Фундаментальные свойства живого. 7 страница

У человека некоторые патологиче­ские состояния наследуются сцепленно с полом. К ним относится, например, гемофилия (медленная свертываемость крови, обусловливающая повышенную кровоточивость).

Аллель гена, контролирующий нор­мальную свертываемость крови (H), и его аллельная пара «ген гемофилии» (h) находятся в Х-хромосоме. Аллель Я доминантен, аллель Н рецессивен, по­этому, если женщина гетерозиготна по этому гену (Х^НХ^h), гемофилия у нее не проявляется. У мужчины только одна Х-хромосома. Следовательно, если у него в Х-хромосоме находит­ся аллель Н, то он и проявляется. Если же Х-хромосома мужчины имеет аллель h, то мужчина страдает гемофи­лией: К-хромосома не несет генов, определяющих механизмы нормально­го свертывания крови.

Если рецессивные признаки, насле­дуемые через Х-хромосому у женщин, проявляются только в гомозиготном состоянии, то доминантные в равной мере проявляются у обоих полов. К та­ким признакам у человека относятся: витаминоустойчивый рахит, темная эмаль зубов и другие.

Признаки, которые наследуются че­рез К-хромосому, получили название голандриуеских. Они передаются от отца всем его сыновьям. К числу таких у человека относится признак, про­являющийся в интенсивном развитии волос на крае ушной раковины.

(19) Взаимодействие неаллельных генов.Комплементарное дей­ствие. Комплементарными (лат. complementum — средство пополнения) называются взаимодополняющие гены, когда для формирования признака необходимо наличие нескольких не-аллельных (обычно доминантных) ге­нов. Этот тип наследования в природе широко распространен.

У душистогр горошка окраска вен­чика цветка обусловлена нал чем двух доминантных генов (А и B), в отсутствие одного из них — цветки белые. Поэтому при скрещивании рас­тений с генотипами ААЬЪ и ааВВ, имеющих белые венчики, в первом поколении растения оказываются ок­рашенными, а во втором поколении расщепление происходит в соотноше­нии 9 окрашенных к 7 неокрашенным (ЗАbb + ЗааВ + 1ааbb).

Комплементарное взаимодействие ге­нов у человека можно показать на следующих примерах. Нормальный слух' обусловлен двумя доминантными неаллельными генами Dи Е, из кото­рых один определяет развитие улитки, а другой—слухового нерва. Доминант­ные гомозиготы и гетерозиготы по обоим генам имеют нормальный слух, рецессивные гомозиготы по одному из этих генов — глухие.

Эпистаз. Взаимодействие генов, противоположное комплементарному, получило название эпистаза. Под эпистазом понимают подавление неаллельным геном действия другого гена, названного гипостатическим.

Проявление эпистаза у человека можно показать на следующем при­мере. Ген, обусловливающий группы крови по системе Л 60, кодирует не только синтез специфических белков, присущих данной группе крови, но и наличие их в слюне и других секре­тах. Однако при наличии в гомозигот­ном состоянии рецессивного гена по другой системе крови — системе Люис выделение их в слюне и других секре­тах подавлено. Другим примером эпи­стаза у человека может служить «бомбейский феномен» в наследовании групп крови. Он описан у женщины, получившей от матери аллель 1^В, но фенотипическн имеющей первую группу крови. Оказалось, что деятель­ность аллеля 1^В подавлена редким рецессивным аллелем гена «х», ко­торый в гомозиготном состоянии оказы­вает эпистатическое действие.

В проявлении ферментопатий (т. е. болезней, связанных с отсутствием каких-либо ферментов) нередко по­винно эпистатическое взаимодействие генов, когда наличие или отсутствие продуктов реализации какого-либо гена препятствует образованию жиз­ненно важных ферментов, кодируемых другим геном.

Полимерия. Различные- доми­нантные неаллельные гены могут ока­зывать действие на один и тот же при­знак, усиливая его проявление. Та­кие гены получили название однознач­ных, или полимерных, а признаки, ими определяемые,— полигенных. В этом случае два или больше доминант­ных аллелей в одинаковой степени оказывают влияние на развитие одного и того же признака.

Важная особенность полимерии — суммирование (аддитивность) действия неаллельных генов на развитие коли­чественных признаков. Если при моно-генном наследовании признака воз­можно три варианта «дозл гена в гено­типе: АА, Аа, аа. то при полигенном количество их возрастает до четырех и более. Суммирование «доз» полимер­ных генов обеспечивает cуществование непрерывных рядов количественных изменений.

Биологическое значение полимерии заключается еще и в том, что оп­ределяемые этими генами признаки более стабильны, чем кодируемые одним геном. Организм без полимер­ных генов был бы крайне неустой­чив: любая мутация или рекомбинация приводила бы к резкой изменчиво­сти, а это в большинстве случаев не­выгодно.

(20) Плейотропия. Зависимость нескольких признаков от одного гена носит название плейотропии (гр. рleison — полный, tropos — способ), т. е. на­блюдается проявление множественных эффектов одного гена. Это явление было впервые обнаружено Менделем, хотя он специально его не исследовал. По его наблюдениям у растений с пур­пурными цветками всегда имелась красная окраска в основании черешков листьев, а кожура семян была бурого цвета. Эти три признака определялись действием одного гена. Н. И. Вавилов описал плейотропное действие гена черной окраски колоса у персидской пшеницы, который вызывал одновре­менно развитие другого признака — опушение колосковых чешуи. У дрозо­филы ген белой окраски глаз (w) одно­временно оказывает влияние на цвет тела, длину крыльев, строение поло­вого аппарата, снижает плодовитость, уменьшает продолжительность жизни. У человека известно наследственное заболевание — арахнодактилия («паучьи пальцы»—очень тонкие и длинные), или болезнь Марфана. Ген, опре­деляющий это заболевание, вызывает нарушение развития соединительной ткани и оказывает влияние одновре­менно на развитие нескольких призна­ков: нарушение в строении хрусталика глаза, аномалии в сердечно-сосудис­той системе.

Плейотропное действие гена может быть первичным и вторичным. При первичной плейотропии ген одновре­менно проявляет свое множественное действие. Например, измененный белок взаимодействует с цитоплазмой раз­личных клеточных систем или изме­няет свойства мембран в клетктзс нескольких органов. При вторичной плейотропии имеется одно первичное фенотипическое проявление гена, вслед за которым развивается ступенчатый процесс вторичных проявлений, при­водящих к множественным эффектам (серповидно-клеточная анемия).

При плейотропии ген, влияя на ка­кой-то один основной признак, может также изменять, модифицировать про­явление других генов, в связи с чем введено понятие о генах-модификато­рах. Последние усиливают или ослаб­ляют развитие признаков, кодируемых «основным» геном. Возможно, что каж­дый ген является одновременно геном' основного действия для «своего» при­знака и модификатором для других признаков. Таким образом, фенотип — результат взаимодействия генов и все­го генотипа с внешней средой в онто­генезе особи.

Пенетрантность.Количественный показатель фенотипического проявления гена назы­вается пенетрантностью. Пенетрантность характеризуется процентом осо­бей, у которых проявляется в фенотипе данный ген, по отношению к общему числу особей, у которых ген мог бы проявиться (если учитывается ре­цессивный ген, то у гомозигот, если доминантный — то у доминантных гомозигот и гетерозигот). Если, на­пример, мутантный ген проявляется у всех особей, говорят о 100 % пене-трантности, в остальных случаях — о неполной и указывают процент осо­бей, проявляющих ген. Так, наследуе­мость групп крови у человека по систе­ме АВО имеет стопроцентную пенетрант-ность, наследственные болезни: эпи­лепсия — 67 %, сахарный диабет — 65 %, врожденный вывих бедра — 20 % и т. д.

Экспрессивность. Термины «экспрессивность» и «пенетрантность» введены в 1927 г. Н. В. Тимофеевым-Ресовским. Экспрессив­ность и пенетрантность поддержива­ются естественным отбором. Обе закономерности необходимо иметь в виду при изучении наследственности у че­ловека. Следует помнить, что гены, контролирующие патологические при­знаки, могут иметь различную пене­трантность и экспрессивность, т. е. проявляться не у всех носителей ано­мального гена, и что у болеющих сте­пень болезненного состояния неоди­накова. Изменяя условия среды, мож­но влиять на проявление признаков.

Положения: 1. Организмов вне среды не суще­ствует. Поскольку организмы являются открытыми системами, находящимися в единстве с условиями среды, то и реализация наследственной информа­ции происходит под контролем среды. 2. Один и тот же генотип способен дать различные фенотипы, что определяется условиями, в которых реализуется ге­нотип в процессе онтогенеза особи. 3. В организме могут развиться лишь те признаки, которые обусловле­ны генотипом. Фенотипическая измен­чивость происходит в пределах нормы реакции по каждому конкретному при­знаку. 4. Условия среды могут влиять на степень выраженности наследственного признака у организмов, имеющих соот­ветствующий ген (экспрессивность), или на численность особей, проявляющих соответствующий наследственный при­знак (пенетрантность).

Генокопии.Ряд сходных по фенотипическому проявлению призна­ков, в том числе и патологических, мо­жет вызываться различными неаллельными генами. Такое явление называет­ся генокопией. Генокопии обусловлива­ют генетическую неоднородность ряда заболеваний. Примером генокопий мо­гут служить различные виды гемо­филии, клинически проявляющиеся понижением свертываемости крови на воздуие.

Оказалось, что эти разные по гене­тическому происхождению формы, свя­занные с мутациями неаллельных ге­нов. Гемофилия А вызвана мутацией гена, контролирующего синтез факто­ра VIII (антигемофильного глобули­на), а причиной гемофилии В являет­ся дефицит фактора IX свертывающей системы крови. Примером генокопии являются также различные формы талассемии (гр. talassa — море) — забо­левания, сопровождающегося распа­дом эритроцитов, желтухой, увеличе­нием селезенки. Известны две формы этого заболевания (α и β), при кото­рых тормозится скорость синтеза раз­ных полепиптидных цепей. Впервые оно было обнаружено у жителей Среди­земноморья. Гены, обусловливающие это заболевание, относятся к сублетальным, как и ген серповидноклеточности.

(21) Генотип, геном.Несмотря на дискретное генетическое определение отдельных признаков, в индивидуальном развитии воссоздается сбалансированный комплекс признаков и свойств, соответствующий типу морфофункциональной организации конкретного биологического вида. Закономерно возникают плазмодий малярийный, кедр ливанский, аскарида человече­ская, слон индийский, человек разумный. Это достигается вследствие интеграции дискретных в структурном отношении единиц наслед­ственности в целостную в функциональном плане систему — генотип (геном): «генотип» обозначают совокупность аллелей (генов) диплоидного набора хромосом, а термином «геном» — гаплоидного. Такая интеграция находит отражение в разнообразных взаимодействиях генов в процессе их функционирова­ния.

Обычно генотип определяют как совокупность всех генов (более точно аллелей) организма. С учетом факта интеграции генотип представляется системой определенным образом взаимодействующих генов. Генные взаимодействия происходят на нескольких уровнях: непосредственно в генетическом материале клеток, между иРНК и образующимися полипептидами в процессе биосинтеза белка, между белками-ферментами одного метаболического цикла.

Взаимодействие генов на уровне продуктов функциональной активности (РНК или полипептидов) лежит в основе развития сложных признаков. Рассмотрим в качестве примера синдром Морриса. Y больных, кариотип которых включает половые хромосомы X и Y, отмечается недоразвитие вторичных половых признаков мужского пола, которое зависит от продукции и взаимодействия на известной стадии онтогенеза двух факторов — мужского полового гормона и белка-рецептора, встраивающегося в клеточную оболочку и делающего клетки чувствительными к гормону. Синтез указанных факторов контролируется разными генами. У лице синдромом Морриса мужской половой гормон образуется своевременно и в требуемом количестве, но не синтезируется белок-рецептор. Таким образом, нормальное развитие сложного признака комплекса мужских вторичных половых признаков контролируется двумя генами, которые взаимодействуют на уровне продуктов их функциональной активности.

В настоящее время для большинства признаков нельзя указать точно уровень взаимодействия тех генов, которые контролируют их развитие. Учитывая интерес практического врача прежде всего к закономерностям наследования признаков, ниже приводятся формы взаимодействия генов, которые изменяют наследование определенным образом. При этом уровень взаимодействия генов не оговаривается.

Фенотип.Совокупность признаков и свойств особи составляет ее фенотип. Фенотип складывается в процессе индивидуального раз­вития. Он соответствует тому типу структурно-функциональной организации, который свойствен данному биологическому виду. Фенотип развивается в соответствии с наследственной информацией, которая содержится в генотипе. При этом отдельные гены обусловли­вают лишь возможность развития признаков. Эта возможность осуществляется при наличии подходящих условий внешней среды. Внешняя среда включает всю совокупность негенетических (т. е. не связанных непосредственно с наследственным материалом) факторов, действующих на организм в процессе его развития и жизнедеятельности. В зависимости от изменений внешней среды состояние сложных признаков варьирует от организма к организму. Такие вариации называются модификациями.

Они имеют приспособительное значение, а диапазон модификаций каждого призна­ка находится под генетическим контролем. Так, пределы изменения количества эритроцитов в периферической крови человека в зависимо­сти от величины парциального давления кислорода в воздухе ограничены генетически. То или иное значение количества красных кровяных клеток в пределах возможных колебаний зависит от высоты местности над уровнем моря.

Взаимодействие генов и факторов окружающей среды составляет основу развития как отдельных признаков, так и фенотипа в целом. Это нашло отражение в таком генетическом понятии, как «норма реакции»— специфический способ реагирования организма на изменения внешней среды. Она зависит от видовых характеристик и индивидуальных особенностей генотипа. По-другому норму реакции определяют как весь спектр путей развития, которые возможны у носителя конкретного генотипа в любой среде, совместимой с жизнью. По отношению к разным признакам «норма реакции» бывает узкой и широкой. В первом случае одинаковое состояние признака возникает в широком спектре колебаний факторов среды. Во втором — признак отличается значительной изменчивостью в зависимости от параметров внешней среды. В качестве примера приведем соответственно систему групп крови АВО и рост индивидуума. Рис. 48 дает представление о диапазоне варьирования степени развития признаков с узкрй и широкой нормой реакции в зависимости от генотипа.

Сходные состояния некоторых признаков возникают у одних особей благодаря наличию в генотипе определенного аллеля, а у других — в результате особого сочетания внешних факторов. Изменения фенотипа, сходные с изменениями генетической природы, но вызванные фактора­ми внешней среды, называются фенокопиями. Так, у женщин, перенесших на ранних сроках беременности краснуху, нередко рожда­ются дети с врожденной катарактой (помутнение хрусталика), не отличимой от наследственной катаракты.

К основным факторам, от которых зависит фенотип организма, относятся гены с присущими им свойствами, разного рода генные взаимодействия и параметры внешней среды, в которой осуществляется развитие. Проиллюстрируем действие этих факторов на примере развития признака пола.У раздельнополых организмов среди новорожденных соотношение числа особей мужского и женского пола близко 1:1

Аллельное исключение.Выделяют взаимодействие аллельных и неаллельных генов. Основные формы взаимодействия ал­лельных генов рассмотрены выше. Они обусловливают доминантное, рецессивное, кодоминантное наследование признаков, явление неполно­го доминирования. При перечисленных формах доминирования ре­зультаты взаимодействия генов проявляются во всех соматических клетках организма. При такой форме взаимодействия как аллельное исключение в части клеток организма, гетеро­зиготного по данному локусу, активен один аллель, тогда как в других клетках другой. В качестве примера рассмотрим генетический контроль синтеза иммуноглобулинов — белков плазмы крови, которые обеспечи­вают в организме человека реакции иммунологической защиты. Они состоят из «тяжелых» и «легких» полипептидных цепей, которые синтезируются под генетическим контролем трех разных групп неаллельных генов. И «тяжелые», и «легкие» полипептиды образуются плазматическими

клетками. При этом отдельные плазматические клетки синтезируют лишь по одному из возможных вариантов «тяжелых» и «легких» полипептидов глобулинов. Аллельное исключе­ние увеличивает разнообразие признаков многоклеточного организма при идентичности генотипов соматических клеток. Механизм этого явления окончательно не установлен. Другим примером аллельного исключения является генетическая инактивация одной из Х-хромосом женских особей. В мировой литературе описаны лишь единичные случаи заболевания женщин гемофилией. Вместе с тем матери — гетерози­готные носители аллеля гемофилии — передают его половине своих дочерей, которые нормальный аллель получают с Х-хромосомой отца. Случайный характер инактивации путем гетерохроматизации приво­дит к выключению из функции в одних клетках материнской, а в дру­гих—отцовской Х-хромосомы. Таким образом, всегда остаются клетки, которые несут нормальный аллель синтеза антигемофилическо-го фактора в активном состоянии.

Неполное доминирование.Одной из форм взаимодействия аллельных генов является неполное доминирование, которое заключается в ослаблении действия доминантного аллеля в присутствии ре­цессивного. Так, активность фермента фенил ал анингидроксилазы у но­сителей одновременно нормального и аномального (рецессивного) аллелей выше, чем у больных фенилкетонурией, имеющих два аномальных аллеля, но ниже, чем у носителей двух нормальных аллелей. Неполное доминирование отражает собой, по-видимому, дозированность действия доминантных аллелей.

(22) Молекулярное строение гена у прокориот.

В связи с тем, что у прокариот геном организован в виде кольцевидной молекулы ДНК, расположенной непосредственно в цитоплазе клетки, различные этапы реализации наследственной информации практически не разобщены ни во времени, ни в пространстве. Транскрипция и сборка пептидной цепи - трансляция протекают практически одновременно. По мере освобождения начала молекулы иРНК от матрицы ДНК к ней присоединяются рибосомы и начинается синтез пептидных цепей.

Молекулярное строение гена у эукориот. Геном эукариот организован сложнее, чем у прокариот. Для него характерен хромосомный уровень организации. В хромосомах ДНК находится в окружении белков. В геноме эукариот имеется много избыточной ДНК. В конце 70-х годов было высказано предположение о наличии в генетическом материале эукариот неинформативных участков - нитронов, которые вставлены между информативными - экзонами. Интронноэкзонная организация генов у эукарит определяет необходимость преобразования первичного транскрипта (преинформационной РНК - продукта транскрипции) в зрелую иРНК. Она должна быть освобождена от неинформативных участков и защищена против разрушающего воздействия ферментов цитоплазмы.

Кроме того, у эукариот появляется ядерная мембрана, которая пространственно разобщает место хранения генетической информации (хромосомы в ядре) и место синтеза пептидной цепи (рибосомы). Иными словами, у эукариот процессы транскрипции и трансляции разобщены как пространство (ядерной оболочкой), так и во времени (процессами созревания иРНК).

Таким образом, в ходе реализации наследственной информации у эукариог выделяют следующие этапы:

1. Транскрипция;

2. Посттранскрипционные процессы (процессинг);

3. Трансляция;

4. Посттрансляционные процессы.

1. Транскрипция - осуществляется с помощью РНК-полимераз. РНК-полимераза I синтезирует пре-рРНК. РНК-полимераза II синтезирует пре-иРНК РНК-полимераза III - пре-тРНК. Раньше считали, что транскрипция происходит по 1 из 2-х расплетаемых нитей ДНК. Сейчас установлено, что транскрипция идет по обеим нитям в 2-х направлениях. Одна нить ДНК несет наследственную информацию (смысловая), другая, комплементарная ей - антисмысловая. В клетке антисмысловая иРНК играет роль в управлении дифференцировкой и иногда - в регуляции синтеза белка. Если образуется комплекс (дуплекс иРНК + антисмысловая иРНК), тогда невозможен перенос иРНК из ядра в цитоплазму, следовательно, нет трансляции на рибосомах.

В участке ДНК, соответствующем отдельному гену перед структурной частью, в которой зашифрована последовательность аминокислот в пептиде, обязательно располагается последовательность нуклеотидов, узнаваемая РНК-полимеразой. Такая последовательность называется промотором.

РНК-полимераза находит промотор, взаимодействует с ним и после этого, двигаясь вдоль молекулы ДНК, обеспечивает постепенную сборку молекулы иРНК в соответствии с принципом комплементарности и антипараллельности. В конце структурной части гена расположен участок с особой последовательностью нуклеотидов - терминатор. Он обязательно включает один из нонсенс-триплетов, не кодирующих аминокислоты. В результате транскрипции синтезируется молекула преинформационной РНК.