РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ ПРИЧИН ПОРУШЕННЯ МЕНДЕЛІВСЬКИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ РОЗЩЕПЛЕННЯ ПРИ МОНОГЕННОМУ УСПАДКУВАННІ ОЗНАК

У природі досить часто відхилення від ідеальних менделівських співвідношень фенотипових класів при розщепленні проявляються систематично, а використання статистичних методів аналіза лише доводить їх невипадковість. Для того, щоб розібратися у причинах таких відхилень, необхідно згадати, при яких умовах завжди проявляються визначені Г.Менделем статистичні закономірності розщеплення у гібридному потомстві.

Успадкування здійснюється у відповідності із менделевськими формулами розщеплення, якщо:

1) гени локалізуються в різних хромосомах або на досить значній відстані в одній хромосомі;

2) різні типи гамет формуються та виживають в однакових співвідношеннях (рівноймовірно);

3) генетично різні типи зигот і відповідні генотипи виникають і виживають з однаковою вірогідністю;

4) функція генів проявляється повністю, отже спостерігається повна експресивність і повна пенетрантність генів;

5) спостерігається повна домінантність ознаки;

6) досліди проводяться на великій вибірці;

7) проявлення ознаки не залежить від зовнішніх умов і від генотипу.

Найчастіше причинами порушень менделівського розщеплення за фенотипом при моногенному успадкуванні є:

1) статистичні причини;

2) неповне домінування та наддомінування генів;

3) множинний алелізм і кодомінування;

4) диференційна смертність особин – носіїв певних генотипів;

5) неповне проявлення функції гена при певних умовах.

Відомо, що розщеплення при схрещуваннях мають імовірнісний характер, тому практично завжди у дослідах спостерігаються відхилення від теоретично очікуваного розщеплення. Ці відхилення є випадковими та в значній мірі залежать від величини вибірки. Крім того, відхилення можуть бути наслідком порушення будь-якої з умов менделівського успадкування (загибель гамет або зигот певного генотипу, зчеплення генів тощо). Тому при аналізі розщеплення для розуміння причини відхилення спочатку необхідно оцінити їх величину та значущість. З цією метою найчастіше використовують метод χ². Сутність методу полягає у зіставленні теоретично розрахованого розщеплення на основі нульової гіпотези (Но) з даними досліду за всіма класами розщеплення за формулою c² (хі – квадрат): ;

де р – фактична кількість особин у кожному фенотиповому класі;

q – теоретично розрахована кількість особин у цьому класі за законами менделівського успадкування,

S - сума показників всіх класів.

Результати досліду (р) та теоретичне очікування (q) заносяться в таблицю. Надалі визначають величину відхилення (d), яку возводять в квадрат (d²) для унеможливлення появи негативних величин. Квадрат відхилення ділять на теоретично очікувану для кожного класа величину (d² : q). Сума цих величин є показником χ². Після цього за таблицею Фішера з урахуванням ступенів свободи визначають ймовірність випадковості відхилення.

Кількість ступенів свободи розраховується за формулою:

n’= n – 1, де n – кількість фенотипових класів розщеплення в гібридному потомстві.

Таблиця значень c² при різних ступенях свободи

(за Фішером, із скороченням)

Значення χ², наведені в таблиці, вказують межі, в яких дослідні результати відповідають теоретично очікуваним. При повній відповідності дослідних і теоретичних даних χ² дорівнює 0. Якщо χ² ≠0, то різниці величин, що порівнюються, є випадковими (нульова гіпотеза). Ймовірність, яка вказана у таблиці – це ймовірність цієї нульової гіпотези. Допустимою межею імовірності у статистиці прийнято вважати величину 0,05. Наприклад, ймовірність 0,05 говорить: якщо величини, які порівнюються, відрізняються випадково, то табличне значення χ² може проявитися тільки у 5 вибірках зі 100 подібних. У статистиці прийнято вважати, що події, які відбуваються з ймовірністю 0,05 і менше, практично не зустрічаються. Нульова гипотеза відкидається, якщо значення χ² є більшим за те, що наведено в стовбці р = 0,05 при відповідній кількості ступенів свободи .

Отже, якщо значення χ² перевищуютьтабличні при відповідних ступенях свободи, то це означає, що відхилення у досліді не є випадковим, воно не може бути пояснено причинами статистичного характеру. Тому при значенні c², рівному або більшому за значення, вказане у таблиці, вважають різниці величин, що порівнюються, суттєвими та закономірними.

У решті випадків, коли χ² < табличного значення, відмінності між теоретично розрахованими і фактично одержаними результатами експерименту вважають випадковими, у межах допустимої похибки.

Таким чином, метод χ² дозволяє встановити відповідність дослідних та очікуваних результатів за кожним класом та за всім розщепленням у цілому. Слід пам’ятати, що цей метод не використовується для значень, виражених у відносних числах та у процентах, а також для вибірок з кількістю особин у будь-яких теоретичних класах меньше п’яти. На основі критерію χ² відкидають помилкові гіпотези, якщо відхилення є значущим, коли не існує відповідності між дослідними та теоретично розрахованими величинами.

У випадку неповного домінування (АА > Аа) розщеплення в F₂ за фенотипом співпадає з розщепленням за генотипом 1:2:1 (1/4 АА : 2/4 Аа : ¼ аа), Це відбувається, коли домінантний алель відповідає за синтез активної форми білка – фермента, а рецесивний алель контролює той самий білок, але із зниженою ферментативною активністю. Це явище реалізується у гетерозигот у вигляді неповного домінування, при якому гібрид F₁ має свій власний фенотип, відмінний від фенотипу батьків. Прояв ознак у гетерозигот є проміжним, із більшим або меншим відхиленням від домінантного та рецесивного станів гена. Отже, за проміжного успадкування всі особини F₁ є фенотипово одноманітними, але в F₂ розщеплення за фенотипом співпадає з розщепленням за генотипом.

При наддомінуваннідомінантний алель у гетерозиготному стані має більш сильне проявлення, ніж у гомозиготному: АА<Aa>aa. Це явище лежить в основі проявлення ефекту гетерозису.

В експериментах Грегора Менделя (1822 – 1886) кожний ген представлений лише двома алелями (домінантний і рецесивний). Але більшість (а можливо і всі) гени у популяціях організмів представлені декількома алелями (множинні алелі), отже, існують більш ніж в двох алельних станах, які виникають унаслідок генних мутацій. Це явище називають множинним алелізмом.

Множинні алелі виникають у результаті багаторазового мутування того ж самого локусу в хромосомі. Окрім основних (домінантного та рецесивного) алелів гена з’являються проміжні алелі, котрі по відношенню до домінантного поводять себе як рецесивні, а по відношенню до рецесивного – як домінантні алелі того ж самого гена. Взаємодія продуктів активації множинних алелів фенотипово проявляється у вигляді міжалельної комплементації.

Міжалельна комплементація спостерігається у компаундів (а₁ а_2,, а_2, а₃, і т.д.), якщо продуктом мутантного гена (а) слугує поліпептид, що є субодиницею білка – гомомультимера. Об’єднання у компаунд двох рецесивних алельних генів, кожний з яких кодує мутантний поліпептидний ланцюг, призводить до відтворення ознаки дикого типу, тобто із двох типів частково ушкоджених субодиниць збирається білок з майже нормальною функцією. У цих випадках рецесивні алелі того ж самого гена кодують поліпептиди з ушкодженнями різних доменів (певних функціональних ділянок) у молекулах. Якщо збірка четвертинного білка у компаунда здійснюється із таких субодиниць, здатних компенсувати функціональну активність одна одної, ферментативна активність цього білка буде відновлена. Тому схрещування двох фенотипово однакових мутантів призводить до утворення гібридів F₁ дикого типу: а₁а₁ х а ₂ а ₂ = а₁ а₂. Міжалельна комплементація дуже нагадує результат комплементарної взаємодії генів, однак в останньому випадку взаємодіють продукти функціонування неалельних генів.

Відома велика кількість прикладів множинного алелізму.Три алелі одного гена визначають успадкування груп крові системи АВО, відкритих Карлом Ландштейнером (1868 – 1943) у 1900 році. У системі груп крові АВ0 на поверхні еритроцитів формуються два антигени під контролем генних алелів (І^А та І^В) та існує третій алель, що не контролює синтез антигена. Але у кожної людини у диплоїдному генотипі можливе існування лише 2-х алелів цієї серії. Два антигени АВ0 є ізоантигенами і виявлені у більшості людей в еритроцитах, нормальних і пухлинних клітинах інших тканин, у мітохондріях і мікросомах, у біологічних рідинах організму – слині, шлунковому соку, молоці. Антигени А і В виявляють захисну дію на слизову оболонку шлунка та 12-палої кишки. Тому у людей з групою 0, у котрих немає типового антигена, часто розвивається виразкова хвороба шлунка і 12-палої кишки.

При взаємодії антигену з антитілами відбувається аглютинація – злипання еритроцитів, що призводить до закупорки судин і смерті людини. Якщо у геномі існують алелі І^А та І^В, тоді синтезуються антигени А та В, при цьому в організмі не утворюються антитіла α та β. Якщо алелі А або В відсутні, тоді виникають антитіла α проти А та β проти антигена В.

Групи крові, що містять антиген А, є неоднорідними. У цій групі розрізняють три підгрупи – А₁, А₂, А₃. Кожний з генів, що контролює ці антигени, може займати той самий локус хромосоми. Алель А₁ > A₂ > A₃. Антиген А₃ зустрічається дуже рідко, А₁ складає ¾, А₂ – ¼ всієї популяції.

Вважають, що еволюційно найдавнішою є група крові АВ (нині не існує). Аглютиногени (антигени) виникли еволюційно раніше, ніж аглютиніни (антитіла α та β). Пізніше, в результаті мутації виникла група крові 0. Найдавніша група крові (АВ) зникла у ході еволюції. Нинішня група АВ походить від людей з генотипами А і В.

При переливанні крові необхідно знати групи крові донората реципієнта, щоб запобігти аглютинації (склеювання) еритроцитів донорської крові у кровотоку реципієнта. У системі АВО є чотири групи крові: О, А, В, АВ. Вони визначаються трьома алелями: І^А, І^В, і^о. Алелі І^А та І^В є домінантними відносно алеля і^о, але кодомінантними у відношенні один до одного (табл. 2.).

Таблиця 2.- Групи крові системи АВО

Кодомінування – проявлення у гетерозиготному стані ознак, що детермінуються обома алелями. Наприклад, кожний з алельних генів кодує певний білок, а у гетерозиготного організму синтезуються вони обидва. У таких випадках шляхом біохімічного дослідження можна встановити гетерозиготність без проведення аналізуючого схрещування. За типом кодомінування у людини успадковується четверта група крові (АВ).

Отже, алелі І^А та І^В при сполученні їх в зиготі визначають проявлення нової ознаки – группи крові АВ (ІV). При існуванні трьох алелів можливе існування шести різних генотипів.

Названі алелі контролюють синтез білкових молекул, вбудованих у мембрану еритроцитів – аглютиногенів. Аглютиногену (антиген) еритроцитів відповідає аглютинін (антитіло) плазми крові. Відомі два аглютиногени А і В, два аглютиніни α і β. У людей з І (О) групою аглютиногени в еритроцитах відсутні, а в плазмі є обидва аглютиніни (α і β). У людей з ІІ (А) групою еритроцити несуть аглютиноген А, а в плазмі міститься аглютинін β. У людей ІІІ (В) групи еритроцити несуть аглютиноген В, плазма – аглютинін α. У ІУ (АВ) групі еритроцити мають обидва аглютиногени, аглютиніни у плазмі відсутні.

Особи з І (О) групою є універсальними донорами: їхню кров можна переливати особам з будь-якою групою крові, оскільки їх еритроцити не містять антигенів. Особи з ІУ (АВ) групою є універсальними реціпієнтами: ним можна переливати кров будь-якої групи, оскільки їхня плазма не містить аглютинінів. Ввважається, що під час переливання крові аглютиніни плазми донора розбавляються плазмою реципієнта, тому склеювання може відбуватися тільки внаслідок взаємодії антигенів еритроцитів донора з аглютинінами плазми реципієнта. Тому реціпієнту з І (О) групою крові можна переливати кров донора тільки тієї ж групи, реціпієнту з ІІ (А) групою – кров донора І (О) або ІІ (А) груп, реціпієнту з ІІІ (В) групою – кров донора І(О) або ІІІ (В) груп. Кров від донора ІІ (А) групи можна переливати реципієнту ІІ (А) та ІУ (АВ) груп, від донора ІІІ (В) групи – реципієнту ІІІ (В) та ІУ (АВ) груп, від донора ІУ (АВ) групи – тільки реципієнту ІУ групи (табл.3).

Таблиця 3.- Можливість переливання крові особам різних груп

Визначення груп крові має велике значення не тільки для медицини, але і для судово-слідчої практики.

Кількість можливих генотипів у випадку множинного алелізму залежить від кількості алелів даного гена. Якщо ген представлений єдиним алелем А, то і генотип за цим алелем може бути лише один – АА. Якщо алелів два, А₁ та А₂, то можливі три генотипи: два гомозиготних, А₁А₁ та А₂А₂, і один гетерозиготний: А₁А₂. У загальному випадку, при існуванні у популяції n-ної кількостіалелів, можливе існування генотипів, з яких n гомозиготні, а решта – гетерозиготні (табл. 4).

Таблиця 4. - Кількість можливих генотипів при n-ній кількості алелів

Відхилення, пов’язані із диференційною смертністю певних генотипів. У період становлення генетики були описані випадки, коли при схрещуванні особин з однаковим фенотипом постійно відбувалося розщеплення у співвідношенні 2:1. Нині відомі випадки такого розщеплення при схрещуванні жовтих за забарвленням мишей, платинових лисиць, сріблясто-соболиних норок, коротконогих курей, лінійних (луска тільки на боковій лінії) карпів, сірих каракулевих овець, людей, хворих на ахондроплазію (карлики з нормальними за розмірами головою і тулубом). Можна припустити, що у цьому випадку домінантний алель у гомозиготному стані є летальним. Дійсно, деякі гени у гомозиготному стані викликають загибель зиготи, тому відповідний клас особин в F₂ не з’являється, хоча генотипи в F₂ утворюються із звичайною ймовірністю (1АА:2Аа:1 аа), Гомозиготні організми за деякими (як рецесивними, так і домінантними) генами опиняються нежиттєздатними, Наприклад, домінантний алель сірого забарвлення шерсті каракульських овець у гомозиготному стані викликає загибель ягнят унаслідок недорозвинення травної системи. У людини аналогічно успадковується домінантний ген брахідактилії (короткопалості): ознака проявляється при гетерозиготності індивіда, у гомозигот цей ген призводить до загибелі зародків на ранніх етапах розвитку. У цих випадках мутантні гени є плейтропними, тобто здатними викликати не лише прояв певної ознаки, але й летальну дію (у гомозиготному стані).

Плейотропія– множинна дія гена, його здатність впливати одночасно на проявлення декількох ознак організму. Мутація одного гена призводить до порушення обміну на певному етапі метаболізму, але оскільки метаболічні шляхи у клітині є багатоетапними та взаємопов’язаними, то ця ланка порушеного обміну неминуче відображається на наступних етапах, отже, на проявленні деяких інших ознак. Тому розщеплення за фенотипом в F₂ при моногібридному схрещуванні відбувається звичайно у співвідношенні 2/3 А- :1/3 аа (а не ¾ А-:1/4 аа), як передбачено менделівским законом розщеплення.

Відхилення, викликані неповним проявом функцій генів за даних умов, зустрічаються досить часто і можуть обумовлюватися неповною пенетрантністю або неповною експресивністю гена, що контролює ознаку. Обидва поняття – пенетрантність та експресивність – були введені у 1925 році М.В. Тимофєєвим-Ресовським для визначення варіюючого прояву гена, який супроводжується появою нових фенотипових класів залежно від умов навколишнього або генотипового середовища.

Пенетрантність гена– частота фенотипового проявлення гена в популяції особин, які є його носіями; виражається у процентах. Наприклад, пенетрантність гена 75% означає, що тільки у 75% особин, які мають в генотипі цей ген, проявляється його фенотиповий ефект.

Експресивність гена– сила дії гена, яка характеризується ступенем фенотипового проявлення ознаки, що контролюється цим геном. Експресивність залежить від взаємодії певного гена із зовнішніми умовами та генотиповим середовищем (дії інших генів).

Експресивність і пенетрантність ознаки залежать від особливостей генотипу, дози гена (кількості його копій у геномі), положення гена (місця його розташування на хромосомі).