2. Кроссинговер. Типы кроссинговера. Факторы, влияющие на кроссинговер
Важнейшей заслугой Т. Моргана явилось то, что он первым связал перекомбинацию генов находящихся на хромосоме генов с физическим обменом участками гомологичных хромосом – кроссинговером.
Кроссинговер – это обмен гомологичными участками между гомологичными хромосомами (хроматидами) в ходе профазы I мейоза.
Для обозначения частоты кроссинговера была предложена мерная единица – морганида (в честь Т. Моргана), равная 1% кроссинговера (в современном обозначении – это 1см).
Т. Морган допускал, что в кроссинговере могут одновременно участвовать несколько хроматид, в зависимости от этого обмены бывают двух-, трех- и четыреххроматидные (рисунок 4). Участие в кроссинговере той или иной хроматиды из пары гомологических хромосом является случайным.
Рисунок 4 – Типы хроматидных обменов
Перекресты между хроматидами гомологических хромосом может происходить одновременно в нескольких точках (рисунок 5). Кроссинговер бывает одиночным, двойным, тройным и множественным. В зависимости от того в скольких местах он происходит.
Рисунок 5 – Типы кроссинговера
Неравный кроссинговер – кроссинговер, в результате которого образуются сестринские кроссоверные хроматиды, различающиеся по количеству заключенного в них генетического материала.
При неравном кроссинговере наблюдается разрывы в несимметричных точках, и хроматиды обмениватся неравными участками (рисунок 6).
Впервые это явление было изучено А. Стертевантом в 1925 г. на примере гена Bar (В – полосковидные глаза), локализованного в Х-хромосоме D. melanogaster.
Рисунок 6 – Схема кроссинговера: А – норма; В – неравный кроссинговер с образованием хромосом с дупликацией и делецией соответственно
Неравный кроссинговер связан с дупликацией какого-либо участка в одном из гомологов и с утратой его в другом гомологе. Обнаружено, что ген В может присутствовать в виде тандемных, т.е. следующих друг за другом, повторов, состоящих из двух и даже трех копий. Цитологический анализ подтвердил предположение о том, что неравный кроссинговер может вести к тандемным дупликациям. В области, соответствующей локализации гена В, на препаратах политенных хромосом отмечено увеличение числа дисков, пропорциональное дозе гена. Предполагается, что в эволюции неравный кроссинговер стимулирует создание тандемных дупликаций различных последовательностей и использование их в качестве сырого генетического материала для формирования новых генов и новых регуляционных систем.
В редких случаях кроссинговер может происходить в ходе обычного митотического цикла в соматических клетках. В связи с этим он получил название митотического (соматического) кроссинговера. Митотический кроссинговер – редкое явление, которое отрыто К. Штерном в 1936 г. при исследовании самок дрозофил, гетерозиготных по рецессивным мутациям двух локусов Х-хромосомы – y (yellow) – желтое тело и sn (singed) опаленные щетинки (рисунок 7). Одна Х-хромосома несла в двух локусах аллели y sn+, а другая – у+ sn. Такие гетерозиготные мухи должны быть серого цвета и иметь нормальные щетинки. Однако, К. Штерн обнаружил на теле дрозофил одновременно по два рядом расположенных участка, один из которых имел желтую окраску (y) и нормальные щетинки (sn+), а другой – серую окраску (у+) и опаленные щетинки (sn).
Рисунок 7 – Схема митотического кроссинговера: а – без кроссинговера; б – с кроссинговером
Митотический кроссинговер, возникнувший у человека, может приводить к появлению клеток, экспрессирующих рецессивные проонкогенные мутации, предрасполагая к развитию рака. С другой стороны, клетка может стать и гомозиготным мутантом по гену-супрессору опухолевого роста, что приведет к тому же самому результату
Примером митотического кроссинговера является возникновение онкологического заболевания глаз у человека (рисунок 8) – в детском возрасте в результате мутации или кроссинговера в одном из ретинобластов (клеток эмбриональной ткани, которые в последствии образуют ретину – сетчатку глаза).
Рисунок 8 – Заболевание глаза – ретинобластома
Частота красинговера зависит от множества факторов как генетической так и негенетической природы:
гомо- и гетерогаметный пол. Это отмечено у мышей и кур. Так, например, у мышей частота кроссинговера снижена у самцов, а у кур – у самок. У дрозофилы и тутового шелкопряда, наоборот, кроссинговер имеет место только у гомогамного пола, а у гетерогамного (самцов дрозофилы и самок тутового шелкопряда) мейотический кроссинговер отсутствует как в половых хромосомах, так и в аутосомных;
структура хромосом. Снижают частоту хромосомные перестройки, вставки, выпадения участков, т.е все то, что снижает гомологию хромосом;
функциональное состояние организма. По мере увеличения возраста меняется степень спирализации хромосом и скорость клеточного деления;
состояние спирализации хромосом. Усиление спирализации сокращает расстояние между генами и увеличивает силу сцепления между ними;
экзогенные факторы: воздействие температуры, ионизирующей радиации и концентрированных растворов солей, химические мутагены, лекарства и гормоны обычно повышают частоту кроссинговера.
Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды.