Почему одни гены доминируют над другими? Какой механизм стоит за этим?

Одна версия или аллель гена цвета глаз может кодировать инструкции по образованию коричневого пигмента, в то время как аллель синего цвета не производит пигмента. В качестве альтернативы, логически говоря, возможно, что синий аллель блокирует выработку коричневого пигмента, но это не так.

Итак, коричневый против синего — это не случай одного гена и двух аллелей. После производства пигмента его необходимо транспортировать, депонировать и т.д. Задействовано множество процессов. Таким образом, процесс отложения пигмента может быть функциональным или нет, но, как указано выше, часто обнаруживается, что нефункциональный вариант просто не функционирует и активно не ингибирует процесс. Известны многочисленные случаи, когда аберрантная форма белка, кодируемая вариантным аллелем, действует как активный ингибитор данного биологического или биохимического процесса.

Ключ к вашему вопросу как написано голубые глаза это отсутствие пигментации.

На уровне ДНК можно указать несколько механизмов.

Мутация (изменение в последовательности ДНК) гена может сделать одну или обе копии гена дефектными. При альбиносе кожа розовая – пигмент меланин вообще не вырабатывается. Это случай как дефектных копий жизненно важного гена, так и полной потери способности. Рецессивный признак «потеря функции».

Голубые глаза не имеют пигмента сетчатки - они рецессивны по утрате функции. Некоторые случаи генетически унаследованного диабета (<1%), карликовость и ожирение являются примерами этого. Есть много других - многие генетические заболевания похожи на это.

Это может быть вызвано единственной мутацией в каждой копии гена, а в других случаях весь сегмент хромосомы может быть потерян или нарушен новой, часто бессмысленной последовательностью, попадающей в область гена.

Другие изменения могут повлиять на то, как гены включаются и выключаются. - подобные изменения последовательности в регуляторных последовательностях рядом с последовательностью гена заставят ген вести себя по-другому. Даже дети африканского происхождения могут родиться со светлыми волосами и голубыми глазами, а позже получить более темную пигментацию. это генетически вызвано изменением времени включения генов цвета волос и глаз в другое время (светлые волосы и голубые глаза практически не имеют пигмента, поэтому, если гены выключены, то это то, что вы получаете). Таким образом, когда гены активны, они могут вызывать доминантные (всегда включенные) или рецессивные (иногда выключенные) паттерны. это потому, что одна копия гена ведет себя иначе, чем другая копия.

Иногда одна мутация в одной копии гена может вызывать довольно интересные эффекты. Один хороший ген и мутировавший, менее эффективный ген могут привести к потере активности, потому что смесь двух генов различна для полностью функционального или полностью вариантного набора генов.

Классический пример — серповидноклеточная анемия . две копии серповидноклеточного гемоглобина делают эритроциты жесткими и деформированными, что, в свою очередь, вызывает болезненное состояние у носителя. у человека с единственной копией гена серповидно-клеточной анемии этой проблемы нет - она ​​почти бессимптомна. Итак, мы говорим, что серповидноклеточная анемия является рецессивной по мутации HbS. но на самом деле в клетках крови много HbS версии гемоглобина (Hb), просто смесь этих двух не вызывает анемии.

Гораздо реже встречается аддитивная функция от изменения генетической последовательности. Иммунная система — это то место, где вы чаще всего это увидите. Поскольку последовательности, управляющие иммунитетом, сильно различаются, некоторые иммунные последовательности встречаются редко, например, врожденный иммунитет к ВИЧ .

Извините за цитирование, но эта заметка из Википедии затрагивает суть вопроса:

Какой признак является доминирующим?

Термины доминантный и рецессивный относятся к взаимодействию аллелей в создании фенотипа гетерозиготы. Если есть два альтернативных фенотипа, по определению фенотип, проявляемый гетерозиготой, называется «доминантным», а «скрытый» фенотип называется «рецессивным». Ключевая концепция доминирования заключается в том, что гетерозигота фенотипически идентична одной из двух гомозигот. Этот признак, соответствующий доминантному аллелю, может быть назван «доминантным» признаком.

Доминирование – это генотипическая связь между аллелями, проявляющаяся в фенотипе. Это не связано с природой самого фенотипа, например, считается ли он нормальным или ненормальным, стандартным или нестандартным, здоровым или больным, сильным или слабым, более или менее экстремальным. Также важно различать «круглый» локус гена, «круглый» аллель в этом локусе и «круглый» фенотип, который он вызывает. Неверно говорить, что «ген круглой формы доминирует над геном морщинистой» или что «круглый горох доминирует над морщинистой».

Рекомендуем прочитать для обзора:

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Dominance_relationship
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Доминант_негативный

Вы также можете обратиться к «доминантно-отрицательным» фенотипам, чтобы получить хорошее представление о том, что влечет за собой «доминирование» (это была концепция, которая действительно заперла меня в колледже). Одним из примеров является синдром Марфана, когда мутантный аллель FBN1 (фибриллин-1) продуцирует версию белка, антагонистическую по отношению к белку, продуцируемому «здоровым» аллелем.

Доминантно-отрицательные и полудоминантные аллели можно увидеть, когда белок образует димеры для функционирования. Рецепторы типа активина образуют димеры для передачи сигнала от внеклеточного лиганда в клетку. Укороченный рецепторный белок, который имеет домен димеризации, но не имеет внутриклеточного домена, необходимого для передачи сигнала, будет действовать доминантно-негативным образом по сравнению с аллелем дикого типа: образуются димеры, но сигнал не передается. Это связано с наследственным колоректальным раком.

Ген является доминантным (назовем его В), когда его присутствие в сочетании с рецессивным аллелем (гетерозиготный Вb) приводит к тому же фенотипу, что и гомозиготный ВВ. Рецессивный аллель приводит к фенотипическому выражению только тогда, когда он присутствует дважды (гомозиготный bb).

Чтобы проиллюстрировать это довольно абстрактное определение доминантных и рецессивных аллелей, давайте рассмотрим яркий пример, а именно генную мутацию, ответственную за альбинизм .

Одной из причин, которая может привести к альбинизму, является мутация в гене, кодирующем тирозиназу (TYR). Тирозиназа используется клетками меланоцитов для превращения аминокислоты тирозина в пигмент меланин , окрашивающий кожу, волосы и глаза ( Ballantine, 2009 ). У животных, у которых отсутствует тирозиназа, белая кожа и волосы, а также красные глаза, как у кенгуру на картинке ниже (источник: Listverse ):

Одного функционального гена (В) достаточно, чтобы появилась пигментация, и, следовательно, он является доминантным. Другой мутантный аллель (b) продуцирует нефункциональный фермент, но является рецессивным, поскольку один функциональный аллель продуцирует достаточное количество фермента, чтобы обеспечить нормальную пигментацию у индивидуума Bb.

В своем вопросе вы упоминаете голубые и карие глаза. Как указывает @Larry_Parnell, у голубых глаз глаза не содержат пигмента меланина и поэтому голубые (синий цвет вызван непигментированными оптическими эффектами). Таким образом, карие глаза являются доминирующими, поскольку меланин окрашивает глаза таким образом, что синий цвет маскируется (хотя он все еще присутствует). Следовательно, фенотип голубых глаз является рецессивным, так как одного аллеля карих глаз достаточно, чтобы внести пигмент в радужную оболочку.

Обратите внимание, что существуют и другие взаимодействия, такие как кодоминирование (например, система групп крови ABO, где гены антигенов A и B доминируют над O) и неполное доминирование. Я ссылаюсь на вики-страницу о доминировании здесь, поскольку вопрос не конкретно об этих взаимодействиях.

_{ссылается на
Баллантайн. Sci Am, февраль 2009 г.,
Википедия — доминирование (генетика)}

Ниже приведены некоторые сведения об эволюции доминирования. Это не дает прямого ответа на ваш вопрос, но понимание того, как он развивается, также помогает понять механизм, управляющий отношениями доминирования между аллелями.

Существует несколько гипотез эволюции доминирования. Прежде всего важно отметить, что эмпирические наблюдения показывают, что полезные аллели имеют тенденцию быть более доминирующими, чем вредные аллели . Среди двух основных гипотез, объясняющих эволюцию доминирования, одна была сформулирована Рональдом Фишером , а другая — Сьюэллом Райтом .

Гипотеза Фишера

Согласно гипотезе Фишера, из двух одинаково полезных аллелей, если один из них доминирует над другим, его гетерозиготный носитель будет иметь более высокую приспособленность. Как следствие, полезные аллели эволюционируют, становясь более доминирующими, в то время как вредные аллели становятся рецессивными (чтобы они могли скрываться от отбора у гетерозигот).

Гипотеза Райта

Согласно гипотезе Райта, полезные аллели являются более доминирующими из-за кинетики биохимических реакций. Скорость биохимической реакции зависит от концентрации в интересующих субстратах. Функция называется «функция Михаэлиса-Ментен» по фамилии авторов. Функция Михаэлиса-Ментен выглядит следующим образом:

Подумайте о нокаутирующей мутации. Такая мутация уменьшит наполовину концентрацию белка, продуцируемого рассматриваемым геном у гетерозигот. Представьте, концентрация белков в гомозиготе дикого типа равнялась 3 (см. график выше). Таким образом, скорость реакции этой гомозиготы составляет около 3. Гетерозигота будет иметь концентрацию 1,5, и поэтому скорость реакции составляет около 2,5-2,75. Если предположить, что скорость этой биохимической реакции напрямую связана с приспособленностью, то в интересующем локусе полезные аллели обязательно доминируют, а вредные аллели обязательно рецессивны. Отбор на доминирование не участвует в модели Вирхта.

Верна ли гипотеза Фишера или Райта?

Текущее состояние дел состоит в том, чтобы считать модель Райта правильной, а модель Фишера ошибочной. На самом деле истина, вероятно, лежит где-то между этими двумя крайностями. Обратите также внимание, что в литературе могут существовать некоторые другие альтернативные объяснения, но исходные гипотезы Райта и Фишера, безусловно, являются наиболее рассматриваемыми гипотезами эволюции доминирования. Во время учебы я помню докладчика (но я забыл его имя, извините!), который показал, что некоторые аллели на самом деле имеют некоторый домен, непосредственно ответственный за снижение экспрессии другого аллеля на сестринской хромосоме, предполагая, что гипотеза Фишера когда-нибудь может быть подтверждена. тоже хорошее объяснение.

Есть 2 основных механизма.

Случай 1: активный/неактивный продукт. Ген с двумя аллелями: неактивным и активным, кодирующим косметическое различие. В случае, который вы указали (коричневый цвет глаз вместо голубого), коричневый цвет обусловлен меланином. Если у вас есть 1 функционирующая копия гена меланина в цвете глаз, то это вызывает выработку меланина, и коричневый цвет перевешивает все, что было бы в противном случае.

Случай 1b: активная/неактивная парадигма и заболевание. Типичными примерами являются серповидно-клеточная анемия и красно-зеленая дальтонизм, когда вам нужна всего 1 функционирующая копия гена, чтобы избежать негативных последствий для здоровья. Они коварны с точки зрения наследования, поскольку могут сделать людей бессимптомными носителями наследственных заболеваний (что еще хуже в эпоху, когда генетика и биология не стали областью изучения, поскольку были семьи с широко распространенными, непредсказуемыми, необъяснимыми проявлениями различных заболеваний, часто объясняемых как "проклятие" тех, кто не знал лучше)

Случай 2: спойлер. Этот образец доминирования, как правило, связан с генетическими заболеваниями, когда мутация заставляет белок выходить из-под контроля и повреждать своего хозяина. Иметь хотя бы одну копию такой мутации — это плохо, и еще хуже, потому что шанс передать ее следующему поколению примерно равен монетке (если у вас 1 копия) и гарантирован (если у вас 2 копии).