Лекция: Полигенное наследование.

5.3. Фенотип как результат реализации генотипа
в определённых условиях среды

Совокупность всех внешних и внутренних признаков (свойств) организма называется фенотипом. Термин «фенотип» введён датским биологом В. Иогансеном в 1903 году.

Организм, с точки зрения генетика, состоит из генотипа и фенотипа (рис. 57). Генотип представляет собой совокупность всех генов данной особи. Фенотип – это, по существу, весь организм, за исключением генотипа.

Фенотип является результатом индивидуального развития — онтогенеза. Он формируется на основе той наследственной информации, которая содержится в генотипе. Однако, в фенотипе не реализуются все генотипические возможности, поэтому он является лишь частным случаем реализации генотипа в конкретных условиях среды (рис. 57). Отдельные гены обусловливают лишь возможность развития признаков, а эта возможность может реализовываться в одном, другом, третьем вариантах или вообще не реализоваться, если необходимые для этого условия во внешней среде
отсутствуют. Под внешней (окружающей) средой понимают совокупность всех негенетических (не связанных с генотипом) факторов, действующих на развивающийся организм. Факторы внешней среды определяют проявление генотипа. Даже организмы, имеющие одинаковые генотипы, могут отличаться друг от друга в зависимости от условий развития и существования (например, однояйцовые близнецы). Таким образом, генотип определяет спектр возможных фенотипов. А какой конкретно фенотип сформируется при данном генотипе, зависит от условий, в которых происходит развитие организма.

Часто отмечаютсяизменения фенотипа, сходные с проявлением определённых изменений генотипа.Они называютсяфенокопиями (термин введён в 1935 году Ф. Гольдшмидтом). С высокой частотой фенокопии индуцируются на критических стадиях онтогенеза. Например, у беременных женщин, принимавших препарат талидомид (снотворное, не прошедшее достаточную проверку и применявшееся в Западной Европе), часто рождались дети с фокомелией (укороченными ластовидными руками), которую вызывают также и мутантные аллели.

Формирование фенотипа является мультифакторным процессом. К основным факторам, влияющим на становление фенотипа организма, относятся свойства генов, различные генные взаимодействия и параметры (условия) внешней среды. Проиллюстрировать это можно на примере развития признака пола. Существует механизм генотипического определения пола: у многих животных и человека один пол имеет одинаковые (ХХ) половые хромосомы, а другой пол — разные хромосомы (ХУ). Женский пол образует гаметы с одинаковыми половыми хромосомами (гомогаметный пол), а мужской пол является гетерогаметным. Роль главного генетического фактора, сдвигающего развитие фенотипа в мужскую сторону, играет
У-хромосома. Выбор направления развития происходит на 6-10 неделях эмбриогенеза зародыша человека. Если в указанный срок зародыш, имеющий У-хромосому, не начал развиваться в мужском направлении, в дальнейшем он приобретает женские вторичные половые признаки.

О существенном влиянии факторов внешней среды на переопределение пола свидетельствуют следующие опыты: малькам аквариумной рыбки медак (Oryzias latipes) в течение 8 месяцев скармливали женский половой гормон, в результате чего всё поколение оказалось самками, хотя половина из них имели генотип самца (ХУ). Такие самки обладали яичниками, спаривались с нормальными самцами и давали потомство.

На формирование фенотипа могут оказывать влияние также генные взаимодействия, о чём свидетельствует синдром Морриса: люди, несмотря на мужской генотип (ХУ), имеют в целом женский фенотип. Такие особи не продуцируют яйцеклеток и отличаются мужской выносливостью к физическим нагрузкам, решительностью и другими качествами. Поначалу у таких людей развивается семенник, клетки которого вырабатывают мужской половой гормон. Однако из-за гомозиготности по рецессивному аллелю transformer (tt) в таком организме не синтезируется белок-рецептор, в отсутствие которого клетки различных тканей и органов теряют чувствительность к мужскому половому гормону. Из-за этого прекращается развитие по мужскому варианту и формирующийся организм мужчины с генотипом ХУ обретает женские вторичные половые признаки. Подобное явление послужило главной причиной введения с 1992 года на Олимпийских играх генетического контроля пола, т.к. оказалось, что ранее в женских разрядах выступали мужчины (ХУ) с женским фенотипом.

5.4. Молекулярно-биологические
представления о строении и функционировании генов.
Экспрессия генов и её регуляция

Проявление активности гена (реализация функции) гена получила название экспрессии гена. Функциональная активность гена — части молекулы ДНК заключается в транскрипции, или синтезе на нём как на матрице — молекулы иРНК. Единицей транскрипции является транскрип-
тон, или оперон (термин «оперон» введён Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 году).

Оперон — это участок ДНК, транскрипция которого приводит к образованию молекулы иРНК. Структура оперона изучена подробно пока только у прокариот. Оперон может состоять из одного, двух и более тесно сцепленных структурных генов, кодирующих белки (ферменты), а также регуляторных элементов (рис. 58). Участком начала транскрипции является промотор, состоящий из нескольких десятков нуклеотидов ДНК, с которым специфически связывается осуществляющий транскрипцию фермент РНК-полимераза. От промотора зависит, к какой из двух цепей ДНК присоединится РНК-полимераза и начнётся транскрипция. Транскрипция происходит только на одной («лидирующей») цепочке ДНК, и химическая структура промотора определяет эту цепь.

В состав оперона входит также ген-оператор (рис. 58)длиной в несколько десятков нуклеотидов, с которым связывается репрессор(специфический белок), обусловливающий отрицательную регуляцию: в этом случае ДНК-полимераза не может перемещаться вдоль оперона и транскрипция структурных генов не происходит. Если же оператор не связан с репрессором, то РНК-полимераза, смещаясь вдоль структурных генов (цистронов), транскрибирует их (рис. 59).

Репрессор, контролирующий транскрипцию оперона, кодируется геном-регулятором, который не обязательно входит в состав оперона: он может находиться за пределами оперона этой же хромосомы или в иной хромосоме. Один репрессор может контролировать транскрипцию нескольких оперонов. Молекула репрессора имеет участок узнавания эффектора, который активирует, или, наоборот, инактивирует репрессор, связываясь с ним (рис. 60). Оперон заканчивается терминатором, представляющим собой один из трёх триплетов, не кодирующих аминокислоты (УАА, УАГ, УГА). Синтезируемая сразу на нескольких цистронах общая цепочка РНК распадается на фрагменты — иРНК, соответствующие каждому отдельно взятому цистрону.

Включение оперона происходит при проникновении в цитоплазму субстрата,для химического превращения которого требуется соответствующий фермент. Субстрат, соединяясь с репрессором, лишает последний возможности блокировать ген-оператор. Тогда происходит транскрипция структурного гена (рис. 59) и синтезируется необходимый белок (фермент). Фермент вызывает вовлечение субстрата в процессы клеточного метаболизма. В ходе последнего количество субстрата уменьшается, что приводит к высвобождению репрессора, блокированию оператора и прекращению транскрипции.

В 1977 году американские учёные Филипп Шарп и Ричард Робертс от­крыли «прерывистую» экзонно-интронную структуру генов, а также разработали метод удаления интронов и перестановки экзонов с последующим созданием их различных комбинаций. За соответствующий цикл исследова­ний авторы были удостоены Нобелевской премии 1993 года. Как показали учёные, гены эукариот содержат от одного до нескольких нетранслируемых участков — интронов, которые перемежаются с транслируемы­ми участками — экзонами. Количество иРНК в интронах в 5-10 раз может превышать количество её в экзонах. Так, ген β-полипептида гемоглобина мыши содержит интрон в 550 пар нуклеотидов, однако в зрелой глобиновой РНК интрон отсутствует. Копии интронов представлены в молекуле первич­ного транскрипта, а при созревании иРНК (процессинге иРНК) они вырезаются (рис. 61). Оставшиеся экзоны последовательно соединяются в молекулу зрелой (целиком транслируемой) иРНК. Процесс соединения экзонов в молекулу зрелой иРНК получил название сплайсинга, являющегося составной частью процессинга. Последний включает вырезание в незрелой иРНК (первичном транскрипте) интронов и их последующее разрушение, а также соединение экзонов в зрелую (целиком транслируемую) иРНК (рис. 61). Последняя проникает через ядерные поры в цитоплазму клетки.

Принципы регуляции активности генов у эукариот, по-видимому, сходны с таковыми у бактерий но, по ряду данных, более сложные и во многом далеки от выяснения. Индукторами транскрипции структурных генов эукариот служат гормоны. Есть свидетельства наличия у эукариот генов-интеграторов,которые в ответ на стимуляцию включают одновременно «батареи» из нескольких генов. У экариот имеются также гены-кластеры(или сложные гены), кодирующие длинные полипептидные молекулы с несколькими ферментативными активностями. Известны также мобильные гены (блуждающие структурные гены), положение которых в хромосоме меняется в зависимости от стадии онтогенеза. У эукариот обнаружены псевдогены, представляющие собой копии известных генов, но располагающиеся, однако, в других частях генома и являющиеся инкативированными и нефункционирующими генами.