Неполная пенетрантность. Понятие об экспрессивности и пенетрантности гена. Значение единства внешней и внутренней среды в развитии организма. Взаимодействие аллельных генов

Рассматривая действие гена, его аллелей, необходимо учитывать не только генные взаимодействия и действие генов-модификаторов, но и модифицирующее действие среды, в которой развивается организм. Известно, что у примулы окраска цветка розовая (Р-) - белая (рр) наследуется по моногибридной схеме, если растения развиваются в интервале температур 15-25°С. Если же растения F 2 вырастить при температуре 30-35°С, то все цветки у них оказываются белыми. Наконец, при выращивании растений F 2 в условиях температуры, колеблющейся около 30°С, можно получить разнообразные соотношения от 3Р:1рр до 100% растений с белыми цветками. Такое варьирующее соотношение классов при расщеплении в зависимости от условий внешней среды или от условий генотипической среды (так назвал С.С. Четвериков варьирование генотипа по генам-модификаторам) носит название варьирующей пенетрантности: Это понятие подразумевает возможность проявления или непроявления признака у организмов, одинаковых по исследуемым генотипическим факторам.

Уже упоминался пример плейотропного действия гена - доминантная платиновая окраска лисиц с рецессивным летальным действием. Как показал Д.К. Беляев с сотрудниками, можно добиться рождения живых щенков, гомозиготных по доминантной аллели платиновой окраски, если варьировать длину дня для беременных самок. Таким образом, пенетрантность проявления летального эффекта может быть снижена (уже не будет 100%-ной).

Пенетрантность выражается долей особей, проявляющих исследуемый признак среди всех особей одинакового генотипа по контролируемому (изучаемому) гену.

От внешней среды и генов-модификаторов может зависеть и степень выраженности признака. Например, дрозофила, гомозиготная по аллели vgvg (зачаточные крылья), более контрастно проявляет этот признак при понижении температуры. Другой признак дрозофилы - отсутствие глаз (еуеу) варьирует от 0 до 50% от числа фасеток, характерного для мух дикого типа.

Степень проявления варьирующего признака называется экспрессивностью. Экспрессивность обычно выражают количественно в зависимости от уклонения признака от дикого типа.

Оба понятия - пенетрантность и экспрессивность - были введены в 1925 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским для описания варьирующего проявления генов (рис. 1).

Рис. 1 - Схема, поясняющая варьирование экспрессивности и пенетрантности признака

Тот факт, что признак может проявиться или не проявиться у особей данного генотипа в зависимости от условий или варьировать в различных условиях среды, убеждает в том, что фенотип - это результат действия (и взаимодействия) генов в конкретных условиях существования организма.

Способность генотипа так или иначе проявляться в различных условиях среды отражает норму его реакции - способность реагировать на варьирующие условия развития. Норму реакции генотипа необходимо учитывать как при экспериментах, так и при выведении новых форм хозяйственно ценных организмов. Отсутствие изменений в проявлении признака указывает на то, что используемое воздействие не влияет на данную норму реакции, а гибель организма - на то, что оно уже за пределами нормы реакции. Селекция высокопродуктивных форм растений, животных и микроорганизмов в значительной степени представляет собой отбор организмов с узкой и специализированной нормой реакции на такие внешние воздействия, как удобрения, обильное кормление, характер выращивания и др.

Искусственное сужение или сдвиг нормы реакции используют для маркирования многих жизненно важных генов. Так, были исследованы гены, контролирующие воспроизведение ДНК и синтез белка у бактерий и дрожжей, гены, контролирующие развитие дрозофилы, и др. При этом получали мутанты, нежизнеспособные при повышенной температуре культивирования, т.е. условно-летальные.

Таким образом, материал, рассмотренный в этой главе, показывает, что генотип представляет собой систему взаимодействующих генов, которые проявляются фенотипически в зависимости от условий генотипической среды и условий существования. Только благодаря использованию принципов менделеевского анализа можно условно разложить эту сложную систему на элементарные признаки – фены и тем самым идентифицировать отдельные, дискретные единицы генотипа – гены.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Термин «пенетрантность» ввел Тимофеев-Рессовский. Под этим понятием понимают способность генов проявляться в генотипе; и выражается как частное от деления количества особей с признаком к общему числу особей имеющих ген этого признака. Примерами пенетрантности являются: окраска цветка китайской примулы зависит от температуры воздуха; признаки 100% пенетрантности - группа крови, праворукость.

Экспрессивность - степень проявления признака. Оба свойства зависят от внешних условий. Примерами экспрессивности являются: ген elony («e//е» гомозигота) - черный цвет тела у дрозофилы; серая окраска тела («+//+» гомозигота); если температура меньше 20°, то темно-серая окраска («+//е» гетерозигота); если больше 20°, то серая («+//е» гетерозигота); таким образом, низкая температура говорит о преобладание рецессивных генов, а высокая температура полудоминантных генов.

Множественный аллелизм.

Если ген имеет большое количество аллелей, то эту группу называют серией аллелей. Установлена серия аллелей гена, отвечающего за окраску глаз у дрозофилы: мутация белых глаз (white - белый (I хромосома)).

Р w//w (белая) х wa// (абрикосовая)

F1 w//wa(светло-желтая - компаунд); w// (белая)

Особи - гетерозиготы по данному гену (компаунд). У компаунда не наблюдается возврата к дикому типу, они (особи) имеют промежуточное проявление признаков. Отсутствие возврата к дикому типу является диагностическим признаком аллельности данных мутаций.

wa//wa - I хромосома (абрикосовые)

+//+ - III хромосома (абрикосовые)

+//+ - I хромосома (яркие)

st//st - III хромосома (яркие)

wa и st - неаллельные признаки

И + - дикий тип

C > ch > cch > cальбинос

Дикая гималайская шиншилловая альбинос

С х са - дикая форма

У гречихи и табака есть гены, отвечающие за несовместимость рыльца и пестика:

С1 С2 С3 С4 С5…

Р С1С2 х С1С2 Р С1С2 х С1С3

самоопыление невозможно частичная стерильность

Многие генетические заболевания четко определяются в семье; т.е. аномальный фенотип легко отличить от нормального. Из клинического опыта, тем не менее, известно, что некоторые заболевания могут не проявляться, хотя человек имеет тот же генотип, который вызывает заболевание у других членов семьи. В других случаях одно и то же заболевание может иметь чрезвычайно вариабельное проявление с точки зрения клинической тяжести, диапазона симптомов или возраста начала.

Фенотипическая экспрессия аномального генотипа может модифицироваться эффектами старения, других генетических локусов или факторами окружающей среды. Различия в экспрессии могут часто приводить к трудностям в интерпретации диагноза и родословной. Есть два различных механизма, которые могут объяснить различия в экспрессии: пониженная пенетрантность и вариабельная экспрессивность.

Пенетрантность - вероятность того, что ген будет иметь любые фенотипические проявления. Если частота экспрессии фенотипа менее 100%, т.е. существуют лица, имеющие соответствующий генотип без каких-либо его проявлений, говорят, что ген имеет неполную пенетрантность. Пенетрантность - понятие типа «все или ничего». Это процент людей с патологическим генотипом и его проявлениями, хотя бы в некоторой степени.

Экспрессивность - тяжесть экспрессии фенотипа среди индивидуумов с одним патологическим генотипом. Когда тяжесть болезни различается у людей, имеющих тот же генотип, говорят, что фенотип имеет вариабельную экспрессивность. Даже в одной родословной два индивидуума, несущих те же мутантные гены, могут иметь некоторые одинаковые признаки и симптомы, а другие проявления болезни могут различаться в зависимости от пораженных тканей и органов.

Некоторые трудности в понимании наследования фенотипа болезни, возникающие вследствие возраст-зависимой пенетрантности и переменной экспрессивности, можно рассмотреть на примере аутосомно-доминантного нейрофиброматоза НФ1. Нейрофиброматоз 1-го типа - частое заболевание нервной системы, глаз и кожи, встречается приблизительно 1 на 3500 родов. Значимых различий в частоте болезни среди этнических групп нет.

Нейрофиброматоз 1-го типа (НФ1) характеризуется ростом в коже многочисленных доброкачественных объемных опухолей, нейрофибром; присутствием многочисленных плоских нерегулярных пигментированных участков кожи, известных как «кофейные» пятна или пятна цвета «кофе с молоком»; ростом небольших доброкачественных опухолей (гамартом) в радужке глаза (узелков Лиша); иногда умственной задержкой, опухолями ЦНС, рассеянными плексиформными нейрофибромами и развитием злокачественных опухолей нервной системы или мышц. Таким образом, заболевание имеет плейотропный фенотип.

1-го типа (НФ1) впервые полностью описан врачом фон Реклингаузеном в 1882 г., но, вероятно, болезнь была известна с древних времен. Хотя взрослые гетерозиготы почти всегда имеют какие-нибудь признаки болезни (т.е. пенетрантность у взрослых 100%), некоторые могут иметь только «кофейные» пятна, веснушки в подмышечной области и узелки Лиша, тогда как другие могут иметь угрожающие жизни доброкачественные опухоли, затрагивающие спинной мозг или злокачественные саркомы конечностей.

Таким образом, существует вариабельная экспрессивность ; даже в пределах одной родословной некоторые больные поражены сильно, а другие только слегка. Постановка диагноза усложняется у детей, поскольку симптоматика развивается постепенно с возрастом. Например, в периоде новорожденности менее чем половина всех пораженных имеет хотя бы наиболее легкий признак болезни, «кофейные» пятна. Пенетрантность, следовательно, зависит от возраста.

В гене NF1 обнаружено множество различных мутаций, вызывающих снижение функции продукта гена, нейрофибромина. Приблизительно в половине случаев НФ1 вызван новой, а не унаследованной мутацией.

Главная генетическая проблема при консультировании семей пациентов с НФ1 - необходимость выбора между двумя равновероятными возможностями: болезнь пробанда спорадическая, т.е. новая мутация, или пациент унаследовал клинически значимую форму заболевания от родителя, у которого ген представлен, но слабо проявляет себя. Если пробанд унаследовал дефект, риск, что любой из его или ее сибсов также унаследуют это заболевание - 50%; но если пробанд имеет новую мутацию, риск для сибсов очень небольшой.

Важно, что и в том, и в другом случае риск того, что пациент передаст ген потомству , составляет 50%. Учитывая эту неопределенность, семьям пациентов с НФ1 нужно знать, что заболевание сможет быть обнаружено пресимптоматически и даже пренатально с помощью молекулярного генетического анализа. К сожалению, молекулярная диагностика обычно может только ответить на вопрос, будет ли развиваться заболевание, но не может определить степень его тяжести. За исключением ассоциации полной делеции гена с дисморфиями, умственной задержкой и большим количеством нейрофибром в раннем возрасте, корреляции между тяжестью фенотипа и конкретными мутациями в гене NF1 не выявлено.

Другой пример аутосомно-доминантного порока развития с неполной пенетрантностью - нарушение разделения кисти типа эктродактилии . Порок развития возникает на шестой или седьмой неделе развития, когда формируются кисти и стопы. Заболевание демонстрирует локусную гетерогенность. Выявлено по крайней мере пять локусов, хотя фактически ответственный ген подтвержден только в нескольких из них. Неполная пенетрантность в родословных с пороками развития кисти может привести к пропуску поколений, и это усложняет генетическое консультирование, поскольку человек с нормальными руками может, тем не менее, передавать ген заболевания и таким образом иметь больных детей.

Хотя в целом правила наследования моногенных заболеваний могут быть легко классифицированы на аутосомные или Х-сцепленные и доминантные или рецессивные, наследование в индивидуальной родословной может затемняться множеством других факторов, которые делают трудной интерпретацию вида наследования.

Диагностические трудности могут быть следствием неполной пенетрантности или вариабельной экспрессивности болезни; на экспрессию гена могут влиять другие гены и факторы окружающей среды; некоторые генотипы не доживают до рождения; может отсутствовать точная информация о присутствии заболевания у родственников или о семейных отношениях; доминантные и Х-сцепленные болезни могут вызывать новые мутации; и наконец, при небольшом размере семьи, типичным сегодня для большинства развитых стран, пациент может случайно оказаться единственным больным в семье, когда очень трудно принять решение о типе наследования.

Генетическое заболевание может появляться в любое время в течение всей жизни человека, начиная с раннего внутриутробного развития до старости. Некоторые из них могут быть летальными внутриутробно, другие могут создавать помехи для нормального развития плода и выявляться пренатально (например, ультрасонографией), но совместимы с живорождением; третьи могут быть выявлены только после рождения. (Часто путают генетические и врожденные заболевания.

М

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский

Экспрессивность выражают количествен­но. Частота встречаемости данного признака в поколении называется пенетрантностью (термин предложен Н.В.Тимофеевым-Рессовским в 1927 году). Количественно её выражают в процентах. Пенетрантность бывает полной (100% встречаемость признака) и неполной (встречаемость признака менее 100%). Например, у человека пенетрантность врождённого вывиха бедра составляет 25%, а пенетрантность дефекта глаза «колобомы» - около 50%.

Знание механизмов и характера экспрессивности имеет значение в ме­дико-генетическом консультировании и определении возможного генотипа фенотипически «здоровых» людей, родственники которых имели наследс­твенные заболевания. Явления экспрессивности указывают, что доминированием (проявлением доминантного аллельного гена) можно управлять, обоснованно осуществляя поиск средств, предотвращающих развитие наследственных аномалий и патологически отягощённой наследственности у человека. Тот факт, что один и тот же генотип может явиться источником развития различных фенотипов, имеет существенное значение для медицины. Это означает, что отягощённая наследственность не обязательно должна проявиться в развивающемся организме. В ряде случаев развитие болезни можно предотвратить, в частности диетой или лекарственными препаратами.

Известны одинаковые изменения фенотипа, обусловленные изменениями аллелей различных генов - генокопии. Их возникновение - следствие контроля признака многими генами. Поскольку биосинтез молекул в клетке, как правило, осуществляется многоэтапно, мутации разных генов, контролирующих различные этапы одного биохимического пути, могут приводить к одинаковому результату - отсутствию конечного продукта цепи реакций и, следовательно, одинаковому изменению фенотипа. Так, у человека известно несколько форм глухоты, вызываемых мутантными аллеля­ми трёх аутосомных генов и одного гена Х-хромосомы. Однако в различных случаях глухота сопровождается либо пигментным ретинитом, либо зо­бом, или же аномалиями функции сердца. Проблема генокопий актуальна также в медицинской генетике для прогноза возможного проявления наследственных заболеваний у потомков, если родители имели сходные болезни или аномалии развития.

Нарко́тик - химический агент, вызывающий ступор, кому или нечувствительность к боли.

Влияние наркотиков на потомство наркомана пагубно. Связано это с мутагенным влиянием наркотических веществ на сперматозоиды и яйцеклетки , с как прямым токсическим влиянием на развитие зародыша. Если будущая мать, не прекратила прием наркотических веществ во время беременности, то ребенок может родиться уже наркозависимым. Если этого не произошло, то риск заболеть наркоманией сохраняется всю жизнь.

Непосредственное влияние наркотиков на плод начинается с первых же секунд зачатия.Наркотики могут воздействовать на плод непосредственно, разрушая его клеточную структуру , или через изменение оболочки матки , ухудшать кровоснабжение плода и вызывать периодическую гипоксию . Печень развивающегося организма также находится на стадии становления , поэтому наркотики , проникая к плоду могут задерживаться и безпрепятственно разрушать постепенно системы и органы нерожденного орагнизма .

Естественно, что риск рождения мертвого ребенка у наркоманов невероятно высок - 80%, отслойки плаценты – 15%, преждевременные роды,

У детей повышенный риск врожденных пороков развития, задержки роста или постнатальных психоповеденческих нарушений (что проявляется в гиперактивности, гипертонусе и плохой обучаемости, возможна задержка психического развития, вплоть до выраженного слабоумия), у новорожденных встречаются аномалии скелета и изолированные атрезии.

У ребенка, рожденного от матери-наркоманки, уже с первых часов жизни проявляются признаки наркомании. Его организм требует тех наркотиков, которые он получал с кровью от матери, организм реагирует на это судорогами, плачем и другими проявлениями, свойственными взрослым наркоманам в состоянии абстиненции.