Біологія. Довідник школяра та абітурієнта

Зчеплене успадкування, кросинговер. Лінійне розташування генів. Генетичні карти

Оскільки в більшості організмів є багато (кілька тисяч) генів, а хромосом — обмежена кількість, то в одній хромосомі розташовується одночасно кілька генів. Гени, що входять до складу однієї хромосоми, називають зчепленими, вони утворюють групу зчеплення. Успадковуються вони як єдине ціле, тому що це визначається поведінкою хромосоми в мейозі. У такому випадку розщеплення за зчепленим ознаками не підлягає закону незалежного успадкування. Якщо гени розташовані близько один до одного, то вони завжди зберігаються у вихідних поєднаннях.

Наприклад, AB|ab х ab|ab > 1Ab|ab : 1ab|ab.

Зчеплення між генами може бути повне, якщо між ними не відбувається кросинговер.

Кросинговер — перехрещення, взаємний обмін ділянками парних хромосом, що відбувається в результаті розриву та з’єднання в новому порядку їх ниток — хроматид; призводить до перерозподілу (рекомбінації) зчеплених генів. Таким чином, кросинговер — найважливіший механізм, що забезпечує комбінаторну мінливість, а отже, — один з головних чинників еволюції. Кросинговер зазвичай має місце у профазі першого ділення статевих клітин, коли їх хромосоми представлені чотирма нитками. У місці перехрещення вдається цитологічно виявити характерну фігуру перехрещених хромосом — хіазму. Результат кросинговеру можна виявити за нового поєднання зчеплених генів (якщо аллелі гомологічних хромосом, що брали участь у кросинговері., були гетерозиготні). Цей метод, відкритий американським генетиком Т. Морганом, дозволив довести лінійне розміщення генів у хромосомі і розробити метод установлення їх взаємного розташування. Частота кросинговеру в грубому наближенні залежить від лінійної відстані між генами. У випадку, якщо на ділянці між двома генами відбувається відразу подвійний або множинний обмін, частота перекомбінацій цих генів зменшується. Якщо розриви в хромосомах, що обмінюються ділянками, стануться не в строго ідентичних точках, то настане так званий нерівний кросинговер. При цьому одна з хромосом отримає додатковий генетичний матеріал, а в гомологічній хромосомі його бракуватиме. У вищих організмів виявлений кросинговер і в соматичних клітинах. У цьому випадку він призводить до формування мозаїчних ознак. Кросинговер може захоплювати обидві нитки молекули ДНК або лише одну з них; він може зачепити велику ділянку хромосоми з декількома генами або частини одного гена (внутрішньогенний кросинговер). Розриви і возз’єднання хромосом під час кросинговеру здійснюються за участю ряду ферментів. Проте молекулярний механізм кросинговеру остаточно не з’ясований. Вивчаючи зчеплене успадкування, Морган і співробітники проводили досліди на мухах дрозофілах.

Алелі сірого тіла й нормальних крил домінантні за відношенням до алелів чорного тіла й зачаткових крил. Гени забарвлення тіла та форми крил у дрозофіли містяться в одній парі хромосом, тобто вони є зчепленими між собою.

А — алель сірого тіла;

а — алель чорного тіла;

В — алель нормальних крил;

b — алель зачаткових крил.

Тут серед гібридів F₁ має місце закон одноманітності гібридів першого покоління (І закон Менделя).

Для отримання гібридів F₂ проводили два паралельних схрещування.

I схрещування. Схрещували самців F₁ з дигомозиготними рецесивними самками (чорне тіло, зачаткові крила).

II схрещування. Схрещували гібридних самок F₁ з дигомозиготними рецесивними самцями (чорне тіло, зачаткові крила). Теоретично очікували результат, як і в першому паралельному схрещуванні, але отримали цілком інші результати:

41,5 % мух — сіре тіло, нормальні крила;

41,5 % мух — чорне тіло, зачаткові крила;

8,5 % мух — сіре тіло, зачаткові крила;

8,5 % мух — чорне тіло, нормальні крила.

У цьому схрещуванні отримали додатково два варіанти мух у кількості 17 %, яких не було в першому паралельному схрещуванні.

Цей результат Г. Морган пояснив так: у 17 % гетерозиготних самок F₁ відбувся кросинговер за досліджуваними генами, ці два варіанти утворилися із кросоверних гамет. Отже, у випадку забарвлення тіла й форми крил у дрозофіли відбулося неповне зчеплення, яке порушує кросинговер.

Чому результати паралельних схрещувань різні? Наступними дослідженнями було встановлено, що в самців дрозофіли кросинговер відсутній, отже гени в хромосомах розташовані лінійно, відсоток кросинговера залежить від відстані між генами в хромосомі. Що далі розташовані гени між собою, то частіший кросинговер між нами. Відстань між генами визначають у морганідах.

1 морганіда = 1 % кросинговера. На основі експериментів було сформульовано хромосомну теорію спадковості.

Генне картування — це визначення локуса для специфічної біологічної ознаки. Локус у біології означає фіксоване положення (локалізацію) на хромосомі, наприклад, положення гена. Упорядкований перелік локусів для будь-якого генома називають генетичною картою.

На основі аналізу й узагальнення результатів багатьох дослідів, Т. Морган висунув гіпотезу, за якою гени в хромосомі розміщені в лінійній послідовності. В усіх дослідах з вивчення кросинговеру неодмінно з’ясовували, що в результаті зчеплення трьох генів частота перехрещування між двома генами завжди дорівнює сумі або різниці частот перехрещувань між двома іншими.

Наприклад, у дрозофіли між генами жовтого тіла (у), білого кольору очей (w) і вилчастих крил (b) одержали таке співвідношення в частоті перехрещування:

З геометрії відомо, що така залежність характеризує розташування трьох точок на лінії:

Спосіб установлення розміщення генів у хромосомі розглядаємо на такому прикладі. У процесі схрещування встановлено, що гени А, В і С спадкуються зчеплено, отже, вони розміщені в одній хромосомі. З’ясувалось, що між генами А і В відбувається 5,1 % кросинговеру, а між генами В і С — 2,9 %. Отже, гени А і В зчеплені слабкіше, ніж гени С і В. Але цих даних ще недостатньо, щоб визначити місце розташування гена С стосовно гена В, оскільки він може бути розміщений від нього і ліворуч, і вправоруч. Для цього потрібно знати, з якою частотою відбувається перехрещування між генами А і С.

Схрещуванням установлено, що його частота становить 2,2 %, тобто дорівнює різниці кросинговеру між генами А і В та В і С, одержаними раніше. Тепер зрозуміло, що названі три гени розміщені в такій послідовності: А → С → В. Після того як взаємне розміщення трьох генів установлене, слід визначити розташування наступного гена. Для цього необхідно провести аналізуюче схрещування і врахувати відсоток кросинговеру між цим геном і трьома вже відомими. Потім розташування цього гена наносять на лінію у відповідній точці хромосоми. Користуючись такою методикою стосовно генів, що втягуються в перехрещування, складають генетичні карти хромосом.

Керуючись принципом лінійного розташування генів і знаючи частоту перехрещування між новим геном та одним із трьох, взаємне розташування яких уже відомо, можна передбачити, з якою частотою відбуватиметься перехрещування між ним і двома іншими генами. Так, схрещування показало, що між новим геном D і нанесеним на карту геном А перехрещування становить 4 %. За цього ген D може розміщуватись як праворуч, так і вліворуч від гена А.

Отже, перехрещування між генами D і С може становити або 6,2 %, або 1,8 %. Якщо в досліді буде встановлена остання величина, можна ген D нанести на карту, не проводячи нового схрещування. Вирахувати частоту перехрещування між генами В і D можна так:

DB = СВ - CD = 2,9 % - 1,8 % = 1,1 %.

Усі дані вивчення перехрещування хромосом свідчать, що гени справді розташовані в лінійній послідовності, і кожна алельна пара генів міститься в ідентичних локусах (точках) гомологічних хромосом. Гомологічні хромосоми можуть зазнавати скручування і перехрещуватись у кількох місцях. Залежно від того, у скількох місцях відбувається перехрещування, воно може бути одинарним, подвійним, потрійним і множинним. Що більша кількість точок, у яких відбувається кросинговер, то більшою буде рекомбінація генів.

У результаті вивчення взаємного розташування генів за величиною перехрещування між ними, для кожної пари гомологічних хромосом складають генетичні карти хромосом. На ці карти наносять розміщення генів, що перебувають в одній групі зчеплення.

Щоб установити, чи відповідає взаємне розміщення генів у групах зчеплення істинній їх локалізації у хромосомах, водночас з генетичними картами дрозофіли були складені цитологічні карти для зіставлення їх між собою.

У такий спосіб встановлено, що послідовність розміщення генів на цитологічній карті відповідає їх послідовності на генетичній карті, складеній за даними кросинговеру