ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 3. Формальна генетика: закономірності спадкування ознак

КРОСИНГОВЕР

Генетичні наслідки обмінів ділянками між гомологічними хромосомами

Як уже йшлося, при схрещуванні дигетерозиготи AaBb із гомозиготою aabb мають утворитися два фенотипові класи з генотипами AaBb і aabb, якщо гени знаходяться в одній хромосомі, і чотири класи (AaBb, aabb, Aabb, aaBb) - якщо в різних. Проте, розглядаючи випадок зчеплення двох генів, слід узяти до уваги гомологічну рекомбінацію (розділ 1), яка відбувається під час мейозу при гаметогенезі та приводить до обміну гомологічними ділянками між гомологічними хромосомами - кросинговеру. Зрозуміло, що внаслідок кросинговеру в дигетерозиготного батька, крім гамет, які містять комбінації генів AB і ab, із певною імовірністю утворяться також гамети з комбінаціями Ab і aB. У результаті серед нащадків, крім двох генотипів AaBb і aabb, будуть знайдені також генотипи Aabb, aaBb.

Саме таку ситуацію ілюструє рис. 3.11, на якому наведено результати конкретного схрещування дрозофіл, здійсненого групою Моргана. У другій хромосомі дрозофіли присутні два гени, рецесивні алелі яких зумовлюють чорне забарвлення тіла (black або b, алель дикого типу - сіре тіло - позначається як b+) і редуковані крила (vestigial або vg, алель дикого типу - vg+). Аналізуюче схрещування дигетерозиготної самки з гомозиготним самцем приводить до розщеплення нащадків на чотири фенотипові класи. Більшість особин розподілено в рівному співвідношенні

між двома класами: диким типом та мухами з чорним тілом і редукованими крилами - саме тими класами, що очікуються з огляду на зчеплення двох генів. Але 17 % особин представлено (також у рівному співвідношенні) двома фенотиповими класами, які мали б утворитися при незалежному спадкуванні. Ці два класи називають кросоверними - як показано на схемі рис. 3.11, вони утворилися внаслідок обміну ділянками між гомологічними хромосомами самки. Оскільки самець є подвійною гомозиготою, обмін ділянками його хромосом у випадку, що розглядається, не мав би генетичних наслідків, але слід зауважити, що в самців дрозофіл кросинговер при сперматогенезі взагалі не відбувається.

Рис. 3.11. Схема схрещування самців дрозофіл, гомозиготних за двома рецесивними алелями, які містяться в одній хромосомі, із самками, гетерозиготними за цими генами

Зрозуміло, що для двох хромосомних локусів перенесення внаслідок кросинговеру першого чи другого з них на гомологічну хромосому є рівноймовірними подіями. Відповідно, частоти двох кросоверних класів є практично однаковими (рис. 3.11). Частота кросинговеру (у нашому прикладі вона становить 9 + 8 = 17 %) визначається як відношення кількості гамет із обмінами між двома локусами до загальної кількості гамет. Звичайно, відносна кількість гамет різних типів визначається за результатами відповідних схрещувань.

Зрозуміло також, що чим більшою є відстань між двома хромосомними локусами, тим більше рекомбінаційних подій у більшій кількості точок може відбутися між ними. Це означає, що частота кросинговеру є мірою фізичної відстані між локусами, і у відсотках кросинговеру можна вимірювати відносну відстань між генами на хромосомі. Саме таким чином протягом довгого часу, а іноді й досі, здійснювали картування хромосом - установлювали лінійний порядок розміщення генів. Одиницею виміру відстані на таких картах є сантиморган (centiMorgan, cM): 1 сМ відповідає відстані, що забезпечує частоту кросинговеру в 1 %. Отже, відстань між генами black і vestigial становить 17 сМ.

Відносна відстань між генами, яку можна визначити за частотою кросинговеру, має верхню границю - при відстані 50 сМ і більше взагалі неможливо встановити, чи містяться гени в одній хромосомі. Припустимо, що відстань між двома генами дорівнює цій граничній величині - кросинговер відбувається із частотою 50 %. Тоді половина гамет, котрі продукує дигетерозигота (як на рис. 3.11), є кросоверни- ми, - утворюється всього чотири класи гамет по 25 % у кожному. І, відповідно, в аналізуючому схрещуванні буде отримано співвідношення фенотипових класів 1 : 1 : 1 : 1 - таке саме, що й при незалежному спадкуванні генів, розташованих у різних хромосомах.

Власне, у перемішуванні генів між двома гомологічними хромосомами, яке забезпечує (повністю або частково - залежно від фізичної відстані між генами) справедливість третього закону Менделя, і полягає основна біологічна роль кросинговеру. Справді, якщо б не було кросинговеру, то при схрещуванні полігетерозигот гомозигота за багатьма рецесивними алелями одночасно (п алелів, розташованих в одній хромосомі) утворювалася б в одному випадку із чотирьох (за другим законом Менделя, див. рис. 3.8). Кросинговер забезпечує для багатьох пар генів практично незалежне спадкування, і ймовірність утворення такої гомозиготи зменшується на кілька порядків - до 1/4ⁿ (див. табл. 3.1). З огляду на те, що більшість рецесивних алелів є мутантними, кросинговер, таким чином, різко підвищує частку життєздатних гетерозигот у наступному поколінні. Крім того, викликане кросинговером незалежне спадкування генів зумовлює створення великої кількості їхніх комбінацій у межах популяції, що сприяє, з одного боку, загальній генетичній стабільності популяції, з іншого - забезпечує певний еволюційний потенціал.

Кросинговер відбувається в усіх досліджених видів тварин і рослин, хоча наявність процесу та його частота може залежати від статі: наприклад, у самців дрозофіли, як уже згадувалося, і самок шовкопряда (обидві статі є гетерогаметними) кросинговер не відбувається; у людини рекомбінація здійснюється у два рази частіше при сперматогенезі у чоловіків, ніж при оогенезі у жінок. Частота кросинговеру залежить також від факторів зовнішнього середовища (наприклад, від температури для пойкілотермних організмів) і стадій індивідуального розвитку. Уздовж хромосоми частоти гомологічної

рекомбінації розподілені нерівномірно: залежність частоти від фізичної відстані є лінійною в середніх частинах плечей хромосом, ближче до гетерохроматинових центромерних і теломерних зон кросинговер пригнічується. Існують також певні "гарячі точки», які характеризуються підвищеною частотою рекомбінації. Нарешті, як і будь-який інший біологічний процес, гомологічна рекомбінація контролюється певним набором генів, мутації яких також впливають на частоту кросинговеру.