18 Хромосомные перестройки на службе генетики (Лекции по генетике)

Лекция 18ХРОМОСОМНЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ НА СЛУЖБЕ ГЕНЕТИКИ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru18.1. Вводные замечания: генетические конструкцииВ период, когда генетика была только классической, а не молекулярной, ееосновным методом было наблюдение за поведением генетически контролируемыхпризнаков в потомстве скрещиваний, по необходимости дополнявшимся цитологическиманализом хромосом. В этот период в генетике были поставлены и решены многие вопросыо том, что собой представляет и как работает аппарат наследственности. Для ответа на тотили иной вопрос необходимо было поставить определенные скрещивания, для которыхтребовались родительские линии с заранее известными свойствами, зачастую весьмаотличающимися от организмов дикого типа.

Чем тоньше была проблема, тем изощреннеетребовалась экспериментальная система, позволявшая ее исследовать. Некоторые моделипозволяли решить сразу несколько задач. В особенности глубоко продвинуласьразработка таких моделей у дрозофилы. Почти все они представляют собой линии,несущие определенные хромосомные перестройки, часто по нескольку сразу. Для того,чтобы за «поведением» этиx хромосом можно было следить, а по необходимости иисключить из потомства некоторые генотипы, в них вводятся определенные генетическиемаркеры - доминантные или рецессивные аллели определенных локусов, имеющие легкорегистрируемое видимое, либо же летали. Такие “меченые перестроенные” хромосомыпринято называть генетическими конструкциями; работу по их получению иногданазывают хромосомной инженерией.

Отметим, что знаменитая генная инженерия, такжепредполагает создание определенных конструкций – плазмид или мобильных элементов,несущих определенные гены, но уже молекулярными методами – рестрикцией,легированием и пр. Поскольку в современном мире генная инженерия болеераспространена, чем хромосомная, вы можете столкнуться с употреблением термина«генетическая конструкция» для обозначения молекулярных конструкций – здесь опятьтаки произошло непроизвольное заимствование неправильно понятого термина изклассической генетики.Достижения молекулярной биологии позволили проникнуть в природунаследственности гораздо глубже и изменять генетическую информацию гораздо болеерадикальными средствами. Однако наработанные классической генетикойэкспериментальные модели никуда не исчезли, они продолжают использоваться дляподготовки все более тонких экспериментов.Мы с вами уже сталкивались с некоторыми простыми примерами генетическихконструкций у дрозофилы, позволяющими отвечать на особые, также простые, вопросы:сцепленные Х-хромосомы, позволяющие поддерживать Х-хромосому самцов без обмена идоказать то, что кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид, укороченные Ххромосомы и Х-хромосомы, дополненные плечем У-хромосомы в опытах Штерна пополучению цитологических свидетельств кроссинговера, дупликация участка хромосомы,несущего локус Bar, позволившие обнаружить неравный кроссинговер.

Познакомимся снекоторыми другими. Причем мы рассмотрим эти экспериментальные технологии и то,как они работают в принципе, часто отвлекаясь от важнейшей проблемы детекциинужных событий с помощью конкретных маркеров, а также по очень интеллектуальнонагруженной работе по введению этих маркеров в нужные хромосомы. На самом делелюбой генетический эксперимент с использованием хромосомных перестроек напоминаетдлительную шахматную партию и требует не меньших интеллектуальных усилий.18.2.

Картирование генов с помощью перекрывающихся делецийГенетическое картирование хромосомных перестроек – локализация нагенетических картах – не менее важно, чем картирование генетических локусов. В ходетакого картирования выясняется взаимное расположение локусов и точек разрывов играниц делеций и дупликаций. Делеции можно картировать, сводя их в гетерозиготе смаркированным рецессивными мутациями гомологом. Такая гетерозигота будет иметьрецессивный фенотип по генам, перекрытым делецией (в одном гомологе функция ихвыключена рецессивными мутациями, о чем говорит сам факт их рецессивности, в другомгомологе их просто нет).

Если делеция жизнеспособна, то она будет проявляться как блокрецессивных мутаций по перекрываемым ею локусам, причем эти мутации окажутсянеразделимыми кроссинговером и будут вести себя как суперген, хотя в норме междуэтими локусами и существуют известные рекомбинационные дистанции.

Наоборот,спомощью делеций возможно картирование рецессивные мутации на цитологическойкарте. Носитель мутации скрещивается с носителями разных делеций с известнымиграницами. Сопоставляя границы делеций с тем, имеют ли гетерозиготы по делецияммутантный фенотип или нет, можно выяснить, где находится соответствующий локус.У дрозофилы границы делеций визуализуются у гетерозигот как выпетливанияопределенных участков политенных хромосом, что позволяет картировать делеции ирецессивные мутации и на цитологической карте (Рис.

18.1).Рис. 18.1. Картирование генов на политенной хромосоме дрозофилы с помощьюперекрывающихся делеций. Вверху – участок генетической карты с определеннымилокусами, посередине – таблица, указывающая на цитологически детектируемые участкиполитенной хромосомы, перекрываемые делецией, внизу – картина выпетливания одногоиз гомологов напротив делеции в другом, как она видна под микроскопом в ядрахслюнных желез.18.2. Балансеры.Для многих генетических экспериментов, имеющих разные цели, бываетнеобходимо вывести какой-то участок хромосомы, или всю хромосому, или даже весьгеном из под действия кроссинговера, с тем, чтобы он сохранял свою целостность иможно было бы следить за ним в ряду поколений.

Этими задачами могут быть:1) получение блоков аллелей локусов одной хромосомы в определеннойнеразрывной комбинации,2) введение целой хромосомы от одной линии в другую линию,3) быстрая локализация новой мутации с точностью до хромосомы (в этом случаемаркеры по всей хромосоме наследуются как одно целое).4) поддержание леталей в генетических коллекциях,4) учет возникновения мутаций, например леталей или детрименталей, в какойлибо конкретной хромосоме.В последнем случае исключение кроссинговера нужно по следующим причинам:а) для регистрации ее принадлежности именно к этой хромосоме гаплоидногонабора - чтобы мы смогли ее зарегистрировать на основе расщепления потомства посцеплению с известными нам маркерами, находящимся, однако, на неизвестномрекомбинационном расстоянии от нее, поскольку всякая новая мутация не картирована;б) чтобы быть уверенными, что зафиксированная мутация возникла именно в этойиндивидуальной хромосоме, а не попала туда в результате кроссоверного обмена сгомологом (частота которого в случае каждой новой мутации нам опять-таки неизвестна);в) чтобы сохранить мутацию в этой же самой хромосоме, не позволив ей в рядупоколений оказываться в рекомбинантных хромосомах и в иных сочетаниях генов;Мы уже сталкивались с экспериментальной моделью, позволяющей исключить изрекомбинации Х-хромосому дрозофилы, а именно в случае Х-изохромосомы, или Хкомпаунда («сцепленные Х-хромосомы»), который был получен Морганом в 1922 г.

Ххромосома, полученная от самца, избавлена от кроссоверных обменов, потому что почтиникогда не оказывается в обществе другой Х-хромосомы, так как трисомия (в данномслучае вторичная) по Х почти всегда летальна и всегда стерильна, а с У-хромосомой Ххромосома не рекомбинирует. Компаунд (ХХ) также не рекомбинирует ни с кем, кромесамого себя. В данном случае за нас постаралась эволюция половых хромосом, посколькупри превращении хромосомы, гомологичной Х-хромосоме, в У-хромосому были опятьтаки задействованы хромосомные перестройки, скорее всего инверсии.

Но в настоящеевремя ДНК У-хромосомы настолько деградировала за счет мутаций, что ее гомология с Х-хромосомой уже потеряна. Кроме исключения кроссинговера нормальной Х-хромосомы сизохомосомой (ХХ), эта модель хороша тем, что если самку со сцепленными (ХХ)скрестить с самцом нормального кариотипа, то в потомстве этого скрещиванияпришедшая от него нормальная Х-хромосома будет присутствовать только у самцов иникогда не перейдет к самкам. Это удобно, например, для поиска видимых мутаций по Ххромосоме, которые будут проявляться только у самцов – причем у всех потомковмутантного самца.Надо сказать, что в линиях, где самки имеют кариотип (ХХ) У с частотой примерно0,1% происходит кроссоверный обмен между одним из плеч Х и У хромосомой, так чтооба плеча Х «высвобождаются», причем одно из них приобретает плечо У-хромосомы.Чаще всего используются линии, где оба плеча компаунда (ХХ) несут рецессивный аллельу («желтое тело»), а свободная Х-хромосома у самцов – нормальный аллель y+.

Тем самымрассоединение (ХХ) можно зарегистрировать по появлению самцов с фенотипом y исамок с фенотипом y+. Исключить рассоединения можно путем использования линии, укоторой самки имеют компаунд (ХХ), а самцы – компаунд (ХУ) (который сам по себевозникает в результате такого рассоединения), то есть нерасхождение облигатнозафиксировано межхромосомными связями у обоих полов, как на Рис.унке 17.2.В остальных случаях для исключения кроссинговера по каким-то хромосомамдрозофилы используются инверсии в гетерозиготе. Как мы уже знаем, гетерозигота попротяженной инверсии сводит кроссинговер в гетерозиготе почти на нет, оставляя толькодвойных кроссоверов.