Полное доминирование: почему один аллель скрывает другой

Мендель скрестил горох с жёлтыми семенами и горох с зелёными — и все гибриды дали жёлтые семена. Зелёный цвет исчез, но не навсегда: в следующем поколении он вернулся у каждого четвёртого растения. Этот опыт и есть пример полного доминирования — самого известного типа взаимодействия аллелей, с которого начинается вся генетика. На обложке — семена гороха трёх генотипов: AA и Aa одинаково жёлтые, aa — зелёное.

В статье — опыты Менделя и его числа, что значит «доминантный» на языке молекул, почему большинство мутаций рецессивны, почему доминантный признак не обязан быть частым, как работает анализирующее скрещивание, какие «менделевские» признаки человека оказались мифами и семь задач с разбором. Общая картина всех типов взаимодействия — в статье «Взаимодействие генов: полный разбор для ЕГЭ».

• Опыты Менделя
• Основные понятия
• Почему один аллель доминирует
• Доминантный — не значит частый
• Анализирующее скрещивание
• Доминирование — свойство признака
• Признаки человека: модели и мифы
• Интересные факты
• Типичные ошибки
• Задачи с разбором

Опыты Менделя

Грегор Мендель, монах августинского монастыря в Брюнне (ныне Брно), с 1856 по 1863 год вырастил десятки тысяч растений гороха. Горох он выбрал удачно: это самоопылитель, поэтому сорта гороха — чистые линии, а искусственно перекрёстно опылить цветок несложно. Мендель взял семь признаков, каждый в двух чётко различимых вариантах, и скрещивал растения, различающиеся по одному признаку.

Результаты оказались одинаковыми для всех семи признаков. В первом поколении (F₁) все гибриды были похожи на одного из родителей. Этот вариант признака Мендель назвал доминирующим, а исчезнувший — рецессивным (от латинского recessus — отступление). Во втором поколении (F₂), полученном самоопылением гибридов, рецессивный признак возвращался примерно у четверти растений.

Всего у Менделя в F₂ оказалось 14 949 растений с доминантными признаками и 5010 с рецессивными — 2,98 : 1. Ни одно отношение не равно 3 : 1 точно: расщепление — вероятностный процесс, и чем больше потомков, тем ближе результат к теоретическому. Мендель понял это и потому работал с большими выборками.

Объяснение Менделя по сути современное. У каждого растения есть два «наследственных задатка» (мы называем их аллелями гена), по одному от каждого родителя. В гамету попадает только один. Если у растения два разных аллеля, внешне проявляется доминантный.

Основные понятия

• Аллели — разные формы одного гена, лежащие в одинаковых местах (локусах) гомологичных хромосом. Доминантный аллель обозначают заглавной буквой (A), рецессивный — строчной (a).
• Гомозигота — организм с одинаковыми аллелями (AA или aa), даёт один тип гамет. Гетерозигота — с разными (Aa), даёт два типа гамет поровну.
• Генотип — совокупность генов организма, фенотип — совокупность его признаков. При полном доминировании разные генотипы (AA и Aa) дают одинаковый фенотип.
• Чистая линия — потомство одного самоопыляющегося растения, гомозиготное по изучаемым генам. Если в условии задачи сказано «чистые линии» или «при скрещивании между собой расщепления не наблюдалось», родители гомозиготны.

Отсюда первые два закона Менделя: закон единообразия гибридов первого поколения (при скрещивании двух гомозигот всё F₁ одинаково) и закон расщепления (в F₂ — 3 : 1 по фенотипу и 1 : 2 : 1 по генотипу). Третий закон — независимого наследования — описывает два признака сразу: при дигибридном скрещивании гены разных пар хромосом комбинируются независимо, и в F₂ получается 9 : 3 : 3 : 1.

Почему один аллель доминирует

Слова «доминирует» и «подавляет» создают впечатление, будто доминантный аллель как-то борется с рецессивным. На самом деле никакой борьбы нет. Чаще всего всё объясняется проще: рецессивный аллель — это сломанная копия гена, которая не даёт работающего белка, а одной работающей копии хватает.

Возьмём ген фермента. У гомозиготы AA работают обе копии, у гетерозиготы Aa — одна, и фермента в клетке вдвое меньше. Но для большинства ферментов это не важно: скорость всего пути синтеза почти не меняется, если одного фермента стало вдвое меньше. Внешне гетерозигота не отличается от гомозиготы. Генетики называют это гаплодостаточностью: одной копии гена достаточно. Только у гомозиготы aa работающего фермента нет вовсе, и признак меняется.

Бывает, что доминантным оказывается как раз «испорченный» аллель. Возможны три причины.

• Одной копии мало. Для некоторых генов половины продукта недостаточно, и потеря одной копии уже меняет признак. Тогда мутантный аллель доминантен или полудоминантен (см. статью «Неполное доминирование»).
• Белок приобрёл новое вредное свойство. При болезни Гентингтона в гене HTT удлинён повтор из трёх нуклеотидов ЦАГ, и белок получает длинный «хвост» из аминокислоты глутамина. Такой белок склеивается в агрегаты и постепенно убивает нервные клетки. Нормальная копия гена от второго родителя этому не мешает, поэтому болезнь доминантна.
• Испорченный белок портит нормальный. Многие белки работают в составе комплексов. Если в комплекс встраивается дефектная субъединица, весь комплекс работает плохо. Так, при некоторых формах несовершенного остеогенеза (повышенной ломкости костей) испорченные цепи коллагена встраиваются в волокна вместе с нормальными и делают их непрочными. Такие мутации называют доминантно-негативными.

Доминантный — не значит частый

Распространённое заблуждение — считать, что доминантный признак должен со временем вытеснить рецессивный. Доминантность описывает только то, как аллели проявляются у гетерозиготы, и ничего не говорит о частоте аллеля в популяции. Частота зависит от отбора, мутаций, дрейфа генов и истории популяции.

Некоторые формы шестипалости у человека наследуются доминантно, но встречаются редко. Болезнь Гентингтона доминантна, но поражает лишь нескольких человек на 100 тысяч. Зато рецессивная I группа крови — самая распространённая во многих странах. Ещё в 1908 году английский математик Годфри Харди и немецкий врач Вильгельм Вайнберг независимо показали, что без отбора и других факторов частоты аллелей в большой популяции из поколения в поколение не меняются, какими бы ни были доминантность и рецессивность.

Анализирующее скрещивание

Растение с жёлтыми семенами может быть и AA, и Aa — по внешнему виду это не определить. Чтобы узнать генотип, особь с доминантным фенотипом скрещивают с рецессивной гомозиготой aa. Такое скрещивание называют анализирующим.

• Если всё потомство имеет доминантный признак, исследуемая особь — AA.
• Если потомство расщепляется 1 : 1, исследуемая особь — Aa.

Почему берут именно рецессивную гомозиготу? Она даёт только гаметы a, которые ничего не скрывают. Фенотип каждого потомка прямо показывает, какой аллель дала исследуемая особь. То же работает и для двух генов: дигетерозигота в анализирующем скрещивании даёт четыре класса поровну.

Доминирование — свойство признака

Доминирование — не свойство гена «вообще», а отношение между аллелями по конкретному признаку. Один и тот же аллель может быть доминантным по одному признаку и проявляться иначе по другому.

• Крахмальные зёрна гороха. По форме семени аллель R доминирует полностью: семена Rr гладкие. Но если рассмотреть под микроскопом крахмальные зёрна, у гетерозигот они промежуточные по форме и количеству крахмала между RR и rr.
• Серповидноклеточная анемия. По самой болезни аллель рецессивен, по составу гемоглобина у гетерозиготы — кодоминантен, по устойчивости к малярии — доминантен (подробнее — в статье «Сверхдоминирование»).
• Признаки, зависимые от пола. У некоторых пород овец гетерозиготные бараны рогатые, а гетерозиготные овцы безрогие: аллель рогатости доминирует у самцов и рецессивен у самок, потому что на его проявление влияют половые гормоны. Ген при этом лежит не в половой хромосоме, а в аутосоме.

Признаки человека: модели и мифы

В школьных задачах часто встречаются «менделевские» признаки человека: карие глаза доминируют над голубыми, умение сворачивать язык трубочкой доминирует над неумением, свободная мочка уха — над приросшей. Это удобные модели, но в жизни всё сложнее.

• Цвет глаз зависит от нескольких генов. Главный вклад вносит участок рядом с генами OCA2 и HERC2, но у голубоглазых родителей изредка рождаются кареглазые дети, что в простой модели невозможно.
• Сворачивание языка в 1940 году описал как доминантный признак Альфред Стёртевант. Через несколько лет выяснилось, что однояйцевые близнецы с одинаковым генотипом нередко различаются по этому признаку, а многие люди учатся сворачивать язык с возрастом. Сам Стёртевант позже признавал, что зря считал этот признак менделевским.
• Форма мочки уха изменяется плавно, от полностью свободной до приросшей, и связана почти с полусотней участков генома.

Полное доминирование на ЕГЭ

Моно- и дигибридное скрещивание при полном доминировании — основа задания 4 (1 балл; ответ — последовательность цифр) и большинства задач задания 28 (3 балла). В задаче 28 полное доминирование обычно сочетается со сцеплением генов или с наследованием, сцепленным с полом.

Интересные факты

• Работу Менделя не заметили 35 лет. Мендель доложил свои результаты в 1865 году, статья вышла в 1866-м. Её перечитали лишь в 1900 году, когда трое ботаников — Гуго де Фриз, Карл Корренс и Эрих Чермак — независимо получили те же результаты.
• Термины Менделя живут до сих пор. Слова «доминантный» и «рецессивный» ввёл сам Мендель, а «ген», «генотип» и «фенотип» — датский генетик Вильгельм Иогансен в 1909 году.
• Почему большинство мутаций рецессивны. В 1981 году биохимики Хенрик Кэсер и Джеймс Бёрнс показали на моделях обмена веществ, что скорость пути из многих ферментов почти не чувствительна к количеству каждого из них. Поэтому снижение количества фермента вдвое у гетерозиготы обычно незаметно, и мутации, выключающие фермент, оказываются рецессивными.
• Кошки Хемингуэя. Многопалость у кошек — доминантный признак. Писатель Эрнест Хемингуэй держал в своём доме на острове Ки-Уэст шестипалого кота. Его потомки живут в доме-музее писателя до сих пор, и многие из них тоже многопалые.
• Болезнь, которую нашли на берегу озера. Ген болезни Гентингтона искали, изучая большие семьи у озера Маракайбо в Венесуэле, где болезнь встречается необычно часто. Ген нашли в 1993 году. Болезнь доминантна, но сохраняется в популяциях, потому что обычно проявляется после 35–45 лет, когда у человека уже есть дети.

Типичные ошибки

• Считать, что доминантный аллель «сильнее» и вытесняет рецессивный в популяции. Доминирование не связано с частотой.
• Определять генотип особи с доминантным признаком по её виду. Без анализирующего скрещивания или родословной это невозможно.
• Забывать, что расщепление — вероятностное. 3 : 1 — ожидание для большого числа потомков; в семье с четырьмя детьми все четверо могут иметь доминантный признак.
• Считать вероятность «среди всех» вместо «среди доминантных». Среди растений с доминантным признаком в F₂ гетерозиготы составляют 2/3, а не 1/2: из трёх таких растений одно AA и два Aa.
• Писать гаметы с двумя аллелями одного гена. Гамета гаплоидна: у Aa гаметы A и a, у AaBb — AB, Ab, aB, ab.

Задачи с разбором

Задача 1. Числа Менделя

В опыте Менделя с окраской цветков гороха (тот же ген определяет и окраску семенной кожуры) в F₂ оказалось 705 растений с пурпурными цветками и 224 с белыми. Определите отношение фенотипов. Сколько растений с пурпурными цветками теоретически были гетерозиготными? Как проверить генотип каждого из них?

Задача 2. В формате задания 4

Определите соотношение фенотипов в потомстве от скрещивания растений с генотипами AaBb и Aabb при полном доминировании и независимом наследовании признаков. Ответ запишите в виде последовательности цифр, показывающих соотношение фенотипов, в порядке их убывания.

Задача 3. Семь чёрных детёнышей

У морских свинок чёрная шерсть доминирует над белой. Чёрную самку скрестили с белым самцом, и все семь детёнышей оказались чёрными. Можно ли утверждать, что самка гомозиготна? Оцените вероятность такого результата, если бы самка была гетерозиготной.

Задача 4. Голубоглазый ребёнок

В школьной модели карий цвет глаз доминирует над голубым. У кареглазых родителей родился голубоглазый ребёнок. Определите генотипы родителей. Какова вероятность, что второй ребёнок будет голубоглазым? Какова вероятность, что кареглазый брат первого ребёнка гетерозиготен?

Задача 5. В формате задания 28

У морских свинок чёрная шерсть (A) доминирует над белой (a), вихрастая (B) — над гладкой (b); гены не сцеплены. Чёрную вихрастую самку скрестили с белым гладким самцом и получили чёрных вихрастых, чёрных гладких, белых вихрастых и белых гладких детёнышей в равном соотношении. Затем эту самку скрестили с чёрным гладким самцом, и среди детёнышей оказались белые. Составьте схемы скрещиваний. Определите генотипы родителей, генотипы и фенотипы потомства в обоих скрещиваниях и их соотношение. Какой закон наследственности проявляется?

Задача 6. Чистые линии в F₂

Горох с жёлтыми гладкими семенами (AABB) скрестили с горохом с зелёными морщинистыми (aabb), гибриды F₁ самоопылили. Какая доля растений F₂ с жёлтыми гладкими семенами при самоопылении не даст расщепления ни по одному признаку?

Задача 7. Болезнь Гентингтона

Болезнь Гентингтона наследуется по аутосомно-доминантному типу. У мужчины в 40 лет появились первые признаки болезни; его жена здорова и не несёт мутантного аллеля. Какова вероятность, что их ребёнок унаследует болезнь? Почему доминантный аллель тяжёлой болезни не исчезает из популяции?

Литература

1. Мендель Г. Опыты над растительными гибридами. М.: Наука, 1965.
2. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. СПб.: Н-Л, 2010.
3. Kacser H., Burns J. A. The molecular basis of dominance // Genetics. 1981. Vol. 97. P. 639–666.
4. Reid J. B., Ross J. J. Mendel's genes: toward a full molecular characterization // Genetics. 2011. Vol. 189. P. 3–10.
5. McDonald J. H. Myths of Human Genetics. Baltimore: Sparky House Publishing, 2011.