Значение генетических факторов в формировании фенотипа. Аллельное и неаллельное взаимодействие генов
Все живые организмы характеризуются приспособленностью к различным факторам среды. Среди них есть такие, которые действуют на организм на протяжении многих геологических эпох (сила тяготения, смена дня и ночи, магнитное поле и т.д.), и такие, которые действуют только короткое время и строго локально (недостаток пищи, переохлаждение, перегревание, шум и т.д.).
У человека в ходе исторического развития выработался высокий уровень адаптации к окружающей среде благодаря тому, что гены определяют не только конечный признак, но и пределы вариации признаков в зависимости от определенных факторов внешней среды. Этим достигается не только меньшая зависимость от окружающей среды, но усложняется строение генетического аппарата и контроль развития признаков. Для того, чтобы признак развивался, т.е. генотип реализовался в фенотипе, необходимы соответствующие условия среды, что можно проиллюстрировать следующей схемой:
ОНТОГЕНЕЗ
ГЕНОТИП ФЕНОТИП
УСЛОВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
В онтогенезе действует скорее не отдельные гены, а весь генотип, как целостная интегрированная система со сложными связями. Такая система не является застойной, она динамична. Так, в результате точковых мутаций постоянно появляются новые гены, формируются новые хромосомы за счет хромосомных мутаций, новые геномы – за счет геномных. Новые гены вступают во взаимодействие с имеющимися или могут менять работу последних. Таким образом, генотип это целостная, исторически сложившаяся к определенному моменту времени система.
Характер проявления действия гена может меняться в различных генотипах и под влиянием различных факторов внешней среды. Было установлено, что на один признак могут влиять многие гены (полимерия) и, наоборот, один ген часто влияет на многие признаки (плейотропия). Кроме того, действие гена может быть изменено соседством других генов или условиями внешней среды. Законы Менделя отражают законы наследования при условиях: гены локализованы в разных парах гомологичных хромосом и за каждый признак отвечает один ген. Однако это не всегда так.
Характер проявления генов разнообразен и во многом зависит от свойств генов.
1. Ген дискретен в своем действии: обуславливает течение той или иной биохимической реакции, степень развития или подавления определенного признака.
2. Каждый ген специфичен: он отвечает за синтез первичной структуры белковой молекулы.
3. Ген может действовать множественно. Множественный эффект или плейотропия опосредованно воздействует на развитие многих признаков.
4. Разные гены, находящиеся в разных парах хромосом, могут действовать на развитие одного и того же признака, усиливая или ослабляя – полимерия.
5. Ген вступает во взаимодействие с другими генами, в силу этого его эффект может меняться.
6. Проявление действия гена зависит от факторов внешней среды
При анализе правил Менделя мы исходили из того, что доминантный ген полностью подавляет проявление рецессивного гена.
Тщательный анализ реализации генотипа в фенотип показал, что проявление признаков может определяться взаимодействием аллельных генов: полным доминированием, рецессивностью, неполным доминированием, кодоминированием, сверхдоминированием.
Доминирование является свойством гена в гетерозиготном состоянии обуславливать развитие признака. Значит ли это, что рецессивная аллель полностью подавлена и абсолютно не функционирует? Оказывается – нет. Рецессивный ген проявляется в гомозиготном состоянии.
Если Мендель учитывал несколько пар признаков, анализируя закономерности их наследования у гороха, то у человека известно уже тысячи разнообразных биологических признаков и свойств, наследование которых подчиняется правилам Менделя. Это такие менделирующие признаки как цвет глаз, волос, форма носа, губ, зубов, подбородка, форма пальцев, ушной раковины и т.д. Многие наследственные заболевания также передаются из поколения в поколение по правилам Менделя: ахондроплазия, альбинизм, глухонемота, куриная слепота, сахарный диабет, фиброз поджелудочной железы, глаукома и др. (см. табл. 3).
Для большинства признаков у животных и человека характерно промежуточное наследование или неполное доминирование.
При неполном проявлении гена гибрид не воспроизводит полностью ни одного из родительских признаков. Выражение признака оказывается промежуточным с большим или меньшим уклонением к доминантному или рецессивному состоянию.
Примерами неполного доминирования у человека может быть наследование серповидноклеточной анемии, анофтальмии, пельгеровской аномалии сегментирования ядер лейкоцитов, акаталазии (отсутствие каталазы в крови). У аборигенов Африки доминантный ген серповидноклеточной анемии S в гомозиготном состоянии SS вызывает гибель особей от анемии. Люди с генотипом ss не страдают малокровием, но в местных условиях гибнут от малярии. Гетерозиготы Ssвыживают, так как не страдают малокровием и не болеют малярией.
Таблица 3 — Наследование признаков у человека по принципу полного доминирования
| Доминантный | Рецессивный |
| Норма | |
| карие глаза | голубые глаза |
| темный цвет волос | светлый цвет волос |
| монголоидные глаза | европеоидные глаза |
| нос с горбинкой | нос прямой |
| ямочки на щеках | отсутствие |
| веснушки | отсутствие |
| праворукость | леворукость |
| Rh+ | Rh- |
| Патологические | |
| карликовая хондродистрофия | нормальное развитие скелета |
| полидактилия | норма |
| брахидактилия (короткопалость) | норма |
| нормальное свертывание крови | гемофилия |
| нормальное цветоощущение | дальтонизм |
| нормальная пигментация кожи | альбинизм (отсутствие пигмента) |
| нормальное усвоение фенилаланина | фенилкетонурия |
| гемералопия (ночная слепота) | норма |
Отклонение от ожидаемого расщепления по законам Менделя вызывают летальные гены. Так при скрещивании двух гетерозигот Аа, вместо ожидаемого расщепления 3:1, можно получить 2:1, если гомозиготы ААпо какой-либо причине нежизнеспособны. Так у человека наследуется доминантный ген брахидактилии (короткие пальцы). У гетерозигот наблюдается патология, а гомозиготы, поэтому гену погибают на ранних стадиях эмбриогенеза. Такое наследование, когда доминантный признак имеет неполное проявление, называется промежуточным. Многие заболевания в гомозиготном состоянии у человека являются летальными, а в гетерозиготном – обеспечивают жизнеспособность организма.
Как уже было сказано, механизмом, обусловливающим расщепление признаков в потомстве гибрида, является мейоз. Мейоз обеспечивает закономерное расхождение хромосом при образовании гамет, т.е. расщепление осуществляется в гаплоидных гаметах, на уровне хромосом и генов, а анализируется результат в диплоидных организмах на уровне признаков.
Между этими двумя моментами проходит много времени, в течение которого на гаметы, зиготы и развивающиеся организмы действует множество независимых друг от друга условий среды. Поэтому, если в основе процесса расщепления лежат биологические механизмы, то проявление этих механизмов, т.е. наблюдаемое расщепление, носит случайный или статистический характер.