Сцепленное наследование и кроссинговер

Сцепленное наследование и
кроссинговер
Основной вывод, который можно сделать
из третьего закона Менделя это вывод о
том, что независимое комбинирование
генов может осуществляться лишь при
условии, что гены находятся в разных
парах хромосом. Таким образом, если
предположить, что каждая хромосома
содержит в себе только 1 ген, то число
генов, могущих независимо
комбинироваться в мейозе, должно быть
ограничено числом хромосом у данного
вида.
Понятно, однако, что число признаков,
которые наследуются по моногибридной
менделевской схеме, значительно
превосходит число хромосом. Особенно
этот факт бросается в глаза у тех видов,
для которых характерно наличие малого
числа хромосом в кариотипе.
(Например, у гороха гаплоидный набор составляет 7
хромосом, у аскариды - всего 1 хромосома, у дрозофилы – 4
хромосомы)
Следовательно каждая конкретная
хромосома должна нести не 1 ген, а
значительно большее их число. И
наследоваться эти гены,
находящиеся в одной хромосоме,
должны не независимо, а сцепленно
друг с другом. В настоящее время
хромосому, содержащую набор
определенных генов, так и называют
– «группа сцепления».
Сцепленное наследование у душистого
горошка
(У. Бэтсон и Р. Пеннет,1906)
P – пурпурные цветки
p – красные цветки
L – удлиненная пыльца
l – округлая пыльца
Р
х
PPLL
пурпурные цветки
удлиненная пыльца
F1
F2
P- l- - 69,5%;
пурпурные цветки
удлиненная пыльца
ppll
красные цветки
округлая пыльца
PpLl
пурпурные цветки
удлиненная пыльца
P- ll – 5,6%;
pp L- 5,6%;
пурпурные цветки
красные цветки
округлая пыльца удлиненная пыльца
ppll – 19,3%
красные цветки
округлая пыльца
Бэтсон и Пеннет сделали вывод, что
родительские сочетания аллелей,
изучаемые ими генов (то есть PL и pl),
предпочтительно попадают в одни и те же
гаметы в то время, как их новые
сочетания (рекомбинантные) (Pl и pL)
встречаются гораздо реже.
В дальнейшем выяснилось, что
сцепление генов, как правило,
проявляется не полностью, а лишь
частично, а появление в потомстве
рекомбинантных особей можно
объяснить мейотической
перекомбинацией генов или
кроссинговером.
Где происходит кроссинговер
Мейотическая перекомбинация
генов
Первые генетические доказательства
роли кроссинговера в перекомбинации
наследственных признаков были
получены в экспериментах Т. Моргана и
его учеников, выполненных на
дрозофиле.
Разберем конкретный пример:
У дрозофилы известна мутация, вызывающая черную
окраску тела; мутация обусловлена рецессивным геном (black
- b). Его доминантная аллель (b+) детерминирует серую
окраску.
Существует также рецессивный ген vestigial (vg), который в
гомозиготном состоянии приводит к развитию признака
“рудиментарные крылья”. Его доминантная аллель (Vg+)
определяют нормальное развитие крыльев.
При скрещивании мухи, обладающей черным телом и
рудиментарными крыльями, с мухой, обладающей парой
доминантных признаков (то есть серое тело и нормальные
крылья) Морган получил в первом поколении особей,
дигетерозиготных по этим генам и несущих, соответственно,
признаки дикого типа.
Далее ставились реципрокные по полу анализирующие скрещивания.
Если дигетерозиготой был самец, то в потомстве наблюдалось
расщепление 1:1. Таким образом, в ходе эксперимента Морган открыл, что у
самцов дрозофилы перекрест хромосомы не происходит.
Если дигетерозиготой была самка, то в потомстве наблюдалось
расщепление на 4 фенотипических класса, два из которых имеют
сцепленные гены в том же порядке, что и у родителей, а два других
класса возникли в результате нарушения сцепления – это кроссоверы
Эти результаты неопровержимо
показывали, что в ходе гаметогенеза у
самки дрозофилы произошел обмен
фрагментами гомологичных хромосом кроссинговер.
Результаты этих опытов Т. Моргана, а в
дальнейшем и экспериментов других
исследователей, проведенных на разных
объектах, показали, что действительно
существует сцепление генов, и лишь в известном
проценте случаев оно нарушается вследствие
кроссинговера. Кроме того, для каждой данной
пары сцепленных генов процент кроссинговера
оказывается одинаковым при всех возможных
сочетаниях признаков (а соответственно и
генов) у родительских форм.
Это последнее положение позволило сотруднику
Моргана Альфреду Стертеванту предположить,
что частота кроссинговера на участке между
генами, локализованными в одной хромосоме,
может служить мерой расстояния, на котором
эти два гена находятся друг от друга.
Следовательно, можно использовать показатель
частоты кроссинговера для определения
взаиморасположения генов и для определения
расстояния между ними; чем чаще
осуществляется кроссинговер, тем дальше
отстоят гены друг от друга и наоборот.
Изучение кроссинговера позволило
Моргану выдвинуть еще одно очень
важное положение – гипотезу линейного
расположения генов в хромосоме.
Экспериментальным доказательством
этой гипотезы служили, например,
результаты скрещивания самок
дрозофил, гетерозиготных по трем
рецессивным сцепленным генам с
самцами, гемизиготными по этим же
генам.
Линейное расположение генов в
хромосоме
Таким образом, из этих данных стало очевидно,
что процент перекреста является функцией
расстояния между генами и их
последовательного, то есть линейного
расположения в группе сцепления. Тот факт,
что эти же результаты стабильно
воспроизводились и в повторных опытах
показывает, что каждый ген занимает в
хромосоме определенные, строго
фиксированное положение, называемое локус.
 В настоящее время принято
использовать специальную
генетическую единицу измерения
кроссинговера. Генетическое расстояние,
на котором кроссинговер происходит с
вероятностью 1%, называется
сантиморган (сМ) – (в честь Т. Моргана).
Неравный кроссинговер
Обычно кроссинговер приводит к очень точным
(реципрокным) обменам так как его основой
является молекулярная гомология участков
гомологичных хромосом. Однако, в редких случаях
могут наблюдаться разрывы не в тождественных
участках – это неравный кроссинговер. Вследствие
неравного кроссинговера участок одной из
гомологичных хромосом может удвоиться или
утроиться, в то время как в другой гомологичной
хромосоме фрагмент будет утерян.
Неравный кроссинговер
Глаза мух: дикого типа В+
(слева), с мутациями В (в
центре) и ВВ (справа)
Соматический кроссинговер
Помимо мейоза реципрокные обмены между
гомологичными хромосомами могут
возникать и в соматических клетках в ходе
митоза. В основном этот процесс происходит
в эмбриональных тканях. Гомологичные
хромосомы в интерфазе конъюгируют и
входят в митотическое деление спаренными.
Соматический (митотический) кроссинговер
может быть выявлен, если он происходит на
стадии четырех хроматид.
Факторы, влияющие на частоту
кроссинговера
 Внешние условия (температура, радиация,
химические соединения и др.).
 Пол (у человека рекомбинация происходит
примерно в два раза чаще у женщин, чем у
мужчин).
 Стадия развития (возраст).
 Генотип (наличие определенных генов или
структурных изменений хромосом).
Множественный кроссинговер
 На практике, как правило, оказывается, что сумма
меньших частот рекомбинации обычно превышает
частоту рекомбинаций между наиболее
отдаленными друг от друга генами. Этот факт
объясняется тем, что между любыми двумя
сцепленными генами возможен не только
одиночный, но и двойной, тройной
(множественный) кроссинговер.
 Пусть, например, в гомологичной паре хромосом
содержатся три пары аллелей в гетерозиготном
состоянии
 Тогда перекрест, произошедший только в участке
между генами А и В или между В и С, будет
одинарным. В результате одинарного перекреста
возникают в каждом случае только две
кроссоверные хромосомы aBC и Abc или Abc и aBC.
 Каждый двойной кроссинговер возникает благодаря
двум независимым одинарным разрывам в двух
точках.
 Таким образом, множественный кроссинговер
приводит к сокращению действительно
существующих генетических расстояний.
Интерференция
 Вместе с тем между обменами на соседних участках хромосом
существует особое взаимовлияние, названное
интерференцией. Такое взаимовлияние можно выразить
количественно. Для этого сопоставляют реально
наблюдаемую частоту двойных кроссинговеров с частотой,
теоретически ожидаемой на основе предположения о том, что
обмены на соседних участках происходят независимо друг от
друга. Степень и характер интерференции измеряется
величиной коинциденции (С). Коинциденцию оценивают как
частное от деления реально наблюдаемой частоты двойных
кроссоверов на теоретически ожидаемую частоту двойных
кроссоверов. Последнюю величину получают, перемножая
частоты кроссинговера на соседних участках.
 Величину интерференции (I) определяют
по формуле I=1-C. Как правило
интерференция положительна (С<1), т.е.
одиночный обмен, произошедший в
каком-либо локусе, препятствует обмену
на соседнем участке хромосомы.
 Таким образом, необходимо учитывать две
противоположные тенденции. С одной стороны –
двойной кроссинговер, как бы, сокращает
регистрируемые генетические расстояния между
генами, а с другой стороны – интерференция
препятствует множественным обменам,
вероятность которых увеличивается с
увеличением расстояния между генами.
 Как правило, на больших расстояниях (это около
35% рекомбинации) эффект интерференции
сводится практически к 0. Отсюда следует вывод,
что наиболее точно данные о частоте
кроссинговера можно получать лишь на коротких
расстояниях (до 10 сМ.).
Картирование генов
 Используя данные об особенностях
наследования генов, находящихся в одной
группе сцепления, а также проводя учет
кроссоверных особей при скрещиваниях,
можно определить конкретный локус гена в
конкретной хромосоме. В генетике подобные
операции называются картированием генов.
Картирование генов
Картирование гена производится в два
этапа:
1). Определение группы сцепления для
изучаемого гена.
2). Локализация изучаемого гена на уже
известной группе сцепления.
1-й этап картирования
 Принцип определения принадлежности гена
к той или иной хромосоме сводится к
установлению характера наследования
(независимое или сцепленное) для
определяемого гена по отношению к одному
или двум другим генам (маркерам),
находящимся в уже известной группе
сцепления.
2-й этап картирования
 Для установления генного локуса необходимо
проводить скрещивания таким образом, чтобы
место определяемого гена стало третьей точкой по
отношению к как минимум двум маркерным генам,
уже локализованным на данной хромосоме.
 После этого, рассчитав процентное соотношение
кроссоверных особей и учтя эффект интерференции
и возможных множественных обменов, можно
вычислить генетическое расстояние между
картируемым геном и уже известными
маркерными генами.
Картирование генов
Генетическая карта одной из хромосом Drosophila
melanogaster. Показано расположение мутантных
генов, идентифицированных в каждой из
указанных точек.
Цитологическое доказательство
роли кроссинговера в рекомбинации
 Ранее был рассмотрен пример генетического
доказательства кроссинговера, полученный Т.
Морганом и его сотрудниками в экспериментах на
дрозофиле в 20-х годах XX века. Несколько позднее
(в начале 30-х годов) удалось получить и прямые
доказательства обмена участками гомологичных
хромосом, сопровождающегося рекомбинацией
генов. Это было сделано с использованием
цитогенетического метода К. Штерном на
дрозофиле и Б. Мак-Клинток на кукурузе.
Опыт К.Штерна
Штерну удалось получить
экспериментально у самки дрозофилы
половые хромосомы, отличимые как
генетически, так и цитологически (то есть
имеющие разную морфологию). Одна Х –
хромосома самки была сильно укорочена
(за счет транслокации ацептрического
фрагмента на хромосому из 4-ой пары) и
содержала два гена (B-bar – доминантный,
полосковидные глаза и cr - глаза цвета
гвоздики). Вторая Х – хромосома также
была морфологически различимой за счет
транслокации на нее фрагмента Y –
хромосомы и содержала также два гена
(B+ - нормальные глаза и cr – нормальная, темнокрасная окраска глаз).
Х – хромосома самца несла рецессивные аллели
исследуемых генов (B+ и cr).
Все четыре класса самок, полученных в F1,
различались с одной стороны по фенотипу, а
с другой – по цитологической структуре
половых хромосом.
 Таким образом, Штерн в результате
своего опыта смог показать, что
кроссинговер между генами (B и Cr)
сопровождается физическим
обменом между участками
маркированных Х – хромосом.
Опыт Б. МакКлинток
Была получена линия, в которой
хромосомы 4-й пары у кукурузы
были цитологически различимы.
Одна была нормальной и несла гены
с – неокрашенный эндосперм и Wx –
крахмалистый эндосперм. Другая
имела knob (утолщение одного
плеча) и содержала гены С –
окрашенный эндосперм и wx –
восковидный эндосперм. Было
установлено, что кроссоверные зерна
содержали 4-ю хромосому с
обменявшимися участками:
хромосому нормальной длины но с
утолщением или хромосому с
утолщением но удлиненную.
Основные положения хромосомной
теории наследственности
1). Ген – участок хромосомы.
2). Аллельные гены локализованы в гомологичных
хромосомах.
3). Гены располагаются в хромосомах линейно.
4). Совокупность генов в одной хромосоме образует
группу сцепления.
5). Наследование признаков в одной группе сцепления
осуществляется совместно.
6).Сцепленное наследование может нарушаться в
результате кроссинговера.
7). Пол определяется комбинациями половых
хромосом.