Эпистаз: как один ген подавляет другой. Расщепления 13 : 3, 12 : 3 : 1, 9 : 3 : 4

Палевый лабрадор может нести аллели чёрной окраски — но шерсть у него всё равно светлая. Серая лошадь рождается вороной или рыжей и седеет с годами, и по её масти уже не скажешь, какой она была бы без седины. Человек с «первой» группой крови может нести аллель B и передать его ребёнку. Во всех этих случаях один ген скрывает действие другого. Это эпистаз. На обложке — чёрный и палевый лабрадоры: палевая собака может нести аллель чёрной окраски, но он у неё не проявляется.

В статье — что такое эпистаз и чем он отличается от доминирования, доминантный и рецессивный эпистаз с расщеплениями 13 : 3, 12 : 3 : 1 и 9 : 3 : 4, молекулярные причины, бомбейский феномен, эпистаз в широком смысле, интересные факты и семь задач с разбором. Общая картина всех типов взаимодействия — в статье «Взаимодействие генов: полный разбор для ЕГЭ».

• Что такое эпистаз
• Доминантный эпистаз: 13 : 3 и 12 : 3 : 1
• Рецессивный эпистаз: 9 : 3 : 4
• Бомбейский феномен
• Почему один ген подавляет другой
• Эпистаз в широком смысле
• Как узнать эпистаз в задаче
• Интересные факты
• Задачи с разбором

Что такое эпистаз

Термин ввёл Уильям Бэтсон; по-гречески ἐπίστασις — «остановка», а буквально «стояние над». Эпистатический ген как бы стоит над гипостатическим и решает, проявится ли тот.

Эпистаз легко спутать с доминированием, ведь в обоих случаях что-то «подавляет» что-то. Разница принципиальная.

Различают два вида эпистаза. При доминантном подавляет доминантный аллель эпистатического гена: I > C, c. При рецессивном подавляет рецессивная гомозигота: cc > A, a.

Доминантный эпистаз: 13 : 3 и 12 : 3 : 1

Белые куры: 13 : 3

Обе породы — леггорн и виандот — бывают белыми, но по разным причинам. У белых леггорнов есть доминантный аллель окраски C, но его подавляет доминантный аллель I другого гена: генотип IICC. У белых виандотов подавителя нет, но нет и аллеля окраски: генотип iicc. Гибриды F₁ IiCc белые: подавитель есть. В F₂ появляются окрашенные куры.

Окрашены только куры iiC_ — 3 из 16. Белых три класса: I_C_ (9, подавитель есть), I_cc (3, подавитель есть и нет окраски), iicc (1, окраски нет). 9 + 3 + 1 = 13.

Тыква и лошади: 12 : 3 : 1

У тыквы доминантный аллель W подавляет окраску плода, и плоды белые. Если подавителя нет, ген Y определяет окраску: Y_ — жёлтые плоды, yy — зелёные. От скрещивания двух дигетерозигот получается 12 белых (W_Y_ + W_yy) : 3 жёлтых (wwY_) : 1 зелёный (wwyy). Так же наследуется окраска чешуи у овса: чёрная, серая и белая.

У лошадей доминантный аллель седины G подавляет проявление масти. Жеребёнок с аллелем G рождается вороным, гнедым или рыжим и постепенно седеет, становясь к старости почти белым. Если седины нет (gg), масть определяют другие гены, например E (вороная) и e (рыжая). Две серые дигетерозиготы GgEe дают 12 серых : 3 вороных : 1 рыжего.

Рецессивный эпистаз: 9 : 3 : 4

Мыши: агути, чёрные и альбиносы

Дикая окраска мышей — агути: каждый волос тёмный с жёлтым кольцом, и шерсть кажется серо-бурой. Её определяет доминантный аллель A; у aa волос сплошь чёрный. Но чтобы ген A проявился, нужен пигмент вообще. Пигмент меланин синтезирует фермент тирозиназа, закодированный геном C. У рецессивной гомозиготы cc фермента нет, и мышь — альбинос при любом генотипе по гену A.

От скрещивания двух дигетерозигот AaCc получается 9 агути (A_C_) : 3 чёрных (aaC_) : 4 альбиноса (A_cc + aacc).

Лабрадоры: чёрные, шоколадные и палевые

У лабрадоров ген B определяет цвет тёмного пигмента: B_ — чёрный, bb — коричневый (шоколадный). Ген E кодирует рецептор MC1R на клетках, образующих пигмент; при работающем рецепторе (E_) в шерсть поступает тёмный пигмент. У рецессивной гомозиготы ee рецептор не работает, клетки образуют только светлый, жёлто-красный пигмент, и собака палевая при любом генотипе по гену B.

Альбинизм у человека

Самая известная форма альбинизма у человека вызвана мутациями в гене тирозиназы. Рецессивная гомозигота не синтезирует меланин вообще, и все остальные гены, определяющие цвет кожи, волос и глаз, у неё не проявляются. Это тоже рецессивный эпистаз: ген тирозиназы стоит в начале пути синтеза меланина.

Бомбейский феномен

В 1952 году в Бомбее (ныне Мумбаи) врачи обследовали нескольких человек, кровь которых не подходила ни к одной из четырёх групп. Эритроциты у них, как у I группы, не имели антигенов A и B, но в плазме были антитела не только к A и B, но и к антигену H, который есть у всех остальных людей.

Объяснение — рецессивный эпистаз. Антигены A и B ферменты гена ABO строят на основе антигена H, который синтезирует продукт другого гена — FUT1 (ген H). У гомозигот hh антигена H нет, и ферменты ABO не могут работать, даже если аллели I^A или I^B есть. Человек с «бомбейским» фенотипом может передать детям аллели I^A и I^B, и у ребёнка они проявятся, если он получит от другого родителя аллель H.

Бомбейский фенотип очень редок: в Индии — примерно один человек на 10 тысяч, в Европе — около одного на миллион. Перелить таким людям можно только кровь другого человека с бомбейским фенотипом: антитела к антигену H разрушат эритроциты любой обычной группы, включая I.

Почему один ген подавляет другой

• Эпистатический ген стоит раньше в цепи реакций. Если не синтезируется предшественник (меланин, антиген H), неважно, как дальше устроены ферменты, которые его видоизменяют. Так обычно возникает рецессивный эпистаз: подавляет рецессивная гомозигота с неработающим ферментом.
• Эпистатический ген кодирует белок-подавитель. Доминантный аллель даёт белок, который выключает другой ген или блокирует его продукт. Так возникает доминантный эпистаз: подавителю достаточно одной копии.
• Эпистатический ген управляет тем, куда попадёт продукт. Рецептор MC1R у лабрадоров не участвует в синтезе тёмного пигмента, но без него этот пигмент не поступает в шерсть.

Эпистаз в широком смысле

В школьном курсе принята классификация, в которой комплементарность, эпистаз и полимерия — три разных типа. В англоязычных учебниках все расщепления при взаимодействии двух генов называют разными формами эпистаза: 9 : 7 — дублирующим рецессивным эпистазом, 15 : 1 — дублирующим доминантным, 13 : 3 — доминантно-рецессивным и так далее. Это не противоречие, а два способа назвать одни и те же явления.

Есть и ещё более широкий смысл. Рональд Фишер в 1918 году назвал эпистазом любое отклонение от простого сложения эффектов генов: если действие двух мутаций вместе не равно сумме их действий по отдельности. В этом смысле эпистаз изучают в современной генетике сложных признаков и в эволюционной биологии: от него зависит, какие мутации полезны в одном генетическом окружении и вредны в другом.

Как узнать эпистаз в задаче

• В условии есть ген-подавитель, ингибитор, супрессор или сказано, что аллель одного гена «подавляет проявление» другого.
• Расщепление в F₂ с суммой 16: 13 : 3 или 12 : 3 : 1 — доминантный эпистаз, 9 : 3 : 4 — рецессивный.
• Анализирующее скрещивание дигетерозиготы даёт 3 : 1 (для 13 : 3), 2 : 1 : 1 (для 12 : 3 : 1) или 1 : 1 : 2 (для 9 : 3 : 4).
• Родители с одинаковым фенотипом (две белые породы кур, две серые лошади) дают потомков другого фенотипа, а один из классов F₂ совпадает с фенотипом обоих родителей.

Интересные факты

• Белые кони Вены. Знаменитые липпицанеры Испанской школы верховой езды в Вене рождаются тёмными и становятся белыми к 6–10 годам. Все они — носители аллеля седины G. Этот аллель — удвоение небольшого участка ДНК в гене STX17; он же объясняет, почему у старых серых лошадей очень часто развиваются меланомы.
• Первые палевые лабрадоры. Порода начиналась как чёрная, а палевые и шоколадные щенки считались браком. Первый палевый лабрадор был зарегистрирован в 1899 году. Сегодня палевые и шоколадные — признанные окраски.
• Цвет пламени. Рыжий цвет волос у человека чаще всего связан с мутациями того же гена MC1R, что и палевая окраска лабрадоров.
• Донор — только такой же. Людям с бомбейским фенотипом подходит лишь кровь таких же людей, поэтому в Индии и других странах ведут списки этих редких доноров, чтобы при необходимости быстро найти кровь.
• Эпистаз и эволюция. В многолетнем эксперименте Ричарда Ленски с кишечной палочкой способность питаться цитратом появилась лишь в одной из двенадцати линий примерно через 30 тысяч поколений. Оказалось, ей предшествовали мутации, которые сами по себе ничего не давали, но сделали возможным действие ключевой мутации. Это эпистаз в широком смысле.

Типичные ошибки

• Называть эпистаз доминированием. Доминирование — между аллелями одного гена, эпистаз — между разными генами.
• Путать эпистатический и гипостатический гены. Эпистатический подавляет, гипостатический подавляется.
• Искать три гена при 9 : 3 : 4. Генов два; четвёртый класс — объединение 3 aaB_ и 1 aabb.
• Путать 12 : 3 : 1 и 9 : 3 : 4. В первом случае самый большой класс (12) — подавленные доминантным аллелем, во втором самый маленький (4) — подавленные рецессивной гомозиготой, а самый большой (9) — дикий тип.
• Определять генотип по фенотипу подавленной особи. Белая курица, палевый лабрадор, серая лошадь могут нести любые аллели гипостатического гена.

Задачи с разбором

Задача 1. Анализирующее скрещивание

У кур доминантный аллель I подавляет действие аллеля окраски C; куры без аллеля C белые. Гены не сцеплены. Определите соотношение фенотипов в потомстве от скрещивания дигетерозиготной курицы IiCc с петухом iicc. Ответ запишите в виде последовательности цифр в порядке их убывания.

Задача 2. Белые и окрашенные

При скрещивании белых леггорнов (IICC) с белыми виандотами (iicc) в F₂ получили 208 белых и 48 окрашенных цыплят. Определите тип взаимодействия генов. Какая доля белых кур F₂ при скрещивании с виандотами iicc может дать окрашенное потомство?

Задача 3. Два чёрных лабрадора

От двух чёрных лабрадоров родились чёрный, шоколадный и палевый щенки. Определите генотипы родителей. Какова вероятность, что следующий щенок этой пары будет палевым? Шоколадным?

Задача 4. «Невозможный» ребёнок

У женщины при анализе крови определили I группу, у её мужа — II группу. У них родился ребёнок с IV группой крови. Известно, что у матери женщины III группа, а её отец, как и она, имеет «бомбейский» фенотип. Объясните результат, определите возможные генотипы членов семьи по генам ABO и H.

Задача 5. Серый жеребец

У лошадей доминантный аллель G вызывает седину и подавляет масть; при gg аллель E даёт вороную масть, ee — рыжую. Серого жеребца скрестили с несколькими рыжими кобылами и получили серых, вороных и рыжих жеребят. Определите генотип жеребца и ожидаемое соотношение мастей.

Задача 6. Окраска плодов тыквы

При скрещивании тыквы с белыми плодами (WWYY) и тыквы с зелёными плодами (wwyy) все гибриды F₁ имели белые плоды. В F₂ получено 480 растений. Сколько среди них теоретически будет растений с белыми, жёлтыми и зелёными плодами? Какой тип взаимодействия генов проявляется?

Задача 7. В формате задания 28

У мышей окраска шерсти определяется двумя несцепленными генами. Аллель A даёт окраску агути, a — чёрную; окраска проявляется только при наличии доминантного аллеля C, а мыши cc — альбиносы. Чёрную мышь из чистой линии скрестили с альбиносом из чистой линии — все потомки F₁ оказались агути. Гибридов F₁ скрестили между собой. Составьте схемы скрещиваний. Определите генотипы родителей, генотипы и фенотипы потомства F₁ и F₂ и соотношение фенотипов в F₂. Какой тип взаимодействия генов проявляется? Почему у чёрной мыши и альбиноса родились потомки с окраской агути?

Литература

1. Bateson W. Mendel's Principles of Heredity. Cambridge: Cambridge University Press, 1909.
2. Bhende Y. M. et al. A «new» blood group character related to the ABO system // The Lancet. 1952. Vol. 259. P. 903–904.
3. Rosengren Pielberg G. et al. A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse // Nature Genetics. 2008. Vol. 40. P. 1004–1009.
4. Phillips P. C. Epistasis — the essential role of gene interactions in the structure and evolution of genetic systems // Nature Reviews Genetics. 2008. Vol. 9. P. 855–867.
5. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. СПб.: Н-Л, 2010.