решение. Каждый из родителей - гомозигота по мутации в одном из генов, нужных для развития слуха. Вероятность того, что второй родитель несет мутацию в том же гене, что и первый составляет 1/10. Следовательно, вероятность того, что ребенок от такого брака будет глухим, составляет 10%, а того, что он будет слышать – 90%. Запись генотипов будет при этом следующая: родители ааВВ х АА bb, потомство первого поколения Аа Bb.

Вопрос 2 . Какова будет доля слышащих потомков от скрещивания индивидов первого поколения? (Чтобы не смущать друг друга будем считать, что этот опыт проводится, конечно, не на людях, а на мышах – основном модельном генетическом объекте из млекопитающих). Решение. Расщепление по каждой паре аллелей происходит независимо друг от друга. То есть скрещивание Аа Bb х AaBb можно записать как два независимых скрещивания. По гену А: родители Аа х Аа. Расщепление у потомков по фенотипу составит 3 : 1 (3 слышащих к 1 глухому). При этом у всех слышащих есть хотя бы один доминантный аллель А. Такой генотип записывается в форме А- . Генотип глухих потомков – аа (гомозиготы по рецессивному аллелю). Тогда генотипы соответствующие слышащим и неслышащим потомкам скрещивания можно представить как 3А- : 1аа.

Таким же образом запись потомков по генотипу при расщеплении аллелей по локусу В можно представить как 3В- : 1bb.

Поскольку расщепление по аллелям одного локуса происходит независимо от расщепления по аллелям другого локуса, то генотип потомков при расщеплении по двум локусам одновременно можно записать в следующем виде:

(3А- : 1аа) х (3В- : 1bb) = 9A-B- : 3aaB- : 3A-bb : 1aabb

Чтобы индивид слышал, ему необходимо иметь хотя бы один аллель дикого типа по каждому из локусов. Таких индивидов 9 (генотипы А-В-). Чтобы индивид не слышал, достаточно гомозиготности по любому из двух рецессивных генов. Таких индивидов 7 (генотипы aaB-, A-bb и aabb)

Таким образом, при скрещивании дигетерозигот соотношение слышащих потомков к неслышащим составит 9:7.

Отдельный ген может влиять на несколько признаков, в развитие которых он вовлечен. Такой эффект действия гена называется плейотропным (множественным). Например, альбинизм вызывается дефектом одного гена, контролирующего образование меланина. При этом меняются одновременно такие признаки как цвет волос (белый), цвет кожи (белый) и цвет глаз, (он будет красным от цвета кровеносных сосудов, лежащих за радужной оболочкой глаза). Множество признаков определяется геном SRY, контролирующим формирование всех признаков мужского пола у млекопитающих. Перенос гена SRY из Y-хромосомы самца в геном самки мыши, приводил к развитию особи с огромным количеством внешне наблюдаемых признаков мужского пола.

У Менделя получились одинаковые численные соотношения при расщеплении аллелей многих пар признаков. Это в частности подразумевало одинаковую выживаемость индивидов всех генотипов, но это может быть и не так. Бывает, что гомозигота по какому-нибудь признаку не выживает. Например, желтая окраска у мышей может быть обусловлена гетерозиготностью по одной из пар аллелей (слайд). При скрещивании таких гетерозигот друг с другом следовало бы ожидать расщепление по этому признаку соотношении 3:1. Однако, наблюдается расщепление 2:1, то есть 2 желтых к 1 белой (рецессивная гомозигота). Показано, что доминантная (по окраске) гомозигота не выживает уже на эмбриональной стадии. Этот аллель одновременно является рецессивной леталью (то есть рецессивной мутацией, приводящей к гибели организма).

На следующем слайде показаны типы групп крови, их наследуемость. Этот пример приведен для того, чтобы сказать, что у одного гена может быть не только два аллеля. У Менделя их было всего два для каждого признака: например желтая и зеленая окраски, третьего не дано. Но на самом деле аллелей по каждому локусу может быть много. Группы крови различаются по тому, какой тип антигена мы вырабатываем. Может вырабатываться антиген типа А или В, но если одна хромосома ответственна за тип А, а другая за тип В, то будут вырабатываться оба типа антигена. Перед нами случай кодоминирования на уровне белка, когда наличие одного типа антигена не препятствует наличию другого. Четвертый тип – когда антигены вообще не вырабатываются. Какое практическое значение это имеет для нас? Это были первые генетические исследования, проведенные во время первой мировой войны в австрийской армии, так как во время войны всегда была острая необходимость переливания крови, которое не всегда оказывалось удачным, то есть человек от переливания крови иногда умирал.

Переливать кровь наиболее безопасно между людьми, у которых одинаковая группа крови. Антигены групп крови у них одинаковые, антител против них нет и агглютинация (слипание клеток крови) не произойдет.

Если донором (то есть сдающим кровь) является человек, у которого ни одного из антигенов нет (группа крови 0), то его кровь можно переливать кому угодно – она не будет вызывать агглютинации у реципиентов (тех, кому кровь переливают) с любым типом крови. Таким образом, люди с типом крови 0 являются универсальными донорами. И наоборот, в крови людей с группой АВ не содержатся антитела ни на один из этих антигенов (ни на А, ни на В) и эти люди счастливы быть универсальными реципиентами – переливать кровь им можно от людей своей и всех остальных групп крови. То есть человек с группой крови АВ может принять кровь с любым типом. Самый плохой случай для реципиента – нулевая группа крови, которая будет реагировать с группами крови А, В и АВ.

Два разных гена могут находиться в разных локусах и влиять на один и тот же признак. Например, у дрозофилы могут быть разный цвет глаз, от коричневого (рецессивная гомозигота по одному гену), через разные оттенки красного к белому (рецессивная гомозигота по другому гену). Красные глаза имеет муха дикого типа (например, гомозигота по всем аллелям дикого типа), а также гетерозигота по двум генам, каждый из которых нужен для пигментации глаза (см. рис. слева). Взаимодействие двух генов в таком случае называют комплементарностью (дополнительностью). При скрещивании дигетерозигот дает расщепление по фенотипу в отношении 9:3:3:1. Из четырех фенотипических классов по окраске глаза самый многочисленный – 9, это окраска дикого типа, а самый малочисленный – 1, отсутствие окраски из за дефекта обоих генов, определяющих образование разных пигментов.

Такая же ситуация у человека с окраской волос, у нас есть разные типы меланина: эу- и фикомеланин, которые в разном сочетании дают разные оттенки, например рыжий.

Справа на рисунке приведен тот же пример, только на растениях. Гены в различных локусах могут давать вклад в развитие одной и той же фенотипической характеристики: у перца 2 разных гена нужны для образования двух разных пигментов, что приводит к расщеплению по типу дигибридного скрещивания. Это используется при получении определенного цвета перца. Чтобы получит потомство с нужным цветом плода необходимо знать генотипы родителей и правильно их подбирать для скрещивания.

На животных это применяется на пушных зверьках в звероводческих фермах. За счет определенного подбора аллелей десятков известных генов, определяющих окраску шерсти, можно получить большое разнообразие окрасок шкур пушных зверьков, причем заранее планировать сколько и каких типов окраски получится.

Если два разных гена взаимодействуют при формировании признака
и их действие складывается, то такое действие генов называют кумулятивным (накапливающимся). Например, степень красной окраски зерна пшеницы определяется двумя разными генами, в каждом из которых есть неполностью доминантный аллель А.

Таким образом, наблюдается много вариантов численных соотношений классов в потомстве дигибридного скрещивания в зависимости от типа взаимодействия генов. Если взаимодействия нет, то отношение будет 9:3:3:1. Может быть так, что появление в генотипе рецессивного гена а ведет к тому, что ген В в фенотипе не проявляется. Тогда соотношение будет 9:3:4. То же, но с доминантным геном – будет 12:3:1. И т.д. То есть это показывает, что Мендель был прав только в достаточно частном случае, когда гены не влияют друг на друга, но может быть еще много других вариантов.

Породы собак: для того, чтобы получить какие-то определенные зафиксированные признаки породы, проводили близкородственное скрещивание, пока эти признаки не закреплялись в гомозиготном состоянии, и далее при скрещивании собак одной породы расщепление по этому признаку больше не может происходить – признак становится стабильным, типичным для породы.

Каждая порода собак обладает своими признаками, и эти признаки стабильны в поколениях, поскольку каждую породу характеризует свой набор гомозиготных локусов, определяющих эти признаки. У каждой породы собак как свой набор гомозиготных локусов (у других пород они могут быть и гетерозиготны). Однако у одних пород данный локус гомозиготен по одним аллелям, а других тот же локус может быть гомозиготен по другим аллелям, что и определяет стабильные различия между породами (например, по окрасу). Ясно, что у каждой породы какие-то локусы остаются гетерозиготными, и собаки одной породы по этим признакам будут различаться, но это те признаки, которые данную породу не определяют.

Если скрестить собак разных пород, то получится дворняжка. У нее по большинству генов гетерозиготное состояние, соответствующее предковым формам. Дарвин в свое время подметил, что если скрещивать разные породы голубей, получается все время сизарь. Это происходит из-за утраты у гибрида гомозиготности характерной для каждой из родительских пород. А в гетерозиготных локусах один из аллелей, как правило, оказывается дикого типа, поэтому и выглядят гибриды сизарями – это дикий тип для всех пород голубей.

По генам окраски меха у норки в настоящее время установлено около 20 серий множественных аллелей. При скрещивании гетерозиготных норок между собой во втором поколении будет расщепление, типичное для дигибридного скрещивания в соотношении 9:3:3:1, или 56% норок с дикой окраской меха, 19% – алеутских, 19% – платиновых и 6% с сапфировой окраской меха. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов: если у какого-то вида есть какой–то набор вариантов признаков, и мы рассматриваем близкородственный вид, то у него тоже может быть выявлен тот же набор признаков. Этот закон основан на том, что у близкородственных видов и набор аллелей в ДНК может быть сходен.

Гены могут находиться не только в ядре. Гены могут наследоваться однородительски, например, по материнской линии: окраска листа определяется генами хлоропластов, а не ядра, и наследуется только от матери. То есть, какая бы ни была мужская особь, потомство будет все однотипно – все в мать и только в нее.

У человека тоже есть признаки, которые определяются митохондриями, то есть наследуются по материнской линии. Митохондрии находятся в цитоплазме клетки, которая достается потомкам только от матери. К мутациям и болезням связанным с митохондриями относятся, например, дефекты зрения и дефекты энергетического обмена.

Часть ядерных генов также наследуется только однородительски. Это гены Y-хромосомы, которая наследуется только от отца к сыну. Те гены в Y-хромосоме, которые не имеют пары в Х-хромосоме, наследуются однородительски – от отца к сыну. У человека один из таких генов определяет признак «волосатые уши» – у женщин такой признак не проявляется – гена этого нет, нет и его аллеля, из-за которого уши волосатые.

Проявление признака может зависеть также от пола индивида. Существуют признаки, гены которых могут находиться в аутосомах или половых хромосомах обоих полов, но проявляются лишь у одного из них. Такие признаки называют ограниченными полом. Например, быки несут гены, определяющие молочность дочерей, но гены свое действие у быков не проявляют. Гены казеинов – белков молока – это случай наиболее строгого контроля транскрипции ограниченной полом. Они действуют у особей как женского, так и мужского пола. Разница уровней экспрессии между ними составляет 1 на 100 000. Петухи также несут гены яйценоскости и размера яиц дочерей, хотя у петухов действие этих генов подавлено. Когда проводится селекция, учитывается этот факт. Здесь существенен генетический контроль признаков.

Как проявление действия гена, так и тип доминирования может зависеть от пола. Плешивость у человека наследуется аутосомно и моногенно. Аллель плешивости у мужчин доминирует, а у женщин рецессивен. У мужчин для облысения достаточно присутствия одного аллеля плешивости. При этом частота аллеля равна частоте встречаемости фенотипа. У женщин для облысения необходимо присутствие обоих аллелей плешивости.

Ответьте на несколько занятных вопросов.

Сколько женщин будут лысыми, если у мужчин лысый каждый десятый? Ответ. Частота фенотипа плешивости у женщин равна квадрату частоты аллеля, следовательно, одна из ста.

Может ли у неплешивых родителей быть плешивая дочь? Ответ. Нет: так как отец неплешивый, значит у него нет такого аллеля (у мужчины аллель плешивости доминантный и должен был проявиться) – оба аллеля определяют нормальную обволосненность. Значит, дочь обязательно получит аллель волосатости от отца, а этот аллель у женщин (в отличие от мужчин) доминантен. Плешивой она не будет независимо от того, какой аллель придет от матери.

Может ли у неплешивых родителей быть плешивый сын? Ответ. Да: если у мамы есть аллель плешивости он рецессивен и не проявится, он может передаться сыну у которого этот аллель проявится как доминантный.

Если у неплешивых родителей один сын плешивый, какова вероятность того, что другой тоже будет неплешивый? Ответ: 50%. Аллель плешивости не у отца – иначе бы у него этот аллель проявился как доминантный. Значит аллель плешивости у матери. Раз она волосатая, то второй аллель у нее – нормальная обволосненность, а аллель плешивости не проявляется, так как у женщин он рецессивен. Следовательно, мать – гетерозигота – 1 аллель и нее – плешивость, 1 – норма. Поэтому расщепление по этому признаку у ее сыновей будет 1:1 (50% плешивых)

Так генетика решает практически важные для нас задачи.

Экспрессия некоторых генотипов может зависеть от внешних условий. Ниже показаны два кролика, один из которых с темными пятнами. Аллель гималайской окраски у кролика температурочувствителен. При повышенной температуре белок не функционален и необходимый пигмент не образуется, а при нормальной температуре получается кролик, у которого некоторые участки шкуры окрашены.

Мутанты, проявление которых зависит от условий среды, сыграли очень важную роль в биологии вообще и в молекулярной биологии в частности, в понимании того, как работает генетический материал. Многие генетические феномены, были открыты и исследованы после получения и использования условно летальных мутантов (условно смертельные). Наиболее распространенные мутанты такого типа – температурочувствительные. Получены мутанты многих микроорганизмов и вирусов, которые не способны жить при повышенной температуре (ts-мутанты). У такого мутанта структура белка при повышенной температуре изменена, и белок не функционален (леталь), а при нормальной температуре структура обычная, и белок функционален. При этом возможно исследовать особенности функционирования белка и его роли в формировании какой-либо структуры или сложной функции. Для этого клетки растят до нужной стадии, в условиях, когда белок функционален, затем разделяют клетки (обычно суспензию) на две части, в одной температура остается нормальной, а в другой –поднимается, так что белок теряет функциональность.

Есть также другой тип условно летальных мутаций – нонсенс-мутации, летальные на одном генетическом фоне и нелетальные на другом. Нонсенс-мутация приводит к изменению кодона для какой-либо аминокислоты в данном белке на стоп-кодон трансляции. Белок при этом образуется укороченный и нефункциональный. Нонсенс-мутация подавляется (супрессируется), в тех клетках, где образуется супрессорная тРНК. Супрессорная тРНК, это измененная тРНК, у которой антикодон по-прежнему узнает стоп-кодон в матричной РНК, но вместо терминации (окончания) трансляции белка на этом участке происходит подстановка определенного аминокислотного остатка. Белок с нонсенс-мутацией синтезируется полноразмерным и функциональным в присутствии тРНК.

При создании модели наследования признака для выяснения его генетического контроля начинают с проверки типа наследования по базовой, простейшей схеме - менделевской и, если соответствия нет, то добавляют к этой схеме дополнительные условия, понятные на сегодня:

неравную вероятность образования и сочетания гамет и выживания потомства;
однородительский тип наследования (Y – волосатые уши, мтДНК - болезнь Лебера)
взаимодействие аллелей: наличие доминирования;
взаимодействие генов;
сцепление генов;
ограничения признака полом;
вероятность проявления признака при данном генотипе;
влияние среды (не всегда формализуемое).
Напомним, что менделевский характер наследования относится к признакам качественным. Сколько Меделирующих признаков известно у человека? Они зафиксированы в базе данных OMIM («Менделевское наследование у человека»). Их там перечислено около пяти тысяч признаков. А мы у себя можем насчитать гораздо больше признаков. Огромное количество остальных наших признаков зависит от действия многих генов. Здесь следует отметить важный идеологический аспект. Общей модели, по которой происходит формирование признаков под воздействием многих генов, сейчас нет. Наверное, ее и быть не может. Чтобы понять, как данный фенотип возникает на фоне данного генотипа, нам нужно еще узнать, как конкретно реализуется каждый этап передачи генетической информации: что происходит с модификацией ДНК, с какой из многих возможных вариантов РНК образуется с данного участка генетической информации, как модифицируется белок, образуемый с этой мРНК. В ДНК заложена лишь возможность всех этих вариантов реализации генетической информации. Произойдет ли это или нет, зависит от среды. Понятие среды мы пока толком формализовать не можем. Но если, подобно структуре ДНК, мы их будем знать структуру и модификацию РНК и белков, то понимание связи генотипа с фенотипом будет гораздо более глубоким, а предсказательная сила наших знаний будет больше. Как бы там ни было, одного знания генотипа часто недостаточно для предсказания фенотипа. Поэтому мы должны изучать следующие этапы экспрессии генетической информации.

В заключительной части лекции речь пойдет об определении пола и признаках, сцепленных с полом. Ниже показано, как выглядят половые хромосомы человека. Х-хромосома по длине ДНК больше чем Y-хромосома приблизительно в три раза.

А так выглядят клетки, транспортирующие эти хромосомы. Маленькая образована организмом генотипа XY, а большая – генотипа ХХ. Такое соотношение физических размеров имеют половые клетки.

Так выглядит человек после того, как он уже начал развиваться:

Это игла, и на ее конце находится несколько поделившихся клеток, полученных из оплодотворенной яйцеклетки. Такой наш размер на стадии 4-5-ого деления.

Еще раз напомню, что у нас цикл развития двухстадийный. На нижней части рисунка изображена диплоидная стадия, период нашей долгой и счастливой жизни, которая с точки зрения генетического процесса заканчивается мейозом, после которого мы начинаем жить как бы в следующей стадии, гаплоидной. Это гаметы, у нас они не обладают способностью к самостоятельному существованию, хотя у многих растений именно гаплоид является основной частью жизненного цикла. Существование гамет заканчивается оплодотворением и появлением опять диплоидного организма.

Х и Y хромосомы сильно отличаются. Они гомологичны только в так называемых псевдоаутосомных зонах, которые присутствуют и в папиных и в маминых хромосомах, как и обычные аутосомы. Спермии могут быть двух типов: Х и Y, а яйцеклетки только одного типа – Х и Х. Поэтому расщепление получается 1:1 (две женщины и два мужчины). Именно расщепление 1:1 по полу на первом этапе исследования признака, сцепленного с полом, – окраски глаз у дрозофилы – привело Моргана к мысли о том, что гены находятся в хромосомах. Пол определяется хромосомами и гены находятся именно в них.

Не у всех организмов, в отличие от человека, пол однозначно определяется при слиянии гамет. Ниже показан моллюск, у которого в нижней части женские клетки, а в верхней части только мужские. У некоторых пресмыкающихся мужской пол не формируется при повышенной температуре (в частности, у крокодилов), образуются только женские организмы.

У дрозофилы всего четыре пары хромосом, три пары хромосом называются аутосомы и одна пара половых хромосом. У самок набор хромосом ХХ, а у самца Х Y – как и у человека (у самки на конце брюшка находится яйцеклад, поэтому у нее брюшко заостренное, а у самца оно овальное, - так их отличают).

У плодовой мушки пол определяется не столько наличием той или иной половой хромосомы, а отношением числа Х-хромосом к числу гаплоидных наборов аутосом (А). Это видно на схеме ниже. Набор ХХ+2А (2 Х-хромосомы и 2 набора аутосом) дает соотношение 1,0 – такое соотношение является нормой для самок. Набор Х Y+2А (1 Х-хромосома и 2 набора аутосом) дает соотношение 0,5 – такое соотношение является нормой для мужского пола. Если оказывается, что Y-хромосома утеряна (набор 1Х+2А, соотношение 0,5), то образуется мужской организм, хоть Y-хромосомы и нет. А если на фоне двух Х-хромосом добавилась Y-хромосома (набор 2Х+2А), пол формируется женский, хоть Y-хромосома и присутствует. У человека, сколько бы ни было Х-хромосом, если есть хоть одна Y-хромосома, то фенотип будет мужской.

Таким образом, у человека и мухи, при внешне одинаковой хромосомной формуле нормы (гомогаметный пол, ХХ, женский; гетерогаметный пол, Х Y – мужской), механизм генетического контроля образования пола различен.

У птиц и ряда других групп организмов гомогаметный пол (ХХ) – мужской, а гетерогамтный пол (XY) – женский, что противоположно тому типу хромосомного определения пола, который оказался зафиксирован эволюцией в линии человека и других млекопитающих.

На следующем слайде показано месторасположение SRY-гена, отвечающего за формирование признаков мужского пола. Уже говорилось, что если в геном мыши, которая должна развиться самкой, пересадить SRY-ген, то у такого организма разовьется мужской фенотип. Человек почти не отличается от мыши в этом плане. У человека известны случаи, когда индивид кариотипически (то есть по типу хромосом в ядре) соответствовал женщине (в частности с двумя ХХ хромосомами и без наблюдаемой Y-хромосомы), но проявлял фенотип мужчины. В таких индивидов была обнаружена хромосомная перестройка – ген SRY был транслоцирован (перемещен) на одну из аутосом.

На внизу на рисунке представлен случай отклонения по составу половых хромосом – синдром Тернера: индивид генотипа Х0 (Y-хромосомы нет, а Х-хромосома одна). Фенотип индивида - женский. Отклонений в поведении нет, хотя при большем дисбалансе в генотипе наблюдаются проблемы в умственном развитии.

Другой случай отклонения по составу половых хромосом - это синдром Клайнфельтера: генотип XXY, фенотип мужской. Хотя две Х-хромосомы присутствуют, как в норме у женщин. То есть для определения пола у человека важно, чтобы присутствовала Y-хромосома.

Напомним, что гены, локализованные в Y-хромосоме и не имеющие пары в X-хромосоме, наследуются только от отца к сыну. У человека аллель одного из таких генов определяет признак «волосатые уши». Через мать к ребенку могут передаваться гены, находящиеся в митохондриях, но т.к. генов в митохондриях на три порядка меньше чем в ядре, то и отклонений, передающихся только материнской линии лишь тысячная часть от всех известных для человека.

Избыток или недостаток какой-то хромосомы в геноме приводит к очень серьезным нарушениям у человека. Для примера можно привести трисомию по 21-ой хромосоме – синдром Дауна. Причина заболеваний при утрате или избытке любой хромосомы - дисбаланс в количестве продуктов генов этой хромосомы относительно количества продуктов генов других хромосом (все – по две). Дисбаланс по всем крупным хромосомам человека вообще не совместим с жизнью.

Х хромосома одна из крупных хромосом человека. У женщин таких хромосом две, а у мужчин – одна. Но оба пола живы и здоровы – хоть на себя погляди. Почему разница в числе копий Х-хромосомы не смертельна, в отличие от ситуации с другими хромосомами?

Чтобы сбалансировать действие генов Х хромосомы у мужчин (где Х-хромосома одна) и у женщин (где Х-хромосомы две) природа предусмотрела инактивацию одной из Х-хромосом в каждой клетке женского организма. У женщин одна Х-хромосома инактивирована, то есть гены в ней не работают, а работают только в другой хромосоме – не инактивированной. Инактивиация вызвана компактизацией хромосомы даже в интерфазе. Поэтому компактизированная хромосома видна при окрашивании – в виде так называемого тельца Барра (слайд). Это один из диагностических признаков женского пола у млекопитающих, что у человека, что у слона. Некомпактизованная Х-хромосома, как и все аутосомы, не окрашивается и не видна в интерфазе.

На следующем рисунке показана кошка черепаховой окраски. Поскольку это кошка, а не кот, то генотип у нее ХХ. В каждой клетке женского организма одна из Х-хромосом инактивирована (ее видно как тельце Барра). На Х-хромосоме у кошки находится один из генов, определяющих окраску шерсти. У этого гена известны разные аллели, то есть определяющие разный цвет шерсти. Кошка на рисунке гетерозиготна по этим аллелям. Одна из Х-хромосом в каждой клетке инактивирована, поэтому только один из двух цветов может проявится в волоске, сформированном из данной клетки. Поэтому одни волоски одного цвета, а другие – другого. Какая из Х-хромосом инактивируется (папина или мамина), и, стало быть, аллель какого цвета будет работать - дело случая. Поэтому такая кошка и имеет черепаховую окраску. Кстати, сыновья у нее будут двух разных цветов в соотношении 1:1.

Еще одно доказательство того, что гены находятся в хромосомах, было получено на мухах дрозофилах, называемых латеральными (боковыми, «сторонними») гинандроморфами. У таких мух после первого деления яйцеклетки в одной из клеток была утрачена Х-хромосома. Эта клетка при последующих делениях дала клетки с генотипом Х0, поэтому половина тела таких мух сформирована как у самца и во ее всех клетках (на рисунке – правая половина) цитологически наблюдается утрата одной из Х-хромосом. Левая половина тела, происходящая из клеток с нормальным генотипом ХХ, формируется как самка.

В представленном на рисунке случае муха была гетерозиготна по гену окраски глаза и по гену, влияющему на форму крыла. Эти гены расположены в Х-хромосоме. Поэтому правый глаз мухи неокрашен: проявилась рецессивная мутация white, присутствующая в одной из Х-хромосом. Крыло изменено по форме. Левый глаз окрашен и крыло нормальной формы, поскольку в нем остались обе Х-хромосомы, в одной из которых присутствует рецессивный ген white, а в другой – доминантный ген w+.

Отредактировано Линн (2008-10-14 17:49:33)

Генные, или точковые мутации, – наиболее часто встречающийся класс мутационных изменений. Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Они приводят к тому, что мутационный ген либо перестает работать, и тогда не образуются соответствующие РНК и белок, либо синтезируется белок с измененными свойствами, что проявляется в изменении каких-либо признаков организма. Вследствие генной мутации образуются новые аллели. Генетики определили последовательность ДНК "виновного" района и выяснили, что у голых собак наблюдается удвоение участка длиной семь нуклеотидов в гене FOXI3. У собак точные функции этого гена неизвестны, но у мышей он отвечает за формирование шерсти, усов и зубов. И это в районе 17 хромосомы. Генные мутации следует рассматривать как результат ошибок возникающих в процессе удвоения молекул ДНК. И если это всё перевести , то получается, что нет какого либо голого гена, а есть изменённый ген , который отвечает за формирование шерсти, и есть измененный ген, который отвечает за формирование зубов. Но в этих генах есть аллели, и где именно претерпели изменения, т.е. мутацию нам не известно. Отсюда можно сделать вывод, что можно исправить зубную систему, или за счёт прилития других пород, при этом поддерживая голость, или использование сородичей в шерсти. Т.е. особь в шерсти, является носителем ДНК, а носитель ДНК наследственной информации, имеет замечательную способность восстанавливаться после генетических повреждений. Это содействует сохранности того вида организма, которому присущ данный генетический код. Поэтому и появляются постоянно щенки в шерсти, и как бы вы от них не избавлялись, ДНК будет постоянно восстанавливаться, и это касается и шерсти и зубов. Появление щенков в шерсти, это самая обыкновенная регенерация организма, поэтому эти щенки более жизнеспособные, т.е идёт восстановление ДНК к первоначальному виду.
Генетик Добжанский однажды сказал:” Производят ли мутации что-либо новое? Но если бы все мутации были благоприятными, разве они не могли бы произвести что-либо новое? Нет, не могли бы. Результатом мутации может быть только вариация уже имеющегося признака. Мутация предоставляет разнообразие, но никогда не производит ничего нового.”

  Генная мутация, составляющая основную долю всех мутаций, вызывают чрезвычайно разнообразные изменения признаков организма, причём изменение одного гена обычно приводит к изменению нескольких признаков – отсутствие шерсти, параллельно с отсутствием нескольких зубов. Генные мутации могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными. Доминантность, Рецессивность. В результате мутации, ген может переходить в разные состояния (множественные аллели одного и того же гена), по-разному влияющие на контролируемые данным геном признаки организма. Мутантные гены, могут отличаться от соответствующих нормальных тем, что специфический для данного гена продукт (чаще всего фермент) не образуется вовсе; образуется в меньшем или превышающем норму количестве; образуется продукт, инактивирующий или тормозящий продукт немутантного гена; вместо нормального образуется иной, не взаимодействующий с ним продукт, отсутствующий у немутантных особей. Претерпевший мутацию ген, обычно столь же стабилен ( голость ), как немутантный ( в шерсти ), из которого он произошёл; вследствие новой мутации, он может вернуться к исходному состоянию - обратные мутации ( рождение щенков в шерсти ). Генные мутации, как правило, вредны для организма, они нарушают жизненные процессы, протекающие в организме, снижают его жизнеспособность и плодовитость; нередко мутантный ген обусловливает гибель развивающегося организма - летальная мутация. Реже возникают генные мутации, сравнительно мало влияющие на жизнеспособность и плодовитость организма, ещё реже — улучшающие те или иные его свойства. Эта последняя категория генных мутаций, несмотря на свою относительную редкость, имеет огромное значение, т. к. даёт основной материал, как для естественного отбора, так и для искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции и селекции.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:        http://www.bionet.nsc.ru/chair/cib/cib. … amp;p=ib33
сродство регуляторных белков к сайтам определяется конформационными свойствами ДНК
--------------------------------------------------------------------------------

Проведенные исследования показали, что эффективность связывания транскрипционных факторов с ДНК-сайтами определяется их конформационными особенностями, которые могут сильно меняться при мутациях. Например, сродство СRO-репрессора к своему оператору определяется шириной большой бороздки ДНК, сродство транскрипционного фактора USF к ДНК зависит от угла twist закрученности спирали ДНК. Сродство ТВР белка с сайтом его связывания определяется шириной малой бороздки и т.д.