18.7: Поліморфізми

Last updated
Save as PDF

Page ID: 5925

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Поліморфізм - це генетичний варіант, який з'являється щонайменше у 1% населення. (наприклад, групи крові АВО людини, резус-фактор людини та основний комплекс гістосумісності людини). Встановлюючи відсічення на рівні 1%, він виключає спонтанні мутації, які могли статися в - і поширюватися через нащадків - однієї сім'ї.

Білкові поліморфізми

Всі наведені вище приклади відносяться до білкових продуктів алелей. Їх можна визначити за допомогою серології - тобто за допомогою антитіл для виявлення різних версій білка. (Антитіла викликали злипання еритроцитів у цьому тесті) та електрофорез - якщо зміни амінокислоти в білку змінюють свій чистий електричний заряд, він буде більш-менш швидко мігрувати в електричному полі. Ферменти часто поліморфні. Популяція може містити два або більше варіантів ферменту, закодованого одним локусом. Варіанти трохи відрізняються за своєю амінокислотною послідовністю, і часто це змушує їх по-різному мігрувати під електрофорезом. Обробляючи гель субстратом для ферменту, його присутність можна візуалізувати.

альт — Малюнок 18.7.1 Електрофорез тканин зеленого дерева туману. Люб'язно надано Сьюзен Макалпайн. 4 алелі можна відрізнити за швидкістю, з якою мігрує їх білковий продукт: швидкий (F), помірно швидкий (E), середній (M) та повільний (S)

Електрофорез тканинних екстрактів з 15 різних зелених жаб (Hyla cinerea) виявляє 4 алельних варіанти ферменту аконітази (один з ферментів циклу лимонної кислоти). Результати:

Вісім жаб (#2, 3, 4, 6, 7, 9, 12 і 14) були гомозиготними для алеля М.
Жаба #8 була гомозиготною для алеля Е.
Три жаби (#1, 11, 15) гетерозиготні для алелей M і S.
Два (#5, 13) були гетерозиготними для M і E.
Жаба #10 була гетерозиготною для M і F.

Електрофоретичні варіанти ферменту, що відбуваються в популяції, називаються аллоцимами.

Поліморфізми довжини рестрикційних фрагментів (RFLP)

Білки є генними продуктами, і тому поліморфні версії - це просто відображення алельних відмінностей в гені; тобто алельних відмінностей в ДНК. Часто ці зміни створюють нові - або скасовують старі - ділянки для рестрикційних ферментів для різання ДНК. Травлення ферментом потім виробляє фрагменти ДНК різної довжини. Їх можна виявити за допомогою електрофорезу. Більшість* RFLP створюються зміною одного нуклеотиду в гені, і тому вони називаються однонуклеотидними поліморфізмами (SNP).

Поодинокі нуклеотидні поліморфізми (SNP)

Розробки секвенування ДНК тепер дозволяють легко шукати алельні версії гена шляхом секвенування зразків гена, взятих у різних членів популяції (або від гетерозиготної особи). Алелі, послідовність яких виявляє лише один змінений нуклеотид, називаються однонуклеотидними поліморфізмами або SNP. SNP можуть зустрічатися в некодуючих частинами гена, щоб вони не були помічені в білковому продукті. Вони не можуть змінити місце різання для будь-яких відомих ферментів обмеження, щоб вони не були помічені аналізом RFLP. Станом на жовтень 2005 року в геномі людини було виявлено понад мільйон SNP.

Поліморфізми копії номерів (CNP)

Генетичний аналіз (з використанням чіпів ДНК і FISH) виявив ще один клас поліморфізмів людини. Ці поліморфізми номерів копій є великими (тисячі пар основ) дублювання або видалення, які зустрічаються у одних людей, але не в інших. В середньому одна людина відрізняється від іншого на 11 таких. На більшості хромосом виявлено одну або кілька, і список, ймовірно, неповний. Хоча більша частина цієї ДНК не кодує, функціональні гени вбудовані в деякі з них. Приклад: AMY1, ген, що кодує слинну амілазу, фермент, який перетравлює крохмаль. Люди різняться за кількістю копій AMY1 у своєму геномі.

Популяції, раціон яких багатий крохмалями (наприклад, багато американців, японців) мають в середньому 7 копій гена.
Популяції з низьким вмістом крохмалю дієти (наприклад, кочові племена в Сибіру, в раціоні яких переважають молочні продукти і риба) в середньому всього 5 примірників.

У випадку з AMY1, чим більше екземплярів присутній, тим більше ферменту, який виробляється. Як людина адаптується до зміни числа генів для аутосомних генів, невідомо (на відміну від того, як людські жінки регулюють активність генів на своїх двох Х-хромосомах, щоб відповідати активності чоловіків з їх одиночною Х-хромосомою).

Чим корисні поліморфізми

Аналіз поліморфізму знаходить широке застосування. При типуванні тканин він використовується для пошуку найкращої відповідності між донором, наприклад, нирки та реципієнтом. Він використовується для пошуку генів хвороби (наприклад, ген хвороби Гентінгтона був розташований, коли було встановлено, що наявність захворювання пов'язане з RFLP, розташування якого на хромосомі було відомо). У популяційних дослідженнях він використовується для оцінки ступеня генетичного різноманіття в популяції, включаючи:

Дослідження МакАлпіна, яке дало фото вище, виявило, що гетерозиготні жаби були більш успішними селекціонерами, ніж гомозиготні.
Пошук поліморфізмів у слонових тюленів та гепардів виявив, що їх мало або їх немає.
Визначення того, чи є дві популяції окремими видами або расами одного виду. Це часто має вирішальне значення для застосування законів, що захищають зникаючі види.

Відстеження моделей міграції виду (наприклад, китів).

Як виникають і зберігаються поліморфізми?

Вони виникають шляхом мутації. Але що утримує їх у популяції? Кілька факторів можуть підтримувати поліморфізм у популяції.

Ефект засновника: Якщо популяція почалася з кількох осіб - один або кілька з яких носили певний алель - цей алель може бути представлений у багатьох нащадків. У 1680-х роках Аріаантьє і Герріт Янс емігрували з Голландії до Південної Африки, один з них приніс алель для легкого метаболічного захворювання порфірії. Сьогодні понад 30000 південноафриканців несуть цей алель і, у кожному розглянутому випадку, можуть простежити його до цієї пари - чудовий приклад ефекту засновника.
Генетичний дрейф: Алель може збільшуватися - або зменшуватися - в частоті просто випадково. Далеко не кожен член населення стане батьком і не кожен набір батьків дасть однакову кількість потомства. Ефект, який називається випадковим генетичним дрейфом, особливо сильний у невеликих популяціях (наприклад, 100 племінних пар або менше) і коли алель нейтральний; тобто не є ні корисним, ні шкідливим

Зрештою вся популяція може стати гомозиготною для алеля або - однаково ймовірно - алель може зникнути. Перш ніж настане будь-яка з цих долі, алель являє собою поліморфізм.

Два приклади зниженого поліморфізму через генетичний дрейф:

До 1900 року полювання на північного слона тюленя біля узбережжя Тихого океану скоротило його популяцію лише до 20 вижили. Оскільки полювання закінчилося, популяція відскочила від цього вузького місця популяції до близько 100 000 тварин сьогодні. Однак ці тварини гомозиготні на кожному з досліджених генних локусів.
Гепарди, найшвидші з наземних тварин, схоже, пройшли аналогічний період невеликої чисельності популяції з супутнім йому генетичним дрейфом. Експертиза 52 різних локусів не змогла виявити жодних поліморфізмів; тобто ці тварини є гомозиготними на всіх 52 локусах. Відсутність генетичної мінливості настільки глибока, що гепарди приймуть шкірні трансплантати один від одного так само, як це роблять однакові близнюки (та інбредні штами миші). Чи може популяція з такою малою генетичною різноманітністю продовжувати адаптуватися до мінливого середовища, ще належить з'ясувати.

Природний відбір

Копіювання поліморфізмів

Різноманітна кількість копій гена AMY1 у різних популяціях людини, схоже, виникла внаслідок еволюційного тиску відмінностей у вмісті крохмалю в їх раціоні.

Збалансований поліморфізм

У регіонах світу (наприклад, частини Африки), де поширена малярія, спричинена Plasmodium falciparum, алель серповидноклітинного гемоглобіну також поширений. Це пов'язано з тим, що діти, які успадковують один ген для «нормальної» бета-ланцюга гемоглобіну та одного гена серпа, частіше виживають, ніж гомозигота. Діти, гомозиготні для серповидного алеля, вмирають молодими від серповидно-клітинної хвороби, але діти, гомозиготні для «нормальної» бета-ланцюга, більш сприйнятливі до хвороб та смерті від малярії falciparum, ніж гетерозиготи. Звідси відносно висока частота алеля в малярійних регіонах. Коли природний відбір сприяє гетерозиготам над обома гомозиготами, результатом є збалансований поліморфізм. Це пояснює стійкість алеля, навіть якщо він шкідливий, коли гомозиготний.

Інший приклад: протеїни пріона

Всі людські популяції поліморфні для білка пріона PrP ^C. Він кодується геном білка пріона (PRNP). Два алелі мають різні кодони на позиції 129 - один кодує метіонін; інший валін. Гомозиготність для будь-якого алелю підвищує сприйнятливість до прионних захворювань. Люди, які є гетерозиготними, більш стійкі. Дослідження жінок похилого віку, які пережили епідемію куру першої половини 20 століття (вживання в їжу тканин померлих було заборонено в 1950 році) показало, що 76,7% з них були гетерозиготами. Ця таблиця порівнює частоти генів у цій популяції, а також у популяції, яка ніколи не практикувала моргові бенкети.

Таблиця 1: М - алель, що кодує метіонін; V алель, що кодує валін.
	ММ	МВ	ВВ
Вцілілі	0.133	0,767	0.100
Неекспонований	0,221	0.514	0,264

Швидкий розрахунок покаже, що генофонд підданих жінок широко відхиляється від того, що було б знайдено, якби населення перебувало в рівновазі Харді-Вайнберга. У цьому випадку причиною є сильний відбір смертності. Генофонд неекспонованої популяції близький до знаходження в рівновазі Харді-Вайнберга. Тут, знову ж таки, природний відбір сприяв гетерозиготам над обома гомозиготами (і призвів до припущень про те, що канібалізм, можливо, був поширеним раніше в історії людства).

Природний проти сексуального відбору: збалансований поліморфізм у овець Soay

Хірта - крихітний острів в Північній Атлантиці в 100 милах від північно-західного узбережжя Шотландії. У 1932 році невелика (107) популяція домашніх овець (Овіс Овен) була введена на острів з сусіднього острова Соай. З тих пір цим вівцям було дозволено дичати і з 1985 року інтенсивно вивчаються. У овець є роги, і у самців вони відіграють важливу роль у конкуренції за самок. На розмір рогів сильно впливає один генний локус, RXFP2, з двома алелями: Ho ⁺ і Ho ^P.

Гомозиготні самці Ho ⁺ ^{Ho +} мають найбільші роги і більше потомства, але мають зниження виживання.
Гомозиготні самці Ho ^P ^{Ho P} мають менші роги (іноді навіть рудигіальні роги, звані скарами). Ці самці мають менший успіх у спарюванні, але мають підвищену виживання.
Гетерозиготні самці Ho ⁺ Ho ^P майже такі ж успішні в спарюванні, як і чоловіки Ho ⁺ Ho ⁺, і виживають майже так само добре, як і Ho ^P Ho П самці. Таким чином, гетерозиготи мають більшу загальну придатність, ніж гомозиготи - ще один приклад збалансованого поліморфізму. Він виникає як компроміс між протилежними ефектами природного відбору (виживання) та статевого відбору (репродуктивного успіху) на один генний локус.

Ви можете прочитати про ці знахідки в Джонстоні, Сьюзен. Е., та ін. , Природа 502, 93—95, 3 жовтня 2013.