Хрущова Ольга Николаевна Кафедра биологии ПФ РНИМУ им. Н.И. Пирогова Москва,

«Фенотип и факторы его определяющие»

и сложные признаки.
Модификационная изменчивость. Норма реакции. Пенетрантность и экспрессивность.
Отличия модификаций

от мутаций. Морфозы. Гено- и фенокопии.

организма. Фенотип – реализация генотипа в определенных условиях среды.

В настоящее

время понятие фенотипа расширилось, особенно благодаря работам Ричарда Докинза

1989, 2006). Ричард Докинз. Эгоистичный ген = The Selfish Gene

/ Переводчик: Н. Фомина. — Corpus, 2013. — 512 с. — 5000 экз. — ISBN 978-5-17-077772-3. Ричард Докинз. Эгоистичный ген = The Selfish Gene / Переводчик: Н. Фомина. — Мир, 1993. — 318 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-03-002531-6.
The Extended Phenotype (Расширенный фенотип) (1982; переизд., 1999 Ричард Докинз. Расширенный фенотип: длинная рука гена = The Extended Phenotype: The Long Reach of the Gene / Переводчик: А. Гопко. — Corpus, 2010. — 512 с. — 7000 экз. — ISBN 978-5-271-31206-9.
The Blind Watchmaker (Слепой часовщик) (1986; переизд., 1991, 1996, 2006). Ричард Докинз. Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной[90] = The Blind Watchmaker. Why The Evidence Of Evolution Revears A Universe Without Design / Переводчик: А. Гопко. — Corpus, 2015. — 496 с. — 5000 экз. — ISBN 978-5-17-086374-7.
The River out of Eden (Река, текущая из рая) (1995).
Climbing Mount Improbable (Поднимаясь на пик невероятного) (1996).
Unweaving the Rainbow (Расплетая радугу) (1998).
A Devil’s Chaplain (Капеллан дьявола; сборник эссе и статей) (2003). Перевод с англ. П. Петрова — Corpus, 2013. — 416 с. — ISBN 978-5-17-078143-0
The Ancestor’s Tale (Рассказ предка) (2004). Ричард Докинз. Рассказ предка. Паломничество к истокам жизни = The Ancestor's Tale: A Piligrimage To The Dawn Of Evolution / Переводчик: С. Долотовская. — Corpus, 2015. — 768 с. — 7000 экз. — ISBN 978-5-17-084589-7.
The God Delusion (Бог как иллюзия) ; Перевод с англ. Н. Смелковой. — М.: КоЛибри, 2010. — 560 с. — ISBN 978-5-389-00334-7.
The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution (Самое грандиозное шоу на Земле: Доказательства эволюции) (2009). Ричард Докинз. Самое грандиозное шоу на Земле. Доказательства эволюции = The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution / Переводчик: Дмитрий Кузьмин. — Corpus, 2012. — 528 с. — 2500 экз. — ISBN 978-5-271-41161-8.
The Magic of Reality: How We Know What’s Really True (Магия реальности: откуда мы знаем что является правдой) (2011)
An Appetite for Wonder: The Making of a Scientist (2013)

Докинз имеет в виду?
ген
Книгу «Расширенный фенотип» Докинз считает своей главной

книгой

другого.
Признаки могут принадлежать данному организму - цвет глаз, группа крови,

форма раковинки, но могут распространяться на другие организмы и окружающую среду , например, плотины бобров

фенотип

генотип

примеры домиков.
Форма домика обусловлена генетически.
Взрослое насекомое
Пример из книги Р.Докинза

«Эгоистичный ген»: личинки насекомых ручейников строят раковинки из песчинок в строгом соответствии с их генетической программой. Раковинка ручейника – это его фенотип или нет? Ведь песчинки не часть его тела.

паразитируют в улитках, а следующим хозяином должны быть птицы. Улитки

начинают странно себя вести –выползают на видное место, а их щупальца с глазами на конце пульсируют, привлекая птиц.
Получается, что генотип сосальщика активно влияет на фенотип своих хозяев – улитки и птицы

Взрослая форма обитает в кишечнике некоторых воробьиных птиц. Яйца с

помётом птиц попадают на траву, где их должен проглотить промежуточный хозяин паразита — улитка янтарка (Succinea). В теле улитки из яиц развивается личинка — мирацидий, превращающийся потом в спороцисту. Спороциста увеличивается в размерах, образуя выросты, которые распространяются по телу улитки. Когда один из выростов спороцисты попадает в «рожки» улитки, он увеличивается в диаметре и становится ярко-зелёным. На выросте появляются тёмные круги, а на его конце — пятна. В таком виде он хорошо заметен снаружи сквозь кожный покров улитки. Вырост начинает совершать частые подёргивания. Благодаря раскраске и движению он становится похожим на гусеницу какой-нибудь бабочки. Из-за такого сходства он привлекает внимание птиц, клюющих и проглатывающих «гусеницу». Так паразит попадает в основного хозяина. «Рожки» же улитки, оторванное птицей, регенерирует и туда проникает новый вырост спороцисты. Чьим генам выгодно такое поведение?

сосальщик
Зараженный муравей карабкается на травинку и там замирает – ждет,

когда его съедят!

Жизненный цикл ланцетовидного сосальщика: муравья съедает корова

чихании капельки с вирусами разлетаются на несколько метров вокруг

Мышь,

зараженная токсоплазмозом, перестает бояться кошку (кошка – окончательный хозяин, заражается, съев мышку). А Вы любите кошек? А на токсоплазмоз не хотите проверится?

рода Culex. Эти насекомые, питаясь кровью млекопитающих, могут передавать им

многие микроорганизмы — но не вольбахию (фото с сайта www.usgs.gov)
Вольбахии — это не просто паразиты, а паразиты, которые могут менять пол своих хозяев, влиять на их репродуктивные функции и поведение

Wolbachia, внутриклеточный симбионт многих беспозвоночных, обладает удивительной способностью управлять размножением и развитием своих хозяев. Паразитическая бактерия Wolbachia, живущая в клетках многих видов насекомых, наследуется по женской линии и поэтому заинтересована в том, чтобы зараженные ею самки производили на свет больше дочерей и меньше сыновей. Например, если зараженные вольбахией самцы скрещиваются со здоровыми самками, все эмбрионы таких самок гибнут. Напротив, зараженные вольбахией самки могут без разбора спариваться как со здоровыми, так и с зараженными самцами, и в любом случае производить жизнеспособное потомство.

Яйцо осы Trichogramma kaykai с множеством бактерий Wolbachia (ярко окрашенные точки). Вольбахии концентрируются в удлиненном кончике яйца, из которого впоследствии разовьются органы размножения осы. Бактерии попадут в репродуктивные органы, затем — в яйцеклетки, обеспечив себе гарантированный переход в следующее поколение насекомых-хозяев. Фото с сайта www.nsf.gov

Поэтому, чтобы эффективно размножаться, вольбахии используют следующие стратегии модификации своих хозяев:
инфицированные самцы умирают на ранних этапах развития, оставляя больше ресурсов для развития инфицированных самок;
инфицированные самцы могут развиваться по женскому типу, становясь либо настоящими самками, либо бесплодными самками;
инфицированные самки могут вырабатывать способность к партеногенезу — размножению без помощи самцов;
инфицированные самцы не могут оплодотворять самок, которые не были инфицированы данным штаммом вольбахии.

микробной флоры) мышат.
Фрагмент эпителиальной выстилки тонкого кишечника (фото Innerspace Imaging).
Человеческий

организм является не только сложнейшим комплексом органов и систем, функционирующих в строгом взаимодействии, но и одновременно служит вместилищем более 500 различных видов микроорганизмов, сопровождающих человека от рождения до смерти. Количество микробных сообществ в организме в сотни раз превышает количество клеток тканей хозяина и составляет примерно 5–8% от массы его тела.

Где тут чьи гены – понять непросто. Наш ли это фенотип вообще???

(гены паразитов и симбионтов)
Генотип (взаимодействующие гены)

Иоганнсеном в 1909 году, когда он опубликовал книгу под названием

«Элементы точного учения о наследственности», где также ввел такие понятия, как ген, генотип, фен, фенотип, аллель. Сам термин образован от греческого слова phaino— обнаруживаю, являю. В. Иоганнсен определял фен, как «элементарный, генетически обусловленный признак».
Итак, признаки бывают: простые (элементарные) и сложные

гена в виде белка или некодирующей РНК
Например – белок инсулин

(нормальный или дефектный), тРНК

сложный признак формируется на основе простого при взаимодействии с другими генами и факторами внешней среды
Например – сахарный диабет как результат дефектного инсулина

гена к признаку непрост.
Каков он

они ничего не объясняют):
Допустим, что некий ген А отвечает за

признак пигментации. Пусть из 10 особей, имеющих ген А, он проявился у 8. Можно сказать, что пенетрантность гена А равна 80%. При этом степень выраженности признака (экспрессивность) у них различна. Почему это происходит не обсуждается.

пенетрантность – процент реализации гена в признак;
экспрессивность – степень выраженности признака.

Читайте «Зубр» Д. Гранина и «Герои, злодеи, конформисты российской науки»

С.Шноля

реализуется в признак, меньше 100% – часть особей, имеющих ген

не имеют признака.
Неполная пенетрантность может быть обусловлена внешними факторами или взаимодействием генов (эпистаз).
Примеры:
у детей, получавших специальное питание нет проявлений ФКУ
Группы крови А или В не проявляются, если в генотипе есть аллель hh

признака

признака
возможности
методов
Признак не регистрируется – неполная пенетрантность

Частичная

и различная экспрессивность

и внешней среды в формировании фенотипа можно различными методами.

Эксперименты
Близнецовый

метод

и к участку кожи на время привязан пузырь со льдом

– выросла темная шерсть

Выращен при 30

0

0

Выращен при 20

не удается получить другие варианта окраски – то есть у

модификационной изменчивости есть границы – норма реакции

Проявления аллеля гималайской окраски в зависимости от температуры

реакции определяется генотипом организма.

Норма реакции бывает:

широкой – у количественных признаков

(рост, вес, количество лейкоцитов, интеллект)

узкой – у качественных признаков (пол, группа крови)

разным генотипом, иначе говоря, разной нормой реакции.

генотипа и среды в формировании признаков используют близнецовый метод генетики

(был предложен Ф.Гальтоном)

наследственности, биометрией, дерматоглификой, статистикой и тестированием; первым начал изучение близнецов.

Создал евгенику (науку об улучшении человеческой породы).

и дизиготных близнецов. Конкордантность – сходство близнецов. Дискордантность – различие. Д

= 100% - К

КМБ (в%%) – КДБ (в%%)
100% - КДБ (в %%)
Н –

степень наследуемости признака
КМБ – показатель конкордантности в %% у монозиготных близнецов
КДБ – показатель конкордантности в %% у дизиготных близнецов

Н от англ. heredity – наследование, наследственность

Преобладает роль генотипа

наследственная предрасположенность»
(поскольку не знаем всех генов, которые задействованы)

нарастают с возрастом

Дочь
Внучки – монозиготные близнецы

экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности

ДНК.

Примерами эпигенетических изменений являются
метилирование ДНК,
деацетилирование гистонов
геномный импринтинг,
инактивация X-хромосомы,
эффект положения, а также другие механизмы регуляции экспрессии генов.

и гистонов подавляет транскрипцию генов.

Ацетилирование гистонов, осуществляемое ацетилтрансферазами, наоборот, облегчает

начало транскрипцию, т.к. уменьшает степень упаковки нуклеосом.

живых организмов передавать свои признаки потомству

Изменчивость – свойство живых организмов

приобретать новые признаки в ходе онтогенеза

геномными)
Комбинативная (обусловлена рекомбинацией в ходе полового размножения – а) кроссинговер

в профазе 1 мейоза, б) независимое расхождение гомологичных хромосом в анафазе 1 мейоза и в) случайная встреча гамет при оплодотворении)

Фенотипическая (ненаследственная, модификационная)
Обусловлена факторами внешней среды

Онтогенетическая = эпигенетическая
не все ее выделяют как отдельный вид

сами изменения называются модификациями

(как приспособление к недостатку кислорода), развитие мышц при тренировке

адекватны вызвавшему их фактору
Наследуются
Сохраняются после прекращения действия фактора
Модификации
Зависят от силы

фактора
Адекватны вызвавшему их фактору
Не наследуются
Исчезают после прекращения действия фактора

называемые морфозами. Морфозы не наследуются.

называются тератогены (греч.teratos - чудовище + genes – рожденный)

сердце
глаза
зубы
руки
ноги
уши
небо
наружные гениталии

йода, витаминов (особенно фолиевой кислоты), диабет у матери, алкоголь, талидомид,

ретиноевая кислота и другие
Биологические факторы – краснуха, герпес, сифилис, цитомегаловирус, токсоплазмоз и другие

широкую известность из-за своей тератогенности. В период с 1956 по

1962 годы в ряде стран мира родилось по разным подсчётам от 8000 до 12 000 детей с врождёнными уродствами.
Талидомидовая трагедия заставила многие страны пересмотреть существующую практику лицензирования лекарственных средств, ужесточив требования к лицензируемым препаратам.
В настоящее время талидомид применяется только для лечения проказы, а также множественной миеломы и других тяжёлых онкозаболеваний.

право- и левовращающей. Одна из них обеспечивает терапевтический эффект препарата,

в то время как вторая является причиной его тератогенного воздействия. Этот изомер вклинивается в ДНК на участках, богатых G-C связями, и препятствует нормальному процессу транскрипции, необходимому для деления клеток и развития зародыша.
Поскольку в организме формы талидомида способны переходить друг в друга, препарат, состоящий из одного очищенного изомера, не решает проблему тератогенного воздействия.

справа - талидомид

том числе гомеозисных, т.е. ключевых генов онтогенеза).
При приеме ее

препаратов регуляция транскрипции у зародыша нарушается.

(слева)… … и является тератогеном (справа)

2 жаберных дуг
контроль
опыт

(синдрому алкогольного плода)
Многие женщины полагают, что употребление небольшого количества качественного

алкоголя (в частности, сухого красного вина) при нормальном течении беременности после 12 недель «не нанесет вреда, а может быть даже и полезным».

особенности лица — лицевые аномалии
могут иметь проблемы со слухом и зрением
хуже

обучаются элементарным вещам
имеют проблемы с памятью и вниманием
хуже контролируют свои эмоции и своё поведение
могут нуждаться в обучении в специальных школах

подвергшиеся воздействию алкоголя в утробе матери, в течение 10 дней

после рождения получали тироксин или метформин. Последний препарат используется больными сахарным диабетом типа 2.
Когда животные выросли, их сравнили с контрольной группой, не получавшей ни одного из препаратов. В результате показано, что лечение предотвратило развитие дефицита памяти и некоторые молекулярные изменения, вызванные внутриутробным воздействием алкоголя.
По словам лидера исследовательской группы, главным удивлением для учёных стало то, что абсолютно разные лекарства работали в одном направлении. Выяснили, что оба препарата нормализуют работу генов, которые контролируют экспрессию ДНК-метилтрансферазы-1 (DNMT1; DNA methyl transferase1). Этот фермент критически важен для развития мозга. Активность DNMT1 ведёт к изменению свойств ДНК, не затрагивая её структуры. Такой процесс называется метилированием и изучается в рамках эпигенетики (neuronovosti.ru).

Каковы же механизмы токсического действия алкоголя?

быть вызвано как мутациями, так и модификациями, говорят о гено-

и фенокопиях.
Генокопия. Мутации разных генов дают сходный фенотип.
Фенокопия. Факторы внешней среды дают фенотип, сходный с возникающим в результате мутации.
Для врача важно отличать фенокопии (модификации) от генокопий (мутаций), так как прогноз для потомства различный. Морфозы не наследуются, в отличие от мутаций.

несколько генокопий – сходных фенотипов, обусловленными другими мутациями. Например, гомоцистинурией

(OMIM 236200) или синдромом Эллерса-Данлоса(OMIM 130020)

Генокопии – мутации разных генов, дающие сходный фенотип

вызвано вирусом краснухи (фенокопия)

талидомид (фенокопия).

ДНК, модификации гистонов, некодирующие регуляторные РНК и др.)
Фенотип

это модификационная изменчивость – попытка при помощи внешних воздействий повлиять

на фенотип!