Генетика – кроссинговер и сцепление генов

Генетика – кроссинговер и сцепление генов Сапунов Г.

• Предположим, что два гена - А и В - находятся в одной хромосоме и организм, взятый для скрещивания, гетерозиготен по этим генам. • В анафазе мейоза I гомологичные хромосомы расходятся в разные клетки и образуется два сорта гамет - АВ и ab (вместо четырех, как это должно быть при дигибридном скрещивании), которые повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя. • Такое отклонение от независимого распределения означает, что гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, или сцепленно (закон Т. Моргана ). • Группы генов, расположенных в одной хромосоме, составляют группу сцепления. • Сцепленные гены расположены в хромосомах в линейном порядке. • Число групп сцепления соответствует числу пар хромосом, т. е. гаплоидному набору. Так, у человека 46 хромосом - 23 группы сцепления, у дрозофилы 8 хромосом - 4 группы сцепления.

• Однако при анализе наследования сцепленных генов было установлено, что сцепление не бывает абсолютным, может нарушаться, в результате чего возникают новые гаметы и а. В Аb с новыми комбинациями генов, отличающимися от родительской гаметы. • Причина нарушения сцепления и возникновения новых гамет - кроссинговер - перекрест хромосом в профазе мейоза I • Перекрест и обмен участками гомологичных хромосом приводит к возникновению качественно новых хромосом и, следовательно, к постоянной "перетасовке" - рекомбинации генов.

• Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем выше вероятность перекреста между ними и тем больший процент гамет с рекомбинированными генами, а следовательно, и больший процент особей, отличных от родителей. • Т. Морган и его сотрудники показали, что, изучив явление сцепления и перекреста, можно построить карты хромосом с нанесенным на них порядком расположения генов.

• Кроссинговер – реципрокный обмен идентичныи участками гомологичных хромосом, приводящий к рекомбинации сцепленных генов • О реципрокном характере обмена свидетельствует: 1. Качественная взаимность 2. Численное равенство R 1=R 2

Рекомбинация: три источника изменчивости геномов 1) Кроссинговер - процесс реципрокных обменов генетической информацией в пределах хромосомы. 2)Независимая сегрегация негомологичных хромосом в мейозе - процесс, обеспечивающий перекомбинирование целых хромосом. 3) Кроссбридинг - процесс перекомбинирования имеющихся в популяции гаплоидных геномов.

• В 1911 — 1912 годах Т. Морган и сотрудники проверили проявление третьего закона Менделя на мухах- дрозофилах. Они учитывали две пары альтернативных признаков: серый (В) и черный (Ь) цвет тела и нормальные (V) и короткие (v) крылья. При скрещивании гомозиготных особей с серым цветом тела и нормальными крыльями с мухами с черным цветом тела и короткими крыльями получили единообразие гибридов первого поколения — мух с серым телом и нормальными крыльями. Подтвердился I закон Менделя.

• Далее Морган решил провести анализирующее скрещивание гибридов первого поколения. Рецессивную гомозиготную самку он скрестил с дигетерозиготным самцом.

• Морган ожидал получить, согласно третьему закону Менделя, мух четырех разных фенотипов в равном количестве (по 25%), а получил двух фенотипов (по 50% каждого). • Морган пришел к выводу, что поскольку у организмов генов много, а хромосом относительно мало, то, следовательно, в каждой хромосоме содержится большое количество генов, и гены, локализованные в одной хромосоме, передаются вместе (сцепленно). • Цитологические основы этого явления можно пояснить следующей схемой. Одна из пары гомологичных хромосом содержит два доминантных гена (BV), а другая — два рецессивных (bv). При мейозе хромосома с генами BV попадет в одну гамету, а хромосома с генами bv в другую. • Таким образом, у дигетерозиготного организма образуются не четыре типа гамет (когда гены расположены в разных хромосомах), а только два, и, следовательно, потомки будут иметь два сочетания признаков (как у родителей).

• Гены, локализованные в одной хромосоме, обычно передаются вместе и составляют одну группу сцепления. • Так как в гомологичных хромосомах локализованы аллельные гены, то группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, и, следовательно, количество групп сцепления соответствует количеству пар хромосом (или гаплоидному числу хромосом). Так, у мухи-дрозофилы всего 8 хромосом — 4 труппы сцепления, у человека 46 хромосом — 23 группы сцепления.

• Если гены, локализованные в одной хромосоме, передаются всегда вместе, то такое сцепление называется полным. Однако при дальнейшем анализе сцепления генов было обнаружено, что в некоторых случаях оно может нарушаться. Если дигетерозиготную самку мухи-дрозофилы скрестить с рецессивным самцом, результат будет следующий:

• Морган предполагал получить опять мух четырех фенотипов по 25%, а получил потомков четырех фенотипов, но в другом соотношении: • по 41, 5% особей с серым телом и нормальными крыльями и с черным телом и короткими крыльями • по 8, 5% мух с серым телом и короткими крыльями и с черным телом и нормальными крыльями. • В этом случае сцепление генов неполное , т. е. гены, локализованные в одной хромосоме, не всегда передаются вместе. Это связано с явлением кроссинговера, которое заключается в обмене участками гомологичных хроматид в процессе их конъюгации в профазе мейоза I. Кроссинговер у гетерозиготных организмов приводит к перекомбинации генетического материала.

• Каждая из образовавшихся хроматид попадает в отдельную гамету. Образуются 4 типа гамет, но в отличие от свободного комбинирования их процентное соотношение будет неравным, так кроссинговер происходит не всегда. • Частота кроссииговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем чаще может происходить кроссинговер. • Расстояние между генами определяется в процентах кроссииговера — 1 морганида равна 1 % кроссинговера. • Итак, свободное комбинирование генов, согласно третьему закону Менделя, происходит в том случае, когда исследуемые гены расположены в разных хромосомах. • Неполное сцепление наблюдается тогда, когда происходит перекомбинация генов (кроссинговер), расположенных в одной хромосоме. • Если гены расположены в одной хромосоме и кроссинговер не происходит, сцепление будет полным. Кроссинговер имеет место у всех растений и животных, за исключением самца мухи- дрозофилы и самки тутового шелкопряда.

• Была выведена формула частоты рекомбинаций, которая выглядит следующим образом: • Частота рекомбинаций= (число рекомбинантов/общее число потомков)*100% ученик Моргана Стертевант высказал мысль, что частота рекомбинаций отражает относительное взаимное расположение генов в хромосоме: чем дальше друг от друга находятся сцепленные гены, тем больше вероятность кроссинговера, т. е. частота рекомбинаций. Это объясняется тем, что чем ближе находятся сцепленные гены, тем больше между ними взаимодействие и тем труднее они отделяются друг от друга.

Закон аддитивности. Генетическое расстояние. • Стеревант исследовал частоту кроссинговера между тремя генами (y, w, bi). Такой метод называется триангуляцией. В ходе экспериментов Стертевант открыл закон аддитивности • если измерить частоту кроссинговера между тремя генами (А, В, С), то частота между любыми из них приблизительно равна сумме или разности частот кроссинговера между двумя другими парами, т. е. АС%=АВ%+ВС% или АС%=АВ%-ВС%. • Эта закономерность соответствует аксиоме геометрии о длинах отрезков, поэтому был сделан вывод, что гены в хромосоме располагаются линейно и находятся на определенном расстоянии друг от друга. • Благодаря этому можно не только узнавать расстояние между генами, но и устанавливать их взаимное расположение. Таким методом создают карты хромосом. Первой была составлена Стеревантом хромосомная карта одной из хромосом мухи дрозофилы. • Рассмотрим пример с определением взаиморасположения трех генов, если известно что частота кроссинговера составляет следующие значения: АВ = 14%, АС = 8%, ВС = 6%. Можно заметить, что 8+6=14, т. е. АС%+ВС%=АВ%, значит, по закону аддитивности, гены лежат в порядке А-С-В.

• Если rf в динамике – чем больше rf, тем меньше сцепление – гены образуют кластеры Допущения Морган, почему rf такая: 1. гены в хромосомах расположены линейно 2. каждый ген занимает определенное место – локус 3. разные аллели одного гена в гомологичных хромосомах занимают идентичные места Rf – мера расстояния между генами – на длинных участках обмены м. б. чаще, а на коротких – реже Rf <10 с. М – аддитивность работает

• Rf между первым и третьим генами равна сумме или разности rf между первым и вторым; и вторым и третьим генами – доказана линейность генов • Т. о. rf – линейная функция расстояния между генами и их последовательного расположения в хромосоме • Значит генетическое расстояние можно выражать в частотах рекомбинации

Хромосомная теория наследственности 1. Гены локализованы в хромосомах линейно и в строгой последовательности 2. Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах. 3. Меду гомологичными хромосомами закономерно происходит реципрокный обмен гомологичными участками 4. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола). Сцепление нарушается в результате кроссинговера

Множественный кроссинговер • Т. Морган предположил, что кроссинговер между двумя генами может происходить не только в одной, но и в двух и даже большем числе точек. • Четное число перекрестов между двумя генами, в конечном счете, не приводит к их перемещению из одной гомологичной хромосомы в другую, поэтому число кроссинговеров и, следовательно, расстояние между этими генами, определенное в эксперименте, снижаются. • Обычно это относится к достаточно далеко расположенным друг от друга генам. • Естественно, что вероятность двойного перекреста всегда меньше вероятности одинарного. В принципе она будет равна произведению вероятности двух единичных актов рекомбинации. Например, если одиночный перекрест будет происходить с частотой 0, 2, то двойной – с частотой 0, 2 × 0, 2 = 0, 04. В дальнейшем, наряду с двойным кроссинговером, было открыто и явление множественного кроссинговера: гомологичные хроматиды могут обмениваться участками в трех, четырех и более точках. • нечетное число кроссинговеров приводит, а четное не приводит к рекомбинации генов, удаленных друг от друга на расстояние, в пределах которого возможен множественный кроссинговер.

Интерференция генов. • Интерференция – это подавление кроссинговера на участках, непосредственно прилегающих к точке происшедшего обмена. • При определении расстояний между генами оказывается, что число двойных кроссоверов меньше, чем теоретически ожидается (под теоретически ожидаемой частотой двойного кроссинтовера между генами А и С понимают произведение частот одинарных кроссинговеров между генами АВ и ВС). • Подавление кроссинговера на участках, непосредственно прилегающих к точке произошедшего обмена, называется интерференцией. • Г. Меллер предложил определять интенсивность интерференции количественно, путем деления фактически наблюдаемой частоты двойных кроссинговеров на теоретически ожидаемую. Он назвал этот показатель коэффициентом коинциденции, т. е. совпадения. • Так, если частота рекомбинации между генами А и В составляет 10%, между В и С - 15%, а число двойных рекомбинантов (Аb. С и а. Вс) — 0, 045%, то коэффициент коинциденции составляет: С = 0, 00045/(0, 1 x 0, 15) = 0, 03. • Если коэффициент коинциденции меньше единицы (С < 1), то интерференция положительна, т. е. один обмен препятствует обмену на соседнем участке хромосомы. Если С>1, то интерференция отрицательна, т. е. один обмен как бы стимулирует дополнительные обмены на соседних участках. В действительности обнаружена только положительная интерференция.

Локализация гена • Если гены расположены в хромосоме линейно, а частота кроссинговера отражает расстояние между ними, то можно определить местоположение гена в хромосоме. • Прежде чем определить положение гена, т. е. его локализацию, необходимо определить, в какой хромосоме находится данный ген. Гены, находящиеся в одной хромосоме и наследующиеся сцепленно, составляют группу сцепления. Очевидно, что количество групп сцепления у каждого вида должно соответствовать гаплоидному набору хромосом.

• Совпадение количества групп сцепления с гаплоидным числом хромосом служит еще одним доказательством того, что именно хромосомы являются материальными носителями наследственной информации. • Принцип определения принадлежности гена к той или иной группе сцепления сводится к установлению характера наследования этого гена по отношению к другим генам, находящимся в уже известной группе сцепления. • Предположим, что известно по одному рецессивному гену в каждой из 7 групп сцепления у гороха (5, с, d и т. д. ) и необходимо определить, к какой из групп сцепления относится рецессивный ген а. Так как этот ген может относиться лишь к какой-то одной группе сцепления, то с генами остальных шести он должен показывать независимое наследование. Так, при скрещивании особей двух генотипов в F 2 будет расщепление 9 (A-D- ): 3 (A-dd) : 3 (aa. D-): 1 (aadd). Однако с геном одной из 7 групп сцепления, допустим с геном с, ген (а) обнаружит сцепление, как правило, неполное. В этом случае скрещивание даст в F 2 все четыре ожидаемых класса (А-С-), (А-сс), (аа. С-) и (аасс), но уже не в отношении 9: 3: 3: 1, а с преобладанием родительских классов А-сс и аа. С-, большим или меньшим в зависимости от силы сцепления.

• После определения группы сцепления, к которой принадлежит ген, переходят к следующему этапу анализа и устанавливают место гена в группе сцепления. Локализация гена осуществляется путем учета результатов кроссинговера. • Для нахождения локуса гена в хромосоме необходимо производить скрещивание таким путем, чтобы локус определяемого гена при кроссинговере был третьей точкой, как это имело место при рассмотрении явления двойного кроссинговера. Маркировка трех локусов в хромосоме необходима для определения порядка расположения генов и расстояния между ними.

• Поскольку ген занимает определенное место в группе сцепления, это позволяет устанавливать порядок расположения генов в каждой хромосоме и строить генетические карты хромосом.