ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 13

გაკვეთილი 2: მენდელისეული გენეტიკის ვარიაციები

პოლიგენური მემკვიდრეობითობა და გარემოს ეფექტები

ნიშან-თვისებები, რომლებიც მრავალი გენით კონტროლდება და/ან მათზე გავლენას გარემო ახდენს. პენეტრანტობა და ექსპრესიულობა.

როგორ გადაეცემა მემკვიდრეობით სიმაღლე?

თუ ადამიანის გენეტიკა მართლა გაინტერესებთ, იცოდეთ, რომ მენდელისეული გენეტიკის სწავლა ზოგჯერ ნერვების მომშლელიც შეიძლება, იყოს. ხშირად გაიგებთ, მასწავლებელს როგორ მოჰყავს მაგალითად რომელიმე ადამიანური ნიშან-თვისება გენეტიკის ამოცანაში, მაგრამ შემდეგ ამატებს, „ახლა ამას ძალიან გამარტივებულად ვამბობ" ან „სინამდვილეში ყველაფერი ბევრად უფრო რთულადაა." აბა, მაშ, როგორაა სინამდვილეში? როგორ გადაეცემა მემკვიდრეობით ადამიანთა საინტერესო ნიშან-თვისებები, როგორიცაა თვალის, თმისა და კანის ფერი, სიმაღლე და დაავადებების განვითარების რისკი?

მაგალითისთვის, განვიხილოთ სიმაღლე. მარტივი, მენდელისეული ნიშან-თვისებისგან განსხვავებით, ადამიანის სიმაღლეს ახასიათებს:

უწყვეტი ცვალებადობა. მენდელის ბარდებისგან განსხვავებით, ადამიანები მხოლოდ ორ მკაფიოდ გამოკვეთილ ჯგუფად, „მაღლებად" და „დაბლებად", არ იყოფიან. მეტიც, არც ოთხ ჯგუფად შეგვიძლია დავაჯგუფოთ მათი სიმაღლე, არც რვად და არც თექვსმეტად. ადამიანები მრავალი სხვადასხვა სიმაღლისანი შეიძლება იყონ და ერთმანეთისგან სანტიმეტრებით ან სანტიმეტრების მეათედებით განსხვავდებოდნენ.
ჰისტოგრამაზე ნაჩვენებია უფროსკლასელი ბიჭების შერჩეული ჯგუფის სიმაღლეები დუიმებში. ჰისტოგრამა დაახლოებით ზარის ფორმისაა: სულ რამდენიმე ინდივიდი კიდეებთან (60 დუიმი და 77 დუიმი სიმაღლის) და ბევრი ინდივიდი ცენტრში, დაახლოებით 69 დუიმი სიმაღლის.
ბიჭი უფროსკლასელების სიმაღლეები. სურათის წყარო „უწყვეტი ცვალებადობა: რაოდენობრივი ნიშან-თვისებები," ავტორი J. W. Kimball (CC BY 3,0)
დამემკვიდრების რთული ტიპი. შესაძლოა, შეგიმჩნევიათ, რომ მაღალ მშობლებს დაბალი შვილიც შეიძლება, ჰყავდეთ, დაბლებს კი - მაღალი და განსხვავებული სიმაღლის ორი ადამიანის შვილი შესაძლოა, იყოს მათი შუალედური სიმაღლისა ან არა. ამასთანავე, ერთისა და იმავე მშობლების შვილები სხვადასხვა სიმაღლისანიც შეიძლება, იყონ და მათი სიმაღლეები ცალკეულ კატეგორიებად ვერ დავყოთ.

ერთი ან ორი გენის მომცველი მარტივი მოდელები დამემკვიდრების ამ სახეს ვერ ხსნიან. მაშინ როგორ გადაეცემა სიმაღლე მემკვიდრეობით?

სიმაღლე და სხვა, მსგავსი ნიშან-თვისებები არა მხოლოდ ერთი, არამედ რამდენიმე (ხშირად ბევრი) გენით კონტროლდება და თითოეულ მათგანს თავისი მცირე წვლილი შეაქვს საბოლოო შედეგში. დამემკვიდრების ამ ტიპს ხშირად პოლიგენური დამემკვიდრება (პოლი- = ბევრი) ეწოდება. მაგალითად, ცოტა ხნის წინ ჩატარებულ კვლევაში აღმოჩნდა, რომ სიმაღლის განსაზღვრაში 400-ზე მეტი გენი იღებს მონაწილეობას

^{2}

გენების დიდი რაოდენობის ჩართვისას ძნელია იმის განსაზღვრა, რა ეფექტი აქვს თითოეულ მათგანს და კიდევ უფრო ძნელია იმის დანახვა, რომ ამ გენების ვარიანტები (ალელები) მენდელის კანონების მიხედვით გადაეცემა. კიდევ ერთი სირთულე: სიმაღლე მხოლოდ გენეტიკით არ განისაზღვრება, მასზე გავლენას გარემოს ფაქტორებიც ახდენს, მაგალითად ბავშვის ჯანმრთელობა და კვება ზრდის პერიოდში.

ამ სტატიაში განვიხილავთ, როგორ გადაეცემა მემკვიდრეობით რთული ნიშან-თვისებები, როგორიცაა სიმაღლე. ვნახავთ იმასაც, როგორ ახდენს გავლენას გენეტიკა და გარემო რაიმე გენოტიპის (გენთა ვარიანტების, ანუ ალელების ნაკრების) ფენოტიპურად (გარეგნულ ნიშან-თვისებებად) გამოვლენაზე.

პოლიგენური დამემკვიდრება

ადამიანის ნიშან-თვისებები, როგორიცაა სიმაღლე, თვალისა და თმის ფერი, მრავალი სხვადასხვა სახესხვაობით არსებობს, რადგან მათ ბევრი გენი ერთდროულად აკონტროლებს - თითოეულ მათგანს თანაბარი წვლილი შეაქვს საბოლოო ფენოტიპის ჩამოყალიბებაში. ასე მაგალითად, თვალის ფერის განმსაზღვრელი მთავარი გენი სულ ორია, მაგრამ თვალის ფერის ზუსტად ჩამოყალიბებაში კიდევ სულ მცირე 14 სხვა გენი მონაწილეობს

^{3}

ადამიანის პოლიგენური ნიშან-თვისების რეალური მაგალითის განხილვა ძალიან რთული იქნება, რადგან ამ შემთხვევაში ათობით და ასობით სხვადასხვა ალელთა წყვილი უნდა განვიხილოთ (სიმაღლის შემთხვევაში - 400!), თუმცა შეგვიძლია, უფრო მარტივად ხორბლის მაგალითზე განვიხილოთ, თუ როგორ ქმნის ფენოტიპთა სპექტრს რამდენიმე სხვადასხვა გენი, რომელთა ალელების ეფექტიც „ჯამდება" და ისე განსაზღვრავს ერთსა და იმავე ნიშან-თვისებას

^{1, 4}

ამ მაგალითში გვაქვს სამი გენი, პირობითად A, B და C, რომლებიც მოწითალო პიგმენტს აკოდირებენ ხორბლის მარცვალში. თითოეულ მათგანს ორი ალელი აქვს: ერთი, რომელიც წარმოქმნის პიგმენტს (აღნიშნულია დიდი ასოთი) და მეორე, რომელიც არ წარმოქმნის (აღნიშნულია პატარა ასოთი). ამ ალელების ეფექტები ჯამდება: aa გენოტიპის მქონე მცენარეში პიგმენტი საერთოდ არ წარმოიქმნება, Aa გენოტიპი მცირე რაოდენობით პიგმენტს შეესაბამება, AA გენოტიპი კი - უფრო მეტს (Aa-ზე ორჯერ მეტს). იგივე მეორდება B და C გენების შემთხვევაშიც

^{1, 4}

ცხრილი დაფუძნებულია ვ. პ. არმსტრონგის მსგავს დიაგრამაზე

^{5}

მოდით, წარმოვიდგინოთ რომ ამ სამივე გენის მიმართ ჰეტეროზიგოტი (AaBbCc) ორი მცენარე ერთმანეთთან შევაჯვარეთ. თითოეულ მშობელს სამი პიგმენტწარმომქმნელი ალელი აქვს, ამიტომ მათი მარცვლები მოვარდისფროა, თუმცა შთამომავლობაში ფერთა შვიდ სხვადასხვა ჯგუფს მივიღებთ, დაწყებული სრულიად უპიგმენტო, თეთრიდან (aabbcc), დამთავრებული ბევრი პიგმენტის შემცველი, მუქი წითელი მარცვლებით (AABBCC). სწორედ ამ შედეგებს იღებენ მკვლევარებიც, როცა ხორბლის ზოგიერთ ჯიშს აჯვარებენ ერთმანეთთან

^{1, 4}

ამ მაგალითში ჩანს, როგორ შეიძლება მივიღოთ მცირედ განსხვავებული ფენოტიპების სპექტრი (უწყვეტი ცვალებადობის მსგავსი) სულ სამი გენით. ძნელი წარმოსადგენი არ არის, რომ რაც უფრო გაიზრდება მონაწილე გენების რიცხვი, კიდევ უფრო მრავალ სხვადასხვა ფერს მივიღებთ (ან სიმაღლეს, თუ სხვა ნიშან-თვისებას განვიხილავთ).

გარემოს ეფექტები

ადამიანთა — და სხვა ორგანიზმების — ფენოტიპები გარემოს ეფექტის გამოც განსხვავდება. მაგალითად, ადამიანს შესაძლოა გენეტიკური მიდრეკილება ჰქონდეს ზედმეტი სიგამხდრის ან სიმსუქნისკენ, მაგრამ მისი რეალური წონა კვებასა და ვარჯიშზე იქნება დამოკიდებული (და ეს ფაქტორები ხშირად გენებზე უფრო მნიშვნელოვანია). კიდევ ერთი მაგალითია თმის ფერი - იგი თქვენს გენეტიკაზეა დამოკიდებული მანამ, სანამ იისფრად არ შეიღებავთ!

ფენოტიპზე გარემოს გავლენის ერთი შთამბეჭდავი მაგალითია გენეტიკური დაავადება ფენილკეტონურია (ფკუ)

^{6}

. ადამიანებში, რომლებიც ფკუ-ის გენის დეფექტური ალელებისადმი ჰომოზიგოტურნი არიან, ამინომჟავა ფენილალანინის დამშლელი ფერმენტი არ მუშაობს. ამ შემთხვევაში ორგანიზმი ჭარბ ფენილალანინს ვერ იშორებს თავიდან და ეს ამინომჟავა ტოქსიკური რაოდენობით გროვდება

^{7}

უმკურნალებელი ფკუ-ის შემთხვევაში ჭარბი ფენილალანინი ხელს უშლის თავის ტვინის ნორმალურ განვითარებას, რაც გონებრივ ჩამორჩენილობას, გულყრებსა და გუნება-განწყობის აშლილობებს იწვევს, თუმცა რადგანაც ფენილკეტონურიას ფენილალანინის დაგროვება იწვევს, ამ გენეტიკური დარღვევის მკურნალობა ძალიან ადვილია: დაავადებულ ჩვილებსა და ბავშვებს საკვებში ფენილალანინის რაოდენობა უნდა შეეზღუდოთ

^{8}

თუ ფენილკეტონურიის მქონე ადამიანი ამ დიეტას ძალიან მკაცრად დაიცავს პატარა ასაკიდანვე, მას ძალიან ცოტა ან არცერთი სიმპტომი ექნება. მრავალ ქვეყანაში ყველა ახალშობილის სკრინინგი (შემოწმება) უტარდება ფენილკეტონურიასა და სხვა, მსგავს დაავადებებზე დაბადებიდან მოკლე ვადაში, სისხლის მარტივი ანალიზით, რაც ზედა სურათზეა გამოსახული.

ცვალებადი ექსპრესიულობა, არასრული პენეტრანტობა

იმ ნიშან-თვისებების შემთხვევაშიც კი, რომლებიც ერთი გენით განისაზღვრება, შესაძლებელია, რომ ერთი და იმავე გენოტიპის მქონე ინდივიდებს სხვადასხვანაირი ფენოტიპი ჰქონდეთ. მაგალითად, ისევ ეს გენეტიკური დარღვევა რომ ავიღოთ, ადამიანებს შესაძლოა, ზუსტად ერთნაირი გენოტიპი ჰქონდეთ, მაგრამ დაავადება ძლიერად ან სუსტად გამოუვლინდეთ, ზოგს კი - საერთოდ არა.

ცვალებადი (ვარიაბელური) ექსპრესიულობის ფენომენი იმას ნიშნავს, რომ ერთნაირი გენოტიპის მქონე ადამიანებში ფენოტიპი ძლიერად ან სუსტად შეიძლება, გამოვლინდეს. მაგალითად, რაიმე დარღვევის გამომწვევი გენოტიპის მქონე ადამიანთა ჯგუფში ზოგს შესაძლოა, დაავადების მძიმე ფორმა გამოუვლინდეს, ზოგს კი - მსუბუქი. ექსპრესიულობის პრინციპი ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი, სადაც მწვანე ფერის ტონალობა ფენოტიპის სიძლიერეს ასახავს.

გენეტიკური დაავადება რეტინობლასტომა თვალის ავთვისებიან სიმსივნეს იწვევს, მაგრამ დაავადების სიმძიმე და დაწყების სიჩქარე განსხვავდება. რეტინობლასტომის მქონე ბავშვებს სიმსივნე შეიძლება ერთ ან ორივე თვალში განუვითარდეთ, დაბადენიდან მალევე ან ნელ-ნელა

^{9}

ილუსტრაცია შექმნილია Steven M. Carr $^{10}$ ‍-ის მსგავსი სურათის მიხედვით.

არასრული შეღწევადობის (პენეტრანტობის) პრინციპის თანახმად, განსაზღვრული გენოტიპის მქონე ინდივიდებს შესაბამისი ფენოტიპი შეიძლება ან განუვითარდეთ, ან - არა. მაგალითად, ერთნაირი, გენეტიკური დარღვევის გამომწვევი გენოტიპის მქონე ადამიანებიდან ზოგს ეს დაავადება შესაძლოა, არასდროს განუვითარდეს. პენეტრანტობის პრინციპი ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი, სადაც მწვანე და თეთრი ფერები ფენოტიპის გამოვლენა/არ გამოვლენას აღნიშნავს.

რეტინობლასტომის გენის ზოგი მუტაცია მაღალ პენეტრანტობას იწვევს, ზოგი კი - დაბალს (არასრულს). ამ უკანასკნელ შემთხვევაში ოჯახში მუტაციის მქონე ზოგი წევრი ჯანმრთელია, ზოგს კი სიმსივნე უვითარდება

^{6, 11}

ილუსტრაცია შექმნილია Steven M. Carr $^{10}$ ‍-ის მსგავსი სურათის მიხედვით.

რა იწვევს ცვალებად ექსპრესიულობასა და არასრულ შეღწევადობას? ამის პასუხი ხშირად სხვა გენები და გარემოს ეფექტებია. მაგალითად, ერთი გენის დაავადების გამომწვევი ალელები შეიძლება, სხვა გენის ალელებმა დათრგუნოს, ან ადამიანის ჯანმრთელობის მდგომარეობამ მოახდინოს გავლენა დაავადების ფენოტიპურად გამოვლენის სიძლიერეზე

^{11}

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC BY-NC-SA 4,0.

ციტირებული შრომები:

Kimball, J. W. (8 მარტი, 2011). Continuous variation: Quantitative traits. წყარო: http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/Q/QTL.html.
Wood, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S., ... Frayling, T. M. (2014). Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10,1038/ng.3097.
White, D. and Rabago-Smith, M. (2011). Genotype-phenotype associations and human eye color. Journal of Human Genetics, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10,1038/jhg.2010,126.
აგრონომიის დეპარტამენტი, აიოვას სახელმწიფო უნივერსიტეტი. (2016). რაოდენობრივი ნიშან-თვისების დამემკვიდრება. მოძიების თარიღი 26 ივლისი, 2016, წყარო https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.
Armstrong, W. P. (n.d.). Continuous variation and Rh blood factor. In Wayne's Word. მოძიების თარიღი 26 ივლისი, 2016, წყარო: http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.
Bergmann, D. C. (2011). Variations on and complications of the basic Mendelian rules. In Genetics lecture notes. Biosci41, Stanford University, 10.
PAH. (2008). In Genetics home reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.
Phenylketonuria. (2012). In Genetics home reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.
National Cancer Institute. (14 აგვისტო, 2015). Retinoblastoma treatment – for health professionals. In Cancer types. წყარო: http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.
Carr, S. M. (2014). Penetrance versus expressivity. წყარო: https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.
Kelly, Jane. (14 სექტემბერი, 2015). Retinoblastoma. In OMIM. წყარო: http://www.omim.org/entry/180200.
Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Penetrance and expressivity. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

წყაროები:

Armstrong, W. P. (n.d.). Continuous variation and Rh blood factor. In Wayne's Word. მოძიების თარიღი 26 ივლისი, 2016, წყარო: http://waynesword.palomar.edu/lmexer5.htm.

Bergmann, D. C. (2011). Variations on and complications of the basic Mendelian rules. In Genetics lecture notes. Biosci41, Stanford University, 8-12.

Breeding for grain quality traits: The challenges of measuring phenotypes and identifying genotypes. (2015). In Plant and soil sciences eLibrary. წყარო: http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?idinformationmodule=1066416033&topicorder=12&maxto=13.

Carr, S. M. (2014). Penetrance versus expressivity. წყარო: https://www.mun.ca/biology/scarr/Penetrance_vs_Expressivity.html.

აგრონომიის დეპარტამენტი, აიოვას სახელმწიფო უნივერსიტეტი. (2016). რაოდენობრივი ნიშან-თვისების დამემკვიდრება. მოძიების თარიღი 26 ივლისი, 2016, წყარო https://masters.agron.iastate.edu/classes/527/lesson07/detail/kernelColor.html.

Duffy, D. L., Montgomery, G. W., Chen, W., Zhao, Z. Z., Le, L., James, M. R., ... Sturm, R. A. (2007). A three–single-nucleotide polymorphism haplotype in intron 1 of OCA2 explains most human eye-color variation. American Journal of Human Genetics, 80(2), 241-252. http://dx.doi.org/10,1086/510885.

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., and Gelbart, W. M. (2000). Penetrance and expressivity. In An introduction to genetic analysis (7th ed.). წყარო: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22090/.

Kelly, Jane. (14 სექტემბერი, 2015). Retinoblastoma. In OMIM. წყარო: http://www.omim.org/entry/180200.

Multifactorial traits: Genomics at the cellular and gene level. (n.d.). In MI genetics resource center. წყარო: https://www.migrc.org/TeachersAndStudents/MultifactorialTraits.html

National Cancer Institute. (14 აგვისტო, 2015). Retinoblastoma treatment – for health professionals. In Cancer types. წყარო: http://www.cancer.gov/types/retinoblastoma/hp/retinoblastoma-treatment-pdq.

NHS National Genetics and Genomics Education Centre (n.d.). In Genetic glossary. Retrieved from http://www.geneticseducation.nhs.uk/genetic-glossary/221-penetrance.

პენეტრანტობა. (13 ნოემბერი, 2015). მოძიების თარიღი და ადგილი: 22 ნოემბერი, 2015, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Penetrance.

PAH. (2008). In Genetics home reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/gene/PAH.

Phenylketonuria. (2012). In Genetics home reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/condition/phenylketonuria.

პოლიგენურობა. (18 ნოემბერი, 2015. In Genetics Home Reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/glossary=polygenic.

Polygenic inheritance. (n.d.). In BioNinja. წყარო: www.vce.bioninja.com.au/aos-3-heredity/inheritance/polygenic-inheritance.html.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Mendel and the gene idea. In Campbell biology (10th ed., pp. 267-291). San Francisco, CA: Pearson.

What are reduced penetrance and variable expressivity? (18 ნოემბერი, 2015). In Genetics home reference. წყარო: http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/inheritance/penetranceexpressivity.

White, D. and Rabago-Smith, M. (2011). Genotype-phenotype associations and human eye color. Journal of Human Genetics, 56, 5-7. http://dx.doi.org/10,1038/jhg.2010,126.

Wood, A. R., Esko, T., Yang, J., Vedantam, S., Pers, T. H., Gustafsson, S., ... Frayling, T. M. (2014). Defining the role of common variation in the genomic and biological architecture of adult human height. Nature Genetics, 46, 1173-1186. http://dx.doi.org/10,1038/ng.3097.

Zeratsky, K. (6 ოქტომბერი, 2015). My favorite diet soda has a warning about phenylalanine. Is phenylalanine bad for you? [answer]. In Nutrition and healthy eating. წყარო: http://www.mayoclinic.org/healthy-lifestyle/nutrition-and-healthy-eating/expert-answers/phenylalanine/faq-20058361.

Zlotogora, J. (2003). Penetrance and expressivity in the molecular age. Genetics in Medicine, 5, 347-352. http://dx.doi.org/10,1097/01.GIM.0000086478,87623.69.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.