ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

Все живые организмы характеризуются приспособленностью к различным факторам среды. Среди них есть и такие, которые действуют на организм на протяжении многих геологических эпох (сила тяготения, смена дня и ночи, магнитное поле и т.д.), такие, которые действуют только короткое время и строго локально (недостаток пищи, переохлаждение, перегревание, шум и т.д.). Поэтому, у человека в ходе исторического развития выработался высокий уровень адаптации к окружающей среде благодаря тому, что гены определяют не только конечный признак, но и пределы вариации признаков в зависимости от определенных факторов внешней среды. Этим достигается меньшая зависимость от окружающей среды, но повышается сложность строения генетического аппарата и сложность контроля развития признаков. Для того, чтобы признак развивался, т.е. генотип реализовался в фенотипе, необходимы соответствующие условия среды, что можно проиллюстрировать следующей схемой:

ОНТОГЕНЕЗ

ГЕНОТИП ——————– ФЕНОТИП

УСЛОВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Основные процессы, характеризующие закономерности наследования:

  • 1) самовоспроизведение;
  • 2) распределение хромосом (и генов) при образовании половых клеток и последующее сочетание их в процессе оплодотворения;
  • 3) действие генов в индивидуальном организме (в процессе онтогенеза).

Ген, как единица наследственности, определяющая свойства или признаки организма, имеет определенные характеристики:

  • 1. Ген дискретен в своем действии: обуславливает течение той или иной биохимической реакции, степень развития или подавления определенного признака.
  • 2. Каждый ген специфичен: он отвечает за синтез первичной структуры белковой молекулы.
  • 3. Ген может действовать множественно – множественный эффект или п л е й о т р о п и я. Опосредованно воздействует на развитие многих признаков.
  • 4. Разные гены, находящиеся в разных парах, могут действовать на развитие одного и тогоже признака, усиливая или ослабляя – п о л и м е р и я.
  • 5. Ген вступает во взаимодействие с другими генами, в силу этого его эффект может меняться.
  • 6. Проявление действия гена зависит от фактора внешней среды.

При анализе правил Менделя мы исходили из того, что доминантный ген полностью подавляет проявление рецессивного гена. Тщательный анализ реализации генотипа в генотип показал, что проявление признаков  может определяться взаимодействием генов одной аллели: доминированием, неполным доминированием, рецессивностью и кодоминированием.

Доминирование является свойством гена обуславливать развитие признака в гетерозиготном состоянии. Значит ли это, что рецессивная аллель полностью подавлена и абсолютно не функционирует? Оказывается, нет.

ДОМИНАНТНЫЙ      │     РЕЦЕССИВНЫЙ

───────────────────┼───────────────────

НОРМА

карие глаза        │ голубые глаза

темный волос       │ светлый волос

монголоидные глаза │ европеоидные глаза

нос с горбинкой    │ нос прямой

ямочки на щеках    │ отсутствие

веснушки           │ отсутствие

праворукость       │ леворукость

RR+                │ RR-

ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ

карликовая хондро- │ нормальное развитие

дистрофия          │ скелета

полидактилия       │ норма

(6пальцев)         │

брахидактилия (ко- │ норма

роткопалость)      │

нормальное сверты- │ гемофилия

вание крови        │

нормальное цвето-  │ дальтонизм

ощущение           │

пигментация        │ альбинизм (отсут-

│ ствие пигмента)

нормальное усвоение│ фенилкетонурия

фенилаланина       │

гемералопия (ночная│

слепота)           │

Для большого числа признаков у животных и человека характерно п р о м е ж у т о ч н о е  н а с л е д о в а н и е или неполное доминирование. При неполном проявлении гена гибрид не воспроизводит полностью ни одного из родительских признаков. Выражение признака оказывается промежуточным с большим или меньшим уклонением к доминантному или рецессивному состоянию. Примерами неполного доминирования у человека может быть наследование серповидноклеточной анемии, анофтальмии, пельгеровской аномалии сегментирования ядер лейкоцитов, акаталазии (отсутствие каталазы в крови).

Гены одной аллели в гетерозиготном состоянии могут проявляться оба одновременно. Это явление получило название к о д о м и н и р о в а н и я. Например: каждый из аллелей кодирует синтез определенного белка, тогда у гетерозигот отмечается синтез обоих белков, что можно выявить биохимически. Этот метод нашел применение в медико-генетических консультациях для выявления гетерозиготных носителей генов, обуславливающих молекулярную болезнь веществ (изоферменты холинэстеразы).

При изложении материала мы исходили из положения, что один и тот же локус хромосом (признак, контролируемый одним геном) может быть представлен двумя аллелями: А или а, В или в и т.д. На самом же деле один и тот же признак проявляется в нескольких формах, контролируемый 3 и более аллелями (т.е. ген А может мутировать в состоянии а1, а2, а3…..аn). Ряд состояний одного и того же гена называют серией мно- жественных аллелей, а само явление – м н о ж е с т в е н н ы м  а л л е л и з м о м.

Наследование членов серии множественных аллелей подчиняется множественным закономерностям. У норок существует серия множественных аллелей по окраске шерсти: коричневая, платиновая, белая. У дрозофилы описана серия множественных аллелей цвета глаз (красные, желтые, оранжевые и белые). У человека известна серия аллелей IO, IA, IB, которая определяет полиморфизм по группам крови. Наличие групп крови было установлено К. Ландштейнером в 1911 г., который обнаружил, что в определенных случаях, при переносе эритроцитов одного человека в сыворотку другого, наблюдается склеивание этих клеток. При переливании крови это может привести к смерти. Было установлено наличие в эритроцитах двух антигенов А и В, а в сыворотке – двух агглютинирующих антител ( и ). Популяция человека оказалась разбитой на 4 группы по свойствам крови: группа АВ всегда гетерозиготна, имея генотип IAIB. Группа А состоит из гомозигот IAIA и гетерозигот IAIO. В группе В генотипы могут быть IBIO и IBIB. Группа О всегда гомозиготна по рецессивным аллелям – IOIO. Группа А (наличие антигена А и антител ), группа В (наличие антигена В и антител ), группа АВ (оба антигена и нет антител) группа О (отсутствие обоих антигенов и наличие обоих антител).

Значительное отклонение от численных отношений фенотипических классов при расщеплении могут возникать вследствие взаимодействия между собой неаллельных генов. Различают следующие виды взаимодействия неаллельных генов: эпистаз, гипостаз, комплементарность и полимерия.

При доминировании действие одной аллели подавляется другой аллелью этого же гена: А>а, В>в и т.д. Но существует взаимодействие неаллельных генов, при котором один ген из одной аллели подавляет действие другого из другой аллели: А>B, C>D, c>d и т.д. Такое явление и получило название эпистаза, причем ген, подавляющий проявление другого называется эпистатическим, а ген, проявление которого подавляется гипостатическим. Эпистатические гены называют еще генами-супрессорами. Эпистаз принято делить на 2 типа: доминантный и рецессивный.

Под доминантным эпистазом понимают подавление одним доминантным геном действие другого гена. У лошадей вороная масть обусловлена доминантным геном “В”, рыжая – аллелем “в”. Ген “С” принадлежащий к другой паре аллелей, вызывает раннее поседение волос, вследствие чего масть лошадей оказывается серой, независимо от того, присутствует ли у нее ген “В” или “в”, ибо эти гены гипостатичны по отношению к гену “С”. В данном случае наблюдается расщепление: 12 серых, 3 вороных, 1 рыжая вместо – 9: 3: 3: 1.

Под рецессивным эпистазом понимают такой тип взаимодействия, когда рецессивная аллель одного гена в гомозиготном состоянии не дает возможности проявиться доминантной или рецессивной аллели другого гена: aa>B- или aa>bb. Например, при скрещивании черных кроликов (ААвв) с белыми (ааВВ) все гибриды (АаВв) имеют окраску агути, а в F2 наблюдается: 9 крольчат агути (А-В-), 3 черных (А-вв), 4 белых (ааВ- и аавв). такое расщепление объясняется эпистазом типа аа>В- и аа>вв (ген в гомозиготном состоянии блокирует образование пигмента и препятствует проявлению гена В – распределителя пигмента и гена черной окраски в).

К о м п л е м е н т а р н ы м и, или дополняющими называют такие доминантные гены, которые при совместном нахождении в генотипе (А-В-) обуславливают развитие нового признака по сравнению с действием каждого гена в отдельности (А-вв или аа-В). По принципу комплементарности наследуется форма гребня у петуха: простой (ав), гороховидный (Ав), ореховидный (АВ) и розовидный (аВ); желтая и белая окраска у шелкопряда, нормальный слух у человека. При комплементарности нередко отменяется развитие у гибридов признаков, не соответственных исходным формам.

Рассмотренные до сих пор типы взаимодействия генов относились к  альтернативным признакам. Однако такие свойства организмов, как темп роста, вес, длина тела, степень пигментации и т.д. нельзя разложить на фенотипические классы. Их обычно называют к о л- и ч е с т в е н н ы м и. Каждый из таких признаков формируется обычно под влиянием сразу нескольких эквивалентных генов. Это явление получило название полимерии, а гены называют п о л и м е р н ы м и. В этом случае принят принцип однозначного действия генов на развитие признака. Именно с полимерий связана передача поколению количественных признаков. Например, у овса, пшеницы окраска зерен определяется несколькими полимерными генами. Степень развития окраски зависит от количества доминантных полимерных генов. Полимерно наследуется рост и пигментация кожи у человека.

Т.о., рассмотренные три типа взаимодействия неаллельных генов (эпистаз. комплементарность, полимерия) видоизменяют классическую формулу расщепления по фенотипу, но это является не следствием нарушения генетического механизма расщепления, а результатом взаимодействия генов между собой в онтогенезе.

Наряду с явлениями взаимодействия генов существует множественное ( п л е й о т р о п н о е ) действие генов, когда один ген определяет развитие одновременно не одного, а нескольких признаков, т.е. имеет плейотропный эффект. Так, например, синдром Морфана является менделирующим заболеванием, обусловленным одним геном. В состав этого синдрома входят такие признаки: высокий рост за счет длинных конечностей, тонкие пальцы (арахнодактилия), подвывих хрусталика, порок сердца, высокий уровень катоколоминов в крови. Другим примером плейотропного гена у человека может служить мутация серповидноклеточности. Мутация нормального аллеля приводит к изменению молекулярной структуры белка гемоглобина, эритроциты теряют способность к транспорту кислорода и приобретают серповидную форму вместо округлой. Гомозиготы по гену серповидноклеточности гибнут при рождении, гетерозиготы живут и обладают устойчивостью против малярийного плазмодия. Доминантная мутация у человека укороченных пальцев (брахиодактилия) в гомозиготном состоянии приводит к гибели эмбриона на ранних стадиях развития.

Проявление действия гена имеет определенные характеристики, поскольку один и тот же ген у разных организмов может проявлять свой эффект различным образом. Это обусловлено генотипом организма и условиями внешней среды, при которых протекает его онтогенез. Вариации степени выраженности признака в зависимости от фенотипического гена названо Н. В. Тимофеевым-Рессовским в 1927 г. э к с п р е с с и в н о с т ь ю. Примеры: брахидактилия, полидактилия в разной степени выраженности. Один и тот же признак, контролируемый одним геном, проявляется у одних и не проявляется у других особей родственной группы. Это явление названо п е н е т р а н т н о с т ь ю. Пенетрантность измеряется процентом особей, имеющих мутантный фенотип, в популяции, состоящей из организмов, гомозиготных по данному гену. При полной пенетрантности (100%) ген проявляется у каждой особи, при неполной – только у части особей (например, у 30-40% особей). Примеры пенетрантности у человека: коломбо (деффект оболочек глаза) наследуется по данному доминантному типу с пенентрантностью около 50%, аналогично наследуется амиотрофический боковой склероз, отосклероз, ангиоматоз сетчатки. Синдром голубых склер (тонкая наружная оболочка глаза, которая сочетается с отосклерозом, глухотой, хрупкостью костей с частыми переломами) дает 100% пенетрантность в отношении голубизны склер, хрупкость же костей отмечается в 63% и глухота в 60% случаев. Все три симптома выявляются только у 44% лиц. Понятия “экспрессивность” и “пенетрантность” относятся, прежде всего, к аутосомно-доминантным генам и признакам. Аутосомно-рецессивные признаки проявляются только у гемизигот с полной пенетрантностью и высокой экспрессивностью. Экспрессивность и пенетрантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и различной реакцией последнего на  факторы внешней среды.