07. Взаимодействия генов (Лекции по генетике)

ЛЕКЦИЯ 7. Взаимодействие генов.

О.Э. Костерин, ИЦиГ СО РАН и ФЕН НГУ, Новосибирск, 2012 г.

7.1. Вводные замечания

Рассмотрев простые случаи наследования, изученные еще Менделем, а именно наблюдающиеся в моногибридном, дигибридном и анализирующем скрещиваниях, нам следовало бы продолжить тему генетического расщепления и перейти к более сложным случаям наследования. Усложнение генетического расщепления возможно за счет двух явлений – генетического сцепления и взаимодействия генов. В наше время рассмотрение каждого из них потребует углубления в их молекулярную основу, которое будет нас достаточно далеко уводить от наследования, то есть он количества и численных соотношений генотипических и фенотипических классов. Тем не менее, нам придется постоянно к нему возвращаться. Хотя оба явления – генетическое сцепление и взаимодействие генов - могут встречаться вместе, нам следует рассмотреть их по отдельности, при этом не особенно важно с какого мы начнем.

Давайте начнем со взаимодействия генов. Этим термином обозначается не непосредственное физическое взаимодействие материальных носителей наследственности, а взаимодействие генов, как регуляторов программы развития организма, на уровне фенотипа. Таким образом, этот термин остался всецело в ведении классического определения гена как единицы наследственности. Это связано с тем, что гены как материальные объекты – участки ДНК - редко взаимодействуют друг с другом и даже если это имеет место, то происходит вне связи с их биологической функцией. Удивительно, но и здесь следует ожидать скорого затаптывания генетической терминологии молекулярно-биологической. Недавно было проведено исследование по косеквенированию участков ДНК, физически находящихся рядом друг с другом, и было выявлено множество случаев, когда те или иные кодирующие последовательности как правило оказываются рядом. Будучи по всей видимости в неведении относительно занятости термина, авторы ничтоже сумняшеся назвали это явление gene interaction (хотя могли бы применить более удачный термин genecontacts).

Уже классические «гороховые» примеры дигибридного расщепления привели нас к рассмотрению фенотипов, включающих более одного, а именно два, признака. Но это были признаки даже не независимые, а несопоставимые – касавшиеся формы и цвета. Однако из общих соображений ясно, что большинство признаков организма в той или иной степени связаны с организмом в целом, и если организм является продуктом почти всех своих генов, то и на формирование почти любого признака должно влиять множество самых разных генов. И действительно, мы постоянно сталкиваемся с тем, что один и тот же признак находится под контролем нескольких известных нам локусов. Можно уточнить – у нас сплошь и рядом оказываются в руках неаллельные мутации, влияющие на один и тот же признак. Немаловажно, что такой набор мутаций позволяет нам, не углубляясь в молекулярные механизмы формирования признака, реконструировать основные моменты генетической программы развития, сопровождающегося формированием данного признака, то есть установить ту схему управления, по которой локусы влияют друг на друга; даже лучше сказать регулируют – в простейшем случае включают и выключают - друг друга. В общем случае такие схемы называются также генные сети.

Взаимодействие генов может влиять как на то, какие именно фенотипы будут наблюдаться, так и на их численные соотношения. Давайте начнем с примеров, которые не влияют на численные соотношения классов, то есть на генетическое расщепление.

7.2. Фенотипы сочетаний неаллельных мутаций.

7.2.1. Взаимодействие генов вследствие субъективности признаков

Иногда функции двух локусов никак не влияют друг на друга и определяют по сути разные признаки, однако на уровне тех признаков фенотипа, которые воспринимаются человеком, можно говорить о взаимодействии их функций. К таким признакам относится, например, цвет. Все знают волнистых попугайчиков. Они бывают зеленые, голубые, желтые и белые. Дикие попугайчики, обитающие, как известно, в Австралии, окрашены в зеленый цвет, значит они должны иметь функциональные аллели дикого типа. Белые попугайчики из общих соображений «мутантные». Скрещивание тех и других дает зеленых гибридов первого поколения, что также соответствует нашим ожиданиям. Скрещивание же их между собой дает четыре фенотипа: зеленые, голубые, желтые и белые, в хорошо знакомых нам соотношениях дигибридного скрещивания 9 : 3 : 3 : 1. Со всей очевидностью, мы имеем два локуса, аллели дикого типа которых обеспечивают, соответственно, голубой и желтый пигменты. Зеленого пигмента нет, а зеленый цвет получается при смешении голубого и желтого – как это и происходит при смешивании соответствующих красок. Если мы померим спектр света, отраженного от оперения, мы увидим преобладание голубых и желтых фотонов, но не увидим преобладания зеленых. Таким образом, признак «зеленый цвет» у попугайчиков - по сути составной, это не «истинный» зеленый цвет, какой, например, имеет листва, а локусы, обеспечивающие пигменты, вообще никак не взаимодействуют. Однако человеческим зрением данный составной признак воспринимается как цельный и мы говорим, что два гена окраски взаимодействуют (в отношении фенотипа!), приводя к зеленой окраски.

Совершенно аналогичные примеры, связанные с цветом цветков, существуют в растительном царстве. Есть растение прострел раскрытый, или сон-трава (Pulsatillapatens L.), в наших местах неправильно называемое «подснежник» (потому, что цветет очень рано, красивое, а настоящего подснежника у нас нет). В Европейской части его цветы в основном фиолетовые, в Омске в основном желтоватые, у нас в Академгородке тоже, а вот уже на ближайших возвышенностях, на Буготакскихсопках и Салаире, встречаются белые, желтоватые, пурпурные и фиолетовые. Мы снова имеем четыре фенотипических класса по окраске. Оказалось, что один локус ответственен за присутствие желтой окраски, другой – фиолетовой (эти окраски обусловлены присутствием, соответственно, каротиноидов и антоцианов). На больших территориях преобладает доминантный аллель в одном из локусов, и рецессивный (аморфный, loss-of-function) – в другом, на стыках этих территорий – например, на приподнятом востоке Новосибирской области – встречаются все четыре аллеля и четыре же фенотипических класса. Заметим, что ни один из этих аллелей нельзя назвать диким типом. Еще заметим, что ботаники упорно не желают замечать этих фактов и предпочитают считать белые и желтые прострелы одним видом (P. flavescens), а фиолетовые и пурпурные – другим (P. patens в Европе и P. multifidum в Сибири).

7.2.2. Пример взаимодействия генов, определяющих архитектонику сложного листа гороха. Кадастровые и селекторные гены.

Рассмотрим теперь поучительные примеры влияния разных локусов на один и тот же признак, взятые из генетики растений. Замечу, что признак мы рассмотрим достаточно сложный, такой как «архтектоника сложного листа». (Ниже имеет смысл не забывать, что аллели, локусы и генотипы будут как обычно обозначаться курсивом, а фенотипы – прямым шрифтом).

Нормальные (дикого типа) растения гороха имеют сложный лист, по одному на узле, состоящий из пары сидячих листочкообразных прилистников и оси листа (рахиса), несущей парные латеральные органы, в проксимальной части, или как это принято называть в генетике развития – проксимальном домене представленные листочками, а в дистальном домене – усиками - цилиндрическими органами, соответствующими центральной жилке листочка и способными обвиваться вокруг субстрата. (Надеюсь, никто не спутает этот домен с доменами белков – это разные термины из разные областей, использующие одно и то же французское по происхождению слово domaine с первоначальным значением «чья-то территория»: часто говорили о королевском домене как о совокупности земель, принадлежавших непосредственно короне.) Иногда на границе доменов возникает смешанная пара, состоящая из листочка и усика, без каких либо переходов между ними (то есть переключение развития в направлении одного из органов происходит по закону «все или ничего», как показано на следующей фотографии:

С давних времен у гороха известны две мутации, tl и af, дающие в гомозиготе следующие фенотипы:

Мутация af рецессивная, мутация tl, как мы помним, формально проявляет неполное доминирование, но, учитывая исключительную близость гетерозиготного фенотипа к норме, в целях нашего рассмотрения мы пока можем считать ее рецессивной.

Описывая эти фенотипы в самой краткой форме, мы можем сказать, что мутация af (aphila) превращает листочки в усики, а мутация tl – усики в листочки. Тем самым, они попадают в класс так называемых гомеозисных мутаций, приводящих к развитию органов не на своих местах. Это понятие чаще применяется к знаменитым мутациям дрозофилы, но вполне уместно и в данном случае.

Хороший вопрос – каков будет фенотип двойной гомозиготы по обеим таким мутациям? Что происходит, когда одна мутация пытается превратить усики в листочки, а другая - листочки в усики? Наиболее формальный ответ выглядел бы так – листочки и усики поменяются местами, в проксимальном домене возникнут усики, а в дистальном – листочки. Формальность такого ответа заключалась бы в том, что он предполагает, что мутации превращают в свою противоположность уже имеющиеся органы. Но гены, определяющие идентичность органов, действуют в развитии организма, когда органов еще нет, наоборот, они-то и инициируют развитие тех или иных органов. Размышления такого рода приводят нас к более тонкому вопросу – превращают ли рассматриваемые мутации один орган в другой везде, где бы ни образовалась его закладка, либо их действие ограничено «своим» доменом (в последнем случае листочки и усики у двойной гомозиготы все равно поменялись бы местами). Но тогда чем определяются границы доменов?

Таким образом мы пришли к весьма фундаментальному умозрительному выводу. Если гены управления развитием суть звенья регуляторного каскада – генной сети – то каждый такой ген можно рассматривать в качестве субъекта, принимающего некое решение. В контексте развития организма такие решения распадаются на два принципиальных класса – решение где и решение что. Как если бы первые представляли собой армию, устанавливающую границу государства, а вторые – законодателей, устанавливающими законы, по которым должны жить граждане этого государства. Допустим, у гороха одни гены должны определять, где находится граница дистального и проксимального домена листа, а другие – какие именнно органы там вырастут. Гены первого типа принято называть кадастровыми (cadastralgenes; вспомним земельный кадастр), гены второго типа – селекторными (selector genes), или генами идентичности органов (organ identity genes). Деление это несколько условно, поскольку некоторые гены совмещают обе функции, а некоторые функции затруднительно отнести к одному из классов ввиду неясности того, чтов считать доменом. Тем не менее, иметь представление об двух классах генов развития необходимо.

Относительно генов af и tl мы пока не располагаем информацией, к какому типу они относятся. Мы можем лишь утверждать, что поскольку наши мутациирецессивны, они суть аморфны либо гипоморфны, то есть связаны с потерей молекулярной функции гена. Аллель дикого типа Af, мог бы устанавливать границу доменов листа, так что у мутантных растений с потерей его функции дистальный домен мог бы занимать весь лист. Либо он мог бы направлять развитие парных органов в проксимальном домене в направлении листочков, а потеря его функции вследствие мутации приводила бы к тому, что усики развивались бы по умолчанию и в проксимальном домене. Те же априорные соображения применимы и к гену tl. Потеря его функции могла бы приводить либо к распространению проксимального домена на весь лист, либо к развитию по умолчанию листочков также и в дистальном домене.

(Впрочем, вдумчивый читатель мог бы припомнить из лекции 3, что ген tl проявляет неполное доминирование, так что гетерозигота имеет узкую листовую пластинку вдоль усиков, превращая их как бы у сверхузкие листочки. При этом промежуточный характер приобретают парные органы, а не место их развития, и граница доменов остается неизменной, так что ген tl почти наверняка селекторный. Оставим пока эти совершенно справедливые соображения для чистоты нижеследующего дидактического упражнения.)

Давайте для простоты рассуждений припишем мутантным аллелям наших генов краткий девиз или скорее произносимое ими заклинание фенотипа, связанное с потерей молекулярной функции их локусов, так чтобы эффект соответствовал вышеприведенной картинке и в зависимости от того, является ген кадастровым или селекторным:

Давайте теперь попробуем предсказать фенотип двойной гомозиготы по этим мутациям в зависимости от предположения о характере каждого из генов. Для этого посмотрим на то, как будут звучать пары заклинаний