Неменделевское наследование — это любой образец, при котором 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 известны генотипы обоих родителей в генетическом скрещивании, законы Менделя можно использовать для определения распределения фенотипов, ожидаемого для популяции потомства. Существует несколько ситуаций, в которых доли фенотипов, наблюдаемые в потомстве, не соответствуют прогнозируемым значениям.
Неменделевское наследование играет роль в некоторых заболеваниях, влияющих на эти процессы. [ необходимо уточнение ] [1]
Неполные доминанты, кодоминантность, множественные аллели и полигенные признаки подчиняются законам Менделя, демонстрируют менделевское наследование и объясняются как расширение законов Менделя. [2]
В случаях промежуточного наследования вследствие неполного доминирования принцип доминирования, открытый Менделем, не применяется. Тем не менее, принцип единообразия работает, поскольку все потомки F 1 -поколения имеют одинаковый генотип и одинаковый фенотип. Применяется и принцип Менделя о сегрегации генов, так как в F 2 -поколении появляются гомозиготные особи с фенотипами P-поколения. Промежуточное наследование было впервые исследовано Карлом Корренсом на Mirabilis jalapa , использованном для дальнейших генетических экспериментов. [3] Antirhinum majus также демонстрирует промежуточное наследование пигментации цветков. [4]
В случаях кодоминирования в фенотипе четко выражены генетические признаки обоих разных аллелей одного и того же ген-локуса . Например, у некоторых разновидностей кур аллель черного оперения кодоминантен с аллелем белого оперения. Гетерозиготные куры имеют окраску, описываемую как «горностай», с крапинками, черными и белыми перьями, появляющимися отдельно. Многие человеческие гены, в том числе ген белка, контролирующего уровень холестерина в крови, также демонстрируют кодоминирование. Люди с гетерозиготной формой этого гена производят две разные формы белка, каждая из которых по-разному влияет на уровень холестерина. [ нужна цитата ]
Когда гены расположены в одной и той же хромосоме и до разделения хромосом на гаметы не произошло кроссинговера , генетические признаки будут наследоваться в связи из-за генетического сцепления . Эти случаи представляют собой исключение из менделевского правила независимого ассортимента. [ нужна цитата ]
При менделевском наследовании гены имеют только две аллели, такие как a и A. Мендель сознательно выбрал для своих экспериментов по наследованию пары генетических признаков, представленных двумя аллелями. В природе такие гены часто существуют в нескольких различных формах, и поэтому говорят, что они имеют несколько аллелей . У человека обычно имеется только две копии каждого гена, но в популяции часто встречается множество различных аллелей. Цвет шерсти кролика определяется одним геном, имеющим как минимум четыре различных аллеля. Они демонстрируют образец иерархии доминирования, которая может давать четыре цвета шерсти. В генах окраски шерсти собак имеются четыре аллели в агути-локусе. Аллель «aw» доминантен над аллелями «at» и «a», но рецессивен по отношению к «Ay». [ нужна цитата ]
Многие другие гены имеют несколько аллелей, включая человеческие гены группы крови АВО . [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-Cat_(30072497623).jpg)
Если один или несколько генов не могут экспрессироваться из-за другого генетического фактора, препятствующего их экспрессии, этот эпистаз может сделать невозможным влияние даже доминантных аллелей на некоторые другие генные локусы на фенотип. Примером генетики шерсти собак является гомозиготность с аллелем «e e» в локусе расширения, что делает невозможным производство какого-либо другого пигмента, кроме феомеланин. Хотя аллель «е» является рецессивным аллелем самого локуса расширения, наличие двух копий усиливает доминирование других генов окраски шерсти. У домашних кошек есть ген с аналогичным действием на Х-хромосому. [ нужна цитата ]
Генетические признаки, локализованные в гоносомах , иногда демонстрируют специфические неменделевские закономерности наследования. У людей может развиться рецессивный признак фенотипа в зависимости 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. [ нужна цитата ]
Внеядерное наследование (также известное как цитоплазматическое наследование) — это форма неменделевского наследования, также впервые обнаруженная Карлом Корренсом в 1908 году. [9] Работая с Mirabilis jalapa , Корренс заметил, что цвет листьев зависел только от генотипа материнского родителя. . На основании этих данных он определил, что признак передается через признак, присутствующий в цитоплазме семязачатка . Более поздние исследования Рут Сейгер и других выявили, что ДНК, присутствующая в хлоропластах , ответственна за наблюдаемый необычный характер наследования. Работа над штаммом плесени Neurospora crassa , начатая Мэри и Гершелем Митчеллами [10], в конечном итоге привела к открытию генетического материала в митохондриях, митохондриальной ДНК . [ нужна цитата ]
Согласно теории эндосимбионтов , митохондрии и хлоропласты когда-то были свободноживущими организмами, каждый из которых был поглощен 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, каждый из них все же обладает генетическим материалом в виде двухцепочечной ДНК. [ нужна цитата ]
Именно передача этой органеллярной ДНК ответственна за феномен внеядерного наследования. И хлоропласты, и митохондрии присутствуют только в цитоплазме материнских гамет. Отцовские гаметы ( например, сперматозоиды ) не имеют цитоплазматических митохондрий . Таким образом, фенотип признаков, связанных с генами, обнаруженными либо в хлоропластах, либо в митохондриях, определяется исключительно материнским родителем.
У человека митохондриальные заболевания представляют собой класс заболеваний, многие из которых поражают мышцы и глаза. [ нужна цитата ]
Многие черты возникают в результате взаимодействия нескольких генов. Признаки, контролируемые двумя или более генами, называются полигенными признаками . Полигенность означает, что организму необходимо «множество генов», чтобы развить этот признак. Например, по крайней мере три гена участвуют в образовании красновато-коричневого пигмента в глазах плодовых мух . Полигенные признаки часто демонстрируют широкий спектр фенотипов. Широкое разнообразие цвета кожи у людей обусловлено отчасти тем, что эту черту, вероятно, контролируют как минимум четыре разных гена. [ нужна цитата ]
Неслучайное расхождение хромосом — это отклонение от обычного распределения хромосом при мейозе и в некоторых случаях митозе.
Генная конверсия может быть одной из основных форм неменделевского наследования. Конверсия генов 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 произойти в результате восстановления несоответствия между нитями ДНК, полученными от разных родителей. Таким образом, исправление ошибочного спаривания может преобразовать один аллель в другой. Это явление можно обнаружить по неменделевским соотношениям 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 впоследствии может 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. [ нужна цитата ]
Одним из наиболее хорошо изученных примеров инфекционной наследственности является феномен киллеров, наблюдаемый у дрожжей . За этот фенотип ответственны два вируса с двухцепочечной РНК , обозначенные L и M. [14] Вирус L кодирует капсидные белки обоих вирусов, а также РНК-полимеразу . Таким образом, вирус М может инфицировать только клетки, уже содержащие частицы вируса L. Вирусная РНК М кодирует токсин , секретируемый клеткой-хозяином. Он убивает чувствительные клетки, растущие в непосредственной близости от хозяина. Вирусная РНК М также делает клетку-хозяина невосприимчивой к летальному воздействию токсина. Следовательно, чтобы клетка была восприимчивой, она должна быть либо неинфицирована, либо содержать только L-вирус. [ нужна цитата ]
Вирусы L и M не способны покидать клетку-хозяина обычными способами. Они могут переходить из клетки в клетку только тогда, когда их хозяин подвергается спариванию. Все потомство от спаривания с дважды инфицированной дрожжевой клеткой также будет инфицировано вирусами L и M. Следовательно, фенотип-киллер будет передаваться всему потомству. [ нужна цитата ]
У дрозофилы также выявлены наследственные признаки, возникающие в результате заражения инородными частицами . Мухи дикого типа обычно полностью выздоравливают после анестезии углекислым газом. Были идентифицированы определенные линии мух, которые вымирают после воздействия этого соединения. Эта чувствительность к углекислому газу передается от матери к потомству. Такая чувствительность обусловлена заражением вирусом σ (Сигма), рабдовирусом , способным инфицировать только дрозофилу . [15]
Хотя этот процесс обычно связан 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 данного признака передаются потомству от обоих родителей. Однако эти гены эпигенетически маркируются перед передачей, изменяя уровень их экспрессии. Эти отпечатки создаются до образования гамет и стираются во время создания клеток зародышевой линии. Следовательно, с каждым поколением может создаваться новый образец импринтинга. [ нужна цитата ]
Гены импринтируются по-разному в зависимости от родительского происхождения хромосомы , которая их содержит. У мышей импринтируется ген инсулиноподобного фактора роста 2 . Белок , кодируемый этим геном, помогает регулировать размер тела. Мыши, обладающие двумя функциональными копиями этого гена, крупнее, чем мыши с двумя мутантными копиями. Размер мышей, гетерозиготных по этому локусу, зависит от родителя, от которого произошел аллель дикого типа . Если функциональный аллель произошел от матери, у потомства будет проявляться карликовость , тогда как отцовский аллель приведет к появлению мыши нормального размера. Это связано с тем, что импринтируется материнский ген Igf2 . Импринтинг приводит к инактивации гена Igf2 на хромосоме, переданной от матери. [18]
Отпечатки образуются вследствие дифференциального метилирования отцовских и материнских аллелей. Это приводит к различной экспрессии аллелей от двух родителей. Сайты со значительным метилированием связаны с низким уровнем экспрессии генов . Более высокая экспрессия генов обнаруживается в неметилированных сайтах. [19] При этом типе наследования фенотип определяется не только конкретным аллелем, передаваемым потомству, но и полом родителя, который его передал.
Лица, обладающие клетками с генетическими отличиями от других клеток своего тела, называются мозаиками. Эти различия могут быть результатом мутаций , возникающих в разных тканях и в разные периоды развития. Если мутация происходит в тканях, не образующих гамет, ее характеризуют как соматическую . Зародышевые мутации возникают в яйцеклетках или сперматозоидах и могут передаваться потомству. [20] Мутации, возникающие на ранних стадиях развития, затрагивают большее количество клеток и могут привести к тому, что особь может быть идентифицирована как мозаика, строго основанная на фенотипе.
Мозаицизм также является результатом явления, известного как Х-инактивация . Все самки млекопитающих имеют две Х-хромосомы . Чтобы предотвратить смертельные проблемы с дозировкой генов , одна из этих хромосом инактивируется после оплодотворения . Этот процесс происходит случайным образом для всех клеток организма. Поскольку две Х-хромосомы данной женщины почти наверняка будут различаться по специфическому набору аллелей, это приведет к разным фенотипам клеток в зависимости от того, какая хромосома замолкает. Ситцевые кошки , почти все из которых состоят из самок, [21] демонстрируют одно из наиболее часто наблюдаемых проявлений этого процесса. [22]
Нарушения тринуклеотидных повторов также наследуются по неменделевскому типу. Все эти заболевания вызваны увеличением микросателлитных тандемных повторов , состоящих из участка из трех нуклеотидов . [23] Обычно у отдельных лиц количество повторяющихся единиц относительно невелико. С каждым последующим поколением есть вероятность, что количество повторов будет увеличиваться. Когда это происходит, потомство может перейти в премутацию и, в конечном итоге, стать пораженным. Лица, число повторов которых попадает в диапазон премутации, имеют хорошие шансы заболеть детьми. Те, кто перейдет в пораженный статус, проявят симптомы своего конкретного заболевания. Выдающиеся нарушения тринуклеотидных повторов включают синдром ломкой Х-хромосомы и болезнь Хантингтона . В случае синдрома ломкой X-хромосомы считается, что симптомы возникают в результате повышенного метилирования и сопутствующего снижения экспрессии гена ломкой X-гена умственной отсталости у людей с достаточным количеством повторов. [24]