Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 33. Взаємодія генів

— Мадемуазель, якщо б ви вивчали закони Менделя, вам було б відомо, що у родині, де в обох батьків блакитні очі, не буває карооких дітей.

Агата Крісті «Різдво Еркюля Пуаро»

Гени, що розташовані на різних хромосомах, успадковуються незалежно один від одного

У попередньому параграфі ми розглянули випадки, коли відмінності проявляються в одній ознаці, що визначається окремим геном, який має альтернативні прояви. Однак кількість фенотипових ознак і їхніх проявів у людини та інших організмів величезна. Розглянемо випадок, коли вивчається успадкування одразу двох ознак, а саме: закономірності успадкування кольору волосся й очей. Нехай у кожної з ознак є лише два альтернативні прояви: карі й блакитні очі, темне й світле волосся1. Припустимо, що відмінності між кароокими і блакитноокими батьками зумовлені одним геном, що визначає колір очей. Назвемо цей ген геном А. Домінантний алель А відповідатиме за карі очі, а рецесивний алель а — за блакитні. Те ж відбувається і з кольором волосся: домінантний алель В відповідає за темне, а рецесивний b — за світле. Як приклад, розглянемо шлюб, у якому обоє з батьків є дигомозиготами: мати кароока темноволоса (генотип ААВВ), а батько — блакитноокий світловолосий (генотип aabb) (рис. 33.1).

1 Насправді, успадкування обох ознак більш складне й залежить від взаємодії численних алелів декількох генів.

Рис. 33.1. Успадкування кольору очей і кольору волосся

У кароокої темноволосої матері та блакитноокого світловолосого батька будуть народжуватися кароокі темноволосі діти.

Очевидно, що всі діти матимуть генотип АаВb, тобто будуть гетерозиготами за обома генами, які розглядаються. Такі організми називають дигетерозиготами. За фенотипом усі вони будуть кароокими й темноволосими.

Припустимо, що в дигетерозиготних батьків народились діти.

Спробуємо визначити, з якою ймовірністю в їхніх дітей проявиться той чи інший фенотип. Якщо розглядати успадкування кожної ознаки (кольору волосся й кольору очей) окремо, то в результаті схрещування гетерозигот за цими ознаками (Аα з Аα і Вb з Вb) спостерігатиметься класичне моногенне успадкування з повним домінуванням: розщеплення ймовірностей народження складе 3:1 (табл. 33.1 і табл. 33.2).

Проаналізуємо успадкування обох ознак одночасно (табл. 33.3). Перш ніж почати розгляд цього питання, важливо відзначити, що гени, які відповідають за прояв досліджуваних ознак, розташовані в різних хромосомах. Це означає, що в процесі мейозу такі гени розподіляються між гаметами незалежно один від одного, кожен разом зі своєю хромосомою. Тобто ймовірності потрапляння алеля В до гамети не залежить від того, чи потрапив до неї алель А або а. Які ж типи гамет будуть утворювати батьки з генотипом АаВb? Половина гамет буде містити алель А, половина — а. Таке ж співвідношення буде спостерігатися й для алелів B і b. Оскільки алелі обох генів розподіляються між гаметами незалежно один від одного, то в підсумку буде утворюватися чотири типи гамет із чотирма наборами алелів — АВ, Аb, αВ і αb — у рівних співвідношеннях. Тобто кожен тип гамет формуватиметься з імовірністю 25 %.

Таблиця 33.1. Решітка Пеннета схрещування двох гетерозигот за кольором очей

Таблиця 33.2. Решітка Пеннета схрещування двох гетерозигот за кольором волосся

Таблиця 33.3. Решітка Пеннета схрещування двох дигетерозигот за, кольором очей і волосся

Як ми бачимо, решітка містить 4x4 = 16 комірок, проте генотипи й фенотипи в деяких комірках збігаються один з одним. Розщеплення генотипів буде 1ААВВ : 2АαВВ : 2ААВb : 4АαВb : 2ααВb : 1ααВВ : 2Aαbb : 1ААbb : 1ααbb. Розщеплення фенотипів складає 9А_В_ : 3A_bb: 3ααВ_ : 1ααbb. Таким чином із ймовірністю 9/16 будуть народжуватися кароокі темноволосі діти, 3/16 — кароокі й світловолосі, 3/16 — блакитноокі й темноволосі й 1/16 — блакитноокі та світловолосі. Таке співвідношення фенотипів можна було отримати й в інший спосіб: перемноживши розподіли фенотипів, отриманих для кожної ознаки окремо: (3А_ : 1αα) • (3В_ : 1bb) = 9А_В_ : 3А_bb: 3ααB_ : 1ααbb. Побудова решітки Пеннета й множення ймовірностей еквівалентні.

Таким чином, ознаки кольору очей і кольору волосся успадковуються незалежно одна від одної. Тому, у випадку незалежного успадкування й повного домінування під час схрещування двох дигетерозигот, нащадки матимуть чотири фенотипи в співвідношенні 9:3:3:1. Таке розщеплення вперше отримав Грегор Мендель у дослідах із духмяним горошком. Він не знав про ДНК, хромосоми й мейоз, але коли проаналізував цей експеримент, то зробив висновок про незалежне успадкування ознак. Ця закономірність отримала назву закон незалежного успадкування ознак або третій закон Менделя.

При визначенні кольору очей важливу роль відіграють одразу кілька генів

Давайте детальніше розглянемо успадкування кольору райдужки ока в людини. Ця ознака надзвичайно різноманітна у своїх проявах: очі можуть бути блакитні, карі, зелені, сірі, бурштинові тощо. Такі ознаки, що мають багато проявів, називають поліморфними. Безсумнівно, колір райдужки визначається великою кількістю генів, що відповідають за біосинтез різних пігментів та їхній розподіл у клітинах і тканинах.

Проте різний колір райдужки ока у двох людей може визначатися відмінністю лише в одному гені, як у прикладі, що ми розглянули раніше. Найрозповсюдженіший колір очей у людей — карий. Він зумовлений наявністю в пігментних клітинах райдужки великої кількості пігменту меланіну. Мутація одного з генів, які визначають колір ока, призводить до того, що в райдужці утворюється незначна кількість меланіну. Цей ген має позначення HERC2, у спрощеному вигляді Н. Така мутація призводить до формування блакитного кольору очей1. Мутація гена Н розповсюджена серед населення Європи: блакитний колір очей мають 99 % населення Естонії, 75 % населення Німеччини, 50 % євреїв-ашкеназі. Позначимо природний алель як Н, а мутантний — як h. Подивимося, які фенотипи матимуть носії різних комбінацій алелів (табл. 33.4).

Очевидно, що карий колір очей домінує над блакитним. Ця модель пояснює, чому в карооких батьків може народитися блакитноока дитина: якщо обоє батьків гетерозиготні, то ймовірність появи блакитноокої дитини складає 25 %. З іншого боку можна стверджувати, що в блакитнооких батьків не може народитися кароока дитина. Саме так детектив Еркюль Пуаро із творів Агати Крісті й викрив карооку дівчину, яка вдавала з себе доньку блакитнооких батьків.

Однак, з часом було помічено народження карооких дітей від блакитнооких батьків. Механізм класичного моногенного успадкування не міг пояснити такі спостереження. Тоді було запропоновано інший двогенний механізм: у визначенні кольору очей відіграє роль не один, а два гени. Мутація будь-якого з них призводитиме до порушення накопичення меланіну в райдужці та до появи блакитних очей. Тільки наявність обох функціональних генів може забезпечити формування карого кольору райдужки. Згодом було виявлено другий ген: ОСА2, що зумовлює накопичення меланіну в пігментних клітинах райдужки. Далі ми позначатимемо його як ген О. Виявилося, що ген О пов’язаний із роботою гена Н: останній є регулятором, який запускає роботу гена О в клітинах райдужки. Утворилася наступна модель формування кольору очей: наявність функціонального гена Н необхідна для запуску роботи гена О в клітинах райдужки; у свою чергу наявність функціонального гена О необхідна для накопичення меланіну.

1 Блакитний колір зумовлений розсіянням синього світла на волокнах колагену райдужки ока.

Таблиця 33.4. Залежність кольору очей від генотипу за геном Н

Рис. 33.2. Схема зв’язку між роботою генів, накопиченням меланіну в пігментних клітинах і кольором очей

«Поломка» навіть одного з цих генів буде призводити до появи очей блакитного кольору (рис. 33.2).

Тож які фенотипи будуть мати люди з різним набором алелів описаних генів? Позначимо природні функціональні алелі як Н і О, а мутантні нефункціональні — як h і о (табл. 33.5).

Очевидно, що така модель може пояснити народження кароокої дитини в пари блакитнооких батьків (рис. 33.3). Якщо мати несе функціональний алель гена Н, а батько функціональний алель гена О, то внаслідок потрапляння цих алелів до генотипу одного організму буде спостерігатися карий колір очей.

Таблиця 33.5. Залежність кольору очей від генотипу за генами Н і О

Рис. 33.3. Схема, що пояснює народження кароокої дитини в блакитнооких батьків

Кожен із батьків «доповнює» генотип дитини функціональним алелем гена.

Подібну взаємодію генів, коли вони наче доповнюють один одного та разом забезпечують прояв фенотипової ознаки, називають комплементарністю. Комплементарність — найпростіший приклад полігенного успадкування, тобто такого успадкування ознаки, в якому бере участь більше ніж один ген. На сьогодні вченим відомо, що більша частина ознак людини, таких як колір очей, колір і форма волосся, форма носа і вух, здатність згортати язик трубочкою, група крові за системою резус-фактора і багато інших визначаються роботою багатьох комплементарних генів. Це пояснює не лише народження кароокої дитини від блакитнооких батьків, але й дитини-брюнета в родині блондинки і блондина.

Розташування генів на одній хромосомі може впливати на ймовірність появи певного генотипу в нащадків

Як зразок, розглянемо шлюб двох карооких батьків, які є дигетерозиготами за генами Н і О. Тобто їхні генотипи будуть HhОо. Розрахуємо ймовірність народження карооких і блакитнооких дітей у цьому шлюбі. Для цього використаємо решітку Пеннета (табл. 33.6).

Таблиця 33.6. Решітка Пеннета схрещування двох дигетерозигот за генами Н і О

Очікуване розщеплення за фенотипом у цьому шлюбі складатиме 9:7, тобто ймовірність народження кароокої дитини трохи вища за ймовірність народження блакитноокої. Такий розподіл було отримано з урахуванням припущення, що гени Н і О успадковуються незалежно.

Виявляється, що обидва гени розташовані в безпосередній близькості один від одного в 15-й хромосомі. Як правило, комбінація алелів, що розміщені поруч на одній хромосомі, у процесі мейозу потрапляє до статевої клітини без змін. Таке успадкування двох генів називають зчепленим, і воно призводить до відхилення розщеплення від очікуваного згідно з законами Менделя.

Припустимо, що в дигетерозиготи домінантні алелі розташовані на одній хромосомі, а рецесивні — на другій. Таке розміщення алелів іще має назву цис-положення (рис. 33.4, А). Ці дигетерозиготи вироблятимуть гамети тільки двох типів. Як ми бачимо з рисунка 33.5, у випадку шлюбу двох дигетерозиготних людей із подібним розташуванням алелів, імовірність народження карооких дітей складає 75 %, тобто розщеплення 3:1 замість очікуваного при незалежному успадкуванні 9:7.

Утім алелі дигетерозигот можуть мати протилежну орієнтацію алелів у хромосомах, відому як трансположення (рис. 33.4, Б). У цьому випадку на кожній хромосомі дигетерозиготи розташований домінантний алель одного гена, а рецесивний іншого. Побудувавши схему схрещування, що аналогічна до тієї, яка зображена на рисунку 33.5, неважко буде впевнитися, що ймовірність народження карооких і блакитнооких дітей дорівнює 50 %. А значить розщеплення становитиме 1:1, а не 9:7. Як бачимо, зчеплене успадкування суттєво впливає на розщеплення фенотипів нащадків.

Рис. 33.4. Цис- (А) і транс-положення (Б) алелів зчеплених генів Н і О

Рис. 33.5. Зчеплене успадкування кольору очей у родині двох дигетерозигот, коли гени Н і О розташовані в цис-положенні

У ряді випадків зчеплення може порушуватися. Це відбувається в результаті кросинговеру між хромосомами в процесі утворення гамет. Хромосоми переплітаються та обмінюються ділянками. Виходить, що в результаті кросинговеру утворюються «нові» хромосоми, які складаються зі зшитих шматків «старих», а значить тепер хромосоми несуть нові комбінації алелів, яких могло не бути в батьків. При цьому, чим далі гени розташовані один від одного в одній хромосомі, тим вища ймовірність кросинговеру. Гени, розміщені достатньо далеко один від одного в одній хромосомі успадковуються незалежно. Це зумовлено тим, що через максимальну ймовірність кросинговеру (50 %) їхні алелі випадково розподілятимуться між новоутвореними хромосомами. Тобто ймовірність появи гамет із усіма можливими генотипами за цими генами однакова.

Таблиця 33.7. Успадкування кольору шкіри в людини

При полімерії ступінь прояву ознаки визначається кількістю домінантних алелів різних генів

Деякі гени мають схожий фенотиповий ефект. При цьому ступінь прояву ознаки залежить від кількості певних алелів. Такий тип полігенного успадкування називають полімерією. Приклад полімерії — це успадкування кольору шкіри в людей. Відомо, що колір людської шкіри залежить, переважно, від чотирьох генів, і що більше в генотипі людини домінантних алелей цих генів, то темніший колір шкіри (табл. 33.7).

Перші люди були темношкірими завдяки активному синтезу меланіну. Це в умовах Центральної та Східної Африки забезпечувало захист від ультрафіолетового випромінювання. У частині популяцій, які переселилися з Африки до північніших широт, закріпилася мутація, що забезпечує світліший колір шкіри через зменшення утворення меланіну. У світлій шкірі активніше відбувається біосинтез вітаміну D за умов меншої інтенсивності освітлення. Із часом виник ряд алелів інших генів, які впливають на синтез меланіну, в результаті чого люди на Землі мають різні відтінки шкіри.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Скільки комірок міститиме решітка Пеннета для схрещування двох тригетерозигот, якщо гени розташовані в різних хромосомах?

А 9

Б 16

В 24

Г 28

Д 64

• 2. Яка ймовірність народження дитини з карими очима в родині двох дигетерозиготних батьків за генами Н і О, якщо в одного з батьків домінантні алелі знаходяться в цис-положенні, а в іншого в транс?

А 0 %

Б 25 %

В 50 %

Г 75 %

Д 100 %

• 3. За наявності домінантного функціонального алеля гена Н колір очей не завжди карий, тому що для такого кольору очей

А потрібен рецесивний алель гену Н

Б потрібен ще й рецесивний алель гену О

В потрібні рецесивні алелі генів Н і О

Г потрібні домінантні алелі генів Н і О

Д потрібні рецесивний алель гену Н і домінантний алель гену О

• 4. Якщо до шлюбу вступають люди з максимально темною і максимально світлою шкірою, то серед їхніх дітей пер вважатимуть

А світлошкірі

Б світлі мулати

В середні мулати

Г темні мулати

Д темношкірі

• 5. Увідповідніть закономірність полігенного успадкування й механізм її реалізації.

А зчеплене успадкування, цис-положення

Б зчеплене успадкування, транс-положення

В незалежне успадкування, незчеплене зі статтю

Г незалежне успадкування, зчеплене зі статтю

У житті все просто

• 6. Схарактеризуйте всі потрібні умови для незалежного успадкування ознак.

• 7. Як за результатами аналізувального схрещування дигетерозиготи визначити, у якому положенні (цис- чи транс-) знаходяться досліджувані гени? Чи можна таким чином з’ясувати, що гени успадковуються незалежно?

У житті все не так просто

• 8. Різноманіття кольору очей, що спостерігається в людей, неможливо пояснити взаємодією лише двох генів. Скільки генів бере участь у визначенні кольору очей? Чому відтінків кольору очей більше, ніж це може забезпечити така кількість генів?