Как посмотреть…

За различение цветов у человека отвечают фоторецепторы сетчатки — колбочки. Их три типа: «синие», «зеленые» и «красные» (точнее — коротковолновые, средневолновые и длинноволновые). В каждой из них образуется единственный тип световоспринимающего белка — опсина. Ген одного из опсинов — «синего» — находится в хромосоме 7, а вот гены «зеленого» и «красного» опсинов — в Х-хромосоме.

У женщин одна из двух Х-хромосом инактивируется (см. Инактивация Х-хромосомы).

Гены «зеленого» и красного» опсинов имеют очень похожую последовательность нуклеотидов, и между ними может происходить неравный кроссинговер. В результате иногда образуются «красно-зеленые» гибридные гены, с которых могут считываться опсины (рис. 1).

Рис. 1. Возможные результаты неравного кроссинговера между участками Х-хромосомы, содержащими гены «красного» и «зеленого» опсинов. В хромосомах, содержащих три копии гена, всегда работают только две из них

Известно, что дальтонизм — признак, сцепленный с полом, или Х-сцепленный. Так называются признаки, за которые отвечают гены, локализованные у человека в Х-хромосоме. В мужской Y-хромосоме аллели большинства таких генов отсутствуют (это относится и к генам опсинов). При этом свою единственную Х-хромосому мальчики получают от мамы; девочки же получают одну Х-хромосому от мамы, а другую — от папы. В школьных учебниках обычно приводят, например, такую схему для наследования дальтонизма (рис. 2):

Рис. 2. Вот так наследуется дальтонизм «по-школьному». Рис. с сайта www.biorepet-ufa.ru

В этом случае мать-носительница передает рецессивный ген дальтонизма d половине детей, и из ее сыновей половина — дальтоники, а из дочерей половина — носительницы гена дальтонизма.

Но жизнь, как всегда, сложнее учебников. Ведь на самом деле у большинства генов человека вовсе не два варианта (аллеля): их два только у конкретного человека. В популяции же могут присутствовать десятки и сотни аллелей, возникшие в результате разных мутаций. Это касается и генов дальтонизма.

Наиболее частая причина мутаций в этом участке хромосомы — неравный кроссинговер (см. подсказку 3, рис. 1). В верхней части рисунка показан случай, когда в результате одна из хромосом несет только ген «красного» опсина, а другая — три гена (один — для «красного» и два для «зеленого»). Если мальчик получит от мамы хромосому с единственным геном «красного» опсина, то он вообще не будет различать красный и зеленый цвета. (Почему для различения всех цветов спектра мало двух типов колбочек, можно прочитать в главе 8 «Цветовое зрение» из книги Дэвида Хьюбела «Глаз, мозг, зрение».)

Видимо, одна из хромосом у многодетной мамы из нашей задачи была именно такой. Таких «полных дальтоников» (по-научному — страдающих дейтеранопией) среди мужчин около 1%.

Намного чаще встречаются мужчины, получившие от мамы одну из двух хромосом, показанных в самой нижней части рисунка из подсказки 3. В такой хромосоме есть либо «красно-зеленый» и «зеленый» гены (самый нижний рисунок), либо красный, красно-зеленый и «зеленый» гены (второй снизу рисунок). В обоих случаях мальчик с такой Х-хромосомой будет плохо различать красный и зеленый цвета: «красно-зеленый» ген дает опсин, близкий по спектральной чувствительности к зеленому либо красному, а третий ген («правый» зеленый на второй снизу хромосоме) не экспрессируется — с него не считываются мРНК и белки. (Почему это так — показывает приводимый ниже рисунок из мини-обзора The molecular basis of variation in human color vision, PDF, 3,6 Мб.) В разных колбочках регуляторный участок ДНК — энхансер — более-менее случайным образом связывается с промотором либо первого, либо второго гена, но не третьего (наиболее удаленного).

Чаще всего — среди европеоидов примерно в 5% случаев — встречаются у мужчин хромосомы с «красным» и «красно-зеленым» работающими генами. Видимо, такая Х-хромосома и была у нашего многодетного отца (см. рис. 3).

Рис. 3. Регуляция экспрессии генов опсинов в Х-хромосоме. Энхансер (серый прямоугольник) в ходе развития клеток сетчатки действует на промотор либо первого, либо второго гена (пунктирные линии) и стимулирует их экспрессию. Если в Х-хромосоме есть «лишний» ген (или гены) опсина (а они есть у 75% европеоидов), он никогда не экспрессируется. Изображение из мини-обзора The molecular basis of variation in human color vision

Какой же была вторая Х-хромосома у мамы из задачи? По-видимому, нормальной; поэтому зрение было нормальным у второго сына. Сложнее дело обстоит с дочерьми.

У близняшек генотип был одинаковым, причем от отца они получили его единственную Х-хромосому с «красным» и «красно-зеленым» генами, а от матери — Х-хромосому только с «красным» геном. В норме примерно в половине клеток инактивируется отцовская Х-хромосома, а в половине — материнская. Это происходит на ранней стадии развития, когда сам эмбрион состоит примерно из 30 клеток. Сетчатка, как ни странно, происходит из потомков многих таких исходных клеток. Поэтому «в среднем» близняшки должны были бы различать цвета немного хуже, чем отец (например, видели бы цветные картинки с меньшим разрешением). Но иногда бывают случаи преимущественной инактивации одной из Х-хромосом. Если у одной из близняшек инактивировалась во всех клетках сетчатки отцовская хромосома, то она могла вообще не различать цвета, а если материнская — то различать их так же, как отец: вариант редкий, но возможный.

Наиболее интересный случай — это зрение третьей дочери. От матери она получила нормальную Х-хромосому, а от отца — хромосому с «красным» и «красно-зеленым» генами.

В результате у такой девочки будет не три, а четыре типа колбочек с разной спектральной чувствительностью — ее зрение будет фактически тетрахроматическим (см. рис. 4).

Рис. 4. Генотип (слева и в центре) и фенотип (справа) третьей дочери из нашей задачи. От матери она получила хромосому с «красным» (показан желтым цветом) и «зеленым» генами (X_m), а от отца — с «красным» и «красно-зеленым» (X_p). В каждой клетке сетчатки случайным образом активируется один из генов — L («красный»), M («зеленый») или L’ («красно-зеленый»). Ген ТЕХ28 не имеет отношения к зрению. В сетчатке такой девочки будет четыре типа колбочек — «синие» (коротковолновые), «зеленые» (средневолновые), «красные» (длинноволновые) и «оранжевые» (гибридные). Справа внизу — гипотетическая ганглиозная клетка сетчатки, получающая возбуждающий сигнал от единственной «гибридной» колбочки и тормозящие сигналы от окружающих «зеленых», «красных» и «оранжевых» колбочек. Такая клетка будет обладать специфической спектральной чувствительностью и сможет передавать в мозг информацию о дополнительных оттенках. Рисунок из статьи The dimensionality of color vision in carriers of anomalous trichromacy (PDF, 3,9 Мб)

По некоторым данным, такие женщины действительно лучше различают оттенки, но окончательно доказанным это считать нельзя.

Насколько далеки реальные механизмы наследования многих признаков по сравнению со «школьными», читатели, наверное, уже поняли. Но на самом деле всё еще гораздо сложнее, чем в нашей задаче. Например, в «красном» гене есть мутации, которые заметно меняют спектральную чувствительность его опсина (поэтому у задачи, видимо, есть и другое решение). Распределение и число «красных» и «зеленых» колбочек, видимо, заметно варьирует у разных людей. При наличии четырех пигментов одни люди, видимо, лучше различают оттенки, а другие — как обычно (это может быть связано как с качеством, так и с количеством каждого из пигментов). В общем, есть что изучать. Вот недавно, например, появились убедительные доводы в пользу того, что дальтонизм может быть приспособительным признаком (см.: Обезьяны-дихроматы лучше различают насекомых с приспособительной окраской, «Элементы», 23.01.2012); может быть, отчасти это объясняет столь высокую частоту «вредного» гена в популяциях человека и человекообразных обезьян.

Интересно, что возможность «тетрахроматического» зрения у людей до недавнего времени вызывала большие сомнения из-за того, что было не ясно, способен ли настроенный на трихроматию мозг анализировать информацию от четырех типов рецепторов. Но в последние годы этот вопрос практически снят: не только от рождения «трихроматичные» трансгенные мыши могут увидеть цвета по-человечески своим «дихроматным» мозгом (см.: Мышиный мозг готов увидеть мир по-человечески, «Элементы», 29.03.2007), но и самцы обезьян-саймири, «вылеченные» от дальтонизма с помощью генной терапии во взрослом возрасте (см.: Обезьян вылечили от дальтонизма при помощи генной терапии, «Элементы», 18.09.2009).

А еще эта задача, по-моему, помогает осознать, насколько ближе к нынешним «школьным» знаниям была научная картина биологии всего 50-60 лет назад. Про описанные в задаче явления в 1950 году не было известно почти ничего: ни то, что в каждой колбочке только один пигмент (это доказали гораздо позже); ни то, что одна из Х-хромосом в каждой клетке у женщин не работает (это установили в 1959–1961 гг.). Уж тем более практически ничего не было известно про механизмы регуляции работы генов. Так что 50 лет назад описанные в задаче результаты действительно поставили бы в тупик любого физиолога и генетика. Учитывая стремительность развития биологии, даже трудно представить, насколько примитивными будут казаться через 50–60 лет наши нынешние представления...

P.S. Справедливости ради надо сказать, что впервые гипотеза о тетрахроматическом зрении у части женщин была высказана в работе 1948 года. Но развития она в то время не получила, и автор больше никогда об этом не писал — почти как в нашей задаче.