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, тоесть обе его копии, полученные от отца и от матери, заняты идентичнымаллелем, то этот же аллель будет иметь и все производимые им гаметы. Еслиу нас есть популяция или лабораторная линия, составленная из такихгомозигот, и мы пренебрежем мутированием de novo, то эта популяция илилиния будет неизменно представлена только лишь такими гомозиготами ииметь соответствующий им фенотип. Как правило, хотя и не всегда верно иобратное – если популяция или линия неизменно воспроизводит один и тотже фенотип, то скорее всего она представлена гомозиготами посоответствующему этому фенотипу аллелю (в действительности в ней можетбыть несколько аллелей, неразличимых в данном опыте, но нам это сейчас неважно). Пусть у нас есть две таких гомозиготных линии допустим некоегорастения, одна с неизменно красными цветками, другая – с белыми.

Мыможем предположить, что белые цветки определяются находящимся вгомозиготе «сломанным» нуль-аллелем некоего локуса, ответственного засинтез красного пигмента, тогда как красноцветковые растения гомозиготныпо аллелю дикого типа. Наша ситуация пока вполне соответствует «теорииприсутствия-отсутствия», предложенной еще в 1902 г. переоткрывателямиоткрытия Менделя Карлом Корренсом и Уильямом Бэтсоном. (Тогдаказалось, что таковы все гены и у каждого локуса есть только два аллеля –функциональный и нефункциональный»). Обозначим аллель, связанный сбелоцветковостью, как a, а аллель дикого типа с красными цветками – как A.Возьмем две противоположных гомозиготы и охарактеризуем и запишем ихгенотип этих растений.

Из всех их генов нас пока интересует толькоединственный ген а. Именно в отношении этого локуса мы и будемописывать генотип. Это делается следующим образом: генотип первогорастения – А А, второго – а а (здесь подряд записаны символы аллелейданного локуса, находящиеся в двух гомологах, которые в нашем случаесовпадают).

Охарактеризуем фенотип. У первого растения цветы красные, увторого – белые. Это все, что нам в данном случае нужно знать о фенотипе, ивсе, что о нем известно. Запишем фенотип, как в первом случае, – А, вовтором – а. Одна буква для одного признака. Напомню, что генотип принятозаписывать курсивом, фенотип – обычным шрифтом.Скрестим эти две гомозиготы. Пусть мы используем растение сгенотипом АА как материнское, т. е. на его пестик наносим пыльцуотцовского растения с генотипом аа. Оба родителя диплоидны игомозиготны в отношении гена a, то есть каждый имеет только один аллель,его же несут и их гаметы. У нас нет никакого выбора – все яйцеклеткипервого растения имеют генотип А (только одна буква, так как только одингомолог), а все спермии второго растения – генотип а.

Из зиготы образуетсясемя, из семени вырастает растение. Этот новый индивидуум, получившийсяот скрещивания, называется гибридом первого поколения (принято говорить –гибрид F1). Каков будет генотип этих гибридов? Нетрудно догадаться, чтовсе они будут одинаковы, и что у них один гомолог будет нести аллель А, авторой – аллель а. Соответственно они имеют генотип А а, т. е.гетерозиготны.А какой фенотип? Какого цвета будут цветы у гетерозиготы А а? Общегологического решения этот вопрос не имеет. Чтобы что-то предсказать, мыдолжны знать механизм реализации наследственной информации в фенотипе(заметим, что это - центральная проблема всей биологии) в нашемконкретном случае - одновременного присутствия аллелей А и а.

Именнонеопределенность фенотипа гетерозигот в общем случае и различныевозможности в конкретных случаях, о чем мы сейчас будем говорить, делаетгенетику довольно сложной наукой. Как правило, результат гораздо прощеузнать это из эксперимента, чем предсказать, однако все же попробуем этосделать.Если мы предположим, что наш локус кодирует фермент, участвующий вбиосинтезе пигмента антоциана, то можем сделать и некотороепредположение. Фермент – это катализатор, т. е.

вещество, ускоряющеереакцию и в ее процессе не расходующееся. Количество катализатора влияетна скорость протекания реакции. Но если эта скорость не имеет критическогозначения, то реакция будет идти, пока не израсходуется продукт. Другимисловами, если у гомозиготного растения фермент синтезировался за счеттранскрипции одновременно с обоих копий аллеля А, имеющихся в двухгомологах, то у гетерозиготы он будет синтезироваться за счет транскрипциитолько одного аллеля А. Если с соответствующей мРНК может считатьсяопределенное количество белкового продукта (а так обычно и есть), томожно ожидать, что гетерозигота А А будет иметь вполовину меньшефермента, чем гомозигота А а.

И можно также ожидать, что это никак неотразится на полноте протекания катализируемой им реакции – все молекулысубстрата превратятся в молекулы продукта. В таких случаях говорят, чтопроцесс идет по принципу «все или ничего». Есть сколько-то фермента –реакция прошла до конца, нет – не прошла вообще. (Вообще, в химииразница концентрации какого-то вещества вдвое редко оказываеткритическое влияние на процесс, для этого как правило нужны изменения напорядки.) В этом собственно и состоит помехоустойчивость диплоиднойфазы.

Согласно такой логике, гетерозигота А а будет иметь красные цветки.Развитие признака по закону «все или ничего» может быть следствием нетолько того, что локус кодирует фермент, присутствие которого в клеткеважно, а количество – нет. Во многих биологических процессах, в том числеи регуляторного характера, встречается такое явление, как пороговыйэффект – когда некий процесс запускается, лишь если концентрация какогото вещества – обычно это регуляторный фактор – достигает определенногопорога, причем такие процессы также запускаются по принципу «все илиничего» и могут приводить к появлению признака по этому же принципу.Проявление у гетерозиготы в полной мере признака, связанного с одним изаллелей, так что ее фенотип неотличим от фенотипа гомозиготы по этомуаллелю, и называется доминированием этого аллеля.

Доминирование какфеномен отличается простотой, но причины его, как мы увидели израссуждения выше, достаточно нетривиальны. Аллель, признак которого вгетерозиготе проявляется, называется доминантным, а аллель, признаккоторого не проявляется (подавляется) – рецессивным (это антоним словудоминантный). В генетике многих организмов принято доминантный аллельобозначать прописной буквой, рецессивный – строчной. В нашем примереаллель 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 стеми же самыми обозначениями.

Однако локус a гороха был недавнорасшифрован и оказалось, что он кодирует не фермент, а фактор,связывающийся с ДНК (и имеющий характерный для таких белков helix-loophelix домен) и входит в комплекс регуляторных генов, регулирующихтранскрипцию «рабочих» генов, кодирующих ферменты, участвующие вбиосинтезе флавоноидов. То есть наша красивая логика, опирающаяся насущность ферментов, приведшая к правильному результату, оказалась как быбы неверной. Можно было бы взять не менее хрестоматийных дрозофил сбелыми и красными глазами, однако оказалось, что соответствующий локусw (white) кодирует белок трансмембранного транспорта, который, вчастности, доставляет в клетки предшественники пигментов, то есть опятьтаки - не фермент.

Можно, однако, удовольствоваться локусом b гороха, гдедоминантный аллель B обеспечивает пурпурную окраску цветков, арецессивный аллель b – тепло розовую. Вот этот ген кодирует уже фермент,флавоноид -3’-5’-гидроксилазу, участвующий в синтезе гликозилированныхдельфинидина и петунидина – пигментов, отсутствующих у растений сфенотипом b. Иак, мы все же нашли случай, к которому приложимы наширазумные рассуждения.Термины «доминантный» и «рецессивный» и обозначение прописной истрочной буквами было введено еще самим Менделем.