ОСОБЛИВОСТІ ГЕНЕТИКИ ЛЮДИНИ. ПРОЯВИ ОСНОВНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ УСПАДКУВАННЯ НА ПРИКЛАДІ МЕНДЕЛЮЮЧИХ ОЗНАК ЛЮДИНИ (МОНО-, ДИ- ТА ПОЛІГІБРИДНЕ СХРЕЩУВАННЯ). МНОЖИННИЙ АЛЕЛІЗМ. ГЕНЕТИКА ГРУП КРОВІ. ВЗАЄМОДІЯ АЛЕЛЬНИХ І НЕАЛЕЛЬНИХ ГЕНІВ. ЯВИЩЕ ПЛЕЙОТРОПІЇ.

Генетика (грец. genetikоs – який відноситься до походження) – біологічна наука, предметом вивчення якої є спадковість і мінливість. Спадковість і мінливість – основні властивості всіх живих організмів. Термін “генетика”  вперше в 1906 р. запропонував англійськй учений В.Бетсон.

Спадковість – властивість організмів передавати свої ознаки і особливості розвитку потомству; властивість забезпечувати матеріальну і функціональну наступність між поколіннями. Спадковість реалізується при розмноженні. Кожний вид організмів зберігає і відтворює собі подібне в ряді поколінь. Проте в процесі розмноження відтворюється не лише подібне, але виникає й нове. Діти завжди схожі на своїх батьків, проте ніколи не бувають їхніми точними копіями. Вони відрізняються як від своїх батьків, так і між собою. Спадковість завжди супроводжується мінливістю.

Мінливість – властивість організмів набувати нових ознак або втрачати попередні в процесі розвитку. Мінливістю називають також відмінності між особинами того самого виду. Мінливість забезпечує різноманітність форм органічного світу і пристосованість їх до мінливих умов середовища. Мінливість протилежна спадковості, але тісно пов’язана з нею. Разом вони становлять основу еволюції.

Основне завдання генетики – вивчити закономірності спадковості і мінливості з метою розробки способів управління ними в інтересах всього людства. Для здійснення цього завдання генетика використовує ряд методів, основний з них – генетичний аналіз. Це суто генетичний метод, який властивий лише генетиці і не властивий іншим наукам. Його основу складає гібридологічний метод – вивчення закономірностей успадкування ознак шляхом гібридизації (схрещування). Метод розробив Г.Мендель (1865). Гібридологічний метод – дуже точний метод, а генетика – точна наука. Генетика застосовує також методи інших наук: мікроскопічний, ультрамікроскопічний, статистичний, фізико-хімічний, популяційний, кібернетичний. Вивчення спадковості проводиться на різних об’єктах і на різних рівнях (молекулярному, хромосомному, клітинному, організмовому, популяційному). Різноманітність об’єктів і методів дослідження обумовила виникнення наступних розділів генетики: генетика мікроорганізмів, генетика рослин, генетика тварин, генетика людини, цитогенетика, молекулярна генетика, біохімічна генетика, радіаційна генетика, популяційна генетика. Існує також такий розділ як генетика поведінки. Особливість сучасної генетики – проникнення в усі її галузі молекулярного рівня досліджень, поглиблення зв’язків з іншими науками.

Значення. Генетичні закономірності лежать в основі всіх біологічних явищ. Генетика є провідною наукою сучасного природознавства. Вона становить теоретичну основу селекції. За допомогою генетичних методів створені нові породи тварин, сорти рослин, штами мікроорганізмів. Методи генетики застосовуються для розв¢язання продовольчих, екологічних, космічних та інших глобальних проблем людства. Генетичні знання є складовою частиною всіх наукових програм з охорони природи і здоров’я населення.

Генетика тісно пов’язана з медициною, адже близько 5 % дітей народжуються з різними генетичними дефектами. Для медицини важливе значення мають усі генетичні науки. Це пов’язано з універсальністю законів генетики, які вперше були встановлені на експериментальних об’єктах, а потім виявилися прийнятними і для людини також. Дані експериментальної генетики застосовуються для діагностики, лікування і профілактики спадкових хвороб. За допомогою методів генетичної інженерії і біотехнології одержують іn vitro (поза організмом) в промислових кількостях інсулін, інтерферон, антибіотики, необхідні для практичної медицини.

Генетика людини – розділ загальної генетики, який вивчає  спадковість і мінливість людини. Основне завдання генетики людини – вивчити закономірності спадковості і мінливості людини з метою збереження здоров’я нині існуючих і майбутніх поколінь. Методи вивчення спадковості людини – генеалогічний, близнюковий, цитогенетичний, біохімічний, популяційно-статистичний, дерматогліфічний, молекулярно-генетичні .

Спадковість людини як самостійний предмет дослідження вперше виділив у 1865 р. англійський учений Ф.Гальтон (1822-1911), якого вважають одним із засновників генетики. Він народився в тому самому році, що і Г.Мендель (1822-1884).  Ф.Гальтон доводиться приходиться двоюрідним братом Ч.Дарвіну (1809-1882) – автору першої наукової еволюційної теорії. Обидва вони – онуки англійського лікаря і натураліста Е.Дарвіна (1731-1802), відомого своїми прогресивними поглядами на природу. Ф.Гальтон запропонував ряд методів генетичного аналізу людини (генеалогічний, близнюковий, статистичний, дерматогліфічний), вивчав питання кількісної оцінки властивостей людини (характер, інтелект, талановитість, працездатність) та їх успадкування, створив особливий напрямок у генетиці – євгеніку (грец.eu – добрий, genesis – рід, походження) і визначив основну мету її – поліпшити людину і людський рід в цілому. Шляхи такого “поліпшення” він вбачав у вибірковому розмноженні одних людей (наприклад, обдарованих, талановитих) і обмеженні інших шлюбів. У 1869 році англійський психолог і антрополог Френсіс Гальтон запропонував вивчити впливи, які можуть поліпшити спадкові якості (здоров’я, розумові здатності, обдарованості) майбутніх поколінь і висловив думку, що шляхом заохочувань та обмежень у створенні шлюбних пар можна покращити біологічні якості людини. Він вперше сформулював принципи євгеніки – вчення про спадкове здоров’я людини та шляхи його поліпшення. Це вчення стало розділом генетики людини, предметом якого є генетичні методи поліпшення спадкових ознак, особливо боротьба зі спадковими захворюваннями. Частина генетиків, як і Гальтон, вважала, що внаслідок тиску мутаційного процесу відбувається біологічне виродження людини (медикаментозна боротьба з інфекційними хворобами послаблюють дію природного добору – виживають і розмножуються особини з дефектними, мутаційними генами – веде до виродження популяції людей). Ці помилкові погляди (генетично хворі люди відтворюють меншу кількість нащадків) привели до висновку, що є групи особин з повноцінними чи неповноцінними генотипами, і в генофонді людства міститься чимало тваринних генів, які знецінюють біологічну природу людини. Теоретично євгеніка грунтувалася на реальних фактах спадкової обумовленості нормальних і патологічних ознак, а практично здійснювалася в ряді країн (фашистська Німеччина) як антигуманне визнання окремих категорій населення неповноцінними, які в законодавчому порядку підлягали примусовій стерилізації (“расова гігієна”). Євгенічні програми надовго затримали розвиток генетики людини.

Генетика людини — одна з найважливіших проблем теоретичних основ сучасної медицини. Академік 1. П. Пав-лов, визнаючи важливе значення генетики для фізіології і медицини, писав: "Наші лікарі повинні як азбуку знати закони спадковості... Втілення у життя наукової істини про закони спадковості допоможе позбавити людство від багатьох скорбот і горя".

Одним з основоположників медичної генетики є видатний радянський невропатолог С. М. Давиденков (1880- 1961), який розпочав свою плідну роботу у двадцятих роках на Україні. Він вперше застосував ідеї генетики у клініці, дав аналіз ряду спадкових хвороб, частина з яких була описана ним також вперше. Важливою заслугою С. М. Давиденкова є розроблення методів медико-генетичного консультування і його практичне застосування.

Особливості генетики людини. Дослідження генетики людини пов'язане з великими труднощами, причини — у неможливості експериментального схрещування, повільній зміні поколінь, малій кількості потомків у кожній сім'ї. Крім того, на відміну від класичних об'єктів, що вивчаються у загальній генетиці, у людини складний каріотип, велика кількість груп зчеплення. Проте, не зважаючи на всі ці труднощі, генетика людини успішно розвивається.

Неможливість експериментального схрещування компенсується тим, що дослідник, спостерігаючи широку людську популяцію, може вибирати із тисяч шлюбних пар ті, які необхідні для генетичного аналізу. Метод гібридизації соматичних клітин дозволяє експериментальне вивчати локалізацію генів у хромосомах, проводити аналіз груп зчеплення

Основні наукові напрямки розвитку сучасної генетики людини:

Цитогенетика вивчає хромосоми людини, їх структурно-функціональну організацію, картування, розробляє методи хромосомного аналізу. Досягнення цитогенетики застосовуються для діагностики хромосомних хвороб людини. Популяційна генетика досліджує генетичну структуру людських популяцій, частоту алелей окремих генів (нормальних і патологічних) у популяціях людей, прогнозує і оцінює генетичні наслідки забруднення довкілля, вплив антропогенних факторів середовища на біологічні процеси, що перебігають у людських популяціях (мутаційний процес). Ці дослідження дозволяють прогнозувати частоту деяких спадкових хвороб у поколіннях і планувати профілактичні заходи. Біохімічна генетика вивчає біохімічними методами шляхи реалізації генетичної інформації від гена до ознаки. За допомогою біохімічних методів розроблені експрес-методи діагностики ряду спадкових хвороб, у тому числі методи пренатальної (допологової) діагностики. Розробка системи захисту генофонду  людей від іонізуючої радіації – одне з основних завдань радіаційної генетики. Імунологічна генетика (імуногенетика) вивчає генетичну обумовленість імунологічних ознак організму, імунних реакцій.  Фармакологічна генетика (фармакогенетика)  досліджує  генетичну обумовленість реакцій окремих людей на лікарські засоби та дію останніх на спадковий апарат.

Особливості генетики людини

На відміну від класичних об’єктів генетики, людина – специфічний і складний об’єкт генетичного аналізу. Специфічність людини полягає в тому, що вона поєднує в собі закони органічної еволюції і закони соціального життя. Гібридологічний метод, основу якого становить система експериментальних схрещувань, для людини неприйнятний. Експериментальні шлюби для людини неможливі. Генетичні експерименти на людях заборонені. Існують й інші особливості, які створюють труднощі при вивченні спадковості і мінливості людини.

Основні з них такі:

Повільна зміна поколінь (приблизно через 25-30 років). Тривалість життя людини, як об‘єкта спостережень, може перевищувати тривалість життя дослідника.

Мала кількість дітей у кожній сім’ї.

Складний каріотип, який включає 46 хромосом (24 групи зчеплення – 22 пари автосом, Х-, Y-хромосоми). Для порівняння – у дрозофіли 8 хромосом (4 групи зчеплення).

Людині властивий значний генотиповий поліморфізм, що, поряд з різними екологічними і соціальними умовами, обумовлює високу ступінь фенотипового поліморфізму.

 Медична генетика як наука

Медична генетика – розділ генетики людини, який вивчає роль спадковості в патології людини. Предметом вивчення медичної генетики є спадкові хвороби людини і хвороби із спадковою схильністю. Медична генетика вивчає етіологію і патогенез спадкових хвороб, розробляє методи діагностики, лікування і профілактики, досліджує співвідносну роль спадкових і неспадкових факторів в розвитку хвороб із спадковою схильністю.

Основне завдання медичної генетики – вивчення спадкових хвороб людини з метою попередження їх розвитку в ряді поколінь, охорона спадковості людини від шкідливих факторів середовища. Об’єктом медичної генетики є людина із спадковою патологією, а також її сім’я, здорові і хворі родичі. Лікар і медична сестра будь-якої спеціальності зустрічаються із спадковими хворобами.

Медична генетика пов’язана з усіма клінічними науками. Розділом медичної генетики є клінічна генетика. Кінцева мета в них єдина – надати допомогу хворому, запобігти появі спадкових хвороб у поколіннях. Проте кожна клінічна наука вивчає конкретні спадкові хвороби відповідно до свого профілю. Медична генетика досліджує генетичні закономірності, спільні для всіх спадкових хвороб або великої групи їх. При цьому вона спирається на генетику людини: розвивається в тих самих напрямках і застосовує ті ж методи дослідження, що і генетика людини.

Сучасна медична генетика і медицина в боротьбі за здоров’я людей у кожному поколінні орієнтуються насамперед на профілактику спадкових хвороб шляхом пренатальної (допологової) діагностики, медико-генетичного консультування, виявлення гетерозиготних носіїв патологічних генів, порад подружнім парам з підвищеним ризиком народження хворої дитини, розробці законодавчих актів, спрямованих проти забруднення довкілля мутагенами. Медична генетика досліджує будову генів людини, здійснює штучний синтез їх, розробляє разом з клінічними науками способи лікування спадкових хвороб за допомогою генів (генотерапія і генохірургія).

А.Гаррод (1908)

Вивчення спадкових хвороб започаткував англійський лікар А.Гаррод (1908). Досліджуючи родоводи хворих на алкаптонурію, він встановив спадковий характер цієї хвороби і запропонував генетичну гіпотезу походження спадкових хвороб обміну речовин як  “уроджених помилок метаболізму”, що виникають внаслідок генетично обумовленого дефіциту певного фермента. Ця ідея в наступному була реалізована у вигляді положення “один ген – один фермент” (Дж.Бідл, Е.Татум, 1941).

Алкаптонурія – спадкова хвороба з автосомно-рецесивним типом успадкування, яка обумовлена недостатністю фермента оксидази гомогентизинової кислоти. Через недостатність фермента гомогентизинова кислота нагромаджується в організмі і виділяється з сечею, яка на повітрі і особливо в лужному середовищі набуває темного забарвлення.  Гомогентизинова кислота відкладається також в сполучній тканині. Суглобові хрящі набувають жовто-оранжевого кольору (охроноз), хрящі вушних раковин і носа темніють, у похилому віці розвиваються артрити.

Розвиток медичної генетики в Україні пов’язаний з діяльністю видатного російського невропатолога і генетика С.М.Давиденкова (1880-1961), який після закінчення Московського університету (1904) протягом кількох років працював практичним лікарем у психіатричних лікарнях Московської і Харківської губерній, а в 1912-1920 рр. після захисту докторської дисертації – професором Харківського жіночого медичного інституту. У 1925 р. у Харкові була надрукована його книга “Спадкові хвороби нервової системи”. С.М.Давиденков сформулював принцип генетичної гетерогенності спадкових хвороб, клінічного поліморфізму їх, обгрунтував необхідність класифікації спадкових хвороб не за клінічними, а генетичними закономірностями, організував у 20-х роках у Москві першу в світі медико-генетичну консультацію.

Медична генетика як галузь охорони здоров’я

В Україні перша медико-генетична консультація була організована в 1968 р. на базі Київського науково-дослідного інституту педіатрії, акушерства і гінекології. Тепер в Україні існує галузь охорони здоров’я –  медико-генетична служба, яка надає спеціалізовану допомогу у вигляді медико-генетичного консультування.

До складу медико-генетичної служби в Україні входять: 53 міжрайонних  медико-генетичних кабінети (ММГК) і один міський, 18 обласних медико-генетичних консультацій (ОМГК), 7 міжобласних медико-генетичних центрів – ММГЦ (Київський, Львівський, Харківський, Криворізький, Кримський, Донецький, Одеський). У 1992 р. створений Український науковий центр медичної генетики МОЗ і Академії медичних наук України. Йому і Львівському науково-дослідному інституту спадкової патології доручено координацію всіх розділів роботи медико-генетичної служби України. Керує роботою всієї медико-генетичної служби Координаційна рада з медичної генетики при Міністерстві охорони здоров’я (МОЗ) України і головний спеціаліст МОЗ України. Спеціалізовану допомогу хворим із спадковими хворобами надають також спеціалісти профільних науково-дослідних інститутів МОЗ України, кафедр медичних вищих наукових закладів та інститутів удосконалення лікарів.  

Цитологічними основами спадковості є структури клітини (грец. cytos – клітина), які здатні до самовідтворення. Основне значення мають хромосоми. Клітину вперше відкрив у 1665 р. на зрізі корка під мікроскопом, описав її і дав їй таку назву англійський фізик Р.Гук. Німецький зоолог Т.Шванн у 1839 р. узагальнив знання про клітину і сформулював основні положення клітинної теорії. Клітинна теорія утверджує єдність органічного світу єдністю будови.

Основні поняття генетики –  генотип, фенотип,  алельні, неалельні гени

Генотип – сукупність всіх генів організму.   

Фенотип – сукупність всіх зовнішніх і внутрішніх ознак організму. Фенотип є результатом взаємодії генотипу і умов зовнішнього середовища. Фенотип ніколи не буває відображенням усього генотипу, а завжди відбиває лише ту частину його, яка реалізується за даних умов. Терміни генотип і фенотип увів у науку в 1909 р. датський генетик В.Йогансен.

Алельні гени, алелі (лат. allelos – протилежний) – різні форми того самого гена, вони займають одне і те саме місце (локус) гомологічних хромосом і визначають  альтернативні стани однієї і тієї самої ознаки. Гени, як і хромосоми, парні. У кожній клітині диплоїдного організму будь-який ген представлений двома алельними генами (алелями), один з яких організм одержав від батька, другий – від матері. Виняток становлять статеві клітини – гамети, в яких міститься лише один алель даного гена. Алельні гени – парні гени, або гени однієї алельної пари. Неалельні гени – гени різних алельних пар.

Алельні гени бувають домінантними і рецесивними. Домінантний ген (алель) – ген, який визначає фенотип гетерозиготного організму. Рецесивний ген (алель) – ген, який не проявляється в фенотипі гетерозиготного організму. Домінантний і рецесивний алелі одного гена позначають однаковою літерою латинського алфавіту, але домінантний алель пишуть великою літерою, а рецесивний – маленькою. Наприклад, у людини нормальна пігментація шкіри визначається домінантним алелем А, а її відсутність (альбінізм) – рецесивним алелем того самого гена а.

Гомозиготні, гетерозиготні та гемізиготні організми

Гомозиготний організм – диплоїдний організм, в обох гомологічних хромосомах  якого містяться однакові алелі певного гена (наприклад, АА чи аа), утворює один тип гамет. Гетерозиготний організм – диплоїдний організм,  обидві гомологічні  хромосоми якого містять  різні алелі певного гена (Аа): утворює два типи гамет за даним геном.

Гемізиготний організм (грец. hemi – напів) – організм, у якому ген представлений не двома, а одним алелем і цей алель завжди фенотипно проявляється, навіть рецесивний. Гемізиготним  є гаплоїдний організм, а також  диплоїдний гетерогаметний організм, але лише за тими генами, які локалізовані в статевих хромосомах. Наприклад, чоловіки  (ХY) є гемізиготними за генами гемофілії, дальтонізму, які локалізовані в негомологічній ділянці Х-хромосоми, оскільки в них лише одна Х-хромосома, а Y-хромосома цих генів не містить.

Г. Мендель

Закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем

Закономірності успадкування ознак вперше в 1865 р. встановив чеський учений Г.Мендель у дослідах з гібридизації різних сортів посівного гороху. Ці закономірності відомі тепер як три закони (правила) Г.Менделя і закон (гіпотеза) чистоти гамет. Це основні   закони генетики.

І до Г.Менделя учені намагалися пояснити  закономірності успадкування, але ніхто з них не одержав точних даних.  Успіх сприяв Г.Менделю завдяки вдалому вибору об'єкта досліджень і застосуванню розробленого самим Г.Менделем гібридологічного методу вивчення спадковості.   Горох посівний (Pisum sativum) – самозапильна рослина, тому нащадки кожної рослини є чистими лініями (чистосортні). Для дослідів Г.Мендель вибрав 22 сорти, які відрізнялися між собою чіткими і зручними для дослідження альтернативними ознаками і на них вивчав успадкування 7 пар ознак (високе чи низьке стебло, жовтий чи зелений колір насіння, ін.). Г.Мендель стежив за успадкуванням одночасно не всіх ознак, як це робили інші вчені, а однієї або небагатьох пар альтернативних ознак. Горох має 7 пар хромосом (це було встановлено пізніше) і гени кожної з 7 пар ознак були розташовані в різних парах хромосом. Ця обставина допомогла ученому сформулювати закон незалежного комбінування ознак. Свої досліди учений ретельно планував, вів точний кількісний облік потомства за кожною парою досліджуваних ознак у ряді поколінь і результати досліджень піддавав математичному аналізу. Методика проведення дослідів склала основу гібридологічного методу, який став основним методом  класичної і сучасної генетики.

Отже, предметом генетичних досліджень е явища спадковості й мінливості організмів. Спадковість - це властивість живих організмів передавати свої ознаки й особливості онтогенезу потомкам забезпечуючи спадкоємність поколінь організмів. Мінливість – здатність живих організмів набувати нових ознак та їхніх станів у процесі індивідуального розвитку. Спадковість і мінливість є протилежними властивостями живих організмів. Завдяки спадковості нащадки подібні до батьків, тобто зберігається стабільність біологічних видів. Мінливість забезпечує появу нових ознак та їхніх станів, завдяки чому відбуваються видоутворення та історичний розвиток біосфери в цілому.

Методи генетичних досліджень. Генетичні дослідження здійснюють у кількох основних напрямах: вивчення матеріальних носіїв спадкової інформації — генів, а також закономірностей її зберігання і передачі нащадкам; дослідження залежності проявів спадкової інформації у фенотипі від певних умов довкілля; встановлення причин змін спадкової інформації та механізмів їх виникнення; вивчення генетичних процесів, які відбуваються в популяціях організмів.

Результати генетичних досліджень проблем спадковості й мінливості є теоретичною базою для вирішення практичних питань. Основою сучасної селекції (науки про створення нових порід і сортів) слугують уявлення про генетичні наслідки різних типів схрещування, вплив штучного добору на спадкові ознаки організмів, значення чинників довкілля для розвитку ознак тощо. Головні напрями медичної генетики — профілактика і лікування спадкових захворювань, дослідження мутагенних факторів з метою захисту від них генотипу людини тощо. Генетика є теоретичною базою і для генетичної (генної) інженерії (штучний синтез генів, виділення генів з організму, перенесення генів з одних організмів в інші тощо).

Методи генетичних досліджень. У вирішенні теоретичних і практичних генетичних проблем залежно від рівня організації живої матерії (молекулярний, клітинний, організмовий, популяційно-видовий) учені застосовують відповідні методи досліджень.

Гібридологічний метод, застосований Г.Менделем, полягає в схрещуванні (гібридизація) організмів, які відрізняються за певними станами однієї чи кількох спадкових ознак. Нащадків, одержаних від такого схрещування, називають гібридами (від грец. гібрида — Суміш). Гібридизація лежить в основі гібридологічного аналізу - дослідження характеру успадкування станів ознак за допомогою системи схрещувань.

Схрещування буває моногібридним, дигібридним і полігібридним. Моногібридне схрещування — це поєднання батьківських форм, які відрізняються різними станами лише однієї спадкової ознаки (наприклад, кольором насіння); дигібридне - двох ознак (наприклад, кольором насіння та структурою його поверхні), полігібридне — трьох і більше.

Генеалогічний метод полягає у вивченні родоводів організмів. Це дає змогу простежити характер успадкування різних станів певних ознак у ряді поколінь. Він широко застосовується в медичній генетиці, селекції тощо. За його допомогою встановлюють генотип особин і вираховують ймовірність прояву того чи іншого стану ознаки у майбутніх нащадків.

Родоводи складають у вигляді схем за певними правилами: організм жіночої статі позначають колом, чоловічої - квадратом. Позначення особин одного покоління розташовують у рядок і з'єднують між собою горизонтальними лініями, а батьків і нащадків - вертикальною. На мал.72 представлена частина родоводу англійської королеви Вікторії, серед нащадків якої були і російські імператори. досліджуючи цей родовід, можна простежити успадкування такого захворювання, як гемофілія (незсідання крові).

Популяційно-статистичний метод дає можливість вивчати ти частоти зустрічальності алелей у популяціях організмів, а також генетичну структуру популяцій. Крім генетики популяцій, його застосовують й у медичній генетиці для вивчення поширення певних алелей серед людей (головним чином тих, які визначають ті чи інші спадкові захворювання). Для цього вибірково досліджують частину населення певної території і статистичне обробляють одержані дані.

Наприклад, за допомогою цієї методики було виявлено, що алель, яка зумовлює дальтонізм (порушення сприйняття кольорів), трапляється у 13% жінок (з них хвороба проявляється лише у 0,5%) та у 7% чоловіків (хворі всі).

Цитогенетичний метод ґрунтується на дослідженні особливостей хромосомного набору (каріотипу) організмів . Вивчення каріотипу дає змогу виявляти мутації, пов’язані зі зміною як кількості хромосом, так і структури окремих із них. Каріотип досліджують у клітинах на стадії метафази, бо в цей період клітинного циклу структура хромосом виражена найчіткіше.

Цей метод застосовують і в систематиці організмів (каріосистематика). Так, багато видів-двійниюв (видів, яких важко, а іноді навіть неможливо розпізнати за іншими особливостями) розрізняють за хромосомним набором. Такі випадки відомі серед комах, земноводних, гризунів тощо. Наприклад, у 30-ті роки XX сторіччя вчені звернули увагу на різну частоту захворювань малярією у розташованих поруч місцевостях. Дослідження каріотипу малярійного комара показало, що це не один вид, як вважали раніше, а комплекс видів-двійників, одні з яких переносять збудників малярії, а інші - ні.

Біохімічні методи використовують для діагностики спадкових захворювань, пов'язаних із порушенням обміну речовин. За їхньою допомогою виявляють білки, а також проміжні продукти обміну, невластиві даному організмові, що свідчить про наявність змінених (мутантних) генів. Відомо понад 500 спадкових захворювань людини, зумовлених такими генами (наприклад, цукровий діабет).

Близнюковий метод полягає у вивченні однояйцевих близнят (організмів, які походять з однієї зиготи). Однояйцеві близнята завжди однієї статі, бо мають однакові генотипи. Досліджуючи такі організми, можна з'ясувати роль чинників довкілля у формуванні фенотипу особин: різний характер їхнього впливу зумовлює розбіжності у прояву тих чи інших станів певних ознак.

Окрему групу становлять методи генетичної інженерії, за допомогою яких учені виділяють із організмів окремі гени або синтезують їх штучно, перебудовують певні гени, вводять їх у геном іншої клітини або організму. Геном — сукупність генів гаплоїдного набору хромосом організмів певного виду. Крім того, вчені можуть сполучати гени різних видів в одній клітині, тобто поєднувати в одній особині спадкові ознаки, притаманні цим видам.

Гібридологічний метод – вивчення успадкування знак шляхом гібридизації (схрещування), тобто поєднання двох генетично різних організмів (гамет).  Гетерозиготний організм, який утворюється при цьому, називається гібридом, а потомство – гібридним. Основні положення гібридологічного методу: 1) для схрещування використовуються чистосортні (гомозиготні)  батьківські організми, які відрізняються між собою за однією чи небагатьма парами  альтернативних ознак; 2) проводиться точний кількісний облік потомства окремо за кожною досліджуваною ознакою в ряді поколінь.

Схрещування, в якому батьківські організми відрізняються за однією парою альтернативних ознак, називається моногібридним, за двома – дигібридним, за трьома і більше – полігібридним.

Заслугою Г.Менделя було також і те, що він запропонував алгебраїчні символи для позначення генетичних схем схрещувань, які з небагатьма доповненнями застосовуються і в сучасній генетиці. На схемах батьки умовно позначаються  літерою Р (лат. parentes – батько), схрещування – знаком множення х, жіноча стать – символом ♀ (дзеркало Венери), чоловіча - ♂ (щит і спис Марса), домінантний алель – великою літерою латинського алфавіту, рецесивний алель того самого гена – такою ж літерою, але маленькою, гібридне покоління –  через F (лат. filii - діти) з цифровим індексом, який вказує на порядковий номер: F₁- перше покоління, F₂- друге і т.д. У першому рядку схеми записують генотипи батьків (на перше місце переважно ставлять жіночий організм, на друге – чоловічий), у другому – типи гамет, які вони утворюють, у третьому – всі можливі генотипи дітей.

Перший закон Г.Менделя  – закон одноманітності гібридів першого покоління

Вивчення успадкування ознак Г.Мендель  почав з моногібридного схрещування. При запиленні чистосортного (гомозиготного) гороху з жовтим насінням АА пилком гороху з зеленим насінням аа усі гібриди першого покоління F₁ мали жовте насіння. Аналогічні результати Г.Мендель одержав також у дослідах, де вивчалося успадкування інших пар альтернативних ознак (червоні і білі квітки, гладенька і зморшкувата форма насіння). В усіх випадках у гібридів першого покоління проявлялася ознака лише одного з батьків, ознака іншої батьківської форми не проявлялася. Явище переважання в гібридів першого покоління ознаки одного з батьків Г.Мендель назвав домінуванням (лат. dominancio - панування),  ознаку, яка проявилася в гібридів першого покоління – домінантною, яка не проявилася –  рецесивною (лат. recessum – відступ).

Дослідждувані ознаки Г.Менделя  у гороху посівного

Виявлена закономірність складає суть першого закону Г.Менделя – закону одноманітності гібридів першого покоління, або закону домінування: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються за однією парою альтернативних ознак спостерігається одноманітність гібридів першого покоління F₁ як за фенотипом, так і за генотипом. За фенотипом усі особини мають домінантну ознаку, за генотипом вони гетерозиготні.

Схема моногібридного схрещування, яка ілюструє перший закон Г. Менделя.

Цитологічні основи цього закону: гомозиготні батьки (АА х аа) в процесі мейозу утворюють гамети лише одного типу – А і а відповідно. Поєднання цих гамет дає зиготу лише одного типу – Аа.

Усі рослини – гетерозиготи з жовтим насінням

Другий закон Г.Менделя – закон розщеплення ознак

У схрещуванні шляхом самозапилення гібридів першого покоління F₁ між собою в другому поколінні F₂ з’являються особини як з домінантною, так і з рецесивною ознаками в співвідношенні 3:1 (три жовтих і один зелений), тобто спостерігається розщеплення. Розщеплення підкоряється певним статистичним закономірностям і становить основу другого закону  Г.Менделя – закону розщеплення ознак: при схрещуванні двох гетерозиготних особин (гібридів), які відрізняються за однією парою альтернативних ознак, у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом 3:1 і за генотипом  1:2:1. За фенотипом  3/4 особин (75 %) мають домінантну ознаку, а 1/4  (25 %) - рецесивну. За генотипом 1/4 особин (25 %) - домінантні гомозиготи АА, 2/4  (50 %) - гетерозиготи Аа і 1/4 (25 %) - рецесивні гомозиготи аа.

Схема моногібридного схрещування, яка ілюструє другий закон Менделя – розщеплення за фенотипом 3:1

і за генотипом 1АА:2Аа:1аа

Жовте насіння         Жовте насіння

Р             Aа        x          Аa

Гамети   А, а                  А, а

F₂          АА,       Аа,     Аа,         аа

          Гомозигота     гетерозиготи      гомозигота

жовте насіння                   зелене насіння

3 жовті : 1 зелений

Цитологічні основи другого закону:  гібриди першого покоління F₁ (Аа) при мейозі утворюють яйцеклітини і спермії двох типів – А і а, поєднання яких при схрещуванні дає три типи зигот: АА, АА, Аа. Тому одноманітності в F₂ не може бути, бо в основі закону розщеплення лежить феномен незмішування алелей у гібридних організмів (закон чистоти гамет).

Закон чистоти гамет

Той факт, що рецесивна ознака (зелений колір насіння), яка була відсутня в гібридів першого покоління F₁,  знову з’явилася в 1/4  гібридів другого покоління F₂, Г.Мендель пояснив тим, що успадковуються не самі ознаки, а спадкові фактори (гени), які визначають розвиток цих ознак і що ці фактори дискретні. У гібридів F₁  (Аа) існує два спадкові фактори ( алельні гени), один з них А відповідає за жовтий колір насіння, інший а – за зелений. Алельні гени, знаходячись у гетерозиготному стані, не зливаються, не змінюють один одного і, не втрачаючи своєї індивідуальності, передаються в гамети. Гамети є  «чистими»: вони несуть лише один з двох  алелей певного гена.. Цю закономірність Г.Мендель назвав гіпотезою «чистоти гамет». Її цитологічною основою є  мейоз, який був відкритий значно пізніше законів Г.Менделя. Алельні гени знаходяться в гомологічних (парних) хромосомах. При мейозі в кожну гамету попадає лише одна з гомологічних хромосом і відповідно один ген з пари алельних генів.

Аналізуюче схрещування

Генотип організму з рецесивною ознакою визначається за його фенотипом. Такий організм обов’язково повинен бути гомозиготним за рецесивним геном (аа).  Гомозиготна (АА) і гетерозиготна (Аа) особини з домінантною ознакою за фенотипом не відрізняються. Для визначення генотипу в дослідах на рослинах і тваринах проводять аналізуюче схрещування і визначають генотип особини за фенотипом потомства.

Аналізуюче –  схрещування, в якому особина, генотип якої невідомий, але його потрібно встановити (АА чи Аа), схрещується з рецесивною гомозиготою (аа). Якщо все потомство від цього схрещування буде одноманітним, досліджуваний організм має генотип АА. Якщо у потомстві спостерігається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:1, досліджуваний організм є гетерозиготою Аа.

1) Р	AA   x   aa		2) Р			Aa  x aa
Гамети	A          a			Гамети	А, a         a
F1		Aa		F1	Aa,  aa
		100 %			50 %   50 %

Схема моногібридного аналізуючого схрещування

Третій закон Г.Менделя – закон  незалежного комбінування ознак

Цей закон Г.Мендель встановив у дигібридному і тригібридному схрещуваннях. У дигібридному схрещуванні гомозиготного гороху з жовтим і гладеньким насінням ААВВ і гомозиготного гороху з зеленим і  зморшкуватим насінням ааbb усі гібриди  АаBb першого покоління F₁ мали жовте і гладеньке насіння (одноманітність гібридів першого покоління).

При самозапиленні гібридів першого покоління F₁ у другому поколінні F₂ було одержано потомство чотирьох фенотипових класів у співвідношенні 9 жовтих гладеньких : 3 жовтих зморшкуватих : 3 зелених гладеньких : 1 зелений зморшкуватий (9:3:3:1). При подальшому аналізі Г.Мендель встановив, що за однією, окремо взятою парою ознак, насіння розподілялося приблизно у співвідношенні 3:1, як у моногібридному схрещуванні.

Результати досліду Г. Мендель пояснив незалежним розподілом спадкових факторів (генів), що контролюють колір і форму насіння. На цьому грунтується третій закон Г.Менделя – закон незалежного комбінування ознак: при схрещуванні гомозиготних особин, які відрізняються двома (і більше) парами альтернативних ознак, у другому поколінні F₂  спостерігається незалежне успадкування і комбінування ознак, якщо гени цих ознак розташовані в різних парах гомологічних хромосом.

Щоб зрозуміти сутність явищ, які мають місце в дигібридному схрещуванні, розглянемо його генетичну схему:

А – домінантний алель жовтого кольору насіння гороху;

а – рецесивний алель зеленого кольору насіння;

В – домінантний алель гладенької форми насіння;

b – рецесивний алель зморшкуватої форми насіння.

Схема дигібридного схрещування, яка ілюструє третій закон Г.Менделя – закон незалежного комбінування  ознак

                   Гомозигота                     Гомозигота

                   жовта гладенька             зелена зморшкувата

Р       ААВВ             х              ааbb

  Гамети            АВ                                  аb

F₁ АаВb

                          Гетерозиготи  жовті гладенькі

Р            АаВв     х      АаВв     

♂ Гамети ♀	АВ	Аb	aВ	ab
АВ	ААВВ Жовтий гладенький	ААВb Жовтий гладенький	АaВВ Жовтий гладенький	АaВb Жовтий гладенький
Аb	ААВb Жовтий гладенький	ААbb Жовтий зморшкуватий	АaВb Жовтий гладенький	Аabb Жовтий зморшкуватий
aВ	АaВВ Жовтий гладенький	АaВb Жовтий гладенький	аaВВ Зелений гладенький	аaВb Зелений гладенький
ab	АaВb Жовтий гладенький	Аabb Жовтий зморшкуватий	аaВb Зелений гладенький	аabb Зелений зморшкуватий

Решітка Пеннета

Цитологічною основою цього закону є мейоз. У мейозі негомологічні хромосоми розходяться незалежно і можуть комбінуватися в будь-яких поєднаннях.   Тому алель А може виявитися в одній гаметі з однаковою ймовірністю з алелем В або з алелем b, але не з алелем а. З такою ж ймовірністю алель а може потрапити в гамету з алелем В або з алелем b, але не з алелем А. Гібриди F₁    в мейозі утворюють яйцеклітини 4-х типів: АВ, Аb, аВ і аb і стільки ж типів сперміїв. При випадкому поєднанні  цих гамет  можливе утворення 16 типів зигот (4 х 4), які можна визначити за решіткою Р.Пеннета. Ці типи зигот дають 4 фенотипових класи у співвідношенні  9 жовтих гладеньких : 3 жовтих зморшкуватих : 3 зелених гладеньких : 1 зелений зморшкуватий (9:3:3:1) і 9 генотипових класів у співвідношенні 1ААВВ:2АаВВ:2ААВb:4АаВb:1ААbb:2Aabb:1aaBB:2aaBb:1aabb. Підрахунок розщеплення в  F₂   за кожною парою ознак показує, що воно в обидвох випадках дорівнює 12:4, тобто 3:1, як при моногібридному схрещуванні. Отже, дигібридне схрещування  – це, по суті, два незалежних моногібридних, які ніби накладаються одне на одне.

Застосовуючи закони Г.Менделя, можна спрогнозувати розщеплення і для більш складних схрещувань: три-, тетрагібридного і т.д. В основі завжди лежатиме розщеплення при моногібридному схрещуванні.

Загальні формули гаметоутворення і розщеплення

2ⁿ- кількість типів гамет;

4ⁿ - кількість комбінацій гамет при утворенні другого покоління F₂;

(3:1)ⁿ - розщеплення за фенотипом у другому поколінні F₂;

(1:2:1)ⁿ  - розщеплення за генотипом у другому поколінні  F₂;

2ⁿ - кількість класів за фенотипом у другому поколінні F₂;

3ⁿ - кількість класів генотипів у другому поколінні F₂;

n - число генів у гетерозиготному стані.

Відповідно до сучасної генетичної термінології, закономірності успадкування ознак, встановлені Г.Менделем, грунтуються на наступних положеннях:

1. Кожна ознака в організмі контролюється парою алелей певного гена.

2. При мейозі кожна пара алелей розщеплюється і кожна гамета одержує по одному алелю з кожної пари.

3. При утворенні чоловічих і жіночих гамет у кожну з них може попасти будь-який алель з однієї пари разом з будь-яким алелем з іншої пари.

4. Кожний алель передається з покоління в покоління як дискретна незмінна одиниця спадковості.

5. Материнський і батьківський організми в рівній мірі беруть участь у передаванні своїх спадкових факторів нащадкам. Нове покоління отримує не готові ознаки, а тільки матеріальні фактори –  по одному алелю (для кожної ознаки) від кожної батьківської особини.

Каріотип людини складається з 22 нестатевих хромосом (аутосом) двох статевих (XX - у жінок та ХУ - у чоловіків). Йому притаманні

24 групи зчеплення (22 аутосоми, X у-хромосоми, які мають відмінні набори генів).

Одним з міжнародних біологічних проектів кінця XX - початку XXI сторіччя було розшифрування геному людини. Вчені встановили нуклеотидні послідовності і створили генетичні карти, на які нанесли близько 15 тис. структурних генів.

Дослідники оцінили геном людини у 3,2 млрд пар нуклеотидів. Вважають, що кількість генів, які кодують білки, не перевищує 21 тис., а тих, які несуть інформацію про різні молекули РНК, 1 понад 4 тис. Для 12,5 тис. генів встановлено, які саме ознаки вони кодують. Загальна довжина кодуючих ділянок становить близько 34 млн пар нуклеотидів, що складає лише 1,2 % геному. Кільцева молекула ДНК мітохондрій людини утворена 16 569 парами нуклеотидів і містить усього 37 генів. 13 з яких кодують білки мітохондрій, 2- рРНК та 22 - тРНК.

Геном людини характеризується відносно короткими екзонамн. розділеними видовженими інтронами (близько 34 усієї кількості ДНК).

Дослідження геному засвідчили високу подібність послідовностей нуклеотидів ДНК у різних людей - на 99.5 . Таким чином, лише 0,5 геному зумовлює різноманітність фенотипів. Різноманітність геномів людини збільшують і мутації.

Менделюючі ознаки в людини та типи їх успадкування

Ознаки, успадкування яких підкоряється закономірностям, встановленим Г.Менделем, називаються менделюючими.

Домінантні	Рецесивні
Нормальні
Карі очі Темне волосся Косий розріз очей Ніс з горбинкою Широка щілина між різцями Зуби великі, виступають вперед Ямочки на щоках Білий локон волосся Наявність ластовиння Мочка вуха вільна Губи повні Краще володіння правою рукою Кров резус-позитивна Здатність згортати язик трубочкою	Блакитні очі Світле волосся Прямий розріз очей Прямий ніс Вузька щілина  або відсутність її Звичайна форма і розміщення зубів Відсутність ямочок Рівномірна пігментація волосся Відсутність ластовиння Мочка вуха приросла Губи тонкі Краще володіння лівою рукою Кров резус-від’ємна Нездатність  згортати язик трубочкою
Патологічні
Хондродистрофія (карликовість) Полідактилія (6 і більше пальців) Брахідактилія (короткопалість) Синдактилія (зрощення пальців) Нормальне зсідання крові Поліпоз товстої кишки Нормальне сприймання кольору Наявність пігментів у шкірі, волоссі Нормальне засвоєння фенілаланіну Нормальне засвоєння лактози Нормальне засвоєння фруктози Еліптоцитоз (еліпсоподібна форма еритроцитів)	Нормальний розвиток скелета Нормальна кількість  пальців Нормальна будова пальців Нормальна будова пальців Гемофілія  Відсутність поліпозу Дальтонізм (кольорова сліпота) Альбінізм (відсутність пігментів) Фенілкетонурія Галактоземія Фруктозурія Нормальна форма еритроцитів

Успадкування кольору очей

Усі менделюючі ознаки дискретні і контролюються одним геном (моногенне успадкування). Розрізняють наступні типи успадкування менделюючих ознак: автосомно-домінантний, автосомно-рецесивний, Х-зчеплений (домінантний і рецесивний), Y-зчеплений. При автосомному успадкуванні ген досліджуваної ознаки розташований в автосомі (нестатевій хромосомі), при зчепленому із статтю успадкуванні – в статевих хромосомах (Х, Y).

МНОЖИННИЙ АЛЕЛІЗМ. ГЕНЕТИКА ГРУП КРОВІ

У дослідах Менделя гени існували лише в двох формах – домінантній і рецесивній. Але більшість генів представлена не двома, а більшим числом алелей. Крім основних алелей (домінантного і рецесивного) існують ще проміжні алелі. Серію алелей (три і більше) одного гена називають множинними алелями, а саме явище – множинним алелізмом. Множинні алелі виникають внаслідок багаторазових мутацій одного і того самого локусу хромосоми. У генотипі диплоїдного організму представлені лише два алелі одного гена, у популяції число їх практично не обмежене. Особливість взаємодій між множинними алелями та, що їх можна розмістити в один послідовний ряд, в якому кожний член буде домінантним по відношенню до всіх наступних і рецесивним по відношенню до попередніх.

Значення. Множинний алелізм збільшує генофонд популяції, її генотиповий і фенотиповий поліморфізм, що має значення для еволюції.

Успадкування груп крові АВО і резус-фактора

Відкриття АВ0-системи груп крові належить Ландштейнеру (1901). У межах цієї системи розрізняють 4 фенотипи: А, В, АВ і 0, кожний з яких відрізняється за будовою антигенів на поверхні еритроцитів і антитіл сироватки крові.

Вивченням характеру успадкування різних груп крові АВ0-системи встановлено, що вони визначаються різним поєднанням трьох алелей однієї алеломорфної групи генів, які позначають I^A, I^B та I⁰, і розташовані в хромосомі 9.

Алель I^A визначає утворення антигену А на поверхні еритроцитів і аглютиніну β у плазмі крові, алель I^B – утворення антигену В на еритроцитах і аглютиніну α в плазмі і, накінець, за алеля I⁰ відсутні антигени АВ на поверхні еритроцитів і містяться аглютиніни α і β в плазмі. Позначаються алельні гени різними літерами латинського алфавіту (I^A, I^B, I⁰), як виняток з правил генетики

Генетичні дослідження показали, що в цій системі існують наступні співвідношення між генотипом і його фенотиповим проявом: генотипи I^AI^A і I^AI⁰ дають однаковий фенотип А з антигеном А і аглютиніном β; генотипи I^BI^B і I^BI⁰ зумовлюють однаковий фенотип В з антигеном В і аглютиніном α; генотип I^AI^B визначає фенотип АВ з антигенами А і В, але без аглютинінів α і β; генотип I⁰I⁰ зумовлює фенотип 0 без антигенів А і В, але з аглютинінами α і β.

0(І), А(ІІ), В(ІІІ) групи успадковуються як менделююча ознака. Гени I^A і I^B по відношенню до гена I⁰ ведуть себе домінантно.

Люди з генотипом I^AI^A фенотипово зовсім не відрізняються від людей з генотипом I^AI⁰, але мають особливості їх діти. У дітей від шлюбу, в якому один із батьків має генотип I^AI⁰, а інший I⁰I⁰, половина дітей має фенотип А (при генотипі I^AI⁰), і половина – фенотип 0. Якщо один з батьків має генотип  I^AI^A, а другий  I⁰I⁰, то всі діти мають фенотип А (при генотипі  I^AI⁰). Така ж різниця спостерігається й у людей з генотипами I^BI^B  і  I^BI⁰.

Алельні гени I^A і I^B в осіб ІV групи ведуть себе незалежно один від одного: ген I^A детермінує антиген А, а ген I^B – антиген В. Така взаємодія алельних генів отримала назву кодомінування (кожний алельний ген визначає свою ознаку). Успадкування АВ(IV) групи крові не відповідає закономірностям, встановленим Г.Менделем.

Групи крові А(ІІ) і В(ІІІ) системи АВ0 успадковуються за автосомно-домінантним типом, а 0(І) група – за автосомно-рецесивним типом.

Фенотипові прояви АВ0-системи груп крові відносяться до найбільш стійких ознак і за життя людини ніколи не зазнають змін.

Важливою є система груп крові – Rh (резус) система. На відміну від АВ0-системи антитіла до антигенів містяться в еритроцитах Rh-позитивних людей (Rh⁺), у крові Rh-негативних людей (Rh^-) вони відсутні і з’являються при повторних переливаннях Rh-позитивної (Rh⁺) крові.

Серед населення Європи 15% людей резус-негативні (Rh^-) і 85% – резус-позитивні (Rh⁺).

Генетичними дослідженнями доведено, що ген, який визначає утворення антигену, повністю домінує над рецесивним алелем, який зумовлює відсутність антигену Rh⁺. Встановлено, що утворення антигену Rh⁺ контролюється трьома парами зчеплених генів C, D i E, а резус-негативні люди – трійні рецесиви і мають генотип cde.

Групи крові системи АВО

Групи крові (фенотипи)	Генотипи	Антигени еритроцитів (аглютиногени)	Антитіла плазми крові (аглютиніни)
І (0)	Іі	немає	a,  b
ІІ (А)	І^АІ^А, І^Аі	А	b
ІІІ (В)	І^ВІ^В, І^Ві	В	a
ІV (АВ)	І^АІ^В	А, В	немає

Разом антиген А і антитіло a не містяться ніколи, як і антиген В з антитілом b. При взаємодії антигенів з одноіменними антитілами відбувається склеювання і випадання в осад еритроцитів (аглютинація), що свідчить про несумісніть крові донора і реципієнта. При переливанні крові необхідно, щоб антигени донора не зустрілися з одноіменними антитілами реципієнта.  Оскільки перша група не має антигенів, то люди з такою кров’ю називаються універсальними донорами, а люди з четвертою групою – універсальними реципієнтами.

Успадкування двох алелей з трьох можливих підкоряється менделівським закономірностям. Групи крові ІІ (А) і ІІІ (В) успадковуються за автосомно-домінантним типом, І (0) група – за автосомно-рецесивним. Якщо батьки мають групу крові ІІ (А), то їхні діти можуть мати ІІ (А) і І (0), але не ІІІ (В) і не IV (АВ). Четверта група крові (АВ) успадковується не за правилами Г. Менделя, а за типом кодомінування (5.7) Оскільки групи крові генетично обумовлені і не змінюються протягом життя, то їх визначення може допомогти у випадку спірного батьківства. При цьому необхідно пам’ятати, що за групою крові не можна встановити, що саме цей мужчина є батьком дитини. Можна лише сказати, що він міг бути батьком дитини чи батьківство виключене.

 Виключення батьківства на основі визначення груп крові АВО

В осіб з IV (АВ )  групою крові в 0,1-0,2 % випадків спостерігається особливе положення генів – цис-положення, коли обидва гени І^А і І^В знаходяться в одній хромосомі. Тоді в шлюбі такої людини з особою, що має І (0) групу крові, можливе народження дітей з І (0) групою крові, що необхідно враховувати при медико-генетичному консультуванні, проведенні судово-медичної експертизи.

Успадкування резус-фактора. Резус-фактор – білок (антиген), названий так тому, що вперше (1940) був виділений з еритроцитів мавпи макака-резуса (Macacus resus), а потім у людини. Близько 85 % європейців здатні його синтезувати і становлять резус-позитивну групу (Rh⁺), 15 % - нездатні і називаються резус-від’ємними (Rh^-). Резус-фактор зумовлений трьома домінантними тісно зчепленими генами (С, D, Е), розміщеними в першій хромосомі. Успадковуються вони як при моногібридному схрещуванні. Основна роль належить антигену D, якщо він визначається, то кров належить до резус-позитивної (DD або Dd), якщо не визначається – то до резус-негативної (dd). Резус-фактор необхідно враховувати при переливанні крові і трансплантації, тому що на нього в організмі виробляються антитіла. Резус-фактор може бути причиною резус-конфлікту між матір’ю і плодом. При шлюбі жінки, що має резус-від’ємну кров, з чоловіком, який є резус-позитивною гомозиготою, усі діти будуть резус-позитивними, а при його гетерозиготності – 50 % резус-позитивні і 50 % резус-від’ємні.

1)       Р      ♀ dd ´    ♂ DD           2)        P       ♀ dd ´    ♂ Dd

Гамети        d D                Гамети         d D, d

F₁ Dd F₁ Dd,                  dd

Резус- позитивні                                 Резус-позитивні    Резус-від’ємні

100 %                                                       50 %                   50 %

Генетичні схеми, які ілюструють успадкування резус-фактора

Конфлікт виникає в тому випадку, коли мати має резус-від’ємну кров, а дитина одержала домінантний алель D від батька і є резус-позитивною. Кров матері і плода не змішується. Тому перша вагітність завершується  нормально. Але під час народження першої дитини, коли плацента відшаровується, еритроцити дитини попадають в організм матері, де на резус-антиген утворюються антитіла. При наступній вагітності ці антитіла через бар’єр плаценти проникають у кров плода, з’єднуються з резус-антигеном, викликаючи склеювання еритроцитів та їх лізис (еритроблазтоз, або гемолітична хвороба новонароджених). Причому з кожними наступними пологами захворювання в дітей виявляється в більш тяжкій формі. Якщо резус-від’ємній дівчині до шлюбу було зроблено переливання резус-позитивної крові, то вже перша дитина (якщо вона резус-позитивна) буде нежиттєздатною. Тому навіть одноразове переливання резус-позитивної крові дівчатам з резус-від’ємною кров’ю абсолютно не припустиме.

Гемолітична хвороба новонароджених описана понад 400 років назад. Вона виникає при несумісності не тільки за резус-системою, але й за системою АВО: найбільш часто, коли в матері І (О) група, а в дитини ІІ (А) або ІІІ (В).

ВЗАЄМОДІЯ АЛЕЛЬНИХ І НЕАЛЕЛЬНИХ ГЕНІВ. ЯВИЩЕ ПЛЕЙОТРОПІЇ.

ВЗАЄМОДІ́Я ГЕ́НІВ — це одночасна дія декількох генів. Розрізняють дві основні групи В.г.: взаємодія між алельними генами і між неалельними генами. Проте слід розуміти, що це не фізична взаємодія самих генів, а взаємодія первинних і вторинних продуктів, які зумовлюють ту чи іншу ознаку. У цитоплазмі відбувається взаємодія між білками-ферментами, синтез яких визначається генами, або між речовинами, які утворюються під впливом цих ферментів. Можливі такі типи взаємодії: 1) для утворення певної ознаки необхідна взаємодія двох ферментів, синтез яких визначається двома неалельними генами; 2) фермент, який синтезувався за участю одного гена, повністю пригнічує або інактивує дію ферменту, утвореного іншим неалельним геном; 3) два ферменти, утворення яких контролюється двома неалельними генами, впливають на одну ознаку або на один процес так, що їх сумісна дія приводить до виникнення і підсилення прояву ознаки. Відомі такі форми взаємодії між алельними генами: повне, неповне домінування, кодомінування і наддомінування. Основна форма взаємодії — повне домінування, яке вперше описано Г. Менделем. Суть його полягає в тому, що в гетерозиготного організму (див. Гетерозигота) прояв одного з алелів домінує над проявом іншого. У медичній практиці з 2 тис. моногенних спадкових хвороби майже у половини відмічають домінування прояву патологічних генів над нормальними. Неповне домінування — така форма взаємодії, коли у гетерозиготного організму (Аа) домінантний ген (А) не повністю пригнічує рецесивний ген (а), внаслідок чого проявляється проміжна між батьківськими ознака. При кодомінуванні у гетерозиготних організмів кожний з алельних генів викликає формування залежного від нього продукту, тобто виявляються продукти обох алелів. Класичним прикладом такого прояву є система групи крові АВ0, коли еритроцити людини несуть на поверхні антигени, що контролюються обома алелями. При наддомінуванні домінантний ген у гетерозиготному стані виявляється сильніше, ніж у гомозиготному.

Розрізняють 4 основні типи взаємодії неалельних генів: комплементарність, епістаз, полімерію і модифікуючу дію (плейотропію). Комплементарність — такий тип взаємодії неалельних генів, коли один домінантний ген доповнює дію іншого неалельного домінантного гена, і вони разом визначають нову ознаку, яка відсутня у батьків. Причому відповідна ознака розвивається тільки в присутності обох неалельних генів. Прикладом комплементарної взаємодії генів у людини може бути синтез захисного білка інтерферону. Його утворення в організмі пов’язане з комплементарною взаємодією двох неалельних генів, розташованих у різних хромосомах. Епістаз — це така взаємодія неалельних генів, за якої один ген пригнічує дію іншого неалельного гена. Пригнічення можуть викликати як домінантні, так і рецесивні гени, залежно від цього розрізняють епістаз домінантний і рецесивний. Пригнічувальний ген отримав назву інгібітора, або супресора. Гени-інгібітори в основному не детермінують розвиток певної ознаки, а лише пригнічують дію іншого гена. У людини прикладом може бути «бомбейський фенотип». У цьому разі рідкісний рецесивний алель у гомозиготному стані пригнічує активність гена, який визначає групу крові системи АВ0. Більшість кількісних ознак організмів визначається декількома неалельними генами (полігенами). Взаємодія таких генів у процесі формування ознаки називається полімерною. У цьому разі два або більше домінантних алелі однаковою мірою впливають на розвиток однієї й тієї ж ознаки. Так, пігментація шкіри у людини визначається 5 або 6 полімерними генами. У корінних жителів Африки (негроїдної раси) переважають домінантні алелі, у представників європеоїдної раси — рецесивні. Тому мулати мають проміжну пігментацію, але в шлюбах мулатів можлива поява як більш, так і менш інтенсивно пігментованих дітей. Багато морфологічних, фізіологічних і патологічних особливостей людини визначається полімерними генами: зріст, маса тіла, величина артеріального тиску та ін. Розвиток таких ознак у людини підпорядковується загальним законам полігенного успадкування і залежить від умов середовища. У цих випадках спостерігається, напр., схильність до гіпертонічної хвороби, ожиріння тощо. Ці ознаки за сприятливих умов середовища можуть не проявитися або проявитися незначною мірою. Плейотропія — це залежність кількох ознак від одного гена, тобто множинна дія одного гена. У людини відома спадкова хвороба — арахнодактилія («павучі пальці» — дуже тонкі і довгі пальці), або хвороба Марфана. Ген, який відповідає за цю хворобу, викликає порушення розвитку сполучної тканини й одночасно впливає на розвиток кількох ознак: порушення будови кришталика ока, аномалії у серцево-судинній системі.

Генотип функціонує як єдина цілісна система взаємодіючих генів. Розрізняють  взаємодію алельних генів (генів однієї алельної пари) і взаємодію неалельних генів (генів різних алельних пар).

Взаємодія алельних генів

Основні форми взаємодії алельних генів – повне і неповне домінування, наддомінування і кодомінування.

Домінування (домінантність) – переважання в фенотипі гетерозиготного організму одного алеля (домінантного) над іншим (рецесивним) алелем того самого гена. Рецесивність – пригнічення в фенотипі гетерозиготного організму одного алеля (рецесивного) іншим алелем (домінантним) того самого гена. Домінування може бути повним і неповним. У випадку повного домінування домінантна гомозигота (АА) і гетерозигота (Аа) мають однаковий фенотип. Явище повного домінування спостерігалося в дослідах  Г.Менделя, де один алельний ген завжди був домінантним, інший – рецесивним. Тому насіння гороху за кольором завжди було або жовтим, або зеленим і не мало іншого, наприклад, синього кольору. При повному домінуванні  в схрещуванні гетерозигот (Аа х Аа) розщеплення за фенотипом  – 3:1, за генотипом – 1:2:1.

За типом повного домінування в людини успадковуються  менделюючі ознаки (моногенне успадкування): ямочки на щоках, здатність згортати язик трубочкою, властивість загинати язик назад, вільна мочка вуха, а також багато спадкових хвороб: полідактилія, бульозний епідермоліз, міопатія, кістозно-аденоїдна епітеліома, ахондроплазія, ін.

Неповне домінування – взаємодія алельних генів, при якій у гетерозиготного організму домінантний алель не проявляє повністю своєї домінантності, а рецесивний алель того самого гена – своєї рецесивності. При неповному домінуванні фенотип гетерозиготи Аа є проміжним між фенотипом домінантної АА і рецесивної аа гомозигот. Так, у схрещуванні нічної красуні з червоними квітками (АА) і нічної красуні з білими квітками (аа), всі гібриди (Аа) першого покоління F₁ мали рожеве забарвлення квіток. У схрещуванні гібридів першого покоління F₁ між собою (Аа х Аа) у другому поколінні F₂  відбувається  розщеплення за фенотипом у співвідношенні 1:2:1, яке співпадає із співвідношенням розщеплення за генотипом 1АА:2Аа:1аа, але відхиляється від розщеплення за фенотипом при повному домінуванні (3:1).

За типом неповного домінування в людини успадковуються цистинурія, пильгерова анемія,  таласемія, атаксія Фрідрейха, ін. У гомозигот за рецесивним геном цистинурії аа в нирках утворюються цистинові камені, у гетерозиггт Аа камені не утворюються, а спостерігається лише підвищений вміст цистину в сечі, гомозиготи АА – здорові.

Наддомінування –  взаємодія алельних генів, при якій домінантний алель у гетерозиготному стані  проявляється в фенотипі сильніше, ніж у  гомозитному (Аа >АА).

Кодомінування – взаємодія алельних генів, при якій у фенотипі гетерозиготного організму проявляються обидва алелі того самого гена. За типом кодомінування в людини успадковується четверта група крові (генотип І^АІ^В). У людей цієї групи в еритроцитах крові одночасно наявні антиген А, який контролюється алелем І^А і антиген В – продукт експресії алеля І^В. Алелі  І^А і І^В – кодомінантні.

Взаємодія неалельних генів

Основні форми взаємодії неалельних генів – комплементарність, епістаз і полімерія. Вони переважно видозмінюють класичну формулу розщеплення за фенотипом, встановлену Г.Менделем для дигібридного схрещування (9:3:3:1).

Неалельні гени – гени, що розміщені в різних локусах однієї хромосоми або в не гомологічних хромосомах.

Розрізняють такі види взаємодії неалельних генів: комплементарність, епістаз, полімерія.

Комплементарність (лат. complementum – доповнення). Комплементарними, або взаємодоповнюючими, називаються неалельні гени, які поодинці не виявляють своєї дії, але при одночасній наявності в генотипі зумовлюють розвиток нової ознаки. У запашного горошку забарвлення квіток зумовлене двома домінантними неалельними генами, з них один ген (А) забезпечує синтез безкольорового субстрату, інший (В) – синтез пігмента. Тому при схрещуванні рослин з білими квітками (ААbb х ааВВ) всі рослини в першому поколінні F₁ (АаВb) мають забарвлені квітки, а в другому поколінні F₂ відбувається розщеплення за фенотипом у співвідношенні 9:7, де 9/16 рослин мають забарвлені квітки і 7/16 – незабарвлені.

У запашного горошку колір віночка квітки зумовлений наявністю двох домінантних генів (А і В), за відсутності одного з них – квітки білі. Тому при схрещуванні рослин з генотипами ААbb і aaBB, які мають білі віночки, у першому поколінні рослини мають забарвлення, а у другому поколінні розщеплення відбувається у співвідношенні 9 забарвлених до 7 незабарвлених (3А_bb, 3 ааВ_, 1 ааbb). Таке розщеплення пояснюється тим, що синтез пігменту антоціану з речовини-попередника проходить через стадію проміжного з’єднання, і обидва біохімічних процеси обумовлюються ферментами, що кодуються неалельними генами А і В. Тільки гетерозигота А_В_ здатна синтезувати пігмент. Самі по собі гени А і В не мають самостійного зовнішнього прояву.

У мишей сірий колір також зумовлений двома домінантними генами: з них ген А необхідний для утворення пігменту, тому рецесивні гомозиготи (аа) не мають пігменту (альбіноси). Ген В зумовлює нерівномірний розподіл пігменту, а рецесивний його алель (b) кодує рівномірний розподіл пігменту по всьому волоссі, і рецесивні гомозиготи (bb) за присутності гена А мають чорний колір. Домінантний алель (В) кодує відкладення пігменту зонами, біля верхівки і основи волосини, і його носії за присутності гена А мають сірий колір. При схрещуванні дигетерозигот (АаВb) спостерігається розщеплення у співвідношенні 9:3:4. Два домінантні гени у генотипі А_В_ дають сірий колір (9 частин), носії домінантного гена А і рецесивного b – чорні (3А_bb), за відсутності гена А (3ааВ_ і ааbb) – білі.

Комплементарну взаємодію генів у людини можна проілюструвати на таких прикладах. Нормальний слух зумовлюється двома домінантними неалельними генами D і F, з яких один визначає розвиток завитка, а інший – слухового нерва. Домінантні гомозиготи і гетерозиготи за обома генами мають нормальний слух, рецесивні гомозиготи за одним з цих генів або за двома генами – глухі.

У людини нормальний слух обумовлений комплементарною взаємодією двох домінантних неалельних генів D і  Е, з них один визначає розвиток завитки, інший –  слухового нерва. Люди з генотипами D–Е– мають нормальний слух, з генотипами D–ее і ddЕ– – глухі. У шлюбі, де батьки глухі (DDee ´ ddEE), всі діти будуть мати нормальний слух (DdEe).

Якщо ген-супресор рецесивний, то виникає криптомерія (від грец. κρυπτός – таємний, прихований). У людини таким прикладом може бути “бомбейський феномен”. У цьому випадку рідкісний рецесивний алель “х” у гомозиготному стані (хх) пригнічує активність гена І^В (який визначає В (ІІІ) групу крові системи АВ0). Тому жінка, яка отримала від матері алель І^В фенотипово має І групу крові – 0(І).

Гени-інгібітори, в основному, не детермінують розвитку певної ознаки, а лише пригнічують дію іншого гена. Ген, ефект якого пригнічується, отримав назву гіпостатичного.

При епістатичній взаємодії генів розщеплення за фенотипом у F₂  складає 13:3; 12:3:1 або 9:3:4 та ін.

Епістаз – взаємодія неалельних генів, при якій один ген пригнічує дію іншого, неалельного, гена. Перший ген називається  епістатичним, або супресором (інгібітором), інший, неалельний, ген – гіпостатичним. Якщо епістатичний ген – домінантний, епістаз називають домінантним (А>В). І, навпаки, якщо епістатичний ген рецесивний, епістаз – рецесивний (аа>В або аа >вв). Взаємодія генів при епістазі протилежна комплементарності.

Епістаз – (від грецької "зупинка, перешкода") – така взаємодія неалельних генів, за якої один ген пригнічує дію іншого неалельного гена. Пригнічення можуть викликати як домінантні так і рецесивні гени, і залежно від цього розрізняють епістаз домінантний і рецесивний.

Ген, який виконує пригнічуючу функцію, називається супрессором або інгібітором.

Наприклад, у курей домінантний алель гена С зумо-

влює розвиток пігменту, але домінантний алель іншого гена І є його супресором, «пригнічувачем». Тому навіть ті кури, які мають домінантний алель гена кольору, за присутності супресора виявляються білими. Особини, які мають у генотипі гени І_С_ – білі, а з генотипом ііСС і ІІСс – пігментовані. Таким чином, білий колір курей може бути зумовлений як відсутністю домінантного алеля гена пігментації, так і наявністю домінантного алеля гена, який викликає явище епістазу гена пігментації. Отже, якщо схрестити двох білих птахів з генотипами ІІСС і іісс, всі особини першого покоління виявляться білими ІіСс, але у другому поколінні (F2) при спорідненому схрещуванні особин першого покоління відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 13:3. 3/16 птахів будуть пігментовані (ііСС і ііСс), бо у них ген-супресор знаходиться в рецесивному стані і є домінантний ген пігментації.

У курей домінантний алель С одного гена  обумовлює розвиток забарвлення пір’я, але домінантний алель І іншого гена є його супресором. Тому кури  з генотипом І–С– – білі, а з генотипами ііСС і ііСс – забарвлені.  У схрещуванні білих курей (ІІСС х іісс) гібриди першого покоління F₁ виявляться білими, але при схрещуванні F₁ між собою у другому поколінні F₂ відбудеться розщеплення за фенотипом у співвідношенні 13:3. З 16 особин 3 будуть забарвлені (ііСС і ііСс), тому що в них відсутній домінантний ген-супресор і є домінантний ген забарвлення. Інші 13 особин будуть білими. Даний приклад ілюструє явище домінантного епістазу.

Приклад епістатичної дії генів у курей

Прикладом рецесивного епістазу може бути бомбейський феномен – незвичайне успадкування груп крові системи АВО, вперше виявлене в одній індійській сім’ї. У родині, де батько мав групу крові І (О), а мати – ІІІ (В), народилася дівчинка з групою І (О), вона одружилася з чоловіком з групою крові ІІ(А) і в них народилося дві дівчинки: одна з групою крові ІV (АВ), інша – з І (О). Народження дівчинки з ІV (АВ) групою крові в родині, де батько мав ІІ (А), а  мати – І (О) було незвичайним. Генетики пояснили цей феномен так: дівчинка з групою ІV (АВ) успадкувала алель І^А від батька, а алель І^В – від матері, але в матері алель І^В фенотипово не виявлявся, тому що в її генотипі був присутній рідкісний рецесивний епістатичний ген s у гомозиготному стані, який пригнічував фенотиповий прояв алеля І^В.

Епістатична дія генів

Гіпостаз – взаємодія неалельних генів, при якій домінантний ген однієї алельної пари пригнічується  епістатичним геном з іншої алельної пари. Якщо ген А пригнічує ген В (А>В), то по відношенню до гена В взаємодія неалельних генів називається гіпостазом, а по відношенню до гена А – епістазом.

Полімерія – взаємодія неалельних генів, при якій одну і ту саму ознаку контролюють кілька домінантних неалельних генів, які діють на цю ознаку однозначно, в однаковій мірі, підсилюючи її прояв. Такі однозначні гени називають полімерними (множинними, полігенами) і позначають однією літерою латинського алфавіту, але з різними цифровими індексами. Наприклад, домінантні полімерні гени – А₁, А₂, А₃ і т.д., рецесивні – а₁, а₂, а₃ і т.д. Відповідно позначають генотипи – А₁А₁А₂А₂А₃А₃, а₁а₁а₂а₂а₃а₃. Ознаки, які контролюються полігенами, називають полігенними, а успадкування цих ознак – полігенним, на відміну від моногенного, де ознака контролюється одним геном. Явище полімерії вперше описав у 1908 р. шведський генетик Г.Нільсон-Еле при вивченні успадкування кольору зерна в пшениці.

Полімерія буває кумулятивною і некумулятивною. При кумулятивній полімерії кожний ген окремо має слабку дію (слабку дозу), але кількість доз всіх генів у кінцевому результаті сумується, так що ступінь вираження ознаки залежить від числа домінантних алелей. Сумування доз полімерних генів (аддитивність) забезпечує існування неперервних рядів кількісних змін.

За типом полімерії в людини успадковуються ріст, маса тіла, колір шкіри, розумові здібності, величина артеріального тиску. Так, пігментація шкіри в людини визначається 4-6 парами полімерних генів. У генотипі корінних жителів Африки наявні переважно домінантні алелі (Р₁Р₁Р₂Р₂Р₃Р₃Р₄Р₄), у представників європеоїдної раси – рецесивні (p₁p₁p₂p₂p₃p₃p₄p₄). Від шлюбу негра і білої жінки народжуються діти з проміжним кольором шкіри – мулати (Р₁р₁Р₂р₂Р₃р₃Р₄р₄). Якщо подружжя – мулати, то можливе народження дітей з пігментацією шкіри від максимально світлої до максимально темної.

Полігенно в типових випадках успадковуються кількісні ознаки. Проте в природі існують приклади полігенного успадкування якісних ознак, коли   кінцевий результат не залежить від числа домінантних алелей у генотипі – ознака або проявляється, або не проявляється (некумулятивна полімерія).

 Кількісна та якісна специфіка проявів генів в ознаках. Поняття про пенетрантність, експресивність, плейотропію

Давно відомо, що при схрещуванні форм, які відрізняються одна від одної у рослин висотою, розмірами листків, довжиною колосків, врожайністю, у тварин розмірами тіла, яйценосністю, молочністю та ін. гібриди у F₁ мають проміжне успадкування. Тоді як у F₂ неможливо провести чітку межу між різними категоріями, оскільки переходи поступові, плавні.

Вважалося, що до кількісних ознак закони Менделя неприйнятні і успадкування таких ознак підпорядковується іншим закономірностям, ніж якісні ознаки. Проте багато важливих ознак у тварин і рослин мають кількісну характеристику, вони цінні і передбачити їх характер успадкування для селекціонера дуже важливо. Як поєднати в рослині морозостійкість і високу врожайність? Адже кількісна ознака (висока врожайність) зумовлена 8 полімерними генами, які розташовані у материнській рослині, тоді як морозостійкість (якісна ознака) теж контролюється 8 полімерними генами, локалізованими у батьківській рослині. Домогтися поєднання у гомозиготному стані 16 бажаних для селекціонера генів важко. І тоді домагаються отримати гібрид з високою врожайністю, але низькою морозостійкістю – успадкування по материнській лінії. Або отримати морозостійку рослину, але менш врожайну – успадкування по батьківській лінії. Ідеальне поєднання кількісних ознак вдається отримати дуже рідко.

При вивченні дії багатьох генів встановлено, що кожен з них впливає не на одну, а на декілька різних ознак. Це явище отримало назву плейотропної.

Явище плейотропії було відомо Г.Менделю, а до нього описано Ч.Дарвіном та іншими вченими як корелятивна (співвідносна) мінливість. Пізніше в різних тварин і рослин було знайдено багато генів, які впливають на цілий ряд різних ознак.

Доведено, що плейотропна дія генів залежить від того, що білок-фермент впливає на вторинні реакції біосинтезу, які, у свою чергу, формують різні ознаки і властивості. Тобто, має місце взаємодія біохімічних реакцій.

Показником залежності функціонування спадкових задатків від характеристик генотипу є пенетрантність і експресивність. Ці терміни були запропоновані російським вченим М.В. Тимофєєвим-Ресовським у 1925 р.

Розглядаючи дію генів, його алелей необхідно врахувати і модифікуючий вплив середовища в якому розвивається організм. Якщо рослину примулу схрещувати при температурі 15-20ºС, то в F₁, згідно менделівської схеми, все покоління матиме рожеві квіти. Але коли таке схрещування проводити за температури 35ºС – то всі гібриди матимуть білого кольору квіти. І, насамкінець, якщо здійснювати схрещування при температурі близько 30ºС, то виникає різне співвідношення від 3:1 до 100 відсотків рослин з білими квітами.

Таке коливання класів при розщепленні в залежності від умов середовища отримало назву пенетрантність (від лат. penetrans – проникнення, досягнення) – сила фенотипового прояву. Отже, пенетрантність – це частота прояву гена, явище появи або відсутності ознаки в організмів однакових за генотипом.

Пенетрантність значно коливається як серед домінантних, так і серед рецесивних генів. Поряд з генами, фенотип яких з’являється тільки за поєднання певних умов і досить рідких зовнішніх умов (слабка пенетрантність), у людини є гени, фенотипічний прояв яких відбувається за будь-яких поєднань зовнішніх умов (сильна пенетрантність). Вона може бути неповною, якщо в певних особин, які несуть домінантний ген, або гомозиготних за одним із рецесивних генів, не виникають ті властивості, які викликає цей ген; це може бути пов’язано з генотипом або впливом умов середовища.

Пенетрантність вимірюється відсотком організмів із фенотиповою ознакою, від загальної кількості обстежених носіїв відповідного алеля.

Якщо ген регулярно визначає фенотипову властивість, то він має пенетрантність 100 відсотків. Проте деякі домінантні гени виявляються менш регулярно. Так, синдактилія III i IV пальців має чітке вертикальне успадкування, але бувають пропуски поколінь. Домінантна аномалія – передчасне статеве дозрівання властиве тільки чоловікам, проте іноді може передатися захворювання від чоловіка, який не страждав цією патологією. Пенетрантність гена показує, який відсоток у носіїв гена виявляється відповідний фенотип. Так, у гомозигот шизофренія проявляється у 100% – це повна пенетрантність, у носіїв певного гена ознака виявляється тільки в частини особин, наприклад, шизофренія у гетерозигот 20%, цукровий діабет – 20%, уроджений вивих стегна – 25%, ретинобластома – 60%.

Пенетрантність – частота фенотипового прояву гена в популяції особин, які є носіями цього гена. Вимірюється відношенням кількості особин, в яких ген фенотипово проявився, до загального числа особин – носіїв цього гена (в %). Якщо ген домінантний – то він проявляється в гомозиготному АА і гетерозиготному стані Аа, якщо рецесивний – лише в гомозиготному аа. Якщо ген проявляється у всіх особин – носіїв гена, пенетрантність називають 100 %-ою, у решті випадків – неповною і вказують відсоток особин, в яких проявляється ген. Наприклад, при пенетрантності 20 %,  з 100 особин – носіїв цього гена, останній проявиться в фенотипі лише в 20 з них. З неповною пенетрантністю успадковується ряд спадкових захворювань: подагра (20 % у чоловіків), природжений вивих стегна (25 %), ретинобластома (60 %).

Подагра

Ретинобластома

Експресивність (лат. expressus – явний, виразний) – ступінь фенотипового  прояву гена, або вираженість дії гена. Один і той самий ген у різних умовах може бути виражений сильніше або слабше. Наприклад, полідактилія може проявитися на одній, на двох руках чи ногах, кількість пальців може бути 6 і більше. Спадкова хвороба фенілкетонурія має різну тяжкість прояву – від легкого ступеня розумової відсталості до глибокої недоумковатості.

Пенетрантність та експресивність залежать від природи даного гена, впливу генів-модифікаторів, умов середовища. Гени-модифікатори посилюють або послаблюють дію основного гена, який контролює дану ознаку.

Плейотропія – здатність одного гена контролювати кілька ознак (множинна дія гена). Так, синдром Марфана  в типових випадках характеризується тріадою ознак: підвивихом кришталика ока, вадами серця, видовженням кісток пальців рук і ніг (арахнодактилія – павучі пальці). Цей комплекс ознак контролюється одним автосомно-домінантним геном, який спричинює порушення розвитку сполучної тканини.

Особливим випадком плейотропії є так звана антагоністична плейотропія, тобто конкуруючий ефект гену на різних стадіях розвитку або за різними умовами навколишнього середовища. Зокрема, як було запропоновано Джорджем Вільямсом в 1957 році, антагоністична плейотропія може відповідати за еволюційний розвиток старіння: гени, що могли би відповідати за ремонт пошкоджень, не розвиваються через негативний ефект на ранніх стадіях життя.

Основний механізм плейотропії в тому, що ген може кодувати продукт, який використовується в різних типах клітин, що виконують різні функції, або які мають сигнальну функцію в кількох синальних шляхах. Класичний приклад плейотропії — хвороба людини фенілкетонурія (ФКУ). Ця хвороба може викликати затримку розумового розвитку, випадання волосся тапігментацію шкіри, і може бути викликана мутацією в єдиному гені, що кодує для фермент (фенілаланінгідролаза), що перетворює амінокислоту фенілаланін на іншу, тирозин. ФКУ протікає досить м'яко, якщо дієта підтримується вільною від фенілаланіну. Залежно від залученої мутації, хвороба приводить до зменшеної або нульової конверсії фенілаланіну на тирозин, в результаті концентрація фенілаланіну зростає до отруйного рівня, зумовлюючи пошкодження в кількох органах.