Основно съдържание

Курс: Биология за гимназиален етап > Раздел 5

Урок 2: Неменделово унаследяване

Полигенно наследяване и ефекти на околната среда

Черти, които са контролирани от множество гени и/или повлияни от околната среда. Проявление и изразителност.

Как се наследява ръстът?

Ако се интересуваш от човешката генетика, ученето на Менделовата генетика може понякога да е вбесяващо. Често ще чуваш учител да използва човешка черта като пример в задача по генетика, но после ще каже "това е свръхопростяване" или "нещата са по-сложни от това". Тогава как всъщнаст су наследяват тези интересни човешки черти като цвят на очите, цвят на косата и кожата, височина и риск от развиване на някои заболявания?

Като пример да разгледаме човешкия ръст. Това не е прост белег, който се наследява съгласно постулатите на Мендел, а се характеризира с:

Непрекъсната вариация. За разлика от граховите растения, използвани от Мендел, при хората няма две ясно разграничени категории "висок" и "нисък". Всъщност при ръста на човека няма дори четири категории, или осем, или шестнадесет. Вместо това е възможно човек да порасне до много различни височини и ръстът може да се различава с части от сантиметъра $^{1}$ ‍.
Хистограма, показваща ръст в инчове на извадка от момчета гимназисти. Криват има приблизително камбановидна форма, само с няколко индивида в краищата (60 инча и 77 инча) и много индивиди в средата (около 69 инча).
Ръстът на група абитуриенти. Изображение от "Continuous variation: Quantitative traits," by J. W. Kimball (CC BY 3.0)
Сложен модел на унаследяване. Може би забеляза, че високи родители могат да имат ниско дете, ниски родители да имат високо дете и двама родители с различен ръст може да имат дете по средата, или пък не. Също така братя и сестри с едни и същи родители може да имат различен ръст, такъв, който не попада в разграничителни категории.

Прости модели, включващи един или два гена, не могат точно да прогнозират всички тези модели на унаследяване. Тогава как се унаследява височината?

Ръстът и други подобни характеристики са контролирани не само от един ген, а вместо това от няколко (често много) гени, всеки от които прави малък принос за цялостния резултат. Този модел на унаследяване понякога се нарича полигенно унаследяване (поли – = много). Например скорошно проучване открило над 400 гена, свързани с вариации в ръста

^{2}

Когато има участие на голям брой гени става трудно да разграничим ефекта на всеки отделен ген и още по-трудно да видим как генните варианти (алели) биват унаследени според законите на Мендел. Като допълнително усложнение, ръстът не зависи само от гените: той също зависи от фактори на околната среда като цялостното здраве на детето и вида хранителни вещества, които приема, докато расте.

В тази статия ще разгледаме как се унаследяват сложни черти като ръста. Също ще видим как фактори като генетичното минало и околната среда могат да повлияят на фенотипа (наблюдаемите характеристики), произведен от определен генотип (набор генни вариации, или алели).

Полигенно унаследяване

Човешки черти като ръст, цвят на очите и цвят на косата, се наблюдават в множество леко различаващи се форми, понеже са контролирани от много гени, всеки от които допринася някакво количество към цялостния фенотип. Например има два главни гена за цвят на очите, но има поне 14 други гена, които играят роля в точния цвят на очите на човека

^{3}

Разглеждането на реален пример за човешка полигенна черта би станало сложно, предимно понеже ще трябва да следим десетки, или дори стотици, различни двойки алели (като 400-те, участващи в ръста!). Но можем да използваме пример, който включва пшенични зърна, за да видим как няколко гена, чиито алели "се допълват", за да повлияят една и съща черта, могат да произведат спектър от фенотипове

^{1, 4}

В този пример има три гена, които създават червеникав пигмент в житните зърна, които ще наречем A, B и C. Всеки от тях има два алела, един от които създава пигмент (алелът с главна буква) и един от които не създава (алелът с малка буква). Тези алели имат допълващ се ефект: генотипът aa няма да допринесе за пигмент, генотипът Aa ще допринесе за някакво количество пигмент, а генотипът AA ще допринесе за повече пигмент (два пъти повече от Aa). Същото е вярно за гените B и C

^{1, 4}

Диаграма, базирана на подобна диаграма от W. P. Armstrong

^{5}

Сега да си представим, че две растения, хетерозиготни по всички три гена (AaBbCc), бъдат кръстосани едно с друго. Всяко от родителските растения ще има три алела, които изграждат пигмент, водейки до розови зърна. Но тяхното поколение ще попадне в седем цветови групи, вариращи от липса на всякакъв пигмент (aabbcc) и бели зърна до много пигмент (AABBCC) и тъмночервени зърна. Това са видели изследователите при кръстосване на определени разновидности пшеница

^{1, 4}

Този пример показва как можем да получим спектър от леко по-различни фенотипове (понякога близки до непрекъсната вариация) със само три гена. Не е трудно да си представим, че докато увеличаваме броя участващи гени, ще можем да получим още по-фини вариации в цвета или в друга черта като ръста.

Влияние на околната среда

Човешките фенотипове – и фенотиповете на други организми – също варират, понеже биват повлияни от околната среда. Например даден човек може да има генетична тенденция да е с поднормено или наднормено тегло, но реалното му тегло ще зависи от диетата и упражненията (като тези фактори често играят по-голяма роля от гените). Друг пример – цветът на косата ти може да зависи от гените – докато не оцветиш косата си в лилаво!

Един удивителен пример за това как околната среда може да повлияе на фенотипа идва от наследственото заболяване фенилкетонурия (PKU)

^{6}

. Хората, които са хомозигонтни по болестните алели на PKU гена, нямат активност на определен ензим, който разгражда аминокиселината фенилаланин. Понеже хората със заболяването не могат да се отърват от излишния фенилаланин, той бързо се натрупва до токсични нива в телата им

^{7}

Ако PKU не се лекува, излишният фенилаланин може да не позволи на мозъка да се развие нормално, което води до интелектуални затруднения, припадъци и разстройства на настроението. Но понеже PKU се причинява от натрупването на твърде много фенилаланин, също може да се лекува по много прост начин: чрез даване на засегнатите бебета и деца на храни, бедни на фенилаланин

^{8}

Ако хората с фенилкетонурия следват стриктно тази диета от много ранна възраст, те може да имат много малко, или дори никакви, симптоми на заболяването. В много страни всички новородени биват изследвани за PKU и подобни генетични заболявания скоро след раждане чрез прост кръвен тест, както е показано в изображението по-горе.

Променлива експресивност, непълна проницаемост

Дори за характеристики, които са контролирани от единичен ген, е възможно хората с един и същи генотип да имат различни фенотипове. Например в случая с генетично заболяване хора с един и същи генотип за заболяването може да имат по-силни или по-слаби форми на заболяването, а някои може дори да не развият заболяването изобщо.

При променливата експресивност един фенотип може да е по-силен или по-слаб при различни хора с един и същи генотип. Например при група хора с причиняващ заболяване генотип някои може да развият тежка форма на заболяването, докато други може да имат по-лека форма. Идеята за експресивността е илюстрирана в диаграмата по-долу, като нюансът зелено представлява силата на фенотипа.

Генетичното заболяване ретинобластом причинява ракови тумори на очите, но заболяването варира по тежест и скорост на началото. Деца с ретинобластом може да развият тумори само в едното или и в двете очи и туморите може да се прояват по-бързо или по-бавно след раждане

^{9}

Илюстрация, създадена според подобно изображение от Steven M. Carr $^{10}$ ‍.

При непълна проницаемост хората с определен генотип може да развият фенотип, свързан с генотипа, или да не го развият. Например между хора с един и същи причиняващ заболяване генотип за наследствено заболяване, някои може никога да не развият заболяването. Идеята за проницаемост е илюстрирана от диаграмата по-долу, като зеленият или белият цвят представляват наличието или липсата на фенотип.

Някои мутации в гена за ретинобластом имат висока проницаемост, но други имат по-ниска (непълна) проницаемост. При мутации от втората категория някои членове на семейството с мутации са нормални, докато други развиват ретинобластомни тумори

^{6, 11}

Илюстрация, създадена според подобно изображение от Steven M. Carr $^{10}$ ‍.

Какво причинява променлива експресивност и непълна проницаемост? Други гени и обстоятелствени ефекти често са част от обяснението. Например причиняващи болест алели от един ген може да бъдат потиснати от алели на друг ген другаде в генома или цялостното здраве на човека може да повлияе на силата на болестния фенотип

^{11}

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

Цитирани трудове:

Kimball, J. W. (2011, March 8). Continuous variation: Quantitative traits. Retrieved from http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/Q/QTL.html.
Wood, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S., ... Frayling, T. M. (2014). Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.
White, D. and Rabago-Smith, M. (2011). Genotype-phenotype associations and human eye color. Journal of Human Genetics, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.
Department of Agronomy, Iowa State University. (2016). Inheritance of a quantitative trait. Retrieved July 26, 2016 from https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.
Armstrong, W. P. (n.d.). Continuous variation and Rh blood factor. In Wayne's Word. Retrieved July 26, 2016 from http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.
Bergmann, D. C. (2011). Variations on and complications of the basic Mendelian rules. In Genetics lecture notes. Biosci41, Stanford University, 10.
PAH. (2008). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.
Phenylketonuria. (2012). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.
National Cancer Institute. (2015, August 14). Retinoblastoma treatment – for health professionals. In Cancer types. Retrieved from http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.
Carr, S. M. (2014). Penetrance versus expressivity. Retrieved from https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.
Kelly, Jane. (2015, September 14). Retinoblastoma. In OMIM. Retrieved from http://www.omim.org/entry/180200.
Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Penetrance and expressivity. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Препратки:

Armstrong, W. P. (n.d.). Continuous variation and Rh blood factor. In Wayne's Word. Retrieved July 26, 2016 from http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.

Bergmann, D. C. (2011). Variations on and complications of the basic Mendelian rules. In Genetics lecture notes. Biosci41, Stanford University, 8-12.

Кръстосване за черти на качество на житни растения: Предизвикателствата на измерване на фенотипи и идентифициране на генотипи. (2015). В Plant and soil sciences eLibrary. Получено от http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1066416033&topicorder=12&maxto=13.

Carr, S. M. (2014). Penetrance versus expressivity. Retrieved from https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.

Department of Agronomy, Iowa State University. (2016). Inheritance of a quantitative trait. Retrieved July 26, 2016 from https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.

Дъфи, Д. Л., Монтгомъри, Г. У., Чен, У., Джао, Дж. Дж., Ли, Л., Джеймс, М. Р., ... Стърм, Р. А. (2007). A three–single-nucleotide polymorphism haplotype in intron 1 of OCA2 explains most human eye-color variation. American Journal of Human Genetics, 80(2), 241-252. http://dx.doi.org/10.1086/510885.

Грифитс, А. Дж. Ф., Милър, Дж. Х., Сузуки, Д. Т., Левонтин, Р. К., и Гелбарт, В. М. (2000). Пенетрантност и експресивност. В An introduction to genetic analysis (7мо изд.). Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Kelly, Jane. (2015, September 14). Retinoblastoma. In OMIM. Retrieved from http://www.omim.org/entry/180200.

Многофакторни черти: Геномика на клетъчното и генното ниво. (n.d.). В MI genetics resource center. Получено от https://www.migrc.org/TeachersAndStudents/MultifactorialTraits.html

National Cancer Institute. (2015, August 14). Retinoblastoma treatment – for health professionals. In Cancer types. Retrieved from http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.

NHS Национален образователен център по генетика и геномика (n.d.). В Genetic glossary. Получено от http://www.geneticseducation.nhs.uk/genetic-glossary/221-penetrance.

Penetrance. (2015, November 13). Retrieved November 22, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Penetrance.

PAH. (2008). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.

Фенилкетонурия. (2012). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.

Полигенност. (2015, 18 ноември). В Genetics home reference. Получено от http://ghr.nlm.nih.gov/glossary=polygenic.

Полигенна наследственост. (n.d.). В BioNinja. Получено от www.vce.bioninja.com.au/aos-3-heredity/inheritance/polygenic-inheritance.html.

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.

What are reduced penetrance and variable expressivity? (2015, November 18). In Genetics home reference. Retrieved from http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/inheritance/penetranceexpressivity.

White, D. and Rabago-Smith, M. (2011). Genotype-phenotype associations and human eye color. Journal of Human Genetics, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10.1038/jhg.2010.126.

Wood, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S., ... Frayling, T. M. (2014). Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10.1038/ng.3097.

Зератски, К. (2015, 6 октомври). Любимата ми диетична сода съдържа предупреждение за фенилаланин. Лош ли е фенилаланинът за вас? [отговор]. В Nutrition and healthy eating. Получено от http://www.mayoclinic.org/healthy-lifestyle/nutrition-and-healthy-eating/expert-answers/phenylalanine/faq-20058361.

Златогора, Дж. (2003). Пенетрантност и експресивност в молекулярната ера. Genetics in Medicine, 5, 347-352. http://dx.doi.org/10,1097/01.GIM.0000086478,87623.69.

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.