Гены представляют собой сегменты дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и содержат код для определенного белка, функционирующего в одном или нескольких типах клеток в организме, или код для функциональных молекул РНК.
Хромосомы состоят из очень длинной нити ДНК и содержат множество генов (от сотен до тысяч). За исключением определенных клеток (например, сперматозоидов и яйцеклеток), каждая нормальная клетка человека содержит 23 пары хромосом. Существуют 22 пары неполовых (аутосомных) хромосом и одна пара половых хромосом, в общей сложности — 46 хромосом. Обычно каждая пара состоит из одной материнской и одной отцовской хромосомы.
Эти половые хромосомы определяют, будет ли плод мужского или женского пола. У мужчины имеется одна Х-хромосома и одна Y-хромосома. Мужчины получают Х-хромосому от матери, а Y-хромосому — от отца. У женщины имеется две Х-хромосомы. Женщины получают одну Х-хромосому от матери и одну Х-хромосому от отца.
Признаки (любые детерминированные геном характеристики, такие как цвет глаз), задаваемые геном, могут быть охарактеризованы следующим образом:
Доминантный
Рецессивный
Доминантные признаки могут проявляться даже тогда, когда присутствует лишь одна копия гена для этого признака.
Рецессивные признаки на аутосомных хромосомах могут экспрессироваться только при наличии двух копий гена для этого признака, по одному на каждой из пары хромосом. Люди с одной копией дефектного гена для рецессивного признака (и у которых, таким образом, отсутствует заболевание) называются носителями рецессивного гена.
При кодоминантных признаках обе копии гена выражены в некоторой степени. Примером кодоминантного признака является группа крови. Если у человека присутствует один ген, кодирующий группу крови А, и один ген, кодирующий группу крови В, то у этого человека экспрессируются группы крови А и В (группа крови АВ).
Х-сцепленный (сцепленный с половой хромосомой) ген — это ген, передаваемый через Х-хромосому. Х-связанность также определяет экспрессию. У мужчин почти все гены в Х-хромосоме выражены, вне зависимости от того, является ли признак доминантным или рецессивным, поскольку отсутствует парный ген для противодействия их экспрессии.
Пенетрантность и экспрессивность
Пенетрантность определяется как процент людей, у которых есть аллель (специфическая форма гена, отвечающая за вариации, в которых может быть выражена данная черта) и у которых развивается соответствующий фенотип (черта). Например, если у половины людей с определенным аллелем проявляется его признак, говорят, что пенетрантность составляет 50 %.
Пенетрантность может быть полной или неполной. Ген с неполной пенетрантностью не всегда выражается, даже если его признак является доминантным, или если признак является рецессивным и обусловлен в обеих хромосомах. Пенетрантность данного гена может быть разной у разных людей и может зависеть от возраста человека. Даже если специфический аллель не выражен (непенетрантность), здоровый носитель аллеля может передать его своим детям, у которых может быть признак.
Экспрессивность — это степень влияния признака на отдельно взятого человека, то есть является ли это влияние на человека сильным, умеренным или слабым.
Как гены воздействуют на людей: Пенетрантность и экспрессивность
Воздействие на людей с одинаковым геном может быть различным. Такие различия объясняют два термина: пенетрантность и экспрессивность. |
Пенетрантность относится к наличию выраженности гена или к ее отсутствию. Иными словами, какое количество людей с данным геном имеют признак, связанный с этим геном. Пенетрантность является полной (100 %), если у каждого человека с данным геном присутствует его признак. Пенетрантность является неполной, если только у некоторых людей с данным геном присутствует его признак. Например, пенетрантность 50 % означает, что только у половины людей с данным геном присутствует его признак. Экспрессивность относится к тому, насколько признак воздействует на человека (экспрессируется у человека). Признак может быть резко выражен, едва заметен, или же быть средней выраженности. На экспрессивность могут влиять различные факторы, в том числе набор генов, воздействие вредных веществ, другое влияние окружающей среды, а также возраст. И пенетрантность, и экспрессивность могут изменяться. У людей с одинаковым геном его признак может присутствовать или отсутствовать, а у людей с наличием признака его выраженность может быть разной. |
Тип наследования
Многие генетические заболевания, в особенности те, в которых задействованы признаки, контролируемые многими генами, или признаки, высоко чувствительные к влиянию окружающей среды, не имеют очевидного характера наследования. Тем не менее, некоторые моногенетические заболевания демонстрируют характерные черты, особенно когда пенетрантность является высокой, а экспрессивность — полной. В таких случаях тип может быть установлен на основании того, является ли признак доминантным или рецессивным, а также является ли ген Х-сцепленным или передается через митохондриальную хромосому.
Примеры генетических заболеваний
Ген | Доминантный | Рецессивный |
|---|---|---|
Красно-зеленый дальтонизм |
Наследование, не сцепленное с X-хромосомой (аутосомное)
Не сцепленные с Х-хромосомой гены — это гены, переносимые одной или обеими из 22 пар неполовых хромосом (аутосом).
Доминантные заболевания
Следующие принципы в целом применимы к доминантным заболеваниям, определяемым доминантным не Х-сцепленным геном:
Если у одного из родителей присутствует заболевание, а у другого — нет, у каждого ребенка риск наследования заболевания составляет 50 %.
Люди, не имеющие заболевания, обычно не являются носителями гена и, следовательно, не передают этот признак своему потомству.
Мужчины и женщины затрагиваются обычно в равной степени.
У большинства людей при наличии заболевания как минимум один из родителей страдает таким заболеванием, хотя заболевание может быть неочевидным и даже быть не диагностированным у затронутого родителя. Тем не менее, иногда заболевание появляется в результате новой генетической мутации.
Рецессивные заболевания
Следующие принципы в целом применимы к рецессивным заболеваниям, определяемым рецессивным не Х-сцепленным геном:
Практически у каждого человека, страдающего этим заболеванием, оба родителя являются носителями патологического гена, даже если обычно у обоих отсутствует заболевание (поскольку для проявления гена необходимы две копии патологического гена).
Одиночные мутации с меньшей вероятностью приводят к заболеванию в сравнении с доминантно-наследуемыми заболеваниями (поскольку для выраженности при рецессивных заболеваниях требуется, чтобы оба гена в паре были патологическими).
Если у одного из родителей присутствует заболевание, а другой родитель является носителем одного патологического гена, но заболевание у него отсутствует, вероятно, что у половины детей таких родителей будет это заболевание. Их остальные дети будут носителями одного патологического гена.
Если у одного из родителей присутствует заболевание, а другой родитель не является носителем патологического гена, ни у кого из детей не будет заболевания, но все дети наследуют патологический ген и являются его носителями с возможной передачей своему потомству.
Если у человека и его родителей нет заболевания, а у братьев или сестер есть, то риск у этого человека быть носителем патологического гена составляет 66 %.
Мужчины и женщины затрагиваются обычно в равной степени.
Не сцепленные с Х-хромосомой (аутосомные) рецессивные заболевания
Некоторые заболевания представляют собой не Х-сцепленный рецессивный признак. Для наличия этого заболевания человек обычно должен получить два патологических гена — по одному от каждого из родителей. Если оба родителя являются носителями одного патологического и одного нормального гена, ни у одного из родителей нет заболевания (они здоровы), но у каждого риск передачи патологического гена детям составляет 50 %. Поэтому, каждый ребенок имеет:
Таким образом, среди детей шанс не заболеть (то есть быть здоровым человеком без носительства заболевания или с его носительством) составляет 75 %. |
Х-сцепленное наследование
Х-сцепленные гены — это гены, расположенные в Х-хромосомах.
Х-сцепленные доминантные заболевания
Следующие принципы в целом применимы к доминантным заболеваниям, определяемым доминантным Х-сцепленным геном:
Мужчины с данной особенностью передают заболевание всем своим дочерям, но никому из сыновей. (Сыновья мужчины с данной особенностью не получают его Х-хромосому, они получают только его Y-хромосому, которая не несет патологический ген).
Женщины с данной особенностью, имеющие только один патологический ген, передают заболевание в среднем половине своих детей вне зависимости от пола.
Женщины с данной особенностью, имеющие два патологических гена, передают заболевание всем своим детям.
Многие Х-сцепленные доминантные заболевания у мужчин с данной особенностью являются смертельными. У женщин, даже если ген является доминантным, имеющийся второй нормальный ген в другой Х-хромосоме в некоторой степени противодействует эффекту доминантного гена, что снижает тяжесть результирующего заболевания.
Заболевание преобладает у женщин в сравнении с мужчинами. Различие между полами еще заметнее, если заболевание является смертельным для мужчин.
Доминантные Х-сцепленные тяжелые заболевания являются редкими. Примерами являются семейный рахит (семейный гипофосфатемический рахит) и наследственный нефрит (синдром Альпорта). У женщин с наследственным рахитом в меньшей степени проявляются костные симптомы в сравнении с пораженными мужчинами. У женщин с наследственным нефритом обычно отсутствуют симптомы и наблюдаются небольшие нарушения функции почек, в то время как у пораженных мужчин в юношеском возрасте развивается почечная недостаточность.
Х-сцепленные рецессивные заболевания
Следующие принципы в целом применимы к рецессивным заболеваниям, определяемым рецессивным Х-сцепленным геном:
Почти каждый пораженный заболеванием человек является мужчиной.
Все дочери пораженного мужчины являются носителями патологического гена.
Пораженный мужчина не передает заболевание своим сыновьям.
У женщин-носителей этого гена заболевание отсутствует (если у них нет патологического гена на обеих Х-хромосомах или не происходит инактивация другой нормальной хромосомы). Тем не менее, они передают этот ген половине своих сыновей, у которых обычно развивается заболевание. У их дочерей, как и у матери, отсутствует заболевание, но половина дочерей являются носителями гена.
Примером распространенного Х-сцепленного рецессивного признака является красно-зеленый дальтонизм, который поражает примерно 10 % мужчин, но редко встречается у женщин. У мужчин ген дальтонизма наследуется от матери, у которой, как правило, нормальное зрение, но которая является носителем гена дальтонизма. Этот ген никогда не наследуется от отца, который вместо этого поставляет Y-хромосому. У дочерей отцов с дальтонизмом редко встречается дальтонизм, но они всегда являются носителями гена дальтонизма. Примером серьезного заболевания, вызываемого Х-сцепленным рецессивным геном, является гемофилия, заболевание, приводящее к сильным кровотечениям.
Х-сцепленные рецессивные заболевания
Если ген является Х-сцепленным, он находится в Х-хромосоме. Рецессивные Х-сцепленные заболевания обычно развиваются только у мужчин. Такое развитие происходит только у мужского пола, поскольку у мужчин имеется только одна Х-хромосома и нет парного гена для противодействия воздействию патологического гена. У женщин имеются две Х-хромосомы, и они, таким образом, получают нормальный или противодействующий ген во второй Х-хромосоме. Нормальный или противодействующий ген обычно предохраняет женщин от развития заболевания (если противодействующий ген не инактивируется или отсутствует). Если у отца присутствует патологический Х-сцепленный ген (и, следовательно, заболевание), а у матери — два нормальных гена, то все их дочери получат один патологический и один нормальный ген, что делает их носителями гена. Ни один из сыновей не получает патологический ген, поскольку к ним переходит отцовская Y-хромосома. Если мать является носителем, а у отца нормальный ген, то у любого сына риск получения патологического гена от матери (и развития заболевания) составляет 50 %. У любой дочери риск получения одного патологического и одного нормального гена (и статуса носителя) составляет 50 %, шанс получения двух нормальных генов — 50 %. |
Наследование, ограниченное полом
Признак, который проявляется только у одного пола, называется ограниченным полом признаком. Наследование, ограниченное полом, отличается от Х-сцепленного наследования. Наследование, сцепленное с Х-хромосомой, относится к чертам, которые закодированы в Х-хромосоме. Наследование, ограниченное полом (возможно, более правильно называемое «наследование, обусловленное полом») — это когда пенетрантность и экспрессивность признака отличаются у мужчин и женщин. Различия пенетрантности и экспрессивности происходят потому, что у мужчин и женщин присутствуют разные половые гормоны, а также в связи с другими факторами. Например, раннее облысение (облысение по мужскому типу) является не Х-сцепленным доминантным признаком, но такое облысение редко проявляется у женщин, и проявляется обычно только после менопаузы.
Аномалии митохондриальных генов
Митохондрии — это крошечные структурные образования, расположенные внутри каждой клетки и поставляющие клетке энергию. В каждой клетке содержится много митохондрий. Митохондрии имеют свою собственную хромосому, в которой содержатся некоторые гены, управляющие работой митохондрии.
Несколько редких заболеваний вызываются патологическими генами, обусловленными хромосомой внутри митохондрии. Примером является наследственная оптическая нейропатия Лебера, которая вызывает различную, но чаще тяжелую потерю зрения в обоих глазах, обычно начинающуюся в подростковом возрасте. Другим примером является заболевание, характеризующееся диабетом 2-го типа и глухотой.
Поскольку отец обычно не передает ребенку митохондриальную ДНК, заболевания, вызываемые патологическими митохондриальными генами, почти всегда передаются матерью. Таким образом, у всех детей матери с данной особенностью есть риск наследования патологии, но у детей отца с данной особенностью этот риск обычно отсутствует. Тем не менее, не все митохондриальные заболевания вызываются патологическими митохондриальными генами (некоторые вызываются генами в ядре клетки, которые воздействуют на митохондрии). Таким образом, отцовская ДНК может вносить вклад в некоторые митохондриальные заболевания.
В отличие от ДНК в ядре клетки, количество аномальной митохондриальной ДНК в клетках тела иногда различается. Таким образом, патологический митохондриальный ген в одной клетке тела не означает, что и другая клетка тела обязательно является носителем заболевания. Даже если два человека имеют одинаковую патологию митохондриального гена, выраженность заболевания у этих двух людей может различаться. Такое различие затрудняет диагноз, а также осложняет генетический анализ и генетическое консультирование с целью прогнозов у людей с известными или подозреваемыми патологиями митохондриальных генов.
