В XX веке генетики распространили менделевские принципы не только на разнообразные организмы, но и на модели наследования, более сложные, чем Мендель фактически описал. К настоящему времени генетики обнаружили множество других моделей наследования. Эти закономерности относятся к неменделевской генетике b, некоторые из них могут быть объяснены взаимодействием генов, то есть одновременным воздействием разных генов.
Механизм и типы
Вклад генов в фенотипические признаки модифицируется взаимодействием с другими генами и окружающей средой. При этом экспертами отмечается также важность взаимодействия как между генами, так и с окружающей средой в экспрессии фенотипа.
Из школьных уроков биологии известно, что гены — это сегменты ДНК, которые кодируют определённый полипептид в форме последовательности его оснований. Полипептидная цепь может действовать как структурный белок и формировать клеточные органеллы или образовывать белковые биохимические вещества, такие как гемоглобин, инсулин, или служить в качестве фермента и катализировать некоторые химические реакции. Другими словами, полипептид может влиять на морфологический или функциональный признак (фенотип) организма.
Белки же являются конечными продуктами экспрессии генов, и генные взаимодействия представляют собой взаимодействия между белками, которые контролируются этими генами (гены не взаимодействуют напрямую, за исключением таких случаев, как синапсис и кроссинговер при мейозе). Таким образом, генная интеракция зависит от биохимической основы.
Генные взаимодействия можно классифицировать по типам следующим образом:
- взаимодействие аллельных генов;
- интеракция неаллельных генов.
Аллельные — это гены, расположенные в идентичных локусах гомологичных хромосом, а неаллельные находятся в разных локусах гомологичных либо негомологичных хромосом и обеспечивают полимерное действие генов.
Интеракция неаллельных генов характеризуется комплементарностью как типа взаимодействия, целостностью полимерии и плейотропностью.
Аллели же могут взаимодействовать друг с другом довольно сложным образом, и эти интеракции условно можно разделить на 4 вида: полное доминирование, неполное доминирование, кодоминантность и супердоминирование (сверхдоминирование).
Полное доминирование
Законы Менделя описывают относительно простую модель наследования: каждый символ определяется одним геном, для которого существует только два аллеля, и один полностью доминирует над другим. Этот тип взаимодействия называется полным доминированием.
При полном доминировании как гетерозиготы (Aa), так и доминантные гомозиготы (AA) имеют один и тот же фенотип. При полном преобладании доминантный аллель должен продуцировать достаточное количество своего белкового продукта, чтобы обеспечить плейотропное действие генов (плейотропию), то есть одна его копия (как у гетерозиготы) давала максимальный фенотипический эффект.
Паттерны наследования некоторых человеческих признаков также подчиняются законам Менделя и соответствуют полному закону преобладание. Английский врач Арчибальд Гаррод (1857−1936) был первым, кто связал человеческое расстройство с законами наследования Менделя. Он также предложил идею о том, что болезни возникают через метаболический путь, ведущий к молекулярной основе наследования.
В 1903 году Гаррод в своём докладе продемонстрировал, что болезни человека передаются в соответствии с законами Менделя и, в частности, алкаптонурия (болезнь чёрной мочи). Учёный собрал информацию о семейном анамнезе у своих пациентов и выявил соотношение 3:1 (доминантное/рецессивное) в затронутых семьях, которое соответствовало менделевским принципам наследования.
Он отметил, что поражённые люди выделяют гомогентизиновую кислоту в моче как результат расщепления пищевых белков. Гаррод постулировал, что болезнь была вызвана дефектом ферментативного пути — «врождённая ошибка в метаболизме». Это было также первым предположением, что гены могут кодировать ферменты.
Типичными примерами доминирующих черт человека являются:
- тёмный цвет волос и глаз;
- толстые губы;
- большой нос;
- длинные и широкие уши.
Также к этому списку можно добавить такие деформации и заболевания, как лишний палец (полидактилия), эллиптоцитоз, ахондроплазия, врождённый вывих бедра.
Неполное превалирование
Работы по проблемам наследственности показали, что доминантность не универсальна, и есть много примеров неполного доминирования, в котором гены аллеломорфной пары выражают себя частично, когда присутствуют вместе в гибриде. Это значит, что гетерозиготы (Aa) являются фенотипически промежуточными между двумя гомозиготными типами (AA x aa). Например, если красные растения Snapdragon скрещиваются с белыми растениями Snapdragon, все гибриды F1 имеют розовые цветы. Третий фенотип является результатом того, что цветы гетерозиготы имеют меньше красного пигмента, чем красные гомозиготы.
Разведение гибридов F1 даёт потомство F2 с фенотипическим соотношением от 1 красного до 2 розового к 1 белому. При неполном доминировании мы можем отличить гетерозиготы от двух гомозиготных сортов. При этом генотипические и фенотипические соотношения для поколения F2 одинаковы, 1: 2: 1. Разделение аллелей красного и белого в гаметах, продуцируемых растениями с розовыми цветами, подтверждают, что гены цвета цветка являются наследственными факторами, которые поддерживают их идентификацию в гибридах, то есть наследование является частичным.
Если кратко, то неполное доминирование — это вид наследования аллельных генов, когда при скрещивании организмов с двумя разными фенотипами (AA x aa) получается потомство с третьим фенотипом, который представляет собой смешение (Aa) родительских признаков. Оно проявляется, когда взаимодействующие ферменты немного различаются по своей активности.
У людей вариантами признаков неполного доминантного наследования являются размер носа, выраженность губ, размер рта и глаз, расстояние между глазами, типы волос (прямые, волнистые), а такие наследственные расстройства (атаксия Фридрейха, цистинурия).
Кодомирование и множественный аллелизм
Кодоминирование в биологии представляет собой разновидность генного взаимодействия, при котором гетерозиготы экспрессируют оба доминирующих фенотипа. У человека примером является AB система крови типа ABO.
Гетерозигота полностью экспрессирует оба аллеля. Индивидуумы группы крови продуцируют антигены как А, так и В. Поскольку ни A, ни B не являются доминирующими над другими, и они оба доминируют над O, они, как говорят, являются доминантными.
В некоторых случаях ген может существовать во многих альтернативных аллелях. Например, если он отвечает за цвет глаз у плодовой мушки дрозофилы, то может существовать в 20 альтернативных аллелях. Эти формы гена происходят из-за мутации одного дикого типа.
Когда более двух аллельных форм расположены в одном и том же локусе в данной паре хромосом, они представляют собой ряд множественных аллелей. И если существует 4 или более возможных фенотипа для определённого признака, тогда в популяции должно существовать более 2 аллелей для этого признака.
Другим примером множества аллелей эпистатических генов является наследование окраски шерсти у домашних кроликов. У кроликов окрас шерсти определяется 4 аллелями. Доминирующий аллель С вызывает полный окрас шерсти. Рецессивные гомозиготы имеют белую (альбиносную) окраску шерсти.
Однако есть некоторые аллели этого гена, имеющие собственный фенотип в гомозиготном состоянии:
- шиншилла (cchcch);
- гималайская (chch).
Аллель cch является доминантным по отношению к аллелям ср и C и в то же время является рецессивным по отношению к аллелю C. Как и аллель cch, аллель ch является доминантным по отношению к аллелю С и является рецессивным по отношению к аллелю cch. Таким образом, доминирование является относительным свойством генов.
В популяции людей одним из примеров множественного аллелизма является наследование групп крови АВО с участием трёх аллелей (I, IA, IB). Некоторые признаки контролируются гораздо большим количеством аллелей. Система человеческого HLA (генный комплекс гистосовместимости), которая отвечает за идентификацию и отторжение инородных тканей в нашем организме, может иметь по меньшей мере 30 000 000 различных генотипов.
Генное супердоминирование
Сверхдоминирование — это своего рода взаимодействие генов, при котором фенотипическая экспрессия гетерозиготного состояния превышает фенотип гомозиготного доминантного состояния.
Примером чрезмерного господства является феномен гетерозиса, то есть превосходства над родителями по продуктивности, плодовитости, энергии роста и жизнеспособности. Такое явление возникает в результате общего эффекта сходного действия гетерогенных генетических процессов.
Летальное действие
Гены, которые становятся причиной смерти людей, называются смертельными или летальными. Летальные аллели могут быть доминантными и рецессивными. При скрещивании гетерозиготных носителей ожидаемое соотношение оказывается равным 2: 1, поскольку присутствие летального гена в гомозиготном состоянии часто приводит к эмбриональной смерти на ранних стадиях развития.
У людей проявлениями действий летальных аллелей являются брахидактилия (доминантный признак), наследственное нарушение синтеза гемоглобина (талассемия) и серповидноклеточная анемия.
