Генотип и фенотип

В процессе развития яйцеклетки под влиянием условий внешней среды в результате взаимодействия ядра и цитоплазмы наследственная информация, закодированная в генотипе, реализуется в фенотип. Генотип представляет собой наследственный потенциал организма. Он лишь обусловливает возможность развития определенных признаков и свойств, т. е. фенотипа. Характер же реализации наследственной информации зависит от того, какие гены в тот или иной период развития проявляют действие. Вместе с тем формирование фенотипа контролируется также факторами окружающей среды, оказывающими влияние на функциональную активность генов.

Закономерности реализации наследственной информации в процессе развития признака изучает феногенетика. Она рассматривает такие вопросы, как характер взаимоотношений ядра и цитоплазмы в развитии, сущность генетического контроля процессов биосинтеза, клеточной дифференцировки и др.

Еще в 30-е годы С. С. Четвериков с сотрудниками пришли к выводу, что, с одной стороны, «каждый ген влияет на все признаки организма, хотя его влияние на некоторые из них может быть исчезающе мало», с другой — «любой признак зависит от всех генов всего генотипа в целом, хотя бы зависимость от некоторых генов и была незаметная.

Впоследствии было установлено, что процесс формирования отдельных признаков зависит от характера генетической детерминации, т. е. что наследование может быть моно- и полигенным, и что проявление некоторых признаков обусловливается взаимодействиями неаллельных и сцепленных генов.

В обычных условиях наследственные факторы контролируют формирование нормального фенотипа. При изменении же структуры гена (мутация) нормальное развитие организма нарушается: нормальный белок, контролируемый данным геном, либо не образуется вовсе, либо синтезируется какой-то другой белок с иным аминокислотным составом. В результате вместо одного признака формируется другой. К примеру, у человека рецессивная мутация гена, ответственного за синтез фермента, участвующего в метаболизме определенных гликолипидов (ганглиозидов), обусловливает нарушение их метаболизма, в результате чего липиды накапливаются в клетках мозга и последние перестают нормально функционировать. У детей грудного возраста при такой мутации развивается тяжелая болезнь — болезнь Тея-Сакса, приводящая к задержке развития, параличам, слабоумию, слепоте и в конечном итоге к смерти (в первые два года жизни).

Аналогичный эффект вызывают рецессивные мутации, приводящие к развитию фенилкетонурии и альбинизма. При фенилкетонурии, например, нарушается метаболизм фенилаланина на стадии ж, превращения в тирозин и в организме накапливается фенилпировиноградная кислота (оказывает токсичное влияние на клетки мозга ребенка).

Во всех описанных случаях отчетливо прослеживается действие мутации одного гена на формирование многих признаков. Примером такого же плейотропного влияния гена служит наследование коротконогости у кур (ген коротконогости оказывает летальное действие у гомозиготных по нему особей) и гидроцефалии у мышей. Последняя проявляется целым рядом признаков: аномальные число и расположение вибриссов, незакрытие век у зародыша, атипичная форма гипофиза, отсутствие плоских покровных костей черепа, кровоизлияние в мозг, приводящее к смерти сразу после рождения. Гидроцефалия обусловливается изменением структуры одного гена, приводящим к множественным нарушениям морфогенеза. При этом можно установить начало формирования нарушений и проследить весь его путь: замедленный рост передней доли гипофиза, обусловленный мутацией, вызывает нарушение синтеза гормонов, что в свою очередь, приводит к формированию синдрома гипофизарной карликовости с описанными выше признаками. Нарушение же нормального развития гипофиза в данном случае вызывается мутацией гена. Поэтому все данные симптомы можно устранить гормональным лечением, но добиться нормализации развития гипофиза не удается.

У человека ряд мутаций, вызывающих у гетерозигот формирование аномальных признаков, у гомозигот нередко обусловливает их гибель. Например, доминантная мутация брахидактилии (короткопалости) у гетерозигот обусловливает недоразвитие фаланг и, как следствие, укорочение пальцев, а у гомозигот — резкие аномалии развития скелета и гибель в раннем возрасте.

В ряде случаев действие одного гена может спровоцировать изменение фенотипического выражения другого. Так, у дрозофилы доминантная мутация Notch, локализующаяся в У-хромосоме и детерминирующая образование вырезки на крыльях, у гомозигот оказывает летальное действие, которое усиливается под влиянием мутантного гена short (укороченное тело) и ослабляется под действием гена slight (маленькое тело).