Stseplenie_genov_i_khromosomnoe_kartirovanie_u_eukariot.pptx
- Количество слайдов: 72
Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот
• В 1903 г. Вальтер Саттон, объединивший цитологию и генетику в науку цитогенетику, вместе с Теодором Бовери, пришел к выводу, что «единиц наследственности» у большинства организмов значительно больше, чем хромосом. • гены расходятся в дочерние клетки сцеплено, как единая часть хромосомы. • Степень независимости, с которой аллели двух генов расходятся в разные клетки в результате мейоза есть сцепление. Графическое представление нормального человеческого кариотипа в виде идеограмм всех его хромосом
во многих случаях в профазе I мейоза происходит синапсис гомологичных хромосом с последующим реципрокным кроссинговером, или обменом гомологичными участками несестринских хроматид.
• Частота кроссинговера (кросовер) между двумя локусами одной хромосомы пропорциональна расстоянию между этими локусами. • В зависимости от исследуемых локусов варьирует и частота гамет, рекомбинантных по этим локусам. • Это позволяет оценивать относительное расстояние между генами и строить хромосомные карты.
Сцепление и независимое распределение генов При независимом распределении двух пар хромосом с двумя парами генов Aa и Bb сцепления не наблюдается и в результате мейоза в равных пропорциях образуются четыре типа гамет.
Сцепление и независимое распределение генов • При сцеплении генов и отсутствии между ними кроссинговера формируется только два типа различных гамет. • наблюдается полное сцепление и в равных пропорциях образуются некроссоверные гаметы родительских типов.
Сцепление и независимое распределение генов Если между двумя сцепленными генами происходит кроссинговер, захватывающих две несестринских хроматиды, то образуются две новые аллельные комбинации, и появляются рекомбинантные, или кроссоверные и две некроссоверные гаметы.
Сцепление и независимое распределение генов В случае равновероятного образования всех типов гамет передача двух сцепленных генов неотличима от передачи двух не сцепленных и пропорции гамет одинаковы.
Сцепление генов • соотношение фенотипов при сцеплении при двух тесно сцепленных рецессивных мутаций у Drosophila melanogaster • brown (bw) – коричневые глаза • heavy (hv) – утолщенные жилки крыла. • Оба аллеля bw+ и hv+ доминантны и проявляются в фенотипе как красные глаза и тонкие жилки на крыльях.
Сцепление генов •
Сцепление генов • Из-за тесного сцепления этих генов у мух в F 1 образуются такие же гаметы, как и у родителей. • Соотношение фенотипов и генотипов во втором поколении составит 1 : 2 : 1. У 1/4 потомков будут коричневые глаза и утолщенные жилки у 1/2 – красные глаза и тонкие жилки у 1/4 - красные глаза, утолщенные жилки, или 1 коричневоглазых : 2 дикого типа : 1 с утолщенными жилками.
Сцепление генов В результате контрольного скрещивания с мухами первого поколения получаются коричневоглазые мухи с утолщенными жилками в соотношении 1 : 1.
Сцепление генов Анализ большого числа мутантных генов, локализованных на одной и той же хромосоме, обнаруживает, что эти гены входят в одну группу сцепления.
Неполное сцепление, кроссинговер и хромосомное картирование • Обычно при скрещиваниях по двум сцепленным генам в потомстве проявляется небольшой процент рекомбинаций. • Частота рекомбинаций между этими генами зависит от межгенного расстояния. • Эту закономерность впервые исследовали в 1911 г. Томас Х. Морган и Альфред Х. Стертевант.
Работы Моргана по кроссинговеру • Морган первым описал Х-сцепленные гены у Drosophila, анализируя многочисленные Ххромосомные мутации. • При скрещивании мутантных мух с желтым телом (y – yellow) и белыми глазами (w – white) с мухами дикого типа (серое тело красные глаза). • F 1 все самки дикого типа, а у самцов проявляются оба мутантных признака. • F 2 98, 7% мух имеют родительские фенотипы: желтое тело, белые глаза или серое тело, красные глаза. • Остальные 1, 3% мух имеют либо желтое тело, красные глаза, либо серое тело, белые глаза.
Работы Моргана по кроссинговеру • При скрещивании по другим Хсцепленным генам картина оказалась похожей, но пропорции фенотипических классов во втором поколении были другими. • Во втором поколении от скрещивания мутантных белоглазых мух с миниатюрными крыльями родительские фенотипы имели 62, 8% мух, а 37, 2% мух имели другие комбинации родительских признаков.
Работы Моргана по кроссинговеру Морган поставил два вопроса: (1) В чем причина разделения сцепленных генов? (2) Почему частота рекомбинаций варьирует в зависимости от изучаемых генов? • В то время уже были известны результаты цитологических наблюдений Ф. А. Янссенса, который в 1909 г. Обнаружил хиазмы (точки перекреста) во время синапса гомологичных хромосом в мейозе у земноводных. • Морган предположил, что хиазмы как раз и являются точками генного обмена между хромосомами.
Работы Моргана по кроссинговеру при скрещиваниях по мутантным генам yellow-white происходит 1, 3% рекомбинаций, а при скрещиваниях по генам white-miniature - 37, 2% рекомбинаций между этими генами. -он пришел к выводу о линейном расположении генов вдоль хромосомы и о различной частоте рекомбинаций между отдельными генами.
Работы Моргана по кроссинговеру • Морган предположил, что частота формирования хиазм (рекомбинаций) между двумя тесно сцепленными генами ниже, чем между более отдалёнными генами. • Для описания процесса обмена между хроматидами, приводящего к рекомбинации генов Морган ввел понятие кроссинговера.
Работы Стертеванта по картированию генов • Альфред Стертевант – впервые применил предположения своего учителя для картирования генов на хромосомах. • Он продолжил исследование рекомбинаций между мутантными генами yellow, white, miniature и получил следующие частоты кроссинговера между отдельными генами в разных скрещиваниях: (1) yellow, white (2) white, miniature (3) yellow, miniature 0, 5% 34, 5% 35, 4%
Работы Стертеванта по картированию генов • частота рекомбинаций между генами yellow и white меньше, значит они находятся наиболее близко друг к другу, однако они отдалены от гена miniature, поскольку частота рекомбинаций между генами white, miniature и yellow, miniature намного выше. • Поскольку частота рекомбинации между генами yellow и miniature выше, чем между white и miniature (35, 4% и 34, 5%), то ген white находится между двумя другими генами. • Он пришел к выводу, что эти гены располагаются в следующем порядке: yellow – white – miniature.
Работы Стертеванта по картированию генов • Из работ Моргана было известно, что по частоте рекомбинаций между генами можно оценить межгенное расстояние. • Исходя из частот рекомбинаций, Стертевант построил карту Х-хромосомы: 1 единица карты соответствует 1% рекомбинации между генами.
Работы Стертеванта по картированию генов • Позже Стертевант построил более подробную карту Ххромосомы, включающую 5 генов. • В результате его работы с Кальвином Бриджесом, к 1923 г. стало ясно, что сцепление генов и кроссинговер характерны не только для Х-хромосомы, но и для аутосом.
Работы Стертеванта по картированию генов Помимо работ по картированию, Стертевант внес большой вклад в хромосомную теорию наследственности (1910 г. ), которая поначалу встретила много критиков.
Одиночный кроссинговер Чем ближе расположены два локуса на хромосоме, тем вероятность кроссинговера между ними меньше, и наоборот: чем дальше эти локусы друг от друга, тем вероятность кроссоверов между ними выше.
Одиночный кроссинговер Кроссинговер между двумя отдаленными локусами приводит к появлению рекомбинантных гамет.
Одиночный кроссинговер • Если между двумя несестринскими хроматидами происходит одиночный кроссинговер, то две другие хроматиды остаются интактными и попадают в нерекомбинантные гаметы, поэтому даже 100% кроссинговер между данными локусами приводит к появлению 50% рекомбинантных гамет. • теоретически, частота рекомбинантных гамет не может превышать 50%.
Одиночный кроссинговер Если два гена находятся на расстоянии более 50 с. М, то кроссинговер между ними происходит со 100% частотой, то есть каждая тетрада дает в равных пропорциях четыре типа гамет и соответствующие гены распределяются в гаметы независимо друг от друга.
Множественный кроссинговер • В одной и той же тетраде может произойти два, три или более обмена между несестринскими хроматидами. • Двойной кроссинговер – двойные обмены.
Множественный кроссинговер • Вероятность единичного обмена между генами А и В или В и С прямо пропорциональна расстоянию между этими генами: чем ближе они расположены, тем меньше вероятность рекомбинации между двумя из этих генов. • В случае двойного кроссинговера одновременно происходят два независимых межгенных обмена. • Вероятность двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них.
Множественный кроссинговер • Допустим, что обнаружено ü 20% кроссоверных гамет, возникших в результате рекомбинации между генами А и В (р = 0, 20), ü 30% кросоверных гамет – в результате рекомбинации между генами В и С (р = 0, 30). • вероятность двойного кросинговера между генами А и В, В и С, приводящего к появлению кросоверных гамет, равна (0, 20)(0, 30) = 0, 06, то есть 6%.
Множественный кроссинговер • Допустим, что üрасстояние между генами А и В равно 3 единицам карты, üрасстояние между В и С – 2 единицам. • Тогда частота двойного кроссовера равна (0, 03)(0, 02) = 0, 0006, то есть всего 0, 06%, или 6 кроссоверов на 10 000. • В данном случае, двойной кроссинговер трудно выявить даже среди 1000 потомков, поскольку его частота крайне низкая.
Картирование генов у Drosophila и кукурузы Анализ последствий одиночного кроссинговера позволяет картировать три и более генов.
Трехлокусное картирование у Drosophila Для проведения экспериментального скрещивания необходимы следующие условия: 1. Родитель, дающий кроссоверные гаметы, должен быть гетерозиготным по всем исследуемым локусам. 2. В потомстве должны точно определяться рекомбинантные фенотипы, поскольку генотипы гамет недоступны для прямого анализа. 3. Для выявления всех кроссоверных фенотипов и картирования генов нужно проанализировать достаточное количество потомков.
Трехлокусное картирование у Drosophila • Эти условия соблюдены при трехлокусном картировании у Drosophila melanogaster. • В скрещивании анализируются три сцепленных с полом рецессивных мутантных гена: üyellow – желтое тело, üwhite– белые глаза üechinus – ежевидные глаза. • Предположим, что последовательность этих генов на Х-хромосоме такова: y-w-ec.
Трехлокусное картирование у Drosophila • В F 1 все самки имеют фенотип дикого типа, поскольку они гетерозиготны по данным локусам, а самцы имеют мутантный фенотип, так как они гемизиготны по трем мутантным аллелям (У-хромосома не несет этих аллелей). • В результате кроссинговера между этими генами самки F 1 могут давать рекомбинантные гаметы.
Трехлокусное картирование у Drosophila Возможны другие варианты. üодин из родителей Р 1 несет мутантные аллели у и ес, а другой родитель мутацию w, üтогда у гетерозиготных самок F 1 мутантные аллели у и ес будут локализованы на одной гомологичной хромосоме, а аллель w – на другой.
Трехлокусное картирование у Drosophila • У самок F 1 гаметы могут нести нерекомбинантные Х-хромосомы, которые попадают к потомству примерно в равных соотношениях. • Если одна из Х-хромосом несет один мутантный аллель, а вторая – два других мутантных аллеля, то образуются реципрокные классы гамет и фенотипов.
Трехлокусное картирование у Drosophila Мухи с фенотипом yellow, echinus, white или мухи дикого типа составляют 99, 44% всего потомства F 2.
Трехлокусное картирование у Drosophila • В F 2 появляются и два реципрокных фенотипа: üс нормальной окраской глаз, несущих мутации yellow echinus üc нормальной окраской тела и формой глаз, но белоглазых (мутация white). • В сумме эти два класса составляют только 0, 06% всего потомства F 2.
Трехлокусное картирование у Drosophila • Оставшиеся четыре фенотипических класса получаются в результате одиночных кроссоверов: üреципрокные фенотипы образуются вследствие кроссинговера между локусами yellow и white и составляют 1, 50% потомства F 2. üФенотипы классов, возникающих вследствие одиночных кросоверов между локусами white и echinus составляют 4, 00% мух второго поколения. • Расстояние между локусами у и w или w и ес равно частоте всех рекомбинаций, обнаруженных между этими локусами, включая одиночные и двойные кроссоверы • В случае локусов у и w следует сложить частоты рекомбинантных фенотипов: 1, 50 + 0, 06 = 1, 56 единиц карты. • Аналогично, расстояние между локусами ec и w равно частоте всех рекомбинаций между этими локусами: 4, 00 + 0, 06 = 4, 06 ед. карты.
Определение последовательности генов В предыдущем примере была установлена следующая последовательность генов: y – w – ec.
Определение последовательности генов Этот метод основан на том, что имеется всего три варианта: (I) w – y – ec (y – в центре) (II) y – ec – w (ec – в центре) (III) y – w –ec (w – в центре)
Определение последовательности генов Для определения истинной последовательности генов рекомендуется действовать по предложенному алгоритму: 1. Сначала выясним порядок расположения аллелей на гомологичных хромосомах у гетерозигот, дающих кроссоверные и некроссоверные гаметы (в предыдущем примере самки F 1). 2. Определим, выявляются ли в потомстве дважды кросоверные фенотипы (гаметы). 3. Если предполагаемые фенотипы не соответствуют результатам скрещивания, нужно проверить все другие последовательности и найти верную.
Определение последовательности генов Соответствие ожидаемых и наблюдаемых результатов говорит об истинности данной последовательности.
Картирование генов у кукурузы При рассмотрении трех сцепленных аутосомных генов у кукурузы будем пользоваться теми же критериями, что и для Х-сцепленных генов у дрозофилы: (1) один из родителей, взятых в скрещивание, должен быть гетерозиготным по всем изучаемым признакам, (2) генотипы гамет этого родителя должны проявляться в потомстве, (3) для полного анализа нужна репрезентативная выборка потомства.
Картирование генов у кукурузы • Три рецессивных мутантных гена у кукурузы локализованы на хромосоме 5: ü bm (brown midrip – главная жилка листа коричневого цвета), üv (virescent – проростки серовато-зеленые) üpr (purple – пурпурный алейроновый слой зерновок). • растение, взятое в качестве женского родителя, гетерозиготно по всем трем генам. • Нам неизвестны: (1) расположение мутантных аллелей на материнской и отцовской хромосомах у гетерозигот (2) последовательность генов (3) хромосомная карта этих генов.
Картирование генов у кукурузы В потомстве можно выделить группы, состоящие из двух реципрокных фенотипических классов, которые возникли при участии некроссоверных гамет (NCO), гамет с одной рекомбинацийе между этими генами (SCO) дважды кросоверных гамет (DCO).
Точность генетического картирования • Обнаружить последствия всех кроссоверов невозможно. • Бесчисленные рекомбинации между локусами остаются неучтенными.
Точность генетического картирования • Множественный кроссинговер между генами приводит к недооценке частоты рекомбинаций и уменьшает межгенное расстояние. • Чем отдаленнее гены, тем выше вероятность необнаруженных кроссоверов между этими генами. • Степень ошибки в оценке межгенного расстояния увеличивается по мере роста этого расстояния.
Интерференция и коэффициент коинцедентности • зная межгенное расстояние можно оценить частоту множественных рекомбинаций, включая двойные кроссоверы между этими генами. • расстояние между генами v и pr у кукурузы равно 22, 3 ед. карты, • между генами pr и bm – 43, 4 ед. карты. • Если два одиночных кроссовера происходят независимо и одновременно, то ожидаемая частота этого двойного кроссовера равна: DCOexp = (0, 223) х (0, 434) = 0, 997 = 9, 7%.
Интерференция и коэффициент коинцедентности •
Интерференция и коэффициент коинцедентности •
Интерференция и коэффициент коинцедентности Зная коэффициент коинцедентности, легко определить величину интерференции I = 1 – C
Интерференция и коэффициент коинцедентности В случае двойных кроссоверов между названными генами у кукурузы получим: I = 1, 000 – 0, 804 = 0, 196.
Интерференция и коэффициент коинцедентности При полной интерференции двойных кроссоверов в данном районе хромосомы вообще не наблюдается, то есть I = 1, 0.
Интерференция и коэффициент коинцедентности • I – положительная величина, показывающая, что частота наблюдаемых двойных кроссоверов на 19, 6% меньше ожидаемой частоты.
Интерференция и коэффициент коинцедентности • Чем ближе расположены гены, тем выше положительная интерференция. • У Drosophila, например, полная интерференция наблюдается на расстоянии 10 ед. карты и на участке такой длины уже не происходит двойных или множественных кроссоверов.
Генетическая карта Drosophila У таких организмов, как дрозофила, кукуруза, мышь, известно множество мутаций, которые локализованы на хромосомах путем генетического картирования.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека У человека невозможны контрольные скрещивания (браки) с многочисленным потомством, поэтому первые исследования по картированию генов были основаны на анализе родословных.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • Если два исследуемых гена локализованы на значительном расстоянии друг от друга, то между ними могут произойти рекомбинации и появятся рекомбинантные гаметы. • В таких случаях для обнаружения сцепления генов пользуются методом подсчета лод-баллов, или методом lod score. • Этот метод разработали в 1947 г. Дж. Б. С. Холден и Л. А. Смит, а в 1955 г. Его усовершенствовал Ньютон Мортон. • Лод балл (от lod of odds – логарифм вероятности, или шансов сцепления) оценивает вероятность того, что в данной родословной имеется два сцепленных или два не сцепленных гена.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • Первые результаты картирования генов человека оказались обескураживающими из-за трудностей с подбором подходящих родословных и вследствие большого количества хромосом (n = 23). • К 1960 г. Фактически не было достоверных хромосомных карт человека.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • Однако вскоре появился новый метод гибридизации соматических клеток, который позволил эффективно определять сцепление генов с определёнными хромосомами набора. • Открытый Георгием Барским подход основан на том, что в культуре можно индуцировать слияние двух разнородных клеток в одну гибридную. • Сначала Барский использовал две мышиных клеточных линии, но вскоре убедился, что к слиянию способны и клетки, принадлежащие разным организмам, в результате образуется гетерокарион.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • В процессе культивирования гетерокарионов in vitro происходят два важных события. • Ядра родительских клеток сливаются, образуя синкарион.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • Если в синкарионе с 1 – 3 человеческими хромосомами синтезируется продукт определеного человеческого гена, то предполагается, что этот ген локализован на одной из оставшихся хромосом человека. • Можно создавать панели гибридных клеток, каждая линия которых содержит только одну из 23 хромосом человека, что позволяет картировать любой ген по наличию или отсутствию его продукта.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека Проверка корреляции наличия или отсутствия определенной хромосомы с наличием или отсутствием соответствующего генного продукта называется тестированием синтении.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека С помощью гибридизации соматических клеток и синтенного тестирования были локализованы сотни человеческих генов.
Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека • Для картирования генов, продукты которых еще не известны, пользуются другими методическими приемами: например, анализом родословных в сочетании с методом рекомбинантных ДНК. • Так были картированы гены, ответственные за хорею Гентингтона, муковисцидоз и нейрофиброматоз, которые локализованы на хромосомах 4, 7 и 17 соответственно.
Сцепление и картирование генов у гаплоидных организмов • Многие из одноклеточных эукариот гаплоидны на вегетативной стадии жизненного цикла. • Это свойственно, например, для водоросли Chlamidomonas и плесневого гриба Neurospora. • они легко культивируются и скрещиваются. • Имеют всего по одному аллелю каждого гена. • Поэтому Chlamydomonas, Neurospora и подобные им гаплоидные организмы с успехом используются генетиками для разных целей, в том числе, и для картирования генов.
Сцепление и картирование генов у гаплоидных организмов • Для этого проводят скрещивания и анализируют тетрады. • Тетрадный анализ позволяет выявить пропорции клеток с определенными генотипами.
Главный мутаген табачного дыма — бензопирен — связанный с одним из нуклеотидов молекулы ДНК.
Разрывы хромосом как одна из причин радиационноиндуцированных повреждений ДНК


