Как пишет Докинс (28), "содержащийся в крови человека гемоглобин представляет собой типичную белковую молекулу. Она построена из цепей более мелких молекул — аминокислот, каждая из которых состоит из нескольких десятков атомов, расположенных строго определенным образом. В молекуле гемоглобина содержится 574 аминокислоты. Они собраны в четыре цепи, перекрученные между собой и образующие невероятно сложную трехмерную глобулярную структуру. Модель молекулы гемоглобина сильно напоминает густой куст боярышника. Но в отличие от настоящего боярышника такой «куст» имеет не какую-то случайную и не очень четкую, а строго определенную неизменную структуру, повторяющуюся в организме человека без всяких отклонений в среднем 6×1020 раз. Точная форма молекулы белка, такого, как гемоглобин, стабильна в том смысле, что две цепи, образованные одними и теми же последовательностями аминокислот, всегда, подобно двум пружинам, будут принимать совершенно одинаковую трехмерную конфигурацию. Одни гемоглобиновые «кусты» образуются в нашем организме в этой «предпочитаемой» ими форме со скоростью 4×1014 в секунду, а другие такие «кусты» столь же быстро разрушаются".
В мутантном гене бета-глобина имеются точковые мутации, в результате которых остаток глутаминовой кислоты в положении 6 бета-цепи заменен на валин. Такой мутантный гемоглобин, имеющий так называемую дезоксиформу, склонен к агрегации, что вызывает деформацию эритроцитов и уменьшает эффективность транспорта кислорода (почему и развивается анемия). Эритроциты, несущие гемоглобин S вместо нормального гемоглобина А, под микроскопом имеют характерную серпообразную форму (форму серпа ― почему анемия серповидно-клеточная), за что эта форма гемоглобинопатии и получила название серповидно-клеточной анемии.
Эритроциты, несущие гемоглобин S, обладают пониженной стойкостью и пониженной кислород-транспортирующей способностью, поэтому у больных с серповидно-клеточной анемией повышено разрушение эритроцитов в селезенке, укорочен срок их жизни, повышен гемолиз и часто имеются признаки хронической гипоксии (кислородной недостаточности) или хронического «перераздражения» эритроцитарного ростка костного мозга.
Обычно в учебниках генетики пишут, что серповидно-клеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному типу. У больных, гетерозиготных по гену серповидно-клеточной анемии, наряду с серповидными эритроцитами, несущими гемоглобин S, в крови наличествуют и нормальные, несущие гемоглобин А. При этом болезнь менее выражена клинически, протекает легче, а иногда вообще не вызывает симптомов, и серповидные эритроциты выявляются случайно при лабораторном исследовании крови. У гомозигот по гену серповидно-клеточной анемии в крови имеются только серповидные эритроциты, несущие гемоглобин S, и болезнь протекает тяжело.
Между тем признаки представляют собой абстракцию и условность и связаны с классификацией свойств человеком, например, морщинистость есть абстракция. Доминантность расценивается с точки зрения проявления признака, но признаки условны. Доминантность и рецессивность могут быть в 2 вариантах по отношению к проявлению признака и по отношению к выживанию. Признаком может быть форма эритроцитов или "незаболеваемость" малярией. Если взять второй признак, то тогда мутация в гене гемоглобине становится доминантным. Например, индивиды несущие двойной ген: серповидно-клеточной анемии (СКА)/СКА не болеют, СКА/н ― болеют, н/н ― умирают. Итак, рецессивный случай становится доминантным если изменить угол зрения и в качестве признака взять выживаемость.
Рецессивность зависит от условий жизни. Хотя с клинической точки зрения серповидно-клеточная анемия ― рецессивная болезнь, при которой гетерозиготы вроде бы здоровы, но, например, в странах, где распространена малярия, наличие гена серповидно-клеточной анемии является полезной особенностью. Наличие мутации в гене, вызывающем нарушение строения гемоглобина вызывает повышение устойчивости к малярии, способствует выживанию людей при эпидениям малярии. Поэтому, если у людей нет такого гена, то они часто погибают. Следовательно, с точки зрения естественного отбора, в таких условиях данный признак становится доминантным.
Почему понятия доминантность и рецессивность для гена являются условными? По нескольким причинам. 1. Прежде всего, отмечу, что слишком длинная дистанция между геном и признаком и слишком велика вероятность появления ошибок на этом пути. 2. Любой признак есть продукт человеческого ума, а точнее продукт классификации наблюдений над природой. Любой признак является классификацией, проведенной человеческим сознанием. Классификации не существовали до появления человека разумного и его речи, а изменения фенотипа и его вариации были до этого.
7.6. МЕХАНИЗМЫ ДОМИНИРОВАНИЯ И РЕЦЕССИРОВАНИЯ
Итак, как я отметил выше, понятия доминантность и рецессивность были предложены для описания внешнего вида растений и пород домашних животных. В то время никто не говорил о каком-то наследственном веществе. Концепция генов родилась позднее. Затем формальные генетики явочным порядком, по умолчанию распространили концепцию доминантности/рецессивности на другую умозрительную концепцию, говорящую о том, что имеется прямая связь между информацией, записанной в цепи ДНК и признаком, проявляющимся в фенотипе. Хотя выше я показал, что никакой такой связи нет. Так или иначе, но в молекулярной генетике переопределили термины доминантность и рецессивность и сейчас относят их генам в виде их вариантов аллелей.
Но вопрос в том, что большинство генетиков не понимают, как вообще работают белки в клетке, и как может реализоваться признак не только в многоклеточном организме, но в отдельно взятой клетке. В большинстве случаев генетики не имеют четкого представления о том, как тот или иной ген, особенно из тех, которые транспортируются клеткой, проявляется во внешних признаках и почему в одном случае мутация становится доминантной, а в другом рецессивной. Мне приходилось сотрудничать с генетиками, которые находили гены, но совершенно не представляли, как же они работают в реальной жизни. Точно также никто толком не понимает, что такое мутации доминантные и рецессивные, если брать изменения нуклеотидной последовательности и с точки зрения клеточной биологии. Пока ни один признак, четко идущий по доминантному пути, ход его проявления так и не описан. Требуется большая работа, чтобы расшифровать молекулярные механизмы, действующие в биологии развития. Поэтому мне придется просветить генетиков.
Вот что мне удалось выудить из Интернета. Мутантные аллели приводят к подавлению, нарушению или изменению функции гена. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы — нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. При рецессивных болезнях наличие остаточной активности фермента облегчает течение болезни, так происходит при некоторых нарушениях обмена аминокислот и лизосомных болезнях накопления.
Мутации в генах ферментов обычно вызывают рецессивные болезни. Большинство подавляющих функцию мутаций в генах-аллелях рецессивны, к ним относятся аллели, вызывающие недостаточность ферментов у человека, и большинство нулевых аллелей, известных у мышей. Ген, потерявший способность экспрессироваться (синтезироваться) или кодирующий нефункциональный белок, часто называют нулевым. ДНК, кодирующая мутантный, совершенно неактивный белок, остается как балласт и не мешает. Содержание ферментов обычно выше, чем это необходимо для поддержания нормальных концентраций субстратов и продуктов реакции, поэтому даже существенное изменение активности ферментов часто не влияет на скорость метаболизма.
Если половинной концентрации белка недостаточно для нормальной жизнедеятельности, у гетерозигот по нулевому аллелю развивается болезнь. Вызывает ли мутация доминантную или рецессивную болезнь, определяется двумя факторами:
— влиянием мутации на функцию генного продукта и
— устойчивостью биологической системы к нарушению функции именно этого генного продукта.
Некоторые мутантные аллели не просто подавляют определенную биологическую функцию, а вызывают ее изменение. У гетерозигот по доминантно-негативному аллелю аномальный белок, кодируемый мутантным аллелем, нарушает функцию белка, кодируемого нормальным аллелем. Доминантно-негативные аллели обычно кодируют белки, которые в качестве субъединиц входят в состав более сложных структур или взаимодействуют с другими белками или нуклеиновыми кислотами. У гетерозигот по доминантнонегативному аллелю болезнь протекает в более тяжелой форме, чем у гетерозигот по нулевому аллелю."
А теперь эту белиберду мне придется перевести на нормальный русский язык. Итак, как же работает доминантное и рецессивное наследование с позиций клеточной биологии, как реализуется свойство доминантности и рецессивности на молекулярном уровне? Поскольку этому вопросу даже в современных российских учебниках генетики уделено очень малое внимание, то мне придется остановиться на этом вопросе поподробнее. Из-за чрезвычайной сложности я не буду разбирать ситуацию, когда имеется несколько одних и тех же генов. В такой ситуации, как правило, речи о доминантности и рецессивности быть не может, за исключением ситуации, когда мутантный белок имеет такие свойства, что способен подавить функцию нормального белка, даже если данный белок синтезируется на основе нескольких генов. Но об этом чуть позже.
Рассмотрим как доминирование и рецессивное состояние возникают в случае пары генов, кодирующей один и тот же белок. Белок обычно находится в одном из двух функциональных состояний: 1) активная функция и 2) неактивное состояние, в котором белок не выполняет специфической для его функции. Любой белок работает (здесь я не буду говорить о транспортных функциях белка) в основном тогда, когда он взаимодействует с другим белком, липидом, полисахаридом или нуклеиновой кислотой. Как правило, в организме многоклеточных животных одиночная молекула белка, если это не секретируемый фермент, оказывается не нужной. Понятие активное состояние означает, что белок взаимодействует с указанными выше веществами и катализирует химическую реакцию либо осуществляет другую функцию, о которых я писал выше. В неактивной форме белок не взаимодействует с этими веществами или структурами, образованными из этих веществ.