Признаки с полной и неполной пенетрантностью. Пенетрантность, экспрессивность, норма реакции. Экспрессивность и пенетрантность. Генокопии

Рассматривая действие гена, его аллелей, учитывают не только генные взаимодействия, но и действие генов-модификаторов и модифицирующее действие среды, в которой развивается организм.

У примулы окраска цветков розовая (Р_) и белая (рр ) наследуется по моногибридной схеме, если растение развивается в интервале t - 15-25 °С. Если растение F 2 вырастить при / = 30-35 °С, то все цветки у него окажутся белыми. При выращивании растений F 2 в условиях температуры, колеблющейся около 30 °С, можно получить разнообразные соотношения от 3 Р_ : 1 рр до 100 % растений с белыми цветками. Такое взаимоотношение генов зависит от условий внешней среды и условий генотипической среды. С.С. Четвериковым оно названо варьирующей пенетрантностью. Это понятие подразумевает возможность проявления или непроявления признаков у организмов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам. Беляев добился рождения живых щенков лис (см. рис. 2.5), гомозиготных по доминантному аллелю, платиновой окраски, варьируя длину дня для беременных самок. В связи с этим может быть ликвидирована пенетрантность проявления летального эффекта.

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак, среди всех особей одинакового генотипа по изучаемому гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть степень выраженности признака. Дрозофила гомозиготная по аллелю зачаточности крыльев более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры окружающей среды. Другой признак дрозофилы - отсутствие глаз - варьирует от 0 до 50 % в зависимости от числа фасеток, характерного для данного типа мух.

Степень проявления варьирующего признака называется экспрессивностью. Экспрессивность выражают количественно, в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Понятия пенетрантность и экспрессивность введены в генетику в 1925 г. Тимофеевым-Ресовским для описания варьирующего проявления генов. Факт проявления или непроявления признака особей данного генотипа в зависимости от условий говорит о том, что это результат взаимодействия генов в конкретных условиях существования организма. Способность генотипа так или иначе проявляться в различных условиях среды отражает норму его реакции - способность реагировать на варьирующие условия развития. Этот факт учитывают при экспериментах и при введении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений говорит о том, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма - на то, что оно за пределами нормы реакции.

Селекция растений, животных, микроорганизмов представляет собой отбор организмов с узкой и специализированной нормой реакции на внешние воздействия: удобрение, обильное кормление, характер (и технологию) выращивания.

Искусственное сужение или сдвиг нормы реакции используют для маркирования жизненно важных генов. Этим методом были исследованы гены, контролирующие воспроизведение ДНК, синтез белка у бактерий и дрожжей, гены, контролирующие развитие дрозофилы. Во всех случаях получали мутантов, нежизнеспособных при повышенной температуре культивирования, т. е. условно летальных.

Генотип представляет собой систему взаимодействующих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Благодаря принципам менделев- ского анализа можно любую сложную систему условно разложить на элементарные признаки-фены и тем самым идентифицировать отдельные дискретные единицы генотипа - гены.

Контрольные вопросы и задания:

• 1. Дайте понятие терминов доминантность и рецессивность.
• 2. Что такое моногибридное скрещивание?
• 3. Как происходит расщепление по признакам? Назовите гены - носители наследственности.
• 4. Объясните, как происходит независимое комбинирование (дигибрид- ное скрещивание).
• 5. Объясните расщепление признаков при тригибридном скрещивании. Расскажите о множественных аллелях.
• 6. Назовите виды взаимодействия генов.
• 7. Объясните явления пенетрантности и экспрессивности.
• 8. Что такое комплементарное взаимодействие генов?
• 9. Какие типы взаимодействия генов, приводящие к отклонению от мен- делевских закономерностей, вы знаете?
• 10. В чем отличие доминирования от эпистаза?
• 11. Влияют ли внешние условия на проявление действия гена?
• 12. Приведите примеры полимерного и плейотропного действия гена.

Лекция по теме "Наследование признаков при моногибридном, дигибридном и полигибридном скрещивании. Взаимодействие между генами. Пенетрантность и экспрессивность генов", для специальности Лечебное дело, ОП. 05 ГЕНЕТИКА ЧЕЛОВЕКА С ОСНОВАМИ МЕДИЦИНСКОЙ ГЕНЕТИКИ

Скачать:

Предварительный просмотр:

ЛЕКЦИЯ

ТЕМА: Наследование признаков при моногибридном, дигибридном и полигибридном скрещивании. Взаимодействие между генами. Пенетрантность и экспрессивность генов.

ПЛАН.

1. Генотип и фенотип.
2. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов: полное и неполное доминирование, кодоминирование, эпистаз, комплементарность, полимерия, плейотропия.

1. Сущность законов наследования признаков у человека.

Основные закономерности наследования признаков в поколениях были открыты чешским исследователем Г. Менделем, опубликовавшим в 1866 г.

До Г. Менделя была общепринята теория так называемой «слитной» наследственности. Ее суть состояла в том, что при оплодотворении мужское и женское «начала» перемешивались «как краски в стакане воды», давая начало новому организму.

Г. Мендель заложил фундамент представлений о дискретном характере наследственного вещества и о его распределении при образовании половых клеток у гибридов.

Он в каждом эксперименте концентрировал внимание на одном признаке, а не на растении в целом, отбирал те признаки, по которым растения четко отличались.

Прежде чем скрещивать растения между собой он убеждался, что они принадлежат чистым линиям. Для этого Г. Мендель в течение двух лет разводил различные сорта гороха, чтобы отобрать те линии, где признак всегда воспроизводился в потомстве из поколения в поколение (окраска семядолей, расположение цветков, длина растения и др.).

В первых опытах Г. Мендель принимал во внимание только одну пару признаков. Такое скрещивание носит название моногибридного.

Моногибридным называется скрещивание, при котором учитываются закономерности наследования одной пары контрастных, альтернативных признаков.

Признак - любая особенность организма, т. е. любое отдельное его качество или свойство, по которому можно различить две особи. У растений это форма венчика (например, симметричный-асимметричный) или его окраска (пурпурный-белый), скорость созревания растений (скороспелость-позднеспелость), устойчивость или восприимчивость к заболеванию и т. д

• Первоначально признаки называли аллелями. Позже слова «аллель» и «ген» стали употреблять как синонимы. Аллельные гены (гены, определяющие один и тот же признак) расположены в одном и том же локусе гомологичных хромосом. У одного диплоидного организма может быть не больше двух аллелей одного и того же гена. Напомним, что от каждого из родителей получен один ген.

Рисунок 16 Аллельные гены.

Моногибридное скрещивание .

При скрещивании растений, имеющих желтые семена, с растениями, имеющими зеленые семена в первом поколении гибридов, были получены растения только с желтыми семенами.

В потомстве не было переходных форм.

Они же в свою очередь, будучи скрещены между собой, дали потомство, состоящее из растений, как с желтыми, так и с зелеными семенами. Отношение желтых семян к зеленым было равно 3:1.

Путем обобщения ряда опытов по различным признакам гороха были сформулированы основные законы Менделя.

1. Закон доминирования или закон единообразия гибридов первого поколения.

При скрещивании особей, отличающихся друг от друга по одному признаку, в первом поколении гибридов получаются единообразные потомки, схожие только с одним из родителей.

Соответствующий признак другого родителя не проявляется.

Проявившийся в первом поколении гибридов признак называется доминантным, а непроявившийся - рецессивным признаком.

У человека типичным примером доминантного признака является брахидактилия (равномерное укорочение пальцев), а рецессивного - отсутствие фермента фенилаланингидроксилазы, приводящее к развитию тяжелого заболевания - фенилкетонурии.

1. Закон расщепления во втором поколении гибридов наблюдается появление особей с доминантными и рецессивными признаками в соотношении 3:1.

Г. Мендель ввел символы: А - для доминантного и а - для рецессивного признака, подразумевая, что сами признаки определяются дискретными факторами наследственности - задатками (позже они получили название гены).

Гаметы каждого из родителей несут по одному такому гену.

В опытах с горохом - в гаметах одного из родителей находится ген, обусловливающий желтую окраску семян, а другого - зеленую окраску семян. Такие соответствующие друг другу гены называются аллельными генами.

• Аллель (от греч. а11е1оп - другой, иной) - одна из двух и более альтернативных форм гена, имеющая определенную локализацию на хромосоме и уникальную последовательность нуклеотидов.

Принято обозначать буквенными символами:

1. родительские организмы - Р,
2. первое поколение гибридов - F1 и второе поколение - F2 , полученное от скрещивания особей первого поколения между собой.

Родительские растения, принадлежащие к чистым линиям, имеют либо два доминантных (АА), либо два рецессивных (аа) аллеля и образуют только один тип гамет (А или а соответственно).

Такие организмы называют гомозиготными.

Все их потомство F1 будет нести как ген доминантного, так и ген рецессивного признака, т.е. оно будет гетерозиготным.

В буквенном изображении это выглядит следующим образом:

Если рассмотреть окраску семян гороха, то родительские желтые семена будут гомозиготами, в то время как желтые семена, полученные в результате скрещивания, будут гетерозиготами, т.е. они будут обладать разными генотипами (Аа).

У человека примером моногибридного скрещивания является большинство браков между гетерозиготными носителями рецессивных патологических аллелей, отвечающих за различные формы обменных нарушений (галактоземия, фенилкетонурия и др.)

Все описанное выше относится к наследованию альтернативных проявлений одного признака.

Дигибридное скрещивание .

1. Закон независимого наследования признаков: при ди- и полигибридных скрещиваниях гибридов каждая пара признаков наследуется независимо друг от других, расщепляясь в соотношении 3:1, и может независимо комбинироваться с другими признаками.

В одном из опытов Г. Мендель скрещивал растения с круглыми желтыми (доминантные) семенами с растениями, семена которых были зелеными и морщинистыми (рецессивные).

Гены, обусловливающие круглую форму семян и их желтую окраску (обозначим их буквами К и Ж, соответственно), доминируют над своими аллелями, определяющими морщинистую форму (к) и зеленую окраску (ж).

Соотношение четырех типов семян во втором поколении гибридов F2 было следующим: соответственно 315 круглых желтых, 108 круглых зеленых, 101 морщинистых желтых и 32 морщинистых зеленых. Этот результат хорошо совпадал с предполагаемым распределением 9:3:3:1, если основываться на гипотезе о независимой передаче признаков, поскольку отношение 3:1 хорошо соблюдается для каждого отдельно взятого признака.

Аналогичным примером скрещивания двух гетерозигот у человека может служить брак двух близоруких индивидов с нормальной пигментацией, так как у человека ген близорукости (А) доминирует над нор м альным зрением (а), а ген, определяющий нормальную пигментацию (В), доминирует над альбинизмом (в). В подобном браке оба родителя будут иметь генотип АаВв и образовывать четыре типа гамет: АВ, Ав, аВ, ав. Расщепление по фенотипу у детей будет следующим: 9 - близорукий, с нормальной пигментацией; 3 - близорукий, альбинос; 3 - нормальное зрение, нормальная пигментация; 1 - нормальное зрение, альбинос. Но если рассматривать все потомство только по одной паре признаков, то оказывается что каждый признак расщепляется в соотношении 3:1, т.е. признаки ведут себя независимо.

1. Генотип и фенотип.

Генотипом называют совокупность генов , характеризующую данный организм.

Фенотип - совокупность признаков , проявляющихся в результате действия генов в определенных условиях среды. Этот термин может употребляться и по отношению к одному из альтернативных признаков .

1. Взаимодействие аллельных и неаллельных генов:

полное и неполное доминирование,

кодоминирование, эпистаз,

комплементарность,

полимерия, плейотропия.

Взаимодействие аллельных генов

Такая форма взаимодействия аллельных генов, как доминантность и рецессивность представляет собой пример аллельных взаимодействий.

Однако вскоре после вторичного открытия законов Менделя были обнаружены факты, указывающие на существование других форм межгенных взаимоотношений в системе генотипа.

Так, оказалось, что доминирование одних признаков над другими представляет собой широко распространенное, но не универсальное явление.

В некоторых случаях имеет место неполное доминирование : гибрид F1 характеризуется признаком промежуточным между родительскими. Таким примером является появление цветков львиного зева розовой окраски при скрещивании цветков красного и белого цвета. В данном случае различия окраски обусловлены парой аллельных генов, в которых отсутствует доминирование.

Многие, может быть даже все, гены у разных организмов существуют более чем в двух аллельных формах, хотя один диплоидный организм не может быть носителем более двух аллелей. Это явление множественного аллелизма.

Впервые множественные аллели были открыты в локусе white у дрозофилы Т. Морганом и его сотрудниками. Особенность аллельных отношений заключается в том, что аллели можно расположить в ряд в порядке убывания степени доминирования.

Так, ген красноглазости - дикого (наиболее распространенного в природе) типа - будет доминировать над всеми остальными аллелями. Всего их около 15-ти. Каждый последующий член серии аллелей будет доминировать над всеми остальными членами, кроме предыдущего. Существование множественных аллелей само по себе указывает на относительный характер доминирования, как и на то, что оно проявляется в конкретных условиях среды.

Имеются случаи, когда отношения доминантности и рецессивности отсутствуют и оба аллеля проявляются в фенотипе. Здесь речь идет о кодоминировании .

Например, если один из родителей имеет группу крови А, а другой - В, то в крови их детей присутствуют антигены, характерные и для группы А, и для группы В. Такие гены носят название кодоминантных генов. Они представлены двумя и большим количеством аллелей.

Взаимодействие неаллельных генов: комплементарность, эпистаз и полимерия.

Примером комплементарного взаимодействия генов у человека является образование в иммунокомпетентных клетках организма специфического белка интерферона, связанного с взаимодействием двух неаллельных генов, локализованных в разных хромосомах.

Эпистаз - подавление одного гена другим, неаллельным геном.

Ген подавитель - супрессор, действует на подавляемый ген по принципу, близкому к доминантности, - рецессивности. Разница в том, что они не являются аллельными, т.е. занимают различные локусы в гомологичных и негомологичных Х-хромосомах.

Примером эпистаза у человека является так называемый «бомбейский фенотип». Известно, что наследование групп крови АВО у человека находится под контролем одного гена (I), у которого различают 3 аллеля - 1 а , I b , I o . Для реализации информации каждого аллеля необходимо присутствие доминантного аллеля Н другого генного локуса.

Если индивид является гомозиготой по Н-системе (т.е. hh), то аллель I b системы АВО не может проявить свое действие. Человек с генетической конституцией ВВ и ВО должен иметь III группу крови. Если же он одновременно является гомозиготой hh, то в реакции агглютинации у него аллель В не проявится, и человек будет распознан как имеющий первую группу крови.

Полимерия.

О полимерии говорят в случае наличия нескольких генов, одинаково влияющих на один признак.

Их действие чаще всего бывает суммирующимся

Проявление. такого действия будет зависеть от числа доминантных аллелей.

Так, при аддитивном действии фенотип будет более выражен при генотипе ААВВ, чем при АаВв. Например, пигментация кожи у человека варьирует от белой до черной. От браков между неграми и белыми рождаются дети с промежуточным цветом кожи, так называемые мулаты. В случае браков между мулатами потомки могут обладать любой окраской кожи - от черной до белой. Предполагается, что разница в пигментации кожи белых и чернокожих людей обусловлена действием трех или четырех неаллельных генов, каждый из которых в количественном отношении на окраску кожи влияет примерно одинаково.

Плейотропное действие генов- независимое или автономное действие гена в разных органах и тканях, другими словами - влияние одного гена на формирование нескольких признаков.

Первичная плейотропия обусловлена биохимическими механизмами действия мутантного белка или фермента - первичных продуктов мутантных аллелей. Для иллюстрации этого положения приведем примеры.

Мутантные аллели различных генов, контролирующих синтез коллагена и фибриллина, приводят к нарушению свойств соединительной ткани.

Поскольку соединительная ткань является основой всех органов и тканей, то понятно множественное влияние этих мутаций на клиническую картину (фенотип) при таких наследственных заболеваниях соединительной ткани, как, например, синдром Элерса-Данло и синдром Марфана, проявляющийся, в частности, характерными изменениями костной системы, пролапсом митрального клапана сердца, расширением дуги аорты, подвывихом хрусталика (вследствие слабости цинновой связки).

Другим примером является множественное поражение организма при нейрофиб-роматозе, когда результатом первичного плейотропного действия мутантного гена будет поражение нервной и костной систем, кожи и органа зрения и другие симптомы.

Еще одним примером первичного плейотропного действия гена можно считать характерные симптомы такого наследственного синдрома, как синдром Барде-Бидла, проявляющийся сочетанием ожирения, шестипалости кистей и/или стоп, недоразвитием половых органов, умственной отсталостью и характерным поражением органа зрения у больных индивидов.

Вторичная плейотропия - поражения организма может быть обусловлена осложнениями первичных патологических процессов, между которыми можно проследить взаимосвязь.

Пример, при одном из моногенных, аутосомно-рецессивно наследуемых заболеваний - муковисцидозе - наблюдается ошибка в синтезе трансмембранного белка, обеспечивающего ионный транспорт в клетках экзокринных желез .

Нарушение ионного транспорта Na и Cl ведет к формированию густой слизи в бронхах, экзокринной части поджелудочной железы и/или других экзокринных желез (половых и потовых), что влечет за собой вторичные воспалительные процессы, закупорку выводных протоков, нарушение переваривания пищи и развитие вторичных воспалительных процессов.

1. Пенетрантность и экспрессивность генов у человека.

Пенетрантность - вероятность проявления гена у его заведомых носителей. Если фенотипическое проявление наблюдают у всех носителей, говорят о полной, 100-процентной пенетрантности. Однако при многих заболеваниях такого не происходит, а наблюдается неполная пенетрантность. В этих случаях говорят о предрасположенности (к диабету, шизофрении, сердечно-сосудистым заболеваниям и пр.); даже носитель соответствующего гена может быть здоров. Современные методы диагностики позволяют во многих случаях выявить носительство дефектных генов.

Понятие экспрессивность отражает степень выраженности признака.

Экспрессивность гена характеризует разную степень выраженности заболевания при одном и том же генотипе.Экспрессивность гена характеризует разную степень выраженности заболевания при одном и том же генотипе.

Так, например, при одном из аутосомно-доминантных синдромов - синдроме Холт-Орама (синдром «рука-сердце») - характерное поражение костной системы может варьировать от незначительно недоразвитой лучевой кости до ее отсутствия с формированием лучевой косорукости.

Примером варьирующей экспрессивности заболевания являются также различия в тяжести течения такого частого наследственного аутосомно-доминантного заболевания, как нейрофиброматоз. Очень часто даже в одной семье имеются больные с легким течением (наличием пигментных пятен, небольшого количества нейрофибром, «веснушек» в складках кожи) и тяжелым течением заболевания (с опухолями ЦНС, озлокачествлением нейрофибром и другими грозными симптомами).

Практическое занятие

Решение задач, моделирующих моногибридное, дигибридное, полигибридное скрещивание

Из 23 пар хромосом человека 22 пары не различаются у женского и мужского пола и называются аутосомами. Наследование признаков, обусловленных генами, расположенными в аутосомах, не зависит от пола, не сцеплено с полом. 23-я пара хромосом определяет пол индивидуума: у женщин обе хромосомы 23-й пары (половые хромосомы) одинаковы - они называются Х- хромосомами, у мужчин 23-я пара состоит из одной Х- и одной Y- хромосомы. Соответственно, яйцеклетки, образующиеся в оогенезе, одинаковы по набору хромосом - они содержат по 22 аутосомы и по одной Х- хромосоме.

Сперматозоиды же могут содержать в дополнение к 22 аутосомам либо Х-, либо Y- хромосому. В первом случае при оплодотворении соединятся Х- и Х- хромосомы, определяя женский пол зиготы, во втором - Х- и Y-хромосомы, давая мужской пол. Y- хромосома человека не содержит генов, аллельных генам Х-хромосомы, поэтому у мужского пола гены Х-хромосомы всегда внешне проявляются независимо от того, доминантны они или рецессивны (гемизиготность). У женского пола проявление генов, сцепленных с Х-хромосомой, осуществляется как и в случае с аутосомными генами.
Типы наследования генов , расположенных в аутосомах, и Х-хромосомах, называются соответственно аутосомным и сцепленным с Х-хромосомой.

Таким образом, с учетом локализации генов и отношений доминантности можно выделить четыре основных типа наследования :
1) аутосомно-доминантный;
2) аутосомно-рецессивный;
3) сцепленный с Х-хромосомой, доминантный;
4) сцепленный с Х-хромосомой, рецессивный.

Выявление этих типов наследования на основании родословных и составляет задачу генеалогического анализа.
Некоторые гены , локализованные на аутосомах, могут проявлять свое действие в разной степени в зависимости от пола- по-разному у мужчин пли у женщин. Если поражается преимущественно один пол, то это обозначается как наследование, ограниченное полом. Например, такое наследование наблюдается при подагре и пресенильном облысении, при которых поражаются преимущественно мужчины. Эта избирательность поражения объясняют действием андрогенов (мужских половых гормонов). Еще Гиппократ заметил, что «евнухи не болеют подагрой и не становятся лысыми». При другом синдроме, наследуемом как ограниченный полом, - синдроме тестикулярной феминизации - женский фенотип формируется при мужском кариотипе (46, XY), что обусловлено генной мутацией, приводящей к аномалиям рецепторов к андрогенам. И хотя ген локализован в аутосоме, болеют данным заболеванием только мужчины.

Особенностями наследственных признаков являются их разная экспрессивность и пенетрантность. Эти термины предложил наш выдающийся генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский в 1925 году.

Пенетрантность - это частота или вероятность проявления гена. Пенетрантность бывает полная и неполная. О полной пенетрантности говорят, если доминантный ген в гетерозиготном или рецессивный в гомозиготном состоянии проявляются у каждого человека, в генотипе которого они встречаются. В некоторых семьях с доминантным признаком иногда встречаются «проскакивающие» поколения, т.е. у некоторых индивидов данного поколения ген имеется, но он не проявляется фенотипически. В таких случаях говорят о неполной пенетрантности гена. Эти явления зависят как от генотипа человека, так и от влияния среды, в которой он живет. Вероятность проявления гена часто выражают в процентах заболевших от числа носителей. Полная пенетрантность равна 100 %. При ряде заболеваний она довольно высока: при ретинобластоме - 80 %, при синдроме Гарднера - 84 %, при отосклерозе - 40 %.

Для оценки пенетрантности может использоваться так называемый метод трехпоколенных цепей (в трех поколениях), особенно при наличии больших родословных. С этой целью учитывают все трехпоколенные семьи, происходящие от больных с аутосомно-доминантным заболеванием и имеющие больного в 3-м поколении, но так, чтобы в них не было общих промежуточных предков.

Подсчитывается доля промежуточных предков , у которых проявилось заболевание, и соотносится с общим числом предков, в итоге получается оценка пенетрантности, которая также выражается в процентах. Пенетрантность -очень важное понятие, имеющее большое практическое значение. Зная пенетраитность, можно с большой долей вероятности констатировать наличие или отсутствие заболевания у обследуемого. Носительство доминантного гена без выраженных признаков болезни у одного из родителей можно предполагать тогда, когда у него в потомстве обнаружены случаи доминантного заболевания («проскок поколений»).

Ген, имеющийся в генотипе в необходимом для проявления количестве (1 аллель для доминантных признаков и 2 аллеля для рецессивных) может проявляться в виде признака в разной степени у разных организмов (экспрессивность) или вообще не проявляться (пенетрантность).

Модификационная изменчивость (воздействие условий окружающей среды)

Комбинативная изменчивость (воздействие других генов генотипа).

Экспрессивность – степень фенотипического проявления аллеля. Например, аллели групп крови АВ0 у человека имеют постоянную экспрессивность (всегда проявляются на 100%), а аллели, определяющие окраску глаз, – изменчивую экспрессивность. Рецессивная мутация, уменьшающая число фасеток глаза у дрозофилы, у разных особей по разному уменьшает число фасеток вплоть до полного их отсутствия.

Экспрессивность отражает характер и тяжесть симптомов, а также возраст начала заболевания.

Если человек, страдающий доминантной болезнью, хочет знать, насколько тяжело будет протекать болезнь у его ребенка, унаследовавшего мутацию, то он ставит вопрос об экспрессивности. С помощью генодиагностики можно выявить мутацию, даже не проявляющуюся, но нельзя предсказать диапазон экспрессивности мутации в данной семье.

Изменчивая экспрессивность, вплоть до полного отсутствия проявления гена, может быть обусловлена:

Влиянием генов, расположенных в том же или в других локусах;

Воздействием внешних и случайных факторов.

Пенетрантность – вероятность фенотипического проявления признака при наличии соответствующего гена. Например, пенетрантность врожденного вывиха бедра у человека составляет 25%, т.е. болезнью страдает только 1/4 рецессивных гомозигот. Медико-генетическое значение пенетрантности: здоровый человек, у которого один из родителей страдает заболеванием с неполной пенетрантностью, может иметь непроявляющийся мутантный ген и передать его детям.

Определяется по проценту особей в популяции из числа несущих ген, у которых он проявился. При полной пенетрантности доминантный или гомозиготно-рецессивный аллель проявляется у каждой особи, а при неполной пенетрантности – у части особей.

Пенетрантность может иметь важное значение при медико-генетическом консультировании в случае аутосомно-доминантных заболеваний. Здоровый человек, у которого один из родителей страдает подобным заболеванием, с точки зрения классического наследования не может быть носителем мутантного гена. Однако если учитывать возможность неполной пенетрантности, то картина совсем иная: внешне здоровый человек может иметь непроявляющийся мутантный ген, передать его детям.

Методы генодиагностики позволяют определить, есть ли у человека мутантный ген, и отличить нормальный ген от непроявляющегося мутантного гена.

На практике определение пенетрантности часто зависит от качества методов исследования, например, с помощью МРТ можно обнаружить симптомы болезни, которые раньше не выявляли.

С точки зрения медицины ген считают проявившимся даже при бессимптомном заболевании, если выявлены функциональные отклонения от нормы. С точки зрения биологии ген считают проявившимся, если он нарушает функции организма.

Полигенное наследование

Полигенное наследование – наследование, при котором несколько генов определяют проявление одного признака.

Комплементарность - такое взаимодействие генов, при котором 2 или более генов вызывают развитие признака. Например, у человека гены, ответственные за синтез интерферона, располагаются на 2 и 5 хромосомах. Для того чтобы организм человека мог продуцировать интерферон, необходимо, чтобы хотя бы по одному доминантному аллелю присутствовало одновременно и на 2, и на 5 хромосоме. Обозначим гены, связанные с синтезом интерферона и располагающиеся на 2 хромосоме - А (а), а на 5 хромосоме - В (в). Варианты ААВВ, АаВВ, ААВв, АаВв будут соответствовать возможности выработки организмом интерферона, а варианты аавв, ААвв, ааВВ, Аавв, ааВв - неспособностью.

Тип наследования признаков, обусловленных действием многих генов, каждый из которых оказывает лишь слабое действие. Фенотипически проявление полигенно обусловленного признака зависит от условий внешней среды. У потомков наблюдается непрерывный ряд вариаций количественного проявления подобного признака, а не появление четко различающихся по фенотипу классов. В ряде случаев при блокировании отдельного гена признак не проявляется вообще, несмотря на его полигенную обусловленность. Это свидетельствует о пороговом проявлении признака.

Так как на развитие полигенных признаков большое влияние оказывают факторы внешней среда, выявление роли генов в этих случаях затруднительно.

Полимерия - несколько генов действуют на один признак одинаково. При этом при формировании признака не важно, какой паре принадлежат доминантные аллели, важно их количество.

Например, на цвет кожи у человека влияет особое вещество - меланин, содержание которого обеспечивает палитру цвета от белого до чёрного (кроме рыжего). Наличие меланина зависит от 4-5 пар генов. Для упрощения задачи будем условно считать, что таких генов два. Тогда генотип негра можно записать - АААА, генотип белого - аааа. Светлокожие негры будут иметь генотип АААа, мулаты - ААаа, светлые мулаты - Аааа.

Плейотропия - влияние одного гена на появление нескольких признаков. Примером может служить аутосомно-доминантное заболевание из группы наследственных патологий соединительной ткани. В классических случаях лица с синдромом Марфана высоки (долихостеномелия), имеют удлинённые конечности, вытянутые пальцы (арахнодактилия) и недоразвитие жировой клетчатки. Помимо характерных изменений в органах опорно-двигательного аппарата (удлинённые трубчатые кости скелета, гипермобильность суставов), наблюдается патология в органах зрения и сердечнососудистой системы, что в классических вариантах составляет триаду Марфана.

Без лечения продолжительность жизни лиц с синдромом Марфана часто ограничивается 30-40 годами и смерть наступает вследствие расслаивающейся аневризмы аорты или застойной сердечной недостаточности. В странах с развитым здравоохранением больные успешно лечатся и доживают до преклонного возраста. Среди известных исторических личностей данный синдром проявлялся у А. Линкольна, Н. Паганини, К.И. Чуковского (рис. 3.4, 3.5).

Эпистаз - подавление одним геном другого, неаллельного. Примером эпистаза может служить "бомбейский феномен". В Индии описаны семьи, в которой родители имели вторую (АО) и первую (00) группу крови, а их дети - четвёртую (АВ) и первую (00). Чтобы ребёнок в такой семье имел группу крови АВ, мать должна иметь группу крови В, но никак не О. Было выяснено, что в системе групп крови ABO имеются рецессивные гены-модификаторы, которые подавляют экспрессию антигенов на поверхность эритроцитов, и фенотипически у человека проявляется группа крови О.

Ещё одним примером эпистаза может служить появление белых альбиносов в семье темнокожих. В данном случае рецессивный ген подавляет выработку меланина, и если человек гомозиготен по этому гену, то независимо от того, какое количество доминантных генов, ответственных за синтез меланина, он имеет, окрас кожи у него будет альбиотический (рис. 3.6).

Синдром Морриса - синдром нечувствительности к андрогенам (синдром тестикулярной феминизации) проявляется нарушениями полового развития, которые развиваются в результате слабого реагирования на мужские половые гормоны у лиц с мужским набором хромосом (ХУ). Первым ввёл термин "синдром тестикулярной феминизации" американский гинеколог Джон Моррис в 1953 году.

Данный синдром является наиболее известной причиной развития мужчины как девушки или наличия проявлений феминизации у мальчиков, которые родились с мужским набором хромосом и нормальным уровнем половых гормонов. Имеются две формы андрогенной нечувствительности: полная или частичная нечувствительность. Дети с полной формой нечувствительности имеют однозначно женский внешний вид и развитие, в то время как люди с частичной формой могут иметь сочетание женских и мужских внешних половых признаков, в зависимости от степени нечувствительности андрогенов. Частота заболеваемости - примерно 1-5 на 100000 новорождённых. Чаще встречается синдром частичной нечувствительности к андрогенам. Полная нечувствительность к мужским половым гормонам является очень редким заболеванием.

Заболевание обусловлено мутацией в гене ЛЯ на Х-хромосоме. Этот ген определяет функцию андрогенных рецепторов - белка, который реагирует на сигналы от мужских половых гормонов и запускает клеточный ответ. При отсутствии активности андрогенных рецепторов не будет происходить развития мужских половых органов. Андрогенные рецепторы необходимы для развития лобковых и подмышечных волос, регулируют рост бороды и деятельность потовых желез. При полной андрогенной нечувствительности нет андрогенной активности рецепторов. Если некоторые клетки имеют нормальное количество активных рецепторов, то это синдром частичной нечувствительности к андрогенам.

Синдром наследуется с Х-хромосомой как рецессивный признак. Это означает, что мутация, вызывающая синдром, расположена на X-хромосоме. Согласно некоторым сведениям, в частности исследованию причин гениальности В.П. Эфроимсоном, синдром Морриса был у Жанны д"Арк.

Плейотропное действие генов

Плейотропное действие генов - это зависимость нескольких признаков от одного гена, то есть множественное действие одного гена.

У дрозофилы ген белого цвета глаз одновременно влияет на цвет тела, длины, крыльев, строение полового аппарата, снижает плодовитость, уменьшает продолжительность жизни. У человека известна наследственная болезнь - арахнодактилия ("паучьи пальцы"-очень тонкие и длинные пальцы), или болезнь Марфана. Ген, отвечающий за эту болезнь, вызывает нарушение развития соединительной ткани и одновременно влияет на развитие нескольких признаков: нарушение строения хрусталика глаза, аномалии в сердечно-сосудистой системе.

Оба понятия ввел в 1926 г. О. Фогт для описания варьирования мутантных фенотипов.

Экспрессивность – это степень проявления мутантного признака в фенотипе. Например, мутация eyeless у дрозофилы вызывает редукцию глаза, степень которой неодинакова у разных особей.

Пенетрантность – это частота, или вероятность проявления мутантного фенотипа среди всех особей, несущих данную мутацию. Например, 100%-ная пенетрантность рецессивной мутации означает, что у всех гомозиготных особей она проявляется в фенотипе. Если же фенотипически она обнаруживается только у половины особей, то пенетрантность мутации равна 50%.

Условные мутации

Эти мутации проявляются только при выполнении определенных условий.

Температуро-чувствительные мутации . Мутанты этого типа живут и развиваются нормально при одной (пермиссивной ) температуре и обнаруживают отклонения при другой (рестриктивной ). Например, у дрозофилы выделяют холодочувствительные (при 18°С) ts –мутации (temperature sensitive) и теплочувствительные (при 29°С) ts –мутации. При 25°С сохраняется нормальный фенотип.

Мутации чувствительности к стрессу . В данном случае мутанты развиваются и внешне выглядят нормально, если их не подвергать каким-либо стрессирующим воздействиям. Так, мутанты sesB (stress sensitive) дрозофилы в обычных условиях не проявляют каких-либо отклонений.

Однако если резко встряхнуть пробирку, у мух начинаются судороги и они не способны двигаться.

Ауксотрофные мутации у бактерий . Они выживают только на полной среде или же на минимальной, но с добавкой того или иного вещества (аминокислоты, нуклеотида и т. д.).

Методы учета мутаций

Особенности методов учета мутаций . Методы обнаружения мутаций должны быть разными в зависимости от способа размножения организма. Видимые морфологические изменения учитываются легко; сложнее определить физиологические и биохимические изменения у многоклеточных организмов. Легче всего обнаруживаются видимые доминантные мутации, которые могут проявляться в гетерозиготном состоянии в первом же поколении, труднее анализировать рецессивные мутации , их необходимо переводить в гомозиготное состояние .

Для хорошо изученных в генетическом отношении объектов (дрозофила, кукуруза, ряд микроорганизмов) изучение новой мутации проводить довольно легко. Например , для дрозофилы разработаны специальные методики учета частоты мутаций.

Метод СlВ . Мёллер создал линию дрозофил СlВ (Си Эль Би ) у которой одна из Х -хромосом маркирована доминантным геном Bar (В) и инверсией , названной С . Эта инверсия препятствует кроссинговеру и обладает рецессивным летальным эффектом – l . Поэтому линия и названа СlВ .

Самок этой линии-анализатора скрещивают с самцами из исследуемой выборки. Если самцы взяты из природной популяции , то можно оценить частоту леталей в ней. Или же берут самцов, обработанных мутагеном . В этом случае оценивается частота летальных мутаций, вызванных этим мутагеном.

В F 1 отбирают самок СlВ /+, гетерозиготных по мутации Bar , и скрещивают индивидуально (каждую самку в отдельной пробирке с самцом дикого типа). Если в проверяемой хромосоме нет мутации , то в потомстве будет два класса самок и один класс самцов (B + ), поскольку самцы СlВ гибнут из-за наличия летали l , т.е. общее расщепление по полу будет 2:1 (см. рисунок).

Если же в опытной хромосоме естьлетальная мутация l m , то в F 2 будут только самки , так как самцы обоих классов погибнут – в одном случае из-за наличия летали в Х -хромосоме СlВ , в другом – из-за наличия летали l m в опытной Х -хромосоме (см. рисунок). Определяя отношение числа Х -хромосом (пробирок с индивидуальными скрещиваниями), в которых возникла леталь, к общему числу изученных Х -хромосом (пробирок), подсчитывают частоту летальных мутаций в определенной группе.

Мёллер неоднократно модифицировал свой метод выявления леталей в Х -хромосоме дрозофилы, в результате чего появились такие линии - анализаторы , как Mu-5 , а позднее – линии - балансеры Basc , Binsn и др.

Метод Cy L/Pm . Для учета летальных мутаций в аутосомах дрозофилы используют линии сбалансированных леталей . Для проявления рецессивной летальной мутации в аутосоме тоже необходимо, чтобы она оказалась в гомозиготном состоянии . Для этого необходимо поставить два скрещивания, а учет потомков вести в F 3 . Для обнаружения леталей во второй хромосоме используют линию Cy L/Pm (Сай Эл Пи Эм) (см. рисунок).

У мух этой линии во второй хромосоме расположены две доминантные мутации Cy (Curly – загнутые крылья) и L (Lobe – маленькие дольковидные глаза) , каждая из которых в гомозиготном состоянии вызывает летальный эффект. Мутации представляют собой протяженные инверсии в разных плечах хромосомы. Обе они «запирают » кроссинговер. В гомологичной хромосоме также присутствует доминантная мутация – инверсия Pm (Plum – коричневые глаза). Анализируемого самца скрещивают с самкой из линии CyL/Pm (на рисунке показаны не все классы потомков).

В F 1 отбирают самцов Cy L/Pm + и индивидуально скрещивают их с самками исходной линии Cy L/Pm . В F 2 отбирают самцов и самок Cy L , у которых гомологичная хромосома является испытуемой. В результате скрещивания их между собой получается три класса потомков. Один из них погибает из-за гомозиготности по мутациям Cy и L , еще один класс потомков – это гетерозиготы Cy L/Pm + , а также класс гомозигот по испытуемой хромосоме. В итоге получаются мухи Cy L и Cy + L + в соотношении 2:1 .

Если в испытуемой хромосоме произошла летальная мутация , в потомстве от последнего скрещивания будут только мухи Cy L . С помощью такого метода можно учитывать частоту рецессивных летальных мутаций во второй хромосоме дрозофилы.

Учет мутаций у других объектов . Аналогичные методы обнаружения мутаций разработаны и для других объектов. В основу их положены те же принципы:

1) обнаружить рецессивную мутацию можно, переводя ее в гомо- или гемизиготное состояние,

2) учесть точно частоту возникающих мутаций можно лишь при условии отсутствия кроссинговера у гетерозиготных особей.

Для млекопитающих (мышь, кролик, собака, свинья и др.) разработана методика учета частоты возникновения доминантных летальных мутаций. О частоте мутаций судят по разнице между числом желтых тел в яичнике и развивающихся эмбрионов у вскрытой беременной самки.

Учет частоты возникновения мутаций у человека очень затруднен, однако генеалогический анализ , т.е. анализ родословных, позволяет установить возникновение новых мутаций. Если в родословной супругов в течение нескольких поколений не встречался какой-то признак, а у одного из детей он появился и стал передаваться следующим поколениям, значит мутация возникла в гамете одного из этих супругов.

Учет мутаций у микроорганизмов . Изучать мутации у микроорганизмов очень удобно, так как все гены у них в единственном числе и мутации проявляются уже в первом поколении .

Мутантов легко обнаружить методом отпечатков , или реплик , который предложили супруги Э. и Дж. Ледерберги .

Для выявления у Е. сoli мутаций устойчивости к бактериофагу Т1 бактерии высевают на питательный агар, чтобы образовались отдельные колонии. Затем при помощи бархатной реплики эти колонии перепечатывают на чашки с нанесенной суспензией частиц фага Т1. Большая часть клеток исходной чувствительной (TonS ) культуры не будет образовывать колоний, поскольку их лизирует бактериофаг. Вырастут лишь отдельные мутантные колонии (TonR ), устойчивые к фагу. Подсчитывая число колоний в контрольном и опытном (например, после облучения ультрафиолетовым светом) вариантах, легко определить частоту индуцированных мутаций.