Карты хромосом

После того как была установлена связь генов с хромосомами и обнаружено, что частота кроссинговера всегда вполне опреде­ленная для каждой пары генов, расположенных в одной группе сцепления, встал вопрос о пространственном расположении генов в хромосомах. На основе анализа генетических исследова­ний Т. Морган и его ученик А. Стертевант выдвинули гипотезу линейного расположения генов в хромосоме. Изучение взаимо­отношений между тремя генами при неполном сцеплении пока­зало, что частота (процент) перекреста между первым и вторым, вторым и третьим, первым и третьим генами равна сумме или разности между ними. Так, в одной группе сцепления располо­жены 3 гена — А, В, С. Оказалось, что процент перекреста между генами АС равен сумме процентов перекреста между генами АВ и ВС, частота перекреста между генами АВ оказалась равной АС — ВС, а между генами ВС = АС — АВ. Приведенные данные соответствуют геометрической закономерности в расстояниях между тремя точками на прямой. На этом основании был сделан вывод: гены расположены в хромосомах в линейной последователь­ности на определенных расстояниях друг от друга.

На основании анализа частоты кроссинговера между генами к настоящему времени для многих видов животных и растений построены карты хромосом. Картой хромосом называется план расположения генов в хромосоме.

Кестл провел опыт анализирующего тригибридного скрещивания кроликов с тройными рецессивами с целью выяснения сцеп­ления между такими генами:

сплошная окраска — С, гималайская окраска — с*;

белый жир — У, желтый жир — у,

черная окраска — В, коричневая окраска — Ь.

В результате анализирующего скрещивания было получено 908 кроликов восьми разных фенотипов соответственно количе­ству разных сортов гамет (табл. 4). Численное соотношение осо­бей разных фенотипических классов указывало на отсутствие независимого наследования по этим трем парам аллелей. Нужно было установить порядок расположения этих генов в хромосоме. Поскольку известно, что численность гамет родительских форм должна значительно превышать численность кроссоверных гамет, то можно прийти к выводу, что родительские комбинации генов были chYB и СуЬ {lid + 275 = 551). Они составляли от общего числа 60,7 %. Далее при анализе исходим из того, что двойных перекрестов должно быть значительно меньше, чем одинарных. Меньше всего было комбинаций chyB и CYb (7 + 16 = = 23) — 2,5 %. Генотипы этих кроликов отличались от родитель­ских только тем, что У и у поменялись местами. Так могло произойти только при двойном перекресте, и это является под­тверждением того, что расположение генов было именно таким. Вычисляем частоту одиночных перекрестов. От одиночного перекреста на первом участке образовались гаметы CYB и <гуЪ (рис. 15). Случаев одиночного перекреста на первом участке было 101 (55 + 46), или 11,1 %. В результате одиночного пере­креста на втором участке образовались гаметы <rYb и Су В и получено особей 233 (125 + 108), или 25,7 %. Для того чтобы определить более правильно частоту одиночных перекрестов, мы должны к каждому из них прибавить величину двойного пере­креста _ 2,5 %, так как двойной перекрест проходил по обоим участкам хромосомы. Следовательно, частота кроссинговера на

Рис. 15. Типы гамет, образующихся у крольчихи, гетерозиготной по трем парам аллелей, находящихся в одной паре хромосом

первом участке между генами с* и у составит 13,6 % (11,1 + 2,5). На втором участке между генами у и Ъ — 28,2 % (25,7 + 2,5). Отсюда общая протяженность обоих участков, или процент пере­креста между генами с* и b составит 41,8 (13,6 + 28,2).

4. Фенотипические классы кроликов, полученные при анализе на сцепление трех генов

Расстояние между генами с* и b можно определить и путем учета общего числа одиночных перекрестов (без включения двойных перекрестов). Оно составляет 36,8 %. Прибавив к этому удвоенный процент двойных перекрестов, т. е. 5,0 % (2,5 • 2), получим 41,8 %, что совпадает с результатами уже сделанного расчета по сумме перекрестов на каждом из участков. Теперь можно проверить, насколько фактическая величина двойного перекреста совпадает с теоретически ожидаемой. Теоретически ожидаемую величину рассчитывают путем перемножения про­центов перекреста между генами на первом и втором участках, т. е. (13,6 : 100)(28,2 : 100)100=3,83 %. Фактически их было 2,5 %. Уменьшение числа ожидаемых двойных кроссоверов по­казывает, что кроссинговер на одном участке влияет на прохож­дение обмена на соседнем участке.

Явление торможения кроссинговера на одном участке кроссинго-вером на другом получило название интерференции. Чем меньше будет расстояние, разделяющее три гена, тем больше интерфе­ренция.

Принимая во внимание линейное расположение генов в хро­мосоме, взяв за единицу расстояния частоту кроссинговера, Морган с сотрудниками составили первую карту расположения генов в одной из хромосом дрозофилы. Затем были составлены карты других ее хромосом. Оказалось, что установленное распре­деление генов в хромосоме является общебиологической законо­мерностью. К настоящему времени составлены карты хромосом для животных и растений многих видов. Если для какого-то вида установлена группа сцепления, которая содержит три и более гена, можно составить план их расположения в хромосоме. Так, в разобранном выше примере кроссинговер между генами с* и у обнаружен у 13,6 % кроликов, между генами у и Ъ — у 28,2, а между генами а¹ и b с учетом двойного перекреста —у 41,8 % животных. Ген b не может быть расположен между генами d¹ и у, так как расстояние его от гена с* значительно больше, чем между генами с^ и у (41,8 % против 13,6 %). Следовательно, три изученных гена расположены в хромосоме в таком порядке:

Внизу цифрами указано расстояние между генами. Далее уста­навливают сцепление хотя бы одного из этих генов с каким-то четвертым геном и снова проводят анализирующее скрещивание, выявляя частоту кроссинговера между вновь изучаемым геном и прежними хотя бы двумя уже изученными. На основании вели­чины кроссинговера определяют его место в отношении к из­вестным генам. При построении карт в хорошо изученных хро­мосомах указывают не расстояние между генами, а расстояние до каждого гена от нулевой точки начала хромосомы.

Для лучшего усвоения материала нами везде доминантный аллель обозначается прописной буквой, рецессивный — строч­ной. В специальной литературе и при построении карт хромосом название (символ) гена может включать от 1 до 4 букв. Берется такое минимальное количество букв, чтобы сокращенное обо­значение не совпало с любым другим обозначением генов данно­го вида организмов. При сокращении символа гена, как правило, берут первую букву названия признака и в случае необходимости добавляют буквы из середины или конца слова либо из других слов, входящих в название. Для обозначения генов рекомендует­ся использовать прилагательные или существительные латинско­го или английского языка. Например, гены курицы обозначают: Barring — В (оперение полосатое); Crest — О (черепно-мозговая грыжа); Prenatal — pn (гибель на поздней стадии инкубации).

После построения генетических карт встал вопрос о том, от­вечает ли расположение генов в хромосоме, построенное на ос­новании частоты кроссинговера, истинному расположению. С этой целью генетические карты нужно было сравнить с цитоло­гическими. В 30-х годах нашего столетия Пайнтер открыл в слюнных железах дрозофилы гигантские хромосомы, строение которых можно было изучать под микроскопом. Хромосомы эти имеют характерный для них поперечный рисунок в виде дисков разной толщины, которые окрашиваются кармином. Каждая хромосома по длине имеет специфические рисунки дисков, что позволяет отличать разные ее участки друг от друга. Появилась возможность сверить генетические карты с фактическим распо­ложением генов в хромосомах. Материалом для проверки служи­ли хромосомы, у которых вследствие мутации возникали различ­ные хромосомные перестройки: или не хватало отдельных дис­ков, или они были перевернуты, или удвоены и т. д. Диски служили маркерами, с их помощью определяли характер хромо­сомных перестроек и место расположения генов, о существова­нии которых было известно на основании данных генетического анализа. При сопоставлении генетических карт хромосом с цито­логическими было установлено, что каждый ген находится в определенном месте (локусе) хромосомы и что гены в хромосо­мах расположены в определенной линейной последовательности. В то же время было обнаружено, что физические расстояния между генами на генетической карте не вполне соответствуют установленным цитологически. Однако это не снижает ценности генетических карт хромосом для предсказания вероятности появ­ления особей с новыми сочетаниями признаков.

На основании анализа результатов многочисленных экспери­ментов с дрозофилой Т. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, сущность которой заключается в сле­дующем: 1) гены находятся в хромосомах, располагаются в них линейно на определенном расстоянии друг от друга; 2) гены, расположенные в одной хромосоме, относятся к одной группе сцепления. Число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом; 3) признаки, гены которых находятся в одной хромосоме, наследуются сцепленно; 4) в потомстве гетерозигот­ных родителей новые сочетания генов, расположенных в одной паре хромосом, могут возникать в результате кроссинговера в процессе мейоза. Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами; 5) на основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера как показателя расстояния между генами можно построить карты хромосом.

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается сцепленное наследование призна­ков и как оно устанавливается?

2. Сколько групп сцепления у разных видов сельскохозяйственных животных?

3. Как наследуются признаки при полном и неполном сцеплении?

4. Что такое кроссинговер? Когда и как он происходит и от чего зависит его частота?

5. Как определяется частота кроссинговера? Почему она принята за единицу расстояния между генами?

6. В чем состоит биологичес­кое значение кроссинговера?

7. Как было доказано, что гены в хромосоме распо­ложены линейно?

8. Что такое карта хромосомы и как она составляется?

9. Что такое соматический кроссинговер?

10. В чем заключается хромосомная теория наследственности?