07. Взаимодействие генов (Лекции по генетике)

Лекция 7ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru7.1. Вводные замечанияРассмотрев простые случаи наследования, изученные еще Менделем, а именнонаблюдающиеся в моногибридном, дигибридном и анализирующем скрещиваниях, намследовало бы продолжить тему генетического расщепления и перейти к более сложнымслучаям наследования.

Усложнение генетического расщепления возможно за счет двухявлений – генетического сцепления и взаимодействия генов. В наше время рассмотрениекаждого из них потребует углубления в их молекулярную основу, которое будет насдостаточно далеко уводить от наследования, то есть от количества и численныхсоотношений генотипических и фенотипических классов. Тем не менее, нам придетсяпостоянно к нему возвращаться.

Хотя оба явления – генетическое сцепление ивзаимодействие генов - могут встречаться вместе, нам следует рассмотреть их поотдельности, при этом не особенно важно с какого мы начнем.Давайте начнем со взаимодействия генов. Этим термином обозначается ненепосредственное физическое взаимодействие материальных носителейнаследственности, а взаимодействие генов, как регуляторов программы развитияорганизма, на уровне фенотипа.

Таким образом, этот термин остался всецело в веденииклассического определения гена как единицы наследственности. Это связано с тем, чтогены как материальные объекты – участки ДНК - редко взаимодействуют друг с другом идаже если это имеет место, то происходит вне связи с их биологической функцией.Удивительно, но и здесь следует ожидать скорого затаптывания генетическойтерминологии молекулярно-биологической. Недавно было проведено исследование покосеквенированию участков ДНК, физически находящихся рядом друг с другом, и быловыявлено множество случаев, когда те или иные кодирующие последовательности какправило оказывались рядом, хотя и не находились поблизости на одной нити ДНК.Будучи, по всей видимости, в неведении относительно занятости термина в генетике,авторы ничтоже сумняшеся назвали это явление gene interaction (хотя могли бы применитьболее удачный термин gene contacts).Уже классические «гороховые» примеры дигибридного расщепления привели нас крассмотрению фенотипов, включающих более одного, а именно два, признака.

Но это1были признаки даже не независимые, а несопоставимые – касавшиеся формы и цвета.Однако из общих соображений ясно, что большинство признаков организма в той илииной степени связаны с организмом в целом, и если организм является продуктом почтивсех своих генов, то и на формирование почти любого признака должно влиять множествосамых разных генов. И действительно, мы постоянно сталкиваемся с тем, что один и тотже признак находится под контролем нескольких известных нам локусов.

Можно ипереформулировать – у нас сплошь и рядом оказываются в руках неаллельные мутации,влияющие на один и тот же признак. Немаловажно, что такой набор мутаций позволяетнам, не углубляясь в молекулярные механизмы формирования признака,реконструировать основные элементы генетической программы развития,сопровождающегося формированием данного признака, то есть установить ту схемууправления, по которой локусы влияют друг на друга; даже лучше сказать регулируют – впростейшем случае включают и выключают - друг друга. В общем случае такие схемыназываются также генные сети.Взаимодействие генов может влиять как на то, какие именно фенотипы будутнаблюдаться, так и на их численные соотношения.

Давайте начнем с примеров, которыене влияют на численные соотношения классов, то есть на генетическое расщепление.7.2. Фенотипы сочетаний неаллельных мутаций.7.2.1. Взаимодействие генов вследствие субъективности признаковИногда функции двух локусов никак не влияют друг на друга и определяют по сутиразные признаки, однако на уровне тех признаков фенотипа, которые воспринимаютсячеловеком, 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 взеленый цвет, значит они должны иметь функциональные аллели дикого типа. Белыепопугайчики из общих соображений «мутантные». Скрещивание тех и других даетзеленых гибридов первого поколения, что также соответствует нашим ожиданиям.Скрещивание же их между собой дает четыре фенотипа: зеленые, голубые, желтые ибелые, в хорошо знакомых нам соотношениях дигибридного скрещивания 9 : 3 : 3 : 1. Совсей очевидностью, мы имеем два локуса, аллели дикого типа которых обеспечивают,соответственно, голубой и желтый пигменты.

Зеленого пигмента нет, а зеленый цветполучается при смешении голубого и желтого – как это и происходит при смешивании2соответствующих красок. Если мы померим спектр света, отраженного от оперения, мыувидим 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, обеспечивающиепигменты, вообще никак не взаимодействуют. Однако человеческим зрением данныйсоставной признак воспринимается как цельный и мы говорим, что два гена окраскивзаимодействуют (в отношении фенотипа!), приводя к зеленой окраски.Совершенно аналогичные примеры, связанные с цветом цветков, существуют врастительном царстве.

Есть растение прострел раскрытый, или сон-трава (Pulsatilla patensL.), в наших местах неправильно называемое «подснежник» (потому, что цветет оченьрано, красивое, а настоящего подснежника у нас нет). В Европейской части его цветы восновном фиолетовые, под Омском в основном желтоватые, у нас в Академгородке тоже,а вот уже на ближайших возвышенностях, на Буготакских сопках и Салаире, встречаютсябелые, желтоватые, пурпурные и фиолетовые.

Мы снова имеем четыре фенотипическихкласса по окраске. Оказалось, что один локус ответственен за присутствие желтойокраски, другой – фиолетовой (эти окраски обусловлены присутствием, соответственно,каротиноидов и антоцианов). На больших территориях преобладает доминантный аллельв одном из локусов, и рецессивный (аморфный, loss-of-function) – в другом, на стыкахэтих территорий – например, на приподнятом востоке Новосибирской области –встречаются все четыре аллеля и четыре же фенотипических класса.

Заметим, что ни одиниз этих аллелей нельзя назвать диким типом. Еще заметим, что ботаники упорно нежелают замечать этих фактов и предпочитают считать белые и желтые прострелы однимвидом (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 листагороха. Кадастровые и селекторные гены.Рассмотрим теперь поучительные примеры влияния разных локусов на один и тот жепризнак, взятые из генетики растений. Замечу, что признак мы рассмотрим достаточносложный, такой как «архтектоника сложного листа».

(Ниже имеет смысл не забывать, чтоаллели, 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),3несущей парные латеральные органы, в проксимальной части, или как это принятоназывать в генетике развития – проксимальном домене представленные листочками, а вдистальном домене – усиками - цилиндрическими органами, соответствующимицентральной жилке листочка и способными обвиваться вокруг субстрата (Рис.

7.1а).(Надеемся, что никто не спутает этот домен с доменами белков – это разные термины изразные областей, использующие одно и то же французское по происхождению словоdomaine с первоначальным значением «чья-то территория»: например, королевский доменкак совокупность земель, принадлежавших непосредственно короне.) Иногда на границедоменов возникает смешанная пара, состоящая из листочка и усика, без каких либопереходов между ними (то есть переключение развития в направлении одного из органовпроисходит по закону «все или ничего», как показано на Рисунке 7.1а.Рисунок 7.1.

Сложный лист дикого типа (а), гомозиготы по мутации af (б) и гомозиготыпо мутации tl (в) (в случае нормы, а, также показаны прилистники) (ориг.).С давних времен у гороха известны две мутации, tl и af (aphila), дающие вгомозиготе фенотипы, которые в самой краткой форме мы можем охарактеризовать так,что что мутация af превращает листочки в усики (Рис. 7.1б), а мутация tl – усики влисточки (Рис. 7.1в). Тем самым, они попадают в класс так называемых гомеозисныхмутаций, приводящих к развитию органов не на своих местах. Это понятие чащеприменяется к знаменитым мутациям дрозофилы, но вполне уместно и в данном случае.Мутация af рецессивная, мутация tl, как мы помним, формально проявляет неполное4доминирование, но, учитывая исключительную близость гетерозиготного фенотипа кнорме, в целях нашего рассмотрения мы пока можем считать ее рецессивной.Хороший вопрос – каков будет фенотип двойной гомозиготы по обеим такиммутациям? Что происходит, когда одна мутация пытается превратить усики в листочки, адругая - листочки в усики? Наиболее формальный ответ выглядел бы так – листочки иусики поменяются местами, в проксимальном домене возникнут усики, а в дистальном –листочки.

Формальность такого ответа заключалась бы в том, что он предполагает, чтомутации превращают в свою противоположность уже имеющиеся органы. Но гены,определяющие идентичность органов, действуют в развитии организма, когда органовеще нет, наоборот, они-то и инициируют развитие тех или иных органов. Размышлениятакого рода приводят нас к более тонкому вопросу – превращают ли рассматриваемыемутации один орган в другой везде, где бы ни образовалась его закладка, либо их действиеограничено «своим» доменом (в последнем случае листочки и усики у двойнойгомозиготы все равно поменялись бы местами). Но тогда чем определяются границыдоменов?Таким образом мы пришли к весьма фундаментальному умозрительному выводу.Если гены управления развитием суть звенья регуляторного каскада – генной сети – токаждый такой ген можно рассматривать в качестве субъекта, принимающего некоерешение.

В контексте развития организма такие решения распадаются на двапринципиальных класса – решение где (или когда, но опустим пока из рассмотренияфактор времени) и решение что. Как если бы первые представляли собой армию,устанавливающую границу государства, а вторые – законодателей, устанавливающимизаконы, по которым должны жить граждане этого государства. Допустим, у гороха однигены должны определять, где находится граница дистального и проксимального доменалиста, а другие – какие именнно органы там вырастут. Гены первого типа принятоназывать кадастровыми (cadastral genes; вспомним земельный кадастр), гены второготипа – селекторными (selector genes), или генами идентичности органов (organ identitygenes).