Взаємодія алельних генів в організмі

Головні закономірності успадкування ознак у живих організмів були встановлені Грегором Менделем. Як відомо, всі живі істоти володіють великою кількістю ознак (колір насіння і їх форма у рослин, темний або світлий окрас у тварин і так далі), які певним чином успадковуються від батьківських особин. Взаємодія алельних генів визначає, які ознаки проявляться у нащадка.

Повне домінування

Одним з головних понять в генетиці є поняття ознаки — деякої певної особливості організму або його частини, по якій особина відрізняється від іншої. Ознакою в генетичному розумінні можна вважати будь-яку характеристику на рівні зовнішніх рис, фізіологічних або біохімічних особливостей:

• вага;
• колір;
• зріст;
• набір речовин певного типу в органах і клітинах;
• сукупність певних білків і так далі.

Всі ознаки одного організму називаються фенотипом. Мендель усвідомив, що всі характеристики, які можна використовувати в генетичному аналізі, повинні виявлятися постійно (незалежно від віку, зовнішніх умов та іншого) і повинні мати два або більше альтернативних проявів.

Алельні гени — алелі) — це гени, що відповідають за одну ознаку, але в різних його проявах (наприклад, колір насіння – це одна ознака, яка кодує один ген, але проявлятися може або жовтий, або зелений в залежності від того, який алель є домінуючим).

Домінантні і рецесивні алелі одного гена позначають, як правило, однаковими великою і маленькою буквою відповідно. Потомство від схрещування двох особин з різними альтернативними проявами називають гібридним, а окремого представника такого потомства — гібридом.

Схрещування, в якому проводиться аналіз однієї пари альтернативних характеристик, називається моногібридним. Наприклад, колір насіння гороху визначається геном sgr. Нормальний (домінантний) алель гена буде позначатися як А (він дає функціональний продукт, який обумовлює руйнування хлорофілу і, відповідно, жовтий колір насіння), а мутантний рецесивний алель (ген не дає функціонального продукту, і насіння залишаються зеленими) як а. Саме тому така мутація, коли втрачається здатність кодувати повноцінний продукт, і обумовлює появу рецесивної форми цього гена.

Неповне домінування

При повному домінуванні і наддомінуванні прояв ознаки не залежить від кількості (два або один) домінантних алелів в генотипі. Проте в природі часто зустрічаються ще й інші типи взаємодії алельних генів. Причина може полягати в тому, що рецесивний алель не дає функціонального продукту, але характеристика залежить від кількості копій домінантного алеля в генотипі. Наприклад, забарвлення квітів в червоний колір у левиного зіву Antirrhinum majus залежить від кількості червоного пігменту, а він утворюється внаслідок активності ферменту, який контролюється певним геном:

• два гени АА обумовлюють інтенсивне червоне забарвлення;
• гомозигота АА (відсутність ферменту і, відповідно, пігменту) характеризується білим забарвленням квіток;
• гетерозигота має в два рази меншу інтенсивність забарвлення на відміну від гомозиготи по домінантному алелю (в два рази менше ферменту і пігменту) — квіти рожевого кольору.

Аналогічно успадковується кучерявість пір’я голубів: особина, гетерозиготна по гену кучерявості, має хвилясті пір’я. Такий тип взаємодії алельних генів називається неповним домінуванням. При неповному домінуванні гетерозигота характеризується фенотипом, відмінним від обох гомозигот — з цією поправкою перший закон Менделя залишається без змін. Що стосується результатів схрещування гетерозигот, то розщеплення за генотипом і фенотипом будуть збігатися і складати 1:2:1.

Кодомінування і множинний алелізм

Аналогічні розщеплення характерні і для кодомінування з тією різницею, що нащадки від схрещування гомозигот різних типів будуть характеризуватися наявністю фенотипових ознак обох батьків одночасно. Тобто в цьому випадку обидва алелі є домінантними: утворюють функціональні продукти, які трохи відрізняються за деякими характеристиками. Така ситуація досить часто спостерігається для ферментів, коли два алелі обумовлюють синтез двох білків — ізоферментів — з практично однаковою активністю, але при цьому вони відрізняються молекулярною масою (один з білків має додатковий структурний домен і так далі).

Ці приклади вимагають важливого уточнення. Оскільки в двох гомологічних хромосомах можуть перебувати тільки два різних алеля одного гена, ще не означає, що в групі особин ген обов’язково має два алелі. Насправді, в більшості випадків гени існують у вигляді декількох (теоретично необмежену кількість) різних алелів. Це явище отримало назву множинний алелізм.

Одним із прикладів множинного алелізму є система груп крові АВ0. Добре відомі чотири групи крові-0, А, В і АВ — визначаються трьома алелями одного гена: ІА, ІВ, і0. Алелі ІА і ІВ є кодомінантними (відповідають за формування на поверхні еритроцитів антигенів двох типів — А і В), але при цьому домінують над алелем і0, який не продукує жодного антигену.

При наявності трьох алелей можливо шість комбінацій між ними, які можна отримати, використовуючи таблицю Пеннета. Але рецесивність і0 зводить кількість фенотипів (груп крові) до чотирьох: групі 0 відповідає генотип і0і0, групі А — генотипи ІАІА і ІАі0, групі в — ІВ і ІВі0, групі АВ — генотип іаів.

Причини відхилень від менделівських розщеплень

Менделівські розщеплення в принципі можуть бути реалізовані тільки для видів живих організмів з нормальним статевим процесом, диплоїдністю обох статей і за умови відсутності порушень в мейозі. Але і при виконанні зазначених умов випадки відхилення від менделівських розщеплень досить численні. При цьому будь-яких винятків немає, а умови менделювання не порушуються — просто на них накладаються інші ефекти.

Три таких ефекти – взаємодія неалельних генів (комплементація, кумулятивна і некумулятивна полімерія), зчеплення груп генів в одній хромосомі і розташування гена в статевих хромосомах. Серед інших причин виділяються такі:

• Летальність деяких комбінацій алелів. Наприклад, при схрещуванні жовтих (гетерозиготних) мишей, розщеплення на жовті і чорні (рецесивні гомозиготи) завжди становить 2:1. Подібний феномен спостерігається також при схрещуванні платинових лисиць. Якщо перевірити вагітних самок, то виявляється, що чверть ембріонів гине ще до народження: гинуть гомозиготи по домінантному алелю, тому і спостерігається відхилення від очікуваного розщеплення 3:1 (відсутній один з чотирьох генотипових класів). Таким чином, в цьому завданні домінантний алель є насправді домінантним тільки за забарвленням вовни. Що стосується життєздатності, цей самий алель є рецесивним. Ситуація, коли один ген впливає на кілька ознак одночасно (забарвлення шерсті і життєздатність), є одним із прикладів плейотропії.
• Існують алелі, які фенотипічно проявляються тільки у певної групи організмів, що містять їх в генотипі. Для характеристики такого варіабельного прояву генів використовують поняття пенетрантності і експресивності. Згідно з визначенням, мірою пенетрантності є група особин, що характеризуються певним фенотипом, серед усіх особин з однаковим генотипом. Деякі спадкові хвороби людини, наприклад, подагра, характеризуються неповною пенетрантностью, тобто не всі особини, які несуть мутацію, хворіють.
• Експресивність відображає силу прояву мутантного гена в фенотипі. Так, дрозофіли, гомозиготні за мутантним алелем eyeless, можуть мати різну кількість фасеток очей-від нормальної кількості до повної їх відсутності. Здатність генотипу проявлятися по-різному в залежності від зовнішніх умов відображає норму реакції — певний діапазон прояву (мінливість), в межах якого ознаки можуть модифікуватися у відповідь на варіації умов розвитку організму.
• Деякі ознаки притаманні особинам протягом не всього життя, а виникають тільки в певний період: характер розщеплення може мати взаємозв’язок з віком. Наприклад, у людини є спадкові синдроми, які проявляються тільки в похилому віці (синдром Альцгеймера, хвороба Хантінгтона).
• До відхилень від очікуваних менделівських розщеплень призводить також явище імпринтингу. Основою його є так звана епігенетична спадковість – може успадковуватися від батьків не просто ДНК, а хроматину, який несе певні хімічні маркери. Від них залежить структурний стан ділянки і, відповідно, активність деяких генів. Внаслідок такого ефекту прояв певного гена може бути обумовлено тим, від кого з батьків хромосома була отримана.У природі існує багато видів статевого диморфізму, і стать відіграє велику роль в прояві ряду ознак.

Насправді, в біології всі ці ефекти можуть бути зведені до взаємодії генів в складній системі функціонування генома, хоча не завжди така взаємодія можна легко описати: часто потрібно брати до уваги занадто багато окремих елементів, які впливають один на іншого.

✅Алельний стан генів. Форми взаємодії алельних генів

По-суті, алелі гена – це його альтернативні (фенотипічного прояву) форми.

У класичній генетиці алелі так і визначали як альтернативні фенотипічні стани відомої ознаки у життєздатних особин, маючи на увазі, що за ознакою стоїть спадковий завдаток (ген).

Зараз алелі – це варіанти нуклеотидної послідовності ділянки молекули ДНК, відповідного, наприклад, структурного гена. Кількість альтернативних форм (алелей) від гена до гена варіює. Мінімальне їх число дорівнює двом.

У широко використовуваного у фундаментальній та експериментальній генетиці біологічного об’єкта плодової мухи (дрозофіла) ген забарвлення очей має близько 1400 алелей – множинний алелізм. Ген, що визначає групу крові людини в системі АВО, має 3 алелі, в системі резус (Rh) – 2.

Між алельними варіантами гена існують функціонально-генетичні відносини, що визначаються як форми взаємодії алельних генів.

Типові або найбільш часті варіанти відносин (форм взаємодії):

• домінування (від лат. Dominus – панівний);
• рецесивність (від лат. Recessus – відступаючий);
• кодомінування;
• неповне домінування.

Характер міжалельних відносин проявляється в фенотипах диплоїдних (еукаріотичних) організмів, для яких відомі стани гомозиготності і гетерозиготності (по парам аутосом і парі статевих хромосом гомогаметна стать, у людини – жіноча), гемізиготність (по парі статевих хромосом гетерогаметної статі, у людини – чоловічої). У людини це ідентифікується шляхом аналізу появи в ряді поколінь нащадків того чи іншого фенотипічного варіанту ознаки.

Домінантні ознаки відтворюються в кожному поколінні, тобто у гомозиготних, гетерозиготних і гемізіготних за відповідним гену (локусу, сайту ДНК) організмів. Рецесивний варіант ознаки спостерігається при відсутності домінантного алеля (рецесивна гомозигота і гемізіготен).

Такий варіант виявляється не в кожному поколінні, а в разі гемізиготність – як правило, тільки у особин гетерогаметної статі. При кодомінуванні у гетерозигот обидва алелі в рівній мірі беруть участь у визначенні варіанту ознаки, тоді як при неповному домінуванні наявність рецесивного алеля у гетерозигот перешкоджає фенотиповому прояву домінантного алеля в повному обсязі (дозовий ефект, порівняй генотипи АА, Аа і аа).

Кодомінування алелей у людей спостерігається у спадкуванні груп крові.

Групи крові 0(I), A(II), B(III) і AB(IV) визначаються геном I, які мають три алелі:

Алель I 0 щодо алелей I A і I B проявляє властивість рецесивності. Алелі I A і I B кодомінантні, чим і пояснюється наявність групи крові IAIB або AB (IV). Неповне домінування спостерігається у людей-гетерозигот по алелю серповидноклітинності еритроцитів (мутація ΗΒα2β26), 60-65% гемоглобіну яких має нормальну структуру, а 35-40% функціонально дефектну, мутантну – в поліпептиді β в 6-му положенні амінокислота глутамінова замінена на амінокислоту валін.

Такі суб’єкти життєздатні і відчувають себе комфортно за винятком ситуацій підвищеної фізичної активності, в умовах високогір’я, при польотах на великих висотах або в холодну пору року, коли у зв’язку з розвитком в організмі стану кисневої недостатності вони відчувають болі в суглобах, в області серця і селезінки.

Властивості домінантності і рецесивності алелей (ознак) мають відносний характер – «нестійка домінантність», що залежить від ряду факторів, природа і механізми яких не завжди зрозумілі.

Така ознака, наприклад, як епікант («третя повіка») проявляє властивість рецесивності у представників європеоїдної (кавказької) раси, але поводиться як домінантний у представників монголоїдної раси.

Відсутність волосся на голові (облисіння) проявляє властивості рецесивної ознаки у жінок і домінантної у чоловіків. Те, що у жінок один з побічних ефектів застосування в терапевтичних цілях чоловічого статевого гормону тестостерону полягає у втраті волосся, вказує на участь гормонів у фенотипічній прояві цього гена.

Фактори відносності властивості домінантності можуть мати як генетичну, так і негенетичну природу.

Встановлені фактори генетичної природи – характер взаємодії неалельних генів і локалізація алеля в хромосомі – ефект положення. З іншого боку, відомо, що характер домінування залежить від статі і віку організму, а також зовнішніх умов.

При множині алелізму, зазвичай, один алель серії є рецесивним щодо всіх інших, тоді як інші пов’язані відносинами «домінантність-рецесивність», «неповне домінування» або «кодоминування».

У серії алелей гена забарвлення очей дрозофіли абсолютно рецесивним є алель white (білий), в системі груп крові АВ0 людини – I 0 . Алель серії, найбільш поширений в природі (зазвичай відповідає нормальному стану фенотипічної ознаки), називається «алель дикого типу».

До порівняно рідкісних форм взаємодії алельних генів відносяться міжалельна комплементація (взаємодоповнення) і алельний виняток. Про міжалельну комплементацію говорять тоді, коли в організму гетерозиготного по двох мутантним алелям конкретного гена у фенотипі, виявляється ознака в нормальному стані («дикий тип»).

Припустимо, що ген D контролює утворення кліткою білка з четвертинною структурою у вигляді комплексу з декількох однакових поліпептидів – мультігомобілковий комплекс.

Один мутантний алель D визначає експресію зміненого поліпептиду D’, а другий алель D”- теж мутантний, але по іншій ділянці гена, визначає експресію мутантного поліпептиду D”, причому з іншою зміною амінокислотної послідовності.

Допускається, що при формуванні четвертинної структури за участю змінених, але по-різному, поліпептидів D’” і D” відбувається компенсація змін, і в результаті формується складний мультігомобелковий комплекс з нормальною функцією.

Суть алельного виключення пояснює приклад генетичної інактивації однієї з хромосом Х у особин гомогаметної статі (у людини – жіночий, 46ХХ), функціонально-генетичний сенс якої полягає в компенсації дози генів відповідної групи зчеплення (хромосоми Х) щодо гетерогаметної статі (у людини – чоловічий, 46ХY).

Хромосоми Х гомогаметної статі представлені особинам – «мозаїками» – одна хромосома Х материнського, тоді як інша батьківського походження.

Оскільки генетична інактивація носить відносно хромосом материнського і батьківського походження випадковий характер, при гетерозиготності організму в одних клітинах активний алель, отриманий з хромосомою Х матері, тоді як в інших активний алель, отриманий з хромосомою Х батька. Це призводить до фенотипового мозаїцизму.

Що ми дізналися?

Алелі – це різні форми одного й того ж гену, які визначають різні варіанти однієї ознаки. Взаємодія між алелями генів визначає, як саме ці ознаки будуть проявлятися у організму. Ось ключові форми взаємодії алельних генів:

1. Домінування і Рецесивність
   • Домінантний алель проявляється в фенотипі навіть у гетерозиготному стані (один домінантний і один рецесивний алель).
   • Рецесивний алель проявляється тільки тоді, коли обидва алелі в генотипі рецесивні.
2. Кодомінування
   • Обидва алелі виявляються у фенотипі. Наприклад, у людей група крові AB є результатом кодомінування алелів А і B.
3. Неповне Домінування
   • Гетерозиготний організм проявляє проміжний фенотип між двома гомозиготними станами. Наприклад, у деяких квітів гетерозиготні особини мають напівінтенсивний колір пелюсток.
4. Множинне Алельство
   • Більше двох алелів одного гену в популяції. Наприклад, гени, що визначають групи крові у людини.
5. Плейотропія
   • Один ген впливає на кілька фенотипічних ознак. Наприклад, ген, що відповідає за форму крил у мухи-дрозофіли, впливає також на розвиток очей.
6. Епістаз
   • Взаємодія між генами, де один ген пригнічує або змінює дію іншого неалельного гену.
7. Полігенне Наслідування
   • Ознака контролюється декількома генами, які діють разом. Це відповідально за такі ознаки, як колір шкіри, висота та вага.

Висновок

Алельний стан генів та їх взаємодія є основою для розуміння генетичного різноманіття та спадковості в організмах.

Від домінування і рецесивності до більш складних форм взаємодії, таких як полігенне наслідування та епістаз, ці механізми визначають, як генетична інформація передається від покоління до покоління та як вона проявляється у фенотипі.

Розуміння цих процесів є важливим для генетики, медицини, біології розвитку та багатьох інших галузей науки.