Приклад епістатичної дії генів у курей
Прикладом рецесивного епістазу може бути бомбейський феномен – незвичайне успадкування груп крові системи АВО, вперше виявлене в одній індійській сім’ї. У родині, де батько мав групу крові І (О), а мати – ІІІ (В), народилася дівчинка з групою І (О), вона одружилася з чоловіком з групою крові ІІ(А) і в них народилося дві дівчинки: одна з групою крові ІV (АВ), інша – з І (О). Народження дівчинки з ІV (АВ) групою крові в родині, де батько мав ІІ (А), а мати – І (О) було незвичайним. Генетики пояснили цей феномен так: дівчинка з групою ІV (АВ) успадкувала алель ІА від батька, а алель ІВ – від матері, але в матері алель ІВ фенотипово не виявлявся, тому що в її генотипі був присутній рідкісний рецесивний епістатичний ген s у гомозиготному стані, який пригнічував фенотиповий прояв алеля ІВ.
Епістатична дія генів
Гіпостаз – взаємодія неалельних генів, при якій домінантний ген однієї алельної пари пригнічується епістатичним геном з іншої алельної пари. Якщо ген А пригнічує ген В (А>В), то по відношенню до гена В взаємодія неалельних генів називається гіпостазом, а по відношенню до гена А – епістазом.
4.Проміжний характер успадкування в людини. Полігенне успадкування ознак у людини.
Полімерія – взаємодія неалельних генів, при якій одну і ту саму ознаку контролюють кілька домінантних неалельних генів, які діють на цю ознаку однозначно, в однаковій мірі, підсилюючи її прояв. Такі однозначні гени називають полімерними (множинними, полігенами) і позначають однією літерою латинського алфавіту, але з різними цифровими індексами. Наприклад, домінантні полімерні гени – А1, А2, А3 і т.д., рецесивні – а1, а2, а3 і т.д. Відповідно позначають генотипи – А1А1А2А2А3А3, а1а1а2а2а3а3. Ознаки, які контролюються полігенами, називають полігенними, а успадкування цих ознак – полігенним, на відміну від моногенного, де ознака контролюється одним геном. Явище полімерії вперше описав у 1908 р. шведський генетик Г.Нільсон-Еле при вивченні успадкування кольору зерна в пшениці.
Полімерія буває кумулятивною і некумулятивною. При кумулятивній полімерії кожний ген окремо має слабку дію (слабку дозу), але кількість доз всіх генів у кінцевому результаті сумується, так що ступінь вираження ознаки залежить від числа домінантних алелей. Сумування доз полімерних генів (аддитивність) забезпечує існування неперервних рядів кількісних змін.
За типом полімерії в людини успадковуються ріст, маса тіла, колір шкіри, розумові здібності, величина артеріального тиску. Так, пігментація шкіри в людини визначається 4-6 парами полімерних генів. У генотипі корінних жителів Африки наявні переважно домінантні алелі (Р1Р1Р2Р2Р3Р3Р4Р4), у представників європеоїдної раси – рецесивні (p1p1p2p2p3p3p4p4). Від шлюбу негра і білої жінки народжуються діти з проміжним кольором шкіри – мулати (Р1р1Р2р2Р3р3Р4р4). Якщо подружжя – мулати, то можливе народження дітей з пігментацією шкіри від максимально світлої до максимально темної.
Полігенно в типових випадках успадковуються кількісні ознаки. Проте в природі існують приклади полігенного успадкування якісних ознак, коли кінцевий результат не залежить від числа домінантних алелей у генотипі – ознака або проявляється, або не проявляється (некумулятивна полімерія).
Кількісна та якісна специфіка проявів генів в ознаках. Поняття про пенетрантність, експресивність, плейотропію
Давно відомо, що при схрещуванні форм, які відрізняються одна від одної у рослин висотою, розмірами листків, довжиною колосків, врожайністю, у тварин розмірами тіла, яйценосністю, молочністю та ін. гібриди у F1 мають проміжне успадкування. Тоді як у F2 неможливо провести чітку межу між різними категоріями, оскільки переходи поступові, плавні.
Вважалося, що до кількісних ознак закони Менделя неприйнятні і успадкування таких ознак підпорядковується іншим закономірностям, ніж якісні ознаки. Проте багато важливих ознак у тварин і рослин мають кількісну характеристику, вони цінні і передбачити їх характер успадкування для селекціонера дуже важливо. Як поєднати в рослині морозостійкість і високу врожайність? Адже кількісна ознака (висока врожайність) зумовлена 8 полімерними генами, які розташовані у материнській рослині, тоді як морозостійкість (якісна ознака) теж контролюється 8 полімерними генами, локалізованими у батьківській рослині. Домогтися поєднання у гомозиготному стані 16 бажаних для селекціонера генів важко. І тоді домагаються отримати гібрид з високою врожайністю, але низькою морозостійкістю – успадкування по материнській лінії. Або отримати морозостійку рослину, але менш врожайну – успадкування по батьківській лінії. Ідеальне поєднання кількісних ознак вдається отримати дуже рідко.
При вивченні дії багатьох генів встановлено, що кожен з них впливає не на одну, а на декілька різних ознак. Це явище отримало назву плейотропної.
Явище плейотропії було відомо Г.Менделю, а до нього описано Ч.Дарвіном та іншими вченими як корелятивна (співвідносна) мінливість. Пізніше в різних тварин і рослин було знайдено багато генів, які впливають на цілий ряд різних ознак.
Доведено, що плейотропна дія генів залежить від того, що білок-фермент впливає на вторинні реакції біосинтезу, які, у свою чергу, формують різні ознаки і властивості. Тобто, має місце взаємодія біохімічних реакцій.
Показником залежності функціонування спадкових задатків від характеристик генотипу є пенетрантність і експресивність. Ці терміни були запропоновані російським вченим М.В. Тимофєєвим-Ресовським у 1925 р.
Розглядаючи дію генів, його алелей необхідно врахувати і модифікуючий вплив середовища в якому розвивається організм. Якщо рослину примулу схрещувати при температурі 15-20ºС, то в F1, згідно менделівської схеми, все покоління матиме рожеві квіти. Але коли таке схрещування проводити за температури 35ºС – то всі гібриди матимуть білого кольору квіти. І, насамкінець, якщо здійснювати схрещування при температурі близько 30ºС, то виникає різне співвідношення від 3:1 до 100 відсотків рослин з білими квітами.
Таке коливання класів при розщепленні в залежності від умов середовища отримало назву пенетрантність (від лат. penetrans – проникнення, досягнення) – сила фенотипового прояву. Отже, пенетрантність – це частота прояву гена, явище появи або відсутності ознаки в організмів однакових за генотипом.
Пенетрантність значно коливається як серед домінантних, так і серед рецесивних генів. Поряд з генами, фенотип яких з’являється тільки за поєднання певних умов і досить рідких зовнішніх умов (слабка пенетрантність), у людини є гени, фенотипічний прояв яких відбувається за будь-яких поєднань зовнішніх умов (сильна пенетрантність). Вона може бути неповною, якщо в певних особин, які несуть домінантний ген, або гомозиготних за одним із рецесивних генів, не виникають ті властивості, які викликає цей ген; це може бути пов’язано з генотипом або впливом умов середовища.
Пенетрантність вимірюється відсотком організмів із фенотиповою ознакою, від загальної кількості обстежених носіїв відповідного алеля.
Якщо ген регулярно визначає фенотипову властивість, то він має пенетрантність 100 відсотків. Проте деякі домінантні гени виявляються менш регулярно. Так, синдактилія III i IV пальців має чітке вертикальне успадкування, але бувають пропуски поколінь. Домінантна аномалія – передчасне статеве дозрівання властиве тільки чоловікам, проте іноді може передатися захворювання від чоловіка, який не страждав цією патологією. Пенетрантність гена показує, який відсоток у носіїв гена виявляється відповідний фенотип. Так, у гомозигот шизофренія проявляється у 100% – це повна пенетрантність, у носіїв певного гена ознака виявляється тільки в частини особин, наприклад, шизофренія у гетерозигот 20%, цукровий діабет – 20%, уроджений вивих стегна – 25%, ретинобластома – 60%.
Пенетрантність – частота фенотипового прояву гена в популяції особин, які є носіями цього гена. Вимірюється відношенням кількості особин, в яких ген фенотипово проявився, до загального числа особин – носіїв цього гена (в %). Якщо ген домінантний – то він проявляється в гомозиготному АА і гетерозиготному стані Аа, якщо рецесивний – лише в гомозиготному аа. Якщо ген проявляється у всіх особин – носіїв гена, пенетрантність називають 100 %-ою, у решті випадків – неповною і вказують відсоток особин, в яких проявляється ген. Наприклад, при пенетрантності 20 %, з 100 особин – носіїв цього гена, останній проявиться в фенотипі лише в 20 з них. З неповною пенетрантністю успадковується ряд спадкових захворювань: подагра (20 % у чоловіків), природжений вивих стегна (25 %), ретинобластома (60 %).
Подагра
Ретинобластома
Експресивність (лат. expressus – явний, виразний) – ступінь фенотипового прояву гена, або вираженість дії гена. Один і той самий ген у різних умовах може бути виражений сильніше або слабше. Наприклад, полідактилія може проявитися на одній, на двох руках чи ногах, кількість пальців може бути 6 і більше. Спадкова хвороба фенілкетонурія має різну тяжкість прояву – від легкого ступеня розумової відсталості до глибокої недоумковатості.
Пенетрантність та експресивність залежать від природи даного гена, впливу генів-модифікаторів, умов середовища. Гени-модифікатори посилюють або послаблюють дію основного гена, який контролює дану ознаку.
Плейотропія – здатність одного гена контролювати кілька ознак (множинна дія гена). Так, синдром Марфана в типових випадках характеризується тріадою ознак: підвивихом кришталика ока, вадами серця, видовженням кісток пальців рук і ніг (арахнодактилія – павучі пальці). Цей комплекс ознак контролюється одним автосомно-домінантним геном, який спричинює порушення розвитку сполучної тканини.
Особливим випадком плейотропії є так звана антагоністична плейотропія, тобто конкуруючий ефект гену на різних стадіях розвитку або за різними умовами навколишнього середовища. Зокрема, як було запропоновано Джорджем Вільямсом в 1957 році, антагоністична плейотропія може відповідати за еволюційний розвиток старіння: гени, що могли би відповідати за ремонт пошкоджень, не розвиваються через негативний ефект на ранніх стадіях життя.
Основний механізм плейотропії в тому, що ген може кодувати продукт, який використовується в різних типах клітин, що виконують різні функції, або які мають сигнальну функцію в кількох синальних шляхах. Класичний приклад плейотропії — хвороба людини фенілкетонурія (ФКУ). Ця хвороба може викликати затримку розумового розвитку, випадання волосся тапігментацію шкіри, і може бути викликана мутацією в єдиному гені, що кодує для фермент (фенілаланінгідролаза), що перетворює амінокислоту фенілаланін на іншу, тирозин. ФКУ протікає досить м'яко, якщо дієта підтримується вільною від фенілаланіну. Залежно від залученої мутації, хвороба приводить до зменшеної або нульової конверсії фенілаланіну на тирозин, в результаті концентрація фенілаланіну зростає до отруйного рівня, зумовлюючи пошкодження в кількох органах.
5.Серії множинних алелей. Успадкування груп крові людини за антигенними системами АВО, MN, резус. Резус-фактор. Резус-конфлікт.
У дослідах Менделя гени існували лише в двох формах – домінантній і рецесивній. Але більшість генів представлена не двома, а більшим числом алелей. Крім основних алелей (домінантного і рецесивного) існують ще проміжні алелі. Серію алелей (три і більше) одного гена називають множинними алелями, а саме явище – множинним алелізмом. Множинні алелі виникають внаслідок багаторазових мутацій одного і того самого локусу хромосоми. У генотипі диплоїдного організму представлені лише два алелі одного гена, у популяції число їх практично не обмежене. Особливість взаємодій між множинними алелями та, що їх можна розмістити в один послідовний ряд, в якому кожний член буде домінантним по відношенню до всіх наступних і рецесивним по відношенню до попередніх.
Значення. Множинний алелізм збільшує генофонд популяції, її генотиповий і фенотиповий поліморфізм, що має значення для еволюції.
Успадкування груп крові АВО і резус-фактора
Відкриття АВ0-системи груп крові належить Ландштейнеру (1901). У межах цієї системи розрізняють 4 фенотипи: А, В, АВ і 0, кожний з яких відрізняється за будовою антигенів на поверхні еритроцитів і антитіл сироватки крові.
Вивченням характеру успадкування різних груп крові АВ0-системи встановлено, що вони визначаються різним поєднанням трьох алелей однієї алеломорфної групи генів, які позначають IA, IB та I0, і розташовані в хромосомі 9.
Алель IA визначає утворення антигену А на поверхні еритроцитів і аглютиніну β у плазмі крові, алель IB – утворення антигену В на еритроцитах і аглютиніну α в плазмі і, накінець, за алеля I0 відсутні антигени АВ на поверхні еритроцитів і містяться аглютиніни α і β в плазмі. Позначаються алельні гени різними літерами латинського алфавіту (IA, IB, I0), як виняток з правил генетики
Генетичні дослідження показали, що в цій системі існують наступні співвідношення між генотипом і його фенотиповим проявом: генотипи IAIA і IAI0 дають однаковий фенотип А з антигеном А і аглютиніном β; генотипи IBIB і IBI0 зумовлюють однаковий фенотип В з антигеном В і аглютиніном α; генотип IAIB визначає фенотип АВ з антигенами А і В, але без аглютинінів α і β; генотип I0I0 зумовлює фенотип 0 без антигенів А і В, але з аглютинінами α і β.
0(І), А(ІІ), В(ІІІ) групи успадковуються як менделююча ознака. Гени IA і IB по відношенню до гена I0 ведуть себе домінантно.
Люди з генотипом IAIA фенотипово зовсім не відрізняються від людей з генотипом IAI0, але мають особливості їх діти. У дітей від шлюбу, в якому один із батьків має генотип IAI0, а інший I0I0, половина дітей має фенотип А (при генотипі IAI0), і половина – фенотип 0. Якщо один з батьків має генотип IAIA, а другий I0I0, то всі діти мають фенотип А (при генотипі IAI0). Така ж різниця спостерігається й у людей з генотипами IBIB і IBI0.
Алельні гени IA і IB в осіб ІV групи ведуть себе незалежно один від одного: ген IA детермінує антиген А, а ген IB – антиген В. Така взаємодія алельних генів отримала назву кодомінування (кожний алельний ген визначає свою ознаку). Успадкування АВ(IV) групи крові не відповідає закономірностям, встановленим Г.Менделем.
Групи крові А(ІІ) і В(ІІІ) системи АВ0 успадковуються за автосомно-домінантним типом, а 0(І) група – за автосомно-рецесивним типом.
Фенотипові прояви АВ0-системи груп крові відносяться до найбільш стійких ознак і за життя людини ніколи не зазнають змін.
Важливою є система груп крові – Rh (резус) система. На відміну від АВ0-системи антитіла до антигенів містяться в еритроцитах Rh-позитивних людей (Rh+), у крові Rh-негативних людей (Rh-) вони відсутні і з’являються при повторних переливаннях Rh-позитивної (Rh+) крові.
Серед населення Європи 15% людей резус-негативні (Rh-) і 85% – резус-позитивні (Rh+).
Генетичними дослідженнями доведено, що ген, який визначає утворення антигену, повністю домінує над рецесивним алелем, який зумовлює відсутність антигену Rh+. Встановлено, що утворення антигену Rh+ контролюється трьома парами зчеплених генів C, D i E, а резус-негативні люди – трійні рецесиви і мають генотип cde.
Групи крові системи АВО
| Групи крові (фенотипи) | Генотипи | Антигени еритроцитів (аглютиногени) | Антитіла плазми крові (аглютиніни) |
| І (0) | Іі | немає | a, b |
| ІІ (А) | ІАІА, ІАі | А | b |
| ІІІ (В) | ІВІВ, ІВі | В | a |
| ІV (АВ) | ІАІВ | А, В | немає |
Разом антиген А і антитіло a не містяться ніколи, як і антиген В з антитілом b. При взаємодії антигенів з одноіменними антитілами відбувається склеювання і випадання в осад еритроцитів (аглютинація), що свідчить про несумісніть крові донора і реципієнта. При переливанні крові необхідно, щоб антигени донора не зустрілися з одноіменними антитілами реципієнта. Оскільки перша група не має антигенів, то люди з такою кров’ю називаються універсальними донорами, а люди з четвертою групою – універсальними реципієнтами.
Успадкування двох алелей з трьох можливих підкоряється менделівським закономірностям. Групи крові ІІ (А) і ІІІ (В) успадковуються за автосомно-домінантним типом, І (0) група – за автосомно-рецесивним. Якщо батьки мають групу крові ІІ (А), то їхні діти можуть мати ІІ (А) і І (0), але не ІІІ (В) і не IV (АВ). Четверта група крові (АВ) успадковується не за правилами Г. Менделя, а за типом кодомінування (5.7) Оскільки групи крові генетично обумовлені і не змінюються протягом життя, то їх визначення може допомогти у випадку спірного батьківства. При цьому необхідно пам’ятати, що за групою крові не можна встановити, що саме цей мужчина є батьком дитини. Можна лише сказати, що він міг бути батьком дитини чи батьківство виключене.
Виключення батьківства на основі визначення груп крові АВО
В осіб з IV (АВ ) групою крові в 0,1-0,2 % випадків спостерігається особливе положення генів – цис-положення, коли обидва гени ІА і ІВ знаходяться в одній хромосомі. Тоді в шлюбі такої людини з особою, що має І (0) групу крові, можливе народження дітей з І (0) групою крові, що необхідно враховувати при медико-генетичному консультуванні, проведенні судово-медичної експертизи.
Успадкування резус-фактора. Резус-фактор – білок (антиген), названий так тому, що вперше (1940) був виділений з еритроцитів мавпи макака-резуса (Macacus resus), а потім у людини. Близько 85 % європейців здатні його синтезувати і становлять резус-позитивну групу (Rh+), 15 % - нездатні і називаються резус-від’ємними (Rh-). Резус-фактор зумовлений трьома домінантними тісно зчепленими генами (С, D, Е), розміщеними в першій хромосомі. Успадковуються вони як при моногібридному схрещуванні. Основна роль належить антигену D, якщо він визначається, то кров належить до резус-позитивної (DD або Dd), якщо не визначається – то до резус-негативної (dd). Резус-фактор необхідно враховувати при переливанні крові і трансплантації, тому що на нього в організмі виробляються антитіла. Резус-фактор може бути причиною резус-конфлікту між матір’ю і плодом. При шлюбі жінки, що має резус-від’ємну кров, з чоловіком, який є резус-позитивною гомозиготою, усі діти будуть резус-позитивними, а при його гетерозиготності – 50 % резус-позитивні і 50 % резус-від’ємні.
1) Р ♀ dd ´ ♂ DD 2) P ♀ dd ´ ♂ Dd
Гамети d D Гамети d D, d
F1 Dd F1 Dd, dd
Резус- позитивні Резус-позитивні Резус-від’ємні
100 % 50 % 50 %