Сцепление и кроссинговер

В экспериментах с D. melanogaster Т. Х. Морган и его сотрудники обнаружили множество примеров сцепления генов и показали, что это сцепление как правило неполное.

Рассмотрим один из первых экспериментов Т. Х. Моргана по изучению сцепленного наследования.

У дрозофилы известны мутантные популяции, отличающиеся от мух дикого типа черной окраской тела. Это признак рецессивный по отношению к признаку нормальной серой окраски. Ген, контролирующий черную окраску тела, называется black и обозначается Ь. Его доминантный аллель — Ь*.

Существует также рецессивный геи vestigial (vg), который в гомозиготном состоянии приводит к недоразвитию крыльев (зачаточные крылья). Его доминантный аллель (vg⁺) контролирует нормальное развитие крыльев.

При скрещивании мух $ bb vg vg х b* b* vg* vg' в /^были получены особи, дигетерозиготные по этим генам. Все они были нормальными по обоим признакам в соответствии с правилом доминирования и законом единообразия F,. Далее были проведены два типа анализирующих скрещиваний. В первом из них брали самцов F и скрещивали с гомозиготными самками bb vg vg, а во втором — девственных самок, отобранных в F, скрещивали с самцами bb vg vg (рис. 4.1, а). Результаты этих анализирующих скрещиваний оказались неодинаковыми. В F (потомство от анализирующего скрещивания) в первом случае были получены мухи только двух типов независимо от пола: 50 % мух имели черное тело и зачаточные крылья, 50 % были нормальными по обоим признакам. Учитывая, что расщепление в анализирующем скрещивании отражает соотношение типов гамет, продуцируемых особями F_{, следует заключить, что самцы F, использованные при первом скрещивании, формировали гаметы только двух типов — с родительскими сочетаниями аллелей b vg и F vg*. Следовательно, в 100% случаев образовывались гаметы только с родительскими сочетаниями исследованных генов.

При втором скрещивании в F появились все возможные четыре типа потомков, следовательно, самки Fi давали четыре типа гамет: b vg, b* vg, b vg* и b*vg*. В F_a от этого скрещивания четыре типа гамет образовались в разном количестве (рис. 4.1, б). Независимо от пола мухи распределились следующим образом: 41,5% черных с зачаточными крыльями; 41,5 % нормальных по окраске и с нормальными крыльями; 8,5 % черных с нормальными крыльями; 8,5% нормальных по окраске с зачаточными крыльями. Таким образом, родительские сочетания b vg и b* vg* образовались в 83% случаев, а новые комбинации — рекомбинантные сочетания b vg* и b* vg — в 17% случаев.

Рис. 4.2. Родительские и рекомбинантные сочетания генов.

В другом эксперименте в качестве родителей были использованы мухи, обладающие теми же признаками, но в другом сочетании: мух с черным телом и нормальными крыльями скрещивали с мухами с нормальной окраской тела и зачаточными крыльями. Затем вновь провели 2 типа анализирующих скрещиваний: в первом использовали самцов F_u во втором — самок F_{. В обоих случаях их скрещивали с двойным гомозиготным рецессивом bb vg vg, и вновь получили такие же результаты в отношении родительских и рекомбинантных сочетаний признаков в F_a. Если из брали самцов, то наблюдали только родительские комбинации признаков, а если из F_x брали самок, то появлялись родительские (83%) и рекомбинантные (17%) сочетания признаков в тех же соотношениях, что и в первом эксперименте.

В обоих эксперимешдх наблюдается полное сцепление генов bwvg, если для анализирующего скрещивания берут самцов F. Если же для анализирующего скрещивания используют самок F₉ то сцепление частичное.

Т.Х. Морган дал следующее объяснение этим результатам. В первом эксперименте гены b и vg находятся в одной хромосоме, т. е. дигетерозиготные особи F несут в одном гомологе аллели b и vg, а в другом гомологе — Ь* и vg*; во втором эксперименте b и vg* в одном, а Ь* и vg — в другом гомологе.

У самцов дрозофилы кроссинговер вообще нс происходит, поэтому гены, локализованные в одной хромосоме (или, говоря более строго, в одной паре хромосом), обнаруживают абсолютное сцепление, если при скрещивании используют дигетерозиготных самцов. В мейозе у дигетерозиготных самок дрозофилы F возможен обмен гомологичными участками гомологичных хромосом между локусами, в которых находятся гены b и vg. Такие обмены, или кроссинговер (от англ, crossingover — перекрест), приводят к новому рекомбинантному сочетанию аллелей генов b и vg в гомологичных хромосомах, которые затем расходятся к разным полюсам. Эти обмены происходят с вероятностью 17% и в итоге дают два класса реципрокных рекомбинантных сочетаний, или рекомбинантов с равной вероятностью — по 8,5 %.

Сходным образом объясняется и результат, полученный ранее У. Бэтсоном и Р. Пеннетом: гены, контролирующие окраску цветков (р) и форму пыльцевого зерна (/) у душистого горошка, локализованы в одной паре гомологичных хромосом, и между ними возможен кроссинговер.

Сотрудник Т. Х. Моргана А. Стсртсвант предположил, что частота кроссинговера на участке между генами, локализованными в одной хромосоме, может служить мерой расстояния, на котором они находятся друг от друга. Тогда можно использовать частоту кроссинговера для того, чтобы определять взаимное расположение генов и расстояние между ними.

В качестве подтверждения справедливости этого положения можно в общем виде рассмотреть результаты тригибридного скрещивания, в котором родительские формы дрозофилы различаются по уже известным нам генам b и vg, а также дополнительно по гену рг, проявляющему сцепление с Ь и vg. Рецессивный аллель pr {purple — пурпурный) в гомозиготном состоянии обусловливает ярко-красную окраску глаз, нормальная доминантный аллель рг⁺ — темно-красный цвет глаз.

При анализирующем скрещивании потомки расщепляются на 8 классов: 2 класса нерекомбинантных (I и II) и 6 классов потомков, рекомбинантных по всем генам (Ш-VIII).

Далее необходимо определить частоту кроссинговера между всеми тремя генами попарно. Для этого суммируют количество всех мух, рекомбинантных по генам Ъ и рг. классы Ш, IV, VII, VIII. Полученное число делят на общее число исследованных потомков в F_a. Аналогично определяют частоту рекомбинации (кроссинговера) между рг и vg (при этом суммируют классы V, VI, VII, VIII) и частоту рекомбинации между b и vg (суммируют классы Ш, IV, V, VI).

Экспериментально установленные частоты рекомбинации между тремя генами попарно можно представить следующим образом:

На основании этих данных, пользуясь правилом аддитивности, можно расположить 3 гена в линейной последовательности. Наиболее удалены друг от друга гены b и vg, а между ними локализован ген рг. Сумма частот его рекомбинации с генами b и vg приблизительно равна частоте рекомбинации между Ь и vg. Таким образом, строится простейшая карта группы сцепления.

Рис. 4.3. Карта группы сцепления.

В строгом смысле группой сцепления называют группу генов, проявляющих сцепленное наследование. Поскольку известно, что такое наследование отражает локализацию генов в одной хромосоме, обычно под группой сцепления понимают группу генов, расположенных в одной хромосоме.

Гены, расположенные в одной хромосоме, не всегда обнаруживают сцепление. Генетичсское расстояние, на котором кроссинговер происходит с вероятностью I %, измеряется в сантиморганах (сМ) — эта единица измерения, названная в честь Т. Х. Моргана.