Генетика з основами селекції - М.П.Мигун - 2008

РОЗДІЛ III. Успадкування хромосомних і нехромосомних генів

3.4. Закономірності успадкування за повного і неповного зчеплення генів. Кросинговер

В 1906 році В. Бетсон і Р. Пеннет опублікували статтю, в якій повідомили, що в деяких схрещуваннях духмяного горошку розщеплення нащадків F₂ не відповідає законам Г. Менделя, однак не змогли пояснити цього явища.

Це пізніше зробив Т. Морган зі своїми співробітниками. У дослідах на дрозофілах було з’ясовано, що всі гени організму цих комах виявляють тенденцію до успадкування групами. Т. Морган зробив висновок, що кожна група генів пов’язана з хромосомами.

Якщо гени містяться в різних хромосомах, то вони розподіляються по гаметах незалежно і випадково у повній відповідності з розходженням хромосом у мейозі. Однак генів значно більше, ніж хромосом. У людини нараховують біля 30 тисяч генів та 23 пари хромосом, отже, в одній хромосомі можуть знаходитися сотні генів. Цим пояснюється той факт, що чимало ознак можуть успадковуватись сумісно.

Хромосома являє собою окрему матеріальну і функціональну одиницю. Всі гени, що знаходяться в одній хромосомі, зв’язані один з одним субстратом (тілом) хромосоми. Гени, що належать одній хромосомі, складають одну групу зчеплення. Кількість груп зчеплення у диплоїда дорівнює кількості пар хромосом, і це підтвердилося в дослідах з усіма вивченими у цьому відношенні організмами. Т. Морган вивів таку закономірність: гени, локалізовані в хромосомах, утворюють групи зчеплення, кількість яких обмежена числом пар гомологічних хромосом, характерних для відповідного виду організмів.

Успадкування зчеплених генів має свої особливості, які відрізняють його від незалежного (менделівського) успадкування. Крайнім проявом зчепленого успадкування є повне зчеплення, за якого переміщення генів між хромосомами повністю виключається.

Зчеплене успадкування генів має свою схему запису. Якщо два гени повністю зчеплені, то дигібрид АаВb схематично позначається як

Горизонтальна безперервна риска означає пару гомологічних хромосом і належності неалельних генів А і В до однієї з них.

За повного зчеплення гени успадковуються однією групою, тобто як один ген. У цьому можна впевнитися на прикладі схрещування організмів, що відрізняються двома парами ознак (дигібридне схрещування),неалельні гени яких знаходяться в одній хромосомі, тобто зчеплені:У F₁ утворюється гібрид з генотипом . Схрещування гібридів F₁ між собою: дає розщеплення за генотипомза фенотипом 3:1 (як при моногібридному схрещуванні), а не 9:3:3:1, як слід було б чекати для антигібридного схрещування за вільного комбінування генів.

Аналізуюче схрещуваннядає розщепленнятобто 1:1, а не 1:1:1:1. Замість чотирьох фенотипових класів, які могли б виявитися при дигібридному схрещуванні за незалежного комбінування генів, виявляється два як при моногібридному схрещуванні.

Це можливо прослідкувати на одному із дослідів Т. Моргана. При схрещуванні мух-дрозофіл, які мали сіре забарвлення тіла і довгі крила (домінантні ознаки), з дрозофілами, які мали чорне забарвлення і рудиментарні крила. В F₁ всі мухи були сірими з довгими крилами (домінантні ознаки).

При схрещуванні цих гібридів між собою в F₂, не відбулося незалежного розподілу ознак як при дигібридному схрещуванні 9:3:3:1 незалежного (менделівського) успадкування. Серед гібридів F₂ більша кількість мух успадковувала комбінацію ознак як у батьків (сірі довгокрилі і чорні короткокрилі), і тільки незначна їх кількість була з перекомбінованими ознаками (сірі короткокрилі і чорні довгокрилі). Цей приклад показує, що гени, які обумовлюють ознаки сірого тіла і довгих крил, і чорного тіла і коротких крил, успадковуються разом.

Важливо підкреслити, що повне зчеплення генів у природі зустрічається дуже рідко. У нашому прикладі з мухами дрозофілами воно також не було повним, тому що незначна кількість мух була з новими (перекомбінованими) ознаками. Переважній більшості генів властиве неповне зчеплення. Це пояснюється тим, що алельні гени гомологічної пари хромосом обмінюються місцями, тобто гени батьківської хромосоми можуть переміщуватись у материнську і навпаки.

Якщо неалельні гени знаходяться в одній і тій же хромосомі, тобто зчеплені, то єдиною причиною їх перекомбінації може бути тільки процес кон’югації гомологічних хромосом в профазі 1 мейозу. В період кон’югації гомологічні хромосоми зближуються, утворюють біваленти і в цей час між хроматидами відбувається обмін гомологічними ділянками (стадія пахітена). Реципрокний обмін генетичним матеріалом між двома гомололічними хромосомами називають генетичною рекомбінацією.

Процес обміну генами або гомологічними ділянками гомологічних хромосом називають кросинговером або перехрещуванням хромосом.

Типи гамет, генотипи яких по новому комбінувались між собою внаслідок кросинговеру, а також організми, що виникли від злиття таких гамет, називаються кросоверними. Кросинговер, який відбувається в профазі 1 мейозу, називається мейотичним, але перекомбінація трапляється і в соматичних клітинах - такий кросинговер називають соматичним. У кросиговер можуть втягуватись дві, три або чотири хроматиди. Одна і та ж хроматида може брати участь в одиночних і множинних обмінах, хроматиди можуть обмінюватись рівними і нерівними за розмірами фрагментами. Вклад у збільшення комбінативної мінливості організмів вносить обмін між несестринськими хроматидами, кросинговер між сестринськими хроматидами не вносить змін у генетичну структуру і не проявляється у фенотипі.

Як підкреслювалось вище, повне зчеплення у природі дуже рідкісне явище, зчеплення в основному буває неповним. За неповного зчеплення при схрещуванні дигетерозигот виявляється не два класи фенотипів, як це буває за повного зчеплення, а чотири. Однак, на противагу незалежному (менделівському) успадкуванню, ці класи ніколи не виявляють співвідношення 9:3:3:1.

Аналізуюче схрещування за неповного зчеплення приводить до появи не двох, як при повному зчепленні, а чотирьох класів генотипів і фенотипів.

Кількість класів і їх фенотипові особливості нагадують розщеплення, яке буває за аналізуючого схрещування дигібрида при незалежному комбінуванні генів. Однак кількісне співвідношення особин різних класів за неповного зчеплення не відповідає співвідношенню 1:1:1:1. Це пояснюється тим, що рекомбінантних гамет Аb і аВ утворюється менша кількість, ніж гамет AB і ab, яких завжди більше 50% (таб.3.4)

Таблиця 3.4

Розщеплення ознак у нащадків дигібридів за незалежного менделівського) та зщепленого успадкування

Кросинговер забезпечує виникнення нових комбінацій генів - утворює комбінаційну мінливість усіх без винятку організмів, що є важливим для еволюції.

Т. Морган та його співробітники в дослідах з дрозофілою знайшли чимало прикладів зчепленого успадкування і показали, що зчеплення генів, як правило, неповне.

Один із таких прикладів генетичного доказу кросинговеру (який ми розглядали дали вище), є успадкування гена black (b), який обумовлює чорне тіло дрозофіл, і vistigial (vg), який спричиняє недорозвинення крил. Домінантні алелі цих генів обумовлюють: b* - сіре тіло, vg* - нормальна довжина крил.

При схрещуванні рецесивних самок, за цими ознаками з домінантними самцями bb vg vg х b⁺b⁺vg⁺vg⁺ в F₁ отримуємо дигетерозиготу (b⁺bvg⁺vg). В аналізуючому схрещуванні дигетерозиготних самок із самцями аналізаторами (дигомозигота рецесивна) b⁺b vg⁺vg х bbvg vg отримуємо чотири фенотипових класи мух у співвідношеннях:

1) чорні з короткими крилами (генотип bb vgvg) - 41,5%;

2) сірі з нормальними крилами (b⁺b vg⁺vg) - 41,5%;

3) сірі з короткими крилами (b⁺b vgvg) - 8,5%;

4) чорні з нормальними крилами (bb vg⁺vg) - 8,5%.

При аналізуючому схрещуванні отримали чотири групи нащадків у співвідношенні 41,5%: 41,5%: 8,5%: 8,5% або 4,9: 4,9: 1: 1 замість 1: 1: 1: 1.

Таким чином, переважна більшість нащадків 83% (41,5%+41,5%) успадковують батьківські фенотипи і лише 17% (8,5%+8,5%) перекомбіновані ознаки.

Результати цього схрещування Т. Морган пояснив тим, що гени b і vg знаходяться в одній хромосомі, тобто є зчепленими. Проте ця зчеппеність неповна, бо в мейозі у дигетерозиготних самок F₁ відбувся обмін гомологічними фрагментами гомологічних хромосом між локусами (ділянка хромосом), в яких знаходяться гени b і vg, внаслідок чого утворилося два 1.1.11 рекомбінантних гамет з вірогідністю 8,5% кожний.

Аналізуючи результати досліджень цього та інших дослідів, та враховуючи спостереження Ф. Янсенса (1909 р.), який виявив у мейозі хіазми і зробив припущення, що це пов’язано з фактом обміну ділянками між і гомологічними хромосомами, Т. Морган дав правильне пояснення фактом повного і неповного зчеплення генів. Одночасно були приведені цитологічні покази існування кросинговеру, що напряму підтвердило факт дійсної локалізації генів у хромосомах.

Пізніше з’ясувалось, що частота кросинговера між певними двома зчепленими тісними генами в усіх особин виду варіює в межах загальної для них середньої величини. Проте вона неоднакова для різних неалельних генів.

Отже, величина або частота кросинговеру коливається залежно від ..... досліджуваних генів, об’єктів дослідження та інших причин.

Співробітник Т. Моргана А. Стертевант припустив, що частота кросинговеру між генами, локалізованими в одній хромосомі, пропорційна відстані між цими генами і гени в хромосомах розташовані лінійно.

Генетична відстань, на якій кросинговер здійснюється частотою 1%, на честь Т. Моргана названа сантиморганом (CM), який слугує одиницею наміру кросинговеру.

Величину кросинговеру рахують у відсотках кросоверних особин до з ального їх числа в поданому схрещуванні.

Приклад. При аналізуючому схрещуванні було отримано 1000 насінин кукурудзи, із них 36 кросоверних.

Величина кросинговеру становить

Таким чином, величину кросинговеру можна поставити в залежність від відстані між генами. Чим більша відстань між генами, тим більша вірогідність того, що вони в результаті кросинговеру будуть відокремлені і потрапляють до різних гамет, і навпаки, чим ближче розташовані гени, тим менше вони будуть роз’єднуватись.

Цей висновок дозволив Т. Моргану вивести таку залежність:

Сила зчеплення генів є обернено пропорційною відстані між цими генами.

Отже, величину або частоту кросинговеру можна використати для визначення відстані між генами і їх взаємного розташування в хромосомах, тобто для побудови генетичних карт. На такій карті наносять відносне положення генів, які знаходяться в одній групі зчеплення.

Генетична карта - це схема відносного розташування генів, що знаходяться в одній групі зчеплення.

Вона будується шляхом визначення частоти кросинговеру між двома або краще трьома маркерними генами у дигетерозигот. Величину кросинговеру в переважній більшості з’ясовують методом аналізуючих схрещувань.

Приклад. У процесі схрещування встановлено, що гени А,В,С успадковуються зчеплено. Між генами А і В - 5,1%, а між генами В і С - 2,9% кросинговеру. Необхідно визначити місцезнаходження гена С відносно гена В, адже він може бути розташований від нього або в один, або другий бік. Для цього необхідно знати, з якою частотою відбувається кросинговер між генами А і С. Аналізуюче схрещування показало, що його величина складає 2,2%. Якщо величина кросинговеру між генами А і С була більша 5,1%, то ген С знаходився за геном В, але вона менше і гени розташовані у такій послідовності: А, С, В.

Застосовуючи до схрещуваннянові гени, можна визначити частоту їх кросинговеру і відповідно складати генетичні карти хромосом, які більш детально складені для дрозофіли, кукурудзи, томатів.

Щоб з’ясувати відповідність взаємо розташування генів у групах зчеплення, визначеними даними кросинговеру і дійсну їх локалізацію у хромосомах складають цитологічні карти, а потім їх порівнюють.

Порівняльне вивчення таких карт підтвердило принцип лінійного

розташування генів і відповідності розташування генів на генетичних і цитологічних картах.

Таким чином:

Гени знаходяться в хромосомах, розташовані лінійно і утворюють груп зчеплення, кількість яких відповідає числу пар хромосом.

Гени, локалізовані в одній хромосомі, успадковуються зчеплено. Сила зепилення залежить від відстані між ними.

Між гомологічними хромосомами можливий кросинговер.

Кросинговер - це регулярний, що нормально відбувається у мейозі процес обміну гомологічними ділянками гомологічних хромосом.

Кросинговер лежить в основі рекомбінації генів, завдяки чому забезпечується комбінаційна мінливість у поколіннях нащадків, що активно стимулює темпи еволюції видів.

Кросинговер відбувається у людей, тварин, рослин та мікроорганізмів.

Зчеплення генів і їх рекомбінація в результаті кросинговеру - закономірне біологічне явище, в якому виражена спільність спадковості і мінливості організмів.