14 Интенсивность кроссинговера (Лекции по генетике)

Лекция 14ИНТЕНСИВНОСТЬ КРОССИНГОВЕРА«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru14.1. Вводные замечания.Рекомбинационные генетические карты основаны на одном единственном явлении– кроссинговере в профазе мейоза. Их популярность в течение почти сотни лет основанана том, что кроссинговер «по умолчанию» более или менее равномерно распределен пофизической длине хромосомы, так что рекомбинационные расстояния более или менееотражают расстояния физические. Сейчас нам предстоит выяснить, в какой именно мереони отражают какие именно физические расстояния, а также рассмотреть вопрос шире –какими факторами определяется частота кроссинговера. Последний вопрос распадается надва – от чего зависит интенсивность кроссинговера в целом и от чего и каким образомзависит его интенсивность на том или ином участке хромосомы.14.2.

Факторы, влияющие на интенсивность кроссинговера в целом.Существует много факторов, влияющих на интенсивность кроссинговера в целом.Многие из этих факторов, во-первых, повышают интенсивность кроссинговера, а вовторых, одновременно повышают и вероятность разрывов ДНК. Это заставляет наспредположить, что механизмы кроссинговера имеют нечто общее с механизмамирепарации ДНК; как мы увидим в дальнейшем, это предположение справедливо.Так, интенсивность рекомбинации повышается при увеличении концентрациикальция и при облучении рентгеновским излучением. У дрозофилы рентгеновскоеизлучение не только увеличивает интенсивность кроссоверной рекомбинации у самок, нои вызывает появление ее у самцов, у которых в норме кроссинговер отсутствует.Как и следует ожидать, интенсивность кроссинговера зависит от такогоуниверсального фактора, который ускоряет любые процессы, как температура.Нагревание куколок дрозофилы в возрасте около 12 ч способно увеличить интенсивностькроссоверной рекомбинации на некоторых участках карты почти в 30 раз.

Однако влияниетемпературы на кроссинговер далеко не однозначно, поскольку оказалось, что так жеувеличивает интенсивность кроссинговера и пониженная температура. Так, у дрозофилы1есть сцепленные локусы b и pr , частота рекомбинации между которыми составляет при13оС 13.5%, при 22оС 6,4% и при 32оС 15,8%.Получается, что интенсивность кроссинговера имеет минимум при оптимальныхтемпературах.

Это дает основания для предположений как о механизме, так и о смыслетакого эффекта. Механизм мог бы быть завязан на какой-то белок, условно называемый«антирекомбиназой», который связывается с ДНК или белками хроматина профазныххромосом и препятствует кроссинговеру. Функция такого белка могла бы иметьтемпературный оптимум, связанный с достижением его рабочей конформации, подобнотому, как подобный оптимум существует для функции любого фермента. Такой белок,SRS2, был действительно открыт у дрожжей.

Как мы увидим ниже, существуютмеханизмы, обеспечивающие дифференциацию интенсивности кроссинговера по длинехромосомы, причем обеспечивают они это за счет ее избирательного подавления посравнению с некоей интенсивностью «по умолчанию». Поэтому какая-то«антирекомбиназа» судя по всему существует у всех эукариот, являясь мишеньюфакторов, влияющих на рекомбинацию.Биологический смысл же эффекта может быть усмотрен в том, что в условиях,далеких от оптимальных, повышенная кроссоверная рекомбинация может бытьэволюционно выгодна, поскольку повышает вероятность возникновения новых сочетанийаллелей сцепленных локусов, среди которых могут оказаться и благоприятные в новыхусловиях. В связи с этим довольно давно дискутируется вопрос о том, не повышает лиинтенсивность рекомбинации вообще любое стрессирующее воздействие, вплоть достресса на уровне нервной системы.

Однако даже известный ученый из Институтацитологии и генетики СО РАН Павел Михайлович Бородин, некогда бывший большимсторонником этой идеи, в настоящее время относится к ней довольно скептически.В условиях движущего отбора интенсивность рекомбинации действительно можетлимитировать скорость адаптации за счет появления удачных сочетаний аллелей разныхлокусов. Как известно, при доместикации растения и животные подвергались достаточноинтенсивному отбору (преимущественно бессознательному) на нужные человекупризнаки, и мы можем ожидать, что у культурных растений и домашних животныхинтенсивность кроссинговера окажется выше, чем у их диких сородичей, так как она«разогнана» интенсивным движущим отбором.

Такие данные действительно имеются длядомашних животных. Автору же довелось скрещивать диких и культурныхпредставителей посевного гороха со стандартной тестерной линией, гомозиготной поцепочке сцепленных рецессивных маркеров группы сцепления V. При этом получалисьгибриды F1, у которых только один гаплоидный набор хромосом происходил от диких2либо культурных форм, а другой был «стандартный». Тем не менее, у гибридов первоготипа рекомбинация между маркерными локусами была существенно ниже, чем у гибридоввторого типа.Рисунок 14.1.

Зависимость между общей длиной генетической карты (ось Y, сМ) ивременем смены поколений (ось Х, месяцы) у млекопитающих (по Бородин и др. 2008.Информационный вестник ВОГиС. Т. 12. С. 197-215).Зафиксирована также положительная, хотя и не очень сильная, зависимость междуинтенсивностью кроссинговера и продолжительностью генерации у разных организмов(Рис. 14.1). Ее смысл находится в том же русле: чем длиннее генерация, тем реже клеткизародышевого пути проходят через мейоз, в котором возможна рекомбинация междуаллелями сцепленных локусов, стало быть, тем интенсивнее эта рекомбинация должнабыть, чтобы обеспечить примерно ту же скорость рекомбинации во времени, приемлемуюс точки зрения скорости адаптивных эволюционных процессов.В то же время еще одно априорное ожидание – что частота рекомбинации будетположительно коррелировать с плодовитостью, чтобы минимизировать конкуренциюмежду потомками – не подтвердилось.

Возможно, такой эффект был скомпенсированэффектом противоположной направленности – при большой плодовитости та жевероятность появления успешных рекомбинантов достигается при меньшейинтенсивности кроссинговера.В учебнике И.Ф. Жимулева (см. список рекомендованной литературы в концепособия) приведены неожиданные данные, полученные в 80х годах в группе Ашбёрнера, овлиянии на интенсивность кроссинговера возраста самки дрозофилы (Рис.

14.2).Оказалось, что она зависит даже не от возраста как такового, а от «длительности половойжизни» - через 2-4 дня после ее начала она падала, а потом восстанавливалась допрежнего уровня.3Рисунок 14.2. Влияние времени, прошедшего от начала половой жизни у самокдрозофилы. По горизонтальной оси отложен возраст самок в днях, каждая криваяначинается с момента начала участия самки скрещиваниях (по Жимулев И.Ф. 2003.

Общаяи молекулярная генетика. Новосибирск: Новосибирское университетское издательство).Любопытным фактором, влияющим на общую интенсивность кроссинговера,является пол. У самцов дрозофилы кроссинговер вообще отсутствует как явление, то жесамое и у самок бабочек. Возможно, выключение рекомбинации у гетерогаметного полалибо понадобилось, чтобы исключить редкую рекомбинацию между жизненнонеобходимой Х (Z) хромосомой и теряющей свое генетическое содержимое Y (Z)хромосомой, когда они еще сохраняли значительную гомологию.

Либо, наоборот, онобыло одним из факторов становления двуполой системы, обеспечивая то самоеисключение рекомбинации между будущими половыми хромосомами гетерогаметногопола.У гетерогаметного мужского пола человека кроссинговер не исключен, но егоинтенсивность по всему геному снижена примерно вдвое по сравнению с женским полом(привет Вигену Артаваздвичу Геодакяну с его экспериментальным характером мужскогопола). Из этого в частности следует, что общая длина рекомбинационной генетическойкарты у мужчины (2809 сМ – в среднем 56 хиазм) оказывается вдвое меньше, чем уженщины (4782 сМ – в среднем 96 хиазм).Эти факты отражают так называемое (и также одно из многих с таким названием)правило Холдэйна, которое гласит – если у одного из полов рекомбинация подавлена, тоэто всегда гетерогаметный пол.

Скорее всего, и это есть «мера», направленная напонижение вероятности кроссинговера между разными половыми хромосомами.4Обратим внимание на то, что количество хиазм у мужчин близко к количествухромосомных плеч в гаплоидном наборе. Одна хиазма на плечо – это необходимыйминимум для нормального протекания метафазы и анафазы I деления мейоза. Получается,что у мужчин кроссинговер подавлен почти до технически минимально возможной егоинтенсивности.Любопытный эффект оказывает добавление в кариотип самки дрозофилы Ухромосом.

Каждая добавленная У-хромосома увеличивает общую интенсивностькросинговера по геному на 2-3%. Напомним, что из полезного генетического содержанияУ-хромосома дрозофилы несет лишь некоторые гены самцовой фертильности. Такой жеэффект оказывает и добавление в кариотип В-хромосом, которые вообще не имеютосмысленного генетического содержимого, причем эффект исчезает при добавлениичетного количества В-хромосом и появляется при добавлении нечетного.

Можнопредположить, что лишние хромосомы, состоящие, заметим, почти из одного лишьгетерохроматина, оттягивают на себя определенное количество некоего химического,скорее всего белкового фактора, присутствующего в ядре в ограниченном количестве иподавляющего интенсивность рекомбинации – все той же гипотетическойантирекомбиназы. Объяснение эффект четности В-хромосом следует искать в том, что впрофазе мейоза спаренные хромосомы оттягивают меньше гипотетического фактора, чемнеспаренные.14.3. Митотический кроссинговер и сестринский хроматидный обмен.Чтобы рассмотреть рекомбинационную дифференциацию хромосом – то естьраспределение интенсивности мейотического кроссинговера вдоль хромосомы, намследует сопоставить между собой разные типы генетических карт.

Но для этого мысначала должны ознакомиться с таким явлением, как митотический кроссинговер.Это явление состоит в том, что обмен гомологичными участками гомологичныххромосом может происходить не только в профазе мейоза, но и в ходе обычногомитотического клеточного цикла в соматических клетках. Возможно, его следовало быназвать не митотическим, а «соматическим кроссинговером». Митотический кроссинговерявляется редким явлением, он происходит на 2-3 порядка реже, чем мейотический и, вотличие от него, является скорее аномалией, чем процессом, специально возникшим вэволюции.Впервые с митотическим кроссинговером столкнулся Бриджес в 1925 г.