13 Рекомбинационные генетические ккарты (Лекции по генетике)

Лекция 13РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru13.1 Хромосомная теория наследственности и кроссинговерМы уже упоминали, что наследование, сцепленное с полом, было одним изподтверждений того, что гены находятся в хромосомах. Другие подтверждения того жесамого были получены при изучении рекомбинации генов. Таким образом, обе большиетемы, которые мы рассматриваем – определение пола и рекомбинация – имели прямоеотношение к хромосомной теории наследственности.

Первое предположение о том, чтоэлементы наследственности находятся в хромосомах, поскольку хромосомный материал вравной степени распределяется между дочерними клетками при делении, было выдвинутоВильгельмом Ру (Wilhelm Roux) в 1883 г., через 18 лет после работы Менделя. В1902-1903гг.

Уолтером Саттоном и Теодором Бовери была независимо выдвинута хромосомнаятеория наследственности, состоящая в том же самом утверждении, что гены находятся вхромосомах, но более обстоятельно сформулированном. А за ее развитие и доказательствоработами на дрозофиле Нобелевская премия была присвоена великому генетику ТомасуМоргану в 1933 г. (через 50 лет после Ру). Вообще, многие правильные идеи приходят вголову независимо многим ученым и гораздо раньше, чем научное сообществооказывалось готовым к их восприятию, но идей всегда существует множество самыхразных, тогда как ценность имеют лишь идеи, сопровождающиеся хорошимобоснованием.О генетического сцепления впервые сообщил Карл Корренс 1900 г.

Уже в 1911 г.Томас Морган первым интерпретировал генетическое сцепление как нахождение генов водной и той же хромосоме, а рекомбинацию сцепленных генов связал с обменомгомологичных хромосом своими участками – кроссинговером, который был открыт нацитологическом уровне бельгийским ученым Франсом Альфонсом Яссенсом двумягодами ранее, в 1909 г. Согласно гипотезе ученика Моргана Кальвина Бриджеса,кроссинговер происходит по принципу разрыв-воссоедниение.Прямое подтверждение связи рекомбинации аллелей, наблюдаемой в потомствегетерозигот с кроссинговером, то есть с обменами гомологичными хромосомами своимиучастками, можно получить, если две гомологичные хромосомы маркированы как1разными аллелями, фенотипическое проявление которых можно наблюдать в потомстве,так и морфологическими особенностями, наблюдаемыми под микроскопом.Первое такое доказательство было получено Куртом Штерном в 1931 г. надрозофиле.

В его опыте использовались три морфологически различимых варианта Ххромосом: 1) нормальная, 2) укороченная, так как часть Х-хромосомы былатранслоцирована (перенесена) на аутосому 4, и 3) Г-образная, на которую былатранслоцировано одно из плеч Y-хромосомы, так что она стала из акроцентрикаcубметацентриком, состоя из центромеры, длинного плеча, идентичного Х-хромосоме, икороткого плеча от Y-хромосомы. Укороченная хромосома несла две мутации –рецессивную мутацию cr (carnation, в гомозиготе – красно-коричневые глаза) идоминантную мутацию Bar (B, суженные, палочковидные глаза). Г-образная хромосоманесла нормальные аллели – доминантный cr+ и рецессивный B+ (нормальные глаза).Добавление плеча от Y-хромосомы никак не сказывалось на фенотипе (как мы убедилисьранее, добавление даже целых Y-хромосом не оказывает эффекта).

Самок, гетерозиготныхпо Х-хросомомам типа 2) и 3), то есть имевших и укороченную с мутациями, и Гобразную Х-хромосомы, скрещивали с самцами, имевшими нормальную Х-хромосомутипа 1), несущую оба рецессивных аллеля рассматриваемых локусов – cr и B+, создав темсамым ситуацию анализирующего скрещивания. Анализировали только женскоепотомство, из опасений перепутать метацентрические Г-образную хромосому и Yхромосому у самцов.

Как и ожидалось, в потомстве наблюдались самки, получившие отматерей нерекомбинантные гаметы и проявлявшие, соответственно, фенотипы cr B и cr+B+, и, с меньшей частотой, получившие рекомбинантные гаметы, с фенотипами cr+ B и crB+. У всех четырех классов одна из Х- хромосом была нормальной длины, как иожидалось, поскольку таковую они должны были получить от отца. Вторая Х-хросомомав нерекомбинантных классах также имела ожидаемую морфологию, соответственно, 2)(укороченная) и 3) (Г-образная).

Исходя из предположения, что рекомбинантный классыполучили от матери гаметы, содержащие Х-хромосому, у которой прошел обмен междулокусами cr и B, мы вправе ожидать увидеть Х-хромосомы с рекомбинантной жеморфологией (Рис. 13.1). И действительно, у мух с фенотипом cr+ B наблюдалась Хметацентрическая хромосома, состоящая из двух одинаковых коротких плеч, которые мыможем интерпретировать как укороченное плечо Х-хромосомы и плечо от Y-хромосомы,то есть такая Х-хромосома несла обе аномалии сразу. У мух с фенотипом cr B+ обе Ххромосомы были нормальными, то есть хромосома, полученная от матери была такжелишена цитологически различимых аномалий, как и полученная от самца.

Действительно,при кроссинговере хромосомы должны обмениваться участками крест-накрест.2Зафиксировав обмен на фенотипическом уровне в виде рекомбинантного фенотипа, мыувидели, что, будучи обменом между хромосомами, несущими разные аномалии по обоимсвоим концам, он привел к появлению хромосомы, имеющей обе аномалии и хромосомы,не имеющей обеих аномалий.Рисунок 13.1. Доказательство связи генетической рекомбинации и кроссинговера вопыте К.

Штерна (по Гершензон С.М. 1979. Основы современной генетики. Киев: Науковадумка).Сходным образом, использовав хромосому с аномалиями по обоим концам (блокгетерохроматина на одном конце и удлинение на другом) и нормальную хромосому,Крейтон и Мак-Клинток получили аналогичное цитологическое доказательствокроссинговера у кукурузы.13.2. Общая идея рекомбинационных генетических карт3Еще в том же 1911 г. Морган предположил, что сила сцепления между генами,измеряемая в частоте рекомбинантных гамет, отражает пространственныевзаимоотношения между этими генами в хромосомах. В 1913 г его молодой сотрудникАльфред Сёртевант обнаружил, что использование частот гамет, рекомбинантных вотношении двух генов, в качестве меры расстояния (назовем его рекомбинационноерасстояние) между ними позволяет располагать гены в линейном порядке (вот для чегомы так детально знакомились со способами определения этой частоты).(Можно заметить, что почти все простые, смелые и верные гипотезы, касающиесяхромосомной теории наследственности, были почти одновременно выдвинуты и тут жепроверены в течение второго десятилетия ХХ века, то есть примерно 100 лет назад,членами лаборатории Т.

Моргана в Колумбийском Университете в Нью Йорке(называемой ими “fly room”): им самим и его молодыми сотрудниками Стёртевантом,Бриджесом и Мёллером. Морган давал им большую свободу теоретической иэкспериментальной деятельности, в результате чего в этом замечательном коллективе шлоинтенсивное совместное творчество и обмен идеями, так что сейчас сложно установить,кто что предположил первым, и приведенные здесь утверждения на эту тему,почерпнутыми из литературы, действительно выглядят странно: авторство весьма схожихутверждений часто приписывается разным людям. Герман Мёллер, бывший среди них вбольшей степени теоретиком и в меньшей экспериментатором, в некоторых результатахчувствовал себя обойденным в вопросах приоритета.

Так или иначе, но впоследствииСтёртевант и Мёллер также стали лауреатами Нобелевской премии. Не стал им толькоБриджес – он прожил 49 лет, в англоязычной Википедии некогда можно было прочитать(пока соответствующая статья не была сильно сокращена), что он вел довольноразгульный образ жизни.)Суть обнаружения Стёртеванта заключалась в том, что сумма либо разностьрекомбинационных расстояний от некоего локуса до двух соседних локусов оказываетсяравной рекомбинационному расстоянию между этими двумя соседними локусами, что ипредполагало расположение генов в линейном порядке. На этом основании он построилпервые рекомбинационные генетические карты. Самая первая его карта включала трилокуса дрозофилы, у (yellow, мутантный фенотип - желтое тело), w (white, мутантныйфенотип – белые глаза) и bi (bifid, вильчатые крылья) и выглядела так:1,2%3,5%y _______ w ______ bi44,7%________________13.3.

Неаддитивность рекомбинационных расстоянийОднако вскоре обнаружилось, что фактические данные проявляют систематическоеотклонение от такого простого принципа, а именно: расстояние между двумя локусами,измеренное как частота гамет, рекомбинантных в отношении этих локусов,систематически оказывается несколько меньше суммы расстояний от каждого из них долокуса, расположенного между ними. Этот эффект тем сильнее, чем с большимизначениями частот ракомбинации мы имеем дело. На Рисунке 13.2 показано как вреальном опыте могут выглядеть расстояния, измеренные как частоты рекомбинации.Рисунок 13.2. Частоты рекомбинации между парами локусов, расщепляющихся угибридов второго поколения одного дигибридного скрещивания (по Gorel, Berdnikov,2001. Pisum Genetics 33: 9-10)В чем же причина такого систематического эффекта? Нам необходимо вспомнитьпричину генетического сцепления, а также причину того, что оно не абсолютно.Генетическое сцепление проявляют гены, находящиеся в одной хромосоме, арекомбинация между ними происходит за счет кроссинговера в профазе мейоза.

Так вот,если одна и та же хроматида будет вовлечена сразу в два кроссоверных события, одно научастке между локусами A и B, а второе на участке между локусами B и C, то мызарегистрируем по одному кроссоверному событию при подсчете частотырекомбинантных гамет для каждого из этих участков, но не зарегистрируем ни одного5кроссоверного события между локусами A и C, поскольку второе событие возвращает намнерекомбинантное сочетание аллелей локусов A и С.Эту интерпретацию предложил все тот же Стёртевант и доказал ее с помощьютаких вот трехфакторных скрещиваний - скрещиваний, в которых рассматриваетсяповедение трех сцепленных генов – как и то, на котором была основана его самая перваякарта, но на гораздо больших выборках (Рис.

13.3). Рассмотрим результаты реальногокартирования трех локусов, yellow (y), singed (sn) и miniature (m), на Х-хромосомедрозофилы. Были взяты гетерозиготные самки, где аллели всех трех локусов находились вфазе притяжения, то есть один гомолог нес доминантные аллели дикого типа во всех трехлокусов, а другой – их рецессивные аморфные (loss of function) мутации (аллель y вгомозиготе убирает черный рисунок на теле, аллель sn в гомозиготе дает кривые инедоразвитые, как бы опаленные (singed) щетинки, аллель m – уменьшенные крылья). Онискрещивались с самцами, гемизиготными по мутантным аллелям, то есть имевшимиединственную Х-хромосому второго из вышеупмянутых типов.