2.3: Плейотропія та летальні алелі

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Вступ

З експериментів Менделя ви можете уявити, що всі гени контролюють одну характеристику і впливають на якийсь нешкідливий аспект зовнішнього вигляду організму (наприклад, колір, висота або форма). Ці прогнози вірні для деяких генів, але, безумовно, не всі з них! Наприклад:

Генетичне захворювання людини під назвою синдром Марфана викликається мутацією в одному гені, але він впливає на багато аспектів росту та розвитку, включаючи висоту, зір та функцію серця. Це приклад плейотропії, або одного гена, що впливає на кілька характеристик.
Посередок між двома гетерозиготними жовтими мишами виробляє жовтих і коричневих мишей у співвідношенні 2:1, а не 3:1. Це приклад летальності, при якій певний генотип робить організм нездатним вижити.

У цій статті ми докладніше розглянемо плейотропні гени і летальні алелі, побачивши, як ці варіації правил Менделя вписуються в наше сучасне розуміння успадкування.

плейотропія

Коли ми згадували про експерименти Менделя з фіолетовими та білоквітковими рослинами, ми не обговорювали жодних інших фенотипів, пов'язаних з двома кольорами квітів. Однак Мендель зауважив, що забарвлення квітки завжди корелювала з двома іншими ознаками: кольором насіннєвої оболонки (покриття насіння) і кольором пазух (стиків, де листя зустрічалися зі стеблом) ^1,2.

У рослин з білими квітками насіннєві оболонки і пазухи були безбарвними. У рослин з фіолетовими квітами, з іншого боку, насіннєві оболонки були коричнево-сірими, а пазухи - червонуватими. Таким чином, замість того, щоб впливати лише на одну характеристику, ген кольору квітки насправді вплинув на три.

Такі гени, які контролюють множинні, здавалося б, не пов'язані між собою ознаки, кажуть, що плейотропні (pleio - = багато, - тропічні = ефекти) ¹. Тепер ми знаємо, що ген кольору квітки Менделя визначає білок, який спричиняє виготовлення кольорових частинок або пігментів ². Цей білок працює в декількох різних частинок рослини гороху (квіти, насіннєва оболонка та пазухи листя). Таким чином, здавалося б, не пов'язані фенотипи можна простежити до дефекту одного гена з кількома робочими місцями.

Проста схематична ілюструє плейотропію. При плейотропії один ген впливає на множинні ознаки (ознака 1, ознака 2, ознака 3). Підпис: Один ген впливає на кілька характеристик. — *На основі аналогічної діаграми Інгрід Лобо* ¹.

Важливо відзначити, що алелі плейотропних генів передаються так само, як і алелі генів, які впливають на поодинокі ознаки. Хоча фенотип має множинні елементи, ці елементи вказуються як пакет, а домінантний і рецесивний версії пакета з'являться у потомства двох гетерозигот у співвідношенні 3:1.

Плейотропія при генетичних порушеннях людини

Гени, уражені генетичними порушеннями людини, часто є плейотропними. Наприклад, люди зі спадковим розладом під назвою синдром Марфана можуть мати набір, здавалося б, не пов'язаних між собою симптомів, включаючи наступні ^1,3:

Незвично високий зріст
Тонкі пальці рук і ніг
Вивих кришталика ока
Проблеми з серцем (при яких аорта, велика кровоносна судина, що несе кров від серця, випирає або розривається).

Ці симптоми не здаються безпосередньо пов'язаними, але, як виявляється, всі вони можуть бути простежені до мутації одного гена. Цей ген кодує білок, який збирається в ланцюги, роблячи еластичні фібрили, які надають міцність і гнучкість сполучним тканинам організму ⁴. Мутації, що викликають синдром Марфана, зменшують кількість функціонального білка, що виробляється організмом, в результаті чого утворюється менше фібрил.

Як ідентичність цього гена пояснює спектр симптомів? Наші очі та аорти зазвичай містять багато фібрил, які допомагають підтримувати структуру, саме тому ці два органи уражені синдромом Марфана ⁵. Крім того, фібрили служать «полицями для зберігання» для факторів росту. Коли їх менше при синдромі Марфана, фактори росту не можуть бути відкладені і, таким чином, викликають надлишковий ріст (що призводить до характерного високого, тонкого статури Марфана) ⁴.

летальність

Для алелей, які вивчав Мендель, однаково можна було отримати гомозиготні домінантні, гомозиготні рецесивні та гетерозиготні генотипи. Тобто жоден з цих генотипів не вплинув на виживання рослин гороху. Однак це стосується не всіх генів і всіх алелів.

Багато генів в геномі організму необхідні для виживання. Якщо алель робить один з цих генів нефункціональним, або змушує його приймати аномальну, шкідливу діяльність, отримати живий організм з гомозиготним (а в деяких випадках навіть гетерозиготним) генотипом може виявитися неможливим.

Приклад: Жовта миша

Класичним прикладом алеля, який впливає на виживання, є смертельний жовтий алель, спонтанна мутація у мишей, яка робить їх пальто жовтими. Цей алель був виявлений приблизно на рубежі 20 століття французьким генетиком Люсьєном Куено, який помітив, що він успадкований за незвичайним малюнком ^6,7.

Коли жовтих мишей схрещували зі звичайними мишами агуті (коричневими), вони давали наполовину жовте і наполовину коричневе потомство. Це припускало, що жовті миші були гетерозиготними, і що жовтий алель був домінуючим до агуті алелю, $A$ . $A^Y$ Але коли дві жовті миші схрещувалися між собою, вони дали жовте і коричневе потомство в співвідношенні 2:1, а жовте потомство не розмножилося істинним (були гетерозиготними). Чому це було так?

Дві жовті миші (генотип $A^YA$) схрещуються одна з одною. Квадрат Пуннетта для хреста: ||$A^Y$|$A$-|-|-$A^Y$||$A^Y$|$A^Y$ (вмирає як ембріон) |$A^Y$A$ (жовтий) $A$||$A^Y$A $ (жовтий) |$A$A $ (агуті/коричневий) Існує фенотипічне співвідношення 2:1 жовтий:коричневий серед мишей, які доживають до народження.

Як виявилося, це незвичайне співвідношення відображало, що деякі ембріони миші (гомозиготний $A^YA^Y$ генотип) померли дуже рано в розвитку, задовго до народження. Іншими словами, на рівні яйцеклітин, сперми та запліднення кольоровий ген нормально сегрегувався, в результаті чого утворюються ембріони із співвідношенням $A^YA^Y$ 1:2:1 та $AA$ генотипи. $A^YA$ Однак $A^YA^Y$ миші загинули як крихітні ембріони, залишивши співвідношення генотипу та фенотипу 2:1 серед вижили мишей ^7,8.

Такі алелі $A^Y$ , які смертельні, коли вони гомозиготні, але не коли вони гетерозиготні, називаються рецесивними летальними алелями.

[Зачекайте, чи не домінує жовтий колір?]

Смертельний $A^Y$ рецесивний алель також дає домінантний, нелетальний фенотип у гетерозиготи (жовте забарвлення, поряд із проблемами зі здоров'ям, такими як ожиріння, діабет та утворення пухлини). Хитрість полягає в тому, що летальність є рецесивною, хоча колірний фенотип є домінуючим.

Колір жовтої мишачої гетерозиготи корисний, оскільки дозволяє нам відстежувати генотипи, але в багатьох інших випадках рецесивні летальні гени не мають домінантного фенотипу в гетерозиготі. Натомість вони є чисто рецесивними до нормального алелю, що призводить до нормального фенотипу для гетерозиготи та ембріонального летального фенотипу для гомозиготи.

Смертельні алелі та генетичні порушення людини

Деякі алелі, пов'язані з генетичними порушеннями людини, є рецесивними летальними. Наприклад, це стосується алеля, який викликає ахондроплазію, форму карликовості. Людина, гетерозиготна для цього алеля, матиме укорочені кінцівки і низький зріст (ахондроплазія), стан, який не є смертельним. Однак гомозиготність для одного і того ж алеля викликає смерть під час ембріонального розвитку або перших місяців життя, приклад рецесивної летальності ^7,9.

Деякі розлади людини також викликані домінуючими летальними алелями. Це алелі, які викликають смерть, коли вони присутні лише в єдиному екземплярі. Якщо алель призводить до смерті гетерозигот до народження, ми ніколи не побачимо цього алелю в живій людській популяції (а скоріше, як збій імплантації або викидень). Однак якщо домінантний летальний алель дозволяє гетерозиготам пережити минулі пологи, це можна розглядати в популяції як генетичне захворювання.

Насправді, якщо домінантний летальний алель дозволяє людині дожити до репродуктивного віку, він може навіть передаватися дітям. Так відбувається при хворобі Хантінгтона, смертельному генетичному розладі, що вражає нервову систему. Люди з аллелем Хантінгтона неминуче розвивають хворобу, але вони можуть не проявляти жодних симптомів до 40 років і можуть несвідомо передати алель своїм дітям.

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribKhanAcademy

[Атрибуція та посилання]

Зазначення авторства:

Ця стаття є модифікованою похідною від «Характеристики та риси», OpenStax College, біологія (CC BY 3.0). Завантажити оригінал статті безкоштовно можна за адресою http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Змінена стаття ліцензується за ліцензією CC BY-NC-SA 4.0.

Твори цитуються:

Лобо І. Плейотропія: Один ген може впливати на кілька ознак. Освіта природи, 1 (1), 10. Отримано з www.nature.com/scitable/темасторінка/pleiotropy-один-ген-може впливати-множинний-риси-569.
Рейд, Дж. Б. і Росс, Дж. (2011). Гени Менделя: На шляху до повної молекулярної характеристики. Генетика 189 (1), 3-10. Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/#s4title.
Синдром Марфана. У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.
ФБН1. (2015). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.
Синдром Марфана. (2015, 3 листопада). Отримано 21 листопада 2015 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Marfan_syndrome.
Смертельний алель. (2016, 13 липня). Отримано 26 липня 2016 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele#History.
Лобо І. Мендельові співвідношення і летальні гени. Освіта природи, 1 (1), 138. Отримано з http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.
Гріффітс, А.Дж., Гелбарт, В.М., Міллер, Дж., і Левонтін, Р.К. (1999). Взаємодії між алелями одного гена. У сучасному генетичному аналізі. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Фрімен. Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226/#_A824_.
Ахондроплазія. (2015, 12 вересня). Отримано 21 листопада 2015 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Додаткові посилання:

Ахондроплазія. (2015, 12 вересня). Отримано 21 листопада 2015 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Бергманн, Д.К. Генетика конспекти лекцій. Біоскія 41, Стенфорд.

ФБН1. (2015). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.

Гріффітс, А.Дж., Гелбарт, В.М., Міллер, Дж., і Левонтін, Р.К. (1999). Взаємодії між алелями одного гена. У сучасному генетичному аналізі. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Фрімен. Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226.

Смертельний алель. У вільному словнику. Отримано з http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/lethal+allele.

Смертельний алель. (2016, 13 липня). Отримано 26 липня 2016 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele.

Лобо І. Мендельові співвідношення і летальні гени. Освіта природи, 1 (1), 138. Отримано з http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.

Лобо І. Плейотропія: Один ген може впливати на кілька ознак. Освіта природи, 1 (1), 10. Отримано з www.nature.com/scitable/темасторінка/pleiotropy-один-ген-може впливати-множинний-риси-569.

Люсьєн Куено. (2016, 13 лютого). Отримано 26 липня 2016 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Lucien_Cuénot.

Синдром Марфана. У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.

Ріс, Дж. Б., Уррі, Л.А., Каїн, М.Л., Вассерман, С.А., Мінорський, П.В., і Джексон, Р.Б. (2011). Мендель і генна ідея. У біології Кемпбелла (10-е видання, стор. 267-291). Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон.

Рейд, Дж. Б. і Росс, Дж. (2011). Гени Менделя: На шляху до повної молекулярної характеристики. Генетика 189 (1), 3-10. Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/