Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 3ver7

Глава 3. Морганизм - хромосомная теория наследственности

3.1. Наследование признаков, сцепленных с полом

Г.Мендельподчеркивал,чтонаправление скрещивания, т.е. то, от какого пола привносятся доминантные или рецессивные признаки,неимеетзначениядлярасщепления признаков у гибрида. Это правильно для всех случаев, когда гены находятся в аутосомах, одинаковопредставленныхуобоихполов.

Наследование признаков, гены которых находятся в X и Y хромосомах, называется

наследованием, сцепленным с полом.

Дополнение 3.1

Группа основоположников хромосомной теории наследственности, а затем и многих других направлений современной генетики, сложилась в Колумбийском Университете под руководством Т.Х. Моргана.

В 1904 году великий цитолог того времени Е.Б. Уилсон (E.B. Wilson) пригласил Моргана, уже известного морфолога и эмбриолога, занять место профессора в Зоологическом отделе Колумбийского университета. Осенью 1909 года, когда Морган читал курс введения в биологию, единственный раз за всю свою научную карьеру, на лекциях присутствовали второкурсник А.Г. Стертевант и первокурсник К.Б. Бриджес. С самого начала оба студента были заинтригованы стилем преподавателя. Морган не был очень хорошим лектором в обычном смысле этого слова, да и лекции были не всегда хорошо продуманы, спланированы или выдержаны логически, как например было у самого Уильсона. Однако, студенты, обладавшие природным любопытством, ощущали в этих лекциях дух открытий и постановки новых проблем. По иронии судьбы, Морган в том курсе ничего не говорил о проблемах наследственности. Тем не менее, осенью 1910 года оба студента попросились на кафедру Моргана. Стертевант, как третьекурсник, был принят ассистентом, а Бриджесу предложили мыть бутылки, в

Т.Г. Морган и его сотрудники провели два типа скрещиваний дрозофил: в одном самки были нормальными по цвету глаз (w+), а самцы имели белые глаза (w), в другом белоглазых самок (w) скрещивали с нормальными самцами (w+). Такие скрещивания называют реципрокными, т.е. проведенные в обоих направлениях. В скрещивании нормальных самок с белоглазыми самцами

1 : 1 : 1 : 1

которых разводили дрозофил. Двумя годами позже в группу вошел Г.Дж. Меллер.

После 1910 года через лабораторию Моргана прошли многие исследователи, в том числе: Ч. Зелены (C. Zeleny), Ф. Пэйн (F. Payne), Ч.Метц (C. Metz), Х. Пло (H. Plough), Ф. Шрэдер (F. Schrader), Д. Лейнсфилд (D. Lancefield), А. Уэйнстайн (A. Weinstein), Л. Дэнн (L. Dunn), О. Мор (O. Mohr), Ф. Добжанский (F. Dobzhansky). Хотя все они внесли свой существенный вклад в развитие того или иного раздела генетики, именно Бриджес, Меллер и Стертевант участвовали в наиболее результативных экспериментах 1910-1915 гг, в которых и были заложены начала хромосомной теории наследственности. В отличие от Моргана и Стертеванта, Бриджес активно интересовался политикой, например, он поддержал большевистскую революцию 1917 года в России или повстанцев-республиканцев во время гражданской войны в Испании в 1936 году. Он был приглашен Академией Наук

СССР и провел в СССР один год (1931-1932). Г.Дж. Меллер так же как и Бриджес интересовался политикой и поддерживал левых. Три года (1933-1936) он провел в СССР,

куда приехал по приглашению Н.И. Вавилова. Затем переехал в Испанию, помогая повстанцам. Его активность по распространению газет левых была одной из причин ухода из Техасского университета в 1933 году. (Из: Allen, 1978, pp. 70-71, 164-172).

красноглазымиособямивравныхсоотношениях. Картинанаследования,когдавF1 признаки родителейпередаютсяпротивоположномуполу, называется крисс-кросс (criss-cross - крест-

накрест).

Этирасщепленияполностьюкоррелируют с поведением половых хромосом. Именно в этом эксперименте была впервые показана генетическим методом роль хромосом в наследственности.

Âсамом деле, если самка является гомозиготнойподоминантномугенукрасной окраски глаз (Рис. 3.1), находящемуся в Х- хромосоме, то этот ген передается сыновьям

F1.Врезультатевсесамцыимеют нормальную окраску глаз - w+, и расщепление обнаруживаетсятольковF2.

Âреципрокномскрещиваниибелоглазая самка передает самцу мутантный ген w в результате чего уже в первом поколении наблюдается расщепление по цвету глаз - все самцыбелоглазые.

скрещивании с частотой 0.1-0.001% появляютсяединичныекрасноглазыесамцыи единичныебелоглазыесамки.

К. Бриджес, описавший это явление в 1913 году, предположил, чтововремямейоза в направительное тело отходят обе Х- хромосомы,авяйцеклетку-ниодной.Если в направительноетелоХ-хромосомынеотходят, обе они будут находиться в яйцеклетке. Это явление было названо первичным нерасхождением хромосом (Рис. 3.2).

Получающиеся самки с тремя Х- хромосомами гибнут на личиночной стадии развития, особи, имеющие только Y- хромосому, тоже гибнут, а самцы с только одной Х-хромосомой внешне нормальны, но стерильны. Данные по нерасхождению хромосом свидетельствуют о том, что нарушения в распределении половых хромосом сопровождается изменениями в наследовании признаков, сцепленных с полом.

пурпурныецветкииудлиненнаяпыльца

(P- L- ) - 4831 (69.5%)

пурпурныецветки,круглаяпыльца

(P- ll) - 390 (5.6%)

красныецветки,удлиненнаяпыльца

(ppL- ) - 393 (5.6%)

красные цветки, круглая пыльца

(ppll) - 1338 (19.3%)

Т.е., в потомстве получены все четыре ожидаемых класса, но соотношение было не 9:3:3:1. В этом случае родительские сочетания аллелей исследованных генов PL и pl предпочтительно попадают в исходные гаметы, в то время как их новые сочетания (pL и Pl) встречаются гораздо реже. Это явление в дальнейшем назвали сцеплением генов.

Сцепленное наследование подробно изучили Т.Х. Морган, А. Стертевант, Г. Меллер и К. Бриджес.

В скрещиваниях родительских форм, гомозиготных по доминантным аллелям обоихгеновигомозиготныхпорецессивным аллелям получаются гибриды F1, у которых оба признака будут доминировать.

P AABB aabb

F1 AaBb

Структура гамет особей F1 может бытьпроверенаспомощьюанализирующего скрещивания:

AaBb × aabb

Если испытуемые гены находятся в разных хромосомах, то образуется 4 вида гамет AB, Ab, aB и ab и, следовательно, четыре фенотипических класса потомков:

AB/ab Ab/ab aB/ab ab/ab

в соотношении 1:1:1:1. Однако, если гены A и B сцеплены и “стремятся” попасть в одну гамету, в результате анализирующего скрещивания могут появиться только две формы, повторяющие признаки родителей в равном соотношении:

1 AB/ab : 1 ab/ab

Это означает, что гены A и B наследуются совместно, как единый наследственный

фактор, т.е. что они “сцеплены” (термин “сцепление” предложен Т. Морганом).

Этот эксперимент Моргана заложил основы хромосомной теории наследственности.

3.3.2. Кроссинговер

Как и в других законах наследственности,взаконеосцеплениигенов сразу же обнаружили исключения. Морган в 1911 году нашел, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами.

Âскрещивании организмов,

различающихся по паре признаков, в F1 получаются дигетерозиготы AB/ab.

Âскрещивании потомков F1 с родительскойформой ab/ab вслучаеполного сцепления получалось бы расщепление AB/ ab и ab/ab в соотношении 1:1. Однако, всегда появляются новые сочетания признаков, например, Ab/ab и aB/ab. Значит, во время гаметогенезаобразовалисьновыесортагамет за счет перекреста хромосом и обмена их фрагментами.

Расщепление

при полном сцеплении

при кросинговере

3.3.2.1. Генетические доказательства перекреста хромосом

Т.Х.Морганссотрудникамискрещивал линии дрозофил, содержащие гены b и vg (b - черное тело, vg - зачаточные крылья).

b+ vg b vg+

Далее, ставились реципрокные скрещивания: в одном дигетерозиготой была самка, а дигомозиготой - самец, в другом скрещивании-наоборот.

Если дигетерозиготой был самец, в потомстве1частьимеетфенотип b+vg,другая часть - vg+b. Эти классы расщепляются в соотношении 1:1.

В ходе этого эксперимента Морган открыл, что у самцов дрозофилы перекрест хромосомы не происходит. Это наблюдение имеет огромное значение для любых экспериментов по генетике дрозофилы, в которых нужно исключить кроссинговер у одного из родителей.

Вреципрокномскрещиванииполучено четыре класса потомков, два из которых имеют сцепленные гены, в том порядке, в каком они наблюдались у родителей, а два других класса возникли в результате нарушения сцепления - это кроссоверы:

некроссоверы кроссоверы

Эти результаты неопровержимо показывают, что в ходе гаметогенеза произошел обмен фрагментами хромосом.

Âкаждом из классов число мух было

âопределенных числовых сотношениях: b+ vg/b vg è b vg+/b vg составляли по 41.5%, т.е. некроссоверов было 83%. Два кроссоверных класса по числу особей были также одинаковыми (8.5%) и сумма их равна 17%.

Частота кроссинговера определяется как отношение числа гамет с зарегистрированнымиобменамимеждудвумя определенными парами аллелей к общему числу гамет.

Значение частоты кроссинговера между двумя генами, выявляемое в опыте, не может быть более 50%, т.к. эта частота составляет вероятность нормального, т.е. без кроссинговера, расхождения хромосом.

3.3.2.2. Цитологические доказательства кроссинговера

Âначале 30-х годов К. Штерн получил линии дрозофилы, имеющие половые хромосомы, отличимые друг от друга на цитологическомуровне.УсамкинаоднуизXхромосомбылперенесеннебольшойфрагмент Y-хромосомы,чтопридалоейспецифическую Г-образную форму, легко различимую под микроскопом. Вторая X-хромосома была короче нормальной, так как часть ее была перенесенанаIVхромосому(Рис.3.4).

Былиполученысамки,гетерозиготные по двум указанным морфологически различнымX-хромосомамиодновременнопо двумгенам Bar (B) и carnation (car).Мутанты Barимеютполосковидныеглаза,умутантовcar

-окраска глаз цвета красной гвоздики. Г- образная X-хромосома несла аллели дикого типа B+ è car+, укороченная хромосома - мутантныеаллелиBиcar.

Этих самок скрещивали с самцами, имевшими морфологически нормальную X- хромосому,несущуюаллелиcarиB+.

Âпотомствесамокбылодваклассамух снекроссовернымихромосомами:car B/carB+ è car+B+/car B+ и два класса мух, фенотип которых соответствовал кроссоверам: car B+/ car B+ è car+ B/car B+.

Цитологическийанализ374препаратов самок показал, что в 369 случаях кариотип соответствоваложидаемому.Всечетырекласса самок имели по одной нормальной, т.е. палочковидной Х-хромосоме, полученной от отца. Те кроссоверные самки, которые были B car+ по фенотипу, содержали двуплечую Г- образнуюХ-хромосому.

Если бы считали только одиночные обмены между генами A и C (79 + 135 = 214), расстояние составило бы 41.1 морганиды. Однако, при построении генетических карт учитываются все события кроссинговера. Между генами A и B произошло 93 обмена (79+14), поэтому расстояние между ними составляет 93/521 Ч 100 = 17.9%. Считая аналогичным образом, определяем расстояние между B и C - 28.6%. Таким образом, общее расстояние между A и C должно составлять примерно суммарное значение расстояний между A и B, и B и C, т.е. 17.9 + 28.6 = 46.5 морганиды. Разница в 5.4 морганиды приходится на долю двойного кроссинговера. Дело в том, что на больших расстояниях может происходить двойной кроссинговер, который очень трудно учитывать. Например, в случае произошедшего двойного кроссинговера между генами A и C,

оба они останутся на своих местах, и факт произошедшего обмена между ними останется незамеченным.

При этом, чем дальше гены отстоят друг от друга, тем большая вероятность двойного кроссинговера, следовательно, чем меньше расстояние между генами, тем оно точнее может быть определено.

Для учета двойных обменов между генами А и С нужно иметь маркер между генами A и C. В нашем примере маркером двойного кроссинговера является ген B. Поэтому к сумме одиночных кроссоверов (41.1%) прибавляют удвоенный процент двойных кроссоверов (2.7 Ч 2 = 5.4%), в результате чего получается общее расстояние 41.1 + 5.4 = 46.5%. Удвоение процента двойных кроссоверов необходимо в связи с тем, что каждый двойной кроссинговер возникает благодаря двум независимым одиночным разрывам.

3.3.2.5. Интерференция

Установлено, что в опыте доля двойных кроссоверов оказывается ниже теоретически ожидаемой.

Если гены A, B и C (см. Табл. 3.1.) расположены близко друг к другу, то одиночный обмен на участке между генами A и B подавляет таковой на участке между генами B и C. По мере удаления гена С возможность второго обмена увеличивается. Интерференция - это явление, сущность которого заключается в том, что кроссинговер, произошедший в одном участке хромосомы, препятствует другому кроссинговеру в близлежащих участках. Особенно сильно это сказывается, если гены расположеныблизкодругкдругу. Открылего Г. Меллер в 1916 году.

Если кроссинговер, произошедший в одном участке хромосомы, препятствует образованию другого обмена в близлежащих участках, то это положительная интерференция. Очень редко бывает отрицательная интерференция, когда кроссинговер усиливается. В выше приведенном примере с генами A, B и C, A и B разделены расстоянием 17.9 морганид, а B и C - 28.6 морганид. Если обмены на участке AB и BC происходят как независимые и случайныесобытия,товероятностьдвойного кроссинговера между генами A и C должна бытьпроизведениемвероятностейнаучастке AB (17.9) и BC (28.6), т.е. 17.9 Ч 28.6= 5.12%. Однако, в опыте получено всего 14 особей (2.68%). Это снижение происходит за счет интерференции.

Измеряют интерференцию отношением наблюдаемого числа двойных обменов к числу теоретически ожидаемых. Этоотношениеназываюткоинциденцией,т.е. величиной совпадения, в данном случае 2.68/ 5.12=0.52 или 52%. На небольшом расстоянии, где имеет место влияние одного гена на другой, величина совпадения будет меньше единицы.

Интерференция является свойством района хромосомы. (Дополнительные данныеокроссинговереиинтерференциисм.

Усамкидрозофилы,гетерозиготнойпо двум аллелям гена w (white - белые глаза и wco - глаза кораллового цвета), глаза имеют розовый цвет. Во время митоза, когда образуются четыре хроматиды, они могут перекрещиваться. Если в это время клетки подвергаются какому-либо сильному воздействию, например, облучаются рентгеновскими лучами, может произойти обменфрагментаминесестринскиххроматид. В результате, в одну из дочерних клеток попадут хромосомы,которыенесуталлель w, а в другую - wco и образуются две клетки, генотипы которых различаются. На фоне общегорозовогоцветаглаз,характерногодля гетерозигот w/wco, появляется одна клетка белого цвета и одна темно-красного. Две клетки, возникшие как следствие одного митоза,припоследующемразмножениидадут два вида пятен, примерно равных по размеру и проявляющих два разных рецессивных признака. Наличие таких пятен свидетельствует о происшедшем митотическом кроссинговере.

3.3.2.8. Факторы, влияющие на кроссинговер

Кроссинговеробнаруженпочтиувсех изученных видов животных и растений (см. более подробно в кн. Лобашев, 1967, стр. 277-283), однако формирование обменов хромосом зависит от пола, например, у самцов дрозофилы и самок шелкопряда (оба пола гетерогаметные) кроссинговер не

происходит. Общая частота может быть различной в ооцитах и сперматозоидах. У человекарекомбинацияпроисходитвдвараза чаще у женщин, чем у мужчин.

На частоту кроссинговера влияют: а) внешние условия (температура и др.), б) стадии развития (возраст), в) пол, г) генотип (определенные гены или структурные изменения хромосом).

Увеличение частоты кроссинговера у самок дрозофилы обеспечивает дополнительная Y хромосома. Увеличение небольшое, на 2-3% (см. Ashburner, 1989, p. 463).

Вдоль хромосомы частоты генетическойрекомбинации распределяются нелинейно, исключая средние части плеч хромосом (Рис. 3.10), в то же время кроссинговер подавляется в окрестностях гетерохроматина, т.е. общая организация хромосомы сильно влияет на общую частоту обменов.

Возраст самки дрозофилы так же сильновлияетначастотукроссинговера(Рис. 3.11).

Сильным фактором, влияющим на протекание обменов, является температура. Так, у дрозофилы в интервале b-pr, при 130С происходит 13.53% обменов, при 220Ñ - 6.4%, ïðè 320C - 15.79%.

Острое воздействие высокой температурой, например, тепловой шок при 350С на стадии 12 час куколки дрозофилы приводит к огромному увеличению частоты