Сцепление и кроссинговер. Теория

Сцепление и кроссинговер
Если число генов организма огромно и измеряется десятками тысяч, то число хромосом невелико. В
связи с этим в каждой паре хромосом локализованы сотни и тысячи аллелей, образующих группы
сцепления.
Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.
Гены, расположенные в одной хромосоме, передаются совместно, и способ их передачи отличается
от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом.
Так, если при независимом распределении дигибрид А В образует четыре типа гамет: АВ, ав, Ав,
а в
аВ в равных количествах, то такой же дигибрид АВ при условии полного сцепления генов А и В
ав
(а и в) образует только два типа гамет: АВ и ав. Для определения типа наследования двух пар генов
(сцепленное или независимое) необходимо провести анализирующее скрещивание:
При полном сцеплении:
Р:
АВ
ав
х
ав
ав
G: АВ ав
ав
F1: АВ
ав
ав
ав
При неполном сцеплении:
Р:
АВ
ав
х
ав
ав
G: АВ ав Ав аВ
ав
F1: : АВ : ав : Ав аВ
ав
ав
ав ав
Сцепленные гены могут наследоваться в потомстве как пара аллельных генов. Это справедливо
лишь для полного сцепления, когда гены локализованы в хромосоме близко друг к другу. При
анализирующем скрещивании в потомстве при неполном сцеплении появляются четыре фенотипа,
два из них имеют новое сочетание генов: Аавв и ааВв. Гаметы Ав и аВ называются
рекомбинантными (кроссоверными), т.к. они образуются только в результате обмена участками
гомологичных хромосом, т.е. в процессе кроссинговера, и количество их значительно меньше, чем
некроссоверных (родительских).
Кроссинговер происходит в профазе I мейоза, во время конъюгации гомологичных хромосом.
Удвоение хромосом к этому времени завершается, и каждая пара представлена 4 хроматидами. В
пахинеме происходит их тесное переплетение, при этом возможны разрывы и объединение
хромосом в новые комбинации.
Сила сцепления генов
Если перекрест между двумя генами происходит редко, то их сцепление считается сильным. Если
перекрест происходит часто, сцепление слабое.
Для измерения силы сцепления растение или животное, гетерозиготное по сцепленным генам,
скрещивается с двойным рецессивом, и в потомстве от такого скрещивания подсчитывается число
особей, у которых оба гена находятся в первоначальных комбинациях (некроссоверы), и число
особей с новой комбинацией (кроссоверы). Выраженная в процентах от общего числа потомков
частота появления кроссоверов и характеризует силу сцепления анализируемых генов.
Кроссинговер у гаплоидных организмов
У гаплоидных организмов число кроссоверных генотипов точно соответствует числу кроссоверных
спор или гамет. Если известны частота кроссинговера между двумя генами и какие гаметы и в каком
отношении образует гетерозигота по двум сцепленным генам, то можно предсказать результаты
скрещивания. Например, установлено, что гены А и В сцеплены с показателем перекреста 20%.
Скрещивание гомозиготных линий АВ/АВ и ав/ав в F1 даст гетерозиготы АВ/ав, которые образуют 4
типа гамет:
Некроссоверы (родительский тип) АВ 80%
ав
Кроссоверы (рекомбинанты)
АВ
20%
ав
Составив решетку Пеннета с учетом частоты гамет каждого типа, можно подсчитать расщепление в
F2
гаметы
гаметы
0.4 АВ (40%)
0.4 ав (40%)
0.1 Ав (10%)
0.1 аВ (10%)
0.4 АВ
0.16 АВ/АВ
0.16 АВ/ав
0.04 АВ/Ав
0.04 АВ/аВ
0.4 ав
0.16 АВ/ав
0.16 ав/ав
0.04 ав/Ав
0.04 ав/аВ
0.1 Ав
0.04 АВ/Ав
0.04 Ав/ав
0.01 Ав/Ав
0.01 Ав/аВ
0.1 аВ
0.04 АВ/аВ
0.04 аВ/ав
0.01 аВ/Ав
0.01 аВ/аВ
При суммировании фенотипически одинаковых особей в F2 окажется 66% А-В-, 9% ааВ-, 9% А-вв,
16% аавв.
Если гены локализованы в участках, значительно удаленных друг от друга, возможны двойные и
даже множественные перекресты.
Если известна величина одиночных перекрестов между точками АВ и ВС, можно теоретически
рассчитать частоту одновременного разрыва и обмена в обоих участках. Эта частота равна
произведению частот одиночных перекрестов. Однако теоретически найденная величина обычно
выше действительной, так как разрыв в одном участке хромосомы препятствует разрыву в соседних
из-за интерференции. Влияние интерференции падает с увеличением расстояния от места первого
перекреста. Коэффициент интерференции – это отношение действительной частоты двойных
перекрестов к теоретически ожидаемой. Силу интерференции выражают коэффициентом
коинциденции, или коэффициентом совпадения.
Значительное влияние на частоту кроссинговера оказывают:
1. Структура хромосом (в гетерохроматиновых участках, вблизи центромера и на концах
хромосом перекрест происходит редко)
2. Функциональное состояние организма.
3. Факторы внешней среды (температура, облучение и т.д.), причем одни и те же агенты могут
увеличить частоту перекреста в участках вблизи центромера и уменьшать ее на концах
хромосом.
Множественный кроссинговер
Явление множественного кроссинговера заключается в том, что при достаточном расстоянии между
изучаемыми генами перекрест и разрыв хромосом может происходить несколько раз.
Возьмем три сцепленных гена АВС. Частота рекомбинации между генами АВ и генами ВС равна
20%. Если на отрезке АС может происходить только один кроссинговер, то частота рекомбинации
между локусами А и С равна 40%, т.е. кроссинговер на этом отрезке происходит в двое чаще, чем на
отрезках АВ и ВС. Одновременно кроссинговер на обоих отрезках может осуществляться с частотой
, равной произведению вероятностей кроссинговеров на каждом из отдельных отрезков: 20/100 х
20/100 = 4%. При этом получаются гаметы АвС и аВс. В отношении локусов А и С данные гаметы не
отличаются от родительских и, следовательно, не могут быть отобраны как рекомбинанты при
непосредственном определении частоты кроссинговера между ними. Наблюдаемая частота
кроссинговера окажется равной не 40%, а на 4% меньше, т.е. 36%.
Таким образом, частота рекомбинации между далеко расположенными генами всегда меньше суммы
промежуточных частот. При непосредственном определении частота кроссинговера между
крайними генами в хромосоме не может превышать 50%. Это происходит потому. Что одиночный
кроссинговер ведет к рекомбинации, а двойной восстанавливает родительское сочетание генов,
расположенных по обе стороны от места, где произошел перекрест. Если произойдет третий
кроссинговер, то он опять приводит к рекомбинации между внешними генами. Четвертый
кроссинговер вновь восстанавливает родительское сочетание генов. Нечетное число кроссинговеров
к рекомбинации генов, а четное не приводит к рекомбинации генов, удаленных друг от друга на
расстояние, в пределах которого возможен множественный кроссинговер.
Формулы расчета расщепления от скрещивания дигетерозигот при сцеплении генов
Гетерозигота АВ дает 4 типа гамет, частота которых зависит от вероятности рекомбинации р между
обоими локусами. Родительские некроссоверные гаметы образуются с одинаковой вероятностью,
равной 1 – р, т.е. АВ = 1 – р; ав = 1 – р. Кроссоверные гаметы имеют частоту, равную р/2, т.е.
2
2
2
Ав = р/2 и аВ = р/2.
Пример
В каком отношении дигибрид АВ/ав образует гаметы различных типов, если сила сцепления между
генами А и В равна 40%?
р = 40% = 0.4. Поэтому дигибрид дает следующие гаметы
АВ: 1 – р = 1 – 0.4 = 0.3
2
2
ав: 1 – р = 1 – 0.4 = 0.3
2
2
Ав: р = 0.4 = 0.2
2
2
аВ: : р = 0.4 = 0.2
2
2
При скрещивании двух гетерозигот АВ/ав и АВ/ав с двумя сцепленными генами получается
расщепление (количество определенных генотипов)
F1: (АВ) = 2 + (1 – р) 2
4
(ав) = (1 – р) 2
4
(Ав) = (аВ) = 1 – (1 – р) 2
4
Пример
Каким окажется расщепление в F1 от скрещивания двух гетерозигот при расстоянии между генами А
и В, равном 40 морганид?
Р:
АВ/ав х
АВ/ав
гаметы
АВ 1 – р
2
ав 1 – р
2
Ав р
2
аВ р
2
АВ 1 – р
2
ав 1 – р
2
(1 – р)2 АВ
4
АВ
2
(1 – р) АВ
4
ав
(1 – р)р АВ
4
Ав
(1 – р)р АВ
4
аВ
(1 – р)2 ав
4
АВ
2
(1 – р) ав
4
ав
(1 – р)р ав
4
Ав
(1 – р)р ав
4
аВ
Расщепление по фенотипу окажется следующим
АВ 2 + (1 – р )2 = 0.59
(1)
4
ав (1 – р)2 = 0.09
(2)
4
Ав 1 – (1 – р) 2 = 0.16
(3)
4
аВ 1 – (1 – р) 2 = 0.16
(4)
4
гаметы
Ав р
2
(1 – р)р Ав
4
АВ
(1 – р)р Ав
4
ав
2
Р
Ав
4
Ав
2
Р
Ав
4
аВ
аВ р
2
(1 – р)р аВ
4
АВ
(1 – р)р аВ
4
ав
2
Р
аВ
4
Ав
2
Р
аВ
4
аВ
В случае гетерозигот Ав/аВ х Ав/аВ для вычисления соотношения получаемых фенотипов
выражение 1 – р в формулах (1) – (4) необходимо заменить на р. Тогда частота фенотипов будет
следующей:
АВ : 2 + р2
4
ав: р2
4
Ав: 1 – р2
4
аВ:
1 – р2
4
Неравный кроссинговер – обмен неравными участками, вследствие чего в одной из гомологичных
хромосом происходит дупликация, а в другой нехватка по данному локусу. (открыт у дрозофилы и
кукурузы)
Митотический кроссинговер – происходит между двумя несестринскими хроматидами на стадии
четырех хроматид. В результате обмена участками хромосом генотипы образовавшихся клеток
оказываются измененными: рецессивы переходят в гомозиготное состояние и обуславливают
появление участков тканей с рецессивными признаками. (У людей радужная оболочка одного глаза
может быть темная, а другого – светлая или на темной могут быть светлые сектора – это результат
митотического кроссинговера). Митотический кроссинговер возможен в половых хромосомах и
аутосомах.
Эндомитоз – явление, при котором хромосомы клеток слюнных желез личинок насекомых
раскручиваются, становятся длиннее хромосомы обычных клеток, после чего хромосомы
удваиваются, а дочерние хромосомы не расходятся. В результате образуются длинные лентовидные
хромосомы с хорошо заметными поперечными полосами по всей длине, т.е. политенные
хромосомы.
Эффект положения гена
Проявление активности гена может завесить от его локализации в хромосоме. Изменение
доминантности гена может произойти вследствие изменения расположения соседних генов. Это
явление получило название эффекта положения генов.
Эффект положения может быть следствием структурных перестроек хромосом. По характеру
проявления он бывает доминантным, рецессивным, летальным, в некоторых случаях может изменять
проявление количественных признаков или действовать как модификатор доминантности и
пенетрантности других генов.