Основные свойства и характеристики генов

Проявления действия генов

Иногда для простоты объяснения о генах говорят как о дискретных факторах, пе­редающихся по наследству независимо друг от друга. Однако на са­мом деле это не вполне корректно. Многие отклонения от законов Менделя обусловлены тем, что гены, хотя и независимы, но могут различными способами взаимодействовать между собой. Кроме того, следует учитывать одно важное обстоя­тельство. В классической менделевской генетике о генах судят по их внешним (фенотипическим) проявлениям. Наши представления о проявлениях действия генов базируются на концепции «один ген — один белок». Мы можем наблюдать работу гена по факту синтеза на его матрице определённого структурного или ферментного белка.

Если ген отвечает за синтез структурного белка, то мы можем наблюдать тот или иной морфологический признак, например волосы прямые или курчавые (это непосредственно зависит от структуры белковых молекул, из которых состоят волосы). Если же речь идёт о синтезе белка-фермента, мы можем также наблюдать морфологиче­ский признак, например цвет кожи светлый или чёрный (это зависит от активности фермента тирозиназы, превращающей аминокислоту тирозин в тёмный пигмент меланин) или функциональный признак, например патологическое состояние, болезненное пристрастие или заболевание. В качестве примера можно указать галактозурию, при которой в организме ребенка нарушена активность фермента, пре­вращающего галактозу в глюкозу, или фенилкетонурию, при которой страдает метаболизм аминокислоты фенилаланина. В обоих случаях накапливающиеся продукты выделяются с мочой, попутно отравляя организм. В то же время, обмен веществ — это сложнейшая система сопряжённых реакций, многие из которых создают возможности компенсации возникающих нарушений.

Кроме того, работа гена и синтез белка — это многостадийный процесс. Некоторые гены «молчат» и не работают, например, до определённого возраста, некоторые начинают экспрессироваться только при определённых обстоятельствах, причём их экспрессия может находиться под контролем других генов. Более того, как мы знаем, сначала на матрице ДНК синтезируется РНК, а уж потом — белок. Многие стадии регуляции происходят на уровне синтеза PHК, т. е. промежуточного продукта. По сути, РНК проходит специальную стадию созревания, в ходе которой из неё вырезаются неинформативные участки (интроны), а оставшиеся (экзоны) вновь сшиваются в готовую молекулу. Этот процесс может приводить к возникновению немного отличающихся молекул, в зависимости от вариантов набора экзонов. Наконец, вновь синтезированные белки проходят опреде­лённые стадии посттранскрипцинной модификации (доработки), что существенно влияет на их активность. Все эти процессы также контролируются генами через соответствующие белки-ферменты. Таким образом, вырисовывается довольно запутанная картина, в кото­рой порой бывает очень трудно увидеть собственно действие гена как такового. С этих позиций и следует рассматривать все перечисленные далее свойства и особенности взаимодействия генов.

Характеристика генов

Характеристика генов определяется их основными свойствами.

1. Пенетрантность и варьирующая экспрессивность генов. Пенетрантностъ является характерной чертой некоторых доминантных генов. Этот термин был введен в научный обиход выдающимся со­ветским генетиком и радиобиологом В. Н. Тимофеевым-Ресовским. Под пенетрантностью понимают долю индивидуумов с определён­ным генотипом, у которых проявляется соответствующий данному генотипу признак (фенотип). Представим себе, что в популяции при­сутствует некоторое число особей, несущих определённый доми­нантный ген, например 100 человек. Если пенетрантность данного гена является полной, то признак должен проявиться у всех 100 человек. Если же пенетрантность неполная, то признак появляется только у части носителей данного гена, например у 80%. Тогда говорят, что пене­трантность данного гена составляет 80%. В качестве примера приво­дят такой: существует наследственная форма подагры, связанная с генетически обусловленным нарушением обмена мочевой кислоты и отложением кристалликов этого вещества под кожей, в почках и т. д. Этот ген может присутствовать как у мужчин, так и у женщин, однако у мужчин его пенетрантность составляет около 80%, а среди женщин — 12%. В итоге мужчины болеют истинной наследственной подагрой чаше, чем женщины. Из-за неполной пенетрантантности соответствие между наличием и отсутствием признака у потомства, ожидаемое на основе генетических представлений, нарушается. Это необходимо принимать во внимание при анализе тех или иных наследственных заболеваний или признаков.

Ещё одной интересной чертой доминантных генов, нарушающей стройную картину менделевских законов, является различная степень выраженности эффекта гена, его экспрессивность (термин, также предложенный В. Н. Тимофеевым-Ресовским). Варьирующая экс­прессивность проявляется в том, что при наличии в популяции гете­розигот по тому или иному гену, фенотипический признак, обусловленный доминантным геном, у разных особей может быть выражен в разной степени. Таким образом, признак присутствует у всех, как и положено доминантному, но степень его выраженности разная. Например, при шестипалости (редкий доминантный признак) у одного из братьев может быть по 6 пальцев на ногах, а у другого вместо шестого пальца — только небольшой кожный нарост. Это мо­жет быть связано с взаимным влиянием генов в процессе морфогене­за. При брахидактилии пальцы рук и ног укорочены и снабжены перепонками, однако один или несколько из этих симптомов могут отсутствовать.

2. Эпистаз. Существуют гены, влияющие на пенетрантность или экспрессивность других генов. Они получили название генов-модификаторов. Если такие гены подавляют действие других неаллельных генов, такое явление именуется эпистазом. В данном случае мы имеем дело с чем-то вроде доминантности, но между разными локусами. Ген называют эпистатическим (от греч. epi — над), если его присутствие подавляет эффект какого-либо гена, находящегося в другом локусе. Эпистатические гены иногда называют ингибирующими генами, а те гены, действие которых ими подавляется — гипостатическими (от греч. hypo — под). Эпистатические гены также могут быть доминантными и рецессивными. Рецессивным эпистазом объясняется «бомбейский феномен» — необычное наследование антигенов системы групп крови АВО. При эпистазе возникают необычные соотношения между признаками. Например, такие чёткие взаимодействия локусов хорошо описаны у мышей.

Окраска шерсти у мышей контролируется парой генов, находящихся в разных локусах. Эпистатический ген определяет наличие окраски и аллеля: доминантный, определяющий окрашенную шерсть, и рецессивный, обусловливающий альбинизм (белая окраска). Гипостатический ген определяет характер окраски и имеет два аллеля: определяющий серую окраску (доминантный) и определяющий чёрный цвет (рецессивный). Мыши могут иметь серую или чёрную окраску в зависимости от своих генотипов, но наличие окраски возможно только в том случае, если у них одновременно имеется аллель окрашенной шерсти. Мыши, гомозиготные по рецессивному аллелю альбинизма, будут альбиносами даже при наличии у них аллелей серой и чёрной шерсти. В результате возможны три разных фенотипа: серая, чёрная шерсть и альбинизм (белая шерсть).

Необходимо также разобрать два случая, когда взаимодействие генов проявляется в двух альтернативных вариантах — множественное действие генов и полигенные эффекты.

3. Множественное действие генов можно наблюдать, когда один ген как бы определяет множество фенотипических признаков. Такое действие генов именуется также плейотропией или плейотропным действием. Обычно в таких случаях речь идёт о каких-то важных ге­нах, кодирующих белки-ферменты, занимающих важное (ключевое) положение в обмене веществ.

Хорошим примером является ген, кодирующий образование фермента синтазы цистатионина. В норме этот ген отвечает за нормальное функционирование фермента, вследствие чего синтезируется дипептид цистатионин из гомоцистеина и метионина. Эта реакция занимает важное положение в обмене серусодержащих аминокислот в организме. При мутации данного гена процесс нарушается, что приводит к избыточному накоплению гомоцистеина, который выделяется с мочой (гомоцистинурия) и попутно оказывает токсическое действие на организм. При этом наблюдаются многообразные проявления это­го токсического действия: нарушения органа зрения (катаракта, от­слойка сетчатки, атрофия зрительного нерва и, как следствие, слепота); изменения структуры соединительной ткани (симптом «па­учьих пальцев», нарушения в коленных суставах); неврологические и психические симптомы (мышечная слабость, судороги, олигофрения, нарушения эмоциональной сферы и мышления) а также имеет место повышенная ломкость капилляров и усиленное тромбообразование. Таким образом, один ген в данном случае вызывает множество фенотипических признаков. Если не знать этого, то можно предположить, что в процесс вовлечено множество генов.

Иногда ген, оказывающий плейотропное действие, настолько важен для организма, что наличие двух его рецессивных копий (гомо­зиготное состояние) может привести к гибели организма ещё во время внутриутробного развития. Такие гены именуются летальными генами или рецессивными леталями. Воздействие летального гена (и то, как оно может запутать ситуацию) видно ещё на одном примере наследования окраски шерсти у мышей.

У диких мышей шерсть обычно серая, но у некоторых мышей бывает и желтоватая шерсть. При скрещиваниях между жёлтыми мышами в потомстве получаются как жёлтые мыши, так и серые в соотношении 2:1. Единственное возможное объяснение таких результатов состоит в том, что жёлтая окраска шерсти доминирует над серой и что все жёлтые мыши гетерозиготны. Однако соотношение не соответствует предсказанному законами Менделя. Оказывается атипичное менделевское соотношение связано с гибелью гомозиготных жёлтых мышей до рождения. Действительно, при вскрытии беременных жёлтых мышей, скрещенных с жёлтыми же мышами, в их матках были обнаружены мёртвые жёлтые мышата. Оказывается, данный ген одновременно является рецессивной леталью, и животные, гомозиготные по данной аллели, не выживают. Так наличие летального гена «нарушает» классическое фенотипическое распределение по Менделю. Если бы гомозигот­ные жёлтые мыши выживали, то соотношение составило бы 3:1.

4. Полигенные признаки. Противоположная ситуация наблюда­ется, когда множество генов определяют один признак. Многие из самых заметных признаков организма представляют собой результат совместного действия многих различных генов; эти гены образуют генный комплекс, называемый полигенной системой. Хотя вклад каждого отдельного гена, входящего в систему, слишком мал, чтобы оказать сколько-нибудь значительное влияние на фенотип, все они вместе влияют существенно, а большое разнообразие, создаваемое совместным действием этих генов (полигенов), составляет генетиче­скую основу непрерывной изменчивости. Это очень важно и для пси­хологии, которая также всегда имеет дело с непрерывной изменчивостью различных психометрических показателей (интел­лект, черты характера или проявления темперамента).

В своё время механизм данного явления был изучен на примере скрещивания растений кукурузы, гетерозиготных по двум парам аллелей, от которых зависит длина початка. Предположим, имеются 2 гена, А и В, каждый из которых вносит определённый положительный вклад в длину початка. Представим себе, что соответствующие рецессивные аллели этих генов (а и b) не оказывают никакого влияния. Что же касается самого признака (длины початка), то он зависит от относительной доли положительно влияющих аллелей. Результаты анализа представлены в решётке Пеннета (см. таблицу 1 ниже).

Таблица 1. Пример полигенного эффекта (длина початка кукурузы зависит от 2-х генов, доминантные аллели которых положительно влияют на признак)

AaBb

AbBb

AB Ab aB ab
AB

AABB

Самый длинный

AABb

Длинный

AaBB

Длинный

AaBb

Средний

Ab

AABb

Длинный

AAbb

Средний

AbBb

Средний

Aabb

Короткий

aB

AaBB

Длинный

AaBb

Средний

aaBB

Средний

aaBb

Короткий

ab

AaBb

Средний

Aabb

Короткий

aaBb

Короткий

aabb

Самый короткий

Как видно из таблицы 1, в левом верхнем и правом нижнем углу оказываются крайние типы — самый длинный и самый короткий поча­ток, частоты их появления составляют 1/16, короткие и длинные по­чатки будут встречаться с частотой 4/16 (или 1/4), средние по длине початки будут иметь частоту 6/16 (или 3/8). Эффекты генов при таком взаимодействии складываются, поэтому такой тип наследования по­лучил название аддитивной полигении. Интересно, что фактически скрещивались растения с одинаковыми генотипами (АаВЬ), а получи­лись фенотипически очень разные растения, причём в большом разнооб­разии, и это разнообразие подчиняется математическому закону.

Распределение признаков в данном случае приближается к нор­мальному унимодальному гауссовскому распределению, что становит­ся особенно очевидным при увеличении числа генов, влияющих на данный признак. Так, если число суммирующих свой эффект генов оставит 3, то число возможных комбинаций составит 64, а если число генов — 4, то число комбинаций составит 256. Таким образом, при незначительном увеличении числа генов, входящих в генный ком­плекс, число вариантов признака растёт очень быстро. Это очень важный момент во всей генетике и в генетике человека в особенно­сти. Во всех случаях, когда мы встречаемся с нормальным распреде­лением признака в популяции, можно утверждать, что данный признак имеет полигенный характер. Такие признаки получили название неменделевских признаков.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Связанные статьи:

Законы наследования признаков Менделя

Основные генетические понятия: аллель, генотип и фенотип

Эволюция развития головного мозга человека

Позитивная (положительная) и негативная (отрицательная) евгеника

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>