Наследование при взаимодействии генов

1. Типы взаимодействия генов

2. Комплементарное действие генов

3. Эпистаз

4. Полимерия

5. Множественное (плейотропное) действие гена

Наследование при взаимодействии генов. При анализе закономерностей наследования было выяснено, что расщепление в потомстве дигетерозиготы в отношении 9 : 3 : 3 : 1 возможно, если каждый ген действует на определяе­мый им признак или свойство организма независимо от дейст­вия других генов. Становление же признака осуществляется в процессе индивидуального развития организма, определяемого не одним геном, а их совокупностью, т. е. генотипом, во взаимо­действии с внешней средой. Поэтому при анализе закономерно­стей наследования по фенотипу необходимо изучать не только характер распределения и сочетания хромосом и содержащихся в них генов, но и взаимодействие генов в онтогенезе.

Один из первых примеров взаимодействия генов был обнаружен в начале XX в. при анали­зе наследования формы гребня у кур. Описано четыре разновидности форм гребней, при этом разные породы имеют характерную морфологию гребня: леггорны — листовид­ный, виандоты — розовидный, европейские — гороховидный, малайские — ореховидный.

В результате скрещиваний кур, имеющих розовидный и гороховидный гребни, в F₁ воз­никает новая форма гребня — ореховидный (из-за взаимодействия генов A и B).

Р Розовидный х Гороховидный

AAbb ↓ aaBB

F₁ AaBb

Ореховидный

Скрещивание гибридов F₁ дает следующие ре­зультаты в F₂:

	AB	Ab	aB	ab
AB	Орех. AABB	Орех. AABb	Орех. AaBB	Орех. AaBb
Ab	Орех. ААВb	Розов. ААbb	Орех. АbВb	Розов. Ааbb
аB	Орех. АаВВ	Орех. АаВb	Горох. ааВВ	Горох. ааВb
аb	Орех. АаВb	Розов. Ааbb	Горох. ааВb	Листов. ааbb

Потомство F₂ характеризуется следующи­ми особенностями:

1. Присутствие доминантных аллелей двух генов А и В у 9/16 кур второго поколения ве­дет к образованию ореховидного гребня.

2. Присутствие гена А в гомо- или гетеро­зиготном состоянии при рецессивном b дает розовидную форму у 3/16 особей, а гены ааВ - у 3/16 потомства дают гороховидный гребень.

3. Гомозиготы по обоим рецессивным ге­нам ааbb имеют новый фенотип — простой листовидный гребень. Этот признак в последу­ющих скрещиваниях не дает расщепления.

Итак, взаимодействие доминантных генов А и В изменяет форму гребня. В этом случае расщепление в дигибридном скрещивании на­рушается, однако очевидно, что общее соотно­шение классов 9 : 3 : 3 : 1 сохраняется.

При взаимодействии генов в случае дигибридных скрещиваний расщепление в F₂ по фенотипу может быть разнообразным: 9 : 7, 9 : 3 : 4, 13 : 3, 12 : 3 : 1, 15 : 1 и т. д. Но во всех случаях это видоизменение расщепления 9 : 3 : 3 : 1.

Типы взаимодействия генов. Если несколько генов определяют одно свойство организма (окраску цветка длину шерсти и др.), то они взаимодействуют друг с другом. При этом в потомстве дигетерозиготы может наблюдать­ся необычное расщепление – 9 : 3 : 4; 9 : 7; 9 : 6 : 1, 13 : 3; 12 : 3, 15 : 1. Генетический анализ показывает, что необычные расщепления но фенотипу в F₂ представляют видоизменение об­щей менделевской формулы 9 : 3 : 3 : 1. Известны случаи взаи­модействия трех и большего числа генов.

Различают следующие основные тины взаимодействия неаллельных генов: комплементарность, эпистаз, полимерию.

Комплементарное действие генов. К комплементарным относятся такие гены, которые при совместном действии в генотипе в гомо- или гетерозиготном состоянии (А-В-) обусловливают развитие нового признака. Действие же каждого гена в отдельности (A-bb и aaB-) воспроизводит признак лишь одного из скрещиваемых родителей. Впервые такого рода взаимодействие было обнаружено у душистого горошка Lathyrus odoratus. При скрещивании двух рас этого растения с белыми цветками у гибрида F₁ цветки оказались пурпурными. При самоопылении растений F₁ и F₂наблюдалось расщепление по окраске цветков в отношении 9 : 7. один фенотипический класс (9/16) имел такую же окраску, как и растения F₁, а второй (7/16) – белую окраску.

Р AAbb х aaBB

белый белый

F₁ AaBb

пурпурный

F₂ A-B- A-bb, aaB- и aabb

пурпурные белые

9/16 7/16

Взаимодействие доминантных аллелей (AAbb и aaBB ) определяет развитие окраски.

Расщепление 9 : 3 : 3 : 1. У попугайчиков (Melophittacus undulatus) встречаются голубая и жёлтая окраски оперения. Обе они рецессивны по отношению к зелёной окраске и доминантны – к белой. При скрещивании голубых птиц с жёлтыми гибриды F₁ оказываются зелёными, а в F₂ наблюдается расщепление на 4 фенотипических класса в отношении 9 зелёных : 3 голубых : 3 жёлтых : 1 белый.

Генетический анализ свидетельствует о том, что в этом скрещивании участвуют не одна, а две пары аллелей. Мы можем сделать вывод, что ген А определяет голубую окрас­ку оперения, В —желтую, а вместе (А-В-) они дают новое ка­чество — зеленую окраску. Рецессивные аллели обоих генов определяют белое оперение. Тогда генотип голубых попугайчиков должен быть AAbb, желтых — ааВВ, зеленых гибридов F₁— АаВb и выщепляющихся в F₂ белых — ааbb.

Биохимический анализ показал, что зеленая окраска есть ре­зультат смешения двух пигментов — голубого и желтого. Рецес­сивная аллель а блокирует синтез голубого пигмента, вследствие чего окраска птицы получается желтая. Другая рецессивная ал­лель (b) блокирует синтез желтого пигмента, благодаря чему об­разуется голубая окраска. Поскольку у гибридов F₁ объединяют­ся доминантные аллели этих генов, попугайчики оказываются зелеными. Белые птицы, вылепляющиеся в F_ъ, являются резуль­татом одновременного блокирования синтеза и голубого и жел­того пигментов.

Таким образом, в случае, когда каждый из двух доминантных генов проявляет самостоятельный фенотипический эффект, рас­щепление в F₂ по фенотипу соответствует менделевскому отно­шению 9 : 3 : 3 : 1, ибо каждый из четырех классов имеет свой особый фенотип.

Эпистаз. При доминировании действие одной аллели подав­ляется другой аллелью этого же гена: А>а, В>b и т.д. Но существует взаимодействие, при котором один ген подавляет действие другого, например А>В или В>А, а>В или b>А и т.д. Такое явление называют эпистазом. Гены, подавляющие действие других генов, называют супрессорами или ингибито­рами. Они могут быть как доминантными, так и рецессивными. Гены-супрессоры известны у животных, растений и микроорга­низмов. Обычно они обозначаются I или S.

Эпистаз принято делить на два типа: доминантный и рецес­сивный. Под доминантным эпистазом понимают подавление од­ним доминантным геном действия другого гена. Гены, подавляющие действие других генов, называются супрессорами, или ингибиторами.

Расщепление 13 : 3. У лука (Allium сера) гибриды от скрещивания двух форм с неокрашенной луко­вицей имеют луковицы также неокрашенные, а в F₂ получается рас­щепление: 13 растений с неокрашенными луковицами и 3 — с окрашенными. Характер расщепле­ния свидетельствует о том, что окраска луковицы определяется дву­мя генами. В таком случае одно из исходных растений должно нести в скрытом состоянии ген окрашенно­сти луковицы, действие которого по­давлено ингибитором. Следователь­но, у растений этого генотипа неок­рашенность луковицы определяется не особым геном неокрашенности, а геном — подавителем окраски.

Обозначим аллель окрашенности луковицы А, неокрашенности – а (это основной ген окраски), ингибитор окраски – I, аллель, не подавляющую окраску,− i. Тогда исходные формы будут иметь генотипы IIAA и iiaa, гибриды F₁ — IiAa. Они, как и родительские растения, являются неокрашенными. В F₂ на 13/16 неокрашенных получилось 3/16 окрашенных луковиц. Это расщеп­ление можно представить как 9 (I-А-) + 3(I-аа) + 1 (iiaa) = 13 не­окрашенных и 3 iiА -окрашенных. Таким образом, подавление действия доминантного гена окрашенности луковицы доминантной же аллелью другого гена (ингибитора) обусловливает расщепление по фенотипу 13 : 3.

Расщепление 12 : 3 : 1. Доминантный эпистаз может да­вать и другое расщепление в F₂ по фенотипу, а именно 12 : 3 : 1 [(9 + 3) : 3 : 1]. В этом случае, в отличие от предыдущего, форма, гомозиготная по обоим рецессивным генам, имеет специфиче­ский фенотип.

Например, некоторые собаки с белой окраской шерсти при скрещивании с собаками, имеющими коричневую окраску, дают в F₁ щенков с белой окраской, а в F₂ расщепление на 12/16 белых, 3/16 черных и 1/16 коричневых. Если проанализировать это скрещивание отдельно по свойству окрашенности — неокрашенности и черной — коричневой окраске, то можно убедиться, что отсутствие окраски в F₁ доминирует над ее наличием, а в F₂ наблюдается расщепление 12 : 4 или 3: 1. Расщепление на 3 чер­ные и 1 коричневую свидетельствует о том, что черная окраска определяется доминантным геном, а коричневая — рецессивным. Теперь можно обозначить ингибитор окраски — I, его отсут­ствие —i, черную окраску— A, коричневую — а. Тогда легко представить генотипы исходных форм и гибридов. Подобный тин эпистаза встречается в наследовании окраски плодов у тыквы, окраски шерсти у овец и во многих других случаях.

Расщепление по фенотипу в случае эпистаза 13 : 3 отличает­ся от 12 : 3 : 1 потому, что в первом случае доминантный ингиби­тор (I) и рецессивная аллель основного гена (а) имеют одинако­вый фенотипический эффект, а во втором случае эти эффекты различны. Таким образом, гены-подавители обычно не опреде­ляют сами какой-либо качественной реакции в развитии данно­го признака, а лишь подавляют действие других генов.

Под рецессивным эпистазом понимают такой тип взаимодей­ствия, когда рецессивная аллель одного гена, будучи в гомозиготном состоянии, не дает возможности проявиться доминантной или рецессивной аллели другого гена: aa>B- или аа>bb.

Кроме описанных случаев одинарного рецессивного эпистаза, существуют и такие, когда рецессивная аллель каждого гена в гомозиготном состоянии одновременно реципрокно подавляет действие доминантной аллели комплементарного гена, т. е. аа эпистатируег над В-, bb – над А-. Такое взаимодействие двух ре­цессивных подавителей –двойной рецессивный эпистаз — дает в дигибридном скрещивании расщепление по фенотипу 9 : 7, как и в случае комплементарного взаимодействия генов.

Полимерия. Рассмотренные до сих пор типы взаимодействия генов относились к альтернативным, т.е. качественно различаю­щимся признакам.

Кумулятивная полимерия. Допустим, что количе­ственные признаки, образующие по своему проявлению непре­рывный ряд, определяются взаимодействием многих доминант­ных генов, действующих на один и тот же признак пли свойство. В таком случае количественно варьирующий признак у раз­ных особей одного и того же поколения будет определяться раз­ным числом доминантных генов в генотипе. Так, при скрещива­нии рас пшениц с красными и белыми (неокрашенными) зерна­ми шведский генетик Г.Нильсон-Эле в 1908 г. обнаружил в F₂ обычное моногибридное расщепление в отношении 3 : 1.

Однако при скрещивании некоторых других линий пшениц, различающихся по таким же признакам, в F₂ наблюдается рас­щепление в отношении 15/16 окрашенных: 1/16 белых. Окраска зе­рен из первой группы варьирует от темно- до светло-красной. Интенсивность окраски зерен зависит от числа доминантных генов в генотипе.

Гены такого типа, одинаково влияющие на развитие одного признака, были названы генами с однозначным действием, а сами признаки — полимерными. Поскольку эти гены однозначно влияют на один и тот же признак, было принято обозначать их одной латинской буквой с указанием номера разных генов: A_1, A_2, A_3, и т.д. Этот тип взаимодействия генов получил назва­ние полимерии.

P A₁A₁A₂A₂ x a₁a₁a₂a₂

красное ↓ белое

F₁ A₁a₁A₂a₂

красное

Гаметы F1 ♀ ♂	A1A2	A1a2	a1A2	a1a2
A1A2	A1A1A2A2	A1A1A2a2	A1a1A2A2	A1a1A2a2
A1a2	A1A1A2a2	A1A1a2a2	A1a1A2a2	A1a1a2a2
a1A2	A1a1A2A2	A1a1A2a2	a1a1A2A2	a1a1A2a2
a1a2	A1a1A2a2	A1a1a2a2	a1a1A2a2	a1a1a2a2

Наследование окраски зерна у пшеницы (полимерия)

Следовательно, исходные родительские формы, давшие рас­щепление в F₂ 15: 1, имели генотипы A₁A₁A₂A₂ и a₁a₁a₂a₂. Гибрид F₁ обладал генотипом A₁a₁A₂a₂, а в F₂ появились зерна с разным числом доминантных генов. Наличие всех четырех доминантных аллелей A₁A₁A₂A₂ у 1/16 растений определяет самую интенсивную окраску зерна; 4/16 всех зерен имели три доминантные аллели (типа A₁A₁A₂a₂), 6/16 – две (A₁a₁A₂a₂), 4/16 — одну (типа A₁a₁a₂a₂). Все эти генотипы определяли различную промежуточ­ную окраску, переходную между интенсивно-красной и белой. Гомозиготной по обоим рецессивным генам (a₁a₁a₂a₂) являлась 1/16 всех зерен, и эти зерна оказались неокрашенными.

Частоты пяти перечисленных генотипических классов F₂ распределяются в ряду: 1 +4 + 6 + 4 + 1 = 16, который отображает изменчивость признака окраски зерна пшеницы в зависимости от числа доминантных аллелей в генотипе.

При накоплении таких доминантных генов их действие сум­мируется, т.е. они имеют кумулятивный эффект, поэтому взаимодействие такого типа называют кумулятивной полимерией.

Если у гибридов F₁ таких ге­нов в гетерозиготном состоянии оказывается не два, а три (A₁a₁A₂a₂A₃a₃) или более, то чис­ло комбинаций генотипов в F₂ увеличивается. Этот ряд геноти­пов можно представить в виде биномиальной кривой изменчи­вости данного признака.

В опыте Нильсона-Эле тригибридное расщепление в F₂ по генам окраски зерен пшеницы давало соотношение 63 красных к 1 неок­рашенному. В F₂ наблюдались все переходы от интенсивной окраски зерен с генотипом A₁A₁A₂A₂A₃A₃ до полного ее отсутствия у a₁a₁a₂a₂a₃a₃. При этом частоты генотипов с разным количеством доминантных генов распределя­лись в следующий ряд: 1 + 6 + 15 + 20 + 15 + 6 + 1 = 64. На рисун­ке приведены гистограммы рас­пределения частот генотипов с разным числом доминантных ге­нов кумулятивного действия в моно-, ди-, три- и полигибридном скрещивании. Из этого сопостав­ления видно, что, чем большее число доминантных генов опреде­ляет данный признак, тем больше амплитуда изменчивости и тем более плавные переходы между различными группами особей.

Полимерно наследуется, например, пигментация кожи у че­ловека. При бракосочетании негра и белой женщины рождаются дети с промежуточным цветом кожи (мулаты). У отца и матери мулатов могут родиться дети всех типов кожи с окраской раз­ных оттенков, от черной до белой, что определяется комбинацией двух пар аллелей.

Некумулятивная полимерия. Гены с однозначным действием могут определять и качественные, т.е. альтернативные, признаки. Примером может служить наследование оперенности ног у кур. От скрещивания пород, имеющих оперен­ные и неоперенные ноги, в F₁ появляются цыплята с оперенными ногами. Во втором поколении происходит расщепление по фено­типу в отношении 15/16 с оперенными ногами и 1/16 с неоперенны­ми, т.е. наблюдаются два фенотипических класса.

Очевидно, порода с оперенными ногами гомозиготна по двум парам доминантных аллелей с однозначным действием (A₁A₁A₂A₂), а с неоперенными имеет генотип a₁a₁a₂a₂. Гибриды F₁ имеют генотип A₁a₁A₂a₂. Доминантные аллели каждого из двух генов действуют качественно однозначно, т,е. определяют оперенность ног. Поэтому генотипы A_1-A₂-(9/16), A₁-_-a₂a₂-(3/16) и a₁a₁A₂-(3/16) соответствуют фенотипу с оперенными ногами, а ге­нотип a₁a₁a₂a₂ (1/16) – с неоперенными.

В приведенном примере наличие в генотипе разного количе­ства доминантных генов однозначного действия не изменяет вы­раженности признака. Достаточно одной доминантной аллели лю­бого из двух генов, чтобы вызвать развитие признака. Поэтому такой тип взаимодействия генов был назван некумулятивной по­лимерией.

Итак, были разобраны три типа взаимодействия генов: комплементарное, эпистатическое и полимерное. Все они видоизменя­ют классическую формулу расщепления по фенотипу (9 : 3 : 3 : 1), установленную Менделем для дигибридного скрещивания.

Все приведенные типы расщепления по фенотипу столь же закономерны, как 9 : 3 : 3 : 1; они являются не следствием нару­шения генетического механизма расщепления, а результатом взаимодействия генов в индивидуальном развитии.

Множественное (плейотропное) действие генов. Наряду с явлением взаимодействия генов, свидетельствую­щим о влиянии на одно какое-либо свойство двух и более пар ге­нов, существует и множественное (плейотропное) действие ге­нов. В этом случае один ген определяет развитие одновременно не одного, а нескольких признаков, т.е. он имеет плейотропный эффект.

Рассмотрим пример множественного действия гена.

У человека встречается рецессивная наследственная болезнь – серповидно-клеточная анемия. Первичный дефект в этом случае – замена одной из аминокислот в молекуле гемогло­бина. Следствием этого, казалось бы незначительного изменения являются глубокие нарушения в сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной, выделительной системах. В результате человек гомозиготный по этому заболеванию, погибает в детстве.

Примером плейтропного действия у человека служит рецессивный ген, определяющий фенилкетонурию – болезнь, приводящую к серьёзным умственным нарушениям. Люди гомозиготные по этому гену отличаются по уровню содержания фенилланина в крови, по коэффициенту умственного развития (IQ), размеру головы, цвету волос. У дрозофилы, у мух с зачаточными крыльями изменяются жужжальца, репродуктивные органы, продолжительность жизни, репродуктивность.

Таким образом, на основе изучения взаимодействия и мно­жественного действия генов был сделан вывод, что любой наслед­ственный признак определяется многими генами, точнее, всем генотипом и что каждый ген может действовать на развитие многих признаков или, точнее, на всю систему развивающегося организма. Следовательно, генотип является не суммой, а сложной системой взаимодействующих генов.

Вопросы

1. Что такое комплементарность?

2. Что означает полигенность признака?

3. Что такое эпистаз?

4. Что такое полимерия?

5. Как наследуются количественные признаки?

6. Может ли признак в потомстве быть выражен слабее или сильнее, чем у родителей?

7. Может ли один ген влиять одновременно на несколько признаков организма?

ЛЕКЦИЯ 6