03. Фенотип гетерозиготы (Лекции по генетике)

ГЕНЕТИКА 3. ФЕНОТИП ГЕТЕРОЗИГОТЫ.

О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2013 г.

3.1 Доминирование.

Если организм является гомозиготой в отношении какого-то локуса, то есть обе его копии, полученные от отца и от матери, заняты идентичным аллелем, то этот же аллель будет иметь и все производимые им гаметы. Если у нас есть популяция или лабораторная линия, составленная из таких гомозигот, и мы пренебрежеммутированием de novo, то эта популяция или линия будет неизменно представлена только лишь такими гомозиготами и иметь соответствующий им фенотип. Как правило, хотя и не всегда верно и обратное – если популяция или линия неизменно воспроизводит один и тот же фенотип, то скорее всего она представленагомозиготами по соответствующему этому фенотипу аллелю (в действительности в ней может быть несколько аллелей, неразличимых в данном опыте, но нам это сейчас не важно). Пусть у нас есть две таких гомозиготных линии допустим некоего растения, одна с неизменно красными цветками, другая – с белыми. Мы можем предположить, что белые цветки определяются находящимся в гомозиготе «сломанным» нуль-аллелем некоего локуса, ответственного за синтез красного пигмента, тогда как красноцветковые растения гомозиготны по аллелю дикого типа. Наша ситуация пока вполне соответствует «теории присутствия-отсутствия», предложенной еще в 1902 г. переоткрывателями открытия Менделя Карлом Корренсом и Уильямом Бэтсоном. (Тогда казалось, что таковы все гены и у каждого локуса есть только два аллеля – функциональный и нефункциональный»). Обозначим аллель, связанный с белоцветковостью, как a, а аллель дикого типа с красными цветками – как A. Возьмем две противоположных гомозиготы и охарактеризуем и запишем их генотип этих растений. Из всех их генов нас пока интересует только единственный ген а. Именно в отношении этого локуса мы и будем описывать генотип. Это делается следующим образом: генотип первого растения – А А, второго –а а (здесь подряд записаны символы аллелей данного локуса, находящиеся в двух гомологах, которые в нашем случае совпадают). Охарактеризуем фенотип. У первого растения цветы красные, у второго – белые. Это все, что нам в данном случае нужно знать о фенотипе, и все, что о нем известно. Запишем фенотип, как в первом случае, – А, во втором – а. Одна буква для одного признака. Напомню, что генотип принято записывать курсивом, фенотип – обычным шрифтом.

Скрестим эти две гомозиготы. Пусть мы используем растение с генотипом АА как материнское, т. е. на его пестик наносим пыльцу отцовского растения с генотипомаа. Оба родителя диплоидны и гомозиготны в отношении гена a, то есть каждый имеет только один аллель, его же несут и их гаметы. У нас нет никакого выбора – все яйцеклетки первого растения имеют генотип А (только одна буква, так как только один гомолог), а все спермии второго растения – генотип а. Из зиготы образуется семя, из семени вырастает растение. Этот новый индивидуум, получившийся от скрещивания, называется гибридом первого поколения (принято говорить – гибрид F1). Каков будет генотип этих гибридов? Нетрудно догадаться, что все они будут одинаковы, и что у них один гомолог будет нести аллель А, а второй – аллель а. Соответственно они имеют генотип А а, т. е. гетерозиготны.

А какой фенотип? Какого цвета будут цветы у гетерозиготы А а? Общего логического решения этот вопрос не имеет. Чтобы что-то предсказать, мы должны знать механизм реализации наследственной информации в фенотипе (заметим, что это - центральная проблема всей биологии) в нашем конкретном случае - одновременного присутствия аллелей А и а. Именно неопределенность фенотипа гетерозигот в общем случае и различные возможности в конкретных случаях, о чем мы сейчас будем говорить, делает генетику довольно сложной наукой. Как правило, результат гораздо проще узнать это из эксперимента, чем предсказать, однако все же попробуем это сделать.

Если мы предположим, что наш локус кодирует фермент, участвующий в биосинтезе пигмента антоциана, то можем сделать и некоторое предположение. Фермент – это катализатор, т. е. вещество, ускоряющее реакцию и в ее процессе не расходующееся. Количество катализатора влияет на скорость протекания реакции. Но если эта скорость не имеет критического значения, то реакция будет идти, пока не израсходуется продукт. Другими словами, если у гомозиготного растения фермент синтезировался за счет транскрипции одновременно с обоих копий аллеля А, имеющихся в двух гомологах, то у гетерозиготы он будет синтезироваться за счет транскрипции только одного аллеля А. Если с соответствующей мРНК может считаться определенное количество белкового продукта (а так обычно и есть), то можно ожидать, что гетерозигота А А будет иметь вполовину меньше фермента, чем гомозигота А а. И можно также ожидать, что это никак не отразится на полноте протекания катализируемой им реакции – все молекулы субстрата превратятся в молекулы продукта. В таких случаях говорят, что процесс идет по принципу «все или ничего». Есть сколько-то фермента – реакция прошла до конца, нет – не прошла вообще. (Вообще, в химии разница концентрации какого-то вещества вдвое редко оказывает критическое влияние на процесс, для этого как правило нужны изменения на порядки.) В этом собственно и состоит помехоустойчивость диплоидной фазы. Согласно такой логике, гетерозигота А а будет иметь красные цветки.

Развитие признака по закону «все или ничего» может быть следствием не только того, что локус кодирует фермент, присутствие которого в клетке важно, а количество – нет. Во многих биологических процессах, в том числе и регуляторного характера, встречается такое явление, как пороговый эффект – когда некий процесс запускается, лишь если концентрация какого-то вещества – обычно это регуляторный фактор – достигает определенного порога, причем такие процессы также запускаются по принципу «все или ничего» и могут приводить к появлению признака по этому же принципу.

Проявление у гетерозиготы в полной мере признака, связанного с одним из аллелей, так что ее фенотип неотличим от фенотипа гомозиготы по этому аллелю, и называется доминированием этого аллеля. Доминирование как феномен отличается простотой, но причины его, как мы увидели из рассуждения выше, достаточно нетривиальны. Аллель, признак которого в гетерозиготе проявляется, называется доминантным, а аллель, признак которого не проявляется (подавляется) –рецессивным (это антоним слову доминантный). В генетике многих организмов принято доминантный аллель обозначать прописной буквой, рецессивный – строчной. В нашем примере аллель А – доминантный, аллель а – рецессивный.

Мне бы очень хотелось, чтобы разобранный простейший пример был не «неким растением», а классическим генетическим объектом, например, горохом, у которого мы имеем точно такую ситуацию и локус с аллелями с теми же самыми обозначениями. Однако локус a гороха был недавно расшифрован и оказалось, что он кодирует не фермент, а фактор, связывающийся с ДНК (и имеющий характерный для таких белков helix-loop-helix домен) и входит в комплекс регуляторных генов, регулирующих транскрипцию «рабочих» генов, кодирующих ферменты, участвующие в  биосинтезе флавоноидов. То есть наша красивая логика, опирающаяся на сущность ферментов, приведшая к правильному результату, оказалась как бы бы неверной. Можно было бы взять не менее хрестоматийных дрозофил с белыми и красными глазами, однако оказалось, что соответствующий локус w (white) кодирует белок трансмембранного транспорта, который, в частности, доставляет в клетки предшественники пигментов, то есть опять-таки - не фермент. Можно, однако, удовольствоваться локусом b гороха, где доминантный аллель B обеспечивает пурпурную окраску цветков, а рецессивный аллель b – тепло розовую. Вот этот ген кодирует уже фермент, флавоноид -3’-5’-гидроксилазу, участвующий в синтезегликозилированных дельфинидина и петунидина – пигментов, отсутствующих у растений с фенотипом b. Иак, мы все же нашли случай, к которому приложимы наши разумные рассуждения.

Термины «доминантный» и «рецессивный» и обозначение прописной и строчной буквами было введено еще самим Менделем. Эта терминология хороша для системы из двух аллелей. Многие гены подобны рассматриваемому примеру – кодируют фермент и имеют два основных аллеля – дикий тип и нуль-аллель. При этом дикий тип всегда доминантен по отношению к нуль-аллелю. Но не по отношению к любому аллелю – доминантными бывают и мутантные аллели.

3.2. Тест на аллелизм.

На явлении доминирования, а также на том, что доминантными обычно оказываются аллели дикого типа, а нефункциональные мутантные аллели оказываются рецессивными, основан так называемый функциональный тест на аллелизм, который как раз позволяет определить, принадлежат ли мутантные аллели одному локусу или нет. Он был предложен Томасом Морганом, когда тот еще разделял теорию присутствия-отсутствия, поэтому первоначально с помощью этого теста предполагалось определять не только принадлежность аллелей одному локусу, но и их идентичность.

Допустим, мы получили рецессивную мутацию с неким фенотипом, который похож на фенотип уже известной нами рецессивной мутации. Воспользуемся упомянутым выше примером с белыми цветами гороха. Дикий тип окраски цветков у гороха – пурпурный. Со времен Менделя известен горох с белыми цветками, в которых отсутствует антоциан. Соответствующий этому фенотипу аллель а – рецессивен, то есть ген, каким-то образом участвующий в метаболизме антоциана – сломан, представляет собой нуль-аллель. В свое время мы обработали семена гороха химическим мутагеном и получили возникшую de novo рецессивную мутацию, также дающую в гомозиготе белые цветы. Как узнать – мутация произошла в локусе a или в каком-то другом локусе? Скрестить гомозиготы по одной и по второй. Если они имели место в одном и том же локусе, то такая гетерозигота от одного родителя получит один дефектный аллель, от второго – другой дефектный аллель, но не получит ни одной функциональной копии гена (в молекулярном смысле), находящегося в данном локусе. В результате ее цветы будут белыми. Если же эти мутации произошли в разных локусах, ответственных за разные аспекты синтеза антоциана, то у полученного гибрида в каждом локусе будет по одной аллели дикого типа с ненарушенной молекулярной функцией, который доминирует над дефектным и «спасет» соответствующий этап жизнедеятельности клетки. Такой гибрид будет иметь нормальный фенотип.

Вспомним нейроспору, явившуюся тем самым объектом, на котором была сформулирована имевший историческое значение принцип «один ген – один фермент». Бидли Тейтам работали с ауксотрофными мутантами нейроспоры – это были мутанты, неспособные самостоятельно синтезировать какое-то необходимое в организме вещество, в норме синтезируемое. Для того, чтобы таких мутантов можно было выращивать, эти вещества необходимо добавлять в среду. Это очень удобно – мутантный штамм можно идентифицировать как не растущий на минимальной среде, поддерживать на полной среде и выяснять каким именно дефектом он обладает в опытах со средами, куда добавлены те или иные вещества. Основной вывод исследований Бидла и Тейтама был такой – мутанты, дефектные в отношении синтеза одного и того же биохимического процесса всегда оказывались аллелями одного локуса. Следовательно, каждый локус ответственен за один биохимический процесс. Поскольку каждый биохимический процесс осуществляется одним ферментом, то нормальный аллель каждого локуса и обеспечивает этот фермент. Структура ДНК тогда не была известна, доказательство того, что именно она является носителем наследственности, было получено двенадцатью годами позже, но понятие локус уже существовало – генетика работала с виртуальным носителем информации.

Скажите, а как можно было проверить аллельность разных мутантов нейроспоры по одному и тому же ферменту? Ведь мы не можем здесь получить гетерозиготу и определить ее фенотип – гетерозиготна у нейроспоры только аскогенный гиф и аска, у которых вообще нет интересующего нас фенотипа в отношении обмена веществ, поскольку они получают все готовое от гаплоидного мицелия. Что же нужно предпринять? Правильно, и здесь следует скрестить их попарно. В случае аллельных мутаций мы никогда не получим восстановления нормального фенотипа у потомства, потому что в опыте вообще не фигурирует нормальный аллель. А в случае неаллельных мутаций у нас каждый партнер скрещивания всегда несет мутантный аллель в одном локусе, но нормальный аллель во втором локусе. Подсчитаем вероятность возникновения нормального потомства, если неаллельные мутанты находятся на разных хромосомах. На какой стадии определяется – получит ли потомство нормальный аллель? Правильно, на стадии редукционного деления. По каждому локусу в каждую клетку тетрады нормальный аллель попадет с вероятностью 1/2, вероятность сложного события, состоящего в том, что это случится для обоих локусов, есть произведение 1/2 х 1/2 = 1/4. Если локусы находятся на одной хромосоме, картина усложняется, что мы в деталях разберем в дальнейшем.

Так же приходится поступать и если у нас есть две доминантные (над аллелем дикого типа) мутации с одинаковым фенотипическим проявлением. В этом случае тест на аллелизм также усложняется, поскольку гибрид первого поколения между гомозиготами по каждой из них в любом случае будет иметь соответствующий доминантный фенотип. Если обе доминантные мутации аллельны, то у такого гибрида не будет рецессивных аллелей дикого типа, и все его потомство будет иметь доминантный фенотип. Если они неаллельны, то есть принадлежат к разным локусам, то у одного из родителей один, а у другого - другой из двух локусов будетгомозиготен по нормальному аллелю, и эти нормальные аллели проявятся в следующих поколениях потомства.

Приведу еще два термина, из которых первый имеет скорее историческое значение, второй же часто употребляется в генетике дрозофилы. Восстановление дикого типа при скрещивании двух гомозигот по неаллельным генам называется комплементацией – то есть гены родителей как бы дополняют друг друга с восстановлением всех функций у гибрида. Поэтому функциональный тест на аллелизм иногда называют тестом на комплементацию (в первой формулировке подразумевается, что тестируется алельность мутаций, во второй – их неаллельность). Второй термин: когда два разных рецессивных аллеля находятся в гетерозиготе, принято говорить, что они находятся в компаунде, а саму такую гетерозиготу называют компаунд.