Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

рых локализуются в разных парах хромосом, у гибридной особи

с одинаковой вероятностью образуются 4 типа гамет:

А В А в а В а $

а в а в а в а в

Количество типов гамет у гетерозиготной особи обусловливает

число типов потомков и одинаковую вероятность их появления.

Вследствие этого частота всех типов особей потомства, фенотипи-

чески тождественных родительским

(АаВв и аавв), и особей с новой

комбинацией родительских призна-

ков (Аавв и ааВв) будет одинаковой,

т. е. отношение их составит 1:1:1:1

или в процентах — 25:25:25:25.

Независимое наследование при-

знаков либо независимое, свобод-

ное, комбинирование генов в гаме-

тах возможно лишь в том случае,,

если гены, контролирующие данные

признаки, лежат в разных' парах

хромосом. Отсюда число независи-

мо наследующихся признаков огра-

ничивается числом пар хромосом.

Третий же закон Менделя касается

распределения хромосом, а не ге-

нов.

Если две пары аллелей локализуются в одной паре хромосом, то,

естественно, в процессе гаметогенеза свободная комбинация генов

будет ограничена, так как независимо в половых клетках распре-

деляются лишь хромосомы. В этом случае дигибридная особь даст

только два типа гамет и соответственно два типа особей в потомстве

в отношении 1:1.

А В а в

Р сГ= X ?=:

Поскольку гены (признаки) свободно не комбинируются и насле-

дуются вместе, потомство по фенотипу будет повторять родительские

формы.

Явление совместного наследования генов, локализующихся в од-

'127

50% 1тГ

Рис. 79. Схема генетического доказательства полного

сцепления генов у самцов дрозофилы, по Т. Моргану.

ной паре хромосом, было названо сцеплением генов. Морган наблю-

дал его у дрозофилы при возвратном скрещивании гибридной особи,

полученной от скрещивания серой мухи с нормальными крыльями

с черной мухой, имеющей зачаточные крылья. В потомстве анализи-

рующего скрещивания гибридного самца с самкой, несущей в гомо-

зиготном состоянии рецессивные гены черного цвета тела (в) и зача-

точных крыльев (ag), были обнаружены только два класса особей,

повторяющих по фенотипу исходные родительские. Это служит гене-

тическим доказательством сцепления генов (рис. 79).

Гены, располагающиеся в одной хромосоме и наследующиеся

вместе, называются сцепленными; гены одной пары хромосом обра-

зуют группу сцепления. Между числом хромосом и числом групп

сцепления существует параллелизм, т. е. групп сцепления столькд^

сколько пар хр01УЩ£Ш1. Wft) ~~

~ Однако абсолютно полного сцепления генов почти не бывает.

Оно обнаружено в основном только у самцов дрозофилы. Сила

128

сцепления генов относительна и зависит от расстояния между ними:

чем оно меньше, тем больше сила сцепления.-Часто сцепление генов

может нарушаться, вследствие чего гены, лежащие в разных участках

гомологичных хромосом, могут разъединяться и сочетаться друг

с другом в новых комбинациях. Причиной нарушения сцепления генов

является кроссинговер (crossing over — образование перекреста),

представляющий собой процесс обмена генами или гомологичными

участками гомологичных хромосом в момент перекреста их в мейозе.

Кроссинговер приводит к нарушению групп сцепления и расширяет

возможности комбинативной изменчивости. Обнаружить его, так же

как и сцепление генов, можно в анализирующем скрещивании:

Р 9 ^ X =

* а в ^ а в

А В, а в — некроссоверные а в_

Гаметы д

в а

g — кроссоверные

р А В а в

А в а В

а в ' а в' а в' а в

некроссоверные кроссоверные

особи особи

Дигибридная особь в данном случае дает 4 типа гамет: две некрос-

соверных — АВ и ав и две кроссоверных — Ав, аВ (результат пере-

креста хромосом и обмена их участками —х^ ). Причем

— в

некроссоверные гаметы образуются значительно чаще. В связи с этим

в потомстве встречается 4 типа особей, но в отличие от независимого

наследования признаков не в равном количественном соотношении:

особей, фенотопически тождественных родительским (некроссовер-

ных), обычно бывает более 50 %, а с новой комбинацией роди-

тельских признаков (кроссоверных) —менее 50%.

Генетическим доказательством кроссинговера служит описанная

Морганом схема скрещивания гибридной самки дрозофилы, несущей

в гетерозиготном состоянии гены черного цвета тела и зачаточных

крыльев, с гомозиготным по этим признакам самцом (рис. 80).

Частота кроссинговера измеряется отношением числа кроссовер-

ных особей к общему количеству особей в потомстве анализирую-

щего скрещивания и выражается в процентах. Она отражает силу

сцепления генов: чем больше величина перекреста, тем меньше сила

сцепления, т. е. тем дальше, друг от друга располагаются гены.

Следовательно, частота кроссинговера является показателем рас-

стояния между генами в хромосоме: 1 % кроссинговера соответствует

расстоянию между генами в одну кроссинговерную единицу, или

одну морганиду.

На основании установленной зависимости частоты кроссинговера

ог расстояния между генами Морган выдвинул гипотезу о линейном

!). Зак. 5107

129

4/,5% 41,5% 0,5% 8,5%

Рис. 80. Схема генетического доказательства кроссинго-

вера у самок дрозофилы, по Т. Моргану.

расположении генов в хромосоме. Доказательством этому послужил

классический опыт с дрозофилой. При скрещивании гетерозиготной

самки У Uf 6t С самцом у uf 81 ( т*—половая,

===== -

У-хромосома не несет аллельных генов, см. гл. 5) частота перекреста

между генами у (yellow — желтый цвет тела) и w (white — белые

глаза) составила 1,2%; w и bi (bifid — вильчатые щетинки) —

3,5 %, а у и bi — 4,7 %. На основании этих данных была составлена

схема расположения генов в хромосоме:

4,7

у w bi

1,2 3,5

'130

Учитывая линейность генной и хромосомной структуры и опреде-

лив относительное расположение генов в одной хромосоме, можно

составить генетическую карту хромосом, на которой отражается

порядок расположения генов и относительное расстояние между ни-

ми, выраженное в кроссоверных единицах. Для составления гене-

тической карты необходимо изучить большое количество мутантных

генов. С этой целью у дрозофилы исследовалось около 500 генов,

у кукурузы — 400, у мышей — 200. Чтобы определить локализацию

гена, нужно прежде всего установить группу сцепления, к которой

он относится. Для этого с помощью системы анализирующих скре-

щиваний устанавливается, с какими генами известной локализации

изучаемый ген наследуется сцепленно. Группы сцепления опре-

делить довольно трудно, особенно если у особей большое число

'131

хромосом. В настоящее время они установлены у более 20 изученных

в генетическом отношении объектов: у кишечной палочки, кукурузы,

пшеницы, ячменя, томатов, дрозофилы (рис. 81), комнатной мухи,

комара, мыши, кролика, курицы и др.- у человека наиболее детально

описано около 10 групп сцепления, в том числе 1, 2, 6, 9, 11, 15, 21-я

пары и половые хромосомы. После установления группы сцепления

следует определить положение гена в хромосоме. Для этого надо

знать характер его наследования по отношению к двум другим генам

данной хромосомы с уже известной локализацией. Путем учета

частоты кроссинговера можно определить не только порядок и взаим-

ное расположение генов в хромосоме, но и примерное расстояние

между ними.

"""Расстояние между генами на генетической карте нередко превышает

50 кроссоверных единиц. Например, длина второй и третьей хромо-

сом у дрозофилы составляет более 100 единиц карты (107 и 106). Это

объясняется тем, что место локализации генов определяется с по-

мощью учета кроссинговера на коротких последовательно взятых

по длине участках хромосомы, а на карте дается сумма величин

кроссинговера.

Помимо генетических карт хромосом, составленных путем после-

довательного определения величин кроссинговера между генами,

создают еще чщто л оги ч е с к и е карты путем определения места лока-

лизации гена в хромомерах. Для этого изучают связь между поте-

рей определенного хромомера (в результате хромосомной пере-

стройки) с изменением фенотипа. Например, потеря гена W (крас-

ные глаза) приводит к развитию у дрозофилы белой окраски

глаз.

Сравнение генетических и цитологических карт показывает, что

на них обеих наблюдается в большей или меньшей степени соответ-

ствие в расстояниях между генами: гены, между которыми чаще про-

исходит кроссинговер, находятся на значительном удалении друг от

друга и на цитологической карте. Однако нередко на цитологической

карте расстояние между генами оказывается большим (особенно

в области центромеры), чем на генетической (рис. 82). Связано это

с тем, что кроссинговер по ряду причин может быть подавлен, и тогда

его величина не соответствует расстоянию между генами. Нужно

иметь в виду, что генетические карты дают представление главным

образом о порядке расположения генов в хромосоме и примерном

относительном расстоянии между ними. К- Бриджес (1916), опреде-

лив длину всех хромосом слюнных желез дрозофилы (1180 мкм)

и длину генетической карты (279 ед.), установил, что одна кроссовер-

ная единица соответствует 4,2 мкм. Так, в ^-хромосоме дрозофилы

гены у w ее (увеличенные и грубые глаза) на генетической карте

находятся на расстоянии 5,5 кроссоверных единиц, а на цитологи-

ческой 23 мкм (5,5X4,2).

Исходя из предположения, что гены в хромосоме располагаются

линейно и положение их фиксированно, Морган высказал мнение, что

кроссинговер может происходить не только в одной точке, но и в

нескольких точках одновременно, т. е., что возможен двойной и даже

132

множественный перекрест. Обнаружить двойной перекрест можно

АВС \т

в анализирующем скрещивании тригетерозиготы -- . У такой

а в с

особи преимущественно формируются некроссоверные гаметы

АВС и авс. При. кроссинговере между генами А и В образуют-

ся гаметы Авс и аВС, а между В и С — АВс и авС. Если кроссинговер

произойдет одновременно в двух точках хромосомы:

то образуются еще два типа гамет — АвС и аВс,— в которых по

сравнению с некроссоверными гаметами изменит локализацию сред-

ний ген. Двойной кроссинговер можно обнаружить по наличию

гамет АвС и аВс. Если средний ген не известен:

А С

двойной кроссинговер не будет замечен.

Частота кроссинговера для каждого одинарного перекреста

определяется отношением суммы одинарных и двойных кроссоверов

к общему числу особей и выражается в процентах. Например,

в анализирующем скрещивании Тригетерозиготы получено следую-

щее соотношение фенотипов: А-В-С- — 126, ааввсс — 133, А-ввсс —

62, ааВ-С 68, А-В-сс — 64, ааввС 70, А-ввС- — 14 и ааВ-сс —

10. Частота кроссинговера при этом между генами А и В будет

'133

Обычно в опыте наблюдается более низкая частота двойного крос-

синговера по сравнению с теоретически ожидаемой, которая опре-

деляется произведением вероятностей кроссинговера на отдельных

участках и выражается в процентах, например:

Это объясняется тем, что кроссинговер, имевший место в одном

локусе хромосомы, может так ее изменить, что в соседних районах

Произойдет подавление процесса обмена. Явление подавления крос-

синговера называется интерференцией. Величина интерференции из-

меряется отношением частоты наблюдаемых двойных перекрестов

к теоретически ожидаемой. Это отношение называется коинциден-

цией или коэффициентом совпадения. В приведенном примере он

равен 0,5 (4,4:8,2). При абсолютной интерференции, когда двойные

обмены полностью подавляются, коэффициент совпадения практи-

чески равен нулю. Ослабление интерференции сопровождается уве-

личением коинциденции; при полном ее отсутствии коинциденция

равна 1.

Типы кроссинговера. Обычно кроссинговер происходит в половых

клетках в период мейоза. Эта так называемый мейотинеский крос-

синговер (рис. 83). До настоящего времени нет единой точки зрения

относительно его механизма. Все гипотезы, предложенные для объяс-

нения этого явления, можно разделить на три группы.

1. Гипотезы, объясняющие механизм кроссинговера на хромо-

сомном уровне и приурочивающие его к стадии хиазм. Прежде всего

это гипотеза хиазмотипии, выдвинутая в 1909 г. Ф. Янсенсом и разви-

тая в 1937 г. С. Дарлингтоном. Согласно этой гипотезе, кроссинговер

является результатом разрыва гомологичных хромосом с последую-

щим рекомбинативным воссоединением разорванных концов и проис-

ходит на той стадии мейоза, когда образуется тетрада. Четыре хро-

матиды тетрады находятся под воздействием нескольких сил: про-

дольного натяжения в каждой хроматиде; взаимно уравновеши-

вающихся сил скручивания сестринских хроматид одной хромосомы;

силы скручивания расщепленных хромосом. При разрыве одной хро-

матиды динамическое равновесие в тетраде нарушается и хроматида

гомологичной хромосомы разрывается в точке, идентичной месту

первого разрыва. Освобожденные концы хроматид начинают раскру-

чиваться и, встретившись, воссоединяются. Таким образом, согласно

гипотезе Янсенса — Дарлингтона, хиазмы являются следствием

перекреста, а кроссинговер совершается сразу же после синапса

гомологичных хромосом (рис. 84, а).

'134

К этой группе гипотез относится и гипотеза К. Сакса, предло-

женная в 30-х годах. Он допускает, что первоначально образуются

хиазмы, а кроссинговер является следствием их разрыва, вызван-

ного механическим напряжением хроматид в момент их отталкива-

ния на стадии диплотены (рис. 84, б).

Обе гипотезы приурочивают процесс кроссинговера к стадии

хиазм, но различаются в оценке последовательности процессов

разрыва и обмена хроматид.

2. Гипотезы, объясняющие механизм кроссинговера на молеку-

лярном уровне. Сторонники их приурочивают процесс генетической

рекомбинации к премейотической стадии синтеза ДНК. Согласно

этим гипотезам, кроссинговер не связан с хромосомными разрывами.

Так, Д. Беллинг (1933) считает, что при воспроизведении хромо-

сомы вначале формируются отдельные хромомеры, а затем между

ними образуются продольные связи. До появления связей хромо-

меры разных хромосом некоторое время свободны и могут объеди

няться в момент конъюгации хромосом.

'135

В 1955 г. Д. Ледеберг предложил теорию «выбора копии». Со-

гласно этой теории, генетическая рекомбинация происходит в момент

редупликации наследственного материала, когда новая хроматида,

начав воспроизводиться на матрице одной гомологичной хромосомы,

в какой-то точке переключается на другую и это приводит к рецип-

рокной рекомбинации.

Д. Холдейн (1956) дополнил эти гипотезы тем, что связал реком-

бинацию непосредственно с процессом репликации ДНК в интерфазе,

когда ошибка копирования может стать причиной кроссинговера.

Сторонники этой группы гипотез предполагают, что кроссинговер

по времени совпадает не со стадией хиазм, а с периодом репликации

ДНК.

3. Гипотезы, объясняющие кроссинговер с точки зрения молеку-

лярных процессов на хроматидном уровне. В 1963—1965 гг. X. Уайт-

хауз и П. Гастингс предложили гипотезу, согласно которой кроссин-

говер происходит после завершения премейотического синтеза ДНК,

в зигонеме или пахинеме. Они считают, что в этот момент возможен

разрыв нитей в гомологичных хромосомах, после чего реконструкция

ДНК пойдет по пути не соединения разорванных концов, а допол-

нительного синтеза ее, в результате чего возникают гибридные

молекулы.

Все описанные гипотезы одними экспериментальными данными

подтверждаются, другими опровергаются. Поэтому механизмы мейо-

тического кроссинговера требуют дальнейшего изучения.

В ряде случаев кроссинговер может происходить и в сомати-

ческих клетках, особенно эмбриональных, когда в профазе митоза

образуются синапс и фигуры конъюгации между гомологичными

хромосомами, похожие на хиазмы. Этот тип кроссинговера назы-

вается соматическим. Отличительной чертой его служит мозаичность

в проявлении признака. Например, у гетерозиготной по генам yellow

(желтый цвет тела) и singed (опаленные щетинки) самки дрозофилы

с признаками дикого типа в потомстве могут появиться особи

с желтыми пятнами на фоне серого цвета тела с нормальными

щетинками и серые особи с участками опаленных щетинок (рис.

85).

Кроссинговер обычно представляет собой процесс обмена равны-

ми участками гомологичных хромосом. Но иногда происходит разрыв

в неидентичных точках. Тогда возможен неравный кроссинговер,

т. е. обмен неравными участками. В результате локус одной хромосо-

мы может увеличиться, а другой — уменьшиться или потеряться

вовсе. Например, у дрозофилы при этом наблюдается удвоение локу-

са Ваг (рис. 86).

В 30-х годах К. Штерн предложил схему цитологического анализа

для доказательства рекомбинации генов при кроссинговере. В связи

с тем что обмен гомологичными участками хромосом под микроско-

пом заметить практически невозможно, для изучения кроссинговера

он использовал самок дрозофилы, у которых к одной Х-хромосоме

был присоединен фрагмент У-хромосомы, в результате чего полу-

чилась Г-образная Х-хромосома. Другая Х-хромосома была как бы

136