Сцепление и рекомбинация. Мутации: роль в эволюции и индивидуальном развитии

 Лекция №18. Сцепление  и рекомбинация. Мутации: роль  в эволюции и индивидуальном  развитии 
 

Ранее было рассказано о передаче признаков, кодирующихся одним геном, и про передачу признаков, кодирующихся разными генами с разных хромосом. В первом случае было соотношение 3:1 в потомках (или, если скрещивать на рецессив – 1:1), а во втором – 9:3:3:1, из них два класса фенотипических родительских, а два новых. Если же гены находятся на одной хромосоме, но все-таки достаточно далеко друг от друга, то возникает явление рекомбинации, то есть новой комбинации генетических признаков, но не свободное – не 9:3:3:1. В деталях это означает следующее. Если два разных гена находятся в одной хромосоме рядом, то определяемые ими признаки наследуются так, как если бы они определялись одним геном; новые комбинации признаков в потомстве не появляются. Например, при скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам (MmDd, высокое и листья нормальные) c рецессивной гомозиготой (mmdd, низкое и листья крапчатые), должны наблюдаться те же два фенотипических родительских класса в соотношении 1:1 (первое растение образует гаметы MD и md, а второе - только md, поэтому другие классы образоваться не могут). То есть, хотя гены и разные, наследуется все по Менделю.  

Если два разных гена находятся в разных хромосомах, то определяемые ими признаки наследуются  независимо, новые комбинации признаков  в потомстве появляются. При не сцепленном наследовании признаков (высота растения и тип листа ) в анализирующем скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам, должны наблюдаться четыре фенотипических класса в соотношении 1:1:1:1 -оба родительских класса (высокий с нормальными листьями и карлик с крапчатыми листьями) и два новых – рекомбинантных класса (высокий с крапчатыми листьями и карлик с нормальными листьями). Это происходит, потому что первое растение образует четыре типа гамет(Md, MD, mD, md), а второе – по-прежнему один тип гамет md. В данном случае – это независимое менделевское расщепление, потому что гены находятся в разных хромосомах. 

Говоря о рекомбинации, мы имели в виду появление новых, отличных от родительских, комбинаций аллелей. Но они могут находиться не только на разных хромосомах, но и  на одной хромосоме. 

В профазе 1 мейоза папина и мамина хромосомы объединяются друг с другом (конъюгация), и может  происходить их кроссинговер (по-русски кроссинговер - перекрест). То есть, когда  они потом расходятся, оказывается, что они поменялись своими кусочками. Гомологичные хромосомы, у которых  произошел обмен кусочками, называются рекомбинантными. Две из четырех гамет, образовавшихся в мейозе 2, – рекомбинантные (две другие – родительского типа).  

Если перекреста не происходит, то все гаметы – родительского  типа. В результате одиночного перекреста половина гамет - рекомбинантная, половина – нерекомбинантная, однако рекомбинация происходит лишь в части клеток, доля которых зависит от расстояния между локусами (чем дальше они друг от друга, тем больше доля кроссоверных гамет). 

Рекомбинация происходит после последнего удвоения хромосом в мейозе. Такой вывод можно  сделать из того, что наряду с  рекомбинантными продуктами одного мейоза (свидетельствующими, что рекомбинация прошла) есть и нерекомбинантные продукты того же мейоза. А если бы рекомбинация проходила до репликации, то все хромосомы в данной мейозе были бы рекомбинантными  

Гены, отвечающие за высоту куста и за тип листьев, находятся в одной хромосоме, но не совсем рядом. В клетке могут  произойти два события. Кроссинговер может не произойти, тогда все  гаметы будут родительского типа, но может и произойти в части  клеток. Тогда половина гамет будет  не кроссоверная, а половина – кроссоверная. Соотношение между такими гаметами- 1:1, а между клетками, где кроссинговер произошел и где не произошел, зависит от расстояния между локусами. Поэтому число рекомбинантов не превосходит 50%. Возможные потомки показаны на рисунке ниже.  

Потомков высоких  с нормальными листьями получилось 55, низких с крапчатыми листьями – 53, низких с нормальными листьями – 8, высоких с крапчатыми листьями – 7. Наблюдаемая частота рекомбинации численно равна проценту рекомбинантного потомства, образуемого в скрещивании. Общее число рекомбинантных потомков составило 15, общее число всех потомков – 123. Таким образом, частота рекомбинации равна 15/123 * 100%=12%. 

В интервале 12% рекомбинация произошла. Это событие пропорционально  расстоянию между участками. Если оно  наблюдается с частотой 12%, то оно  могло произойти с два раза с частотой 0.12*0.12*100%=1.44%. Потомство  от двух перекрестов между парой  маркеров выглядит как НЕ рекомбинантное. Двойная (и любая четная) рекомбинация снижает проявление каждой из одиночных рекомбинаций. Детектируются только нечетные перекресты между парой маркеров, четные не детектируются. 

Наблюдаемая доля рекомбинантов отражает итог совокупности независимых рекомбинационных событий меду парой маркеров – одиночных, двойных, тройных и т.д. рекомбинаций. Расчетное генетическое расстояние между парой маркеров примерно равно наблюдаемой частоте рекомбинации плюс квадрат этой частоты – остальные члены этого ряда будут малы. Если наблюдаемая доля рекомбинантов (наблюдаемая частота рекомбинации) равна 12%, то расчетное генетическое расстояние примерно равно 0,12 + 0,12х0,12 = 0,134 = 13,4%. Практически чтобы величина поправки была пренебрежимо мала (меньше 5% от величины генетического расстояния) значения наблюдаемых частот рекомбинации должны находится в пределах 5%.

Группы сцепления  и хромосомная теория наследственности   

На фотографии изображен  Томас Гент Морган, который первым обнаружил сцепленное наследование признаков (вначале сцепление с  полом, а затем и признаков  друг с другом) и генетическую рекомбинацию между ними. Это явилось генетической основой хромосомной теории наследственности, за что ему была присуждена Нобелевская  премия.  

Гены, расположенные  в одной паре гомологичных хромосом наследующиеся единой группой. Морган назвал ее группой сцепления. Совместное наследование генов, ограничивающее свободное  их комбинирование, называют сцеплением генов.  

Гены в гомологичных хромосомах расположены в одном  и том же порядке у всех людей. Но аллели (альтернативные состояния этих генов) могут в различаться в гомологичных хромосомах. Рассмотрим хромосомы вашей мамы. Обозначим аллели генов той хромосомы, которые она получила от вашей бабушки буквами Б , а те аллели той же хромосомы которые получила от дедушки буквами Д . Если рекомбинация не произошла, то у вас, как и у вашей мамы, будет присутствовать хромосома с набором аллелей БББББББ (ну если дедушкина хромосома к вам попала, то набор будет ДДДДДД ) Генетическая рекомбинация – это обмен блоками аллелей между гомологичными хромосомами. Если рекомбинация произойдет при образовании той яйцеклетки, из которой вам повезло родиться, то блок аллелей бабушки будет продолжен блоком аллелей дедушки. Например, если рекомбинация произойдет между генами №4 и №5, то набор аллелей этой хромосомы будет выглядеть у вас так: ББББДДДД .  

Чем больше расстояние между генами, тем выше вероятность  рекомбинации между ними. Впервые  это предположил и доказал  Морган. Т.Морган предположил, что частота  кроссинговера показывает относительное  расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее  отстоят гены друг от друга в хромосоме, чем реже кроссинговер, тем они  ближе друг к другу.  

Морган провел количественное исследование рекомбинации на дрозофилах. Он исследовал сцепленные гены, определяющие цвет тела, цвет глаз и форму крыльев. Все эти гены находятся в Х-хромосоме, то есть у самок две Х-хромосомы, а у самцов – одна. 

Самки, гетерозиготные по всем трем генам, были скрещены с  самцами, несущими рецессивные аллели этих генов. Так как самки были гетерозиготны, они обладали признаками дикого типа. Самцы, у которых второй Х-хромосомы нет, имели рецессивные признаки – желтый цвет тела (рецессивный аллель у, yellow), белые глаза (рецессивный аллель w, white) и расщепленные крылья (рецессивный аллель bi, bifid), 

Если бы все было «по Менделю», то маркеры должны были бы комбинироваться независимо друг от друга. Но Морган к этому  времени уже определил, что маркеры  эти наследуются практически  одним блоком – это явление  и было названо генетическим сцеплением. При наследовании единым блоком самки  в потомстве должны были получаться двух классов, смотря какую мамину хромосому получит дочь: либо гетерозиготные по всем трем генам, - yY, wW, biBi (если получили от матери доминантные гены), либо гомозиготные по всем трем рецессивным генам - yy, ww, bibi (если получили от матери хромосому с рецессивными генами). Однако иногда гены из одной группы сцепления все же наследуются раздельно, то есть появляются также и самки с другими генотипами. Например, с набором Yy, bibi, то есть получившие от матери сочетание аллеля Y и аллеля b i. Частота изменения комбинации маркеров у (желтый цвет тела) и bi (расщепленные крылья) составила 4,7%. То есть на 1000 мух таких было 47. Доля рекомбинантов между маркерами у (желтое тело) и w (белые глаза) была равна 1,2%, а между маркерами w (белые глаза) и bi (расщепленные крылья) - 3,5%.  

Несложно заметить, что 3,5%+1,2%=4,7%. Если считать, что процент  рекомбинации отражает расстояние между  генами, то это означает, что гены могут быть расположены только линейно  и никак иначе.  

На тот момент еще не было ничего известно ни про  ДНК, ни про химию наследственности – были просто формальные генетические признаки. Но Морган и без этого  смог показать, что гены расположены  линейно относительно друг друга, что  бы ни было носителем генов. Вывод о том, что частота кроссинговера является функцией расстояния между генами и их линейного расположения в хромосомах и принес Моргану Нобелевскую премию. 

Параллельно с генетическими  исследованиями Моргана шли цитологические исследования. Исследовался митоз, мейоз, и было известно, что в мейозе (профаза I) пары одинаковых (гомологичных) хромосом объединяются, а затем образуют крестообразные фигуры (хиазмы). Предположили, из чисто цитологических данных, что  наблюдаемый под микроскопом  перекрест хромосом связан с обменом  сегментами между ними. Впоследствии это было подтверждено. Хромосомы  маркировали – нашли мух у которых на хромосоме были дополнительные фрагменты (транслокация), видимые под микроскопом. Было видно, что в результате перекреста измененные морфологически хромосомы родителей оказываются у потомства в новых комбинациях. 

На рисунке показано, как выглядят хиазмы – крестообразные структуры, образуемые гомологичными  хромосомами в мейозе и различимые под микроскопом.  

Хромосомы состоят  из двух параллельных «линеечек», которые  называются хроматидами, каждой из которых  соответствует одна молекула ДНК. Под  микроскопом было видно, что одна из пар хроматид пересекается, то есть между хромосомами происходит перекрест.       

Был проведен следующий  эксперимент. Х-хромосома дрозофилы  была промаркирована дополнительным кусочком хромосомы, и было подтверждено соответствие генетических и цитологических данных, описывающих рекомбинацию. 

 Частота видимых  под микроскопом перекрестов  в данной хромосоме в расчете  на 1 клетку в фазе мейоза, где  перекрест можно наблюдать, стремится  к двукратной частоте генетической  рекомбинации между всеми маркерами  этой хромосомы, по мере роста  числа маркеров. Причина этого  ограничения заключается в том,  что в перекресте участвует,  как правило, лишь одна из  двух пар хроматид. Стало понятно,  что можно связать количество  перекрестов наблюдаемых цитологически (хиазмы) с частотой генетической рекомбинации, что особенно четко было показано на кукурузе в 50-х годах. 

Длина генетической карты, выявляемая по анализу результатов  генетической рекомбинации, вычисляется  как сумма расстояний между наиболее близкими маркерами, Единицей генетической карты является 1% рекомбинации и  эта величина была названа в честь  Моргана 1 сантиМорган (1 сМ).  

Данные о связи  цитологии с генетикой оказались  очень важными в последующих  генетических исследований, в частности  на человеке. Они позволяют вычислить длину генетической карты по цитологическим данным, не прибегая к получению мутантов, чистых генетических линий и даже вообще без направленных скрещиваний – все это невозможно на человеке. У человека расчетная длина генетической карты по цитологическим данным составляет около 3000 сМ. или 3000% (три тысячи процентов рекомбинации).  

Почему длина генетической карты человека равна 3000% (и почему нет ничего страшного в том, что  эта величина превышает 100%). 

Генетическая карта  – это последовательность маркеров в хромосоме и расстояния между  ними, следующие из частот генетических рекомбинаций. Одна единица карты  соответствует 1% рекомбинации или одному сантиморгану (1 сМ).  

 Проведем следующую  аналогию, чтобы было легче понять, почему длина карты человека  равна больше, чем 100%. Один и  тот же термин иногда используется  в разных смыслах:100 градусов –  температура кипения воды. 90 градусов  – прямой угол. 40 градусов –  крепость водки. И обычно эти  смыслы никто не путает