Volkova EM Kaspirovich DA Genetika s osnovami biometrii EUMK

Генетика с основами биометрии

Лабораторная работа № 9

ТЕМА: Сцепление генов и кроссинговер (6 часов)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научиться определять характер наследования признака (сцепленное или независимое наследование); определять фенотип и генотип потомства при сцеплении генов, частоту кроссинговера; составление генетических карт; расчет интерференции и коинцинденции.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

главе ÏолесÃÓТ. X. Морганом, создавших основы хромосомной теории наследственности.

Во всех рассмотренных случаях взаимодействия генов, обусловливающих

отклонение от установленных Г. Менделем соотношений при расщеплении по генотипу и фенотипу, шла речь о генах, локализованных в разных хромосомах. Вместе с тем известно много случаев, когда отклонение от менделевских чисел при расщеплении связано с действием генов, лежащих в одной хромосоме. Это явление сцепления генов, впервые описанное У. Бэтсоном, и Р. Пѐннетом в 1906 г. Изучая ра щепление по двум генам у душистого горошка, они установили тенденцию этих генов наследоваться вместе и не расщепляться в соотношениях, обу ловленных правилами Г. Менделя. Совместное насл дование изучавших я генов наблюдалось и в ряде

последующих поколений. В итоге при ра щеплении в F2 преобладали

растения с таким сочетани м этих г нов, каким оно было у родительских организмов, а чис о рекомбинантных раст ний было значительно меньшим, чем следовало ожидать в соотв тствии с правилами Г. Менделя.

При обозначении родите ьских генотипов как ААВВ и аавв, в F2 вместо

проявлялось фен типически расщеплением на два класса в соотношении, близком к 3:1.

Группы сцепления. Явление сцепленного наследования получило разъяснение в результате исследований группы американских генетиков во

Установлено наличие у плодовой мухи дрозофилы четырех пар

гомологичных хромосом и четырех групп совместно наследуемых признаков. Такой параллелизм дал основание для вывода о локализации генов в хромосомах и совместном наследовании всех генов, лежащих в одной хромосоме и принадлежащих к одной группе сцепления, в последствии наличие групп сцепления генов установлено у всех генетически изучавшихся организмов. Число групп сцепления у организмов равно числу пар хромосом и

Генетика с основами биометрии

соответственно числу хромосом в гаплоидном наборе. У дрозофилы их 4, у кукурузы – 10, у томата – 12, у человека – 23. Для менее генетически изученных видов пока известны не все гены, и число групп сцепления у них пока меньше числа пар хромосом. Для мышей, имеющих 20 пар хромосом, известно пока 19 групп сцепления, у кролика – всего 11 групп сцепления при наличии 22 пар хромосом. У вирусов, бактерий и водорослей, хромосомный аппарат которых устроен проще и состоит из одной хромосомы, все гены принадлежат к одной группе сцепления.

Кроссинговер. В основе этого явления лежит процесс кроссинговера (перекреста) гомологичных хромосом в процессе мейоза и обмен участками между ÏолесÃÓэтими хромосомами. Схематически этот процесс можно представить так: в ходе мейоза при конъюгации и перекресте две гомологичные хромосомы разрываются в точке контакта, в результате чего происходит перекомбинация их участков в новых сочетаниях и образование двух новых хромосом, несущих участки каждой из исходных хромосом (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема кроссинговера.

1 – хр м мы до перекреста; 2 – перекрест; 3- кроссоверные хромосомы

Цитол гическ е д казательство кроссинговера. Возможность такого обмена участками хр м с м доказана цитологически. Это удается в тех случаях, к гда хр м мы дной пары несут в себе разные аллельные гены и одновременно различаются морфологически. Такие различия в строении хромосом часто возникают в результате хромосомных перестроек. Впервые цитологическое доказательство перекреста и обмена участками хромосом было получено на кукурузе английскими исследователями Б. Мак-Клинток и Г. Крейтоном и на дрозофиле немецким генетиком К. Штерном в 30-х годах.

При цитологическом и генетическом исследовании кроссинговера установлено, что кроссинговер осуществляется в профазе мейоза на стадии, когда хромосома состоит из четырех хроматид, причем обмен участками происходит только между несестринскими хроматидами.

Частота возникающих перекрестов хромосом, определяемая по отношению числа рекомбинантных особей к общему числу потомков и выражаемая в процентах. Величина перекреста обычно тем больше, чем меньше сила сцепления и чем дальше друг от друга расположены гены в

Генетика с основами биометрии

хромосоме.

Расстояние между генами. Если процент кроссоверных особей служит показателем расстояния между генами в хромосоме, то, зная частоту перекреста одного гена по отношению к двум другим, а этих двух между собой, можно определить их взаимное расположение в хромосоме. Если известно, что частота кроссинговера между генами А и В равна 10 %, а между генами А и С – 5 %, то этого еще недостаточно для определения местоположения этих трех генов, поскольку гены в данном случае могут быть расположены по-разному (рис. 2).

РисÏолесÃÓ. 2. Определение взаимного расположения генов в хромосоме: а, б – варианты взаимного расположения генов

Для их точной взаимной ориентации необходимо знать процент перекреста между генами В и С. Е ли он окажет я равным 5 %, то гены А, В, и С расположены в хромосоме так, как показано на рис. 2, а, если же он составляет 15 %, то гены будут ра полагать я в оответствии с рисунком 2, б.

Интерференция и коинцинд нция.

Одной из причин, снижающих наблюда мую величину кроссинговера, оказывается процесс подав ния кроссингов ра вблизи пункта, где обмен уже произошел. Кроссинговер, произошедший в одном месте хромосомы, подавляет кр ссинг вер в б из ежащих районах. Это явление носит название интерференции. Ос бенно си ьно сказывается интерференция на подавлении двойного кр ссинг вера при малых расстояниях между генами. Если гены А, В и С близко расп жены по отношению к другому, то одинарный обмен на участке между нами А и В подавляет таковой на участке между В и С. Разрывы хромосом оказываются зависимыми друг от друга. Степень этой зависимости определяется расстоянием между происходящими разрывами: по мере удаления от места разрыва возможность другого разрыва увеличивается.

Интерференцию измеряют отношением наблюдаемого числа двойных перекрестов к теоретически ожидаемому. Это отношение в генетике называют величиной совпадения, или коинциденцией, и выражают в долях единицы, или в процентах.

ХОД РАБОТЫ:

Задание 1. Решите следующие задачи:

Задача 1. У человека гены А и В локализованы в аутосоме и растояние между ними 8 морганид. Какая вероятность рождения ребенка с генотипом и фенотипом матери, если ее генотип Аb//аВ, а генотип супруга аb//аb.

Генетика с основами биометрии

Задача 2. У бабочки-парусника ген, обуславливающий окраску тела, и ген, контролирующий наличие выступа на крыле, являются доминантными и расположены на расстоянии 6 морганид. Какое потомство можно ожидать от скрещивания гетерозиготной по обоим признакам самки и неокрашенного

самца без выступа на крыле?

Задача 3. У кроликов рецессивный ген белой пятнистости (голландские

кролики) сцеплен с рецессивным геном, обуславливающим длинный волосяной покров ангорского типа. Кроссинговер на этом участке составляет 14 %. Гомозиготного длинношерстного пятнистого кролика скрестили с

особью дикого типа. Какие фенотипы, и в каком соотношении должны иметь место в случае возвратного скрещивания гибридов первого поколения с

ЗадачаÏолесÃÓ6. У пшеницы доминантные признаки — восприимчивость к стеблевой ржавчине (А) и восприимчивость к мучнистой росе (В), рецессивные — уст йчив сть к СР (а) и устойчивость к МР (в). Наследование сцепленное. Кроссинговер 2%. Какие результаты ожидаются по фенотипу и генотипу в потомстве анализирующего скрещивания дигетерозиготы АВ//ав?

голландским длинношерстным кроликом?

Задача 4. У кроликов ген рецессивный белой пятнистости

«голландского» типа (а) сцеплен с рецессивным геном, обуславливающим длинный шерстяной покров ангорского кролика (в). Величина кроссинговера между ними равна 14%. Гомозиготного по короткошерстности пятнистого

поколения. Какие фенотипы должны иметь ме то, если провести возвратное скрещивание гибридов F1 с «голланд кими» ангор кими кроликами? Каково

их соотношение среди 86 потомков при этом крещивании?

Задача 5. Гены карликовости и скруч нных листьев у кукурузы являются рецессивными и распо ож ны на расстоянии 18 морганид в одной аутосоме. Какое потомство и в каком проц нтном соотношении можно ожидать от

скрещивания гетер зиг тн го высокого растения с нормальными листьями и гомозиготн го кар ик в го растения нормальными листьями?

Задача 7. У человека ген резус фактора сцеплен с локусом определяющим форму эритроцитов и находится от него на расстоянии 3 морганид. Резусположительность и эллиптоцитоз являются доминантными признаками. Один из супругов гетерозиготен по обоим признакам, при этом резус положительный аллельный ген он унаследовал от матери, а эллиптоцитоз от отца. Второй супруг имеет отрицательный резус и

нормальные эритроциты. Найти генотипы и фенотипы потомков.

Задача 8. Ген цветовой слепоты и ген ночной слепоты наследуются через Х хромосому и находятся на расстоянии 50 морганид друг от друга. Оба признака рецессивны. Определите вероятность рождения детей одновременно с обеими аномалиями в семье, где мать имела нормальное зрение, но ее мать

Генетика с основами биометрии

страдала ночной слепотой, а отец цветовой слепотой, муж нормален в отношении обоих признаков.

Задача 9. У дрозофилы доминантные гены серой окраски тела и прямых крыльев сцеплены и локализованы в 1 аутосоме, а ген черной окраски и дуговидных крыльев в гомологичной хромосоме. При скрещивании дигетерозиготной дрозофилы с мухой у которой черное тело и дуговидные крылья в F1 получено следующее потомство: серых прямокрылых 1641,

группе сцепления, равно 8,4 морганиды. Определите вероятность образования гамет AB у дигетерозиготы, если одна из родительских особей имела генотип aaBB.

генов и расстояние между ними. ЗадачаÏолесÃÓ10. Расстояние между генами A и B, расположенными в одной

Задача 11. У кукурузы рецессивный ген «укороченные междоузлия» (b) находится в одной хромосоме с рецессивным геном «зачаточная метелка» (v).

При проведении анализирующего крещивания растением, имеющим

нормальные междоузлия и нормальную метелку, в е потомство было похоже на одного из родителей. При скрещивании полученных гибридов между собой

в потомстве оказалось 75% ра т ний нормальными междоузлиями и

нормальными метелками, а 25% с укороч нными междоузлиями и зачаточной метелкой. Определите генотипы родит л й и потомства в двух скрещиваниях. Составьте схему решения задачи. Объясните полученные результаты. Какой закон наследственности прояв я тся во втором случае.

Задача 12. В резу ьтате скрещивания самки дрозофилы, которая имела генотип АаВb, с самц м, генотип которого ааbb, получили 360 мушек. Сколько из них те ретически до жны отличаться по фенотипу от материнской особи, если д минир вание генов А и В полное, наследуются они сцеплено и

расстояние между ними с ставляет 10% перекреста?

Задание 2. Составьте генетическую карту.

Задача 1. Гетерозиготных самок желтого цвета (у) с белыми глазами (w)

и вильчатыми крыльями (bi) скрестили гомозиготными по этим генам

самцами. Получилось потомство, состоящее из 1160 некроссоверных мух, 15

кроссоверных за счет перекреста генов у и w, 43 кроссоверных за счет

перекреста генов w и bi. Вычислить расстояние между генами. Построить генетическую карту.

Задача 2. Расположить гены а, b , с, d в нужной последовательности: величины кроссинговера между а и b – 8%, между b и с –3%, между с и d – 4%, между а и с – 5%, между а и d – 4%, между с и b – 3%.

Задание 3. Измерить величину интерференции и коинциденции.

Генетика с основами биометрии

На основании измерения частоты перекреста было установлено, что в генотипе ABC/abc гены А и В разделяются расстоянием 17,9, а В и С – расстоянием 28,6 морганид. Всего получена 521 особь, среди которых у 14 особей возник двойной кроссинговер. Определите величину интерференции и коинциденции.

ÏолесÃÓ

Генетика с основами биометрии

Лабораторная работа № 10

ТЕМА: Конъюгация бактерий (4 часа)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить этапы конъюгации бактерий.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Конъюгация – однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном

истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.

Явление конъюгации было открыто и хорошо изучено у кишечной палочки (E. coli). Тем не менее, оно имеет ме то и у других прокариот.

Наиболее известной конъюгативной плазмидой является F-плазмида, или F-фактор. F-плазмида является эпи омой (плазмидой, которая может существовать в клетке как свободный генетический элемент, так и интегрироваться в клеточный г ном путѐм гомологичной рекомбинации) длиной около 100 тыс. (по другим источникам, 60 тыс.) пар оснований. У неѐ есть собственная точка нача а р п икации – oriV и точка разрыва – oriT. F- плазмида, как и все конъюгативные плазмиды, кодирует белки, противодействующие прикреп ению пилей других бактерий к клеточной стенке данн й. П эт му к етки, уже содержащие конъюгативную плазмиду в свободном или интегрир ванном состоянии, на несколько порядков реже выступают в р ли реципиентов при конъюгации. Клетку, содержащую F- плазмиду, б значают F+ и называют мужской, при конъюгации она, как правило, выступает в роли донора. Клетка, лишѐнная F-плазмиды, при конъюгации является реципиентом генетического материала и называется женской.

Помимо прочей генетической информации, F-плазмида несѐт локусы tra и trb, в общей сложности содержащие 33 тыс. пар оснований и включающие около 40 генов. В локус tra входит ген, ответственный за белок пилин, а также регуляторные гены, которые в совокупности отвечают за образование половых пилей на поверхности клетки. В этот локус также входят гены, обеспечивающие притяжение поверхности клетки F+ к клетке F- и инициирующие конъюгацию. Имеются разногласия по поводу того, участвуют ли половые пили в непосредственной передаче ДНК от одной клетки к другой. Вероятнее всего, половые пили служат для удержания конъюгирующих бактерий вместе, однако их функция до конца не установлена.

Генетика с основами биометрии

Кроме того, на половых пилях адсорбируются бактериофаги, специфичные к мужским клеткам. К ним относятся РНК-содержащие фаги: R17, MS2, Qβ, f12, а также фаги с одноцепочечной ДНК: fd, f1, M13.

Несколько белков, кодируемых локусами tra и trb, «открывают» канал между двумя конъюгирующими клетками. Фермент traD, локализованный в основании пиля, инициирует слияние участков мембран клеток.

Плазмидой кодируется эндонуклеаза, разрезающая одну из нитей еѐ ДНК в определѐнной точке (oriT). Эта эндонуклеаза называется релаксазой. Релаксаза может функционировать в одиночку или в комплексе с дюжиной

других белков, в совокупности составляющих релаксосому. В случае F- плазмиды релаксаза называется TraI, а релаксосома состоит из белков TraI, TraY, TraM и фактора IHF.

структураÏоДНК плазмидылес. Для усп шнойÃÓп р дачи генетического материала и последующей реп икации мож т потр боваться и второй разрыв. Весь процесс конъюгации д ится н ско ько минут.

разрушения ДНК рестриктазами. Након ц, переданная цепь замыкается в кольцо и на еѐ основе путѐм р пликации во танавливается двунитевая

Конъюгативная п азмида может встраиваться в хромосому путѐм гомологичн й рек мбинации с участием IS-элементов. Конъюгация при этом идѐт по т му же механизму, однако реципиенту передаѐтся не только плазмида, но и хр м с мный материал донора. В этом случае процесс затягивается на часы, часто происходит разрыв передаваемой нити ДНК. Путѐм искусственного прекращения передачи ДНК в разное время и наблюдения за тем, какие гены были при этом переданы, была получена карта хромосомы кишечной палочки (E. coli) и показано еѐ кольцевое строение.

При выщеплении из хромосомы плазмида может захватывать еѐ фрагмент и переносить его собой в другую клетку (аналогия с трансдукцией). Данный процесс носит название сексдукции.

ХОД РАБОТЫ:

Задание 1. Заполнить таблицу.

Генетика с основами биометрии

Таблица 1. Конъюгация бактерий

1.Донор

2.Реципиент

3.Плазмиды

F

F+

Задание 3. Изобразить схематически бактериальную хромосому с внехромосомными факторами, выполняющими кодирующую (внесение нового признака) и регулирующую (восстановление утраченной функции) роль.

Генетика с основами биометрии

ÏолесÃÓ