Сцепление генов. Перекрест. Генетические карты хромосом. Нехромосомное наследование.

Тема. Сцепление генов. Перекрест. Генетические карты хромосом. Нехромосомное Лекция 6 наследование. План. Открытие сцепленного наследования. Доказательство перекреста хромосом. Цис­ и транс­ пложение сцепленных генов, анализ их расщепления в F2. Генетические карты. Нехромосомная наследственность и ее особенности. 1. 2. 3. 4. 5. Ранее   мы   рассмотрели   дигибридное   скрещивание   и   уяснили,   что   независимое комбинирование   признаков   объясняется   тем,   что   расщепление   одной   пары   аллельных   генов, определяющих соответствующие признаки, происходит независимо от другой пары. Однако это наблюдается только в том случае, когда гены разных пар находятся в разных парах хромосом и при образовании половых клеток гибрида в мейозе отцовские и материнские хромосомы независимо комбинируются.   Однако   количество   хромосом   очень   ограничено   по   сравнению   с   количеством признаков, каждый из которых развивается под контролем определенного гена. Так, у дрозофилы известно около 7000 генов при четырех парах хромосом. Предполагается, что у человека не менее 50 тыс. генов при 23 парах хромосом и т.д. Отсюда очевидно, что в каждой паре хромосом должны быть локализованы сотни аллелей. Естественно, что между генами, которые находятся в одной хромосоме, наблюдается сцепление и при образовании половых клеток они должны передаваться вместе. Сцепленное наследование в 1906 г. открыли английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет, но природу этого явления в 1910 г. выяснили. Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес и А. Сертевант. Морганом сделан вывод о том, что гены, расположенные в одной хромосоме, представляют собой группу сцепления. Сцепление генов  – это совместное наследование генов, расположенных в одной и той же хромосоме. Количество групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом, например, у дрозофилы (2n=8) ­ 4 группы сцепления, у человека (2n=46) ­ 23, у крупного рогатого скота ­ 30, у свиней – 19 и т.д. Гены   расположены   в   линейной   последовательности   в   хромосомах   и   находятся   на определенном расстоянии друг от друга. В зависимости от расстояния между генами сцепление может быть полнм и неполным. При полном   сцеплении   гены   всегда   передаются   вместе.   В   этом   случае   при   мейозе   ди­   три­, полигибридная   особь   способна   образовывать   столько   различных   типов   гамет,   сколько   и гетерозиготная по одному признаку то есть два.  При   дигибридном   скрещивании   генотипы   особей   условно   записывают   так:   АВ ав ; АВС авс тригибридном   –   ,  а   гаметы   –  AB,   ab,  ABC,   abc  соответственно.   Если   у  дигетерозиготы доминантные гены находятся в одной гомологичной хромосоме, а рецессивные в другой, такое положение генов принято называть цис ­ положением, если в хромосоме одновременно находятся и доминантные, и рецессивные гены, то транс ­ положением:  цис – положение АВ ав Причиной  неполного сцепления  является  кроссинговер  (перекрест хромосом в 1 делении мейоза).   Обмен   генетическим   материалом   в   мейозе   происходит   почти   буквально   между   всеми гомологическими хромосомами. Гаметы и особи с новыми сочетаниями признаков, появившихся в  транс – положение. аВ Ав 1результате   кроссинговера,   называются  кроссоверами  или  рекомбинантами,   а   само   явление  – генетической рекомбинацией.  При дигибридном скрещивании в результате кроссинговера возникают новые типы гамет – Ab и aB. Чем дальше расположены в хромосоме гены друг от друга, тем меньше «сила сцепления» и тем чаще между ними происходит кроссинговер. Гаметы, у которых аллели генов те же, что и в клетках родителей, называют некроссоверными, а гаметы, у которых в результате кроссинговера аллели изменились – кроссоверными. Частота кросссинговера определяется в процентах и показывает расстояние между генами. Частота кроссинговера =  %100 n 1 n где n1­ число кроссоверов; n­ общее число потомков.  Количеством кроссоверных особей характеризуют полноту сцепления исследуемых генов. При   это   за   условную   единицу   сцепления   или   относительного   расстояния   (перекреста)   между генами принят 1% кроссинговера. Эта единица называется морганидой или сантиморой. Количество   кроссоверных   особей   никогда   не   превышает   50%,   т.к.   при   очень   больших расстояниях между генами чаще происходит двойной кроссинговер и часть кроссоверных особей остается неучтенной. По частоте кроссинговера определяют расстояние между генами, строят карты хромосом, т.е. последовательно располагают гены в линейном порядке на определенном расстоянии друг от друга   по   длине   хромосомы.   При   построении   карт   хромосом   пользуются   результатами гибридологического анализа, в частности, анализирующего скрещивания. Допустим,   что   при   гибридологическом   анализе   получено   следующее   количество кроссоверных особей по одной группе сцепления из четырех признаков А и В – 2%, А и С – 7%, А и Д  – 10%. Отсюда, приняв за начало хромосомы локус с геном  А, карту расположения генов на данной хромосоме можно изобразить так: A 0 B 2 C 7 D 10 Т и п о в а я   з а д а ч а У дрозофилы признаки окраски тела и формы крыльев сцеплены. Темная (черная) окраска тела   рецессивна   по   отношению   к   серой,  а   короткие   крылья  –  к   длинным.   В   лаборатории скрещивались   серые   длиннокрылые   самки,   гетерозиготные   по   обоим   признакам,   с   самцами, имеющими черное тело и короткие крылья. В потомстве оказалось серых длиннокрылых особей 1394; черных короткокрылых – 1418, черных длиннокрылых – 287, серых короткокрылых – 288. Определите расстояние между генами. Р е ш е н и е   з а д а ч и Темная окраска – а, серая окраска – А,  короткие крылья – в, длинные крылья – В.  ♂ab//ab x ♀АВ//ab AB; ab Ab; aB Р Гаметы ab кроссоверные F1 длиннокр. не кроссоверные серые черные коротк. ab//ab 1418 АВ//ab 1394 Потомство, полученное серые коротк. Ab//ab черные длиннокр. aВ//аb 288 287 Потомство, полученное  2с участием некроссоверных гамет. с участием кроссоверных гамет. Частота кроссинговера =  n1  × 100% = (288+287) : 3387 × 100% = 16, 97% n Таким образом, относительное расстояние (перекрест) между генами  А и  В составляет 16, 97% (морганид, сантимор). Генетические карты хромосом (методика составления). Благодаря   кроссинговеру   генетики   получили   возможность   исследовать   порядок расположения   генов   в   хромосомах   и   строить   генетические   карты.   Принцип   построения генетических карт прост. В его основе лежит положение о том, что если кроссинговер м ежду генами происходит редко, то сила сцепления большая, если часто – сцепление слабое. По частоте кроссинговера судят о расстоянии между генами, однако, определить порядок расположения генов в хромосоме можно только изучив взаимоотношения между тремя генами, например, A B C. Предположим, что частота кроссинговера между генами A и B равна некоторой величине М, а между генами В и С – N, то частота перекреста между А и С может быть равной либо величине M + N, либо M ­ N. Такая закономерность распространяется на все гены данной группы сцепления.   Вполне   очевидно,   что   объяснить   эти   факты   можно,   только   признав   линейное расположение генов внутри хромосомы.  Для обнаружения двойных кроссинговеров необходимо наличие гетерозиготности по трем генам, локализованным в одной группе сцепления.  Рассмотрим  это для трех генов дрозофилы, локализованных в половой хромосоме, а именно: 1) цвет тела: серый (А), или желтый (а); 2) форма щетинок: прямые (В), или загнутые (b); 3) размер крыльев: нормальные (С), или маленькие (с).Для составления карты хромосом необходимо: 1) скрестить гомозиготные особи с альтернативными признаками и получить F1; 2) произвести анализирующее скрещивание; 3)   установить   кроссоверные   особи   в   процентах   среди   гибридов   анализирующего скрещивания. Ход эксперимента выглядит так: РР генотип фенотип F1 ABC ♀ ABC серое тело (А) прямые щетинки (В) нормальные крылья (С) ABC abc × abc ♂ abc желтое тело (а) загнутые щетинки (b) маленькие крылья (с) Самки   F1  гетерозиготные   по   этим   трем   сцепленным   генам,   были   скрещены   с   самцами, гомозиготными по рецессивным аллелям изучаемых генов. РР генотип фенотип Гаметы:  ♀ АВС, аbс – аВС, Аbс –  ABC ♀ abc с.п.н. × abc ♂ abc ж.з.м. Некроссоверные одиночный кроссинговер на участке А­В АВс, аbС –  одиночный кроссинговер на участке В­С АbС, аВс ­  двойной кроссинговер на участке А­С В потомстве анализирующего скрещивания получилось следующее расщепление: 3 100%=3,1% 22096 Fан ABC abc 7336 с.п.н. aBC abc abc abc 7334 1994 ж.з.м. ж.п.н. Abc abc 2072 с.з.м. abC ABc abc abc 1318 1360 с.п.м. Ж.з.н. AbC abc 332 с.з.н. aBc abc 350 ж.п.н. Всего   получено   22096   мух   (7336+7334+…+350),   в   том   числе   14670   ­   некроссоверных (66,4%). Рассчитаем частоту перекреста и расстояние между генами: 1994  2072 1) А и В:  22096  × 100% = 18,4% 1318  1360 2) В и С:  22096  × 100% = 12,1% 1994  2072  1318  1360 22096 3) А и С:  Учитывая,   что   один   процент   перекреста   условно   принят   за   единицу   расстояния   между генами, можно заключить, что гены А и В отстоят друг от друга дальше, чем В и С. Расстояние между А и С составляет 30,5 кроссоверных единиц, что равно сумме двух расстояний:  × 100% = 30,5% 18,4 к.е. + 12,1 к.е. = 30,5 к.е. Определим величину двойного кроссинговера (обмен средними участками): 332 350  Таким образом, из 22096 особей с перекрестом на первом участке (А­В) было 18,4%, на втором  (В­С)  –  12,1%,  с  двойным   перекрестом   –  3,1%.  Фактически   перекрест  на  участке  А­В произошел не в 18,4 случаев, а в несколько большем числе, так как и при двойном кроссинговере был  перекрест  на участке  А­В. Для получения общей величины  перекреста  на данном участке нужно   сложить   величины   18,4%+3,1%=21,5%.   Таким   же   образом   следует   внести   поправку   в частоту перекреста и на участке В­С, так как он был не только при одиночном, но и при двойном кроссинговере; получим цифру 15,2% (12,1%+3,1%). Общее число перекрестов будет равно 36,7% (21,5+15,2). Частота единичных кроссоверов между  А  и  С  равна 30,5%, однако в это число входят и двойные.   Поскольку   каждый   двойной   кроссовер   состоит   из   двух   единичных   между   крайними генами, то для того, чтобы получить их суммарную частоту между  А  и  С, частоту двойных 3,1 нужно удвоить и прибавить к частоте единичных (6,2+30,5=36,7). Таким образом, если учесть двойные кроссоверы, генетическая карта, построенная на основе их частот, становится линейной (21,5+15,2=6,2+30,5). Рис. 8.1. Генетическая карта хромосомы. A B C 21,5 15,2 36,7 Исследованиями   установлено,   что   двойной   перекрест   осуществляется   фактически   в меньшем числе случаев, чем ожидается. Предполагаемый двойной перекрест можно рассчитать, если известен порядок расположения генов в хромосоме и частота кроссинговера между ними. 4Напомним, что вероятность совпадения двух отдельных событий равна произведению этих вероятностей для каждого из них. В нашем случае частота перекреста на участке между генами А­В равна 21,5, а между В­С – 15,2%, то вероятность возникновения двух перекрестов в одной тетраде (по одному в каждом из этих участков) составит:  100 %26,3  2,15 100 ,521 100 Однако фактически двойную хиазму несли только 3,1% тетрад. Это объясняется явлением интерференции   (подавления)   двойного   кроссинговера,   когда   кроссинговер   в   одном   локусе препятствует его возникновению в другом. Степень интерференции зависит от расстояния между генами. По мере уменьшения расстояния между генами интерференция увеличивается, и наоборот. Степень интерференции хиазм можно выразить в виде отношения: наблюдаемы   Число %95 Число ожидаемых    х  двойных хи двойных хи 1,3 26,3  100 азм  азм Это отношение называют коэффициентом совпадения или коинциденции. В нашем примере он равен 95%, следовательно, часть случаев (5%) двойного кроссинговера не была осуществлена вследствии интерференции. Явление нехромосомной наследственности было открыто в 1908 г. немецкими ботаниками Корренсом   и   Бауром.   Первоначальное   название   этого   типа   наследственности   –   «материнская наследственность». Суть ее заключается в том, что в отличие большинства признаков, которые передаются потомству от обоих родителей, некоторые признаки и свойства наследуются только от одного из родителей, а именно по материнской линии. Поскольку у высших растений цитоплазма зиготы   происходит   в   основном   от   женской   гаметы,   а   мужская   гамета   представлена,   главным образом,   хромосомным   материалом.   Объяснение     феномена   материнской   наследственности сводилось к тому, что некоторые наследственные факторы расположены не в ядре, а в цитоплазме. Отсюда   и   синонимы:   материнская,   внеядерная,   цитоплазматическая,   экстрахромосомная.   В последствии такой тип наследования был обнаружен у бактерий, грибов, водорослей, насекомых, млекопитающих и др., что свидетельствует об универсальности этого явления. Морган, создатель хромосомной теории считал, что участие цитоплазмы в наследственности не является альтернативой существования  хромосомной системы  генов. Он написал:  «Остается рассмотреть   одну   категорию   случаев,   когда   совершенно   очевидно,   что   в   плазме   присутствуют саморазмножающиеся элементы, которые наследуются и обуславливают собой некоторые признаки организма, совершенно независимо от влияния ядра». На современном этапе развития генетики уже на новом молекулярном уровне показано, что в клетке существуют две генетические системы, которые функционально связаны, и что носителем наследственных свойств в цитоплазме, как и в ядре, являются дискретные, самореплицирующиеся структуры, сохраняющие физическую и генетическую непрерывность в ряду клеточных поколений. Весь генетический материал клетки можно представить в виде следующей схемы (Джинкс, 1966, с модификациями). Геном (ядерный)              хромосомы                гены Весь генетический материал               пластиды  Плазмон (митохондриальный          Митохондрии    Плазмогены хлоропластный геном)                                                (Мт. Гены хп гены)                                                Основное вещество цитоплазмы Наиболее   полно   изучены   3   формы   цитоплазматические   наследственности:   платидная, митохондриальная и цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС). 5Пластидная наследственность. Открыта   и   подробно   изучена   в   1904   году   Корренсом   и   Бауром   (1909)   в   опытах   по скрещиванию пестролистных и зеленых растений львиного зева, ночной красавицы и пеларгонии. У львиного   зева   и   ночной   красавицы:   если   в   качестве   материнской   формы   использовали   зеленое растение, а отцовской – пестролистное, все потомство F1 было зеленым, а в обратной комбинации появлялись в F1 чисто белые (погибали их ранние стадии, т. к. неспособны к фотосинтезу), зеленые и   пестролистные.   Таким   образом,   в   обратной   комбинации   нарушалось   правило   единообразия первого  поколения, а  пестролистность наследовалась  только по материнской  линии,  отцовский компонент не оказывал влияния на этот признак. У   кукурузы   встречаются   мозаичные   растения,   на   которых   одновременно   развиваются листья,   метелки   и   незрелые   початки   разного   цвета:   зеленые,   белые   и   пестрые   (полосатые). Полосатость выражается в чередовании зеленых и белых полос. С постепенным переходом от белой к   зеленой   через   светло­зеленую.   Если   пыльцой   таких   растений   опылить   нормальные   зеленые растения, то потомство будет зеленым. В последующих поколениях пестролитсные растения не выщепляются. Следовательно, этот признак по мужской линии не наследуется. Если же початки пестролистных растений опылять пыльцой зеленых, то результаты будут иными. Из зерен початков, которые в незрелом состоянии были белыми, возникают только белые проростки. Из зерен зеленых в незрелом состоянии початков вырастают только зеленые растения: белые, зеленые и пестролистные. Причем соотношение этих фенотипов не носит закономерного характера. Особенности   расщепления   и   характера   наследования   окраски   растений   в   скрещиваниях пестролистных и зеленых растений были объяснены после изучения пластид у таких форм. В клетке пестролистных растений обнаружено два типа хлоропластов: нормальные (содержащие хлорофилл) и дефектные (без хлорофилла). Отмеченные особенности передаются следующим поколениям этих органоидов клетки. В зеленых участках пестролистных растений все пластиды нормальные, в белых – дефектные, в бледно­зеленых – те и другие. Что  касается   расщепления   в  F1,  то  при  использовании   пестролистных   форм  в  качестве материнских, оно будет определяться тем, как произойдет деление цитоплазмы, предшествующее образованию яйцеклетки. Схема такого деления представлена на рис. 1. Если деление произойдет по линии АВ, возможно появление яйцеклеток с зелеными и белыми пластидами, что и объясняет наличие   зеленых   и   белых   растений.   Если   же   деление   произойдет   по   линии   СД,   в   яйцеклетку попадут и нормальные, и дефектные хлоропласты, что и обуславливает появление  пестролистных растений. В опытах Баура с пеларгонией пестролистность передавалась и от отцовской формы, но при этом также получалось неменделевское соотношение фенотипов. Подобные результаты получил француз Реннер в опытах с энотерой. Он показал, что отдельные пластиды могут передаваться через   пыльцевую   трубку.   В   его   опытах   пластиды,   полученные   от   отцовского   компонента скрещиваний, сохраняли свою специфичность в 14 изученных поколениях. Митохондриальная наследственность. Впервые   была   изучена   у   дрожжей.   В   50­е   годы   прошлого   века   Эфрусси   и   Слонимский получили   у   дрожжей   обширный   класс   мутантов,   так   называемых   «petite  colonie»   (маленькая колония), которые медленно росли и давали мелкие колонии на чашках с агаром, содержащим мало глюкозы.   Это  свойство   мутантов   связано  с   утратой   или   способности   синтезировать   ферменты, необходимые для нормального аэробного дыхания, локализованный в митохондриях. С помощью электронной микроскопии были выявлены некоторые аномалии в строении таких митохондрий. Это прежде всего слабое развитие их внутренних мембран. При скрещивании с диким штаммом дрожжей мутантные формы не выщепляются ни в одном из   поколений,   т.   к.   потомки   приобретают   от   дикого   штамма   нормальные   митохондрии, обеспечивающие аэробное дыхание. 6Исчезновение признака «маленьких» колоний у потомков от скрещивания их с нормальными вызвано тем, что среди находящихся в гибридной зиготе дефектных и нормальных митохондрий вторые размножаются быстрее первых и очень скоро вытесняют их. В   зиготах   многих   организмов   (кроме   дрожжей)   митохондрии   родителей   почти   не смешиваются.   У высших   животных  в  сперматозоидах  может  содержаться   огромное  количество митохондрий,   но   в   течение   длительного   времени   выживают   лишь   немногие.   Есть   данные,   что митохондрии сперматозоидов утрачиваются после оплодотворения. У   дрожжей,   наоборот,   образование   зиготы   сопровождается   полным   смешением   двух гаметных клеток, и рекомбинация в этом случае – обычное явление. 7