12.2: Характеристика та риси

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1841

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

Навички для розвитку

Поясніть взаємозв'язок між генотипами і фенотипами в домінантних і рецесивних генних системах
Розробити квадрат Пуннетта для обчислення очікуваних пропорцій генотипів та фенотипів у моногібридному кросі
Поясніть призначення і методи тестового хреста
Визначте неменделівські моделі спадкування, такі як неповне домінування, кодомінування, рецесивні летальні випадки, множинні алелі та статеві зв'язки

Сім характеристик, які Мендель оцінював у своїх горохових рослинам, були виражені як одна з двох версій або рис. Фізична експресія характеристик здійснюється через експресію генів, що переносяться на хромосомах. Генетичний склад гороху складається з двох подібних або гомологічних копій кожної хромосоми, по одній від кожного з батьків. Кожна пара гомологічних хромосом має однаковий лінійний порядок генів. Іншими словами, горох є диплоїдними організмами в тому, що у них є по дві копії кожної хромосоми. Те ж саме стосується багатьох інших рослин і практично для всіх тварин. Диплоїдні організми використовують мейоз для отримання гаплоїдних гамет, які містять по одній копії кожної гомологічної хромосоми, які об'єднуються при заплідненні, щоб створити диплоїдну зиготу.

У випадках, коли один ген контролює одну характеристику, диплоїдний організм має дві генетичні копії, які можуть або не можуть кодувати ту саму версію цієї характеристики. Варіанти генів, які виникають мутацією і існують в одних і тих же відносних місцях на гомологічних хромосомах, називаються алелями. Мендель досліджував успадкування генів лише з двома формами алелів, але зазвичай зустрічається більше двох алелів для будь-якого даного гена в природній популяції.

Фенотипи і генотипи

Два алелі для даного гена в диплоїдному організмі виражаються і взаємодіють для отримання фізичних характеристик. Спостережувані риси, виражені організмом, відносять до його фенотипу. Основний генетичний склад організму, що складається як з фізично видимих, так і невиражених алелів, називається його генотипом. Експерименти з гібридизації Менделя демонструють різницю між фенотипом і генотипом. Коли справжні рослини, в яких один з батьків мав жовті стручки, а у одного - зелені стручки, були перехресно запліднені, всі гібридні нащадки F ₁ мали жовті стручки. Тобто гібридні потомства були фенотипічно ідентичні істинному батькові з жовтими стручками. Однак ми знаємо, що алель, подарований батьком із зеленими стручками, не був просто втрачений, оскільки він знову з'явився у деяких потомств F ₂. Тому рослини F ₁ повинні були генотипічно відрізнятися від батьківських жовтих стручків.

Рослини P ₁, які Мендель використовував у своїх експериментах, були гомозиготними за ознакою, яку він вивчав. Диплоїдні організми, які є гомозиготними в даному гені або локусі, мають два однакових алелі для цього гена на своїх гомологічних хромосомах. Батьківські рослини гороху Менделя завжди виводилися істинними, оскільки обидві вироблені гамети мали одну і ту ж рису. Коли рослини P ₁ з контрастними ознаками були перехресно запліднені, все потомство було гетерозиготним для контрастної ознаки, що означає, що їх генотип відображає, що вони мали різні алелі для досліджуваного гена.

Домінантні та рецесивні алелі

Наше обговорення гомозиготних та гетерозиготних організмів підводить нас до того, чому гетерозиготні потомства F ₁ були ідентичні одному з батьків, а не виражали обидва алелі. У всіх семи характеристиках горохових рослин один з двох контрастних алелів був домінуючим, а інший - рецесивним. Мендель назвав домінантний алель вираженим одиничним фактором; рецесивний алель називався латентним одиничним фактором. Тепер ми знаємо, що ці так звані одиничні фактори насправді є генами на гомологічних хромосомних парах. Для гена, який виражений домінантним і рецесивним малюнком, гомозиготні домінантні і гетерозиготні організми будуть виглядати ідентично (тобто у них будуть різні генотипи, але однаковий фенотип). Рецесивний алель буде спостерігатися тільки у гомозиготних рецесивних особин (табл.\(\PageIndex{1}\)).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Спадкування людини в домінантних та рецесивних моделах
домінантні риси	рецесивні риси
Ахондроплазія	Альбінізм
брахідактилія	муковісцидоз
Хвороба Хантінгтона	М'язова дистрофія Дюшенна
синдром Марфана	Галактоземія
нейрофіброматоз	Фенілкетонурія
Пік вдови	Серповидно-клітинна анемія
Шерстяне волосся	Хвороба Тея-Сакса

Існує кілька умовностей щодо позначення генів та алелів. Для цілей цієї глави ми будемо скорочувати гени, використовуючи першу літеру відповідної домінантної ознаки гена. Наприклад, фіалка є домінуючою ознакою кольору квітки горохової рослини, тому ген квітки буде скорочено як V (зауважте, що прийнято курсивом виділяти позначення генів). Крім того, ми будемо використовувати великі та малі літери для представлення домінантних та рецесивних алелів відповідно. Тому ми б називали генотип гомозиготної домінантної рослини гороху з фіолетовими квітками як VV, гомозиготна рецесивна рослина гороху з білими квітками як vv та гетерозиготна рослина гороху з фіолетовими квітками як Vv.

Підхід Punnett Square для моногібридного хреста

Коли запліднення відбувається між двома справжніми батьками, які відрізняються лише однією характеристикою, процес називається моногібридним схрещуванням, а отримане потомство - моногібридами. Мендель виконав сім моногібридних схрещувань за участю контрастних рис для кожної характеристики. На підставі своїх результатів в поколіннях F ₁ і F ₂ Мендель постулював, що кожен батько в моногібридному кросі вніс один з двох парних одиничних факторів кожному потомству, і кожна можлива комбінація одиничних факторів була однаково вірогідною.

Щоб продемонструвати моногібридний хрест, розглянемо випадок справжніх рослин гороху з насінням жовтого проти зеленого гороху. Домінуючим кольором насіння є жовтий, тому батьківськими генотипами були YY для рослин з жовтим насінням та yy для рослин із зеленим насінням відповідно. Квадрат Пуннетта, розроблений британським генетиком Реджинальдом Паннеттом, може бути намальований, який застосовує правила ймовірності для прогнозування можливих результатів генетичного кросу або спаровування та їх очікуваних частот. Щоб підготувати квадрат Пуннетта, всі можливі комбінації батьківських алелів перераховані вздовж верхньої (для одного з батьків) та збоку (для іншого батька) сітки, представляючи їх мейотичну сегрегацію на гаплоїдні гамети. Потім комбінації яйцеклітини та сперми складаються в коробках таблиці, щоб показати, які алелі поєднуються. Потім кожна коробка представляє диплоїдний генотип зиготи або заплідненої яйцеклітини, який може виникнути в результаті цього спарювання. Оскільки кожна можливість однаково вірогідна, генотипові співвідношення можна визначити з квадрата Пуннетта. Якщо відома модель успадкування (домінантна або рецесивна), можна також зробити висновок про фенотипічні співвідношення. Для моногібридного схрещування двох істинних батьків кожен з батьків вносить один вид алелей. При цьому можливий тільки один генотип. Все потомство Yy і мають жовті насіння (рис.\(\PageIndex{1}\)).

На цій ілюстрації зображений моногібридний хрест. У поколінні P один з батьків має домінантний жовтий фенотип і генотип YY, а інший батько має рецесивний зелений фенотип і генотип yy. Кожен з батьків виробляє один вид гамет, в результаті чого генерування F_ {1} з домінуючим жовтим фенотипом і генотипом Yy. Самозапилення покоління F_ {1} призводить до генерації F_ {2} з співвідношенням 3 до 1 жовтого горошку до зеленого горошку. Одна з трьох рослин жовтого гороху має домінантний генотип YY, а 2 з 3 мають гетерозиготний фенотип Yy. Гомозиготна рецесивна рослина має зелений фенотип і генотип yy. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): У поколінні P рослини гороху, які істинно розмножуються для домінуючого жовтого фенотипу, схрещуються з рослинами з рецесивним зеленим фенотипом. Цей хрест виробляє гетерозиготи F ₁ з жовтим фенотипом. Квадратний аналіз Пуннетта може бути використаний для прогнозування генотипів покоління F ₂.

Самохрест одного з гетерозиготних потомств Yy може бути представлений у квадраті Punnett 2 × 2, оскільки кожен батько може пожертвувати один з двох різних алелей. Тому потомство потенційно може мати одну з чотирьох комбінацій алелів: YY, Yy, yy або yy (рис.\(\PageIndex{1}\)). Зверніть увагу, що існує два способи отримання генотипу Yy: a Y з яйцеклітини та a y від сперматозоїда, або a y з яйцеклітини та A Y зі сперматозоїда. Обидві ці можливості необхідно враховувати. Нагадаємо, що горохово-рослинні характеристики Менделя поводилися так само і у взаємних схрещуваннях. Тому дві можливі гетерозиготні комбінації дають потомство, яке є генотипично та фенотипічно ідентичним, незважаючи на домінантні та рецесивні алелі, що походять від різних батьків. Вони згруповані між собою. Оскільки запліднення є випадковою подією, ми очікуємо, що кожна комбінація буде однаково вірогідною і для потомства буде демонструвати співвідношення генотипів YY: Yy: yy 1:1 (рис.\(\PageIndex{1}\)). Крім того, оскільки потомство YY та Yy має жовте насіння і фенотипічно ідентичні, застосовуючи правило ймовірності суми, ми очікуємо, що потомство буде демонструвати фенотипічне співвідношення 3 жовтих:1 зелений. Дійсно, працюючи з великими розмірами вибірки, Мендель спостерігав приблизно це співвідношення в кожному поколінні F ₂, отримане в результаті схрещування за індивідуальними ознаками.

Мендель підтвердив ці результати, виконавши хрест F ₃, в якому він самостійно перетнув домінантні та рецесивно-експресивні рослини F ₂. Коли він самостійно схрещував рослини, що виражають зелене насіння, все потомство мало зелене насіння, що підтверджує, що всі зелені насіння мають гомозиготні генотипи yy. Коли він самостійно перетнув рослини F ₂, що виражають жовте насіння, він виявив, що третина рослин розведена істинно, а дві третини рослин відокремлюються при співвідношенні 3:1 жовтий:зелене насіння. При цьому істинно селекційні рослини мали гомозиготні (YY) генотипи, тоді як сегрегуючі рослини відповідали гетерозиготному (Yy) генотипу. Коли ці рослини самозапліднювалися, результат був подібним до самозапліднюючого хреста F ₁.

Тестовий хрест відрізняє домінантний фенотип

Окрім прогнозування потомства помітного між відомими гомозиготними або гетерозиготними батьками, Мендель також розробив спосіб визначити, чи є організм, що виражав домінантну рису, гетерозиготою чи гомозиготою. Називається тестовим кросом, ця методика досі використовується селекціонерами рослин і тварин. У тестовому хресті домінантно-експресивний організм схрещується з організмом, який є гомозиготним рецесивним для тієї ж характеристики. Якщо домінуючим експресивним організмом є гомозигота, то все потомство F ₁ будуть гетерозиготами, що виражають домінуючу рису (рис.\(\PageIndex{2}\)). Крім того, якщо домінуючим експресивним організмом є гетерозигота, потомство F ₁ демонструватиме співвідношення гетерозигот та рецесивних гомозигот 1:1 (рис.\(\PageIndex{2}\)). Тестовий хрест додатково підтверджує постулат Менделя про те, що пари одиничних факторів розділяються однаково.

У тестовому кросі батько з домінантним фенотипом, але невідомим генотипом схрещується з рецесивним батьком. Якщо батько з невідомим фенотипом є гомозиготною домінантою, все отримане потомство матиме хоча б один домінантний алель. Якщо батько з невідомим фенотипом гетерозиготний, п'ятдесят відсотків потомства успадкують рецесивний алель від обох батьків і матиме рецесивний фенотип. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Тестовий хрест може бути виконаний, щоб визначити, чи є організм, що виражає домінантну ознаку, гомозиготою або гетерозиготою.

Вправа

У горохових рослин круглий горох (R) домінує до зморшкуватого гороху (r). Ви робите тестовий помісь між гороховою рослиною з зморшкуватим горохом (генотип rr) та рослиною невідомого генотипу, яка має круглий горох. У підсумку ви отримуєте три рослини, всі з яких мають круглий горох. З цих даних ви можете сказати, чи є материнська рослина круглого гороху гомозиготним домінантним або гетерозиготним? Якщо материнська рослина круглого гороху гетерозиготна, яка ймовірність того, що випадковий зразок 3 гороху потомства буде круглим?

Відповідь: Ви не можете бути впевнені, що рослина гомозиготна або гетерозиготна, оскільки набір даних занадто малий: випадково всі три рослини могли придбати лише домінантний ген, навіть якщо присутній рецесивний. Якщо батько круглого гороху гетерозиготний, існує вірогідність однієї восьмої, що випадкова вибірка з трьох потомських горошин буде круглим.

Багато захворювань людини передаються генетично у спадок. Здорова людина в сім'ї, в якій деякі члени страждають рецесивним генетичним розладом, може захотіти знати, чи є у неї ген, що викликає захворювання, і який ризик передати розлад своєму потомству. Звичайно, робити тестовий хрест у людей неетично і непрактично. Замість цього генетики використовують племінний аналіз для вивчення схеми успадкування генетичних захворювань людини (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Це родовід сім'ї, яка несе в собі рецесивний розлад алкаптонурія. У другому поколінні у непостраждалої матері та постраждалого батька троє дітей. Одна дитина має розлад, тому генотип матері повинен бути Аа, а генотип батька - аа. Одна дитина, яка не постраждала, продовжує мати двох дітей, одного постраждалого та одного не постраждалого. Оскільки її чоловік не постраждав, вона і її чоловік повинні бути гетерозиготними. Генотип їх неураженої дитини невідомий, і позначається А?. У третьому поколінні інша неуражена дитина не мала потомства, тому його генотип також невідомий. Постраждала дитина третього покоління продовжує мати одну дитину з розладом. Її чоловік не постраждав і має маркування «3». Перше покоління батька страждає і має маркування «1». Мати першого покоління не постраждала і має маркування «2». Питання вправи задає генотип трьох пронумерованих особин. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Алкаптонурія - це рецесивне генетичне захворювання, при якому дві амінокислоти, фенілаланін і тирозин, не метаболізуються належним чином. Уражені особи можуть мати потемнілу шкіру та коричневу сечу, а також можуть страждати пошкодження суглобів та інші ускладнення. У цьому родоводу особини з розладом позначені синім кольором і мають генотип аа. Неуражені особини позначені жовтим кольором і мають генотип АА або Аа. Відзначимо, що часто можна визначити генотип людини по генотипу їх потомства. Наприклад, якщо жоден з батьків не має розладу, але їхня дитина, вони повинні бути гетерозиготними. Дві особини на родоводу мають неуражений фенотип, але невідомий генотип. Оскільки вони не мають розладу, вони повинні мати принаймні один нормальний алель, тому їх генотип отримує «А? » позначення.

Вправа

Які генотипи у особин з маркуванням 1, 2 і 3?

Відповідь: Індивід 1 має генотип аа. Індивід 2 має генотип Аа. Індивід 3 має генотип Аа.

Альтернативи домінування та рецесивності

Досліди Менделя з рослинами гороху припустили, що: (1) для кожного гена існують дві «одиниці» або алелі; (2) алелі зберігають свою цілісність у кожному поколінні (без змішування); і (3) у присутності домінантного алеля рецесивний алель прихований і не вносить ніякого внеску в фенотип. Тому рецесивні алелі можуть «переноситися» і не виражатися окремими особами. Таких гетерозиготних особин іноді називають «носіями». Подальші генетичні дослідження інших рослин і тварин показали, що існує набагато більша складність, але фундаментальні принципи менделівської генетики все ще відповідають дійсності. У наступних розділах ми розглянемо деякі розширення Менделізму. Якби Мендель вибрав експериментальну систему, яка виявляла ці генетичні складності, можливо, він би не зрозумів, що означають його результати.

Неповне домінування

Результати Менделя, що риси успадковуються як домінантні та рецесивні пари, суперечили думці того часу, що потомство демонструвало поєднання рис своїх батьків. Однак фенотип гетерозиготи іноді виявляється проміжним між двома батьками. Наприклад, у левиного зів, Antirrhinum majus (рис.\(\PageIndex{4}\)), щось середнє між гомозиготним батьком з білими квітками (C ^W C ^W) і гомозиготним батьком з червоними квітками (C ^R C ^R) дасть потомство з рожевим квіти (C ^R C ^W). (Зверніть увагу, що для менделівських розширень використовуються різні генотипові скорочення, щоб відрізнити ці закономірності від простого домінування та рецесивності.) Ця модель успадкування описується як неповне домінування, що позначає вираження двох контрастних алелей таким чином, що індивід проявляє проміжний фенотип. Алель для червоних квітів неповністю домінує над алелем для білих квітів. Однак результати самосхрещування гетерозиготи все ще можна передбачити, як і при менделівських домінантних і рецесивних хрестах. У цьому випадку генотипічне співвідношення становило б 1 C ^{R C R}^{: 2} C R ^C W: 1 ^C ^W, ^а фенотипічне співвідношення становило б 1:2: 1 для червоного: рожевого: білого.

Фото левиний зів з рожевою квіткою. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ці рожеві квіти гетерозиготного левиного зів є наслідком неповного домінування. (Кредит: «магазин буккеброуз» /Flickr)

Кодомінантність

Варіацією неповного домінування є кодомінантність, при якій обидва алелі для однієї і тієї ж характеристики одночасно виражаються в гетерозиготі. Прикладом кодомінантності є МН групи крові людини. M і N алелі виражаються у вигляді M або N антигену, присутнього на поверхні еритроцитів. Гомозиготи (L ^M L ^M і L ^{N L ^N}) виражають або M, або N алель, а гетерозиготи (L ^M L ^N) виражають обидва алелі однаково. У самоперехресті між гетерозиготами, що виражають кодомінантну рису, три можливі генотипи потомства фенотипічно відрізняються. Однак генотипічне співвідношення 1:2: 1, характерне для моногібридного кросу Менделя, все ще застосовується.

Множинні алелі

Мендель мав на увазі, що для даного гена можуть існувати лише два алелі, один домінантний і один рецесивний. Тепер ми знаємо, що це надмірне спрощення. Хоча окремі люди (і всі диплоїдні організми) можуть мати лише два алелі для даного гена, множинні алелі можуть існувати на рівні популяції таким чином, що спостерігається багато комбінацій двох алелів. Зверніть увагу, що коли існує багато алелів для одного гена, умовність полягає в позначенні найбільш поширених фенотипу або генотипу серед диких тварин як дикого типу (часто скорочено «+»); це вважається стандартом або нормою. Всі інші фенотипи або генотипи вважаються варіантами цього стандарту, що означає, що вони відхиляються від дикого типу. Варіант може бути рецесивним або домінуючим до аллелю дикого типу.

Прикладом множинних алелей є забарвлення шерсті у кроликів (рис.\(\PageIndex{5}\)). Тут існує чотири алелі для гена c. Версія дикого типу, C ^{+ C ⁺}, виражається у вигляді коричневого хутра. Фенотип шиншили, c ^{ch c ^ch}, виражається у вигляді білого хутра з чорними кінчиками. Гімалайський фенотип, c ^{h c ^h}, має чорне хутро на кінцівках і біле хутро в іншому місці. Нарешті, альбінос, або «безбарвний» фенотип, cc, виражається як біле хутро. У випадках множинних алелів можуть існувати ієрархії домінування. При цьому аллель дикого типу домінує над усіма іншими, шиншила неповністю домінує над гімалайським і альбіносом, а над альбіносом домінує гімалайська. Ця ієрархія, або алельний ряд, була виявлена шляхом спостереження за фенотипами кожного можливого потомства гетерозигот.

На цій ілюстрації показані чотири різні варіанти кольору шерсті у кроликів на алелі c. Генотип CC виробляє фенотип дикого типу, який є коричневим. Генотип c^ {ch} c^ {ch} виробляє фенотип шиншили, який представляє собою біле хутро з чорними кінчиками. Генотип c^ {h} c^ {h} виробляє гімалайський фенотип, який білий на тілі і чорний на кінцівках. Генотип cc виробляє рецесивний фенотип, який є білим — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Для гена кольору кролячої шерсті (C) існують чотири різні алелі.

Повне домінування фенотипу дикого типу над усіма іншими мутантами часто виникає як ефект «дозування» конкретного генного продукту, таким чином, що алель дикого типу забезпечує правильну кількість генного продукту, тоді як мутантні алелі не можуть. Для алельних серій у кроликів аллель дикого типу може поставляти задану дозу пігменту хутра, тоді як мутанти постачають меншу дозу або взагалі немає. Цікаво, що гімалайський фенотип є результатом алеля, який виробляє чутливий до температури генний продукт, який виробляє пігмент лише в більш прохолодних кінцівках тіла кролика.

Як варіант, один мутантний алель може бути домінуючим над усіма іншими фенотипами, включаючи дикий тип. Це може статися, коли мутантний алель якимось чином заважає генетичному повідомленню, так що навіть гетерозигота з однією копією аллелів дикого типу висловлює мутантний фенотип. Один із способів, яким мутантний алель може втручатися, - це посилення функції генного продукту дикого типу або зміна його розподілу в організмі. Одним із прикладів цього є мутація Antennapedia у дрозофіли (рис.\(\PageIndex{6}\)). В цьому випадку мутантний алель розширює розподіл генного продукту, і в результаті гетерозигота Antennapedia розвиває ноги на голові там, де повинні бути її вусики.

На цій фотографії зображені дрозофіли, у яких на голові звичайні вусики, і мутант, який має ноги на голові. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Як видно при порівнянні *дрозофіли* дикого типу (зліва) та мутанта *Antennapedia* (праворуч), мутант *Antennapedia* має ноги на голові замість вусиків.

Еволюція зв'язку: множинні алелі надають стійкість до наркотиків у паразитів малярії

Малярія - це паразитарне захворювання у людини, яке передається інфікованими самками комарів, включаючи Anopheles gambiae (рис.\(\PageIndex{7}\) А), і характеризується циклічною високою температурою, ознобом, грипоподібними симптомами та важкою анемією. Plasmodium falciparum і P. vivax є найбільш поширеними збудниками малярії, а P. falciparum - найбільш смертельними (рис.\(\PageIndex{7}\) б). При своєчасному і правильному лікуванні малярія P. falciparum має смертність 0,1 відсотка. Однак у деяких куточках світу паразит розвинув стійкість до широко використовуваних методів лікування малярії, тому найефективніші методи лікування малярії можуть відрізнятися залежно від географічного регіону.

На фото а зображений комар Anopheles gambiae, який переносить малярію. На фото б показана мікрофотографія серповидного Plasmodium falciparum, паразита, який викликає малярію. Плазмодій становить близько 0,75 мкм в поперечнику. — (а)

У Південно-Східній Азії, Африці та Південній Америці P. falciparum розробив стійкість до протималярійних препаратів хлорохін, мефлохін та сульфадоксин-піриметамін. P. falciparum, який є гаплоїдним протягом життєвого етапу, в якому він заразний для людини, еволюціонував множинні стійкі до наркотиків мутантні алелі гена dhps. Різні ступені резистентності сульфадоксину пов'язані з кожним з цих алелів. Будучи гаплоїдним, P. falciparum потребує лише одного лікарсько-стійкого алелю, щоб висловити цю рису.

У Південно-Східній Азії різні сульфадоксинорезистентні алелі гена dhps локалізуються в різних географічних регіонах. Це поширене еволюційне явище, яке відбувається тому, що стійкі до наркотиків мутанти виникають у популяції і схрещуються з іншими ізолятами P. falciparum в безпосередній близькості. Сульфадоксин-резистентні паразити викликають значні людські труднощі в регіонах, де цей препарат широко використовується як безрецептурний засіб від малярії. Як це часто трапляється з патогенами, які розмножуються до великої кількості протягом циклу інфекції, P. falciparum розвивається відносно швидко (протягом десятиліття або близько того) у відповідь на селективний тиск зазвичай використовуваних протималярійних препаратів. З цієї причини вчені повинні постійно працювати над розробкою нових препаратів або комбінацій препаратів для боротьби з всесвітнім тягарем малярії. ¹

Х-зв'язані риси

У людини, як і у багатьох інших тварин і деяких рослин, стать особини визначається статевими хромосомами. Статеві хромосоми - це одна пара негомологічних хромосом. До цих пір ми розглядали лише шаблони успадкування серед нестатевих хромосом або аутосом. Крім 22 гомологічних пар аутосом, у самок людини є гомологічна пара Х-хромосом, тоді як чоловічі чоловіки мають XY-хромосомну пару. Хоча Y-хромосома містить невелику область подібності з Х-хромосомою, щоб вони могли спаровуватися під час мейозу, Y-хромосома набагато коротша і містить набагато менше генів. Коли досліджуваний ген присутній на Х-хромосомі, але не на Y-хромосомі, він, як кажуть, є X-зв'язаним.

Колір очей у дрозофіли був однією з перших Х-зв'язаних рис, які були ідентифіковані. Томас Хант Морган зіставив цю рису з Х-хромосомою в 1910 році. Як і люди, самці дрозофіл мають пару XY хромосом, а самки - XX. У мух колір очей дикого типу червоний (X ^W) і він домінує до білого кольору очей (X ^w) (рис.\(\PageIndex{8}\)). Через розташування гена кольору очей реципрокні схрещування не дають однакових співвідношень потомства. Кажуть, що самці є гемізиготними, оскільки у них є лише один алель для будь-якої Х-зв'язаної характеристики. Гемізиготність робить описи домінування та рецессивності неактуальними для чоловіків XY. У самців дрозофіл відсутня друга копія алелів на Y-хромосомі; тобто їх генотип може бути лише X ^W Y або X ^w Y. На відміну від цього, самки мають дві алельні копії цього гена і можуть бути X ^W X ^W, Х ^Ш ^{х ш}, або Х ^ш х ^ш.

На фото зображено шість плодових мушок, кожна з яких має різний колір очей. — Малюнок\(\PageIndex{8}\): У *дрозофіл* ген кольору очей розташований на Х-хромосомі. За годинниковою стрілкою зверху ліворуч бурий, кіновар, сепія, верміліон, білий та червоний. Червоний колір очей дикого типу і домінує до білого кольору очей.

У Х-зчепленому хресті генотипи потомства F ₁ і F ₂ залежать від того, чи була виражена рецесивна риса самцем або самкою в поколінні P ₁. Що стосується кольору очей дрозофіли, то коли у P ₁ самець виражається фенотип білоочей, а самка гомозиготна червоноока, у всіх представників покоління F ₁ проявляються червоні очі (рис.\(\PageIndex{9}\)). Самки F ₁ гетерозиготні (X ^{W X ^w}), а самці - X ^W Y, отримавши свою Х-хромосому від гомозиготної домінантної жінки P ₁ та їх Y-хромосому від чоловічої статі P ₁. Подальший хрест між X ^W X ^w самцем і X ^W Y самцем буде виробляти лише червонооких самок (з X ^W X ^W або X ^W)X ^w генотипи) і як червоно-, так і білоокі самці (з генотипами X ^W ^{Y або X w} Y). Тепер розглянемо щось середнє між гомозиготною білоокою самкою і самцем з червоними очима. Покоління F ₁ демонструвало б лише гетерозиготних червонооких самок (X ^W ^{X w}) і лише білооких самців (X ^w Y). Половина самок F ₂ була б червоноокою (X ^W X ^w), а половина - білоочима (X ^w X ^w). Аналогічно, половина чоловіків F ₂ була б червоноокою (X ^W Y), а половина - білоочима (X ^w Y).

На цій ілюстрації показано квадратний аналіз Punnett кольору очей плодових мух, що є ознакою, пов'язаною з статтю. Червоноокий самець плодової мушки з генотипом X^ {w} Y схрещується з білоокою самкою плодової мушки з генотипом X^ {w} X^ {w}. Все жіноче потомство набуває домінантний W алель від батька і рецесивний w алель від матері, і тому є гетерозиготною домінантою з червоним кольором очей. Все чоловіче потомство набуває рецесивний алель w від матері та Y-хромосому від батька і тому є гемізиготними рецесивними з білим кольором очей. — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Квадратний аналіз Пуннетта використовується для визначення співвідношення потомства від щось середнє між червонооким самцем дрозофіли і білоокою самкою дрозофіли.

Вправа

Яке співвідношення потомства буде результатом помісту білоокого самця та самки, гетерозиготного для червоного кольору очей?

Відповідь: Половина жіночого потомства була б гетерозиготною (X ^W X ^w) з червоними очима, а половина - гомозиготним рецесивом (X ^w X ^w) з білими очима. Половина чоловічого потомства була б гемізиготною домінантою (X ^W Y) з червоним так, а половина - гемізиготним рецесивним (X ^w Y) з білими очима.

Відкриття в генетиці плодових мух можуть бути застосовані до генетики людини. Коли батька-жінка гомозиготна для рецесивної Х-зв'язаної ознаки, вона передасть цю рису до 100 відсотків свого потомства. Тому її чоловічому потомству судилося висловити рису, оскільки вони успадкують Y-хромосому свого батька. У людини алелі при певних станах (деякі форми дальтонізму, гемофілії та м'язової дистрофії) є Х-зчепленими. Самки, які є гетерозиготними для цих захворювань, як кажуть, є носіями і не можуть проявляти ніяких фенотипічних ефектів. Ці самки передадуть хворобу половині своїх синів і передадуть статус носія половині своїх дочок; тому рецесивні Х-зв'язані риси частіше з'являються у чоловіків, ніж у жінок.

У деяких групах організмів зі статевими хромосомами стать з негомологічними статевими хромосомами є самка, а не чоловіча. Це стосується всіх птахів. В цьому випадку статеві риси будуть частіше з'являтися у самки, у яких вони гемізиготні.

Розлади, пов'язані з сексом людини

Дослідження статевих зв'язків в лабораторії Моргана надали основи для розуміння Х-пов'язаних рецесивних розладів у людей, які включають червоно-зелену кольорову сліпоту та гемофілію типів А та В. Оскільки чоловічим чоловікам потрібно успадкувати лише один рецесивний мутантний X алель, щоб бути ураженим, Х-пов'язані розлади непропорційно спостерігаються у чоловіків. Жінки повинні успадкувати рецесивні Х-зв'язані алелі від обох своїх батьків, щоб висловити рису. Коли вони успадковують один рецесивний Х-зв'язаний мутантний алель та один домінантний алель дикого типу, вони є носіями ознаки і, як правило, не впливають. Самки носіїв можуть проявляти легкі форми ознаки внаслідок інактивації домінантного алеля, розташованого на одній з Х-хромосом. Однак жінки-носії можуть сприяти рисі своїм синам, в результаті чого син проявляє рису, або вони можуть внести рецесивний алель своїм дочкам, в результаті чого дочки є носіями ознаки (Малюнок\(\PageIndex{10}\)). Хоча існують деякі рецесивні розлади, пов'язані з Y, як правило, вони пов'язані з безпліддям у чоловіків і тому не передаються наступним поколінням.

Діаграма показує неураженого батька з домінуючим алелем і неуражену матері-носієм з Х-зв'язаним рецесивним алелем. Чотири фігури потомства показані, що представляють різні результуючі генетичні комбінації: неуражений син, неуражена дочка, постраждалий син та непостраждала дочка носія. — Малюнок\(\PageIndex{10}\): Син жінки, яка є носієм рецесивного X-пов'язаного розладу, матиме 50-відсотковий шанс постраждати. Дочка не постраждає, але у неї буде 50-відсотковий шанс бути носієм, як її мати.

Посилання на навчання

Перегляньте це відео, щоб дізнатися більше про риси, пов'язані з сексом.

Летальність

Велика частка генів у геномі людини має важливе значення для виживання. Іноді нефункціональний алель для есенціального гена може виникнути мутацією і передаватися в популяції до тих пір, поки особи з цим алелем також мають функціональну копію дикого типу. Аллель дикого типу функціонує на потужності, достатньої для підтримки життя, і тому вважається домінуючим над нефункціональним алелем. Однак розглянемо двох гетерозиготних батьків, які мають генотип дикого типу/нефункціонального мутанта для гіпотетичного есенціального гена. В одній чверті їхнього потомства ми очікуємо спостерігати за особами, які є гомозиготними рецесивними для нефункціонального алелю. Оскільки ген є важливим, ці люди можуть не розвинути минуле запліднення, померти внутрішньоутробно або померти пізніше в житті, залежно від того, на якій життєвій стадії потрібен цей ген. Схема успадкування, при якій алель є летальним лише в гомозиготній формі і в якій гетерозигота може бути нормальною або мати якийсь змінений нелетальний фенотип, називається рецесивним летальним.

Для схрещування гетерозиготних особин з рецесивним летальним алелем, який викликає смерть до народження при гомозиготних, спостерігалися б лише гомозиготи дикого типу та гетерозиготи. Таким чином, генотипичне співвідношення становитиме 2:1. В інших випадках рецесивний летальний алель також може проявляти домінантний (але не смертельний) фенотип у гетерозиготі. Наприклад, рецесивний летальний кучерявий алель у дрозофіли впливає на форму крила у формі гетерозиготи, але смертельний у гомозиготи.

Єдиного екземпляра аллеля дикого типу не завжди достатньо для нормального функціонування або навіть виживання. Домінуючою смертельною схемою успадкування є той, при якому алель є летальним як у гомозиготи, так і у гетерозиготи; цей алель може передаватися лише в тому випадку, якщо фенотип летальності настає після репродуктивного віку. Особи з мутаціями, що призводять до домінантних летальних алелів, не виживають навіть у формі гетерозиготи. Домінантні летальні алелі дуже рідкісні, оскільки, як ви могли очікувати, алель триває лише одне покоління і не передається. Однак, так само, як рецесивний летальний алель може не відразу проявити фенотип смерті, домінантні летальні алелі також можуть не виражатися до повноліття. Після того, як індивід досягає репродуктивного віку, алель може бути несвідомо переданий, що призводить до затримки смерті в обох поколіннях. Прикладом цього у людини є хвороба Хантінгтона, при якій нервова система поступово відходить (рис.\(\PageIndex{11}\)). Люди, які є гетерозиготними для домінуючого аллеля Хантінгтона (Hh), неминуче розвинуть смертельну хворобу. Однак початок хвороби Гентінгтона може статися не до 40 років, і в цей момент постраждалі, можливо, вже передали алель 50 відсоткам свого потомства.

На мікрофотографії зображений нейрон з ядерними включеннями, характерними для хвороби Гентінгтона. — Малюнок\(\PageIndex{11}\): Нейрон в центрі цієї мікрофотографії (жовтий) має ядерні включення, характерні для хвороби Гентінгтона (помаранчева область в центрі нейрона). Хвороба Хантінгтона виникає, коли присутній аномальний домінантний алель для гена Хантінгтона. (кредит: Доктор Стівен Фінкбейнер, Інститут неврологічних захворювань Гладстона, Центр досліджень хвороб Гентінгтона Таубе-Корет та Каліфорнійський університет Сан-Франциско (Вікімедіа)

Резюме

Коли істинно розмножуються або гомозиготні особини, що відрізняються певною ознакою, схрещуються, все потомство буде гетерозиготами за цією ознакою. Якщо риси успадковуються як домінантні та рецесивні, потомство F ₁ буде демонструвати той самий фенотип, що і батьківський гомозиготний для домінуючої ознаки. Якщо ці гетерозиготні потомства самосхрещуються, отримане потомство F ₂ буде однаково ймовірно успадкувати гамети, що несуть домінантну або рецесивну ознаку, породжуючи потомство, з яких одна чверть є гомозиготною домінантою, половина - гетерозиготними, а одна чверть - гомозиготними рецесивними. Оскільки гомозиготні домінантні та гетерозиготні особини фенотипічно ідентичні, спостережувані риси у потомства F ₂ виявлять співвідношення трьох домінантних до одного рецесиву.

Алелі не завжди поводяться в домінантних і рецесивних закономірностях. Неповне домінування описує ситуації, в яких гетерозигота проявляє фенотип, який є проміжним між гомозиготними фенотипами. Кодомінантність описує одночасну експресію обох алелей в гетерозиготі. Хоча диплоїдні організми можуть мати лише два алелі для будь-якого даного гена, зазвичай існує більше двох алелів гена в популяції. У людини, як і у багатьох тварин і деяких рослин, самки мають дві Х-хромосоми, а самці - одна X і одна Y-хромосома. Гени, які присутні на X, але не Y-хромосомі, як кажуть, є Х-зв'язаними, таким чином, що чоловіки успадковують лише один алель для гена, а жінки успадковують два. Нарешті, деякі алелі можуть бути смертельними. Рецесивні летальні алелі є летальними лише у гомозигот, але домінантні летальні алелі є смертельними і у гетерозигот.

Виноски

1 Суміті Вінаяк та ін., «Походження та еволюція сульфадоксинорезистентного Plasmodium falciparum,» Публічна бібліотека наукових патогенів 6, № 3 (2010): e1000830, дої:10.1371/journal.ppat.1000830.

Глосарій

алель: варіації генів, які виникають мутацією і існують в однакових відносних місцях на гомологічних хромосомах

аутосоми: будь-яка з нестатевих хромосом

співдомінування: в гетерозиготі повне і одночасне вираження обох алелей для однієї і тієї ж характеристики

домінантний летальний: схема успадкування, при якій алель смертельний як у гомозиготи, так і у гетерозиготи; цей алель може передаватися лише в тому випадку, якщо фенотип летальності настає після репродуктивного віку

генотип: основний генетичний склад, що складається як з фізично видимих, так і невиражених алелів організму

гемізиготний: наявність лише одного алеля для характеристики, як у Х-зчеплення; гемізиготність робить описи домінування та рецесивності неактуальними

гетерозиготний: мають два різних алелі для даного гена на гомологічній хромосомі

гомозиготний: мають два однакових алелі для даного гена на гомологічній хромосомі

неповне домінування: у гетерозиготи експресія двох контрастних алелей таким чином, що індивід відображає проміжний фенотип

моногібридний: результат перехресного між двома батьками, які виражають різні риси лише для однієї характеристики

фенотипу: спостережувані риси, виражені організмом

Площа Паннетта: візуальне зображення щось середнє між двома особинами, в якому гамети кожної особини позначаються уздовж верхньої та бічної частини сітки відповідно, а можливі зиготичні генотипи рекомбінуються в кожній коробці сітки

рецесивний летальний: схема успадкування, при якій алель є летальним лише в гомозиготній формі; гетерозигота може бути нормальною або мати якийсь змінений, нелетальний фенотип

пов'язане з сексом: будь-який ген на статевій хромосомі

тестовий хрест: перехресний між домінантною експресивною особиною з невідомим генотипом та гомозиготною рецесивною особиною; фенотипи потомства вказують, чи є невідомий батько гетерозиготним або гомозиготним для домінантної ознаки

Х-зчеплений: ген присутній на X, але не Y-хромосомі