Множественные аллели и доминантность

Такие явления, как неполная доминантность и кодоминантность, доказывают, что взаимодействие аллелей одного гена может быть довольно сложным. Как мы видели, группу крови определяют три аллеля одного гена. У других генов может быть и больше аллелей, и не все они взаимодействуют таким простым образом. Важно, что доминантность и рецессивность не являются абсолютными характеристиками аллелей, а зависят от отношений между аллелями. Окрас меха кроликов, например, определяется геном с, имеющим четыре аллеля: с⁺, c^ch, c^hи с^a. Аллель с⁺ доминантен по отношению к трем остальным, поэтому гомозиготы с⁺с⁺ или гетерозиготы с одним аллелем с⁺ будут иметь темно-серый мех (такой «дикий» окрас иногда называют «агути»). У гомозигот c^chc^ch будет желтовато-коричневый мех «шиншилла», но аллель c^ch не полностью доминантен по отношению к аллелям c^h и с^a, поэтому у кролика с генотипом c^chc^ch или c c^hc^a будет светло-серый мех. Аллель c^hдоминантен по отношению к С, поэтому кролики с генотипом c^hc^h или c^hc^a будут «гималайской» окраски — в основном белые, но с черными носом, ушами, лапами и хвостом. И наконец, генотип с^ас^а дает полностью белый окрас (кролик-альбинос).

Тестовые скрещивания

Организмы с доминантным фенотипом по отдельному признаку могут быть гомозиготами или гетерозиготами — АА или Аа, если пользоваться условными обозначениями. Иногда важно знать генотип. Например, если вы хотите получить потомство с определенными признаками, то лучше подобрать родителей-гомозигот. Определить генотип можно при помощи тестового скрещивания. При этом индивид с неизвестным генотипом скрещивается с гомозиготным рецессивным индивидом аа, который в данном случае называется тестером. Родитель АА дает только гаметы А, и потому все его потомство будет гетерозиготным (Аа) с доминантным фенотипом. Но у гетерозиготного родителя Аа половина гамет будет а, потому половина его потомства будет гомозиготным (аа) с рецессивным фенотипом. Если во втором поколении появляется рецессивный фенотип, то это означает, что родитель был гетерозиготным. Механизм такого теста прост, но эффективен.

То же относится и к людям, хотя, естественно, тестовые скрещивания среди них не проводят. Возьмем для примера семью, в которой у отца группа крови А, у матери — 0. По группе крови детей можно определить, гомозиготен отец или гетерозиготен. Рождение единственного ребенка с группой 0 уже указывает на то, что отец был гетерозиготным. Но если у родителей несколько детей и все они с группой крови А, то нельзя утверждать, что отец был гомозиготен. Может оказаться, что доминантный аллель каждый раз передавался детям случайно. Это представляется вполне вероятным, поскольку количество детей незначительно.

Вероятность

Менделевский закон расщепления позволяет предсказывать вероятность наследования некоторых признаков. Г. Менделя можно назвать основоположником статистических методов в изучении генетики, потому что от каждого скрещивания он получал большое количество организмов с теми или иными признаками и подсчитывал их. Без такого подхода генетика никогда бы не стала настоящей наукой. Чтобы и нам двигаться дальше, нужно познакомиться с некоторыми принципами теории вероятности.

Некоторым людям трудно осознать, что такое вероятность. Опыт общения с родителями, у которых родились дети с наследственными заболеваниями (такими, например, как фенилкетонурия, кистозный фиброз или синдром Дауна) свидетельствует о том, что немногие понимают биологические основы таких болезней или учитывают вероятность их появления, даже если генетики предупредили их об этом. Даже врачи порой стараются не использовать понятие «случайность». Медицинский генетик Джудит Холл заметила, что «профессия врача не подразумевает идеи вероятности; врачам нравится идея абсолютности. Им нравится абсолютная точность, потому что она более привлекательна для их пациентов». И все же с вероятностью мы сталкиваемся каждый день, и всякий раз должны ее как-то оценивать. Иногда это смутное представление о «шансах», которое заставляет нас надеяться на тот или иной исход дела, иногда — четкое, рациональное обоснование решения на основе статистических данных. Генетикам тоже необходимо такого рода обоснование. Нам часто хочется определить вероятность наличия одного и того же аллеля у нас и у наших родственников. А для этого требуется провести несложные математические подсчеты.

Всем известно, что при подбрасывании обычной монеты вероятность выпадения орла или решки одинакова. Иначе можно сказать, что в каждом случае она равна '/₂, или 0,5.

Если кидать игральные кости, то с одинаковой вероятностью может выпасть любая грань из шести, поэтому говорят, что вероятность выпадения отдельной грани равна '/₆- Все это достаточно очевидно.

Перейдем теперь к вероятности двух событий и более, например к вероятности выпадения двух орлов, если подбрасывать одновременно две монеты. Предположим, что мы проделали много бросков. Приблизительно в половине случаев первая монета падала орлом вверх. В половине этого количества случаев вторая монета также падала орлом вверх. Точно так же приблизительно в половине общего количества бросков монета падала решкой, и среди этого количества бросков вторая монета также падала решкой. Всего мы имеем четыре вида комбинаций, вероятность каждого из которых равна '/₄:

Анализ этих комбинаций подводит нас к одному из законов теории вероятностей. Если одновременно происходят два независимых события, то вероятность одного не влияет на вероятность другого; вероятность того, что они произойдут вместе, равна произведению их отдельных вероятностей. В случае с подбрасыванием двух монет вероятность выпадения двух орлов равна вероятности выпадения орла для первой монеты ('/₂), умноженной на вероятность выпадения орла для второй монеты ('/₂), то есть равна '/₄. То же самое верно и для трех других комбинаций. То же верно и для распределения аллелей по сперматозоидам и яйцеклеткам. Если взять, допустим, два гетерозиготных организма с генотипом Tt, то каждый из них в половине случаев (вероятность равна ¹/₂) образует гаметы Г и в половине случаев гаметы t. В решетке Пеннета запишем вероятность для каждого сочетания, которая равна '/₂ х '/₂ = '/₂. Отсюда получаем стандартное отношение 1:2:1, или 3:1.

Теперь предположим, что ваш дедушка по матери был гетерозиготой Аа. Какова вероятность того, что вы унаследовали аллель а? Вероятность того, что его унаследовала ваша мать, равна '/₂; вероятность того, что вы унаследовали его от матери, также равна '/₂. Следовательно, общая вероятность равна '/₄. Это все равно, что подбрасывать друг за другом две монеты. С точно такой же вероятностью вы могли унаследовать каждый аллель из любой генной пары от бабушки или дедушки.

А если события зависят друг от друга? Предположим, что по какой-то причине яйцеклетка А притягивает к себе сперматозоид А, а яйцеклетка а притягивает сперматозоид а. В таком случае для мужчины Аа и женщины Аа вероятность рождения детей с разным генотипом будет меньше, чем ожидается обычно, поскольку оплодотворение происходит неслучайным образом.

Два гена и более

Эти принципы теории вероятностей важно иметь в виду, когда мы анализируем результат от скрещивания по двум генам и более одновременно. Г. Мендель проводил опыты, в которых он наблюдал за одновременным распределением таких признаков, как цвет и форма семян. Результаты опытов привели его к формулировке второго важного закона — закона независимого распределения признаков. Согласно ему аллели двух генов при образовании гамет распределяются независимо. В гл. 5 мы покажем, как действуют законы Менделя при перемещении хромосом во время делении клетки. Сам Мендель, конечно же, ничего не знал ни о хромосомах, ни о том, что происходит с ними при делении клетки. Свои законы он вывел, основываясь исключительно на наблюдении распределения признаков во время опыта. Можно сказать, что ему повезло. Далее мы узнаем, что многие гены расположены на одной и той же хромосоме, поэтому часто наследуются вместе, то есть зависимо друг от друга. Однако так получилось, что гены признаков, наследование которых изучал Мендель, находятся на разных хромосомах (или далеко друг от друга на одной и той же хромосоме, что фактически делает их независимыми). Проиллюстрируем второй закон Менделя на примере наследственности человека и покажем, как правила теории вероятностей помогают предсказать сочетания признаков.

Представим себе супругов, гетерозиготных одновременно по двум генам: Tt по гену тестера и Вb по гену цвета глаз. Ген цвета глаз определяет либо карий цвет (В^--), либо голубой (bb). Теперь представим себе, какие могут образоваться гаметы. Согласно первому закону Менделя аллели T u t расщепляются, поэтому одна половина гамет будет переносить аллель Т, а другая — аллель /. Согласно второму закону аллели В и b также расщепляются, причем независимо от аллелей первого гена, так что одна половина гамет будет переносить аллель В, а другая — аллель Ъ. Поэтому, как и в случае с подбрасыванием двух монет, получаем четыре вида комбинаций — ТВ, Tb, tB и tb, вероятность каждой из них равна '/₄.

Именно так и образуются гаметы в организме обоих родителей. Но как они объединяются? Поскольку четыре типа сперматозоидов могут оплодотворить четыре типа яйцеклеток, получаем 16 комбинаций, вероятность каждой из них равна '/₄ х '/₄ = = '/₁₆. Наглядно представить эти комбинации можно при помощи большой решетки Пеннета (рис. 4.2). Для определения фенотипов комбинаций нужно сначала найти ячейки хотя бы с одним аллелем Т и хотя бы с одним аллелем В. это будут тестеры с карими глазами, и таких всего получается девять. В трех ячейках будет хотя бы по одному аллелю Т и аллели bb. Это тестеры с голубыми глазами. В других трех ячейках будет аллель В и аллели tt. Это нетестеры с карими глазами. И, наконец, в одной ячейке получается генотип tt bb. Это нетестеры с голубыми глазами. Получается классическое соотношение 9:3:3:1 — результат скрещивания двух гетерозигот по двум генам, которые наследуются независимо друг от друга.

Однако есть и другой способ представить вероятность каждого фенотипа, тем более что при составлении большой таблицы можно перепутать значения или что-то упустить. Поскольку два гена передаются независимо друг от друга, будем рассматривать их так же независимо. Скрещивание гетерозигот Tt предполагает рождение тестеров с вероятностью ³/₄ и рождение нетестеров с вероятностью '/₄. Точно так же и скрещивание гетерозигот Bb предполагает появление детей с карими глазами с вероятностью ³/₄ и

Рис. 4.2. Решетка Пеннета, показывающая возможные генотипы потомства от скрещивания двух индивидов, гетерозиготных по двум независимым признакам. Фенотипы распределяются по четырем видам в соотношении 9:3:3:1

рождение детей с голубыми глазами с вероятностью '/₄. Это, так сказать, элементарные вероятности. Теперь умножим их:

³/₄ <тестер> х ¹/₄ <_Карий> = ⁹/₁₆;

³/₄ <тестер> х '/₄ <голубой> = ³/1₆;

³/₄ <нетестер> х '/₄ <карий> = ³/₁₆;

'/₄ <нетестер> х '/₄ <голубой> = '/_|6.

Таким образом можно рассчитать вероятности для комбинаций трех, четырех генов и более, передающихся одновременно и с разной вероятностью.