Взаимодействие генов

Взаимодействие генов
Ген – последовательность нуклеотидов (участок ДНК), которой может быть приписана определенная функция в организме.
Аллель – одна из двух или более альтернативных форм гена, каждая из которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов; распознаются фенотипически, в общем случае – при сравнении их нуклеотидных последовательностей.
Аллельные гены - гены, определяющие альтернативное развитие одного и того же признака и расположенные в идентичных участках гомологических хромосом.
Любой диплоидный организм, будь то растение,
животное или человек, содержит в каждой клетке
два аллеля любого гена.
Исключение составляют половые клетки – гаметы.
Неаллельные гены — гены, расположенные или
в неидентичных локусах гомологичных хромосом,
или в разных парах гомологичных хромосом.

Взаимодействие аллельных генов
Полное доминирование — это вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот не отличается от фенотипа гомозигот по доминанте, то есть в фенотипе гетерозигот присутствует продукт доминантного гена (наследование окраски семян гороха);
Неполное доминирование — фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву и имеет среднее (промежуточное) значение между ними (наследование окраски цветков ночной красавицы);
Кодоминирование — вид взаимодействия аллельных генов, при котором фенотип гетерозигот отличается как от фенотипа гомозигот по доминанте, так и от фенотипа гомозигот по рецессиву, и в фенотипе гетерозигот присутствуют продукты обоих генов (наследование систем групп крови ABO, MN)
Cверхдоминирование - это такое взаимодействие аллельных генов, при котором в гетерозиготном состоянии доминантный аллель проявляет себя намного ярче, чем у доминантной гомозиготы.
Аллельным исключением называется процесс, при котором в диплоидной клетке экспрессируется лишь один аллель гена, в то время как экспрессия другого гена подавлена.
Аллельное исключение наиболее часто встречается у генов, кодирующих поверхностные клеточные рецепторы, и наиболее подробно изучено для клеток иммунной системы — В-лимфоцитов. При созревании В-лимфоцитов успешная V(D)J рекомбинация гена, кодирующего тяжёлую цепь иммуноглобулина, на одной хромосоме приводит к тому, что в другой хромосоме V(D)J перестройка блокируется. В случае неуспешной перестройки в одной хромосоме, происходит перестройка в гомологичной хромосоме. Если перестройка генов в обеих хромосомах не заканчивается успехом, клетка погибает.
В результате аллельного исключения все антигенные рецепторы одного лимфоцита имеют одинаковую последовательность аминокислот в вариабельных доменах тяжёлых цепей. Так как специфичность антигенсвязывающего участка определяется как вариабельным участком тяжёлой цепи, так и вариабельным участком лёгкой цепи, закодированным в соответствующем локусе генома, В-лимфоциты, имеющие одинаковые продукты рекомбинации тяжелых цепей, будут скорее всего отличаться из-за различий в генах легких цепей.

Взаимодействие неаллельных генов
Комплементарность — вид взаимодействия неаллельных генов, при котором признак формируется в результате суммарного сочетания продуктов их доминантных аллелей (наследование цвета волос).
Комплементарные гены – два или более неаллельных генов, фенотипическое проявление которых необходимо для выражения одного признака организма.
Эпистаз — взаимодействие двух неаллельных генов, при котором один из них (эпистатичный ген) подавляет фенотипическое проявление другого гена. Ген-подавитель называют эпистатичным (эпистатическим), подавляемый ген —гипостатичным (гипостатическим). Если эпистатичный ген доминантный, то эпистаз также называется доминантным. Если эпистатичный ген рецессивный, то эпистаз называется рецессивным.
Криптомерия – взаимодействие генов по типу «проявления». Для того, чтобы аллели одной пары генов проявили своё действие фенотипически, нужен дополнительный ген-проявитель эффекта.
Полимерия — это вид взаимодействия двух и более пар неаллельных генов, доминантные аллели которых однозначно влияют на развитие одного и того же признака. Полимерное действие генов может быть кумулятивным и некумулятивным.

Комплементарное взаимодействие генов
Классическим примером комплементарного взаимодействия генов является наследование формы гребня у кур.
При скрещивании кур, имеющих розовидный и гороховидный гребни, все первое поколение имеет ореховидный гребень.
При скрещивании гибридов первого поколения у потомков наблюдается расщепление по форме гребня: 9/16 – ореховидных, 3/16 – розовидных, 3/16 – гороховидных, 1/16 – листовидных.
Генетический анализ показал, что куры
с розовидным гребнем имеют генотип
A_bb, с гороховидным – генотип aaB_,
с ореховидным – генотип A_B_,
с листовидным – генотип aabb.
То есть развитие розовидного гребня
происходит в том случае, если в генотипе
имеется только один доминантный ген «А»,
гороховидного - если в генотипе имеется
только один доминантный ген «В»,
сочетание доминантных аллелей генов «А» и «В»
обусловливает проявление ореховидного гребня,
а сочетание рецессивных аллелей обоих генов
отвечает за проявление листовидной формы
гребня (генотип aabb).

Комплементарное взаимодействие генов
Ореховидный
гребень
Гороховидный
гребень
Розовидный
гребень
Листовидный
гребень
Фенотипический радикал – часть генотипа организма, которая определяет его фенотип. Для генотипов ААВВ, АаВВ, AaBb, AABb фенотипическим радикалом будет А_В_.
Кооперация – появление новообразований при совместном действии двух доминантных неаллельных генов, когда в гомозиготном или гетерозиготном состоянии развивается новый признак, отсутствующий у родительских форм (например, наследование формы гребня у кур).
9:3:3:1

Комплементарное взаимодействие генов

Комплементарное взаимодействие генов
Комплементарное действие генов наиболее четко проявляется, когда скрещиваются белые формы некоторых животных (кур) или растений (душистого горошка, белого клевера, кукурузы), а в потомстве появляются окрашенные формы.
При скрещивании двух рас душистого горошка с белыми цветками в F1 формируются растения с пурпурной окраской.
При самоопылении этих растений в F2 наблюдается
отклонение от менделевского расщепления:
9/16 растений имеют цветки с пурпурной окраской,
7/16 – с белой окраской.
белые1
белые2
пурпурные
пурпурные
пурпурные
9:7(3+3+1)
7

Комплементарное взаимодействие генов
темно-синие
темно-синие

Комплементарное взаимодействие генов
При скрещивании черной и белой мышей в F1 все потомство будет иметь серую окраску шерсти «агути» (дикий тип).
Во втором поколении будет наблюдаться расщепление: 9/16 – агути, 9/16 – черные, 4/16 – белые.
А – пигмент
а – нет эффекта
В – ген распределения
пигмента
b – нет эффекта
А_В_ - окраска «агути»
(комплементарное взаи-
модействие генов)
9:3:4(3+1)
черные
черные
белые
белые
агути
агути

Комплементарное взаимодействие генов
9:6(3+3):1

Комплементарное взаимодействие генов
9:3:3:1 – по отдельности доминантные аллели генов отвечают за «свои признаки», присутствие обоих доминантных аллелей обусловливает новый фенотип. Рецессивные гомозиготы также дают «свой» фенотип. Такой тип взаимодействия генов называется «кооперация».
9:7(3+3+1) – по отдельности доминантные аллели генов и рецессивные дигомозиготы не дают проявиться признаку (нет эффекта; белые цветки/плоды или альбиносы), признак проявляется только при наличии обоих доминантных аллелей генов.
9:3:4(3+1) – доминантный аллель одного гена отвечает за наличие признака (пигмента), доминантный аллелль другого гена отвечает за его распределение, присутствие обоих доминантных аллелей обусловливает новый фенотип. У особей-гомозигот по первому гену признак проявляться не будет совсем (альбиносы, если признак «наличие пигмента»).
9:6(3+3):1 – по отдельности доминантные аллели генов отвечают за фенотипи-чески схожие признаки, присутствие обоих доминантных аллелей обусловливает новый фенотип. Рецессивные гомозиготы также дают «свой» фенотип.

Криптомерия
(взаимодействие по типу проявления)
Некоторые гены не проявляют своего действия фенотипически до тех пор, пока не происходит их взаимодействия с другими (неаллельными) генами. Такой тип взаимодействия генов называется «криптомерия». Ген, присутствие которого необходимо в генотипе, чтобы признак проявился, называется геном-проявителем.
Криптомерия – взаимодействие неаллельных комплементарных генов, при котором признак обнаруживается в фенотипе только в том случае, когда в генотипе объединены все ответственные за его формирование гены, т.е. присутствует и аллель, определяющий фенотип, и аллель (как правило, доминантный) гена-проявителя.
Расщепление в F2 при данном типе взаимодействия наблюдается в соотношении:
Например, при скрещивании двух форм растения льна с розовыми и белыми цветками в F1 все потомство имело голубые цветки. Во втором поколении наблюдалось расщепление: 9 – голубые : 3 – розовые : 4 – белые.
А – голубая окраска цветков;
а – розовая окраска цветков;
В – ген-проявитель;
b – нет эффекта;
Аллели «А» и «а» проявляются
только совместно с аллелем «В».
_ _ bb – белая окраска;
Р (1,2): ааВВ х АAbb
g: aB Ab
F1: AaBb
F2: 9A_B_; 3aaB_; 3A_bb; 1aabb
9:3:4
розовые
голубые
белые
белые
белые
розовые
голубые
9:3:4

Криптомерия
(взаимодействие по типу проявления)
Пример: У льна доминантный аллель отвечает за голубую окраску цветков, рецессивный аллель – за розовую окраску цветков. Известно, что голубая окраска цветков проявляется только в том случае, когда данный аллель взаимодействует с другим доминантным аллелем гена-проявителя. При скрещивании двух форм растения льна с розовыми и белыми цветками в F1 все потомство имело голубые цветки. Во втором поколении наблюдалось расщепление: 9 – голубые : 3 – розовые : 4 – белые. Определите генотипы исходных растений.

Эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
Эпистаз – тип неаллельного взаимодействия, при котором один ген подавляет фенотипическое проявление другого гена, неаллельного ему. При этом «дикий» тип не восстанавливается.
Ген, подавляющий проявление других неаллельных генов называется ген-ингибитор или супрессор (I > A, a).
При эпистатическом взаимодействии двух несцепленных генов расщепление в F2 может быть двух типов:
12 : 3 : 1 (доминантный ген-ингибитор (I) и рецессивный аллель другого гена имеют различные фенотипические эффекты).
13 : 3 (доминантный ген-ингибитор (I) и рецессивный аллель основного гена имеют одинаковый фенотипический эффект);
В строгом смысле эпистаз всегда доминантный, но также выделяют и так называемый рецессивный эпистаз, когда супрессором является рецессивная гомозигота гена-ингибитора (ii). При этом в F2 наблюдается расщепление 9:3:4. (Вспомните наследование окраски у домовых мышей.)
Двойной рецессивный эпистаз – взаимное подавление рецессивными аллелями фенотипических проявлений доминантных аллелей противоположных генов (bb > A; aa > B). Расщепление в F2 9:7 (проявление пурпурной окраски при скрещивании двух белых линий душистого горошка).

Доминантный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
Примером доминантного эпистаза с расщеп-лением в F2 12:3:1 является взаимодействие генов, определяющих масть лошадей.
Ген В в доминантном состоянии определяет вороную масть, а в рецессивном (b) – рыжую. Ген С в доминантном состоянии определяет
серую масть (вызывает раннее поседение лошадей), подавляя действие доминантного и рецессивного аллеля гена В.
Рецессивная форма гена С (генотип сс) раннего поседения волоса не вызывает, т.е. не дает эффекта ингибитора («нет эффекта»).
В результате действия гена-подавителя С,
масть лошадей становится серой независимо от аллельного состояния гена В (ВВ, Вb, bb).
Поэтому от скрещивания серых лошадей генотипа ВВСС с рыжими (bbcc), в F1 рождается серое потомство (BbCc).
В F2 будет расщепление 12 – серых, 3 – вороных, 1 – рыжие.

Доминантный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
Пример: доминантный ген C (вызывает раннее поседение, вследствие чего волос становится серым) серой масти лошади подавляет проявление другой пары генов, определяющих масть (B – вороную, b – рыжую). При скрещивании жеребца серой масти с рыжей кобылой все потомство в первом поколении будет иметь серую масть. При дальнейшем скрещивании гибридов первого поколения в F2 будет наблюдаться расщепление 12:3:1 (серые : вороные : рыжие).
B – вороная масть;
b – рыжая масть;
С – ингибитор (С > B, b);
серая масть
с – нет эффекта ингибитора.
Р (1,2): BBСС х bbсс
g: BС bс
F1: BbCс
F2: 9B_С_; 3bbС_; 3B_сс; 1bbсс
вороные
серые
рыжие
рыжие
серые
серые
серые
12 : 3 : 1

Доминантный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
Аналогичным образом наследуется окраска плодов тыквы. При скрещивании растения с белой окраской плодов с растением с зеленой окраской плодов, все гибриды первого поколения имели плоды белой окраски. Во втором поколении происходит расщепление в соотношении: 12 частей плодов белой окраски, 3 части – желтой, 1 часть – зеленой.
А – желтый цвет плодов;
а – зеленый цвет плодов;
I – ингибитор (I > A, a);
i – нет эффекта ингибитора.
___________________________
P(1,2): AAII x aaii
g: A I a i
F1: AaIi
F2: 9A_ I_; 3 aa I_; 3A_ ii; 1aaii
аaii/зел
AAII/бел
AaIi/бел
9 A_I_
3 aa I_
бел
3A_ ii
жёл
1 aa ii
зел
Р (1,2):
F1:
F2:
зелен
желт
бел
бел
бел
зел
бел
12:3:1

Доминантный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
… или окраски свиней.
При скрещивании черных и белых свиней из разных пород в F1 появляются исключительно белые потомки. Их скрещивание между собой приводит к расщеплению по окраске во втором поколении в соотношении 12/16 – белых поросят, 3/16 – черных поросят и 1/16 часть красных поросят.
Все белые поросята имеют минимум один доминантный аллель гена-подавителя I.
Черные поросята гомозиготны по рецессивному аллелю гена-подавителя (ii), не препятствующему формированию окраски и несут доминантный аллель Е, детерминирующий образование черного пигмента.
Красные поросята (eeii) лишены доминантного аллеля гена-подавителя I и доминантного гена, определяющего черную окраску.
12:3:1
Е – черная окраска;
е – красная окраска;
I – ингибитор (I > Е, е);
i – нет эффекта ингибитора.

Доминантный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
Расщепление 13 : 3 при доминантном эпистазе наблюдается, когда доминантный ингиби- тор (I) и рецессивный аллель основного гена имеют одинаковый фенотипический эффект;
Например, таким образом происходит наследование окраски оперения у кур. При скрещивании гомозиготных по двум парам аллельных генов белых кур, все F1 было белым, а во втором поколении произошло расщепление по фенотипу 13 белых : 3 окрашенных
Ген С детерминирует синтез пигмента
(гипостатический ген); C – окрашенные перья; сс – нет эффекта; белая окраска.
Ген I ингибирует действие гена С
(эпистатический ген); ii – нет эффекта.
Белые куры имели генотипы:
9/16 C_ I_ ; 3/16 cc I_; 1/16 cc ii.
Окрашенные куры имели генотип
3/16 C_ ii.

Рецессивный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
В строгом смысле эпистаз всегда доминантный, но также выделяют и так называемый рецессивный эпистаз, когда супрессором является рецессивная гомозигота гена-ингибитора (ii). При этом в F2 наблюдается
расщепление 9:3:4 (похоже на криптомерию).
Например, у лука доминантный ген C определяет наличие цвета у луковиц (cc – белые луковицы), а ген Y (y) – окраску луковиц (красный цвет доминирует над желтым).
Скрестили между собой растения с красными и белыми луковицами.
В первом поколении все луковицы оказались красными.
Во втором поколении произошло расщепление: 9/16 частей луковиц оказались красными, 3/16 – желтыми, 4/16 – белыми.
Р (1,2): YYCC x yycc
g: YC yc
F1: YyCc
F2: 9Y_C_; 3yyC_; 3Y_cc; 1yycc
красн
красн
красн
бел
бел
бел
жёлт
12:3:4
Y – красный цвет луковиц;
y – желтый цвет луковиц;
С – наличие пигмента;
сс – белые луковицы; супрессор.

Рецессивный эпистаз
(взаимодействие по типу подавления)
При скрещивании черной и белой мышей в F1 все потомство будет иметь серую окраску шерсти «агути» (дикий тип).
Во втором поколении будет наблюдаться расщепление: 9/16 – агути, 9/16 – черные, 4/16 – белые.
Данное явление можно рассматривать не только с позиции комплементарного взаимодействия генов, но и с позиции рецессивного эпистаза.
И тогда можно обозначить:
А – пигмент;
аа - супрессор;
В – неравномерное распре-
деление пигмента;
b – равномерное распре-
деление пигмента;
______________________
А_В_ - окраска «агути»
аа_ _- белые.
9:3:4(3+1)

Двойной рецессивный эпистаз
Примером одновременного комплементарного взаимодействия генов и двойного рецессивного эпистаза является наследование окраски цветков у душистого горошка при скрещивании изначально белых чистых линий.
При самоопылении этих растений в F2 наблюдается
отклонение от менделевского расщепления:
оба рецессивных аллеля в гомозиготном состоянии
имеют эпистатическое действие по отношению к
доминантному аллелю другого гена; 9/16 растений
из F2 будут иметь цветки с пурпурной окраской,
7/16 – с белой окраской.
.
белые1
белые2
пурпурные
пурпурные
пурпурные
9:7(3+3+1)
7

Наследование альбизизма
Альбинизмом (от латинского albus — белый) называют врожденное отсутствие пигмента меланина, придающего окраску коже, волосам, а также радужной и пигментной оболочке глаз. Это явление встречается и у людей, и у животных. Но до сих пор ученые не в состоянии объяснить некоторые загадки альбиносов.
Специалисты предполагают, что альбинизм возникает из-за отсутствия или блокады в организме фермента тирозиназы, ответственного за выработку меланина, и что это может быть обусловлено генетически. Однако у некоторых альбиносов с тирозиназой все в порядке.
Вероятнее всего существует две формы альбинизма:
1 – я форма, связанная с врожденным отсутствием пигмента меланина (врожденное отсутствие тирозиназы);
2 – я форма, связанная с наличием гена-ингибитора фермента тирозиназы; люди, у которых выработка меланина блокирована другим геном.
Тип наследования: аутосомно-рецессивный.

(Бомбейский феномен)

Полимерия
Полимерия – формирование признака несколькими парами неаллельных доминантных генов. Чем больше таких генов в генотипе, тем ярче может проявляться признак. Полимерные гены обычно обозначаются одной буквой с нумерацией А1, А2, А3, А4, А5, А6.
Полимерия может быть накопительной (кумулятивной) и ненакопительной (некумулятивной).
Кумулятивная полимерия (суммирующаяся) – степень выраженности фенотипа зависит от числа доминантных аллелей разных генов однозначного действия в генотипе. Если полимерных гена 2, во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 1:4:6:4:1. Если полимерных генов 3, расщепление в F2 имеет вид: 1:6:15:20:15:6:1. Если полимерных генов 4 – 1:8:28:56:70:56:28:8:1. Чем больше полимерных генов, тем сложнее характер расщепления и больше число фенотипи-ческих классов, но различия между фенотипическими классами уменьшаются.
Некумулятивная полимерия – для полной выраженности фенотипа достаточно одного доминантного аллеля из полимерных генов. Количество доминантных аллелей не влияет на степень выраженности признака (наследование по типу «всё или ничего»). При этом во втором поколении при действии двух полимерных генов наблюдается расщепление по фенотипу 15:1.

Некумулятивная полимерия
15:1

Кумулятивная полимерия
При кумулятивной (накопительной) полимерии степень проявления признака зависит от суммарного действия нескольких генов. Чем больше доминантных аллелей генов, тем сильнее выражен тот или иной признак. Расщепление в F2 по фенотипу при дигибридном скрещивании происходит в соотношении 1:4:6:4:1.
По типу кумулятивной полимерии наследуются многие количественные признаки (рост, цвет, длина, урожайность, плодовитость и т.д.).
Например, цвет кожи человека определяется
двумя полимерными генами (А1, А2) и от
количества доминантных аллелей, определя-
ющих темный цвет кожи («А»), окраска кожи
может варьировать от белой (отсутствие
доминантных аллелей или 0 «А») до негроид-
но-черной (максимальное количество (4 «А»)
доминантных аллелей). Промежуточными
вариантами при смешанных браках будут
светлые мулаты (1 «А»), средние мулаты или
просто мулаты (2 «А») и темные мулаты
(3 «А»).
а1а1а2а2
белый
А1а1а2а2
а1а1А2а2
светлый
мулат
А1А1а2а2
А1а1А2а2
а1а1А2А2
мулат
(средний)
А1А1А2а2
А1а1А2А2
темный
мулат
А1А1А2А2
негр

Кумулятивная полимерия

Кумулятивная полимерия
1 (4А)
4 (3А)
6 (2А)
4 (1А)
1 (0А)

Кумулятивная полимерия
Число возможных комбинаций гамет, образующих зиготы в F2: 4 n
Минимальная необходимая совокупность особей в F2, в которой реализуются все возможные фенотипы (включая оба крайних родительских): 4 n
Частота особей крайнего (родительского) фенотипического класса в F2: (1/4)n
Ожидаемая частота (доля) особей каждого фенотипического класса (на примере аддитивного действия двух полимерных генов):
Р1,2: А1А1А2А2 Х а1а1а2а2
F1: А1а1А2а2 (n = 2, 42 = 16 – число возможных комбинаций гамет в F2 и минимальное количество потомков второго поколения, в которой реализуются все возможные фенотипы)
F2: 0А : 1А : 2А : 3А : 4А (5 фенотипических классов в соотношении 1:4:6:4:1)
Частота особей крайних родительских фенотипов (0А и 4А) = (1/4)2 = 1/16.
Частота особей с фенотипом 1A = 1 * 4/1 = 4 (4/16)
Частота особей с фенотипом 2A = 4 * 3/2 = 6 (6/16)
Частота особей с фенотипом 3A = 6 * 2/3 = 4 (4/16)
Частота особей с фенотипом 4A = 4 * 1/4 = 1 (1/16)
__________________________________________________________________
n – число генов в генотипе особи, находящихся в гетерозиготном состоянии;
Для определения частоты/доли особи в следующем фенотипическом классе, необходимо долю особей из предыдущего фенотипического класса умножить на соотношение между числом доминантных аллелей в определяемом фенотипическом классе (записывается в знаменатель) и «остатком» (от общего числа фенотипических классов вычитают число доминантных аллелей в данном классе; записывается в числитель).