รูปแบบและกลไกการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเมนเดล

รูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเมนเดลอธิบายว่าลักษณะและโรคที่เกิดจากยีนเดี่ยวถูกส่งผ่านจากพ่อแม่ไปยังลูกหลานได้อย่างไร ตามการแยกตัวและการจัดเรียงตัวอย่างอิสระของอัลลีลที่เกรเกอร์ เมนเดลได้อนุมานไว้เป็นคนแรก สาขาวิชานี้จัดระเบียบรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบดั้งเดิม ได้แก่ แบบออโตโซมอลเด่น, ออโตโซมอลด้อย, และแบบที่เชื่อมโยงกับโครโมโซม X พร้อมด้วยกลไก (การแสดงออกของยีน, การแปรผันของการแสดงออก, และปฏิกิริยาระหว่างยีน) ที่อธิบายว่าเหตุใดจีโนไทป์จึงไม่สามารถจับคู่กับฟีโนไทป์เดียวที่คาดการณ์ได้เสมอไป

Definition

การถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบเมนเดลคือการส่งผ่านปัจจัยกำหนดทางพันธุกรรมแบบยีนเดี่ยวข้ามรุ่น ซึ่งควบคุมโดยการแยกตัวของคู่ของอัลลีลและการจัดเรียงตัวอย่างอิสระของพวกมัน ทำให้เกิดรูปแบบแผนผังครอบครัวที่เป็นลักษณะเฉพาะ ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าอัลลีลที่รับผิดชอบเป็นแบบเด่นหรือด้อย และตำแหน่งของยีนอยู่บนโครโมโซมออโตโซมหรือโครโมโซมเพศ

Scope

ขอบเขตนี้ครอบคลุมถึงรูปแบบหลักที่ลักษณะทางพันธุกรรมแบบโมโนจีนิกถูกถ่ายทอด และกลไกเชิงแนวคิดที่ใช้ในการตีความแผนผังครอบครัว: อัลลีลเด่นและด้อยทำงานอย่างไร, การเชื่อมโยงกับเพศเปลี่ยนแปลงรูปแบบอย่างไร, และการแสดงออกของยีน, การแปรผันของการแสดงออก, และอีพิสตาซิสปรับเปลี่ยนอัตราส่วนที่คาดหวังได้อย่างไร โดยถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นแนวคิดทางพันธุกรรมพื้นฐานสำหรับการอ่านการถ่ายทอดทางพันธุกรรม ไม่ใช่คู่มือสำหรับการวินิจฉัยทางคลินิกหรือการให้คำปรึกษาแก่ครอบครัวแต่ละราย

Sub-topics

• Autosomal Dominant Inheritance
• Autosomal Recessive Inheritance
• Epistasis and Gene Interaction
• Genetic Penetrance and Expressivity
• X-Linked Inheritance

Core questions

• ลักษณะถูกกำหนดโดยยีนเดียว (แบบเมนเดล) หรือหลายยีน และรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมใดที่เหมาะสมกับแผนผังครอบครัวมากที่สุด?
• ความเด่น, ความด้อย, และตำแหน่งของโครโมโซม (ออโตโซมเทียบกับ X-linked) กำหนดอัตราส่วนที่คาดหวังในลูกหลานได้อย่างไร?
• เหตุใดฟีโนไทป์ที่สังเกตได้มักจะแตกต่างจากที่คาดหวังตามหลักเมนเดลอย่างง่าย และกลไกใด (การแสดงออกของยีนลดลง, การแปรผันของการแสดงออก, ปฏิกิริยาระหว่างยีน) ที่อธิบายความแตกต่างนี้ได้?

Key concepts

• อัลลีล, จีโนไทป์, และฟีโนไทป์
• อัลลีลเด่นและด้อย
• ภาวะโฮโมไซกัสและเฮเทอโรไซกัส
• ตำแหน่งของยีนบนออโตโซมเทียบกับ X-linked
• การวิเคราะห์แผนผังครอบครัว
• การแสดงออกของยีนและการแปรผันของการแสดงออก
• อีพิสตาซิสและปฏิกิริยาระหว่างยีน

Key theories

กฎการแยกตัว

แต่ละบุคคลมียีนสองอัลลีลสำหรับตำแหน่งของยีนหนึ่ง ซึ่งจะแยกตัวกันในระหว่างการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ เพื่อให้แต่ละเซลล์สืบพันธุ์ได้รับเพียงหนึ่งอัลลีล ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานที่เมนเดลอนุมานจากการผสมพันธุ์

กฎการจัดเรียงตัวอย่างอิสระ

อัลลีลในตำแหน่งของยีนที่ต่างกันจะแยกตัวออกจากกันอย่างอิสระ (ขึ้นอยู่กับการเชื่อมโยงทางกายภาพ) ทำให้เกิดอัตราส่วนแบบผสมผสานที่เมนเดลสังเกตเห็นในลักษณะหลายอย่าง

Mechanisms

รูปแบบของเมนเดลเกิดขึ้นจากพฤติกรรมของคู่ของอัลลีลในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส: อัลลีลที่เป็นคู่จะแยกตัวกันเพื่อให้เซลล์สืบพันธุ์มีสำเนาหนึ่งชุด และตำแหน่งของยีนบนโครโมโซมที่ต่างกันจะจัดเรียงตัวอย่างอิสระ ไม่ว่าอัลลีลกลายพันธุ์เดี่ยวจะสร้างฟีโนไทป์ (เด่น) หรือต้องมีสองอัลลีล (ด้อย) และไม่ว่าตำแหน่งของยีนจะอยู่บนออโตโซมหรือโครโมโซม X จะเป็นตัวกำหนดรูปร่างของแผนผังครอบครัวและความน่าจะเป็นของการเกิดซ้ำ อัตราส่วนที่เรียบง่ายจะถูกปรับเปลี่ยนโดยกลไกที่ซ้อนทับอยู่บนการแยกตัว — การแสดงออกของยีนไม่สมบูรณ์, การแปรผันของการแสดงออก, และปฏิกิริยาระหว่างตำแหน่งของยีน (อีพิสตาซิส) — ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแม้แต่โรคที่เกิดจากยีนเดี่ยวแบบคลาสสิกก็ยังแสดงความแปรปรวนของฟีโนไทป์ระหว่างบุคคลที่มีความแปรปรวนทางพันธุกรรมเดียวกัน

Clinical relevance

การตระหนักถึงรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมเป็นพื้นฐานของการตีความแผนผังครอบครัวและการกำหนดความเสี่ยงของการเกิดซ้ำในพันธุศาสตร์คลินิก และรายการฟีโนไทป์แบบเมนเดล (เช่นใน OMIM) เป็นหัวใจสำคัญในการวินิจฉัยโรคหายาก ขอบเขตนี้อธิบายว่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมถูกให้เหตุผลในระดับแนวคิดอย่างไร; เป็นเอกสารอ้างอิงและไม่ใช่สิ่งทดแทนการประเมินทางพันธุกรรมอย่างเป็นทางการหรือการให้คำปรึกษาแก่บุคคลเฉพาะราย

Epidemiology

โดยส่วนตัวแล้ว โรคทางพันธุกรรมแบบเมนเดลส่วนใหญ่เป็นโรคหายาก แต่โดยรวมแล้วส่งผลกระทบต่อประชากรจำนวนมากและเป็นสาเหตุหลักของการเข้ารับการรักษาในโรงพยาบาลในเด็กและโรคที่เริ่มมีอาการเร็ว ความพยายามระหว่างประเทศในการจำแนกลักษณะของภาวะเมนเดลที่หายากทั้งหมดเน้นย้ำว่าฟีโนไทป์ที่เกิดจากยีนเดี่ยวหลายพันชนิดยังคงไม่ได้รับการนิยามอย่างสมบูรณ์

History

การทดลองผสมพันธุ์ของเมนเดลในปี 1866 ได้สร้างหลักการแยกตัวและการจัดเรียงตัวอย่างอิสระ แต่ผลงานนี้ส่วนใหญ่ถูกมองข้ามไปจนกระทั่งถูกค้นพบใหม่ประมาณปี 1900 หลังจากนั้นเบตสันและคนอื่นๆ ได้ตั้งชื่อสาขาวิชานี้ว่าพันธุศาสตร์และแปลหลักการเหล่านี้ไปใช้กับสัตว์และมนุษย์ ทฤษฎีโครโมโซมของมอร์แกนได้เชื่อมโยงยีนเข้ากับโครโมโซมและอธิบายการเชื่อมโยงกับเพศ และการจัดทำรายการฟีโนไทป์แบบเมนเดลในมนุษย์ของแมคคูซิกในช่วงกลางศตวรรษที่ยี่สิบ (ต่อมาคือ OMIM) ได้จัดระบบพันธุศาสตร์คลินิก

Key figures

• Gregor Mendel
• William Bateson
• Thomas Hunt Morgan
• Victor McKusick

Seminal works

• mendel-1866
• bateson-1909
• nussbaum-2016

Frequently asked questions

อะไรที่ทำให้รูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมเป็น 'แบบเมนเดล'?

รูปแบบจะเป็นแบบเมนเดลเมื่อลักษณะถูกควบคุมโดยยีนเดี่ยวที่อัลลีลของมันแยกตัวตามกฎของเมนเดล ทำให้เกิดรูปแบบแผนผังครอบครัวที่คาดการณ์ได้ ซึ่งแตกต่างจากลักษณะแบบโพลีจีนิกหรือมัลติแฟกเตอร์ที่ได้รับอิทธิพลจากยีนหลายตัวและสิ่งแวดล้อม

ทำไมผู้ที่มีการกลายพันธุ์แบบเดียวกันบางครั้งจึงดูแตกต่างกัน?

เนื่องจากกลไกต่างๆ เช่น การแสดงออกของยีนไม่สมบูรณ์, การแปรผันของการแสดงออก, และปฏิกิริยากับยีนอื่นๆ จะปรับเปลี่ยนวิธีการแสดงออกของจีโนไทป์ ดังนั้นความแปรปรวนทางพันธุกรรมที่เหมือนกันจึงสามารถให้ฟีโนไทป์ที่แตกต่างกันได้