Biologi för Majors i

förklara komplikationer för det fenotypiska uttrycket av genotyp, inklusive mutationer

Mendels experiment med ärtväxter föreslog följande:

  1. två” enheter ” eller alleler finns för varje gen.
  2. alleler behåller sin integritet i varje generation (ingen blandning).
  3. i närvaro av den dominerande allelen är den recessiva allelen dold och bidrar inte till fenotypen.

därför kan recessiva alleler” bäras ” och inte uttryckas av individer. Sådana heterozygota individer kallas ibland ” bärare.”Ytterligare genetiska studier i andra växter och djur har visat att det finns mycket mer komplexitet, men att de grundläggande principerna för Mendelian genetik fortfarande är sanna. I de avsnitt som ska följas överväger vi några av mendelismens förlängningar. Om Mendel hade valt ett experimentellt system som uppvisade dessa genetiska komplexiteter, är det möjligt att han inte skulle ha förstått vad hans resultat innebar.

lärandemål

  • förklara hur en egenskap med ofullständig dominans kommer att visas i en population
  • förklara hur en egenskap med kodominant arv kommer att visas i en population
  • förklara hur en egenskap med sex-koppling kommer att visas i en population
  • förklara hur mutli-allel arv kommer att påverka en egenskap inom en population population
  • beskriv effekterna av penetrance och expressivitet på en egenskaps uttryck i en population

ofullständig dominans

 foto är av en snapdragon med en rosa blomma.

Figur 1. Dessa rosa blommor av en heterozygote snapdragon är resultatet av ofullständig dominans. (kredit: ”storebukkebruse” / Flickr)

Mendels resultat, att egenskaper ärvs som dominerande och recessiva par, motsatte sig uppfattningen vid den tiden att avkommor uppvisade en blandning av sina föräldrars egenskaper. Emellertid verkar heterozygotfenotypen ibland vara mellanliggande mellan de två föräldrarna. Till exempel, i snapdragon, Antirrhinum majus (Figur 1), kommer en korsning mellan en homozygot förälder med vita blommor (CWCW) och en homozygot förälder med röda blommor (CRCR) att producera avkommor med rosa blommor (CRCW). (Observera att olika genotypiska förkortningar används för Mendeliska förlängningar för att skilja dessa mönster från enkel dominans och recessivitet.) Detta arvsmönster beskrivs som ofullständig dominans, vilket betecknar uttrycket av två kontrasterande alleler så att individen visar en mellanliggande fenotyp. Allelen för röda blommor är ofullständigt dominerande över allelen för vita blommor. Resultaten av ett heterozygot självkors kan emellertid fortfarande förutsägas, precis som med Mendelian dominerande och recessiva kors. I detta fall skulle det genotypiska förhållandet vara 1 CRCR:2 CRCW:1 CWCW, och det fenotypiska förhållandet skulle vara 1:2:1 för röd:rosa:vit.

ofullständig dominans kan ses i flera typer av blommor, inklusive rosa tulpaner, nejlikor och rosor—alla rosa blommor i dessa beror på blandningen av röda och vita alleler. Ofullständig dominans kan också observeras hos vissa djur, såsom kaniner. När en långpälsad Angora föder upp med en Kortpälsad Rex, har avkomman medellång päls. Svanslängd hos hundar påverkas på liknande sätt av gener som visar ofullständiga dominansmönster.

Codominant arv

en häst med röd roan färg.

Figur 2. Röd Roanhäst

en variation på ofullständig dominans är kodominans, där båda allelerna för samma egenskap uttrycks samtidigt i heterozygoten. Ett exempel på kodominans är mn-blodgrupperna hos människor. M-och N-allelerna uttrycks i form av ett m-eller N-antigen närvarande på ytan av röda blodkroppar. Homozygoter (LMLM och LNLN) uttrycker antingen M-eller N-allelen, och heterozygoter (lmln) uttrycker båda allelerna lika. I en självkorsning mellan heterozygoter som uttrycker ett kodominant drag är de tre möjliga avkommans genotyper fenotypiskt distinkta. Emellertid gäller det genotypiska förhållandet 1: 2: 1 som är karakteristiskt för ett Mendelian monohybridkors fortfarande.

kodominans kan också ses i humana blodtyper: AB – blodtypen är ett resultat av att både IA-allelen och IB-allelen är kodominanta. Roan-pälsfärgen hos hästar är också ett exempel på kodominans. En ” röd ” roan är resultatet av parning av en kastanjförälder och en vit förälder (Figur 2). Vi vet att detta är kodominans eftersom enskilda hår är antingen kastanj eller de är vita, vilket leder till det röda roan övergripande utseendet.

öva fråga

så vad är skillnaden mellan ofullständig dominans och kodominant arv? Medan de är mycket lika, den viktigaste skillnaden är detta: i ofullständig dominans blandas de två egenskaperna, medan i kodominans uttrycks båda egenskaperna.

vi har redan diskuterat ofullständig dominans i blommor (Figur 1). Hur tror du att en blomma skulle se ut om de röda och vita fenotyperna var kodominanta istället?

Visa svar

blomman skulle ha både röda och vita kronblad, som denna rododendron:

 en blomma som har en jämn delning av vita och röda kronblad.

könsbundna egenskaper

hos människor, liksom hos många andra djur och vissa växter, bestäms individens kön av könskromosomer. Könskromosomerna är ett par icke-homologa kromosomer. Hittills har vi bara övervägt arvsmönster bland icke-könskromosomer eller autosomer. Förutom 22 homologa par autosomer har mänskliga kvinnor ett homologt par X-kromosomer, medan mänskliga män har ett XY-kromosompar. Även om Y-kromosomen innehåller en liten region av likhet med X-kromosomen så att de kan para under meios, är Y-kromosomen mycket kortare och innehåller många färre gener. När en gen som undersöks är närvarande på X-kromosomen, men inte på Y-kromosomen, sägs den vara X-länkad.

bilden visar sex fruktflugor, var och en med olika ögonfärg.

Figur 3. I Drosophila ligger genen för ögonfärg på X-kromosomen. Medurs uppifrån vänster är brun, cinnabar, sepia, vermilion, vit och röd. Röda ögonfärg är vildtyp och dominerar vit ögonfärg.

ögonfärg i Drosophila var ett av de första X-länkade egenskaperna som identifierades. Thomas Hunt Morgan kartlade detta drag till X-kromosomen 1910. Liksom människor har Drosophila-män Ett XY-kromosompar och kvinnor är XX. i flugor är ögonfärgen av vildtyp röd (XW) och den dominerar vit ögonfärg (Xw) (Figur 3). På grund av platsen för ögonfärggenen producerar ömsesidiga kors inte samma avkomman. Manspersoner sägs vara hemizygota, eftersom de bara har en allel för någon X-länkad egenskap. Hemizygosity gör beskrivningarna av dominans och recessivitet irrelevanta för XY-män. Drosophila-män saknar en andra allelkopia på Y-kromosomen; det vill säga deras genotyp kan bara vara XWY eller XwY. Däremot har kvinnor två allelkopior av denna gen och kan vara XWXW, XWXw eller XwXw.

i ett X-länkat kors beror genotyperna för F1-och F2-avkommor på om det recessiva draget uttrycktes av hanen eller kvinnan i P0-generationen. När det gäller Drosophila ögonfärg, när P0-hanen uttrycker den vita ögonfenotypen och honan är homozygot rödögd, uppvisar alla medlemmar i F1-generationen röda ögon. F1-kvinnorna är heterozygota (XWXw), och hanarna är alla XWY, efter att ha fått sin X-kromosom från den homozygota dominerande P0-kvinnan och deras Y-kromosom från P0-hanen. En efterföljande korsning mellan xwxw-kvinnan och XWY – hanen skulle bara producera rödögda kvinnor (med xwxw-eller xwxw-genotyper) och både röd-och vitögda män (med XWY-eller XWY-genotyper). Tänk nu på ett kors mellan en homozygot vitögd kvinna och en man med röda ögon (Figur 4). F1-generationen skulle bara uppvisa heterozygota rödögda kvinnor (XWXw) och endast vitögda män (XwY). Hälften av F2-kvinnorna skulle vara rödögda (XWXw) och hälften skulle vara vitögda (XwXw). På samma sätt skulle hälften av F2-männen vara rödögda (XWY) och hälften skulle vara vitögda (XwY).

Practice Question

 denna illustration visar en Punnett square analys av fruktfluga ögonfärg, som är ett könsbundet drag. En rödögd manlig fruktfluga med genotypen X^{w}Y korsas med en vitögd kvinnlig fruktfluga med genotypen X^{w}X^{w}. Alla kvinnliga avkommor förvärvar en dominerande W-allel från Fadern och en recessiv w-allel från modern och är därför heterozygot dominerande med röd ögonfärg. Alla manliga avkommor förvärvar en recessiv w-allel från modern och en Y-kromosom från Fadern och är därför hemizygot recessiv med vit ögonfärg.

Figur 4. Punnett square-analys används för att bestämma förhållandet mellan avkommor från ett kors mellan en rödögd manlig fruktfluga och en vitögd kvinnlig fruktfluga.

vilket förhållande av avkommor skulle bero på ett kors mellan en vitögd man och en kvinna som är heterozygot för röd ögonfärg?

Visa svar

hälften av den kvinnliga avkomman skulle vara heterozygot (XWXw) med röda ögon, och hälften skulle vara homozygot recessiv (XwXw) med vita ögon. Hälften av de manliga avkommorna skulle vara hemizygot dominerande (XWY) med rött ja, och hälften skulle vara hemizygot recessiv (XwY) med vita ögon.

upptäckter i fruktfluggenetik kan tillämpas på mänsklig genetik. När en kvinnlig förälder är homozygot för ett recessivt X-länkat drag, kommer hon att överföra egenskapen till 100 procent av hennes avkommor. Hennes manliga avkommor är därför avsedda att uttrycka egenskapen, eftersom de kommer att ärva sin fars Y-kromosom. Hos människor är allelerna under vissa förhållanden (vissa former av färgblindhet, hemofili och muskeldystrofi) X-länkade. Kvinnor som är heterozygota för dessa sjukdomar sägs vara bärare och får inte uppvisa några fenotypiska effekter. Dessa kvinnor kommer att överföra sjukdomen till hälften av sina söner och kommer att överföra bärarstatus till hälften av sina döttrar; därför uppträder recessiva X-länkade egenskaper oftare hos män än kvinnor.

i vissa grupper av organismer med könskromosomer är könet med de icke-homologa könskromosomerna kvinnan snarare än hanen. Detta gäller för alla fåglar. I det här fallet kommer könsbundna egenskaper att vara mer benägna att förekomma hos kvinnan, där de är hemizygota.

Non – Mendelian Punnett Squares

denna övningsaktivitet hjälper dig att komma ihåg skillnaden mellan typer av icke-Mendelian arv och kom ihåg hur de fungerar.

Klicka här för en textversion av aktiviteten.

videorecension

titta på den här videon för en sammanfattning av de tre ”speciella” fallen av icke-Mendelian arv som du just övade.

flera alleler

Mendel antydde att endast två alleler, en dominerande och en recessiv, kunde existera för en given gen. Vi vet nu att detta är en förenkling. Även om enskilda människor (och alla diploida organismer) bara kan ha två alleler för en given gen, kan flera alleler existera på befolkningsnivå så att många kombinationer av två alleler observeras. Observera att när många alleler finns för samma gen, är konventionen att beteckna den vanligaste fenotypen eller genotypen bland vilda djur som vildtypen (ofta förkortad ”+”); detta anses vara standard eller norm. Alla andra fenotyper eller genotyper betraktas som varianter av denna standard, vilket innebär att de avviker från den vilda typen. Varianten kan vara recessiv eller dominerande för vildtypens allel.

ett exempel på flera alleler är pälsfärg hos kaniner (Figur 5). Här finns fyra alleler för C-genen. Vildtypsversionen, C + C+, uttrycks som brun päls. Chinchilla fenotypen, cchcch, uttrycks som svart-tippad vit päls. Himalayas fenotyp, chch, har svart päls på extremiteterna och vit päls någon annanstans. Slutligen uttrycks albino eller ”färglös” fenotyp, cc, som vit päls. I fall av flera alleler kan dominanshierarkier existera. I detta fall är vildtypens allel dominerande över alla andra, chinchilla är ofullständigt dominerande över Himalaya och albino, och Himalaya är dominerande över albino. Denna hierarki, eller alleliska serier, avslöjades genom att observera fenotyperna för varje möjlig heterozygot avkomma.

 denna illustration visar de fyra olika varianterna för pälsfärg hos kaniner vid c-allelen. Genotypen CC producerar vildtypfenotypen, som är brun. Genotypen c^{ch}c^{ch} producerar chinchillafenotypen, som är svart-tippad vit päls. Genotypen c^{h}c^{h} producerar Himalayas fenotyp, som är vit på kroppen och svart på extremiteterna. Genotypen cc producerar den recessiva fenotypen, som är vit

Figur 5. Fyra olika alleler finns för kaninpälsfärgen (C).

detta foto visar Drosophila som har normala antenner på huvudet och en mutant som har ben på huvudet.

Figur 6. Som man kan jämföra vildtypen Drosophila (vänster) och Antennapedia mutant (höger) har Antennapedia mutant ben på huvudet i stället för antenner.

den fullständiga dominansen av en vildtyps fenotyp över alla andra mutanter uppträder ofta som en effekt av ”dosering” av en specifik genprodukt, så att vildtypsallelen levererar rätt mängd genprodukt medan mutanta alleler inte kan. För allelserien hos kaniner kan allelen av vildtyp ge en given dos av pälspigment, medan mutanterna ger en mindre dos eller ingen alls. Intressant är Himalayas fenotyp resultatet av en allel som producerar en temperaturkänslig genprodukt som endast producerar pigment i de svalare extremiteterna i kaninens kropp.

Alternativt kan en mutant allel vara dominerande över alla andra fenotyper, inklusive vildtypen. Detta kan inträffa när den mutanta allelen på något sätt stör det genetiska meddelandet så att även en heterozygot med en vildtyps allelkopia uttrycker mutantfenotypen. Ett sätt på vilket den mutanta allelen kan störa är genom att förbättra funktionen hos den vilda genprodukten eller ändra dess fördelning i kroppen.

ett exempel på detta är Antennapedia-mutationen i Drosophila (Figur 6). I detta fall expanderar den mutanta allelen fördelningen av genprodukten, och som ett resultat utvecklar Antennapedia heterozygoten ben på huvudet där dess antenner borde vara.

flera alleler ger läkemedelsresistens i malariaparasiten

Malaria är en parasitisk sjukdom hos människor som överförs av infekterade kvinnliga myggor, inklusive Anopheles gambiae (figur 7a), och kännetecknas av cykliska höga feber, frossa, influensaliknande symtom och svår anemi. Plasmodium falciparum och P. vivax är de vanligaste orsaksmedlen för malaria, och P. falciparum är den mest dödliga (figur 7b). Vid snabb och korrekt behandling har P. falciparummalaria en dödlighet på 0,1 procent. Men i vissa delar av världen har parasiten utvecklat resistens mot vanliga malariabehandlingar, så de mest effektiva malariabehandlingarna kan variera beroende på geografisk region.

foto A visar Anopheles gambiae mygga, som bär malaria. Foto b visar en mikrograf av seglformad Plasmodium falciparum, parasiten som orsakar malaria. Plasmodium är ca 0,75 mikron över.

Figur 7. Den (a) Anopheles gambiae, eller afrikansk malaria mygga, fungerar som en vektor i överföringen till människor av malaria-orsakande parasiten (b) Plasmodium falciparum, här visualiseras med hjälp av falsk färg överföring elektronmikroskopi. (kredit A: James D. Gathany; kredit b: Ute Frevert; falsk färg av Margaret Shear; skala-bar data från Matt Russell)

i Sydostasien, Afrika och Sydamerika har P. falciparum utvecklat resistens mot anti-malariala läkemedel klorokin, meflokin och sulfadoxin-pyrimetamin. P. falciparum, som är haploid under det livsstadium där det är infektiöst för människor, har utvecklat flera läkemedelsresistenta mutanta alleler av dhps-genen. Varierande grader av sulfadoxinresistens är associerade med var och en av dessa alleler. Att vara haploid behöver P. falciparum bara en läkemedelsresistent allel för att uttrycka detta drag.

i Sydostasien är olika sulfadoxinresistenta alleler av dhps-genen lokaliserade till olika geografiska regioner. Detta är ett vanligt evolutionärt fenomen som uppstår eftersom läkemedelsresistenta mutanter uppstår i en population och interbreed med andra P. falciparum isolerar i närheten. Sulfadoxinresistenta parasiter orsakar betydande mänskliga svårigheter i regioner där detta läkemedel används ofta som ett receptfritt malariamedel. Som är vanligt med patogener som multiplicerar till stora antal inom en infektionscykel, utvecklas P. falciparum relativt snabbt (över ett decennium eller så) som svar på det selektiva trycket hos vanliga anti-malariala läkemedel. Av denna anledning måste forskare ständigt arbeta för att utveckla nya droger eller läkemedelskombinationer för att bekämpa den globala malariabördan.

multipla alleler (ABO-blodtyper) och Punnett-kvadrater

Penetrance och expressivitet

Penetrance avser sannolikheten för att en gen eller egenskap uttrycks. I vissa fall, trots närvaron av en dominerande allel, kan en fenotyp inte vara närvarande. Ett exempel på detta är polydactyly hos människor (extra fingrar och/eller tår). En dominerande allel producerar polydactyly hos människor men inte alla människor med allelen visar de extra siffrorna. ”Komplett” penetrans betyder att genen eller generna för ett drag uttrycks i hela befolkningen som har generna. ”Ofullständig” eller ”reducerad” penetrans betyder att den genetiska egenskapen uttrycks i endast en del av befolkningen. Penetrationen av uttryck kan också förändras i olika åldersgrupper i en befolkning. Minskad penetrans beror troligen på en kombination av genetiska, miljömässiga och livsstilsfaktorer, varav många är okända. Detta fenomen kan göra det utmanande för genetiker att tolka en persons familjemedicinska historia och förutsäga risken för att överföra ett genetiskt tillstånd till kommande generationer.

 komplett penetrans: alla sex rutor är mörkgröna. Ofullständig penetrans: tre av rutorna är mörkgröna och tre av rutorna är vita. Kvadraterna i varje exempel är avsedda att representera individer av samma genotyp för genen av intresse.

figur 8. Illustration modellerad efter liknande bild av Steven M. Carr, Penetrance kontra expressivitet.

expressivitet å andra sidan hänvisar till variation i fenotypiskt uttryck när en allel är penetrerande. Tillbaka till polydactyly-exemplet kan en extra siffra förekomma på en eller flera bilagor. Siffran kan vara full storlek eller bara en stub. Därför har denna allel minskat penetrans såväl som variabel uttrycksförmåga. Variabel expressivitet avser utbudet av tecken och symtom som kan förekomma hos olika personer med samma genetiska tillstånd. Som med minskad penetrans orsakas variabel expressivitet troligen av en kombination av genetiska, miljömässiga och livsstilsfaktorer, varav de flesta inte har identifierats. Om ett genetiskt tillstånd har mycket varierande tecken och symtom kan det vara svårt att diagnostisera.

 Smal uttrycksförmåga: alla sex rutor är mörkgröna. Variabel expressivitet: de sex rutorna är olika nyanser av grönt. Kvadraterna i varje exempel är avsedda att representera individer av samma genotyp för genen av intresse.

Figur 9. Illustration modellerad efter liknande bild av Steven M. Carr, Penetrance kontra expressivitet.

för mer information om minskad penetrance och variabel expressivitet, ta en titt på den interaktiva handledningen om penetrance som PHG Foundation erbjuder. Handledningen förklarar skillnaderna mellan reducerad penetrans och variabel expressivitet.

variabel expressivitet och ofullständig penetrans

kontrollera din förståelse

svara på frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlas i föregående avsnitt. Denna korta frågesport räknas inte mot ditt betyg i klassen, och du kan återta det ett obegränsat antal gånger.

använd det här testet för att kontrollera din förståelse och besluta om att (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.

  1. Sumiti Vinayak, et al., ”Origin and Evolution of Sulfadoxine Resistant Plasmodium falciparum,” Public Library of Science Pathogens 6, no. 3 (2010): e1000830, doi:10.1371/journal.ppat.1000830. ↵

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.