Сверхдоминирование: почему гетерозигота бывает сильнее обеих гомозигот

В некоторых районах Африки до четверти жителей несут аллель тяжёлой наследственной болезни — серповидноклеточной анемии. Отбор, казалось бы, давно должен был от него избавиться. Но у носителей этого аллеля есть преимущество: они в несколько раз реже умирают от тропической малярии. В таких районах гетерозиготы выживают лучше, чем обе гомозиготы. Это и есть сверхдоминирование. На обложке — пробирки с кровью трёх генотипов по гену β-глобина: AA, AS и SS.

В статье — что такое сверхдоминирование, как серповидноклеточная анемия стала первой «молекулярной болезнью» и классическим примером отбора в пользу гетерозигот, расчёт равновесной частоты аллеля, гетерозис у кукурузы, мулов и бройлеров, другие примеры и шесть задач с разбором. Общая картина всех типов взаимодействия — в статье «Взаимодействие генов: полный разбор для ЕГЭ».

• Что такое сверхдоминирование
• Серповидноклеточная анемия и малярия
• Один аллель — четыре типа наследования
• Сколько носителей сохранит отбор
• Гетерозис
• Другие примеры
• Интересные факты
• Типичные ошибки
• Задачи с разбором

Что такое сверхдоминирование

Сравним с другими аллельными взаимодействиями. При полном доминировании Aa = AA, при неполном Aa находится между AA и aa, при кодоминировании у Aa проявляются оба аллеля. При сверхдоминировании Aa выходит за пределы обеих гомозигот: Aa > AA и Aa > aa.

Внешне сверхдоминирование в расщеплении не видно: в моногибридном скрещивании по-прежнему 1 AA : 2 Aa : 1 aa. Оно проявляется в том, кто из потомков лучше выживает и оставляет больше потомства, и поэтому особенно важно для эволюции популяций и для селекции.

Серповидноклеточная анемия и малярия

Гемоглобин взрослого человека состоит из двух α-цепей и двух β-цепей. Аллель Hb^S гена β-глобина отличается от нормального аллеля Hb^A одним нуклеотидом, из-за чего в шестой позиции β-цепи вместо глутаминовой кислоты стоит валин. Гемоглобин S при недостатке кислорода слипается в длинные волокна, и эритроцит вытягивается в форму серпа. Такие эритроциты жёсткие, они застревают в мелких сосудах и быстро разрушаются.

• Гомозиготы Hb^SHb^S страдают тяжёлой анемией, приступами боли, поражением органов. Без лечения большинство из них в тропической Африке погибало в детстве.
• Гетерозиготы Hb^AHb^S обычно здоровы: половины нормального гемоглобина хватает, а серповидные клетки появляются только при сильной нехватке кислорода — например, высоко в горах.
• Гомозиготы Hb^AHb^A здоровы, но беззащитны перед тропической малярией.

Возбудитель тропической малярии — малярийный плазмодий — размножается внутри эритроцитов. В 1954 году британский врач Энтони Эллисон сравнил карты распространения малярии и аллеля Hb^S в Африке и обнаружил, что они совпадают, а у детей-носителей реже бывает тяжёлая малярия. Позже выяснили механизм: заражённые эритроциты гетерозигот чаще принимают серповидную форму и удаляются селезёнкой вместе с паразитом, а сам плазмодий в таких эритроцитах растёт хуже.

Один аллель — четыре типа наследования

Аллель Hb^S — лучшая иллюстрация того, что тип взаимодействия аллелей зависит от признака, на который мы смотрим.

Сколько носителей сохранит отбор

Если гетерозиготы приспособлены лучше обеих гомозигот, отбор не может убрать из популяции ни один аллель: каждый раз, когда частота аллеля S растёт, больше рождается больных гомозигот SS; когда падает — больше незащищённых AA. Частота аллеля устанавливается на равновесном уровне. Такую устойчивую изменчивость называют балансированным полиморфизмом.

Равновесную частоту можно рассчитать. Пусть приспособленность гетерозигот принята за 1, гомозиготы AA из-за малярии теряют долю s приспособленности, а гомозиготы SS — долю t. Тогда равновесная частота аллеля S:

Возьмём s = 0,15 (гомозиготы AA на 15 % чаще погибают от малярии, чем гетерозиготы) и t = 1 (без лечения больные почти не оставляют потомства). Тогда q = 0,15 / 1,15 ≈ 0,13, а доля гетерозигот 2pq = 2 · 0,87 · 0,13 ≈ 0,23. Почти каждый четвёртый — носитель. Примерно такие частоты и наблюдаются в районах Западной и Центральной Африки, где тропическая малярия распространена больше всего. Расчёты такого рода — по формуле, данной в условии, — появились в новом задании 26 ЕГЭ-2027 (подробнее — в статье «Расчётные задачи по эволюции в ЕГЭ-2027»).

Гетерозис

Явление заметил ещё Чарлз Дарвин, который в 1876 году описал в книге о перекрёстном опылении, что потомство от скрещивания разных растений обычно мощнее потомства от самоопыления. В 1908 году американский генетик Джордж Шелл, изучая кукурузу, показал, что самоопыление в течение нескольких поколений даёт мелкие слабые инбредные линии, а их гибрид F₁ оказывается мощнее и урожайнее исходного сорта. Термин «гетерозис» Шелл ввёл в 1914 году. За несколько десятилетий гибридная кукуруза заняла почти все посевы кукурузы в США.

Почему гетерозис исчезает в F₂

Гибрид F₁ от двух чистых линий гетерозиготен по всем генам, в которых линии различаются. При скрещивании гибридов между собой в F₂ гетерозиготна по каждому гену лишь половина растений, и мощность в среднем снижается. Поэтому семена гибридной кукурузы, подсолнечника или томатов покупают каждый год заново, а не собирают с собственного поля.

Как объясняют гетерозис

• Гипотеза доминирования. В каждой инбредной линии накапливаются вредные рецессивные аллели в гомозиготе — но в разных генах. В гибриде каждый такой аллель прикрыт нормальным аллелем от второго родителя. Гибрид AaBb превосходит родителей AAbb и aaBB без всякого сверхдоминирования в отдельных генах.
• Гипотеза сверхдоминирования. Гетерозигота по отдельному гену сама по себе лучше обеих гомозигот — например, потому что два разных варианта белка расширяют возможности клетки.

По современным данным, главный вклад в гетерозис вносит первое объяснение, но настоящее сверхдоминирование по отдельным генам тоже найдено. Так, у томата гетерозиготность по мутации гена SFT, который управляет цветением, заметно повышает урожай, а обе гомозиготы урожайнее не становятся.

Гетерозис у животных

Самый древний пример — мул, гибрид осла и кобылы. Мулы сильнее, выносливее и неприхотливее и лошадей, и ослов, и живут дольше. Закрепить их свойства нельзя: у мула 63 хромосомы (32 от лошади и 31 от осла), хромосомы не образуют пар в мейозе, и мулы почти всегда бесплодны. В птицеводстве бройлеров и несушек получают скрещиванием специально подобранных линий — такие гибриды называют кроссами. Гетерозис используют и в свиноводстве, и в рыбоводстве.

Другие примеры

• Талассемии и малярия. Носители аллелей талассемии (нарушения синтеза α- или β-цепей гемоглобина) также лучше переносят малярию. Поэтому талассемии часто встречаются в Средиземноморье, Юго-Восточной Азии и Африке — там, где малярия была распространена.
• Рога диких овец. На шотландском острове Хирта живут дикие овцы сойской породы. У баранов, гомозиготных по аллелю больших рогов, больше успех в брачных боях, но ниже выживаемость; у гомозигот по аллелю маленьких рогов наоборот. Гетерозиготы получают преимущества обоих вариантов, и отбор сохраняет оба аллеля. Это показали в 2013 году по наблюдениям за несколькими поколениями овец.
• Гены иммунитета. Человек, гетерозиготный по генам HLA, представляет иммунной системе более широкий набор фрагментов чужих белков и в среднем лучше справляется с некоторыми инфекциями. Это одно из объяснений огромного числа аллелей HLA (см. статью «Кодоминирование и множественный аллелизм»).

Сверхдоминирование на ЕГЭ

Термина «сверхдоминирование» в кодификаторе ЕГЭ нет, но о гетерозисе спрашивают в теме «Селекция», а серповидноклеточная анемия — частый пример генной мутации и формы естественного отбора, сохраняющей полиморфизм. В заданиях с развёрнутым ответом от вас могут ждать объяснения, почему вредный аллель сохраняется в популяции и почему гибридные семена каждый год покупают заново.

Интересные факты

• Карта малярии в ДНК. По частоте аллеля Hb^S можно восстановить, где малярия свирепствовала в прошлом. По одной из недавних оценок, сам аллель возник около 7 тысяч лет назад, когда в Африке распространялось земледелие, а вместе с расчисткой лесов — и малярийные комары.
• Мул древнее письменности. Мулов разводили ещё в Древнем Египте и Месопотамии, задолго до того, как кто-то задумался о наследственности.
• Урожай кукурузы. Гибриды F₁ вместе с удобрениями и машинами за столетие увеличили урожаи кукурузы в несколько раз. Гетерозис — одно из самых прибыльных открытий генетики.
• Самоопылители тоже. Пшеница и рис — самоопылители, у них трудно получать гибридные семена в больших количествах. Гибридный рис всё же создали в Китае в 1970-х годах; его автор Юань Лунпин стал национальным героем.
• Цена кровного родства. Испанский король Карл II, последний из испанских Габсбургов, родился в семье, где поколениями заключались браки между родственниками. Расчёты показывают, что его коэффициент инбридинга был примерно таким же, как у ребёнка от брака брата и сестры. Он был тяжело болен всю жизнь и не оставил наследников.

Типичные ошибки

• Считать, что сверхдоминирование видно по расщеплению. Расщепление обычное, 1 : 2 : 1; различаются жизнеспособность и плодовитость генотипов.
• Думать, что гетерозис можно закрепить, размножая гибриды семенами. В F₂ доля гетерозигот уменьшается вдвое, и эффект ослабевает. Закрепить гетерозис можно вегетативным размножением (у картофеля, плодовых деревьев), а у бесплодных гибридов, таких как мул, — никак.
• Называть аллель серповидноклеточной анемии «полезным». Он выгоден только в гетерозиготе и только там, где есть малярия; в гомозиготе он вызывает тяжёлую болезнь.
• Путать гетерозис и полиплоидию. Гетерозис — свойство гибридов F₁, полиплоидия — кратное увеличение числа хромосом.

Задачи с разбором

Задача 1. Семья в районе малярии

Оба супруга — носители аллеля серповидноклеточной анемии, живут в районе, где распространена тропическая малярия. Какова вероятность рождения у них больного ребёнка, здорового ребёнка-носителя и ребёнка без аллеля Hb^S? Кто из детей имеет наилучшие шансы дожить до взрослого возраста без лечения и почему?

Задача 2. Новорождённые и взрослые

В популяции частота аллеля Hb^S равна 0,2, браки случайны. Рассчитайте доли генотипов среди новорождённых. Как изменятся эти доли среди взрослых в районе с распространённой малярией и почему?

Задача 3. Равновесная частота

В популяции, где распространена малярия, приспособленность гетерозигот по гену β-глобина принята за 1. Гомозиготы Hb^AHb^A имеют приспособленность 0,9, гомозиготы Hb^SHb^S — 0,2. Равновесная частота аллеля Hb^S рассчитывается по формуле q = s / (s + t), где s и t — потери приспособленности гомозигот AA и SS. Рассчитайте равновесную частоту аллеля и долю носителей. Ответы округлите до сотых.

Задача 4. Почему семена покупают каждый год

Гибрид кукурузы F₁ получен от скрещивания двух чистых линий, различающихся по трём независимо наследуемым генам: AAbbCC × aaBBcc. Какая доля растений F₂ будет гетерозиготной по всем трём генам? Какая доля — гомозиготной по всем трём? Объясните, почему фермеры не сеют семена, собранные с гибридного поля.

Задача 5. Почему мулы бесплодны

В соматических клетках лошади 64 хромосомы, осла — 62. Сколько хромосом в соматических клетках мула? Почему мул отличается гибридной мощностью, но почти всегда бесплоден?

Задача 6. Рога сойских овец

У баранов-гомозигот по аллелю больших рогов выше брачный успех, но ниже выживаемость в суровые зимы; у гомозигот по аллелю маленьких рогов — наоборот. Гетерозиготы имеют довольно большие рога и хорошую выживаемость. Объясните, почему в популяции сохраняются оба аллеля. Как называется такой тип взаимодействия по признаку «приспособленность» и такая форма изменчивости популяции?

Литература

1. Pauling L., Itano H. A., Singer S. J., Wells I. C. Sickle cell anemia, a molecular disease // Science. 1949. Vol. 110. P. 543–548.
2. Allison A. C. Protection afforded by sickle-cell trait against subtertian malarial infection // British Medical Journal. 1954. Vol. 1. P. 290–294.
3. Shull G. H. The composition of a field of maize // American Breeders' Association Reports. 1908. Vol. 4. P. 296–301.
4. Krieger U., Lippman Z. B., Zamir D. The flowering gene SINGLE FLOWER TRUSS drives heterosis for yield in tomato // Nature Genetics. 2010. Vol. 42. P. 459–463.
5. Johnston S. E. et al. Life history trade-offs at a single locus maintain sexually selected genetic variation // Nature. 2013. Vol. 502. P. 93–95.
6. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. СПб.: Н-Л, 2010.