Лекція 5

Тема «Хромосомна теорія спадковості. Кросинговер»

Питання:

1. Зчеплення генів. Групи зчеплення.

2. Неповне зчеплення і кросинговер.

3. Цитологічний доказ кросинговеру.

4. Подвійний кросинговер.

5. Хромосомна теорія спадковості.

Зчеплення генів. Поряд з фактами незалежного спадкування ознак виявлено багато випадків, коли ознаки передаються цілими групами. З'ясувалося, що в кожній хромосомі є велика кількість генів, пов'язаних між собою й наслідуваних групами. Гени однієї групи зчеплення успадковуються незалежно від генів, що належать до інших груп зчеплення. Число груп зчеплення відповідає гаплоїдному числу хромосом.

У генетичних формулах зчеплені локуси перераховують відповідно до їх порядку в групі зчеплення й підкреслюють горизонтальною рисою.

З наведеної схеми слідує, що в fi обидві ознаки будуть домінантними. Наявність зчеплення встановлюють за допомогою аналізуючого схрещування. Якщо АВ та a b гени знаходяться в різних хромосомах, то утворюються 4 типи гамет: АВ; Ab; aB; ab — иі 4 фенотипових класи потомків: AaBb; Aabb; aaBb; aabb у співвідношенні 1:1:1:1. Якщо ж гени А и В розташовані в одній хромосомі, то при аналізуючому схрещуванні зявляються лише 2 фенотипові класи потомків, що повторюють батьків у рівному співвідношенні АаВв х аавв.

З розглянутого приклада ясно, що гени, що перебувають в одній парі гомологічних хромосом, успадковуються разом і не розходяться в потомстві, тому що при гаметогенезі вони обов'язково попадають в одну гамету. Нащадки F₂ і F₃ будуть мати ознаки в тій же комбінації, що й у батьківських форм.

Явище зчеплення було виявлено в 1906 р. В. Бетсоном і Р. Пеннетом у досвідах із запашним горошком. Схрещуючи дві раси запашного горошку, що розрізняються по двох парах ознак, Бетсон і Пеннет не виявили в F₂ очікувані розщеплення в співвідношенні 9:3:3:1.

Розуміння сутності цього явища стало можливим лише в результаті робіт Т. Моргана і його співробітників - А. Стертеванта, Г. Меллера, К. Бриджеса й ін. Морган установив, що матеріальною основою зчеплення є хромосома. Вона являє собою окрему матеріальну й функціональну одиницю при редукційному розподілі клітини, і, отже, всі гени, що перебувають в одній хромосомі, будуть зв'язані між собою субстратом хромосоми, її організацією й поводженням у мейозі).

Приклад зчеплення був описаний Морганом і його учнями, що досліджували гени black (чорний цвіт тіла) і vestigial (зародкові крила). Алелі дикого типу цих генів визначають сіре фарбування тіла мухи (Ь+) і нормальні крила (vg⁺). Гени сірого цвіту тіла (Ь+) і зародкових крил (vg) перебувають у дрозофіли в одній хромосомі, гени чорного цвіту (Ь) і довгих крил (vg+) — в інший гомологичній хромосомі. При схрещуванні сірих зародковокрилих самців (b⁺vg) із чорними довгокрилими самками (bvg+) гібриди F₁ одержують від батька хромосому з генами сірого цвіту й зародкових крил.

У гібридних самців утворяться два типи гамет: утримуючу хромосому, що несе гени сірого цвіту тіла й зародкових крил (b+vg) або ж гени чорного цвіту тіла й довгих крил (bvg⁺). Якщо цих самців схрестити із чорнотілими зародковокрилими самками, то їхнє потомство буде чорним довгокрилим і сірим зародковокрилим у співвідношенні, близькому 1:1. Кожна гамета материнського організму в цьому випадку містить хромосому з рецессивними генами чорного цвіту тіла й зародкових крил (bvg). При наявності повного зчеплення по двох парах генів серед гібридів виявляються тільки два класи особин.

Неповне зчеплення й кросинговер. Поряд з повним зчепленням Морган виявив і неповне. Гібриди першого покоління (самки) були схрещені із чорними зародковокрилими самцями. У наступному поколінні в більшості особин (83%) спостерігалося колишнє сполучення ознак:

• сірих з зародковими крилами – 41,5%;

• Чорних довгокрилих – 41,5%;

• Чорних зачатковокрилих – 8,5%;

• Сірих з довгими крилами – 8,5%.

Тобто, зчеплення генів було порушено.

Наблюдаемое явление можно объяснить следующим образом. Если гены Ь+ и vgj ди­плоидного организма расположены в одной хромосоме, а в го­мологичной ей хромосоме расположены рецессивные аллели этих генов b и vg, то отделиться друг от друга и вступить в но­вые сочетания с рецессивными аллелям» гены А и В могут только в том случае, если хромосома, в которой они располо­жены, будет разорвана на участке между этими генами ив ме­сте разрыва произойдет соединение между участками этой хро­мосомы и ее гомолога.

В 1909 г. Ф. Янсенс, изучая мейоз у земноводных, обнару­жил в зоне профаз хиазмы (перекресты хромосом) и высказал предположение, что хромосомы в мейозе способны взаимно обмениваться участками. Морган развил это пред­ставление в идею об обмене генами. При конъюгации гомологич­ных хромосом, а неполное сцепление было объяснено им как результат такого обмена и названо кроссинговером.

Частота кроссинговера измеряется отношением числа осо­бей, у которых обнаруживается кроссинговер (кроссоверов), к общему числу особей в потомстве анализируемого скрещивания и выражается в процентах.

Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга V в хромосоме; чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу.

На основе многочисленных генетических исследований Мор­ган выдвинул гипотезу линейного расположения генов в хромо­соме.

Только при этом допущении процент рекомбинантов может отражать относительное расстояние между генами в хромосоме. Одним из классических генетических опытов Моргана, доказывающих линейное расположение генов, был опыт с дрозофилой. Самки, гетерозигот­ные по трем сцепленным рецессивным генам, определяющим желтый цвет тела (у), белый цвет глаз (w) и вильчатые крылья (В), были скрещены с самцами, гомозиготными по этим генам. В потомстве было получено 1160 некроссоверных мух (нормальных и одновременно несущих все три рецес­сивных признака), 43 кроссоверных мухи с признаками перекреста между генами w и В и 15 мух с признаками кроссинговера между генами у к w.

Из этих данных можно сделать вывод, что процент перекреста является функцией расстояния между генами и их последовательного, то есть линейного, расположения в хромосоме. Расстояние между генами у и В равно сумме двух одинарных перекрестов между у и w, w и В.

Эти опыты открыли возможность для определения взаимно­го расположения генов в пределах групп сцепления. Предположим, известны расстояния (процент кроссинговера) между тремя генами А, В и С и что они равны 5% между генами Л и 5, 3% между В и С и 8% между генами А і С, допустим, что ген В расположен справа от гена А. Посмотрим, в какую сторону от гена В при этом должен быть расположен ген С.

Предположим сначала, что ген С расположен слева от гена В. R этом случае расстояние между генами А и С должно быть равно разности рас­стояний между генами А—В и В~С, то есть 5%— 3%=2%, но в действи­тельности расстояние между генами А и С совсем другое и равно 8%. Следовательно, предположение неправильно. Если же ген С расположен справа от гена 5, то в этом случае расстояние между генами Л и С должно быть равно сумме расстояний между генами А~В и В— С, или 5%+3% = —8/о, что полностью соответствует расстоянию, установленному опытным путем. Следовательно, это предположение правильно и расположение генов А, В и С в хромосоме схематически можно изобразить следующим образом:

Следует учесть, что расстояние между двумя генами, определяемое опытным путем, не может превышать 50%. Это связано с тем, что кроссин­говер происходит в то время, когда бивалент состоит из четырех хроматид При перекресте происходит как бы разрыв двух из четырех хроматид с последующим воссоединением их после обмена участками. В результате образуются четыре гаплоидных гаметы, из которых две обязательно некроссоверны и две могут быть кроссоверными.

Цитологическое доказательство кроссинговера. В 1931 г. бы­ло представлено цитологическое доказательство кроссинговера. К. Штерну с помощью облучения удалось получить у самки и самца половые хромосомы, отличимые друг от друга цитологи­чески и генетически, различающиеся по морфологии.4 У самок к одной из Я-хромосом был присоединен фрагмент от У-хромосомы, что дало Г-образную ЛГ-хромосому с генами сг+/В+ дико­го типа (ген сг определяет окраску глаз цвета красной гвозди­ки, а В — полосковидные глаза).

Для анализирующего скрещивания были взяты самцы с нор­мальными Х- и У-хромосомами, при этом половая хромосома самца несла гены сг и В+ в гемизиготном состоянии. В потом­стве были изучены цитологически только самки, среди которых сформировались два класса мух с некроссоверными хромосомами.

Гемизиготность — наличие гена (или группы генов) без соответствующих партнеров (аллелей) у диплоидных организмов, и два класса, появившихся в результате кроссинговера меж­ду генами сг и В. Каждый из четырех классов отличался от ос­тальных не только по признакам глаз, но и по морфологии по­ловых хромосом, поэтому цитологически можно было установить, что кроссинговер, давший два новых класса мух, сопровождался обменом участками Х-хромосом.

Подвійний кросинговер. Если сцепленные гены расположены далеко друг от друга, то ситуация усложняется. В рассматриваемом случае три сцеплен­ных гена расположены в одной хромосоме и между ними происходит пере­крест, наблюдаемый у гетерозиготных самок в первом поколении.

Обозначим три рецессивных гена а, Ь, с, а соответствующие доминантные ABC . Скрещиванием самок первого поколения с самцами, рецессивными по трем генам (ааЬЬсс), можно определить частоту образования гамет. Гаметы типа АВС и авс представляют собой некроссоверный класс гамет; гаметы типа аВС и Abс образуются в результате перекреста между локусами, в которых располо­жены пары аллелей А—а и В—Ъ. В других случаях может возникнуть перекрест между локусами аллельных пар В—Ъ и С—с. Подобный перекрест, очевидно, приведет к образованию гамет типа АВс и аЬС. Наконец, пере­крест может произойти и одновременно в двух участках. Такое явление называется двойным перекрестом. В результате перекреста возникнут гаме­ты типа АЬС и аВс. .

Частота образования различных типов гамет зависит от расстояния меж­ду генами, однако в каждом отдельном случае гаметы некроссоверного типа наиболее многочисленны, а гаметы, возникшие в результате двойного пе­рекреста, образуются реже. Для того чтобы показать, как в этом случае вычислить силу сцепления, допустим, что от скрещивания самки и самца, рецессивных по всем трем локусам, получено следующее потомство:

Без перекреста (генотип АВС/аЬс)

То же (abc/abc)

Одиночный перекрест в участ. 1(Abc/abc)

То же (аВС/abc)

Одиночный перекрест в участ. 2 (ABc/abc)

То же (abC/abc) .

Двойной перекрест (аЬС/авс)

То же (aBc/abc)

Общая численность особей, полученных в этом опыте, — 521. Определяем число особей с одиночным перекрестом в участке 1: 37+42=79. К числу особей с одиночным перекрестом добавляем число особей с двойным пере­крестом. Общее число особей с перекрестом в участке 1 равно 79+14=93. Выраженное в процентах от общего числа особей (521), это число отражает расстояние между локусами аллельных пар А—а и В—Ь, а также частоту перекреста. Таким же путем можно определить общее число особей с пере­крестом в участке 2 (70+65+8+6=149). Следовательно, частота перекреста в участке 2 будет равна 28,60%. Необходимо принять во внимание, что 14 особей с двойным перекрестом учтены при подсчете частоты перекреста как в участке 1, так и в участке 2.

Другое обстоятельство, которое следует иметь в виду в отношении двойных перекрестов, состоит в том,, что они затрагивают только среднюю часть хромосомы между локусами А—а и С—с. Таким образом, при двой­ных перекрестах изменяется только положение генов В и 6, а расположение локусов А—а и С—с остается неизменным. Если мы не проконтролируем наследования генов В—Ь, то будет невозможно определить наличие двойных перекрестов. Частота перекрестов, определяемая непосредственно по сцепле­нию между генами А я С, без учета передачи генов В—Ь будет менее достоверной.

В нашем примере всего у 214 особей из 521 обнаруживается перекрест между локусами Л и С, следовательно, частота его равна 41,07%. Эту величину можно сравнить с суммой вычисленных ранее значений для перекрестов в участках 1 и 2. Эти значения были равны 17,85 и 28,60%, что дает в сумме 46,45%, т. е. на 5,38 единицы больше величины, получен­ной непосредственным определением частоты перекреста между локусами А. и С.

Если для определения расстояния между двумя локусами в хромосоме в качестве единицы измерения используют процент перекреста, то такое определение следует по мере возможности производить путем сложения рас стояний между данными локусами и одним из промежуточных локусов. При прямом определении процента перекреста между двумя локусами, располо­женными относительно далеко друг от друга, всегда получаются значения, ниже достоверных, причем ошибка возрастает с увеличением расстояния между локусами.

Суммируя результаты, полученные в экспериментах на дро­зофиле, Т. Морган сформулировал хромосомную теорию наслед­ственности, основные положения которой таковы:

1. Гены находятся в хромосомах и расположены в линейном порядке на определенном расстоянии друг от друга.

2. Гены, расположенные в одной хромосоме, представляют собой группу сцепления и наследуются совместно.

3. Новые сочетания генов, находящихся в одной хромосоме, возникают в результате кроссинговера.

4. Частота кроссинговера зависит от расстояния между ге­ нами.

Используя закономерности линейного расположения генов в хромосоме и определив частоту кроссинговера, можно пост­роить генетические карты.

Перекрест хромосом повышает комбинативную изменчивость и тем самым создает материал для естественного и искусствен­ного отбора. Не меньшее значение в эволюции имеет и сцепле­ние генов в хромосоме, так как благодаря ему сохраняется ста­бильность организмов. Если бы не было сцепления, то в потом­стве возникали бы миллионы различных комбинаций призна­ков, и образование и существование видов было бы практически нереально. Сцепление генов ограничивает комбинативную изменчивость, создавая видовую устойчивость.