Янковский Н.К. Связь генотипа и фенотипа: варианты

Связь генотипа и
фенотипа:
варианты проявления
менделевских
закономерностей
Лекция МФТИ 1 курс
Янковский Н.К. 01.03.2010
Гены, локализованные в Y-хромосоме
и не имеющие аллелей в X-хромосоме,
наследуются только от отца к сыну.
У человека это, например, волосатые уши.
У женщин этого признака, к счастью, нет.
С наступающим Вас 8 марта !
М.Е.Лобашев. Генетика. Л., 1967, стр. 193
Если мы знаем характер генетического контроля
признака, то мы можем предсказать с
определенной вероятностью фенотип на основе
генотипа (если он известен)
В реальности нам дано лишь наблюдать
проявление признака в поколениях и на основе
этого создавать модель генетического контроля
формирования признака,
которая может быть верна лишь в данных условиях
Молекулярная природа
задатков признаков
гороха, исследованных
Менделем, раскрыта
через 150 лет:
аллели морщинистой и
гладкой формы
горошины локализованы
на хромосоме гороха,
клонированы,
секвенированы, и
установлено различие
между ними как различие
последовательностей
нуклеотидов одного гена.
ПОЛНОЕ доминирование: у
гибрида (гетерозиготы)
проявляется ПРИЗНАК ТОЛЬКО
ОДНОГО из двух родителей
НЕ ПОЛНОЕ доминирование:
у гибрида проявляется ПРИЗНАК
ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ между
признаками двух родителей
Фенотип может зависеть от дозы гена
При неполном доминировании
гибриды первого поколения
имеют фенотип промежуточный
между фенотипами родителей
У гибридов второго поколения
расщепление 1:2:1
и по фенотипу, и по генотипу,
поскольку каждому генотипу
соответствует свой фенотип
Расщепление по признаку
окрашенный : неокрашенный
равно 3:1
Рис.3.9
Выраженность признака может увеличиваться с
ростом дозы гена в геноме –
это основа современной биотехнологии рекДНК
Количество витамина А в эндосперме зерна кукурузы
зависит от числа доминантных аллелей гена Y
Генотип –
число аллелей
Y
yyy–
Yyy–
YYy–
YYY–
0
1
2
3
Витамин А, единицы
относительные
абсолютные
0,02
0,05
1
2,25
2,2
5,00
3,3
7,50
М.Е.Лобашев. Генетика. Л., 1967, стр. 154
Феномен доминирования (полного или не полного)
определяется характером взаимодействия продуктов
генов во взаимодействии со средой.
Полное доминирование –
фенотип гетерозиготы такой же,
как и фенотип одной из гомозигот.
Неполное доминирование –
фенотип гетерозиготы промежуточный
между двумя гомозиготами.
КОДОМИНИРОВАНИЕ это проявление фенотипа каждой из
гомозигот у гетерозиготного организма.
Кодоминирование проявляется когда в качестве признака
изучают не результат действия продуктов генов, а сами
гены. Выявление последовательности нуклеотидов
молекулы ДНК одного гомологичного гена (аллеля) не
влияет на выявление последовательности нуклеотидов
другого гомологичного гена (аллеля).
• ДНК идентификация
(основана на феномене кодоминирования –
независимом проявлении фенотипа каждого из
аллелей в гетерозиготе)
•
•
•
Опознание останков погибших в войнах, катастрофах.
Чечня: останки - 300, родители – 1500
Армия США - превентивная идентификация
доступно в России
•
•
•
•
Идентификация преступника/жертвы
80% преступлений в России – повторные
Великобритания - паспортизация преступников 500 000 чел
доступно в России
•
Установление родства, отцовства
(10% юридических отцов - не биологические)
• 30% осужденных за изнасилования в США
не оказались отцами родившихся в результате детей
• доступно в России
“People's Will”
(“Narodnaya volya”- terrorist
revolutionary organization)
August 1879
ASSASINATION
March 1 , 1881
Alexander II
(1818-1881)
Alexander Ulyanov (member
of “Narodnaya Volya”)
(1866-1887)
EXECUTION
May 20 , 1887
Alexander III
(1845-1894)
Vladimir Ulyanov/Lenin
(1970-1924)
EXECUTION
July 17 , 1918
Nicholas II
(1868-1918)
Места захоронений Романовых и их приближенных под Екатеринбургом.
Tsar Nicholas II
Tsarina Alexandra Feodorovna
Romanov children Olga, Alexei, Tatiana, Maria and Anastasia
Tsarevich Alexei
Grand Duchess Maria
Grand Duchess Anastasia
Николай II
Александра
Царская семья: 7 человек:
Ольга Татьяна Мария Анастасия Алексей
Групповое захоронение - останки 9 индивидов: Пол? Семья? Живые родственники?
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОВОЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
ПО АНАЛИЗУ ДНК ИЗ КОСТНЫХ ОСТАНКОВ
Размер PCR-продукта из интрона гена амелогенина в Y и X хромосомах
разный (Y112>X106 пн), поэтому в ДНК мужчин две полосы, а у женщин - одна.
Идентификация пола по локусам амелогенина и FEM4sh X-Y.
2. ВЫЯВЛЕНИЕ СЕМЕЙНОЙ ГРУППЫ
по анализу аллельного состояния STR-маркера локуса TH01
Принцип анализа основан на исключении родства:
ребенок НЕ может иметь полосу (аллель),
отсутствующий у родителя в данном локусе.
По аллелям локуса ТН01 (рис) образец №2 мог бы соответствовать царевичу,
но по другим локусам аллели образца №2 не соответствуют родительским (№3 и №7)
Bone samples from grave N1 and N2
Investigation 123-666
Expert: Rogaev E.I. assigned by the General Prosecutor Office RF, 2007
N
Age
3
20-24
F
Olga?
daugther
4
45-55
M
Nicholas II ?
father
5
~20
F
Tatiana?
daugther
F
Anastasia/Maria
?
daugther
mother
6
~20
Gender
Names
Family group
7
45-50
F
Alexandra
Fedorovna?
146
~14
M
Alexei?
son
F
Maria/Anastasia
?
daugther
147
~20
Mitochondrial maternal lineage of Tsarina Alexandra Feodorovna
Prince Albert
(1817-1898)
Queen Victoria
(1819-1901)
Princess Alice
(1843-1978)
Princess Beatrice
(1885-1917)
Princess Victoria of Hesse
(1863-1950)
Tsarina Alexandra ( 1872-1918)
O. T. (b.1943)
Alexei (1904-1918)
Anastasia (1901-1918)
Maria (1999-1918)
Tatiana (1997-1918)
Olga (1895-1918)
D. W. (b.1985)
Prince Philip (b.1921)
K. S. (b.1959)
V. S. (b.1991)
МАТЕРИНСКАЯ ГЕНЕАЛОГИЧЕСКАЯ ВЕТВЬ ЦАРИЦЫ АЛЕКСАНДРЫ
Последовательность нуклеотидов мтДНК у родственников по материнской линии
царицы Александры и в исследуемых костных останках
Источник ДНК
Принц Филипп, образец
крови
Скелет № 7,
костные останки.
Скелет № 4,
костные останки
Скелет № 5,
костные останки
Скелет № 6,
костные останки
Стандарт. мтДНК
CTCCCCTTT
T.......C
Результаты идентификации
T.......C
Царица Александра
T.......C
Царевна
T.......C
Царевна
T.......C
Царевна
Nick Yankovsky, IOGen RAS, Moscow
Mitochondrial maternal lineage of Tsarina Alexandra Feodorovna
Prince Albert
(1817-1898)
Queen Victoria
(1819-1901)
Princess Alice
(1843-1978)
Princess Beatrice
(1885-1917)
Princess Victoria of Hesse
(1863-1950)
Tsarina Alexandra ( 1872-1918)
O. T. (b.1943)
Alexei (1904-1918)
Anastasia (1901-1918)
Maria (1999-1918)
Tatiana (1997-1918)
Olga (1895-1918)
D. W. (b.1985)
Prince Philip (b.1921)
K. S. (b.1959)
V. S. (b.1991)
Mitochondrial heteroplasmy 16169 C/T in maternal
lineage of Tsar Nicolas II
Maria Feodorovna (Princess Dagmar, 1847-1928 )
Olga
Nicholas II
Xenia
16169 C/T
T. K.-R.
16169 T
16169 C
X.S.
МАТЕРИНСКАЯ ГЕНЕАЛОГИЧЕСКАЯ ВЕТВЬ ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II
Последовательность нуклеотидов мтДНК у родственников по материнской линии
императора Николая II и в исследуемых костных останках
Источник ДНК
Герцог Файф,
образец крови
Графиня ШереметьеваСфири, образец крови
Георгий Романов,
костные останки
Скелет № 3,
костные останки
Тихон Куликовский,
образец крови
Стандарт. мтДНК
CTCCCCTTT
. CT . TT . . .
Результаты идентификации
. CT . TT . . .
. CY . TT . . .
. CY . TT . . .
Царь Николай II
. C . . TT . . .
Nick Yankovsky, IOGen RAS, Moscow
The Ōtsu incident , Japan (11 May 1891)
Пример тампона с пятнами крови, собранной с сухих пятен на
рубашке Николая II
A shirt with spots of Nicholas II blood kept in
the State Hermitage Museum, St. Petersburg, Russia
Mitochondrial heteroplasmy 16169 C/T in Nicholas II
blood and bone samples
Nicholas I (1796-1855)
Alexander II (1818–1881)
Nicholas (1831-1891)
Michael (1832-1909)
A1 (b. 1923)
Nicholas II (1868-1918)
Nicholas
(b. 1922)
Alexei (1904-1918)
Dmitry
(b. 1926)
A2
(b.1957)
A3
(b.1963)
Анализ Y-хромосомных STR.
Маркер
N4
N 146
Члены семьи
Романовых
Архивные пятна
крови Николая II
Контрольная
ДНК
ABI, 007
DYS456
16
16
16
16
15
DYS389I
13
13
13
13
13
DYS390
24
24
24
24
24
DYS389II
29
29
29
29
29
DYS458
17
17
17
17
17
DYS19
14
14
14
14
15
DYS385
11, 14
11, ND
11, 14
11, 14
11, 14
DYS393
13
13
13
13
13
DYS391
10
10
10
10
11
DYS439
11
11
11
11
12
DYS635
24
24
24
24
24
DYS392
13
13
13
13
13
Y-GATA-H4
12
12
12
12
13
DYS437
15
15
15
15
15
DYS438
12
12
12
12
12
DYS448
19
19
19
19
19
Заключение
Оценка вероятностей (или отношение правдоподобия Likelihood Ratio) показывает, что более чем в сотни
миллиардов более вероятно, что останки (4-46)
принадлежат
Императору Николаю II Романову, чем случайному
индивиду, неродственному Романовым
Анализ ядерной аутосомной ДНК, Y- хромосомной ДНК
и митоходриальной ДНК свидетельствует об
обнаружении останков семи индивидов
соответствующих по генотипам родству: отцу
(установленный как Император Николай II) , мать и
пятеро детей (четыре девочки и мальчик),
подтверждяющих гипотезу об обнаружении останков
семьи Романовых.
Источники ошибок при идентификации по STR аллелям
Мутация de novo
у ребенка аллель короче
на одно звено, чем у отца
«Нулевая» мутация (SNP)
– праймер не отжигается.
У ребенка нет аллеля отца
Отдельный признак
может определяться многими генами
Глухота у человека может определяться дефектами
в десятках известных генов (контролирующих много
элементов слухового аппарата, передачу сигнала в
нервной ткани т.д.).
Разные генотипы могут приводить к одному фенотипу
(глухота). Такие фенотипы называются фенокопиями.
Мутации глухоты редки и рецессивны.
Глухота проявляется часто как моногенный дефект с
наследованием по менделевскому типу.
Каков фенотип потомков 1-го и 2-го поколения при браке
двух глухих с мутациями в двух
разныхГенетика.
локусах?
М.Е.Лобашев.
Л., 1967, стр. 155
Отдельный ген может влиять* на несколько
признаков,в развитие которых он вовлечен.
Этот феномен называют плейотропным
(множественным) действием гена
Определение пола:
перенос гена SRY из Y-хромосомы самца в геном самки
мыши приводит к развитию особи с огромным
количеством внешне наблюдаемых признаков мужского
пола.
Альбинизм:
один признак - цвет волос, и кожи (белый);
другой признак - цвет глаз, (красный - цвет сосудов)
Наличие пигмента меланина, контролируемого этим геном, необходимо и
для окраски волос, и для окраски глаз
*N.B. Слово “влияние” не существовало в русском языке еще 200 лет назад
и появилось как калька при переводе слова
influenceГенетика. Л., 1967, стр. 155
М.Е.Лобашев.
Разные генотипы
могут давать разную
выживаемость:
доминантная
мутация с
рецессивным
летальным
эффектом
Рис.5.3
Взаимодействие двух генов при формировании одного признака:
комплементарность
Гены в различных локусах могут давать вклад в развитие одной и
той же фенотипической характеристики:
у перца 2 разных гена образуют 2 разных пигмента,
что приводит к расщеплению по типу дигибридного скрещивания
Рис.5.6
Много разных аллелей могут соответствовать одному локусу и все они
могут быть представлены в группе индивидов, хотя каждый индивид
несет только два аллеля данного локуса:
антигены IA, IB, i – три аллеля одного локуса
определяют группы крови АВ, А, В и О
Донор
Реципиент
Рис.5.5
Окраска и другие признаки собак
определяются взаимодействием многих генов
в большом числе локусов
Рис.5.10
Каждая порода животных или раса людей обладает своими
признаками, стабильными в поколениях, Выщепление других
признаков не наблюдается, поскольку гены, кодирующие эти
признаки, находятся у большинства индивидов в гомозиготе
(папин и мамин аллель одинаковы). Вопрос: Будет ли наблюдаться
расщепление, если гомозигота рецессивная? Если доминантная?
Однородительское наследование.
Наследование по материнской линии
(Цитоплазматическое наследование)
В цитоплазме эукариотической клетки есть
органеллы - митохондрии и хлоропласты. Миллиард
лет назад они были свободно живущими бактериями,
но и сейчас, внутри клеток эукариот, они сохранили
свою ДНК со своими генами.
Цитоплазма, ее органеллы, гены органелл (их
ДНК) передаются потомству только от матери.
От спермия в яйцеклеку попадает ТОЛЬКО ядро и
ядерные гены. Цитоплазма спермия, его органеллы
и гены органелл спермия НЕ ПОПАДАЮТ В
ОПЛОДОТВОРЕННУЮ ЯЙЦЕКЛЕТКУ И НЕ
ПЕРЕДАЮТСЯ ПОТОМСТВУ.
У одноклеточной зеленой водоросли хлореллы
(эукариот) известны наследственные изменения,
обусловливающие отсутствие хлорофилла.
Эти формы не могут жить и размножаться в
обычных условиях на свету, так как они не
способны осуществлять фотосинтез.
Если в питательную среду для таких форм
добавить глюкозу, то они смогут размножаться.
Подобные опыты проводились и с бесцветными
альбинотическими проростками кукурузы.
Признаки, определяемые цитоплазматическими генами
передаются потомкам только от матери.
Например, окраска листа будет у всех потомков такой же, как и
у материнского растения (лист зеленый или неокрашенный)
независимо от окраски отцовского растения (пыльца) окраска
листа определяется генами хлоропластов, а не ядра, и
наследуется только от матери
Признаки, определяемые цитоплазматическими
генами передаются потомкам только от матери.
Некоторые виды слепоты у человека (болезнь Лебера),
определяются дефектом одного из генов митохондрий и
наследуются только от матери, независимо от пола ребенка
Вопросы:
У матери с болезнью Лебера родился сын. Будет ли он слепым
или зрячим?
Будут ли ее внуки от этого сына, слепыми или зрячими?
Будут ли ее внуки от этого сына слепыми или зрячими,
если его жена слепа из-за гомозиготной мутаций по одному из
ядерных генов?
Однородительское наследование.
Наследование по отцовской линии
Гены, локализованные в Y-хромосоме
и не имеющие аллелей в X-хромосоме,
наследуются только от отца к сыну.
У человека это, например, волосатые уши.
Еще раз поздравляю всех мужчин с прошедшим
праздником - днем носителя Y хромосомы!
У женщин этого признака, к счастью, нет.
С наступающим 8 марта Вас !
М.Е.Лобашев. Генетика. Л., 1967, стр. 193
Однородительское наследование.
У птиц гетерогаметный пол – женский.
Курицы – ХУ. Петухи – ХХ
Вопрос:
Если бы у птиц были волосатые уши,
кодируемые У- хромосомой ,
кому бы передавались волосатые уши:
курочкам или петухам?
Для проявления гена или аллеля всегда нужен определенный генетический
фон – ген курчавых волос у лягушек не может проявиться,
потому что они вообще лысые
Проявление признака может зависеть от пола
существуют признаки, гены которых могут находиться в
аутосомах или половых хромосомах обоих полов,
но проявляются лишь у одного из них.
Такие признаки называют ограниченными полом.
Быки несут гены, определяющие молочность дочерей,
но гены свое действие у быков не проявляют.
РНК казеина <1м:100 000ж
Петухи также несут гены яйценоскости и размера яиц
дочерей, хотя у петухов действие этих генов подавлено.
М.Е.Лобашев. Генетика. Л., 1967, стр. 198
Рис.5.12
Как проявление действия гена, так и тип доминирования
может зависеть от пола
Плешивость у человека наследуется аутосомно и моногенно.
Аллель плешивости у мужчин доминирует, а у женщин рецессивен.
У мужчин для облысения достаточно одной аллели плешивости.
При этом частота аллеля равна частоте встречаемости фенотипа.
У женщин для облысения необходимы обе аллели плешивости.
Сколько женщин будут лысыми, если у мужчин лысый каждый десятый?
Может ли у неплешивых родителей быть плешивая дочь?
Может ли у неплешивых родителей быть плешивый сын?
Если один сын плешивый какова вероятность что другой будет
неплешивый?
Рис.5.19
Проявление некоторых генотипов зависит от
внешних условий: температурочувствительный
аллель himalayan при повышенной температуре
дает неокрашенных особей, и окрашенных при
нормальной
Влияние внешних факторов на действие генов
может изменять фенотип организма:
условно летальные мутанты микроорганизмов
Получены мутанты многих микроорганизмов и
вирусов, которые не способны жить при
повышенной температуре (ts-мутанты).
У такого мутанта структура белка при повышенной
температуре изменена, и белок не функционален
(леталь), а при нормальной температуре структура
обычная, и белок функционален (живет).
Другой тип условно летальных мутаций –
нонсенс-мутации, летальные на одном
генетическом фоне и подавляемые на другом
(супрессорная тРНК).
При создании модели наследования признака для
выяснения его генетического контроля начинают с
проверки типа наследования по базовой, простейшей
схеме - менделевской и, если соответствия нет, то
добавляют к этой схеме дополнительные условия,
понятные на сегодня.
• неравную вероятность образования и сочетания гамет
и выживания потомства
• однородительский тип наследования (Y – волосат.
уши, мтДНК - болезнь Лебера)
• взаимодействие аллелей: наличие доминирования
• взаимодействие генов
• сцепление генов
• ограничения признака полом
• вероятность проявления признака при данном
генотипе
• влияние среды (не всегда формализуемое)