Пенетрантность гена отражает. Пенетрантность и экспрессивность

Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учитывать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой развивается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розовая (Р-) - белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15-25°С. Если же растения F 2 вырастить при температуре 30-35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F 2 в условиях температуры, колеблющейся около 30°С, можно получить разнообразные соотношения от 3Р:1рр до 100% растений с белыми цветками. Такое варьирующее соотношение классов при расщеплении в зависимости от условий внешней среды или от условий генотипической среды (так назвал С.С. Четвериков варьирование генотипа по генам-модификаторам) носит название варьирующей пенетрантности: Это понятие подразумевает возможность проявления или непроявления признака у организмов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам.

Уже упоминался пример плейотропного действия гена - доминантная платиновая окраска лисиц с рецессивным летальным действием. Как показал Д.К. Беляев с сотрудниками, можно добиться рождения живых щенков, гомозиготных по доминантной аллели платиновой окраски, если варьировать длину дня для беременных самок. Таким образом, пенетрантность проявления летального эффекта может быть снижена (уже не будет 100%-ной).

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак среди всех особей одинакового генотипа по контролируемому (изучаемому) гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть и степень выраженности признака. Например, дрозофила, гомозиготная по аллели vgvg (зачаточные крылья), более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры. Другой признак дрозофилы - отсутствие глаз (еуеу) варьирует от 0 до 50% от числа фасеток, характерного для мух дикого типа.

Степень проявления варьирующего признака называется экспрессивностью. Экспрессивность обычно выражают количественно в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Оба понятия - пенетрантность и экспрессивность - были введены в 1925 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским для описания варьирующего проявления генов (рис. 1).

Рис. 1 - Схема, поясняющая варьирование экспрессивности и пенетрантности признака

Тот факт, что признак может проявиться или не проявиться у особей данного генотипа в зависимости от условий или варьировать в различных условиях среды, убеждает в том, что фенотип - это результат действия (и взаимодействия) генов в конкретных условиях существования организма.

Способность генотипа так или иначе проявляться в различных условиях среды отражает норму его реакции - способность реагировать на варьирующие условия развития. Норму реакции генотипа необходимо учитывать как при экспериментах, так и при выведении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений в проявлении признака указывает на то, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма - на то, что оно уже за пределами нормы реакции. Селекция высокопродуктивных форм растений, животных и микроорганизмов в значительной степени представляет собой отбор организмов с узкой и специализированной нормой реакции на такие внешние воздействия, как удобрения, обильное кормление, характер выращивания и др.

Искусственное сужение или сдвиг нормы реакции используют для маркирования многих жизненно важных генов. Так, были исследованы гены, контролирующие воспроизведение ДНК и синтез белка у бактерий и дрожжей, гены, контролирующие развитие дрозофилы, и др. При этом получали мутанты, нежизнеспособные при повышенной температуре культивирования, т.е. условно-летальные.

Таким образом, материал, рассмотренный в этой главе, показывает, что генотип представляет собой систему взаимодействующих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Только благодаря использованию принципов менделеевского анализа можно условно разложить эту сложную систему на элементарные признаки – фены и тем самым идентифицировать отдельные, дискретные единицы генотипа – гены.



Нарко́тик - химический агент, вызывающий ступор, кому или нечувствительность к боли.

Влияние наркотиков на потомство наркомана пагубно. Связано это с мутагенным влиянием наркотических веществ на сперматозоиды и яйцеклетки , с как прямым токсическим влиянием на развитие зародыша. Если будущая мать, не прекратила прием наркотических веществ во время беременности, то ребенок может родиться уже наркозависимым. Если этого не произошло, то риск заболеть наркоманией сохраняется всю жизнь.

Непосредственное влияние наркотиков на плод начинается с первых же секунд зачатия.Наркотики могут воздействовать на плод непосредственно, разрушая его клеточную структуру , или через изменение оболочки матки , ухудшать кровоснабжение плода и вызывать периодическую гипоксию . Печень развивающегося организма также находится на стадии становления , поэтому наркотики , проникая к плоду могут задерживаться и безпрепятственно разрушать постепенно системы и органы нерожденного орагнизма .

Естественно, что риск рождения мертвого ребенка у наркоманов невероятно высок - 80%, отслойки плаценты – 15%, преждевременные роды,

У детей повышенный риск врожденных пороков развития, задержки роста или постнатальных психоповеденческих нарушений (что проявляется в гиперактивности, гипертонусе и плохой обучаемости, возможна задержка психического развития, вплоть до выраженного слабоумия), у новорожденных встречаются аномалии скелета и изолированные атрезии.

У ребенка, рожденного от матери-наркоманки, уже с первых часов жизни проявляются признаки наркомании. Его организм требует тех наркотиков, которые он получал с кровью от матери, организм реагирует на это судорогами, плачем и другими проявлениями, свойственными взрослым наркоманам в состоянии абстиненции.

I(0) «охотник»	II(A) «земледелец»			III(B) «кочевник»		IV(AB) «загадка»
Происхождение
Самая древняя и наиболее распространенная, появилась 40 000 лет назад. Предки вели образ жизни охотников и собирателей. Иммунная система сильная и стойкая. Считается, что неандертальцы и кроманьонцы, от которых произошел человек, имели эту группу крови.	Порождена первыми миграциями населения, появилась, когда возникла необходимость переключиться на питание продуктами земледелия и соответственно изменить образ жизни - между 25000 и 15000 лет до н.э. От каждого потребовалось умение сотрудничать с другими в рамках общины.			Люди с третьей группой крови появились вследствие слияния популяций и адаптации к новым климатическим условиям 10-15 тыс. лет назад в предгорьях Гималаев. В ней представлено стремление природы установить баланс между усиленной умственной деятельностью и запросами иммунной системы.		Появилась неожиданно примерно тысячу лет назад не в результате приспособления к меняющимся условиям обитания, как остальные группы крови, а в результате смешения индоевропейцев и монголоидов.
Болезни	Группа крови 0 (I)	Группа крови A (II).	Группа крови B (III)		Группа крови AB (IV).
Заболевания желудочно-кишечного тракта	предрасположенность к язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.	предрасположенность к гастриту с пониженной кислотностью, образования камней в желчных протоках, хронический холецистит.	склонность к опухолям толстой кишки, к болезням поджелудочной железы.		Устойчивость к язвенным болезням. Склонность женщин к болезням поджелудочной железы.
Заболевания зубов	Устойчивость к кариесу	Предрасположенность к кариесу	Предрасположенность к кариесу, но течение болезни более благоприятно.		Устойчивость к кариесу
Болезни сердечно-сосудистой системы	Высокий риск развития гипертонической болезни. Повышенный уровень холестерина, атеросклероз, ожирение. Повышенной свертываемостью крови: тромбозы, тромбофлебиты,	Болезни сердца, ишемической болезни, склонность к ревматизму и инфаркту миокарда	устойчивость к инфаркту миокарда		Заболевания сердца. Повышенный уровень холестерина, атеросклероз, ожирение. Повышенная свертываемость крови: тромбозы, тромбофлебиты.
	опухоль толстого кишечника встречается редко, и прогноз болезни часто благоприятный	Предрасположенность к развитию рака желудка, белокровие, рак крови.	Предрасположенность к раку толстой кишки. У женщин рак поджелудочной железы, рак яичников		У женщин рак поджелудочной железы, рак яичников
Болезни системы крови	Часто встречается гемофилия	Острый лейкоз
Заболевания щитовидной железы		Предрасположенность к заболеваниям щитовидной железы
Болезни нервной системы	Реже встречаются больные шизофренией		неврозы и психозы
Заболевания почек и мочеполовой системы	Почечнокаменная болезнь, группа наивысшего риска развития болезни	Почечнокаменная болезнь	Частым инфекциям мочеполовых путей. Женщины 3-й группой имеют склонность к болезням яичников и поджелудочной железы.		Устойчивая группа к этим болезням Женщины 4-й группой имеют склонность к болезням яичников
Заболевания кожи					Встречаются редко
Инфекционные болезни	Часто болеют гриппом А.
Болезни легких	Очень предрасположены развитию заболеваний бронхов и легких

K (П) = х 100%, где К (П)– пенетрантность, n – количество потомков, у которых проявился признак, N – общее количество потомков.

Экспрессивность – это степень фенотипического проявления признака, контролируемого данным геном. Например, интенсивность пигментации кожи у человека, увеличивающейся при возрастании числа доминантных аллелей (А 1 , А 2 , А 3 , А 4) в системе полимерных генов: доминантные аллели, определяющие развитие черной кожи - А 1 , А 2 , А 3 , А 4 , рецессивные аллели белой кожи - а 1 ,а 2 ,а 3 ,а 4 Белый – а 1 а 1 а 2 а 2 , А 1 а 1 а 2 а 2 - светлокожий мулат, А 1 А 1 а 2 а 2 - мулат смуглый,

А 1 А 1 А 2 а 2 - тёмный мулат, А 1 А 1 А 2 А 2 - негр чёрнокожий.

Влияние средовых факторов выражается усилением степени пигментации кожи у человека с одним генотипом - А 1 а 1 а 2 а 2 под действием ультрафиолетовых лучей.

Доза гена отражает развитие шизофрении - у гомозигот равна 100% пенетрантности, а у гетерозигот – 20%. Течение, развитие патологических состояний могут наблюдаться в виде лёгких и тяжелых проявлений – гипертонии, сахарного диабета и других признаков.

Серповидно-клеточная анемия - это наследственная гемоглобинопатия, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Причиной заболевания служит патологический ген «s», формирующий аномальный гемоглобин (HbS), в молекуле которого вместо глутаминовой кислоты в 6-м положении ß-цепи находится валин. Генетический дефект - точечная генная мутация, происходит в структурном гене ДНК, кодирующим ß-цепи гемоглобина. Патологический гемоглобин получил название своё название S - гемоглобин от слова «sicsle» - серп, потому что эритроцит, несущий этот аномальный белок приобретает серповидную форму.

Под микроскопом дефектные клетки крови имеют форму усечённого круга или форму полумесяца, в отличие от нормальных округлых клеток. За что эта форма гемоглобинопатии получила название серповидно-клеточной анемии. Серповидные эритроциты вызывают увеличение вязкости крови, создают механическую преграду в мелких артериолах и капиллярах. Они не способны сгибаться и проходить сквозь крошечные узкие сосуды, из-за чего некоторые ткани и органы не до получают необходимые вещества и кислород. Кроме того, серповидные эритроциты менее устойчивы к механическим воздействиям, что приводит к их гемолизу. Массивное разрушение клеток активирует систему свёртывания крови. Повышается тромбообразование. Тромбоз в различных органах, в т.ч. в селезенке, которая постепенно атрофируется после гипертрофии.

Имеется более 26 вариантов замещений в альфа цепи и 31 вариант - в бета цепи. Замещение хотя бы одной аминокислоты меняет первичную структуру белка, пространственное расположение его частей и соответственно функцию гемоглобина. Полиморфизм гемоглобинов видимо, имеет приспособительное значение.

Взаимодействие аллелей определяющих развитее гемоглобинопатияй определяется разными формами взаимодействия аллельных генов (неполным доминированием, свердоминированием и кодоминированием).

По типу неполного доминирования проявляют себя гетерозиготные Ss носители гена гемоглобина НbS (НbAНbS).

а) При изменении внешних условий среды на уровне моря гетерозиготы имеют нормальную форму эритроцитов и нормальную концентрацию гемоглобина в крови (полное доминирование S над s).

б) На больших высотах (более 2,5-3 тыс. м) у гетерозигот концентрация гемоглобина понижена, появляются эритроциты серповидной формы (неполное доминирование S над s) наблюдается клиническое проявление анемии. Этот пример показывает, что доминантность может зависеть не только от генотипа, но и от условий среды.

Сверхдоминантность наблюдаются, у гетерозигот Ss с формами гемоглобина НbAНbS, они менее подвержены малярии и характеризуются устойчивостью к малярии, гомозиготы с формами гемоглобина НbАНbА подвержены малярии в большей степени. В тропической Африке и других районах, где распространена малярия, в популяциях человека постоянно присутствуют все три генотипа - SS, Ss и ss (20-40% населения гетерозиготы - Ss). Оказалось, что сохранение в популяциях человека летальной (смертельной) аллели (s) обусловлено тем, что гетерозиготы (Ss) более устойчивы к малярии и анемия на имеет клинического проявления, чем гомозиготы по нормальному гену их генотип – SS, форма гемоглобина – HbA / HbA - восприимчивы к малярии (тяжёлое заболевание часто заканчивается смертельным исходом), и, следовательно, обладают отборным преимуществом. Особи имеющие HbS/HbS гемоглобин и генотип ss (летальны – тяжёлая форма анемии). Таким образом, получают приоритет особи имеющие эритроциты HbА /HbS – генотип Ss:

HbА/HbА < HbА /HbS > HbS/HbS .

Наконец, в эритроцитах носителей НbАНbS в равных количествах присутствуют оба варианта бета-глобиновых цепей - нормальный А и мутантный S , то есть наблюдается кодоминирование.

Талассемия - это также наследственное нарушение крови, относится к аутосомно рецессивной мутации. Организм человека с талассемией не может вырабатывать достаточно гемоглобина, содержащегося в эритроцитах и переносящего кислород по всему организму. Если в эритроцитах недостаточно гемоглобина, кислород не достигает всех частей организма. Органам начинает не хватать кислорода и они не могут нормально функционировать. Существует два типа талассемии - альфа и бета, - названные так по двум белковым цепям, из которых состоит нормальный гемоглобин. Как альфа так и бета талассемии имеют острую и неострую формы. Рецессивные гомозиготы по талассемии летальны, а гетерозиготы жизнеспособны. Относится как и серповидноклеточная анемия к гемоглобинопатиям

НЕАЛЛЕЛЬНЫЕ ГЕНЫ – это гены, расположенные в разных локусах (местах) гомологичных и негомологичных хромосом . Неаллельные гены обозначаются разными буквами (А, В, С).

Из 23 пар хромосом человека 22 пары не различаются у женского и мужского пола и называются аутосомами. Наследование признаков, обусловленных генами, расположенными в аутосомах, не зависит от пола, не сцеплено с полом. 23-я пара хромосом определяет пол индивидуума: у женщин обе хромосомы 23-й пары (половые хромосомы) одинаковы - они называются Х- хромосомами, у мужчин 23-я пара состоит из одной Х- и одной Y- хромосомы. Соответственно, яйцеклетки, образующиеся в оогенезе, одинаковы по набору хромосом - они содержат по 22 аутосомы и по одной Х- хромосоме.

Сперматозоиды же могут содержать в дополнение к 22 аутосомам либо Х-, либо Y- хромосому. В первом случае при оплодотворении соединятся Х- и Х- хромосомы, определяя женский пол зиготы, во втором - Х- и Y-хромосомы, давая мужской пол. Y- хромосома человека не содержит генов, аллельных генам Х-хромосомы, поэтому у мужского пола гены Х-хромосомы всегда внешне проявляются независимо от того, доминантны они или рецессивны (гемизиготность). У женского пола проявление генов, сцепленных с Х-хромосомой, осуществляется как и в случае с аутосомными генами.
Типы наследования генов , расположенных в аутосомах, и Х-хромосомах, называются соответственно аутосомным и сцепленным с Х-хромосомой.

Таким образом, с учетом локализации генов и отношений доминантности можно выделить четыре основных типа наследования :
1) аутосомно-доминантный;
2) аутосомно-рецессивный;
3) сцепленный с Х-хромосомой, доминантный;
4) сцепленный с Х-хромосомой, рецессивный.

Выявление этих типов наследования на основании родословных и составляет задачу генеалогического анализа.
Некоторые гены , локализованные на аутосомах, могут проявлять свое действие в разной степени в зависимости от пола- по-разному у мужчин пли у женщин. Если поражается преимущественно один пол, то это обозначается как наследование, ограниченное полом. Например, такое наследование наблюдается при подагре и пресенильном облысении, при которых поражаются преимущественно мужчины. Эта избирательность поражения объясняют действием андрогенов (мужских половых гормонов). Еще Гиппократ заметил, что «евнухи не болеют подагрой и не становятся лысыми». При другом синдроме, наследуемом как ограниченный полом, - синдроме тестикулярной феминизации - женский фенотип формируется при мужском кариотипе (46, XY), что обусловлено генной мутацией, приводящей к аномалиям рецепторов к андрогенам. И хотя ген локализован в аутосоме, болеют данным заболеванием только мужчины.

Особенностями наследственных признаков являются их разная экспрессивность и пенетрантность. Эти термины предложил наш выдающийся генетик Н.В. Тимофеев-Ресовский в 1925 году.

Пенетрантность - это частота или вероятность проявления гена. Пенетрантность бывает полная и неполная. О полной пенетрантности говорят, если доминантный ген в гетерозиготном или рецессивный в гомозиготном состоянии проявляются у каждого человека, в генотипе которого они встречаются. В некоторых семьях с доминантным признаком иногда встречаются «проскакивающие» поколения, т.е. у некоторых индивидов данного поколения ген имеется, но он не проявляется фенотипически. В таких случаях говорят о неполной пенетрантности гена. Эти явления зависят как от генотипа человека, так и от влияния среды, в которой он живет. Вероятность проявления гена часто выражают в процентах заболевших от числа носителей. Полная пенетрантность равна 100 %. При ряде заболеваний она довольно высока: при ретинобластоме - 80 %, при синдроме Гарднера - 84 %, при отосклерозе - 40 %.

Для оценки пенетрантности может использоваться так называемый метод трехпоколенных цепей (в трех поколениях), особенно при наличии больших родословных. С этой целью учитывают все трехпоколенные семьи, происходящие от больных с аутосомно-доминантным заболеванием и имеющие больного в 3-м поколении, но так, чтобы в них не было общих промежуточных предков.

Подсчитывается доля промежуточных предков , у которых проявилось заболевание, и соотносится с общим числом предков, в итоге получается оценка пенетрантности, которая также выражается в процентах. Пенетрантность -очень важное понятие, имеющее большое практическое значение. Зная пенетраитность, можно с большой долей вероятности констатировать наличие или отсутствие заболевания у обследуемого. Носительство доминантного гена без выраженных признаков болезни у одного из родителей можно предполагать тогда, когда у него в потомстве обнаружены случаи доминантного заболевания («проскок поколений»).

Проявление действия гена имеет определенные характеристики.

Один и тот же мутантный ген у разных организмов может проявить свой эффект различным образом. Это обусловлено генотипом данного организма и условиями внешней среды, при которых протекает его онтогенез. Фенотипическое проявление гена может варьировать по степени выраженности признака. Это явление Н. В. Тимофеев-Ресовский еще в 1927 г. предложил называть экспрессивностью гена. Действие гена может быть более или менее константным, стойким в своем проявлении или нестойким, вариабильным. С изменчивостью проявления мутантного гена у разных организмов мы действительно встречаемся довольно часто. У дрозофилы имеется «безглазая» мутантная форма (eyeless) с сильно редуцированным числом фасеток. Просматривая потомство одной родительской пары, можно видеть, что у одних мух глаза почти полностью лишены фасеток, тогда как у других число фасеток в глазах достигает половины нормального числа. Такое же явление наблюдается в реализации многих признаков и у других животных и растений.

Один и тот же мутантный признак может проявляться у одних и не проявляться у других особей родственной группы. Это явление Н. В. Тимофеев-Ресовский назвал пенетрантностью проявления гена. Пенетрантность измеряется по проценту особей в популяции, имеющих мутантный фенотип. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у каждой особи, обладающей им; при неполной пенетрантности (меньше 100%) ген проявляет свой фенотипический эффект не у всех особей.

Экспрессивность , как и пенетрантность, обусловлена взаимодействием генов в генотипе и различной реакцией последнего на факторы внешней среды. Экспрессивность и пенетрантность характеризуют фенотипическое проявление гена. Пенетрантность отражает гетерогенность линий, популяций не по основному гену, определяющему конкретный признак, а по генам - модификаторам, создающим генотипическую среду для проявления гена. Экспрессивность есть реакция сходных генотипов на среду. Оба указанных явления могут иметь приспособительное значение для жизни организма и популяции, и поэтому экспрессивность и пенетрантность проявления гена поддерживаются естественным отбором. Эти два явления очень важно учитывать и при искусственном отборе.

Экспрессивность гена в развитии зависит от действия факторов внешней среды. Легче всего пока удается проследить влияние различных внешних агентов на мутантные гены. Так, у кукурузы известны мутантные гены, определяющие карликовость растений, положительный геотропизм (наклоняющиеся растения) и др. В основе действия этих генов лежат соответствующие биохимические изменения. Известно, например, что для нормального роста растения необходимы ростовые вещества типа ауксинов. У мутантной карликовой формы кукурузы ауксин вырабатывается нормально, но ген карликовости тормозит образование фермента, который окисляет ауксин, вследствие чего понижена активность ауксина, что и приводит к торможению роста растений. Если на такое растение воздействовать во время роста гиббереллиновой кислотой, то растение ускоряет рост и становится по фенотипу неотличимым от нормального. Добавка гиббереллиновой кислоты как бы восполняет то, что должна была бы произвести нормальная аллель гена карликовости.

Из этого примера видно, что ген контролирует образование определенного фермента, который изменяет характер роста растения. Таким образом, зная механизм действия мутантного гена, можно исправлять и нормализовывать вызываемые им дефекты.

Вспомним, что гималайская окраска кролика определяется одним членом серии множественных аллелей - с 11 . Обычное фенотипическое проявление этого гена при нормальной температуре (около 20°) характеризуется тем, что при общей белой окраске шерсти кончики лап, уши, нос и хвост кролика оказываются черными.

Такая окраска зависит как от определенных биохимических реакций, протекающих в коже, связанных с выработкой меланистических пигментов, так и от температуры окружающей среды. На том же рисунке показано, что кролик, выращенный при температуре выше 30°, оказывается сплошь белым. Если же выщипать небольшой участок белой шерсти и потом систематически его охлаждать, то на нем вырастает черная шерсть. В данном случае действие температуры сказывается на проявлении гена, влияя на выработку определенных ферментов.

У растения примулы известен ген окраски цветка, который также проявляет свое действие в зависимости от температуры. Если растения выращиваются при температуре 30-35° и высокой влажности, то цветки будут белыми, а при более низкой температуре - красными.

Еще в 1935 г. Ф. А. Смирнов провел работу по изучению числа индуцированных мутаций у дрозофилы: летальных, семилетальных и мутаций с повышенной и нормальной жизнеспособностью, и обнаружил разное соотношение перечисленных классов в разных температурных условиях. Позднее это же подтвердилось и на популяциях Drosophila pseudoobscura. Из дикой популяции этого вида были выделены мутанты, которые нормально развивались при температуре 16,5°, при 21° они были полулегальными, а при 25° оказывались полностью летальными. Такого рода исследования теперь ведутся на мутациях микроорганизмов. Эти мутации называются amber-мутациями.

У наездника Habrobracon hebitor известен ген kidney (k). Он имеет почти 100%-ную пенетрантность как леталь при 30°, а при низкой температуре развития почти не проявляется. Такого типа зависимость пенетрантности от условий среды известна для большинства мутаций у всех животных, растений и микроорганизмов.

Действие одного и того же фактора внешней среды сказывается различным образом на разных генах, и разные факторы различным образом влияют на проявление одного и того же гена. Изучение влияния факторов внешней среды показало, что некоторые рецессивные гены, которые в обычных условиях в гетерозиготном состоянии фенотипически не проявляются, могут проявиться при измененных условиях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .