Główna zawartość

Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 13

Lekcja 2: Modyfikacje genetyki mendlowskiej

Plejotropia i allele letalne

Plejotropia: kiedy jeden gen wpływa na wiele cech. Allele letalne: allele, które przeciwdziałają przeżyciu, kiedy występują homo- lub heterozygotycznie. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Wprowadzenie

Na podstawie eksperymentów Mendla możesz sobie wyobrazić, że wszystkie geny kontrolują pojedyncze cechy i mają wpływ na niektóre niegroźne cechy wyglądu naszego organizmu (takie jak kolor skóry, wzrost lub kształt). Te przewidywania są prawdziwe dla niektórych genów, ale z pewnością nie dla wszystkich! Na przykład:

Choroba genetyczna występująca u ludzi nazywana zespołem Marfana jest spowodowana mutacją w jednym genie, ale wpływa na wiele aspektów związanych ze wzrostem i rozwojem, w tym wzrostem, widzeniem i funkcjonowaniem serca. Jest to przykład plejotropii, czyli sytuacji, kiedy jeden gen wpływa na wiele cech.
Krzyżówka pomiędzy dwoma heterozygotami żółtych myszy daje myszy żółte i brązowe w stosunku $2 : 1$ ‍ a nie $3 : 1$ ‍. Jest to przykład letalności, w której konkretny genotyp uniemożliwia organizmowi przeżycie.

W tym artykule zajmiemy się bliżej genom plejotropowym i allelom letalnym przyglądając się jak różne prawa Mendla pasują do tego nowoczesnego rozumienia dziedziczenia.

Plejotropia

Kiedy wspomnieliśmy o eksperymentach Mendla z roślinami o różowych i białych kwiatach, nie dyskutowaliśmy o innych fenotypach związanych z dwoma kolorami kwiatów. Jednakże Mendel zauważył, że kolory kwiatów są zawsze skorelowane z dwoma innymi cechami: kolorem łupiny nasiennej (okrywającej nasiono) i kolorem pachwin liściowych (połączeń, w których liście spotykają się z łodygą)

^{1, 2}

U roślin o białych kwiatach łupiny nasienne i pachwiny liściowe są bezbarwne. Natomiast u roślin z różowymi kwiatami łupiny nasienne były brązowoszare a pachwiny liściowe czerwonawe. Zatem zamiast wpływu na tylko jedną cechę, gen koloru kwiatu w rzeczywistości oddziaływał na trzy.

Geny takie jak ten, które kontrolują wiele pozornie niezwiązanych ze sobą cech, są nazywane plejotropowymi (pleio- = wiele, -tropic = efekty)

^{1}

. Obecnie wiemy jak gen koloru kwiatów Mendla określał białko, które skutkowało produkcją kolorowych cząsteczkami, czyli pigmentu

^{2}

. To białko funkcjonuje w kilku różnych częściach grochu (kwiatach, łupinie nasiennej i pachwinach liściowych). W ten sposób pozornie niezwiązane fenotypy mogły wywodzić się od uszkodzenia w jednym genie pełniącym kilka funkcji.

Co ważne, allele genów plejotropowych są przekazywane tak samo jak allele genów, które wpływają na pojedyncze cechy. Chociaż fenotyp ma wiele składowych, są one określone jako zestaw i dominujące czy recesywne ich wersje mogłyby pojawić się u potomstwa dwóch heterozygot w stosunku

3 : 1

Plejotropia w ludzkich chorobach genetycznych

Geny wpływające na choroby genetyczne u ludzi są często plejotropowe. Na przykład ludzie z dziedziczą chorobą nazywaną zespołem Marfana mogą mieć zestaw pozornie niezwiązanych objawów, w tym następujące

^{1, 3}

Niezwykle wysoki wzrost
Wąskie palce rąk i stóp
Przemieszczenie soczewek w oczach
Problemy z sercem (w aorcie, dużej tętnicy wyprowadzającej krew z serca, wybrzuszenia i pęknięcia).

Te objawy nie wydają się bezpośrednio połączone, ale jak się okazuje, mogą wszystkie pochodzić od mutacji w pojedynczym genie. Ten gen koduje białko, które układa się w łańcuchy tworząc elastyczne fibryle, które zapewniają wytrzymałość i elastyczność w tkankach łącznych ciała

^{4}

. Mutacje, które powodują zestaw Marfana zmniejszają ilość funkcjonalnego białka wytwarzanego przez organizm, co skutkuje mniejszą ilością włókien.

Jak identyczność tego genu wyjaśnia zestaw tych objawów? Nasze oczy i aorty normalnie zawierają wiele włókien, które pomagają utrzymać ich strukturę, dlatego te dwa narządy zostają dotknięte zespołem Marfana

^{5}

. Włókna co więcej pełnią funkcję "półek magazynowych" dla czynników wzrostu. Kiedy jest ich mniej w zespole Marfana, czynniki wzrostu nie mogą być magazynowane, zatem powodują nadmierny wzrost (prowadząc do charakterystycznej budowy dla zespołu Marfana - wzrostu i szczupłości)

^{4}

Letalność

Dla alleli, które badał Mendel, jest równie prawdopodobne, aby otrzymać genotypy homozygoty dominującej, homozygoty recesywnej i heterozygoty. To znaczy, żaden z tych genotypów nie wpływa na przeżycie grochu. Jednakże, nie jest tak w przypadku wszystkich genów i wszystkich alleli.

Wiele genów w genomie organizmu jest potrzebnych do przeżycia. Jeśli allel sprawia, że jeden z genów jest niefunkcjonalny lub powoduje przybranie nienormalnej, szkodliwej aktywności, może być niemożliwe, aby otrzymać żywy organizm z genotypem homozygotycznym (lub w niektórych wypadkach nawet heterozygotycznym).

Przykład: Żółta mysz

Klasycznym przykładem allelu, który wpływa na przeżycie jest letalny żółty allel, spontaniczna mutacja u myszy, która sprawia, że ich sierść jest żółta. Allel ten został odkryty na przełomie dwudziestego wieku przez francuskiego genetyka Lucien Cuenóta, który zauważył, że był on dziedziczony według niezwykłego wzoru

^{6, 7}

Kiedy żółta mysz została skrzyżowana ze zwykłą myszą agouti (brązową), dały one potomstwo w połowie żółte i w połowie brązowe. To sugerowało, że żółte myszy były heterozygotyczne i allel żółty,

A^{Y}

, był dominujący względem allelu agouti,

A

. Ale kiedy dwa żółte allele myszy były krzyżowane ze sobą, dawały żółte i brązowe potomstwo w stosunku

2 : 1

i żółte potomstwo nie krzyżowało się jak linie czyste (było heterozygotyczne). Dlaczego tak było?

Dwie żółte myszy (genotyp

A^{Y} A

) są ze sobą krzyżowane. Szachownica Punneta dla tej krzyżówki jest taka:

		$A^{Y}$ ‍	$A$ ‍
$A^{Y}$ ‍		$A^{Y}$ ‍ $A^{Y}$ ‍ (umiera jako zarodek)	$A^{Y}$ ‍ $A$ ‍ (żółta)
$A$ ‍		$A^{Y}$ ‍ $A$ ‍ (żółta)	$A$ ‍ $A$ ‍ (agouti/brązowa)

Stosunek fenotypów wynosi 2:1, żółte do brązowych, wśród myszy, które się urodziły.

Jak się okazało, ten niezwykły stosunek odpowiadał temu, że niektóre z zarodków myszy (homozygotyczny genotyp

A^{Y} A^{Y}

) umierały na bardzo wczesnym etapie rozwoju, długo przed urodzeniem. Innymi słowy, na poziomie komórek jajowych, plemników i zapłodnienia, gen koloru był rozdzielany normalnie, co dawało stosunek zarodków

1 : 2 : 1

dla genotypów

A^{Y} A^{Y}

A^{Y} A

A A

. Jednakże myszy

A^{Y} A^{Y}

umierały jako małe zarodki, pozostawiając stosunek genotypu i fenotypu

2 : 1

dla ocalałych myszy

^{7, 8}

Allele

A^{Y}

, które były letalne, kiedy były homozygotyczne, nie były takimi jako heterozygotyczne, są nazywane recesywnymi allelami letalnymi.

Recesywny allel letalny

A^{Y}

także zdaje się dawać dominujący, nieletalny fenotyp u heterozygoty (żółte umaszczenie razem z problemami zdrowotnymi takimi jak otyłość, cukrzyca i powstawanie nowotworów). Sztuczką jest to, że letalność jest recesywna, pomimo tego, że fenotyp koloru jest dominujący.

Kolor żółtej heterozygoty myszy jest przydatny, ponieważ pozwala nam śledzić genotypy, ale w wielu innych przypadkach recesywne allele letalne nie mają dominującego fenotypu w heterozygocie. Zamiast tego są w pełni recesywne względem normalnego allelu, co skutkuje zwykłym fenotypem dla heterozygoty i letalnym zarodkowym fenotypem dla homozygoty.

Allele letalne i ludzkie choroby genetyczne

Niektóre allele związane z chorobami genetycznymi u ludzi są letalne i recesywne. Na przykład jest tak dla allelu, który powoduje achondroplazję, rodzaj karłowatości. Osoba heterozygotyczna względem tego allelu będzie miała skrócone kończyny i niską budowę ciała (achondroplazję), stan zdrowia, który nie jest letalny. Jednakże homozygotyczność dla tego samego allelu powoduje śmierć na etapie rozwoju zarodkowego lub pierwszych miesięcy życia, co jest przykładem recesywnej letalności

^{7, 9}

Niektóre choroby genetyczne u ludzi są także powodowane dominującymi allelami letalnymi. Istnieją allele, które powodują śmierć, kiedy występują tylko w jednej kopii. Jeśli allel prowadzi do śmierci heterozygot przed narodzinami, nigdy nie zobaczymy tych alleli wśród żyjącej ludzkiej populacji (a raczej zobaczymy je jako nieudaną implantację lub poronienie). Jednakże jeśli dominujący allel letalny pozwala heterozygotom na przeżycie po narodzinach, może być widoczny w populacji jako choroba genetyczna.

W rzeczywistości jeśli dominujący allel letalny pozwala osobie na przeżycie do okresu reprodukcyjnego, może on zostać przekazany dzieciom. Jest tak w przypadku choroby Huntingtona, śmiertelnej choroby genetycznej układu nerwowego. Osoby z allelem związanym z chorobą Huntingtona na pewno ujawnią chorobę, ale mogą nie wykazywać żadnych objawów do czterdziestego roku życia i nieświadomie przekazać ten allel swoim dzieciom.

Żródła:

Ten artykuł jest modyfikacją artykułu źródłowego: “Characteristics and traits,” OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Pobierz oryginalny artykuł za darmo z: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Lobo, I. (2008). Pleiotropy: One gene can affect multiple traits. Nature Education, 1(1), 10. Źródło: www.nature.com/scitable/topicpage/pleiotropy-one-gene-can-affect-multiple-traits-569.
Reid, J. B. & Ross, J. J. (2011). Mendel's genes: Towards a full molecular characterization. Genetics 189(1), 3-10. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/#s4title.
Marfan syndrome. (2012). W Genetics home reference. Źródło: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.
FBN1. (2015). W Genetics home reference. Źródło: http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.
Marfan syndrome. (2015, November 3). Dostęp 21 listopada 2015 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Marfan_syndrome.
Lethal allele. (2016, July 13). Dostęp 26 lipca 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele#History.
Lobo, I. (2008). Mendelian ratios and lethal genes. Nature Education, 1(1), 138. Źródło: http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.
Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H., Lewontin, R. C. (1999). Interactions between alleles of one gene. W Modern Genetic Analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226/#_A824_.
Achrondroplasia. (2015, September 12). Dostęp 21 listopada 2015 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Dodatkowe źródła

Achrondroplasia. (2015, September 12). Dostęp 21 listopada 2015 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Achondroplasia.

Bergmann, D. C. (2011). Genetics lecture notes. Biosci 41, Stanford.

FBN1. (2015). W Genetics home reference. Źródło: http://ghr.nlm.nih.gov/gene/FBN1.

Griffiths, A. J. F., Gelbart, W. M., Miller, J. H., Lewontin, R. C. (1999). Interactions between alleles of one gene. W Modern Genetic Analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21226.

Lethal allele. (2015). W The free dictionary. Źródło: http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/lethal+allele.

Lethal allele. (2016, July 13). Dostęp 26 lipca 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lethal_allele.

Lobo, I. (2008). Mendelian ratios and lethal genes. Nature Education, 1(1), 138. Źródło: http://www.nature.com/scitable/topicpage/mendelian-ratios-and-lethal-genes-557.

Lobo, I. (2008). Pleiotropy: One gene can affect multiple traits. Nature Education, 1(1), 10. Źródło: www.nature.com/scitable/topicpage/pleiotropy-one-gene-can-affect-multiple-traits-569.

Lucien Cuénot. (2016, February 13). Dostęp 26 lipca 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Lucien_Cuénot.

Marfan syndrome. (2012). W Genetics home reference. Źródło: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/marfan-syndrome.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Mendel and the gene idea. W Campbell biology (10th ed., pp. 267-291). San Francisco, CA: Pearson.

Reid, J. B. & Ross, J. J. (2011). Mendel's genes: Towards a full molecular characterization. Genetics 189(1), 3-10. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3176118/

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.