Цитологические доказательства кроссинговера. Множественные перекресты. Интерференция. Линейное расположение генов в хромосомах

Цитологическое доказательство кроссинговера. После того как генетическими методами удалось установить явление кроссинговера, необходимо было получить прямое доказательство обмена участками гомологичных хромосом, сопровождающегося рекомбинацией генов. Наблюдаемые в профазе мейоза картины хиазм могут служить лишь косвенным доказательством этого явления, констатация происшедшего обмена прямым наблюдением невозможна, так как обменивающиеся участками гомологичные хромосомы обычно абсолютно одинаковы по величине и форме. Крейтов и Мак-Клинток удалось получить у кукурузы форму, у которой гомологичные хромосомы различались морфологически — одна была нормальной, а другая несла утолщение на конце одного плеча, второе ее плечо было удлинено. Эти особенности в строении пары хромосом легко обнаруживались при цитологических исследованиях. В опыте нормальная хромосома несла рецессивный ген с (неокрашенный эндосперм) и доминантный ген wx+ (крахмалистый эндосперм), измененная хромосома – доминантный ген с+ (окрашенный эндосперм) и рецессивный ген wx (восковидный эндосперм). Дигетерозиготу скрещивали с линией, имеющей морфологически нормальные хромосомы, меченные рецессивными генами с и wx. В потомстве получили как некроссоверные, так и кроссоверные зерна. При цитологическом изучении их было обнаружено, что кроссоверные зерна неизменно содержали хромосомы с обменявшимися участками: нормальной длины, но с утолщением или удлиненную без утолщения. Таким образом, одновременно цитологически и генетически было показано, что рекомбинация генов сопровождается обменом участками гомологичных хромосом в профазе мейоза. 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. Интерференция – это подавление кроссинговера на участках, непосредственно прилегающих к точке происшедшего обмена. Рассмотрим пример, описанный в одной из ранних работ Моргана. Он исследовал частоту кроссинговера между генами w (white – белые глаза), у (yellow – желтое тело) и m (miniature – маленькие крылья), локализованными в Х-хромосоме D. melanogaster. Расстояние между генами w и у в процентах кроссинговера составило 1,3, а между генами у и m – 32,6. Если два акта кроссинговера наблюдаются случайно, то ожидаемая частота двойного кроссинговера должна быть равна произведению частот кроссинговера между генами у и w и генами w и m. Другими словами, частота двойных кроссинговеров будет 0,43%. В действительности в опыте был обнаружен лишь один двойной кроссинговер на 2205 мух, т. е. 0,045%. Ученик Моргана Г. Меллер предложил определять интенсивность интерференции количественно, путем деления фактически наблюдаемой частоты двойного кроссинговера на теоретически ожидаемую (при отсутствии интерференции) частоту. Он назвал этот показатель коэффициентом коинциденции, т. е. совпадения. Меллер показал, что в Х-хромосоме дрозофилы интерференция особенно велика на небольших расстояниях; с увеличением интервала между генами интенсивность ее уменьшается и на расстоянии около 40 морганид и более коэффициент коинциденции достигает 1 (максимального своего значения). Представления о расположении генов на хромосомах (в группах сцепления) сводятся к тому, что они располагаются в линейном порядке, причем, чем больше расстояние между генными локусами, тем большей является частота кроссинговера между ними и наоборот, линейный порядок генов характерен для групп сцепления всех организмов, включая человека, и определяет принципы построения генетических карт хромосом, которые представляют собой графическое изображение расстояний между генами в группах сцепления. Эти представления указывали на то, что линейный порядок характерен не только для расположения генов на хромосомах, но и для организации генетического материала внутри генов. Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.

Основные положения хромосомной теории наследственности по Т.Моргану. Генетический карты, принцип их построения у эукариот. Использование данных цитогенетического анализа для локализации генов.

На основании экспериментов с плодовой мушкой дрозофилой Морганом и его учениками была разработана хромосомная теория наследственности. Эта теория включает следующие положения: 1. Ген – это элементарный наследственный фактор (термин «элементарный» означает «неделимый без потери качества»). Ген представляет собой участок хромосомы, отвечающий за развитие определенного признака. Иначе говоря, гены локализованы в хромосомах. 2. В одной хромосоме могут содержаться тысячи генов, расположенных линейно (подобно бусинкам на нитке). Эти гены образуют группы сцепления. Число групп сцепления равно числу хромосом в гаплоидном наборе. 3. Если гены сцеплены между собой, то возникает эффект сцепленного наследования признаков, т.е. несколько признаков наследуются так, как будто они контролируются одним геном. 4. Сцепление генов не абсолютно: в большинстве случаев гомологичные хромосомы обмениваются аллелями в результате перекреста (кроссинговера) в профазе первого деления мейоза. В результате кроссинговера образуются кроссоверные хромосомы. С участием кроссоверных хромосом в последующих поколениях у кроссоверных особей должны появляться новые сочетания признаков. 5. Вероятность появления новых сочетаний признаков вследствие кроссинговера прямо пропорциональна физическому расстоянию между генами. Это позволяет определять относительное расстояние между генами и строить генетические (кроссоверные) карты разных видов организмов. Генетические карты хромосом – схемы относительного расположения сцепленных между собой генов. Г. к. х. отображают реально существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах, позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых организмов. Обычно расстояние между генами на Г. к. х. выражают как % кроссинговера (отношение числа мутантных особей, отличающихся от родителей иным сочетанием генов, к общему количеству изученных особей); единица этого расстояния — морганида — соответствует частоте кроссинговера в 1%. Г. к.х. составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаружения. Кроме номера группы сцепления, указывают полные или сокращённые названия мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хромосомы, принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Г. к. х. можно только для объектов, у которых изучено большое число мутантных генов. Например, у дрозофилы идентифицировано свыше 500 генов, локализованных в её 4 группах сцепления, у кукурузы — около 400 генов, распределенных в 10 группах сцепления. У менее изученных объектов число обнаруженных групп сцепления меньше гаплоидного числа хромосом. Так, у домовой мыши выявлено около 200 генов, образующих 15 групп сцепления (на самом деле их 20); у кур изучено пока всего 8 из 39. У человека из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом)идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое число генов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом.

Цитологические карты хромосом. Митотический кроссинговер и его использование для картирования хромосом. Построение физических карт хромосом с помощью методов молекулярной биологии.

Г. к. х. отображают реально сущ-ий линейный порядок размещения генов в хромосомах, позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещ-х, а также предсказ. особенности насл-я и проявл.разл. признаков у изуч. орг-в. Имея Г.к. х., можно по наследованию «сигнального» гена, тесно сцепленного с изучаемым,контролир. передачу потомству генов, обусловливающих развитие трудноанализируемых признаков; напр., ген, определяющий эндосперм у кукурузы и находящийся в 9-й хромосоме, сцеплен с геном, определяющим пониж.жизнеспособность раст. Обычно расстояние между генами на Г. к. х. выражают как % кроссинговера (отношение числа мутантных особей, отличающихся отродителей иным сочетанием генов, к общему количеству изученных особей); единицаэтого расстояния — морганида — соответствует частоте кроссинговера в 1%.Г. к.х. составляют для каждой пары гомологичных хромосом. Группы сцепления нумеруют последовательно, по мере их обнаруж. Кроме номера группы сцепления,указ. полные или сокращ. назв. мутантных генов, их расстояния в морганидах от одного из концов хр., принятого за нулевую точку, а также место центромеры. Составить Г. к. х. можно только для объектов, у кот.изуч. большое число мутантных генов. У чел. из ожидаемых 23 групп сцепления (23 пары хромосом)идентифицировано только 10, причём в каждой группе известно небольшое числогенов; наиболее подробные карты составлены для половых хромосом. Цитологич. к. х. составляют для организмов, для которых обычно уже имеются генетические карты хромосом. Каждое место расположения гена (локус) на г.к. организма, установленное на основе частоты перекреста участков хромосом (кроссинговера),на Ц. к. х. привязано к определённому, реально существующему участку хромосомы,что служит одним из основных доказательств хромосомнойтеории наследственности. Для построения Ц. к. х. используют данные анализа хр.перестроек (вставки, делеции и др.) и, сопоставляя изм.морф.приз. хромосом при этих перестройках с изм.ген. свойств орг., устанавливают место того или иного гена вхромосоме. Пользуясь методом хромосомных перестроек, амер. генетик К. Бриджессоставил в 1935 подробную Ц. к. х. плодовой мушки дрозофилы, наиболее полно генетически изуч. организма. Гигантские хр. насек. отр.двукрыл. оказались самыми удоб.для построения Ц. к. х., т.к. наряду сбольшими размерами обладают чёткой морф. очерченностью: каждый участок этих хр. имеет свой опр. и чёткий рис., обусловл.характер. чередов. по длине ярко окрашиваемых участков (дисков) и слабоокрашиваемых (междисков). Цит. мет. легко определить отсут.участка хромосомы или перенос его в др. место. Сопоставление Ц. к. х. с генетич. показало, что физ. рас-е между генами в хр. несоответ. генетич. (видимо, частота кроссинговера неодинакова в разныхучастках хромосом), поэтому плотность распределения генов на цитологических игенетических картах хромосом различна. Так было установлено важное генетическое явл. — неравномерность частот перекреста по длине хромосомы. Линейное располож. генов и их последовательность, установл. Ген-ми методами, подтверждаются Ц. к. х. Митотический кроссинговер(соматический)..Кросс., кот. может происх. не только во время мейоза, но и митоза, М.к. может происходить в сомат. Кл. в теч. всего кл.о цикла. Может быть обнаружен, если он осущ. на стадии четырех хроматид. При этом в интерфазе гомологич.хр-ы коньюгируют и входят в митотическое деление спаренными.Частота м. кросс. значит.о ниже мейотического. Тем не менее его также можно использовать для генетич. картирования. Мейотический кроссинговер осуществляется после того, как гомологич. хр. в зиготенной стадии профазы I соединяются в пары, образуя биваленты. В профазе I каждая хромосома представлена двумя сестринскими хроматидами, и перекрест происх. между хроматидами. В отл. от ген. карт сцепления физические карты генома отраж. реаль. расстояние между маркерами, выражаемое в парах оснований. Ф. к. различаются по степени их разрешения, т.е. по тем деталям структуры генома, которые на них представлены. Ф.к. генома человека макс. разрешения будет содерж. пол. нуклеотидную последовательность всех его хромосом. На др. полюсе ф. к. с мин. разреш. нах. хромосомные (цитогенетические) карты генома. При построении карт генома человека высокого разрешения экспериментально реализуются два альтернативных подхода, получивших названия: картирования сверху вниз (top-down mapping) и картирования снизу вверх (bottom-up mapping). При кар. сверху вниз исход. в анализе явл. препарат ДНК индивидуальной хромосомы чел.. ДНК разрезается крупнощепящими рестриктазами (например, NotI) на длинные фрагменты, кот. после раздел. электрофорезом в импульсном электрическом поле подверг.дальнейш. рестрикционному анализу с другими рестриктазами. В результате получают макрорестрикционную карту, на кот. достаточно полно представлены все последоват. исслед-й хромосомы или ее части, однако ее разрешение невысоко.