Біологія. Практичний довідник. 11 клас

Зчеплене успадкування, кросинговер. Лінійне розташування генів

Оскільки більшість організмів мають багато (кілька тисяч) генів, а хромосом — обмежену кількість, то в одній хромосомі містяться 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 під час мейозу. У такому випадку розщеплення за зчепленим ознаками не підпорядковане закону незалежного успадкування. Якщо гени розташовані близько один до одного, то вони завжди зберігаються у початкових поєднаннях.

Наприклад, AB/ab • ab/ab > 1 AB/ab : 1 ab/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 відбувається 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 алелі гомологічних хромосом, які брали участь у кросинговері, були гетерозиготні). Цей метод, відкритий американським генетиком Т. Морганом, дозволив довести лінійне розміщення генів у хромосомі й розробити метод установлення їх взаємного розташування. Частота кросинговеру в першому наближенні залежить від лінійної відстані між генами. У разі, якщо на ділянці між двома генами відбувається відразу подвійний або множинний обмін, частота перекомбінування цих генів зменшується. Якщо розриви в хромосомах, що обмінюються ділянками, відбудуться не в строго ідентичних точках, то настане так званий нерівний кросинговер — одна з хромосом отримає додатковий генетичний матеріал, а в гомологічній хромосомі його бракуватиме. У вищих організмів кросинговер виявлено й у 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 кількома генами або частини одного гена (внутрішньогенний кросинговер). Розриви й возз’єднання хромосом під час кросинговеру здійснюються за участі низки 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 справджується закон одноманітності гібридів першого покоління (І закон Менделя).

Для отримання гібридів F2 проводили два паралельні схрещування.

І 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 було 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, а відсоток кросинговера залежить від відстані між генами в хромосомі. Що далі розташовані гени між собою, то частіший кросинговер між ними. Відстань між генами визначають у морганідах. 1 морганіда = 1 % кросинговеру. На основі експериментів було сформульовано хромосомну теорію спадковості.

Генне картування — це визначення локуса для специфічної біологічної ознаки.

Генетична карта — упорядкований перелік локусів для будь-якого генома.

Локус (у біології) — це фіксоване положення (локалізація) на хромосомі, наприклад, положення гена.

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 завжди з’ясовували, що в результаті зчеплення трьох генів частота перехрещування між двома генами постійно 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:

АС = АВ + ВС; АВ = АС - ВС; ⇒ ВС = АС - АВ

Спосіб установлення розміщення генів у хромосомі розглянемо 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 слабше, 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 потрібно 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 у 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 %. При цьому 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 результаті досліду буде встановлена остання величина, ген D можна 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 їх справжній локалізації у хромосомах, водночас з генетичними картами дрозофіли були складені цитологічні карти для порівняння їх між собою. У такий спосіб установлено, що послідовність розміщення генів на цитологічній карті відповідає їх послідовності на генетичній карті, складеній за даними кросинговеру.