Множественный аллелизм: серия аллелей одного гена

Классическая менделевская схема приучает к мысли, что у гена есть ровно два состояния: доминантный аллель и рецессивный. Реальные популяции устроены богаче: один и тот же локус нередко представлен тремя, десятью, а иногда и сотнями вариантов. Это и есть множественный аллелизм - явление, из-за которого «жёлтый или зелёный» превращается в целый ряд оттенков, а решение задач требует не двух букв, а серии с индексами. Ниже разберём, откуда берётся серия аллелей, как выстраивается иерархия доминирования и сколько генотипов она порождает; калькулятор ниже посчитает эти числа для вашей серии.

Что такое множественный аллелизм

Множественный аллелизм - существование в генофонде популяции более двух аллелей одного и того же гена. Совокупность таких вариантов называют серией аллелей, или аллельным рядом. Все члены серии занимают один локус гомологичных хромосом, контролируют один признак и наследуются как обычная аллельная пара - просто вариантов для этой пары больше двух.

Обозначают серию одной буквой с надстрочными индексами: $C$, $c^{ch}$, $c^{h}$, $c$. Верхняя буква указывает на общий ген, индекс - на конкретный вариант. Запись $A$ и $B$ для аллелей одного локуса считается ошибкой: разные буквы в генетике зарезервированы за разными генами.

Причина явления - мутации. Один и тот же участок ДНК независимо мутирует в разных особях и в разное время: замена нуклеотида, вставка, делеция нескольких пар оснований. Каждое такое событие даёт новый вариант последовательности, а значит, немного другой белок - фермент с изменённой активностью, рецептор с изменённой формой кармана. Мутации накапливаются в поколениях, отбор их не выбраковывает (если они не летальны), и в популяции сосуществует целый ряд версий гена.

Рассчитать для своей задачи

Важно отличать множественный аллелизм от взаимодействия неаллельных генов. В серии взаимодействуют варианты одного локуса, поэтому речь идёт о доминировании, кодоминировании и неполном доминировании. Когда же на признак влияют разные гены, это уже полимерия, эпистаз или комплементарность - принципиально другой класс явлений.

Почему у одной особи всё равно только два аллеля

Серия существует на уровне популяции, а не отдельного организма. У диплоидного вида каждый локус представлен дважды - по одному экземпляру в каждой из гомологичных хромосом. Значит, любая особь несёт максимум два члена серии, а гамета после мейоза - ровно один.

Отсюда практическое правило для задач: сколько бы аллелей ни было в ряду, в генотипе всегда пишут две буквы, а в гамете одну. Генотип вида $c^{ch} c^{h}$ корректен, запись из трёх индексов - нет. Именно поэтому «богатство» серии проявляется не у отдельного организма, а в разнообразии популяции: чем длиннее ряд, тем больше сочетаний встречается среди особей.

Полиплоиды - исключение, подтверждающее правило: у тетраплоидной пшеницы или картофеля один локус представлен четырьмя копиями, и генотип записывают четырьмя аллелями. В школьных и вузовских задачах по общей генетике почти всегда подразумевается диплоид.

Ряд доминирования: как выстраивается иерархия

Аллели серии не равноправны - обычно они выстраиваются в ряд доминирования, где каждый предыдущий вариант подавляет все последующие. Хрестоматийный пример - окраска шерсти кроликов, ген $C$ (тирозиназа, ключевой фермент синтеза меланина):

$C > c^{ch} > c^{h} > c$

• $C$ - сплошная дикая окраска, фермент полностью активен;
• $c^{ch}$ - шиншилловая, активность снижена, пигмент осветлён;
• $c^{h}$ - гималайская: фермент термочувствителен и работает только в холодных участках тела, поэтому темнеют уши, лапы и мордочка;
• $c$ - альбинос, фермент неактивен, пигмента нет вовсе.

Рассчитать для своей задачи

Ряд не постулируют, а устанавливают экспериментально: скрещивают гомозигот попарно и смотрят на фенотип гибридов первого поколения. Если потомки $c^{ch} c^{h}$ выглядят как шиншиллы, значит $c^{ch}$ доминирует над $c^{h}$. Достаточно перебрать все пары - и порядок ряда собирается однозначно.

Иерархия не обязана быть линейной. В системе групп крови ABO аллели $I^A$ и $I^B$ оба доминируют над $i$, но между собой кодоминируют: у генотипа $I^A I^B$ проявляются оба антигена сразу. Бывает и неполное доминирование внутри серии, когда гетерозигота даёт промежуточный оттенок. Поэтому первый вопрос к условию задачи - не только «какие аллели есть», но и «как именно они взаимодействуют».

Сколько генотипов и фенотипов даёт серия

Комбинаторика здесь простая. Если в серии $n$ аллелей, то число возможных генотипов равно числу сочетаний двух элементов с повторениями:

$N_{\text{ген}} = \frac{n(n+1)}{2}$

Из них гомозигот ровно $n$ (по одной на каждый аллель), а гетерозигот

$N_{\text{гет}} = \frac{n(n-1)}{2}$

Число фенотипов зависит от типа взаимодействия. При строгом ряде полного доминирования каждый фенотип задаётся «старшим» аллелем генотипа, поэтому фенотипов ровно $n$. Любое кодоминирование или неполное доминирование добавляет классы: система ABO с тремя аллелями даёт $3 \cdot 4 / 2 = 6$ генотипов, но не три, а четыре группы крови - из-за кодоминантной пары $I^A I^B$.

Рост квадратичный: серия кроличьей окраски из четырёх аллелей даёт уже 10 генотипов при всего четырёх фенотипах. Отсюда важное следствие: по фенотипу генотип восстанавливается неоднозначно, и любая задача на серию начинается с перечисления всех генотипов, совместимых с описанным признаком.

Где множественный аллелизм встречается

• Группы крови ABO у человека. Три аллеля одного локуса хромосомы 9, шесть генотипов, четыре фенотипа. Типовой материал контрольных - разбор задач на наследование групп крови.
• Гены HLA (главный комплекс гистосовместимости). Рекордсмен по вариативности: отдельные локусы насчитывают тысячи аллелей. Именно поэтому подбор донора для трансплантации - статистическая задача, а не формальность.
• Самонесовместимость растений. Локус $S$ у мака, табака, клевера несёт десятки аллелей: пыльца не прорастает на пестике, если её аллель совпадает с одним из аллелей материнского растения. Механизм принудительного перекрёстного опыления.
• Окраска глаз дрозофилы. Серия локуса white: от дикого красного через абрикосовый и эозиновый до полностью белого - исторически первая описанная серия аллелей.

Рассчитать для своей задачи

Алгоритм решения задач

1. Выпишите серию и ряд доминирования с индексами, отметив кодоминантные пары.
2. Переведите фенотипы родителей в наборы генотипов. Каждому фенотипу обычно соответствует несколько генотипов - перечислите все.
3. Найдите ограничивающее условие. Потомок с самым «младшим» фенотипом ряда (альбинос, I группа крови) гомозиготен по нижнему аллелю, значит каждый родитель нёс его хотя бы в одной копии.
4. Составьте решётку Пеннета для оставшихся вариантов генотипов родителей.
5. Сверните генотипы в фенотипы по ряду доминирования и посчитайте доли; сумма должна дать единицу.

Для популяционных задач схема расширяется: при трёх аллелях с частотами $p$, $q$, $r$ выполняется $p + q + r = 1$, а частоты генотипов - члены разложения $(p + q + r)^2$. Это прямое обобщение закона Харди-Вайнберга на серию.

Частые ошибки

• Три аллеля в генотипе. Запись вида $C c^{ch} c$ невозможна у диплоида: в локусе только два места.
• Разные буквы для членов одной серии. $A$, $B$, $C$ читаются как три разных гена; серию обозначают одной буквой с индексами.
• Перенос ряда доминирования на неаллельные гены. Иерархия работает внутри локуса; влияние другого гена - это эпистаз, а не «более сильный аллель».
• Автоматический вывод «n аллелей - n фенотипов». Верно только при полном доминировании по всему ряду; кодоминирование добавляет фенотипические классы.
• Пропуск скрытых гетерозигот. Фенотип показывает лишь старший аллель, младший остаётся невидимым и всплывает в потомстве.

FAQ

Чем множественный аллелизм отличается от полигенного наследования? Множественный аллелизм - много вариантов одного гена; полигенное наследование (полимерия) - вклад нескольких разных генов в один признак. В первом случае в задаче фигурирует одна пара аллелей с индексами, во втором - несколько пар с разными буквами.

Сколько аллелей может быть у гена? Теоретического потолка нет: предел задаётся числом возможных вариантов последовательности и отбором. У человека локус HLA-B описан тысячами аллелей, тогда как локус ABO рабочей серией из трёх основных вариантов.

Как определить, какой аллель серии доминантнее? Только скрещиванием. Получают гетерозиготу по двум интересующим аллелям и смотрят на её фенотип: проявившийся признак и указывает на доминантный вариант. Перебор всех пар выстраивает ряд целиком.

Коротко

Множественный аллелизм - это ситуация, когда один локус представлен в популяции более чем двумя вариантами, возникшими независимыми мутациями. У каждой особи по-прежнему два аллеля, но сочетаний становится $n(n+1)/2$, а фенотипов - $n$ при полном доминировании и больше, если внутри ряда есть кодоминирование. Практическая работа с серией сводится к трём шагам: выписать ряд доминирования, развернуть фенотипы в наборы генотипов и решить обычную решётку Пеннета, помня, что видимый признак прячет младшие аллели ряда.