Наследуемые биохимические различия

Молекулярной основой биохимического полиморфизма являются
мутации генов, которые ведут к изменению последовательности аминокислот
в полипептидной цепи, составляющей первичную структуру белковой
молекулы. В результате этого образуются белки, сходные по своей
основной функции, но различающиеся некоторыми свойствами — теплоустойчивостью,
ферментативной активностью, электрическим зарядом
и т. д.

Успехи в изучении биохимической генетики связаны с разработкой
метода электрофореза, позволяющего разделять белки по их подвижности
в электрическом поле. Электрофоретический анализ включает три
основные процедуры!: экстрагирование исследуемого белка из ткани,
"разгонку" пробы белка в электрическом поле в средненосителе (крах-*
мальном или полиакриламидном геле) и выявление белка с помощью
специфического гистохимического окрашивания геля. В результате электрофореза
получают фореграмму - участок геля, на котором фенотип
особи по данному белку выявляется в виде спектра окрашенных полос.
Электрофоретический анализ является высокочувствительным методом
и в некоторых случаях позволяет идентифицировать белки, различающиеся
только по одной аминокислоте. Таким образом, на фореграм-
мах удается дифференцировать аллельные варианты полиморфного белка
— его аллозимы.
Одной из характеристик аллозимов белка является их относительная
подвижность (ЭФ) в электрическом поле, определяемая по взаимному
расположению отдельных фракций на фореграмме2. У одного и того же
полиморфного белка различают медленные, быстрые, сверхбыстрые и
другие фракции. В более редких случаях аллозимы сходны по электро-
форетической подвижности, но различаются по интенсивности окрашивания.
Разные аллозимы полиморфного белка обозначают обычно заглавными
буквами латинского алфавита: А, В, С, Б и т. д. (в порядке возрастания
их электрофоретической подвижности), а кодирующие их аллельные
гены — в виде сокращенного названия белка (на английском
языке) с индексом, обозначающим конкретный аллель. Например, четыре
аллельных варианта альбумина-2 у пеляди обозначены, как А, В,
С, Б, а соответствующие им аллельные гены — как/Ш-2°, А1Ь-2 , А1Ь-2е,
А1Ъ-2 . Возможна цифровая символика, указывающая ЭФ соответствующих
аллозимов. Для приведенного выше примера она будет следующей:
Подобное описание разных методов электрофореза можно найти в [ 39 ].
Для идентификации аллозимов по подвижности расстояние, пройденное одной
из фракций от старта (место внесения белка в гель) в направлении к аноду,
принимают за 1. Характеристикой остальных аллозимов является их подвижность
относительно первой.

[Ш] 0,93 0,96 1,00 1,03
А1Ь-2 , А1Ъ-2 , А1Ъ-2 , А1Ь-2
Закономерности наследования белков изучают с применением обычных
методов генетического анализа. Для большей части белков характерно
кодоминантное наследование — проявление у гетерозигот обеих
аллельных форм, что дает возможность определять генотип особи непосредственно
по ее фенотипу. Некоторые белки наследуются по доминантно-
рецессивному типу, при этом один аллель является "нулевым" и обусловливает
отсутствие белка (или отсутствие его активности).
Изучению биохимического полиморфизма у рыб посвящена обширная
литература |19, 20, 89, 131 и др.]. Среди объектов товарного рыбоводства
в этом отношении наиболее полно изучены карп и форель, у
которых выявлено и исследовано много полиморфных локусов (табл. 5)1.
Ряд полиморфных систем исследован у пеляди [ПО, 111], начато исследование
биохимического полиморфизма у растительноядных рыб, буф-
фало, тиляпий и некоторых других видов.

У карпа из 43 исследованных белковых локусов полиморфным оказался
21 (48 %). Исключительно высокий полиморфизм обнаружен по
Дополнительные данные о полиморфизме 13 локусов у радужной форели
имеются в сводке [234|. Согласно этим данным особенно высокий полимэрф;;:-!»;
наблюдается по генам Ш - 3,4 (8 аллелей) и Мйк - 3,4 (6 аллелей).
29
Полиморфные локусы у карпа и радужной форели (по [ 89 ]
с изменениями)
Таблица 5

трансферрину1. Описано восемь аллозимов трансферрина, синтезируемых
под контролем восьми разных аллелей. Спектр трансферрина амурского
сазана еще шире и представлен 23 фракциями, однако генетика некоторых
из них изучена недостаточно.
Основные аллельные формы трансферрина по ЭФ распределяются
следующим образом [203]: П - 0,80; С - 0,90; В - 0,95; А - 1,00;
7. — 1,05 (с ошибкой, равной 1 %).
Наиболее частыми у карпа являются трансферрины А, В, С (особенно
А и С). Более редок медленный трансферрин Ь, который встречается
обычно у карпов, имеющих примесь наследственности амурского сазана
(например, у ропшинского, в некоторых отводках среднерусского
и других карпов). "Сверхбыстрые" фракции (У, 2, и др.) обнаружены у
потомков японских карпов. Помимо указанных основных фракций в
карповых стадах встречаются промежуточные типы трансферрина, например
трансферрин Ср (более подвижный, чем типичная фракция С)
[168].
Указанные типы трансферрина проявляют четкое кодоминантное
наследование (табл. 6).
Ряд работ [89, 131, обзоры] посвящен анализу полиморфизма эсте-
раз. У карпа на фореграммах эстераз мышц и сыворотки крови выявляются
две главные зоны эстеразной активности (быстрая и медленная),

Рис. 11. Фореграммы некоторых типов
трансферрина у карпа (схема). Буквами
обозначены отдельные аллозимы
[из Щербенок, 1973]
1 Трансферрин - белок сыворотки крови, входящий в состав /3-глобулинов,
который осуществляет перенос железа, необходимого для построения гемоглобина.
Мономерный белок, первичная структура которого представлена одной полипептидной
цепью. Синтез трансферрина кодируется одним геном. Все это определяет
простоту спектров трансферрина: у гомозигот трансферрин образует на форе-
грамме одну полосу, а у гстсрозигот - две, соответствующие двум кодоминантно
наследуемым аллозимам белка (рис. II).
30
Т а б л и ц а 6
Наследование некоторых типов трансферрина у карпа (по [ 2 0 3 , 2 1 4 , 2 4 7 ] )
Фенотип родителей

* В скобках приведено теоретически ожидаемое число рыб.
** Обозначения аллелей даны по | 2031.
которые кодируются двумя разными аутосомными генами: Е$1-1 (быстрые)
и Ет-2 (медленные)1. Оба гена полиморфны. Ген Е$г-\ имеет,
по-видимому, три аллеля [2] : Ет-\ , Е$1-\с и ЙМС (табл. 7); первые
два аллеля изучены более полно.
Фенотип гомозигот (ВВ, СС и С'С') характеризуется наличием в
зоне быстрых эстераз интенсивно окрашенной полосы и идущей впереди
нее слабой полосы ("тень", ненаследуемая фракция). У гетерозигот на
фореграмме имеется три полосы: две основных, соответствующих кодо-
минантно наследуемым фракциям, и третья - "тень" (рис. 12).
Медленные эстеразы наследуются по доминантно-рецессивному типу.
Ген Е$1-2 имеет два аллеля: Еп-2В (доминантный) и Е$1-2Ь (рецессивный).
У гомозигот по рецессивному (нулевому) аллелю (генотип ЬЪ)
соответствующая фракция на фореграмме отсутствует; у гомо- и гетерозигот
(ВВ и ВЬ) присутствует одна полоса, но разной интенсивности
(более яркая у гомозигот) (см. рис. 12).
К числу полиморфных белков у карпа относится фермент фосфо-
глюкомутаза (ФГМ). По результатам подробных исследований Г. М. Тихомировой
[182], имеется четыре зоны активности фермента, которые кодируются
пятью самостоятельными генами. При этом в разных тканях
(сердце, мышцы, селезенка, печень и др.) изоформы ФГМ проявляют
сходную подвижность.
Наиболее четкие данные получены относительно полиморфного гена
Р^т-5 (табл. 8), у которого обнаружены две наследуемые фракции: быстрая
(Е) и медленная (5). Указанные фракции кодируются двумя ко-
доминантными аллелями: Р§т-5 и Р§т-5 с электрофоретической
подвижностью 0,66 и 0,62 соответственно (ЭФ вычислены по отношению
к наиболее быстрой зоне ФГМ -1).
Полиморфизм обнаружен у карпа и по белкам скелетных мышц -
миогенам, относящимся к числу наименее изменчивых. У многих видов
рыб миогены мономорфны и видоспецифичны. У карпа имеется [62]
Т а б л и ц а 7
Наследование быстрых эстераз у карпа [по 213]

* В каждом скрещивании исследовано по 50 рыб. В скобках приведено теоретически
ожидаемое число рыб.
Ранее обозначались как Р и 5 [214].
32
Т а б л и ц а 8
Наследование фосфоглюкомутазы (ФГМ-5) у карпа
[по 182]

*В скобках приведено теоретически ожидаемое
число рыб.
два типа миогена, характеризующихся присутствием (тип А) или отсутствием
(тип а) на фореграмме соответствующей фракции (рис. 13,
фракция III). Миогены кодируются аутосомным геном с двумя аллелями:
Му и Му (нулевой) и наследуются по доминантно-рецессивному
типу (тип А - доминантный, тип а - рецессивный). Особи с генотипами
АА и Аа фенотипически неразличимы. Ниже приводятся результаты двух
скрещиваний, иллюстрирующих характер наследования миогенов [62].
Фенотип родителей Фенотип потомков
АХ А А (73 шт.) + а (23 шт.)
а X а а (62 шт.)
Очевидно, в первом скрещивании оба родителя были гетерозигота-
ми Аа, что дало расщепление в их потомстве на доминантную и рецессивную
формы в соотношении, близком к 3 : 1.

Рис. 12. Спектры эстераз у карпа (схема). Буквами обозначены отдельные аллозимы.
Генотип ВВ локуса Ех1-2 представлен более широкой полосой. Цифры справа обозначают
относительную подвижность фракций локуса Е$1-1 [ 213)

Рис. 13. Спектры миогенов (II,
III, IV зоны) у карпа. Показан
полиморфизм III зоны: типа А
иа [62]
Полиморфизм по ферменту лактатдегидрогеназа (ЛДГ) изучен у
карпа менее подробно в связи со сложностью спектров этого фермента.
Как и у других видов рыб, ЛДГ у карпа кодируется несколькими (по-
видимому, пятью) разными генами [89, 131]. Полиморфизм обнаружен
по трем генам: С,, С2 (дупликатные гены) и гену Ех. Лактатдегидрогеназа
является тетрамером (первичная молекула фермента состоит из
четырех субъединиц). При одновременном функционировании двух разных
генов возможно образование гетеротетрамеров — молекул фермента,
состоящих из субъединиц, кодируемых разными генами. У гомозигот
по генам ЫН-С\ и ЫИ-С2 в результате свободного комбинирования субъединиц
образуется пять изозимов: С,4, С^С^, С\С2, СуС?, С*- В случае
гетерозиготности по одному или двум генам изозимный спектр становится
еще более сложным, а общее число фракций возрастает до 35. Спектры
ЛДГ у карпов изучались многими авторами, но пока полностью не расшифрованы.
Исследования по биохимической генетике растительноядных рыб
начаты сравнительно недавно. Большая часть данных получена на основании
популяционных исследований [124, 125, 133-137, 255, 256], которые
требуют проверки генетическим анализом.
Результаты проведенных исследований выявили полиморфизм по
трансферрину у толстолобиков, однако точных сведений относительно
числа аллелей локуса трансферрина не имеется (по данным разных авторов,
этот локус имеет от двух до пяти аллелей). Г. А. Ненашев и
Ф. Ю. Рыбаков [125] описали три типа трансферрина: А, В и С с ЭФ1
соответственно 0,566, 0,544 и 0,522, которые (предположительно) кодируются
кодоминантными аллелями ГЛ ТУ* и 77е. У белого толстолобика
преобладает тип С, у пестрого — тип А.
Оба вида толстолобика полиморфны также по сывороточным эсте-
разам [ 124]. На спектрах фореграмм выявляются два типа эстераз: Р
(быстрая фракция) и 5 (медленная фракция), наследуемые, по-видимому,
по кодоминантному типу. У белого толстолобика, кроме того, установлен
полиморфизм по эстсразе мышц, лактатдегидрогеназе печени
и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназе (Г-6-ФДГ). Предполагается, что каж-
1 ЭФ рассчитаны относительно маркерного красителя - бромтимолового
синего.
34
IV шшшш
ш
+
дый фермент контролируется одним локусом с двумя аллелями. Для
двух первых ферментов это подтверждено скрещиваниями [135].
У белого и пестрого толстолобиков имеется ряд видоспецифичных
мономорфных белков, в том числе: миогены, сывороточные альбумины,
щелочная фосфатаза, супероксиддисмутаза [134].
У белого амура полиморфизм обнаружен по Г-6-ФДГ эритроцитов
и печени, супероксиддисмутазе и сывороточной эстеразе [133, 137]. Для
каждого из трех указанных ферментов предполагается двухаллельная
система с кодоминантным наследованием двух разных белков (А и Л).
При исследовании Г-6-ФДГ печени белого амура из популяции р. Амур
найдена третья (редкая) "сверхбыстрая" фракция А '. В то же время у
белого амура не обнаружено пока полиморфизма по трансферрину, что
отличает его от большинства других видов рыб.
У буффало изучен спектр мышечных эстераз. Выявлены четыре зоны
активности фермента, в том числе одна (зона I) полиморс| ная с тремя
фенотипами: РР, 88 н Р8. Фракции Р и 5 по ЭФ идентичны соответствующим
аллозимам быстрых эстераз у карпа [132].
За рубежом проведен ряд исследований по биохимическому полиморфизму
у разных видов тиляпий и окуней М1сгор1еш8, играющих важную
роль в аквакультуре южных стран. У тиляпий многие ферментные белки
оказались мономорфными и видоспецифичными. Внутривидовой полиморфизм
обнаружен по мышечным эстеразам и белкам сыворотки крови
[222,227].
* * *
Данные по генетике менделирующих качественных признаков находят
большое применение в практической селекции. Можно назвать три
основные области их практического использования: прямой отбор по
генам, положительно влияющим на хозяйственно-ценные признаки; контроль
за изменением генетической структуры стада (популяции) в процессе
селекции; генетическое маркирование.
Как отмечалось выше, гены многих качественных признаков имеют
плейотропное действие и, если оно затрагивает хозяйственно-полезные
показатели, отбор рыб-носителей данного гена может дать прямой рыбо-
хозяйственный эффект. Широко используется плейотропное действие генов
чешуйного покрова у карпа: выращивание только чешуйчатых и разбросанных
карпов повышает рыбопродуктивность прудов. В индустриальных
условиях выгодным может быть выращивание светлых карпов,
которые характеризуются хорошим ростом и спокойным поведением1.
Г. Кинкайд отмечает, что ген голубой металлической окраски может быть
использован в селекционных программах, предусматривающих улучшение
роста радужной форели [232].
Большое число исследований посвящено поискам связи между генами
белков и хозяйственно-ценными признаками [204, обзор]. Имеются данные
относительно разной зимостойкости карпов с разными трансферри-
Выращивание светлых карпов в прудах неэффективно, прежде всего из-за
отмеченного выше избирательного их истребления птицами.
35
Основу генетической изменчивости (о^) составляет аддитивная и
неаддитивная изменчивость. Аддитивная изменчивость (о^) обусловлена
суммарным действием большого числа генов, одни из которых усиливают,
а другие ослабляют развитие признака. Неаддитивная изменчивость
возникает за счет межаллельных взаимодействий (доминирования и
сверхдоминирования) и взаимодействия разных генов (эпистаза).
Паратипическая (средовая) изменчивость (а|.) отражает варьирование
- признака под воздействием факторов внешней среды. Примером
паратипической изменчивости "в чистом виде" может служить разнообразие
генетически идентичных особей - — представителей одного клона
(например, у однополой формы серебряного карася).
Показатель а^ несет в себе также элемент взаимодействия генотип -
среда, проявляющийся в разной реакции разных! генотипов на изменения
внешних условий. '
Показатель, выражающий долю генотипической изменчивости в общей
фенотипической изменчивости признака, называют коэффициентом
наследуемости (И2)
. 2
(1.2)
(1.3)
В селекционных расчетах большое значение имеет определение доли
генетической изменчивости, обусловленной аддитивными генами (о^),
от величины которой зависит эффективность отбора1. Этот показатель
называют наследуемостью в "узком смысле" слова:
А2 = — — . (1.4)
аРН
Многочисленные способы определения показателя наследуемости
можно объединить в три основные группы [89]2:
по селекционному эффекту (реализованная наследуемость);
по коэффициенту корреляции или регрессии признака у родителей
и потомков;
на основании дисперсионного анализа компонентов фенотипической
изменчивости.
и2--
или
А2
а°с к >
(согласно уравнению 1.
а
°с +
2
С
4
0