Взаимодействие генов: типы взаимодействий, биохимические основы

I.Взаимодействие аллельных генов: 1.Доминирование – признаки, контролируемые геном в аутосоме перед-ся по аутосомно-доминантн.типу (равновероятно передаются и ♀, и ♂ потомкам), признаки, контролируемые геном в пол.хромосоме – по сцепленному с полом доминант.типу (перед-ся от отца только дочерям). Некоторые дом.мутации в гомозиг.состоянии – летальные; 2.Неполн.доминирование – как у кур андалузской породы (при скрещивании гомозигот с белым и черным оперением в F₁ получают серых кур); 3.Кодоминирование – проявляются оба аллеля у гетерозигот (i.e., наледование групп крови у человека - три аллеля домин. I^Aи I^B, рецесс. I⁰. I^AI^A или I^AI⁰ – группа А, I⁰I⁰ – группа 0, I^AI^B – группа АВ, т.е.проявляются оба аллеля =>имеются оба типа поверх.антигенов); 4.Сверхдоминирование, гетерозис – усиление признака у гетерозигот (i.e.большая плодовитость у гетерозиготных мух, чем у исх.форм); 5.Неустойчивая доминантность – проявление признака у гетерозигот зависит от внешних условий и генотип.окружения (i.e., доминантная мутация Curly не проявляется в форме фенотипа с загнутыми вверх крыльями при 19°С; доминант.аллель w⁺ в рез-те инверсии попадает в прицентромерн.хроматин =>у гетерозигот w⁺/w проявляется рецесс.аллель w – белые глаза). 6.Условная доминантность – невозможность выявить гомозигот по домин.аллелю, т.к.такие особи нежизнеспособны (доминант.мутация действует летальна в гомозиготе).

II.Взаимодействие аллельных генов: 1.Комплементарность – два гена «работают» вместе =>развитие отличного от родит.варианта признака. Три типа: дом.гены разл-ся по фенотип.проявлениям, дом.гены имеют сходное проявление, и дом. и рец. гены имеют самостоят.фенотип.проявление. Примеры: ¶ наследование формы гребня у кур – A_B_ имеют ореховид.форму, A_bb – розовидную, bbA_ - гороховидную, aabb – обычную; ¶ наследование окраски кокона у тутового шелкопряда – желтые коконы только у A_B_, при наличии только одного дом.гена и двойных гомозигот по реццессиву – неокрашенные коконы. 2.Эпистаз. а.Доминантный эпистаз – дом.ген подавляет проявление другого дом.гена (i.e., у тыквы желтую окраску плода опред-ет ген А, зеленую опред-ет а, в присутствии дом.ингибитора I – окраски нет, I_A_ и I_aa имеют бесцветные плоды). б.Рецессивный эпистаз – рец.аллель одного гена подавляет, а между доминантными генами наблюд-ся комплементарность. При двойном эпистазе каждая гомозиг.рецесс.аллель подавляет домин.аллель другого гена. 3.Полимерия – гены дублируют действие друг друга. Два типа: некумулятивная (i.e.образование овального стручка только у пастушей сумки с генотипом a¹a¹a²a², и треугольного – у всех остальных) и кумулятивная (окраска зерен пшеницы пропорциональна числу доминантных генов, самая интенсивная – у A¹A¹A²A²A³A³).

Комплементарный тип взаимодействия (взаимно дополнительный) осуществл., когда доминантные аллели обоих генов (в дигибридном скрещивании) обусловливают нормальный (или дикий) фенотип.

Пример: PP st st bw+ bw+ × st+ st+ bw bw (ярко-красные×коричневые глаза)

F1 st+_ bw+_ (темно-красные глаза)

F2 9 st+_ bw+_ (темно-красные глаза): 3 st+_ bw bw (коричневые глаза): 3 st st bw+_ (ярко-красные глаза):1st st bw bw (белые глаза)

Темно-красные глаза- дикий тип; ярко-кр. и кор. глаза рецессивны по отнош. к дикому типу, бел.- двойной рецессив.

Биохим. мех-м взаимод. аллелей st и bw исслед. подробно.У дрозофилы окраска глаз обусловлена синтезом 2-х пигментов - кр. и кор. Рецессив bw в гомозиготе прерывает синтез кр. пигмента; рецессив st - кор. Когда в дигетерозиготе оказыв. норм. аллели, синтез. оба пигмента. Если в гомозиготе оказыв. и bw bw, и st st, то не синтез. ни кр., ни кор. пигменты, и глаза - белые.

По типу комплементарности взаимод. гены, контрол. разные этапы одного и того же метабол. пути,однако для многих неизвестен биохим. мех-м их реализации. По типу комплементарности взаимод. гены, определ. форму гребня кур, форму плода у тыквы.

Эпистаз- рецессивная аллель в гомозиготе препятствует проявлению доминантной аллели или, наоборот, доминантная аллель препятствует проявлению рецессивной аллели. Пример: синтез кор. пигмента у мух, кроме st, блокируют также и рецессивные аллели гена purple(pr). Выход в гомозиготу любой из 2 рецессивных аллелей блокирует синтез пигмента; появлениеи st, и pr не приводит к белым глазам(ярко-кр.).Это тоже пример комплементарного взаимод., но без новообразования. В данном случае рецессивная аллель pr эпистатична по отношению к доминантной аллели st+, а st эпистатична по отношению к pr+(двойной рецессивный эпистаз). Существ. также простой рецессивный эпистаз (a > B; a > b или b >A; b>a), кот. выраж. в расщеплении 9:3:4; простой доминантный эпистаз (A >B;A>b или B>A; B>a) с расщеплением 12:3:1. Ген, подавляющий действие другого, назыв. ингибитором или супрессором; подавляемый ген - гипостатический.

Полимерия - одной доминантной аллели любого из взаимод. генов достаточно для проявления фенотипа. Пример: пастушья сумка PP треуг. стручки×овал. стручки

F1 все треуг. стручки

F2 15треуг. : 1овал.(а1а1а2а2) Гены в этом случае обознач. Одинаково (А1 и А2). Это некумулятивная полимерия.

Кумулятивная полимерия (Нильсон-Эле, 1908) - интенсивность проявления признака зависит от числа доминантных аллелей (при тригибридном скрещивании расщепление 1:6:15:20:15:6:1). Так наследуются окраска эндосперма зерен пшеницы, цвет кожи у человека, молочность, яйценоскость, длина колоса у злаков, содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы. Изучением наследования таких признаков занимается генетика количественных признаков.

13. СЦЕПЛЕННОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ И КРОССИНГОВЕР

[На примере наследования признака окраски тела (b – рец., черное тело/ b⁺ - дом., серое тело) и типа крыльев (vg – рец., редуцир.клетки/ vg⁺ − норм.крылья.). 1.Полное сцепление (Дигетерозиготный самец и гомозиготная по рецессивам самка): P ♂ b vg⁺/b+ vg × ♀ b vg/b vg =>

=> F₁ 50% b⁺vg/b vg и 50% b vg⁺/b vg => самцы образуют только два типа гамет (b vg⁺ и b⁺ vg). 2.Неполное сцепление (Дигетерозиготная самка и гомозиготный по рецессивам самец). Р ♀ b vg⁺/b+ vg × ♂ b vg/b vg => 83% - b vg⁺/b vg и b⁺vg (есть сцепление генов) и 17% b vg/b vg и b⁺vg⁺/b vg (рекомбинантные формы, сцепления нет) =>полное сцепление имеется только у самцов. 3.Кроссинговер. Морган объяснил неполное сцепление обменом участками между генами b и vg. (см.также вопрос 15).

14. Интерфеенция – подавление кроссинговера на участках, непосредственно прилегающих к точке произошедшего обмена. Коэффициент коинциденции С=налюдаемая частота двойных кроссинговеров/теоретич ожидаемая. С<1=> положительная интерференция, C>1=> отрицательная.

В дальнейшем Т. X. Морган и его сотрудники в экспериментах с D. melanogaster обнаружили большое число примеров сцепления генов и показали, что это сцепление, как правило, неполное. Рассмотрим один из первых экспериментов Т. X. Моргана по изучению сцепленного наследования. У дрозофилы известны мутантные формы, отличающиеся от мух дикого типа черной окраской тела. Это признак рецессивный по отношению к признаку нормальной cерой окраски. Ген, контро­лирующий черную окраску тела, называется black и обозначает­ся b. Его доминантная аллель — b⁺. Существует также рецессивный ген vestigial (vg), который в гомозиготном состоянии приводит к недоразвитию крыльев (за­чаточные крылья). Его доминантная аллель (vg⁺) контролирует нормальное развитие крыльев.

При скрещивании мух bb vg vg X b⁺ b⁺ vg⁺ vg⁺ в F1 были полу­чены особи, дигетерозиготные по этим генам. Все они были нормаль­ными по обоим признакам в соответствии с правилом доминирова­ния и законом единообразия F1. Далее были проведены два типа анализирующих скрещиваний. В первом из них брали самцов F1 и скрещивали с гомозиготными самками bbvg vg, а во втором — девственных самок, отобранных в F1, скрещивали с самцами bbvgvg. Результаты этих анализирующих скрещиваний оказались неодинаковыми (рис. 5.10, А). В F_а (потомство от анализирующего скрещивания) в первом случае были получены мухи только двух типов независимо от пола: 50 % мух имели черное тело и зачаточ­ные крылья и 50 % были нормальными по обоим признакам. Учитывая, что расщепление в анализирующем скрещивании отра­жает соотношение типов гамет, продуцируемых особями fi, сле­дует заключить, что самцы F1, использованные при первом скре­щивании, формировали гаметы только двух типов — с родитель­скими сочетаниями аллелей bvg и b⁺ vg⁺. Следовательнл в 100% случаев были гаметы только с родительскими сочетаниями исследов. генов.При втором скрещивании в F_a появились все возможные четы­ре типа потомков, а следовательно, самки fi давали четыре типа гамет: b vg, b⁺ vg, b vg⁺ и b⁺ vg⁺. Однако, как явствовало из расщеп­ления в Fa от этого скрещивания, четыре типа гамет образовались не равновероятно. Независимо от пола мухи распределились сле­дующим образом: 41,5 % черных с зачаточными крыльями; 41,5 % нормальных по окраске и с нормальными крыльями; 8,5 % черных с нормальными крыльями; 8,5 % нормальных по окраске с зачаточными крыльями. Таким образом, родительские сочетания b vg и b⁺ vg⁺ образовались в 83 % случаев, а новые комбинации — рекомбинантные сочетания bvg⁺ и b⁺vg (рис. 5.10, А) — в 17 % случаев.

В другом эксперименте в качестве родителей были исполь­зованы мухи, обладающие теми же признаками, но в другом соче­тании: мух с черным телом и нормальными крыльями скрещивали с мухами с нормальной окраской тела и с зачаточными крыльями. Затем вновь провели два типа анализирующих скрещиваний. В первом использовали самцов fi, во втором — самок F1. В обоих случаях их скрещивали с двойным гомозиготным рецессивом bbvg vg. И вновь были получены такие же результаты в отношении родительских и рекомбинантных сочетаний признаков в F_а. Если из F1 брали самцов, то наблюдали только

родительские комбинации признаков, а если из fi брали самок, то появлялись родительские (83%) и рекомбинантные (17%) сочетания признаков в тех же соотношениях, что и в первом экс­перименте, результаты которого представлены на рис. 5.10, А.

В обоих экспериментах наблюдается полное сцепление генов b и vg, если для анализирующего скрещивания берутся самцы fi. Если же для анализирующего скрещивания использовали са­мок fi, то сцепление было частичным.

Т. X. Морган дал следующее объяснение этим результатам. В первом эксперименте гены b и vg находятся в одной хромосоме, т. е. дигетерозиготные особи fi несут в одном гомологе аллели b и vg, а в другом гомологе — b⁺ и vg⁺ (рис. 5.10, А); во втором эксперименте b и vg⁺ в одном, а b⁺ и vg(рис. 5.10, Б).

У самцов дрозофилы кроссинговер вообще не происходит, поэ­тому гены, локализованные в одной хромосоме (или, говоря более строго, в одной паре хромосом), обнаруживают абсолютное сцепление, если при скрещивании используют дигетерозиготных самцов. В мейозе у дигетерозиготных самок дрозофилы fi возмо­жен обмен гомологичными участками гомологичных хромосом между локусами, в которых находятся гены b и vg. Такие обмены, или кроссинговер (от англ, crossingover — перекрест), приводят к новому рекомбинантному сочетанию аллелей генов b и vg в гомо­логичных хромосомах, которые затем расходятся к разным полю­сам. Эти обмены происходят с вероятностью 17 % ив итоге дают два класса реципрокных рекомбинантных сочетаний, или ре-комбинантов с равной вероятностью — по 8,5 % (рис. 5.11).

Сходным образом объясняется и результат, полученный ранее У. Бэтсоном и Р. Пеннетом: гены, контролирующие окраску цвет­ков (р) и форму пыльцевого зерна (/) у душистого горошка, локализованы в одной паре гомологичных хромосом, и между ними возможен крос­синговер. Сотрудник Т. X. Моргана А. Стертевант предположил, что частота кроссинговера на участке между генами, локализованными в одной хромосоме, может служить мерой расстояния, на котором они находятся друг от друга. Тогда можно использовать частоту кроссинговера для того, чтобы определять взаимное расположение генов и расстояние между ними.

В качестве подтверждения справед­ливости этого положения можно в общем виде рассмотреть результаты тригибрибридного скоещивания ,в кот. Род. Формы дрозофилы различаются по генам b и vg, pr(сцеплен. c b и vg).

Рецессивная аллель pr (purple — пурпурный) в гомозиготном состоянии обусловливает ярко-красную окраску глаз, нормальная доминантная аллель рr⁺ — темно-красный цвет глаз.

При анализирующем скрещивании потомки расщепляются на 8 классов ,2 класса нерекомбинантных (/ и //) и 6 классов потомков, рекомбинантных по всем генам (Ш — VIII).

Далее необходимо определить частоту кроссинговера между всеми тремя генами попарно. Для этого суммируют всех мух, рекомбинантных по генам b и рr. классы III, IV, VII, VIII). Полученное число делят на общее число исследован­ных потомков в F_a. Аналогично определяют частоту рекомбинации (кроссинговера) между рr и vg (при этом суммируют классы V, VI, VII, VIII) и частоту рекомбинации между b и vg (суммируют классы III, IV, V, VI).

Экспериментально установленные частоты рекомбинации меж­ду тремя генами попарно можно представить следующим образом: b - рr — 6 %; рr - vg - 12 %; b - vg - 17 %.На основе этих данных, пользуясь - правилом аддитивности, можно рас­положить три гена в линейной после­довательности. Наиболее удалены друг от друга гены b и vg, а между ними локализован ген рr. Сумма час тот его рекомбинации с генами b и vg приблизительно равна частоте рекомбинации между b и vg. Такимобразом, строится простейшая карта группы сцепления. Под группой сцепления понимают группу генов, рас­положенных в одной хромосоме.

даже гены, расположенные в одной хромосоме, не всегда обнаруживают сцепление. Генетическое рас­стояние, на котором кроссинговер происходит с вероятностью 1 %, представляет собой сантиморган (сМ) — единицу измере­ния, названную в честь Т. X. Моргана

Интерференция

Так же, как в рассмотренном случае, сумма меньших частот рекомбинации (генетических расстояний) чаще всего превышает частоту рекомбинации между наиболее удаленными друг от друга маркерами. Это объясняется тем, что между любыми двумя сцеп­ленными генами возможен не только одиночный, но и двойной (а также множественный) кроссинговер, что приводит к сокраще­нию регистрируемой частоты кроссинговера. Действительно, если бы в рассмотренном примере (рис. 5.12) между генами b и vg не было бы маркера рr, то b (pr⁺) vg и b⁺ (pr) vg⁺ воспринимались бы как некроссоверные состояния b vg и b⁺ vg⁺. Таким образом, двой­ные обмены сокращают регистрируемое расстояние между генами. Вместе с тем между обменами на соседних участках хромосом существует взаимовлияние, названное интерференцией. Такое взаимовлияние можно выразить количественно. Для этого сопос­тавляют реально наблюдаемую частоту двойных обменов с часто­той, теоретически ожидаемой на основе предположения о том, что обмены на соседних участках происходят независимо друг от друга. Степень и характер интерференции измеряется величиной коинци-денции (С). Коинциденцию оценивают как частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных кроссоверов на теоретиче­ски ожидаемую частоту двойных кроссоверов. Последнюю вели­чину получают, перемножая частоты кроссинговера на соседних участках.

Вычислим коинциденцию на конкретном примере, пользуясь данными Т. X. Моргана и А. Стертаванта, которые при тригибридном скрещивании изучали-рекомбинацию между генами у, w и m,

локализованными в Х-хромосоме D. melanogaster. Фенотипическое проявление генов у и w уже описывалось. Рецессивная аллель гена m приводит к уменьшению размера крыльев. Частота реком­бинации между у и w 1,3 %, а между w и т 32,6 %. Двойные рекомбинанты по у — w — т наблюдались с частотой 0,045 %.

C(коинциденция)=двойные кроссоверы/произведение недвойн.кроссоверов Величину интерференции (/) определяют по формуле I= 1 — С.

Если С < 1, то интерференция положительная, т. е. одиночный обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если С>1, то интерференция отрицательная, т.е. один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности существует только положительная интерфе­ренция при реципрокной рекомбинации — кроссинговере, а кажу­щееся неслучайным совпадение двух и более обменов, характерное для очень коротких расстояний, — результат нереципрокных со­бытий при рекомбинации

Таким образом, при картировании генов в группах сцепления на основе изучения частот рекомбинации необходимо учитывать две противоположные тенденции. Двойные обмены «сокращают» расстояния между генами, а интерференция препятствует множест­венным обменам, вероятность которых увеличивается с расстоя­нием. Как показал для дро-зофилы Г. Меллер, на больших расстояниях (око­ло 35% рекомбинации) интерференция исчезает. Следовательно, наиболее точные данные о частоте кроссинговера можно по­лучить только на достаточ­но коротких расстоя­ниях — приблизительно до 10 сМ.

В обобщенном виде за­висимость частоты реком­бинации от реального рас­стояния с учетом мно­жественных обменов опи­сывает функция Дж. Хол-дэйна: rf(d)=0.5(1-e^-2d)

где rf — картирующая функция (в нашем случае — это частота учитываемых кроссинговеров), d — реальное расстояние, на кото­ром происходят обмены, е — основание натурального логарифма. Функция Холдэйна показывает, что с увеличением расстояния rf приближается к 0,5. Реально это означает, что между генами, расположенными далеко друг от друга, выявляется около 50 единиц рекомбинации. Такую же частоту рекомбинации де­монстрируют и гены, находящиеся в разных хромосомах. практически невозможно уловить сцепления между столь удаленными друг от друга генами. Эти гены, хотя и сцеплены физически, находясь в одной хромосоме, будут наследоваться независимо.

.Как теперь хорошо известно, некоторые гены, контролирующие 7 признаков гороха, исследованные Г. Менделем, сцеплены, однако расположены на большом расстоянии друг от друга. В частности, гены а (окраска цветков и семенной кожуры) и i(окраска семян) принадлежат к одной и той же группе сцепления, но расстояние между ними около 200 сМ. В опытах Менделя эти гены наследовались независимо. При скрещивании: AAII X aaii в F₂ было получено расщепление 357 А — I — : 132 А — ii: 116 ааI — : :34aaii, которое хорошо соответствует теоретически ожидаемому при независимом наследовании (360:120:120:40; X² = 2,258; р>0,05) (см. гл. 2.2). стояния rf приближается к 0,5.

Вопрос 14

Между любыми двумя сцепленными генами возможен не только одиночный, но и двойной (или множественный) кроссинговер, что приводит к сокращению регистрируемой частоты кроссинговера. Кроме того, между обменами на соседних участках хромосом существует взаимовлияние – интерференция (I), степень и характер которой измеряется величиной коинциденции (С). Коинциденция – частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных кроссинговеров на теоретически ожидаемую частоту (если обмены на соседних участках происходят независимо друг от друга). I=1-C. Если C<1, то интерференция положительная, то есть одиночный обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если C>1, то интерференция отрицательная, то есть один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности при кроссинговере существует только положительная интерференция.