Хромосомная теория наследственности Т. Моргана. Кроссинговер. Карты хромосом

Во всех примерах скрещивания, которые приводились выше, имело место независимое комбинирование генов, относящихся к различным аллельным парам. Оно возможно только потому, что рассматриваемые нами гены локализованы в различных парах хромосом. Однако число генов значительно превосходит число хромосом. Следовательно, в каждой хромосоме локализовано много генов, наследующихся совместно. Закономерности наследования генов, локализованных в одной хромосоме, должны быть иные, чем при независимом наследовании. Явление совместного наследования генов было впервые описано Пеннетом, назвавшим это явление “притяжением генов”. Томас Гент Морган (1866-1945 гг.) – американский профессор, эмбриолог, генетик и его сотрудники подробно изучили явление сцепленного наследования генов и вывели законы сцепленного наследования (1910), благодаря которым стало понятно, что гены, локализованные в одной хромосоме, называют группой сцепления. У каждого вида число групп сцепления равно числу пар хромосом, т.е. у дрозофилы их 4, у гороха – 7, у томата – 12, у человека 23 у женщин и 24 у мужчин. Следовательно, установленный Менделем принцип независимого наследования и комбинирования признаков проявляется только тогда, когда гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах хромосом (относятся к разным группам сцепления). Свои опыты Морган проводил на плодовой мушке дрозофиле, отличающейся по цвету тела (серые и черные) и длине крыльев (длинные и зачаточные). В результате первого опыта при скрещивании серой самки с длинными крыльями и самца с черным телом и зачаточными крыльями все потомство оказалось исключительно нормальным с серым телом и длинными крыльями, вследствие доминирования нормальной окраски над черной и длинных крыльев над зачаточными.

На основании чистоты гамет и закона независимого комбинирования признаков Менделя дигибриды первого поколения должны давать четыре сорта гамет. Следовательно, при скрещивании дигибридного самца первого поколения с рецессивной самкой (анализирующее скрещивание), должно, согласно законам Менделя, получиться расщепление 1:1:1:1, наряду с исходными формами появиться мухи черные длиннокрылые и серые короткокрылые. Однако Морган получил лишь исходные родительские формы 1:1. Полученный результат дал право заключить, что черный цвет тела и зачаточные крылья наследуются вместе – сцеплены между собой, так же, как и нормальные крылья и серый цвет тела.

В другом опыте Морган взял гибридную самку и рецессивного самца и получил в их потомстве четыре типа мух, по 41,5% - похожих на родителей и по 8,5% - с новыми сочетаниями генов (серые с зачаточными крыльями и черные с нормальными крыльями). Постановка повторных опытов подобного рода показала, что этот результат при одних и тех же условиях постоянен. Таким образом, у гибридных самок происходит нарушение сцепления, ведущее к появлению новых комбинаций генов (в данном случае их в опыте 8,5+8,5=17%). Этот процесс получил название КРОССИНГОВЕРА (перекреста) или обмена генами в гомологичных хромосомах. Перемещение генов из одной хромосомы в другую происходит с определенной частотой, которая обратно пропорциональна расстоянию между генами: чем меньше расстояние, тем меньше вероятности кроссинговера (основное правило кроссинговера). Единица расстояния между генами названа в честь Моргана морганидой и равна проценту кроссинговера между генами. Постоянство результатов позволило сделать Моргану следующие выводы: сцепленное наследование может быть полным – явление полного сцепления генов, при котором группа сцепления не нарушается, все гены наследуются совместно (гибридный самец), и неполным(гибридная самка) – группа сцепления нарушается явлением кроссинговера.Кроссинговер начинается в пахинеме профазы 1 мейоза и заканчивается в диплонеме профазы 1 мейоза.

Виды кроссинговера:

1) единичный и множественный (в одном или нескольких местах),

2) эффективный и неэффективный (обмен одинаковыми генами или разными по эффекту, доминантный на рецессивный),

3) полный и неполный (все хроматиды обмениваются или не все),

4) равный и неравный (одинаковые участки обменялись или один транслоцировался на другую хромосому, а гомологичный остался на прежнем месте)

По частоте кроссинговера между двумя генами можно судить об относительном расстоянии, разделяющим эти гены.

N = B+C/P х 100%

N – расстояние между генами, B – количество особей в одной кроссоверной группе,

C – количество особей во второй кроссоверной группе, Р – общее количество особей

1% - это расстояние в 1 Морганиду

Обмен участками гомологичных хромосом имеет большое значение для эволюции, т.к. непомерно увеличивает возможности комбинативной изменчивости. Вследствие перекреста отбор идет не по целым группам сцепления, а по группам генов и даже отдельным генам. В результате перекреста «полезные» для организма аллели могут быть отделены от «вредных» и, следовательно, возникнут более выгодные для существования вида генные комбинации – адаптивные! Существование кроссинговера позволило школе Моргана разработать в 1911-1914 гг. принцип построения карт хромосом. Есть два вида хромосомных карт: морфологические (цитологические) и генетические (функциональные). Морфологические карты показывают, какие гены и в какой последовательности находятся в хромосоме. Генетические карты– это прямые, на которых указан порядок расположения генов в хромосоме и расстояние между ними. Наибольшее число генов локализовано в Х хромосоме – 95. В наиболее крупной из аутосом – первой - 24 гена (рис. 2), в том числе ген резус-фактора, эллиптоцитоза, рака груди, лейкемии, миопатии, системной красной волчанки, катаракты и др.

Одним из наиболее популярных методов отнесения генетического маркера (функционально активного гена) к конкретной группе сцепления является метод гибридизации соматических клеток разных биологических видов организмов, один из которых – исследуемый. У межвидовых гибридов соматических клеток в процессе культивирования происходит утрата хромосом преимущественно одного из биологических видов. Потеря хромосом носит, как правило, случайный характер, и образующиеся клоны клеток содержат оставшиеся хромосомы в разных сочетаниях. Анализ клонов, содержащих разные наборы хромосом исследуемого вида, позволяет определить, с какой из этих оставшихся хромосом ассоциирована экспрессия исследуемого маркера, и, следовательно, локализовать ген на конкретной хромосоме. Если в культуре смешать клетки мыши и человека, то можно получить гибридные клетки, содержащие хромосомы одного и другого вида. В гибридных клетках от 41 до 55 хромосом, при чем хромосомы мыши сохраняются все, а утрачиваются хромосомы человека. В гибридных клетках хромосомы как мыши, так и человека функционируют, синтезируя соответствующие белки. Морфологически каждую из хромосом можно отличить и установить, какие именно хромосомы человека присутствуют в данном наборе, и, следовательно, выяснить, синтез каких белков связан с генами данных хромосом. Гибридные клетки обычно теряют ту или иную хромосому человека целиком. Это дает возможность считать, что если какие – либо гены присутствуют или отсутствуют постоянно вместе, то они должны быть отнесены к одной группе сцепления.

Закономерности, открытые школой Т. Моргана (Т. Морганом и его учениками: К. Бриджес, Г. Меллер, А. Стертевант–нобелевскими лауреатами), а затем подтвержденные и углубленные на многочисленных объектах, известны под общим названием хромосомной теории наследственности, основные положения которой следующие:

1. гены локализованы в хромосомах;
2. гены расположены в хромосомах в определенной линейной последовательности (в дальнейшем выделили мобильные генетические элементы или «прыгающие гены» (транспозоны), которые перемещаются по геному с одной хромосомы на другую, нарушая линейный порядок расположения;
3. гены наследственно дискретны;
4. каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме;
5. гены относительно стабильны;
6. гены могут изменяться (мутировать);
7. гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления;

8. число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;

9. признаки, зависящие от сцепления генов, наследуются совместно;

10. сцепление генов может нарушаться процессом кроссинговера, в результате образуются рекомбинантные хромосомы;

11. частота кроссинговера является функцией расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше величина кроссинговера (прямая зависимость);

12. частота кроссинговера зависит от силы сцепления между генами: чем сильнее сцеплены гены, тем меньше величина кроссинговера (обратная зависимость);

13. сцепление генов и кроссинговер позволяют производить картирование хромосом.