2.4: Полігенне успадкування та вплив на навколишнє середовище

Як успадковується висота?

Якщо те, що вас дійсно цікавить, - це генетика людини, вивчення генетики Менделя іноді може бути неприємним. Ви часто чуєте, як вчитель використовує людську рису як приклад у генетичній проблемі, але потім скажете: «це спрощення» або «це набагато складніше, ніж це». Отже, що насправді відбувається з тими цікавими людськими рисами, такими як колір очей, колір волосся та шкіри, висота та ризик захворювання?

Як приклад розглянемо людський зріст. На відміну від простої менделівської характеристики, людський зріст відображає:

• Безперервна варіація. На відміну від горохових рослин Менделя, люди не мають двох чітких «високих» та «коротких» сортів. Насправді, вони навіть не приходять у чотири висоти, або вісім, або шістнадцять. Замість цього можна отримати людей різної висоти, а висота може змінюватися з кроком дюймів або частки дюймів ¹.

Висоти групи чоловічих старших класів. Зображення, змінене з "Безперервна варіація: Кількісні риси», Дж. Кімбол (CC BY 3.0)

• Складний шаблон успадкування. Можливо, ви помітили, що високі батьки можуть мати невисоку дитину, у невисоких батьків може бути висока дитина, а двоє батьків різного зросту можуть мати дитину посередині, а можуть і не мати. Крім того, брати і сестри з однаковими двома батьками можуть мати діапазон висот, ті, які не підпадають під різні категорії.

Прості моделі, що включають один або два гени, не можуть точно передбачити всі ці шаблони успадкування. Як же тоді висота успадковується?

Висота і інші подібні особливості контролюються не просто одним геном, а скоріше, множинними (часто багатьма) генами, кожен з яких вносить невеликий внесок у загальний результат. Цей шаблон успадкування іноді називають полігенним успадкуванням (полі - = багато). Наприклад, недавнє дослідження виявило понад 400 генів, пов'язаних з варіацією висоти ².

Коли задіяна велика кількість генів, стає важко розрізнити вплив кожного окремого гена, і ще важче побачити, що варіанти генів (алелі) успадковуються за менделівськими правилами. У додатковому ускладненні висота залежить не тільки від генетики: це також залежить від факторів навколишнього середовища, таких як загальний стан здоров'я дитини і тип харчування він або вона отримує під час дорослішання.

У цій статті ми розглянемо, як успадковуються складні риси, такі як висота. Ми також побачимо, як такі фактори, як генетичний фон та навколишнє середовище, можуть впливати на фенотип (спостережувані ознаки), що виробляються певним генотипом (набір варіантів генів або алелів).

Полігенне успадкування

Людські риси, такі як висота, колір очей та колір волосся, приходять у багатьох дещо різних формах, оскільки вони контролюються багатьма генами, кожен з яких вносить певну кількість у загальний фенотип. Наприклад, є два основних гени кольору очей, але принаймні 14 інших генів, які відіграють роль у визначенні точного кольору очей людини ³.

Дивлячись на реальний приклад людської полігенної ознаки буде ускладнюватися, багато в чому тому, що нам доведеться відстежувати десятки, а то й сотні різних пар алелів (наприклад, 400 беруть участь у висоті!). Однак ми можемо використовувати приклад із ядрами пшениці, щоб побачити, як кілька генів, алелі яких «складаються», щоб впливати на ту саму ознаку, можуть виробляти спектр ^{фенотипів 1,4}.

У цьому прикладі є три гени, які утворюють червонуватий пігмент в зернятках пшениці, які ми будемо називати A, B і C. Кожен складається з двох алелей, один з яких робить пігмент (аллель великої літери), а один з яких ні (малий аллель). Ці алелі мають адитивні ефекти: генотип аа не сприяв би пігменту, генотип Аа сприяв би деяку кількість пігменту, а генотип АА сприяв би більше пігменту (вдвічі більше, ніж Aa). Те ж саме буде справедливо для генів B і C ^1,4.

Діаграма заснована на аналогічній діаграмі В.П. Армстронга ⁵.

Тепер уявімо, що дві рослини гетерозиготні для всіх трьох генів (AABbCC) були схрещені один з одним. Кожна з батьківських рослин мала б три алелі, які утворювали пігмент, що призводить до рожевих ядер. Їх потомство, однак, потрапить на сім кольорових груп, починаючи від жодного пігменту (aabbcc) та білих ядер до великої кількості пігменту (AABBCC) та темно-червоних ядер. Це насправді те, що дослідники бачили при схрещуванні певних сортів пшениці ^1,4.

Цей приклад показує, як ми можемо отримати спектр дещо різних фенотипів (щось близьке до безперервної варіації) лише з трьома генами. Неважко уявити, що, збільшивши кількість задіяних генів, ми зможемо отримати ще більш тонкі варіації кольору або в іншій рисі, наприклад, висоті.

Вплив на навколишнє середовище

Фенотипи людини - і фенотипи інших організмів - також різняться, оскільки на них впливає навколишнє середовище. Наприклад, людина може мати генетичну схильність до недостатньої ваги або ожиріння, але його або її фактична вага буде залежати від дієти і фізичних вправ (при цьому ці фактори часто відіграють більшу роль, ніж гени). В іншому прикладі колір волосся може залежати від ваших генів - поки ви не пофарбуєте волосся фіолетовим!

Один яскравий приклад того, як навколишнє середовище може впливати на фенотип, походить від спадкового розладу фенілкетонурії (ФКУ) ⁶. Людям, які гомозиготні по захворюванню алелі гена ФКУ, не вистачає активності ферменту, який розщеплює амінокислоту фенілаланін. Оскільки люди з цим розладом не можуть позбутися надлишку фенілаланіну, він швидко накопичується до токсичних рівнів у своєму тілі ⁷.

Якщо ФКУ не лікувати, додатковий фенілаланін може утримати мозок від нормального розвитку, що призводить до інтелектуальної інвалідності, судом та розладів настрою. Однак, оскільки ПКУ викликаний накопиченням занадто великої кількості фенілаланіну, його також можна лікувати дуже простим способом: даючи постраждалим дітям та дітям дієту з низьким вмістом фенілаланіну ⁸.

Якщо люди з фенілкетонурією дотримуються цієї дієти строго з самого раннього віку, у них може бути мало, а то і зовсім відсутні симптоми розладу. У багатьох країнах всі новонароджені проходять обстеження на ФКУ та подібні генетичні захворювання незабаром після народження за допомогою простого аналізу крові, як показано на зображенні нижче.

_Image credit: "Тестування фенілкетонурії», Ерік Шелер, Фотографічний архів USAF (суспільне надбання) . _

Змінна експресивність, неповне проникнення

Навіть для характеристик, які контролюються одним геном, люди з однаковим генотипом можуть мати різні фенотипи. Наприклад, у випадку генетичного розладу люди з одним і тим же генотипом захворювання можуть мати більш сильні або слабкі форми розладу, а деякі можуть взагалі ніколи не розвинути розлад.

При змінній експресивності фенотип може бути сильнішим або слабшим у різних людей з однаковим генотипом. Наприклад, у групи людей з хвороботворним генотипом деякі можуть розвинути важку форму розладу, а інші можуть мати більш м'яку форму. Ідея експресивності проілюстрована на діаграмі нижче, при цьому відтінок зеленого представляє силу фенотипу.

[Приклад]

Генетичне порушення ретинобластома викликає ракові пухлини очей, але хвороба різниться за ступенем тяжкості і швидкості виникнення. У дітей з ретинобластомою можуть розвиватися пухлини лише в одному оці або в обох очах, а пухлини можуть з'являтися швидше або повільніше після народження ⁹.

Ілюстрація змодельована за аналогічним зображенням Стівена Карра ¹⁰.

При неповному проникненні особини з певним генотипом можуть розвинутися, а можуть і не розвинутися фенотип, пов'язаний з генотипом. Наприклад, серед людей з однаковим хвороботворним генотипом для спадкового розладу деякі можуть ніколи не розвинути розлад. Ідея проникнення проілюстрована на діаграмі нижче, зеленим або білим кольором, що представляє наявність або відсутність фенотипу.

[Приклад]

Деякі мутації в гені ретинобластоми мають високу пенетрантність, але інші мають більш низьку (неповну) проникність. Для мутацій цієї останньої категорії деякі члени сім'ї з мутацією є нормальними, тоді як у інших розвиваються пухлини ретинобластоми ^6,11.

Ілюстрація змодельована за аналогічним зображенням Стівена Карра ¹⁰.

Що викликає змінну експресивність і неповне проникнення? Інші гени та вплив на навколишнє середовище часто є частиною пояснення. Наприклад, хвороботворні алелі одного гена можуть бути придушені алелями іншого гена в іншому місці генома, або загальне здоров'я людини може впливати на силу фенотипу захворювання ¹¹.

Автори та атрибуція

• Template:ContribKhanAcademy

[Атрибуція та посилання]

Ця стаття ліцензована на умовах ліцензії CC BY-NC-SA 4.0.

Твори цитуються:

1. Кімбол, Дж. (2011, 8 березня). Безперервна варіація: Кількісні риси. Отримано з http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/Q/QTL.html.
2. Вуд, А.Р., Еско, Т., Янг, Дж., Ведантам, С., Перс, Т.Х., Густафссон, С.,... Фрайлінг Т.М. Визначення ролі загальних варіацій у геномній та біологічній архітектурі зросту дорослої людини. Генетика природи, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.
3. Уайт, Д. і Рабаго-Сміт, М. (2011). Генотип-фенотип асоціації і колір очей людини. Журнал генетики людини, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.
4. Кафедра агрономії Університету штату Айова. (2016). Успадкування кількісної ознаки. Отримано 26 липня 2016 року з https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.
5. Армстронг, В.П. (н.д.). Безперервна зміна і резус-фактор крові. У слові Уейна. Отримано 26 липня 2016 року з http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.
6. Бергманн, Д.К. Варіації і ускладнення основних менделівських правил. У Генетиці конспекти лекцій. Biosci41, Стенфордський університет, 10.
7. ПАХ. (2008). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.
8. Фенілкетонурія. У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.
9. Національний інститут раку. (2015, 14 серпня). Лікування ретинобластоми — для медичних працівників. При типах раку. Отримано з http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.
10. Карр С.М. Проникнення проти експресивності. Отримано з https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.
11. Келлі, Джейн. (2015, 14 вересня). Ретинобластома. В ОМІМ. Отримано з http://www.omim.org/entry/180200.
12. Гріффітс, А.Дж., Міллер, Дж., Сузукі, Д., Левонтін, Р.К., і Гельбарт, W.M. (2000). Проникнення і експресивність. Вступ до генетичного аналізу (7-е видання). Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Посилання:

Армстронг, В.П. (н.д.). Безперервна зміна і резус-фактор крові. У слові Уейна. Отримано 26 липня 2016 року з http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.

Бергманн, Д.К. Варіації і ускладнення основних менделівських правил. У Генетиці конспекти лекцій. Biosci41, Стенфордський університет, 8-12.

Селекція за ознаками якості зерна: проблеми вимірювання фенотипів та ідентифікації генотипів. У галузі рослинних та ґрунтових наук eLibrary. Отримано з http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1066416033&topicorder=12&maxto=13.

Карр С.М. Проникнення проти експресивності. Отримано з https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.

Кафедра агрономії Університету штату Айова. (2016). Успадкування кількісної ознаки. Отримано 26 липня 2016 року з https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.

Даффі, Д., Монтгомері, Г. В., Чен, В., Чжао, З. з., Ле, Л., Джеймс, М.Р.,... Штурм Р.А. Гаплотип поліморфізму з трьома однонуклеотидами в інтроні 1 OCA2 пояснює більшість варіацій кольору очей людини. Американський журнал генетики людини, 80 (2), 241-252. http://dx.doi.org/10.1086/510885.

Гріффітс, А.Дж., Міллер, Дж., Сузукі, Д., Левонтін, Р.К., і Гельбарт, W.M. (2000). Проникнення і експресивність. Вступ до генетичного аналізу (7-е видання). Отримано з http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Келлі, Джейн. (2015, 14 вересня). Ретинобластома. В ОМІМ. Отримано з http://www.omim.org/entry/180200.

Багатофакторні риси: геноміка на клітинному та генному рівні. (н.д.). В ІМ. Генетика ресурсного центру. Отримано з https://www.migrc.org/TeachersAndStudents/MultifactorialTraits.html

Національний інститут раку. (2015, 14 серпня). Лікування ретинобластоми — для медичних працівників. При типах раку. Отримано з http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.

Національний центр освіти генетики та геноміки NHS (н.д.). У генетичному словнику. Отримано з http://www.geneticseducation.nhs.uk/genetic-glossary/221-penetrance.

Проникнення. (2015, 13 листопада). Отримано 22 листопада 2015 року з Вікіпедії: https://en.wikipedia.org/wiki/Penetrance.

ПАХ. (2008). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.

Фенілкетонурія. У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.

Полігенна. (2015, 18 листопада). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/glossary=polygenic.

Полігенне успадкування. (н.д.). У Біонині. Отримано з www.vce.bioninja.com.au/aos-3-спадковість/спадкові/полігенно-успадкування.html.

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.

Що таке знижена проникнення і змінна експресивність? (2015, 18 листопада). У Генетика домашня довідка. Отримано з http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/inheritance/penetranceexpressivity.

Уайт, Д. і Рабаго-Сміт, М. (2011). Генотип-фенотип асоціації і колір очей людини. Журнал генетики людини, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.

Вуд, А.Р., Еско, Т., Янг, Дж., Ведантам, С., Перс, Т.Х., Густафссон, С.,... Фрайлінг Т.М. Визначення ролі загальних варіацій у геномній та біологічній архітектурі зросту дорослої людини. Генетика природи, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.

Зерацький, К. (2015, 6 жовтня). Моя улюблена дієтична сода має попередження про фенілаланін. Чи шкідливий для вас фенілаланін? [відповідь]. У Харчуванні і здоровому харчуванні. Отримано з http://www.mayoclinic.org/healthy-lifestyle/nutrition-and-healthy-eating/expert-answers/phenylalanine/faq-20058361.

Злотогора, Дж. Проникнення і експресивність в молекулярному віці. Генетика в медицині, 5, 347-352. http://dx.doi.org/10.1097/01.GIM.0000086478.87623.69.