Менделевская генетика. Фенилкетонурия и болезнь Хантингтона

Сегодня мы знаем, что гены являются средством, благодаря которому мы наследуем не только физиологические, но и определенные поведенческие, перцептивные, а также черты темперамента или личности. Ученые времен Дарвина были очарованы закономерностями биологического наследования. Сам Дарвин стал страстным любителем голубей, чтобы изучать их наследственные различия, вызванные искусственным отбором. С этой целью он собрал и разводил все известные породы голубей в викторианской Британии.

Он отмечал различия не только в форме тела и оперении голубей, но и в их поведении. Некоторые из них ворковали особым образом, а другие летали необычно: например, «кувыркающиеся» голуби буквально кувыркались в небе при снижении. Так же, как домашние собаки произошли от серого волка, все домашние голуби происходят от одного дикого вида птиц — скалистого голубя (Columba livia). Но каковы биологические механизмы наследования поведенческих и физиологических черт?

Отсутствие удовлетворительной теории биологического наследования составляло значительный пробел в теории эволюции Дарвина путем естественного отбора. Великая загадка наследования была в конечном итоге разгадана в 1860-х годах относительно неизвестным австрийским монахом Грегором Менделем (см. Henig, 2001). Значимость работы Менделя не была полностью признана до первых десятилетий XX века.

К сожалению для учебника по психологии, Мендель не сосредотачивался на наследовании поведенческих черт. Он был обучен физике и физиологии растений, а также известен как селекционер растений. Он вывел законы наследования, проводя изящные эксперименты на горохе. Горох представляет собой очень простую модель для понимания законов генетического наследования. Поэтому, хотя горох имеет мало отношения к психологии, мы рассмотрим классические эксперименты Менделя как способ понять основы генетического наследования. Затем мы исследуем, как эти простые законы, применимые к гороху, могут объяснить наследование определенных психологических состояний у людей.

Скромный садовый горох обладает несколькими строго дихотомическими характеристиками. Он может производить либо белые, либо фиолетовые цветы; длинные или короткие стебли; желтые или зеленые стручки, с раздутой или сжатой формой; а также желтые или зеленые семена (или горошины, как их чаще называют), с морщинистой или гладкой кожурой (рисунок 3.5). В серии экспериментов Мендель искусственно контролировал опыление гороха с различными дихотомическими характеристиками, тщательно записывая особенности полученных растений-потомков. Давайте подробнее рассмотрим его выводы относительно цвета горошин.

Рис. 3.5. Соотношения окраски гороха, полученные в ходе селекционных экспериментов Менделя от поколения к поколению

Разновидность гороха, выбранная Менделем, Pisum sativum, производит либо полностью зеленые, либо полностью желтые, либо смесь зеленых и желтых горошин. Мендель скрещивал зеленые и желтые горошины, как показано на рисунке 3.5. Важность работы Менделя заключалась в изящном объяснении его результатов. Поскольку скрещенные растения производили только желтые горошины, Мендель предположил, что желтый цвет является доминантным признаком, а зеленый — рецессивным.

Однако, поскольку желтые горошины от скрещенных растений вырастали в растения, которые производили как зеленые, так и желтые горошины, они должны были нести зеленый признак, хотя и не выраженный. Мендель предположил, что факторы наследственности — то есть гены — должны существовать в двойных дозах, каждая из которых называется аллелем. Конкретная комбинация доминантных и рецессивных аллелей определяет внешне выраженную характеристику организма, или его фенотип.

Генетики используют стандартизированную форму записи, в которой доминантные аллели обозначаются заглавными буквами, а рецессивные — строчными. В случае гороха, горошины, содержащие два доминантных аллеля (AA), производят растения, которые стабильно дают желтые горошины. Горошины с двумя рецессивными аллелями (aa) производят растения, которые стабильно дают зеленые горошины. А горошины с одним доминантным и одним рецессивным аллелем (Aa) выражают доминантный желтый признак, но продолжают нести рецессивный аллель. Вы можете видеть, что эти признаки модульны; они никогда не смешиваются. Таким образом, менделевское наследование сохраняет биологическое разнообразие, необходимое для действия естественного отбора.

Законы Менделя справедливы, по крайней мере частично, для некоторых признаков у людей. Например, у людей карие глаза доминируют над голубыми. Ребенок будет иметь голубые глаза только в том случае, если оба родителя передадут рецессивные гены для голубых глаз, так что у ребенка будет два рецессивных аллеля (bb). Если ребенок унаследует один доминантный ген для карих глаз от одного родителя и рецессивный ген для голубых глаз от другого (Bb), у него будут карие глаза, а признак голубых глаз останется скрытым в его генотипе. В конечном итоге, ребенок с карими глазами может передать рецессивный ген голубых глаз своим потомкам.

Теперь, когда вы понимаете эти основные принципы наследования, мы можем использовать их для лучшего понимания непосредственно психологически значимых состояний. Фенилкетонурия и болезнь Хантингтона проявляются в первую очередь через психологические нарушения. Оба этих состояния основаны на наследовании определенных комбинаций аллелей от единичных генов, и поэтому хорошо объясняются законами Менделя. Как мы увидим позже, многие признаки регулируются большим количеством генов, и поэтому правила наследования становятся более сложными.

Фенилкетонурия. Фенилкетонурия, или ФКУ, связана с задержкой развития и серьезными трудностями в обучении (Williams et al., 2008). Она встречается с частотой примерно один случай на 10 000 рождений. До того, как была обнаружена биологическая причина ФКУ, предполагалось, что 1 % людей, помещенных в психиатрические учреждения, страдали от этого заболевания (Knopik et al., 2017). Норвежский биохимик Ивар Фёллинг в 1930-х годах обнаружил, что ФКУ вызвана неспособностью метаболизировать незаменимую аминокислоту фенилаланин (Følling, 1934). Часто родители детей с ФКУ не проявляют это заболевание; тем не менее, оно передается в семьях.

Так же, как с зеленым горошком Менделя и голубыми глазами у людей, ФКУ основана на наследовании двойной дозы рецессивных аллелей (pp). Если у родителя два доминантных аллеля (PP), он или она не может передать заболевание. Если один родитель является носителем (Pp), а другой не является (PP), то хотя ни один из их детей не разовьет заболевание, существует 50 % вероятность, что они будут носителями (поскольку они всегда получат доминантный аллель от незатронутого родителя, но имеют 50 % шанс унаследовать рецессивный аллель от затронутого родителя).

Если оба родителя являются носителями, они сами не будут иметь заболевания, но их потомство будет иметь 25 % шанс унаследовать два рецессивных аллеля, по одному от каждого родителя (.5 x .5 = .25), и в этом случае они родятся с ФКУ. ФКУ встречается чаще в небольших инбредных сообществах, потому что, как только заболевание возникает, вероятность наследования рецессивного аллеля увеличивается, что повышает вероятность брака и рождения детей с другим носителем. К счастью, сегодня существует простой анализ мочи на ФКУ, который routinely проводится у новорожденных, и, если заболевание обнаружено, его можно лечить с помощью диеты.

Болезнь Хантингтона. Болезнь Хантингтона (БХ) — это дегенеративное расстройство, при котором страдающий испытывает изменения личности, а также ухудшение умственных, когнитивных и двигательных функций с течением времени. Она затрагивает одного из 20 000 человек. Средний возраст начала заболевания составляет 40 лет. Как правило, один из родителей имеет это заболевание, и его дети имеют 50 % шанс передать его своим детям (Knopik et al., 2017).

БХ основана на наследовании доминантного аллеля, поэтому наследование этого состояния несколько похоже на наследование желтого горошка (рисунок 3.6). Незатронутые индивидуумы имеют два рецессивных аллеля, в то время как затронутые обычно наследуют один из доминантных аллелей от своего затронутого родителя. Статистически маловероятно, что два гетерозиготных индивидуума (Hh) по БХ встретятся и заведут детей.

Рис. 3.6. Наследование болезни Хантингтона. Болезнь Хантингтона основана на наследовании доминантного аллеля. H представляет собой доминантный аллель для болезни Хантингтона, а h представляет собой нормальный рецессивный аллель. Пораженный родитель может передать как аллель H, так и аллель h, и поэтому при спаривании с незараженным родителем вероятность того, что потомство унаследует болезнь Хантингтона, составляет 50 процентов

Если бы это произошло, то в среднем каждый из их детей имел бы 75 % шанс развития заболевания, поскольку существует 50 % шанс, что ребенок будет гетерозиготным по этому состоянию (Hh), 25 % шанс, что он унаследует двойную дозу доминантного аллеля (HH), так что он и все его будущие потомки унаследуют заболевание, и 25 % шанс остаться свободным от заболевания, унаследовав два рецессивных аллеля (hh). БХ сохраняется в популяции из-за ее позднего начала. Поскольку заболевание не начинает проявляться до тех пор, пока затронутый индивидуум не достигнет примерно 40 лет, к этому времени он или она часто уже имеют детей. Эти дети будут иметь 50:50 шанс унаследовать доминантный аллель от своего затронутого родителя и в конечном итоге проявить симптомы БХ.

Обсуждение болезни Хантингтона, очевидно, поднимает важные вопросы о генетическом скрининге. Вопросы, связанные с ролью генетического скрининга, обсуждаются в разделе «Актуальные вопросы» далее в этой главе.

Моногенные и полигенные эффекты. Большинство состояний или признаков, которые мы обсуждали до сих пор, были моногенными — то есть основанными на влиянии одного гена. Однако во многих случаях несколько пар генов объединяют свои влияния для создания одного фенотипического признака. Это известно как полигенное наследование, и оно усложняет простую картину, которая была бы, если бы все характеристики определялись одной парой генов. На самом деле, менделевское объяснение наследования цвета глаз, хотя обычно довольно точное, является упрощением, отчасти потому, что цвет глаз не полностью моногенен (Mackey, 2021).

Однако один важный урок, который мы можем извлечь из простой модели наследования Менделя, обобщающейся на полигенный случай, — это важное различие между генотипом, полным генетическим кодом индивидуума, и фенотипом, внешне наблюдаемыми характеристиками индивидуума (Johannsen, 1911). Генотип присутствует с момента зачатия, но фенотип может быть подвержен влиянию как других генов, так и окружающей среды. Один и тот же фенотип может иметь разные генотипы. Как мы видели на примере цвета глаз, разные унаследованные генотипы могут приводить к одному и тому же фенотипу.

Так же, как один и тот же фенотип может иметь разные генотипы, один и тот же генотип может иметь разные фенотипы. Однояйцевые близнецы имеют одинаковые гены, но если один ест больше другого, они будут отличаться в фенотипическом выражении массы тела (Knopik et al., 2017). Полезной аналогией может быть представление генотипа как программного обеспечения в вашем телефоне, которое позволяет вам набирать текстовое сообщение. В этом случае фенотип похож на содержание сообщения, которое появляется на экране.

Полигенное наследование увеличивает количество возможных вариаций признака. Несмотря на то, что около 99,9 % человеческих генов идентичны у всех людей, предполагается, что соединение сперматозоида и яйцеклетки может привести к примерно 70 триллионам потенциальных генотипов, что объясняет большое разнообразие характеристик даже среди братьев и сестер. Большинство признаков, представляющих интерес для психологов, таких как интеллект и личность, скорее всего, являются полигенными — при условии, что гены вообще влияют на них. Позже, в разделе о поведенческой генетике, мы рассмотрим, как можно научно установить, находятся ли поведенческие признаки под влиянием генов.