Неменделевское наследование — это любая модель, в которой признаки не разделяются в соответствии с законами Менделя . Эти законы описывают наследование признаков, связанных с отдельными генами на хромосомах в ядре. При менделевском наследовании каждый родитель вносит один из двух возможных аллелей признака. Если генотипы обоих родителей в генетическом скрещивании известны, законы Менделя можно использовать для определения распределения фенотипов, ожидаемых для популяции потомства. Существует несколько ситуаций, в которых пропорции фенотипов, наблюдаемых в потомстве, не соответствуют прогнозируемым значениям.
Некоторые наследственные заболевания и их проявления демонстрируют неменделевские закономерности, что затрудняет прогнозирование на основе семейного анамнеза. [1]
Неполное доминирование, кодоминирование, множественные аллели и полигенные признаки следуют законам Менделя, демонстрируют менделевское наследование и объясняются как расширения законов Менделя. [2]
В случаях промежуточного наследования из-за неполного доминирования принцип доминирования, открытый Менделем, не применяется. Тем не менее, принцип единообразия работает, так как все потомство в поколении F 1 имеет одинаковый генотип и одинаковый фенотип. Принцип сегрегации генов Менделя также применяется, так как в поколении F 2 появляются гомозиготные особи с фенотипами поколения P [ необходимо разъяснение ] . Промежуточное наследование впервые было исследовано Карлом Корренсом в окраске цветков Mirabilis jalapa . [3] Antirrhinum majus также демонстрирует промежуточное наследование пигментации цветков. [4]
В случаях кодоминирования генетические признаки обоих различных аллелей одного и того же генного локуса четко выражены в фенотипе. Например, у некоторых разновидностей кур аллель черных перьев является кодоминантным с аллелем белых перьев. Гетерозиготные куры имеют окрас, описываемый как «erminette», с крапинками черных и белых перьев, появляющихся отдельно. Многие человеческие гены, включая ген белка, контролирующего уровень холестерина в крови, также демонстрируют кодоминирование. Люди с гетерозиготной формой этого гена производят две различные формы белка, каждая из которых по-разному влияет на уровень холестерина. [ необходима цитата ]
Когда гены расположены на одной хромосоме и не произошло кроссинговера до разделения хромосом в гаметы , генетические признаки будут унаследованы в связи, из-за генетической связи . Эти случаи представляют собой исключение из менделевского правила независимого распределения. [ необходима цитата ]
В менделевском наследовании гены имеют только два аллеля, например a и A. Мендель сознательно выбирал пары генетических признаков, представленных двумя аллелями для своих экспериментов по наследованию. В природе такие гены часто существуют в нескольких различных формах и поэтому говорят, что они имеют несколько аллелей . У особи обычно есть только две копии каждого гена, но в популяции часто встречается много различных аллелей. Цвет шерсти кролика определяется одним геном, который имеет по крайней мере четыре различных аллеля. Они демонстрируют образец иерархии доминирования, который может производить четыре цвета шерсти. В генах окрасов шерсти собак есть четыре аллеля в локусе Agouti. Аллель «aw» доминирует над аллелями «at» и «a», но рецессивен по отношению к «Ay». [ необходима цитата ]
Многие другие гены имеют несколько аллелей, включая человеческие гены для группы крови ABO . [ необходима ссылка ]
.jpg/1280px-Cat_(30072497623).jpg)
Если один или несколько генов не могут быть выражены из-за другого генетического фактора, препятствующего их выражению, этот эпистаз может сделать невозможным даже для доминантных аллелей в некоторых других генных локусах оказывать влияние на фенотип. Примером в генетике шерсти собак является гомозиготность с аллелем "e e" в локусе расширения, что делает невозможным производство любого другого пигмента, кроме феомеланина. Хотя аллель "e" является рецессивным аллелем в самом локусе расширения, наличие двух копий усиливает доминирование других генов окраски шерсти. У домашних кошек есть ген с аналогичным эффектом на X-хромосому. [ необходима цитата ]
Генетические признаки, расположенные на гоносомах, иногда демонстрируют специфические неменделевские модели наследования. У людей может развиться рецессивный признак в фенотипе, зависящем от их пола, например, дальтонизм и гемофилия (см. гоносомное наследование ). [7] [8] Поскольку многие аллели являются доминантными или рецессивными, истинное понимание принципов менделевского наследования является важным требованием для понимания более сложных моделей наследования, сцепленных с полом. [ необходима цитата ]
Внеядерное наследование (также известное как цитоплазматическое наследование) является формой неменделевского наследования, также впервые обнаруженной Карлом Корренсом в 1908 году. [9] Работая с Mirabilis jalapa , Корренс заметил, что цвет листьев зависит только от генотипа материнского родителя. На основании этих данных он определил, что признак передается через признак, присутствующий в цитоплазме семяпочки . Более поздние исследования Рут Сагер и других определили, что ДНК, присутствующая в хлоропластах , ответственна за наблюдаемую необычную схему наследования. Работа над слабым штаммом плесени Neurospora crassa, начатая Мэри и Гершелем Митчелл [10], в конечном итоге привела к открытию генетического материала в митохондриях, митохондриальной ДНК . [ необходима цитата ]
Согласно теории эндосимбионтов , митохондрии и хлоропласты когда-то были свободно живущими организмами, которые были поглощены эукариотической клеткой. [11] Со временем митохондрии и хлоропласты сформировали симбиотические отношения со своими эукариотическими хозяевами. Хотя перенос ряда генов из этих органелл в ядро не позволяет им жить независимо, каждая из них по-прежнему обладает генетическим материалом в форме двухцепочечной ДНК. [ необходима цитата ]
Именно передача этой органеллярной ДНК ответственна за явление внеядерного наследования. И хлоропласты, и митохондрии присутствуют в цитоплазме только материнских гамет. Отцовские гаметы ( например, сперма ) не имеют цитоплазматических митохондрий [ требуется цитата ] . Таким образом, фенотип признаков, связанных с генами, обнаруженными либо в хлоропластах, либо в митохондриях, определяется исключительно материнским родителем.
У людей митохондриальные заболевания представляют собой класс заболеваний, многие из которых поражают мышцы и глаза. [ необходима цитата ]
Многие признаки возникают в результате взаимодействия нескольких генов. Признаки, контролируемые двумя или более генами, называются полигенными признаками . Полигенный означает, что для развития признака организму необходимо «много генов». Например, в образовании красновато-коричневого пигмента в глазах плодовых мушек участвуют по крайней мере три гена . Полигенные признаки часто демонстрируют широкий спектр фенотипов. Широкое разнообразие цвета кожи у людей отчасти объясняется тем, что этот признак, вероятно, контролируют по крайней мере четыре разных гена. [ необходима цитата ]
Неслучайное распределение хромосом — это отклонение от обычного распределения хромосом во время мейоза и в некоторых случаях митоза.
Генная конверсия может быть одной из основных форм неменделевского наследования. Генная конверсия возникает во время репарации ДНК посредством рекомбинации ДНК , при которой часть информации о последовательности ДНК переносится из одной спирали ДНК (которая остается неизменной) в другую спираль ДНК, последовательность которой изменяется. Это может происходить как несоответствие между цепями ДНК, полученными от разных родителей. Таким образом, несоответствие может преобразовать один аллель в другой. Это явление можно обнаружить через неменделевские соотношения потомства, и оно часто наблюдается, например, при скрещивании грибов. [12]
Другая форма неменделевского наследования известна как инфекционная наследственность. Инфекционные частицы, такие как вирусы, могут инфицировать клетки-хозяева и продолжать находиться в цитоплазме этих клеток. Если присутствие этих частиц приводит к изменению фенотипа, то этот фенотип может впоследствии передаваться потомству. [13] Поскольку этот фенотип зависит только от присутствия захватчика в цитоплазме клетки-хозяина, наследование будет определяться только инфицированным статусом материнского родителя. Это приведет к однородительской передаче признака, как и при внеядерном наследовании. [ необходима цитата ]
Одним из наиболее хорошо изученных примеров инфекционной наследственности является феномен киллера, проявляющийся у дрожжей . Два двухцепочечных РНК-вируса , обозначенных как L и M, отвечают за этот фенотип. [14] Вирус L кодирует капсидные белки обоих вирусов, а также РНК-полимеразу . Таким образом, вирус M может инфицировать только клетки, уже содержащие частицы вируса L. Вирусная РНК M кодирует токсин , который выделяется из клетки-хозяина. Он убивает восприимчивые клетки, растущие в непосредственной близости от хозяина. Вирусная РНК M также делает клетку-хозяина невосприимчивой к летальному воздействию токсина. Следовательно, чтобы клетка была восприимчивой, она должна быть либо неинфицированной, либо содержать только вирус L. [ требуется ссылка ]
Вирусы L и M не способны покидать клетку-хозяина обычными способами. Они могут передаваться из клетки в клетку только тогда, когда их хозяин подвергается спариванию. Все потомство спаривания с участием дважды инфицированной дрожжевой клетки также будет инфицировано вирусами L и M. Следовательно, фенотип-убийца будет передан всему потомству. [ необходима цитата ]
Наследственные признаки, возникающие в результате заражения чужеродными частицами, также были выявлены у Drosophila . Дикие мухи обычно полностью восстанавливаются после анестезии углекислым газом. Были выявлены определенные линии мух, которые погибают после воздействия этого соединения. Эта чувствительность к углекислому газу передается от матерей к их потомству. Эта чувствительность обусловлена заражением вирусом σ (Sigma), рабдовирусом, способным заражать только Drosophila . [15]
Хотя этот процесс обычно ассоциируется с вирусами, недавние исследования показали, что бактерия Wolbachia также способна вставлять свой геном в геном своего хозяина. [16] [17]
Геномный импринтинг представляет собой еще один пример неменделевского наследования. Как и при обычном наследовании, гены для данного признака передаются потомству от обоих родителей. Однако эти гены эпигенетически маркируются до передачи, изменяя уровни их экспрессии. Эти импринты создаются до формирования гамет и стираются во время создания клеток зародышевой линии. Таким образом, с каждым поколением может быть создана новая модель импринтинга. [ необходима цитата ]
Гены импринтируются по-разному в зависимости от родительского происхождения хромосомы , которая их содержит. У мышей ген инсулиноподобного фактора роста 2 подвергается импринтингу. Белок, кодируемый этим геном, помогает регулировать размер тела. Мыши, обладающие двумя функциональными копиями этого гена, крупнее, чем те, у которых есть две мутантные копии. Размер мышей, гетерозиготных по этому локусу, зависит от родителя, от которого произошел аллель дикого типа . Если функциональный аллель произошел от матери, потомство будет демонстрировать карликовость , тогда как отцовский аллель даст мышь нормального размера. Это происходит из-за импринтинга материнского гена Igf2 . Импринтинг приводит к инактивации гена Igf2 на хромосоме, переданной матерью. [18]
Отпечатки формируются из-за дифференциального метилирования отцовских и материнских аллелей. Это приводит к различной экспрессии между аллелями двух родителей. Участки со значительным метилированием связаны с низким уровнем экспрессии генов . Более высокая экспрессия генов обнаруживается в неметилированных участках. [19] При этом способе наследования фенотип определяется не только конкретным аллелем, переданным потомству, но и полом родителя, который его передал.
Индивидуумы, обладающие клетками с генетическими отличиями от других клеток в их организме, называются мозаиками. Эти отличия могут быть результатом мутаций , которые происходят в разных тканях и в разные периоды развития. Если мутация происходит в тканях, не образующих гаметы, она характеризуется как соматическая . Мутации зародышевой линии происходят в яйцеклетках или сперматозоидах и могут передаваться потомству. [20] Мутации, которые происходят на ранних стадиях развития, будут влиять на большее количество клеток и могут привести к появлению индивидуума, которого можно идентифицировать как мозаичного строго на основе фенотипа.
Мозаицизм также является результатом явления, известного как X-инактивация . Все самки млекопитающих имеют две X-хромосомы . Чтобы предотвратить летальные проблемы с дозировкой генов , одна из этих хромосом инактивируется после оплодотворения . Этот процесс происходит случайным образом для всех клеток в организме организма. Поскольку две X-хромосомы данной самки почти наверняка будут отличаться по своему специфическому шаблону аллелей, это приведет к различным фенотипам клеток в зависимости от того, какая хромосома подавлена. Кошки калико , которые почти все самки, [21] демонстрируют одно из наиболее часто наблюдаемых проявлений этого процесса. [22]
Нарушения тринуклеотидных повторов также следуют неменделевскому шаблону наследования. Все эти заболевания вызваны расширением микросателлитных тандемных повторов, состоящих из участка из трех нуклеотидов . [23] Обычно у людей количество повторяющихся единиц относительно невелико. С каждым последующим поколением есть вероятность, что количество повторов будет увеличиваться. По мере того, как это происходит, потомство может прогрессировать до премутации и в конечном итоге до пораженного статуса. Индивиды с количеством повторов, которое попадает в диапазон премутации, имеют хорошие шансы иметь пораженных детей. Те, кто прогрессирует до пораженного статуса, будут проявлять симптомы своего конкретного заболевания. Известные нарушения тринуклеотидных повторов включают синдром ломкой X-хромосомы и болезнь Хантингтона . В случае синдрома ломкой X-хромосомы считается, что симптомы возникают из-за повышенного метилирования и сопутствующего снижения экспрессии гена интеллектуальной инвалидности ломкой X-хромосомы у людей с достаточным количеством повторов. [24]