Кодоминирование и множественный аллелизм: группы крови и задачи ЕГЭ

У человека с IV группой крови на каждом эритроците есть два разных антигена — A и B. Он получил их от родителей со II и III группами, и ни один аллель не «победил» другой и не «смешался» с ним: оба работают в полную силу. Это кодоминирование. А сам ген групп крови — пример множественного аллелизма: в популяции у него не два аллеля, а три. На обложке — пробирки с кровью четырёх групп системы AB0.

В статье — что такое кодоминирование и чем оно отличается от неполного доминирования, история открытия групп крови, молекулярное устройство гена AB0, резус-фактор, серии аллелей у животных и растений, интересные факты и семь задач с разбором, в том числе в формате задания 28. Общая картина всех типов взаимодействия — в статье «Взаимодействие генов: полный разбор для ЕГЭ».

• Кодоминирование
• Как открыли группы крови
• Ген AB0: три аллеля и четыре группы
• Резус-фактор
• Множественный аллелизм
• Группы крови и спорное отцовство
• Интересные факты
• Типичные ошибки
• Задачи с разбором

Кодоминирование

При неполном доминировании гетерозигота занимает промежуточное положение: в розовом лепестке пигмента просто меньше, чем в красном. При кодоминировании гетерозигота несёт оба исходных варианта признака сразу. Классические примеры:

• Группы крови системы AB0. У людей с генотипом I^AI^B на эритроцитах есть и антиген A, и антиген B.
• Группы крови системы MN. Люди с генотипом MM имеют на эритроцитах антиген M, NN — антиген N, MN — оба. Здесь три генотипа дают три фенотипа, и расщепление в браке двух гетерозигот — 1 : 2 : 1.
• Чалая масть крупного рогатого скота. При скрещивании рыжих шортгорнов с белыми телята чалые. Если присмотреться, каждый волосок у них либо рыжий, либо белый, а не розоватый: проявляются оба аллеля.
• Белки в электрофорезе. Если два аллеля кодируют белки, которые немного различаются по заряду, у гетерозиготы при электрофорезе видны обе полосы. По этому признаку кодоминантны почти все аллели.
• Молекулярные маркеры. На уровне ДНК аллели всегда кодоминантны: анализ видит последовательность каждой из двух копий. Поэтому ДНК-маркеры так удобны для установления родства.

Как открыли группы крови

В XIX веке переливание крови было лотереей: иногда больной выздоравливал, а иногда погибал. В 1900 году австрийский врач Карл Ландштейнер смешивал эритроциты одних людей с сывороткой крови других и увидел, что в одних сочетаниях эритроциты склеиваются (агглютинируют), а в других нет. По этому признаку он разделил людей на три группы. Четвёртую, самую редкую, в 1902 году нашли венские врачи Альфред фон Декастелло и Адриано Штурли. В 1907 году чешский психиатр Ян Янский независимо описал все четыре группы и пронумеровал их от I до IV — этой нумерацией до сих пор пользуются в России.

В 1910 году Эмиль фон Дунгерн и Людвик Хиршфельд показали, что группы крови наследуются по законам Менделя. Сначала думали, что работают два гена, но в 1924 году немецкий математик Феликс Бернштейн по частотам групп в популяциях доказал: ген один, а аллелей у него три. За открытие групп крови Ландштейнер получил Нобелевскую премию 1930 года, а в 1940 году вместе с Александром Винером открыл и резус-фактор.

Ген AB0: три аллеля и четыре группы

Ген ABO лежит в 9-й хромосоме и кодирует фермент — гликозилтрансферазу. Фермент достраивает углеводную цепочку на поверхности эритроцита, так называемый антиген H. Аллель I^A кодирует вариант фермента, который присоединяет к цепочке N-ацетилгалактозамин, — получается антиген A. Аллель I^B кодирует вариант, присоединяющий галактозу, — получается антиген B. Эти два варианта фермента различаются всего четырьмя аминокислотами. В аллеле i выпал один нуклеотид, рамка считывания сдвинулась, и работающий фермент не образуется: цепочка остаётся «недостроенной», антигенов A и B нет.

Отсюда отношения аллелей. Аллели I^A и I^B кодоминантны: у гетерозиготы работают оба варианта фермента, и на эритроцитах есть оба антигена. Над аллелем i оба доминируют полностью: одного работающего фермента хватает, чтобы построить антиген.

Почему в плазме есть антитела к антигенам, которых у человека нет? Похожие углеводные структуры есть у бактерий кишечника, и иммунная система с первых месяцев жизни вырабатывает антитела ко всем таким структурам, кроме своих собственных.

Резус-фактор

Резус-фактор — белок RhD на мембране эритроцитов. Его кодирует отдельный ген, не связанный с AB0. У большинства резус-отрицательных людей европейского происхождения этот ген целиком утрачен. Резус-положительность доминирует: RR и Rr — резус-положительные, rr — резус-отрицательные. В Европе резус-отрицательных около 15 %.

Резус-фактор важен при беременности. Если у резус-отрицательной матери резус-положительный плод, при родах эритроциты плода могут попасть в её кровь, и организм матери выработает антитела. При следующей беременности резус-положительным плодом эти антитела проникают через плаценту и разрушают эритроциты ребёнка — развивается гемолитическая болезнь новорождённого. Сегодня её предотвращают: резус-отрицательным женщинам вводят готовые антитела к RhD, которые уничтожают попавшие эритроциты плода раньше, чем иммунная система матери успеет на них отреагировать.

Множественный аллелизм

Множественные аллели возникают, потому что ген может мутировать по-разному: одна мутация полностью выключает белок, другая снижает его активность, третья меняет свойства. В серии аллелей между разными парами возможны разные отношения: полное доминирование, неполное, кодоминирование.

Окраска шерсти кроликов

Ген, кодирующий тирозиназу — фермент синтеза меланина, у кроликов имеет серию из четырёх основных аллелей с полным доминированием по порядку: C > c^ch > c^h > c.

• C — сплошная окраска (агути, «дикий» тип);
• c^ch — шиншилловая окраска: из шерсти исчезает жёлтый пигмент, и она становится серебристой;
• c^h — гималайская окраска: белое тело с тёмными ушами, лапами, носом и хвостом;
• c — альбинос: белая шерсть и красные глаза.

Гималайский аллель — особенно интересный случай. Он кодирует фермент, чувствительный к температуре: при температуре тела фермент неактивен, а в более холодных частях тела работает. Поэтому пигмент появляется только на «выступающих» участках. Если выбрить шерсть на спине гималайского кролика и привязать к этому месту пузырь со льдом, новая шерсть вырастет чёрной. Тот же механизм окрашивает сиамских кошек: у котят, родившихся в тёплой утробе, окраска светлая, а тёмные «отметины» появляются с возрастом.

Сколько бывает генотипов

Если у гена n аллелей, число возможных генотипов равно n(n + 1)/2: n гомозигот и n(n − 1)/2 гетерозигот. При трёх аллелях AB0 — шесть генотипов, но групп крови четыре, потому что I^AI^A и I^Ai (а также I^BI^B и I^Bi) не различаются. При четырёх аллелях окраски кроликов генотипов десять, а фенотипов четыре.

Самые полиморфные гены человека

Рекордсмены множественного аллелизма у человека — гены главного комплекса гистосовместимости HLA. Их белки показывают иммунной системе фрагменты белков клетки, и разнообразие аллелей помогает популяции распознавать самые разные возбудители. Известны десятки тысяч аллелей генов HLA. Из-за этого так трудно подобрать донора для пересадки органов и костного мозга: нужно, чтобы аллели HLA донора и реципиента совпадали как можно лучше.

Группы крови и спорное отцовство

До появления анализа ДНК группы крови были главным способом решать споры об отцовстве. Их сила и слабость одинаковы: группа крови может исключить отцовство, но не может его доказать. Мужчина с I группой не может быть отцом ребёнка с III группой, если у матери II группа: ребёнку неоткуда взять аллель I^B. Но если группы не противоречат отцовству, отцом может быть любой из миллионов мужчин с подходящей группой.

Самый известный случай — иск против Чарли Чаплина в 1943 году. У матери была II группа (A), у ребёнка — III (B), у Чаплина — I (0). Анализ крови однозначно исключал его отцовство, но законы Калифорнии того времени не обязывали суд учитывать такие анализы, и присяжные признали Чаплина отцом. Этот случай стал доводом за то, чтобы признавать генетическую экспертизу в суде.

Сегодня отцовство устанавливают по ДНК, сравнивая два-три десятка высокополиморфных участков генома. Каждый из них — пример множественного аллелизма и кодоминирования: в анализе видны оба аллеля человека, и ребёнок должен получить один из них от отца.

Интересные факты

• Группы крови на фронте. В 1918–1919 годах Людвик Хиршфельд и его жена Ханна определили группы крови у нескольких тысяч солдат разных народов на Салоникском фронте и обнаружили, что частоты групп у разных народов заметно различаются. Это было одно из первых исследований генетики популяций человека.
• Аллель i — сломанный ген. Самая частая группа крови во многих странах, I, — результат выпадения единственного нуклеотида. Но для человека это никакая не болезнь: просто на эритроцитах нет антигенов A и B.
• Исключение из правил. Известен редкий аллель cis-AB: он кодирует фермент, который присоединяет к цепочке оба сахара сразу. Носитель такого аллеля и аллеля i имеет IV группу и может передать её ребёнку от брака с человеком I группы. Такие семьи чаще описаны в Корее и Японии.
• Почему важна IV группа. В плазме людей с IV группой нет антител к A и B, поэтому раньше их называли универсальными реципиентами, а людей с I группой — универсальными донорами. Сегодня кровь переливают строго по группе и резус-фактору, а «универсальные» правила — только для экстренных случаев.
• Гималайский кролик и сиамская кошка. Чувствительные к температуре аллели гена тирозиназы найдены у кроликов, кошек, мышей и морских свинок. Это наглядный пример того, что фенотип — результат взаимодействия генотипа и среды.

Типичные ошибки

• Записывать группы крови как AA, AB, BO. Принятая запись — I^AI^A, I^AI^B, I^Bi; фенотип пишут римской цифрой или буквой: II (A).
• Путать кодоминирование с неполным доминированием. IV группа — не «средняя» между II и III, а обе сразу.
• Считать, что у организма может быть три аллеля одного гена. Аллелей в популяции много, у каждого диплоидного организма — два.
• Определять генотип человека со II или III группой однозначно. Без сведений о родственниках он может быть и гомозиготой, и гетерозиготой.
• Связывать резус-фактор с геном AB0. Это разные гены, они наследуются независимо, и вероятности для них перемножают.

Задачи с разбором

Задача 1. В формате задания 4

Определите соотношение фенотипов (групп крови) у детей от брака гетерозиготной женщины со II группой крови и гетерозиготного мужчины с III группой. Ответ запишите в виде последовательности цифр в порядке их убывания.

Задача 2. Какая группа у отца?

У матери II группа крови, у ребёнка — I. Какие группы крови могут быть у отца ребёнка? Какую группу отец иметь не может?

Задача 3. Дело Чаплина

У матери II группа крови, у ребёнка III, у предполагаемого отца I. Может ли этот мужчина быть отцом ребёнка? Изменится ли ответ, если неизвестно, гомозиготна ли мать?

Задача 4. Перепутанные младенцы

В роддоме одновременно родились два мальчика. У одного I группа крови, у другого II. У первой пары родителей I и IV группы, у второй — обе II группы. Какой ребёнок из какой семьи?

Задача 5. Шиншилла и гималайский кролик

Окраска шерсти кроликов определяется серией аллелей C > c^ch > c^h > c (сплошная, шиншилловая, гималайская, альбинос). Шиншиллового кролика скрестили с гималайской крольчихой, и среди крольчат оказались шиншилловые, гималайские и альбиносы. Определите генотипы родителей и соотношение фенотипов в потомстве.

Задача 6. Сколько генотипов?

Сколько разных генотипов и фенотипов возможно в популяции кроликов по гену окраски из задачи 5? Сколько было бы фенотипов, если бы все четыре аллеля были кодоминантны?

Задача 7. В формате задания 28

Женщина со II группой крови и резус-отрицательная вышла замуж за мужчину с III группой крови, резус-положительного. Их первый ребёнок имеет I группу крови и резус-отрицательный. Гены групп крови и резус-фактора не сцеплены. Составьте схему решения задачи. Определите генотипы родителей, возможные генотипы и фенотипы детей. Какова вероятность рождения у этой пары резус-положительного ребёнка с IV группой крови? Чем опасна для второго ребёнка резус-положительность?

Литература

1. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. СПб.: Н-Л, 2010.
2. Yamamoto F. et al. Molecular genetic basis of the histo-blood group ABO system // Nature. 1990. Vol. 345. P. 229–233.
3. Hirschfeld L., Hirschfeld H. Serological differences between the blood of different races // The Lancet. 1919. Vol. 194. P. 675–679.
4. Griffiths A. J. F. et al. Introduction to Genetic Analysis. 10th ed. New York: W. H. Freeman, 2012.