Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 16

Урок 2: Вариации на генетиката на Мендел

Плейотропия и летални алели

Плейотропия: когато един ген засяга множество характеристики. Смъртоносни алели: алели, които не допускат оцеляване, когато са хомозиготни или хетерозиготни.

Въведение

От експериментите на Мендел може да останеш с впечатление, че всички гени контролират един отделен белег и влияят на някакъв безобиден аспект от външния вид на организма (като цвят, ръст или форма). Това наистина е така за някои гени, но не за всички! Например:

Едно генетично заболяване при хората, т.нар. синдром на Марфан, се причинява от мутация само в един ген, но въпреки това влияе на много аспекти от растежа и развитието, включително ръст, зрение и сърдечна функция. Това е пример за плейотропия – влиянието на един ген върху множество характеристики.
Кръстосване между две хетерозиготни жълти мишки произвежда жълти и кафяви мишки в съотношение $2 : 1$ ‍, а не $3 : 1$ ‍. Това е пример за леталност, при която определен генотип прави организма неспособен да оцелее.

В тази статия ще разгледаме по-отблизо плейотропните гени и леталните алели, за да видим как тези вариации на законите на Мендел пасват на съвременното ни разбиране за унаследяването.

Плейотропия

Когато споменахме експериментите на Мендел с лилаво оцветените и бяло оцветените растения, не обсъдихме никои други фенотипове, свързани с двата цвята на цветчетата. Но Мендел забелязал, че цветът на цветчетата винаги корелирал с две други характеристики: цвят на обвивката на семето и цвят на аксилите (съединенията, където листата се срещат със стъблото)

^{1, 2}

При растения с бели цветчета обвивките на семената и аксилите били безцветни. При растения с лилави цветчета, от друга страна, обвивките на семената били кафяво-сини и аксилите били червеникави. Следователно, вместо да влияе само на една характеристика, генът за цвят на цветчетата всъщност влияел на три.

Такива гени, които контролират няколко наглед несвързани характеристики, се наричат плейотропни (плейо- = много, тропни = ефекти)

^{1}

. Сега знаем, че генът за цвета на цветчетата в опитите на Мендел кодира протеин, който води до изграждане на оцветяващи частици, или пигменти

^{2}

. Този протеин е активен в няколко различни части на граховото растение (цветчета, обвивка на семето и аксили на листото). По този начин наглед несвързаните фенотипове могат да бъдат свързани с дефект на един ген с няколко функции.

Важно е да отбележим, че алелите на плейотропните гени се предават по същия начин като алелите на гени, които влияят на единични черти. Въпреки че фенотипът има множество елементи, тези елементи представляват нещо като пакет и доминантните и рецесивните версии на пакета ще се проявят в наследниците на два хетерозиготни родителя в съотношение

3 : 1

Плейотропия при генетични заболявания на човека

Засегнатите гени при някои генетични заболявания при човека често са плейотропни. Например хората с наследственото заболяване, наречено синдром на Марфан, може да имат група от наглед несвързани симптоми, включително следните

^{1, 3}

Необичайно висок ръст
Тънки пръсти на ръцете и краката
Разместване на лещите на окото
Сърдечни проблеми (при които аортата, големият кръвоносен съд, пренасящ кръвта навън от сърцето, се издува или разкъсва).

Тези симптоми не изглеждат директно свързани, но, както се оказва, могат да бъдат свързани с мутацията на един единствен ген. Този ген кодира протеин, който се събира във вериги, изграждайки еластични нишки, които дават сила и гъвкавост на съединителните тъкани на тялото

^{4}

. Мутации, които причиняват синдром на Марфан, намаляват количеството функционален протеин, изграден от тялото, водейки до по-малко нишки.

Как този ген обяснява диапазона симптоми? Очите ни и аортите ни обикновено съдържат много нишки, които помагат за поддържане на структурата, поради което тези два органа са засегнати при синдром на Марфан

^{5}

. В допълнение, нишките служат като "рафтове за съхранение" за растежни фактори. Когато има по-малко от тях при синдрома на Марфан, растежните фактори не могат да бъдат съхранени и, следователно, причиняват прекомерен растеж (водейки до характерната висока, слаба фигура на хората със синдром на Марфан)

^{4}

Леталитет

За алелите, които Мендел проучвал, било равно вероятно да получиш хомозиготен генотип по доминантните алели, хомозиготен генотип по рецесивните алели и хетерозиготен генотип. Тоест никой от тези генотипове не влияел на оцеляването на граховите растения. Но това не е така за всички гени и всички алели.

Много гени в генома на един организъм са необходими за оцеляването му. Ако един алел прави един от тези гени нефункционален или го кара да предприеме анормална, вредна активност, оцеляването на организъм с хомозиготен (или, в някои случаи, дори хетерозиготен) генотип може да се окаже невъзможно.

Пример: Жълтата мишка

Класически пример за алел, който влияе на оцеляването, е леталният алел за жълта козина – спонтанна мутация при мишките, която прави козината им жълта. Този алел бил открит около началото на 20-ти век от френския генетик Лусиен Куено, който забелязал, че това се унаследява по необичаен начин

^{6, 7}

Когато жълти мишки били кръстосани с нормални кафяви мишки, те произвеждали наполовина жълто и наполовина кафяво поколение. Това предполага, че жълтите мишки били хетерозиготни и че алелът за жълт цвят

A^{Y}

е доминантен спрямо алела

А

за кафяв цвят. Но когато две жълти мишки били кръстосани една с друга, те произвели жълто и кафяво поколение в съотношение

2 : 1

и жълтото поколение не било чиста линия (били хетерозиготни). Защо това било така?

Две жълти мишки (

A^{Y} A

генотип) се кръстосват една с друга. Решетката на Пънет за кръстоската е:

		$A^{Y}$ ‍	$A$ ‍
$A^{Y}$ ‍		$A^{Y}$ ‍ $A^{Y}$ ‍ (умира като ембрион)	$A^{Y}$ ‍ $A$ ‍ (жълта)
$A$ ‍		$A^{Y}$ ‍ $A$ ‍ (жълта)	$A$ ‍ $A$ ‍ (агути/кафява)

При родените мишки се наблюдава фенотипно съотношение 2:1.

Както се оказало, това необичайно съотношение отразявало факта, че някои от мишите ембриони (хомозиготен

A^{Y} A^{Y}

генотип) умирали много рано в развитието си, доста преди раждане. С други думи на нивото на яйцеклетките, сперматозоидите и оплождането, генът за цвета се разпадал нормално, водейки до ембриони в съотношение

1 : 2 : 1

съответно с генотип

A^{Y} A^{Y}

A^{Y} A

A A

. Но мишките с

A^{Y} A^{Y}

умирали като ембриони, при което съотношението на различните генотипи при оцелелите мишки било

2 : 1

^{7, 8}

Алели като

A^{Y}

, които са летални при хомозиготни носители, но не са при хетерозиготни носители, се наричат рецесивни летални алели.

Оказва се, че леталният рецесивен алел

A^{Y}

дава доминантен нелетален фенотип при хетерозиготните носители (жълто оцветяване, заедно със здравословни проблеми като затлъстяване, диабет и образуване на тумори). Трикът е, че леталността е рецесивна, въпреки че фенотипът за цвят е доминантен.

Цветът на хетерозиготната жълта мишка е полезен, защото ни позволява да следим генотипите, но в много други случаи рецесивните летални гени нямат доминантен фенотип при хетерозиготните носители. Вместо това те са изцяло рецесивни на нормалния алел, водейки до нормален фенотип за хетерозиготните носители и летален за ембриона фенотип за хомозиготните носители.

Летални алели и генетични заболявания при човека

Някои алели, свързани с генетични заболявания при човека, са рецесивно летални. Например това се отнася до алела, който причинява ахондроплазия, вид нанизъм. Човек, който е хетерозиготен носител на този алел, ще има къси крайници и къс торс (ахондроплазия) – състояние, което не е летално. Но хомозиготността по същия алел причинява смърт по време на ембрионалното развитие или първите месеци живот, което е пример за рецесивна леталност

^{7, 9}

Някои заболявания при човека се причиняват и от доминантно летални алели. Това са алели, които причиняват смърт, когато са налични дори само в единично копие. Ако един алел води до смъртта на хетерозиготните носители преди раждането, никога няма да видим този алел в живото човешко население (а само като неуспех при имплантирането на ембрион или спонтанен аборт). Но ако един доминантно летален алел позволява на хетерозиготните носители да оцелеят след раждане, той може да бъде видян в популацията като генетично заболяване.

Всъщност, ако доминантният летален алел позволи на човека да оцелее до репродуктивна възраст, той може дори да бъде предаден на децата. Такъв е случаят с болестта на Хънтингтън – фатална генетична болест, която засяга нервната система. Хората с алел за Хънтингтън неизбежно развиват заболяването, но може да не проявят симптоми до 40-годишна възраст и могат, незнаейки, да предадат алела на децата си.

Източници

Тази статия е производна модификация на “Характеристики и черти”,” by Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3,0). Свалете оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Лобо, И. (2008). Плейотропия: Един ген може да засегне множество черти. Nature Education, 1(1), 10. Получено от www.nature.com/scitable/topicpage/pleiotropy-one-gene-can-affect-multiple-traits-569.
Reid, J. B. and Ross, J. J. (2011). Mendel's genes: Towards a full molecular characterization. Genetics 189(1), 3-10. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/#s4title.
Marfan syndrome. (2012). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.
FBN1. (2015). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.
Marfan syndrome. (2015, November 3). Retrieved November 21, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Marfan_syndrome.
Lethal allele. (2016, July 13). Retrieved July 26, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele#History.
Lobo, I. (2008). Mendelian ratios and lethal genes. Nature Education, 1(1), 138. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.
Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H., and Lewontin, R. C. (1999). Interactions between alleles of one gene. In Modern Genetic Analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226/#_A824_.
Achrondroplasia. (2015, September 12). Retrieved November 21, 2015 from WIkipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Допълнителни източници:

Ахондроплазия. (2015, 12 септември). Получено 21 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Бергман, Д. К. (2011). Лекции по генетика. Станфорд.

FBN1. (2015). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.

Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H., and Lewontin, R. C. (1999). Interactions between alleles of one gene. In Modern Genetic Analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226.

Смъртоносен алел. (2015). В The free dictionary. Получено от http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/lethal+allele.

Lethal allele. (2016, July 13). Retrieved July 26, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele.

Лобо, И. (2008). Менделови съотношения и смъртоносни гени. Nature Education, 1(1), 138. Получено от http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.

Lobo, I. (2008). Pleiotropy: One gene can affect multiple traits. Nature Education, 1(1), 10. Retrieved from www.nature.com/scitable/topicpage/pleiotropy-one-gene-can-affect-multiple-traits-569.

Lucien Cuénot. (2016, February 13). Retrieved July 26, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lucien_Cuénot.

Marfan syndrome. (2012). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В., и Джаксън, Р. Б. (2011). Мендел и генната идея. В Кампбел биология (10-то издание, стр. 267-291). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Reid, J. B. and Ross, J. J. (2011). Mendel's genes: Towards a full molecular characterization. Genetics 189(1), 3-10. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.