CC BY
190
УДК 575.1:575.2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ С ПОЗИЦИЙ КЛАССИЧЕСКОЙ И СОВРЕМЕННОЙ ГЕНЕТИКИ
В.В. Иванищев
Проблема взаимодействия генов - одна из ключевых в понимании формирования признаков организмов. Показано, что классические представления о взаимодействия генов не всегда правильно отражают молекулярно-биологические или биохимические механизмы, которые обусловливают проявление признака. Приведен ряд примеров, где интерпретация результатов должна быть иной, по крайней мере, в использовании соответствующих терминов.
Ключевые слова: генетика, взаимодействие генов, гибриды, эпистаз, биохимия.
Введение
Классические представления генетики о наследовании признаков (задатков, как говорили раньше), излагаемые даже в современных учебниках генетики, не всегда соответствуют используемым терминам [13]. Развитие биохимии и молекулярной биологии привело к тому, что ряд генетических представлений должен быть пересмотрен с учетом новых данных указанных научных направлений. Известно, что биохимические реакции и процессы определяют фенотипическое проявление признаков организма через синтез определенных мРНК, далее - белков, а также ферментов и производимых ими метаболитов. Поэтому вполне логичны поиски механизмов проявления признаков через протекание биохимических реакций. Все химические реакции в живой системе происходят при непременном участии ферментов. Поэтому логично, что фенотипическое проявление признаков во многом определяется именно этой группой белков.
Наиболее ярко такое несоответствие обнаруживается в разделе генетики, который касается взаимодействия генов. Известно, что абсолютное большинство (если не все) признаки организма определяются одновременной работой нескольких генов [3, 4]. Поэтому даже в самых простых случаях мы не можем игнорировать предположение, что проявление признака может зависеть минимально хотя бы от двух из них. Современные исследования взаимодействия генов в значительной степени связаны с обнаружением статистических закономерностей в появлении мутаций, влияющих на проявление исследуемых генов [5]. При этом у одноклеточных их взаимодействие в проявлении признаков встречается достаточно редко. В то же время классические примеры, обнаруженные у многоклеточных организмов, не всегда имеют ясное молекулярно-биологическое объяснение.
Типы взаимодействия генов и их интерпретация
В классической генетике различают несколько типов взаимодействия генов: комплементарность, эпистаз, полимерию [и др.] Схематически в целом все они описываются с помощью известной схемы, используемой при рассмотрении дигибридного скрещивания (рис. 1) [6]:
Р ^ ААЪЬ X с/ ааВВ
О АЬ X аВ
7 [ АаВЬ
Р г СР О ^ АаВЬ X с/ АаВЪ
О АВ, АЬ, аВ. аЬ X АВ, АЬ, аЬ, аЬ
р 2 ЗАВ -ЗАЪЪ-ЗааВ ; 1 ааЪЬ
Рис. 1. Схема описания дигибридного скрещивания
Базовое соотношение гибридов второго поколения (Р2) 9:3:3:1 является исходным для представлений о тех или иных типах взаимодействия генов. При этом комплементарность, например, описывает только первую фенотипическую группу (9/16 - А_В_), в то время как ключевая роль для объяснения остальных фенотипических групп отводится эпистазу [2, 3].
Считают, что термины «доминантный» и «рецессивный» лучше использовать для обозначения только эффектов отдельных аллельных генов. А, например, термин «эпистаз» следует использовать в следующих сценариях [7]:
- когда взаимодействие двух и более локусов определяет новый фенотип;
- когда аллель в одном локусе маскирует проявление аллелей в одном или нескольких иных локусах;
- когда аллели в одном локусе модифицируют проявления аллелей в одном или нескольких других локусах.
При этом проявление эпистаза происходит на уровне фенотипа, в то время как доказать взаимодействие генов на молекулярно-биологическом уровне не всегда удается. Более того, такое взаимодействие, напротив, может обусловить совершенно неожиданное проявление признака. В ниже приведенной таблице показаны классические соотношения фенотипических групп гибридов второго поколения, которые обычно объясняют с позиций комплементарного и эпистатического взаимодействий генов. Из таблицы видно, что в некоторых случаях сложно
уверенно говорить о том, какое взаимодействие фактически наблюдается и каким образом можно объяснить такое расщепление в потомстве.
Классические типы взаимодействия генов (комплементарность - эпистаз)
Количественное расщепление в Б2 Комплементарный тип взаимодействия генов для фенотипической группы Другие фенотипичес-кие группы Классические объяснения взаимодействия генов
3 / 16 А ЬЬ А>ЬЬ
9:3:3:1 9/16 А_В_ 3 / 16 ааВ_ 1 / 16 ааЬЬ В>аа аа > ЬЬ или ЬЬ > аа ?
3 / 16 А ЬЬ ЬЬ > А
9 : 7 9/16 А_В_ 3 / 16 ааВ_ 1 / 16 ааЬЬ аа > В аа > ЬЬ или ЬЬ > аа ?
9/16 А_В_ 3 / 16 А ЬЬ ЬЬ > А
9 : 3 : 4 3 / 16 ааВ_ 1 / 16 ааЬЬ аа > В аа > ЬЬ
3 / 16 А ЬЬ А>ЬЬ
9 : 6 : 1 9/16 А_В_ 3 / 16 ааВ_ 1 / 16 ааЬЬ В>аа (А=В) аа > ЬЬ или ЬЬ > аа ?
Представленные данные свидетельствуют о том, что использование только генетического анализа наследования признаков без знания биохимии или физиологии развития признака в онтогенезе часто не может раскрыть природы взаимодействия генов [8]. Но и отсутствие генетического анализа делает невозможным разобраться в механизмах наследственной детерминации развития признаков.
Другое понимание в проявление комплементарности и рецессивного эпистаза вносит следующая идея. Она предполагает, что изменение проявления признака (окраски) происходит в последовательных биохимических реакциях. И далее - поскольку гены ферментов, участвующие в одном пути метаболизма какого-либо вещества, расположены линейно, друг за другом (что вообще характерно для известных путей метаболизма [8]), то при обсуждении результатов эксперимента необходимо говорить о взаимодействии полицистронного гена, определяющего 2-3 проявления признака, и гена-регулятора. Последний сам по себе не имеет фенотипического проявления, но своим продуктом (белком - ? или его метаболитом - ?) мешает считыванию информации со всей последовательности полицистронного гена. В
результате при определенных особенностях генотипа с гена считывается только часть информации (не все цистроны) [9].
Классические примеры эпистаза при участии двух генов Рецессивный эпистаз. Расщепление 9:3:3:1. В экспериментах по скрещиванию красноглазых мух-дрозофил во втором поколении обнаруживали гибриды в следующих соотношениях: 9/16 (А_В_) -составляли мухи с красными глазами, 3/16 (А_ЬЬ) - с ярко-красными глазами, 3/16 (ааВ_) - с коричневыми глазами и 1/16 (ааЬЬ) - мухи с белой окраской глаз. Такое проявление одного признака свидетельствует об участии двух генов в его определении. Три последние фенотипические группы в этом случае можно объяснить с позиции доминантного эпистаза: А>ЬЬ, В>аа или рецессивного эпистаза: ЬЬ>А, аа>В, аа>ЬЬ или ЬЬ>аа. Однако с точки зрения биохимии картина выглядит более определенно. Так, присутствие в генотипе доминантного аллеля гена А обусловливает синтез жёлтого и красного пигментов, а доминантный аллель гена В -синтез коричневого. Таким образом, никакого взаимодействия генов, обозначаемых разными буквами алфавита, по типу эпистаза (в смысле подавления одного гена другим) здесь нет (рис. 2).
Крас
исходный ^ _ с ^^
метаболит " „
ген А
ген В
исходным метаболит
> Кор
Рис.2. Условная схема, иллюстрирующая расщепление 9:3:3:1 (буквой Е обозначены ферменты, катализирующие ключевые реакции
в синтезе пигментов)
Расщепление 9:7. При изучении окраски цветков у душистого горошка было установлено, что при скрещивании форм разного происхождения, обладавших белыми цветками, в ¥1 всё потомство имело цветки пурпурной окраски. Самоопыление привело к тому, что во втором
поколении основная часть растений (9/16 - А_В_) имела пурпурные цветки, а 7/16 (3Л_ЬЬ + 3ааВ_ + 1ааЬЬ) - белые.
Анализ генотипических особенностей этих форм растений достаточно просто объясняет представленный феномен. Биохимическая сторона вопроса состоит в необходимости образования сразу двух ключевых ферментов (при функционировании двух доминантных аллелей двух разных генов) для синтеза антоциановых пигментов (рис. 3).
Рис. 3. Условная схема, иллюстрирующая расщепление 9:7
На рис. 3 видно, что для объяснения второй фенотипической группы сложно использовать термин рецессивный эпистаз, а тем более изображать его в виде аа>В, ЬЬ>Л, аа>ЬЬ или ЬЬ>аа. Биохимическая схема показывает, что для синтеза пигмента антоциана необходимо присутствие, по крайней мере, двух ключевых ферментов. Отсутствие хотя бы одного из них не дает возможности растению синтезировать этот пигмент. И здесь вовсе не наблюдается никакого подавления одного гена другим. Наблюдается простое отсутствие в цепи биохимических реакций второго необходимого фермента, который синтезируется только при наличии доминантного аллеля гена В.
Также следует отметить, что ферменты Е1 и Е2 не обязательно включены в общий метаболический путь синтеза антоцианина.
Расщепление 9:3:4. Известны случаи, когда оба доминантных комплементарных гена характеризуются самостоятельностью проявления [10]. В связи с этим во втором поколении наблюдают приведённое расщепление по фенотипу. Так, при скрещивании чёрных и белых кроликов в первом поколении все особи имели окраску под названием
агути. Во втором поколении происходило расщепление: 9/16 (А_В_) -агути, 3/16 (А_ЬЬ) - чёрных и 4/16 (3ааВ_ + 1ааЬЬ) - белых.
Кролики с окраской агути характеризуются генотипом (А_В_), чёрные - (А_ЬЬ из-за Л>ЬЬ), остальные - белые. Такой вариант возможен, если предположить, что отсутствие доминантного аллеля гена А не позволяет синтезировать чёрный пигмент (рис. 4). Поэтому даже присутствие доминантного аллеля другого гена В не меняет фенотипа особей (аа>В, аа>ЬЬ).
Рис. 4. Условная схема, иллюстрирующая расщепление 9:3:4
Поскольку окраска «агути» определяется не особым пигментом, а образуется вследствие чередования полос светлого (феомеланин) и темного (эумеланин) пигмента в отдельных волосах, то присутствие доминантного аллеля гена В оказывает влияние, скорее всего, на его распределение в волосах.
Однако биохимическая картина (рис. 4) не позволяет использовать термин «эпистаз» в его классическом виде, т.к. настоящего подавления одного гена другим не наблюдается. При этом известно, что природа использует, в первую очередь, наиболее простые механизмы регуляции процессов. Поэтому искать какие-либо более сложные объяснения не имеет смысла.
Расщепление 9:6:1. Изучение наследования некоторых признаков показывает, что комплементарные гены могут обладать самостоятельным проявлением, причём фенотипически оно бывает одинаковым. Но одновременное присутствие доминантных аллелей обоих генов (А_В_) обусловливает иное проявление признака [10]. При этом одновременное отсутствие доминантных аллелей обоих генов (ааЬЬ) приводит к проявлению новой фенотипической характеристики.
Так, при скрещивании тыкв сферической формы в первом поколении все тыквы имели дисковидную форму (А_В_). При самоопылении в следующем поколении было получено 9/16 - тыкв с дисковидной формой плода (А_В_), 6/16 - со сферической (3А_ЬЬ + 3aaB_) и 1/16 - с удлинённой (ааЬЬ). Появление третьего вида формы плода как раз и обусловлено отсутствием доминантных аллелей обоих генов.
Попытка понять проявление признака в данном случае через биохимические механизмы предполагает, что определение формы плода происходит при участии нескольких взаимодействующих между собой белков (по крайне мере, в простейшем случае - двух видов или типов). Тогда одновременное присутствие доминантных аллелей обоих генов (А_В_) обеспечивает синтез всех необходимых белков или их типов для формирования дисковидной формы плода. Отсутствие доминантных аллелей любого одного из генов (А_ЬЬ, aa_B) обеспечивает синтез только одного белка (или, скорее, белков одного типа), обусловливающего образование сферической формы плода. Отсутствие доминантных аллелей в генотипе (aabb) не дает возможности синтезировать типы белков, придающих плоду тыквы округлую форму, вследствие чего она становится удлиненной.
Таким образом, биохимическая интерпретация явлений, касающихся такого сложного признака, как форма, требует более глубокого осмысления. При этом опять возникает вопрос о том, правильно ли в подобных случаях использовать термин «эпистаз» и, соответственно, изображать его в виде aa>B и ЬЬ>А?
Доминантный эпистаз. Расщепление 12:3:1. Описание классического примера касается скрещивания собак с белой и коричневой шерстью, где в первом поколении были получены щенки с белым окрасом. Скрещивание особей между собой привело к расщеплению (во втором поколении): 12/16 (А_В_, Abb) - имели белую окраску шерсти, 3/16 (ааВ_) - чёрную и 1/16 (aabb) - коричневую.
Анализ генотипов показывает, что присутствие доминантного аллеля гена А у 12 форм обусловило отсутствие цветной окраски шерсти (подавление признака). У 3 форм с генотипами aaBB, aaBb и aaBb доминантный аллель гена В обеспечил проявление чёрной окраски шерсти у собак, а у собак с генотипом aabb - проявилась коричневая окраска, обусловленная действием рецессивного аллеля гена ЬЬ.
С точки зрения биохимии относительно просто принять, что доминантный аллель гена А приводит к синтезу белка, который ингибирует (сам или через образуемый при его участии метаболит) активность генов для синтеза ферментов, необходимых для образования соответствующей окраски (рис. 5).
Рис. 5. Схематическое изображение доминантного эпистаза, приводящего к соотношению гибридов второго поколения 12:3:1
Аналогичный тип наследования признака окраски шерсти известен и для лошадей, у которых рыжая масть соответствует генотипу ссЬЬ, вороная - генотипам ссВВ, ссВЬ и ссВЬ, а остальные - серой окраске. Для понимания биохимической стороны такого наследования также подходит схема, представленная на рис. 5.
В обоих случаях можно согласиться с классическими представлениями о том, что гены-супрессоры (в примере с собаками - ген А, в примере с лошадьми - ген С) обычно сами не определяют какой-либо качественной характеристики в развитии признака, а лишь подавляют проявление других генов.
Расщепление 13:3. При описании такого взаимодействия генов приводят результаты следующего эксперимента. Среди растений льна встречаются особи с цветками, обладающими нормальными и гофрированными лепестками. При скрещивании двух форм с нормальными лепестками, но разного происхождения, в первом поколении все особи имели цветки с лепестками нормальной формы. При самоопылении во втором поколении наблюдали расщепление: 13/16 растений (9 А_В_ + 3 А_ЬЬ + 1 ааЬЬ) имели цветки с нормальными лепестками, а 3/13 (ааВВ, ааВЬ и ааВЬ) - с гофрированными. Характер расщепления свидетельствует о том, что признак определяется двумя разными генами.
Если полагать, что ген А обеспечивает проявление нормальной формы лепестков (т.е. подавляет проявление признака гофрированности, связанного с доминантным аллелем гена В), то его отсутствие у генотипов (ааВВ, ааВЬ и ааВЬ) вызывает формирование гофрированных лепестков. У
генотипа ааЬЬ подавление отсутствует, но лепестки имеют обычную форму, обусловленную наличием рецессивных аллелей гена ЬЬ.
В принципе, для понимания биохимической стороны вопроса в этом примере можно опереться на рис. 5. Отличие от классического объяснения состоит в том, что в генотипе ааЬЬ проявление нормальной формы лепестков объясняется, скорее, отсутствием доминантного аллеля гена В, чем присутствием рецессивных аллелей гена ЬЬ.
Другие проявления эпистаза. В работе [7] приводятся и другие виды эпистатического взаимодействия генов, которые не включены в классические варианты. Среди них можно отметить такие типы расщепления потомков по фенотипам во втором поколении, как 15:1 (которое в наших учебниках рассматривают только как взаимодействие генов по типу кумулятивной полимерии), 7:6:3, 3:6:3:4, 11:5. При этом часто их не обозначают термином «эпистаз». Возможно, это связано со сложностью биохимических или молекулярно-биологических объяснений (представлений) наблюдаемых явлений. В то же время некоторые авторы рассматривают расщепление 15:1 через молекулярно-биологический механизм, обусловленный дублированием генов, например, у растения пастушья сумка [9]. При этом авторы говорят о признаках, касающихся формообразования плодов. В данном случае речь идет об овальной и треугольной форме плодов (соотношение во втором поколении 1:15, соответственно). В наших учебниках такой пример рассматривают, как проявление полимерного взаимодействия генов [1, 2].
Выводы
Приведенные примеры классического объяснения в отношении типов взаимодействия генов оказываются не вполне или не всегда соответствующими биохимической или молекулярно-биологической картине событий. Сохранение традиционных взглядов на те или иные процессы жизненных явлений не должно противоречить современным представлениям науки. Поэтому некоторые сложившиеся каноны периодически необходимо пересматривать с тем, чтобы они отвечали современному уровню знания процессов, обеспечивающих протекание жизненных явлений.
Библиографический список
1. Генетика / Жученко А. А. [и др.] / под ред. А. А. Жученко. М.: КолосС, 2006. 480 с.
2. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. СПб.: Изд-во Н-Л, 2010. 591 с.
3. Иванищев В.В. Основы генетики: учебник. М.: РИОР: ИНФРА-М, 2017. 207 с. - doi.org/10/12737/17443/.
4. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. универ. изд-во, 2003. 479 с.
5. Defining genetic interaction / Mani R., Onge R.P.St., Hartman IV J.L., Giaever G, Roth F.P. // Proc. Nat. Acad. Sci USA. 2007. V. 105. No 9. P. 34613466. doi: 10.1073/pnas.0712255105. - URL: http://www.pnas.org/content/105/9/3461.full. (дата обращения: 28.11.2016).
6. Иванищев В.В. Руководство к лабораторно-практическим занятиям по генетике: Учеб. Пособие / В.В. Иванищев. Тула: Изд-во ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2012. 169 с.
7. Miko I. Epistasis: Gene interaction and phenotype effects // Nature Education, 2008. V. 1 (1). P. 197. - URL: http://www.nature.com/scitable/topicpage/epistasis-gene-interaction-and-phenotype-effects-460 (дата обращения: 28.11.2016).
8. Биохимия : учебник / под ред. Е.С. Северина. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015. 768 с.
9. An Introduction to Genetic Analysis / Griffiths A.J.F., Miller J.H., Suzuki D.T. [et al.] New York: W.H. Freeman. 2000. Р. 268. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21850/ (дата обращения: 28.11.2016).
10. Лобашов М.Е. Генетика. Л.: Изд-во ЛГУ, 1969. 751 с.
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, ст. науч. сотрудник, зав. кафедрой, avdey_VV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
GENE INTERACTION IN TERMS OF CLASSICAL AND MODERN GENETICS
V.V. Ivanishchev
The interaction of genes is one of the key problems for understanding of the formation of the organism characteristics. It is shown that the classical notions of gene interaction are not always properly reflect the molecular-biological or biochemical mechanisms that determine the manifestation of symptoms. The paper presents a number of examples where the interpretation of the results should be different, at least in the application of the relevant terms.
Key words: genetics, gene interaction, hybrids, epistasis, biochemistry.
Ivanishchev Viktor Vasiljevich, Doctor of Biology, Senior Researcher, Head of the Department, avdey_VV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
