Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


Aa Tltl? Возьмем нашу таблицу с вероятностями генотипов и в левой колонке просто заменим ген le
Взаимодействие генов
Подобный материал:
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   ...   26



Можно заметить две вещи. Во-первых, равновесные частоты получаются как разложение бинома. Во-вторых, если частоты аллелей x1 и x2 равны между собой (или если наша популяция происходит от единственной гетерозиготы), то соотношения Харди – Вайнберга сводятся к уже знакомому нам расщеплению 1 : 2 : 1.

Если в популяции присутствует k аллелей: x1, x2, x3, ..., xk, с частотами p(x1), p(x2), p(x3), ..., p(xk) (сумма этих частот должна равняться единице), то соотношения Харди – Вайнберга также сохраняют вид разложения бинома.

Частоты гомозигот x1x1, x2x2, ..., xkxk будут соответственно равны p(x1,)2, p(x2) 2, ..., p(xk) 2, а частоты гетерозигот x1x2, x1x3, ..., x1xk , x2x3, x2x4, ..., x2xk и т. д. будут, равны соответственно 2p(x1)p(x2), 2p(x1)p(x3), ..., 2p(x1)p(xk), 2p(x2)p(x3), 2p(x2)p(x4), ..., 2p(x2)p(xk) и т. д.

Соотношения генотипов легко превратить в соотношения фенотипов, если знать отношения доминантности между аллелями.

Есть целый раздел генетики – генетика популяций, который в основном исследует частоты генотипов в популяции и те факторы, которые на них влияют. Соотношения Харди – Вайнберга имеют в генетике популяций очень важное значние как показатель близости популяции к генетическому равновесию, то есть к идеальной популяции.

Мы отвлеклись. Продолжим критику «законов Менделя» как формулировок (но никоим образом – как открытых им закономерностей!). «Закон расщепления гибридов второго поколения», конечно, верен (при условии что это второе поколение – от скрещивания гомозигот), но не говорит нам, какое именно расщепление мы увидим. А это зависит от многого – от схемы скрещивания, от отношений доминантности и т. д.

А вот третий закон – независимого расщепления признаков – в общем случае неверен. Далеко не все признаки расщепляются независимо, и мы это скоро увидим. Менделю необыкновенно повезло, что, работая с семью генами, он действительно случайно выбрал только независимо комбинирующие гены!

Так что давайте не вспоминать о трех законах Менделя, зато будем хорошо себе представлять механизмы наследования генов и признаков, изучению которых положил начало и так далеко продвинул Грегор Мендель. Если хотите воздать ему должное, говорите о закономерностях менделевской генетики или о менделизме.

На самом деле, до Менделя уже было известно многое: и дискретное наследование, и явление доминирования, и равноправие полов в наследственности, и однородность первого поколения гибридов, и расщепление во втором. Заслуга Менделя состоит, во-первых, в том, что он стал анализировать наследование отдельных признаков, а не пытался охватить весь фенотип в целом. Во-вторых, и это была без преувеличения гениальная догадка, он предположил, что зародыш получает от родителей некие материальные задатки наследственности, которые в результате имеются у него в двойном комплекте. И поставил эксперименты, которые блестяще согласовывались с этими предположениями. Для этой догадки тогда совершенно не было никаких оснований в том, что было известно о строении живых существ, но она однозначно описывала наблюдавшуюся Менделем феноменологию. И предвосхитила открытие поведения хромосом в мейозе. Таким образом, описав закономерности наследования как математическую абстракцию, Мендель приоткрыл природу наследственности как биологического явления, имеющего материальное основание.

Итак, что мы можем добавить к наблюдениям Менделя?

Во-первых, неполное доминирование или кодоминирование. Мы уже упомянули о нем в случае моногибридного расщепления. Теперь рассмотрим дигибридное расщепление.

Возьмем вместо локуса le локус tl. У гороха мутантный аллель tl в гомозиготе превращает усики в листочки. У гетерозиготы Tltl усик приобретает плоскую пластинку, то есть по сути превращается в очень узкий листочек. Таким образом, пара аллелей по данному локусу проявляет неполное доминирование.

Как будет расщепляться в F2 двойная гетерозигота ^ Aa Tltl? Возьмем нашу таблицу с вероятностями генотипов и в левой колонке просто заменим ген le на ген tl. В правой колонке запишем фенотипы. Фенотип в отношении гена tl однозначно соответствует генотипу, поэтому просто скопируем обозначения фенотипа через удвоенный двухбуквенный символ гена.


Генотип
Вероятность
Фенотип

AA TlTl


1/16
A TlTl

AA Tltl
1/8
A Tltl

AA tltl
1/16
A tltl

Aa TlTl
1/8
A TlTl

Aa Tltl
1/4
A Tltl

Aa tltl
1/8
A tltl

aa TlTl
1/16
a TlTl

aa Tltl
1/8
a Tltl

aa tltl
1/16
a tltl



Мы видим, что фенотипов имеется шесть. Расположим их сразу в таблицу: фенотип по a против фенотипа по tl.


Фенотипы
TlTl
Tltl
tltl
Сумма

A
3/16
6/16
3/16
3/4

a
1/16
2/16
1/16
1/4

Сумма
1/4
2/4
1/4
1



Здесь мы видим два моногибридных расщепления – 3 : 1 для гена с доминированием и 1 : 2 : 1 для гена с неполным доминированием, а дигибридное расщепление включает 6 фенотипов в соотношениях 3 : 6 : 3 : 1 : 2 : 1.

Если оба гена кодоминантны или проявляют неполное доминирование, т. е. фенотип однозначно соответствует генотипу и никакие два генотипа не имеют идентичного фенотипа, то мы получим соответственно 9 фенотипов на 9 генотипов, в тех же соотношениях, что и в одной из предыдущих таблиц, где было записано 9 генотипов в столбик.

Лекция 14. ГЕНЕТИКА 3. ГЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, ЛЕТАЛИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА, ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ

^ Взаимодействие генов


Далее мы можем добавить к наблюдениям Менделя так называемое взаимодействие генов. Этот термин может ввести в заблуждение, поскольку в лице своих материальных носителей – участков ДНК – гены с друг с другом не взаимодействуют, взаимодействуют только их продукты – белки и, реже, РНК (однако белковые продукты одних генов часто взаимодействуют с другими генами, взаимодействуя именно с ДНК последних). Речь идет о взаимодействии генов как регуляторов определенных звеньев программы развития организма.

Рассмотрим простейший случай взаимодействия генов – эпистаз. Этим термином обозначают явление, когда сама возможность фенотипического проявления какого-то гена зависит от фенотипического проявления другого гена. Возьмем опять-таки наш любимый ген гороха - a и нашу пару аллелей – А (красные цветы) и а (белые цветы). У гомозиготы аа в цветках не образуется пигмент антоциан. Возьмем второй ген – b. У него тоже есть два аллеля – дикий тип B (цветки нормального цвета) и мутантный b – цветки без пурпурного оттенка, теплого бледно-розового цвета. Другими словами, ген b определяет оттенок цветка, причем два класса четко различаются. Но чтобы этот оттенок различался, должен быть пигмент. Если нет пигмента, то нет и оттенка. Стало быть, у гомозигот аа ген b НИКАК не влияет на фенотип. Ген a подавляет проявление гена b, он эпистатичен гену b, а ген b – гипостатичен гену a.

Как будет выглядеть дигибридное расщепление по фенотипу при самоопылении двойной гетерозиготы Aa Bb? Ввиду эпистаза мы имеем всего три фенотипа, AB, Ab и a, так на фоне фенотипа a фенотип в отношении гена b не имеет смысла.

Снова скопируем подходящую таблицу и заменим все, что нужно.


Фенотипы
B
b
сумма

A
9/16
3/16
3/4

a
4/16
1/4

*


Получаем расщепление 9 : 4 : 3.

Это был так называемый рецессивный эпистаз – ген a влиял на проявление гена b будучи в гомозиготе по рецессивному аллелю.

Доминантный эпистаз можно проиллюстрировать на примере лошадей. Черная окраска доминирует над гнедой, но есть доминантный аллель раннего поседения, который делает лошадь серой вне зависимости от того, какой она была до поседения. Нам поэтому нужно было бы слить клеточки не нижней строки, а верхней. И для трех фенотипов – седой, черный и гнедой, мы бы получили расщепление 12 : 3 : 1.

Чаще взаимдействие генов бывает более сложным. Так, гомозигота по двум и более аномальным аллелям (чаще всего нуль-аллелям) приводит к появлению качественно новых фенотипов, не сводимых к одному из фенотипов родителей или их сумме. Вот, к примеру, у гороха есть мутация tl, которая в гомозиготе превращает все его усики в листочки. И есть другая мутация, af, которая, наоборот, превращает все листочки в ветвистые усики. Вопрос: как будет выглядить двойная гомозигота tl tl, af af ? Из общих соображений не догадаешься, такие вещи нужно проверять эмпирически. Кстати, реальный результат в чем-то похож на то, что можно ожидать от ситуации, когда горох никак не может решить, что у него должно расти – листочки или усики. Лист превращается в систему многократно ветвящихся усиков, на конце которых сидят пучки маленьких листочков.

Горох имеет сложный лист, в основании его находится пара широких прилистников, затем идет ось листа, на которой парами располагаются листочки, а затем – простые усики; лист заканчивается непарным усиком. На рис. 14.1 показано, что можно сделать с листом гороха, комбинируя несколько мутаций по разным генам, влияющим на его структуру. Как видим, можно даже превратить его в дваждынепарноперистый, когда на оси листа располагаются оси второго порядка, несущие листочки. Заметим, что дваждыперистый лист был характерен для предков всех бобовых растений. Оказывается, нечто подобное можно воспроизвести всего двумя мутациями. Эти мутации выключают гены, появившиеся у более поздних бобовых, от которых произошел горох; тем самым они возвращают генетическую систему управления развитием листа к варианту, свойственному самым первым бобовым.


Плейотропия


Выше мы рассмотрели случаи эпистаза, когда несколько генов влияют на один и тот же признак. Но часто встречается и противоположный случай – когда один ген влияет на несколько признаков. Это не может вызывать у нас никакого удивления, так как ранее мы уже порассуждали о том, что выделение признаков – дело субъективное, так что любой может вместо одного признака выбрать несколько, отражающих немного отличающиеся аспекты того же явления. Однако бывают случаи, когда признаки, на которые влияет один и тот же ген, не имеют, казалось бы, ничего общего друг с другом. Мы упоминали о серповидно-клеточной анемии, при которой молекулы гемоглобина из-за замены одной аминокислоты слипаются друг с другом, эритроциты принимают неправильную форму, эффективность транспорта кислорода по крови резко ухудшается. Жизнеспособность детей, гомозиготных по аллелю серповидно-клеточной анемии, резко снижена и они, как правило, не доживают до взрослого состояния. У гетерозигот по аномальному аллелю половина молекул гемоглобина нормальна, и этого оказывается достаточно для нормального функционирования крови. (Такие люди испытывают проблемы лишь в условиях недостатка кислорода – при очень сильных физических нагрузках, в высокогорьях.) Однако в таких эритроцитах не может нормально жить малярийный плазмодий, поэтому гетерозиготы не болеют малярией. Такое их преимущество и привело к тому, что мутантный аллель получил широкое распространение в Африке. Заметим, что он не может вытеснить нормальный аллель, так как среди фенотипов частота успешных гетерозигот должна остоваться выше частоты гомозигот, больных серповидно-клеточной анемией. - естественный отбор в пользу гетерозигот должен оставаться более эффективным, чем естественный отбор против гомозигот. Таким образом, мы видим влияние одной мутации на два признака – эффективность транспорта кислорода кровью и устойчивость к малярии. Однако если мы разберемся в подоплеке этих влияний, то увидим, что оба они сводятся к хрупкости эритроцитов. Поскольку молекулярный продукт одного локуса как правило выполняет только одну молекулярную функцию, плейотропии исчезает, когда мы переходим с уровня организма как целого к процессам на более низком уровне – клеточном или молекулярном.

Все знают так называемых рыжих людей. На самом деле далеко не у всех их волосы действительно имеют рыжий цвет, зачастую они выглядят светло-русыми. Однако вы легко распознаете рыжего человека даже на черно-белой фотографии. И сколько бы девушка не красилась в огненный цвет, она от этого не станет рыжей. У рыжих есть нечто неуловимо общее в форме лица, в скулах и посадке глаз. Кроме того, у них бледная кожа, много веснушек, они легко сгорают на солнце и не способны загорать. На биохимическом уровне у рыжих людей дефектен клеточный рецептор к гормону меланокортину, который стимулирует в клетках химическое преобразование красноватого пигмента феомеланина в более темный пигмент эумеланин. Рыжие люди мутантны по этому рецептору, у них вырабатывается меланокортин, но компетентные в отношении него клетки (в данном случае термин самоочевиден) оказываются к нему нечувствительными. Это хорошо объясняет, почему у них бледная кожа и красноватые волосы. Влияние на черты лица совершенно неочевидно. Возможно, он имеет отношение не к пигментации, а к какой-то другой функции гормона меланокортина.

Есть порода кошек, отличающаяся белой шерстью, голубыми глазами и глухотой. Все три признака определяются одним и тем же мутантным аллелем. У людей также есть нечто подобное – бывают люди с голубым оттенком белков глаз и у них часто бывают дефектны слуховые косточки, что в подростковом возрасте приводит их к глухоте.


Летали


Рассмотрим еще одно явление, изменяющее менделевские соотношения. Допустим, в моногибридном расщеплении мы получили вместо ожидаемого расщепления 3:1 нечто около 5:1 или 7:1. Причем все было нормально – изначально имелись две гомозиготы, получилась гетерозигота с доминантным фенотипом, а во втором поколении – такая вот незадача! Мы вынуждены предположить, что гаметы, несущие разные аллели, имеют неодинаковую выживаемость или конкурентоспособность, однако какое-то их количество все же участвует в оплодотворении и они совместимы с жизнью, о чем говорит само существование гомозигот.

В главе о мейозе мы упоминали о летальных генах, или леталях, – тех, которые убивают своего носителя. Здесь под «генами» мы не можем подразумевать ничего, кроме аллелей, так как летальных локусов быть не может – на ДНК не может возникнуть специального участка с особой функцией убивать своего носителя. А вот летальные аллели очень даже нередки. Обычно это «сломанные» функциональные аллели, не способные производить жизненно важный функциональный белковый (или РНК-) продукт.

Следует оговорить, что речь идет о смерти до размножения. Вы знаете проходных лососевых рыб, умирающих сразу же после нереста (и тем самым добавляющих органики в водоемы, где выплодится их молодь, так чтобы для нее могла сформироваться кормовая база). Вы также знаете, что большинство рыб нерест не убивает, и наверняка таковы же были предки лососевых. По-видимому, в эволюции лососевых зафиксировалась в качестве полезной мутация, убивающая родителей после нереста. Однако такую мутацию нельзя назвать леталью, так как она не препятствует (а даже способ ствует) размножению. С другой стороны, любая мутация, которая делает организм стерильным, т. е. неспособным размножаться, в популяционном и эволюционном смысле эквивалентна летали, хотя бы сам ее носитель процветал и наслаждался жизнью. Как правило, если организм не тратится на размножение, все сэкономленные ресурсы идут на его собственные нужды. Стерильные растения, к примеру, обычно пышно разрастаются. Да и на людях эта закономерность прослеживается великолепно.

Как правило, летали рецессивны – это означает, что если летальный аллель оказывается в гетерозиготе с нормальным, то нормального аллеля, который кодирует полноценный продукт, хватает для обеспечения жизнеспособности носителя. Такие мутации не имеют других фенотипических проявлений помимо летальности в гомозиготе (поэтому у них как правило нет осмысленных названий). Теоретически ничто не препятствует и существованию доминантных леталей, убивающих своего носителя даже в гетерозиготе. Допустим, дефектная копия белка оказалась способной блокировать какой-то жизненно важный процесс. Однако доминантная леталь исчезает вместе со своим носителем сразу же или вскоре после своего возникновения и мы никогда не сможем ее зарегистрировать, тогда как ДНК, содержащая рецессивную леталь, в составе гетерозиготы будет реплицироваться и о ее существовании мы можем догадаться по генетическому расщеплению в потомстве, прежде всего по недостатку носителей аллелей сцепленных с ней локусов (об этом ниже). Иногда летальный аллель может иметь нелетальное проявление в гетерозиготе. У овчарок колли существует седая форма. Такие собаки гетерозиготны по некоему аллелю, который в гомозиготе летален. Соответственно этот аллель доминантен в отношении своего видимого проявления, но рецессивен в качестве летали. При скрещивании седых колли с нормальными он ведет себя как обычный доминантный аллель, обеспечивая расщепление седых и неседых собак как 1:1. При скрещивании же двух седых собак мы вместо соотношения 3:1 получим соотношение 2:1 – верный признак, что гомозигота по «седому» аллелю нежизнеспособна.

У растений существует особый класс гаметофитных леталей – летальных аллелей по локусам, имеющих жизненно важную функцию в гаплоидном поколении. Диплоидное растение, содержащее такую леталь в гетерозиготе, будет нормальным, но половина его гаметофитов, получившая в мейозе хромосому, несущую гаметофитную леталь, будет погибать. Если летальность проявляется в мужском гаметофите, то у такого растения половина пыльцы будет стерильна. Такую пыльцу можно легко регистрировать в виде пустых пыльцевых зерен, поскольку стенка пыльцевого зерна нарабатывается еще диплоидной клеткой до ее вступления в мейоз.

По сути, летальность является одной из форм взаимодействия генов, поскольку представляют собой испорченные узлы генной сети, приводящей к формированию и функционированию полноценного организма. Взаимодействие генов следует понимать именно на информационно-управленческом уровне.

Кроме генного взаимодействия на летальность аллеля может влиять так называемое взаимодействие генотип–среда. Некий аллель может быть вполне жизнеспособным в одних условиях и летальным в других. К примеру, многие бактерии способны расти, расщепляя широкий спектр органические веществ, присутствующих в среде их обитания. Допустим, кишечная палочка может усваивать многие вещества, образующиеся при переваривании пищи. Если ферментная система по расщеплению какого-то из них, допустим лактозы, будет нарушена, бактерия «не заметит» этого и будет усваивать другие. Но если мы специально поместим бактерии на бедную среду, в которой не будет ничего «съедобного», кроме лактозы, то мутация по лактатдегидрогеназе, к примеру, окажется летальной. Такие летали называют условными.