Генетическое доказательство кроссинговера.

Открытие кроссинговера. При допущении размещения в одной хромосоме более одного гена встает вопрос, могут ли аллели одного гена в гомологичной паре хромосом меняться местами, перемещаясь из одной гомологичной хромосомы в другую. Если бы такой процесс не происходил, то гены комбинировались бы только путем случайного расхождения негомологичных хромосом в мейозе, а гены, находящиеся в одной паре гомологичных хромосом, наследовались бы всегда сцеплено - группой. Исследования Т. Моргана и его школы показали, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами. Процесс обмена идентичными участками гомологичных хромосом с содержащимися в них генами называют перекрестом хромосом или кроссинговером. Кроссинговер обеспечивает новые сочетания генов, находящихся в гомологичных хромосомах. Явление кроссинговера, так же как и сцепление, оказалось общим для всех животных, растений и микроорганизмов. Наличие обмена идентичными участками между гомологичными хромосомами обеспечивает обмен или рекомбинацию генов и тем самым значительно увеличивает роль комбинативной изменчивости в эволюции. Генетический анализ кроссинговера. О перекресте хромосом можно судить по частоте возникновения организмов с новым сочетанием признаков. Такие организмы называют рекомбинантами. Рассмотрим один из классических опытов Моргана на дрозофилы, позволивший ему доказать, что гены расположены в хромосомах в определенном порядке. У дрозофилы рецессивный ген черной окраски тела обозначается b, а его доминантная аллель, определяющая дикую серую окраску, - b+, ген рудиментарных крыльев - vg, нормальных - vg+. При скрещивании мух, различающихся по двум парам сцепленных признаков, серых с рудиментарными крыльями b+vgb+vg и черных с нормальными крыльями bvg+bvg+ - гибриды F1 b+vg bvg+ серые с нормальными крыльями. Два анализирующих скрещивания: в одном дигетерозиготой является самец, в другом — самка. Если гибридные самцы скрещиваются с самками, гомозиготными по обоим рецессивным генам (♀bvgbvg ♂ Х b+vgbvg+), то в потомстве получается расщепление в отношении 1 серотелая муха с рудиментарными крыльями: 1 чернотелая с нормальными крыльями. Следовательно, данная дигетерозигота образует только два сорта гамет (b+vg и b+vg) вместо четырех, причем сочетание генов, в гаметах самца соответствует тому, которое было у его родителей. Исходя из указанного расщепления, следует предположить, что у самца не происходит обмен участками гомологичных хромосом. Действительно, у самцов дрозофилы как в аутосомах, так и в половых хромосомах, кроссинговер в норме не происходит, благодаря чему наблюдается полное сцепление генов, находящихся в одной хромосоме. Может возникнуть предположение, что серая окраска тела и рудиментарные крылья, а также черное тело и нормальные крылья - это пары признаков, наследующихся вместе вследствие плейотропного действия одного гена. Однако если взять для анализа гетерозиготных самок, а не самцов, то в Fb, наблюдается иное расщепление. Кроме родительских комбинаций признаков, появляются новые – мухи с черным телом и рудиментарными крыльями, а также с серым телом и нормальными крыльями. В этом скрещивании сцепление тех же генов нарушается за счет того, что гены в гомологичных хромосомах поменялись местами благодаря кроссинговеру. Гаметы с хромосомами, претерпевшими кроссннговер, называют кроссоверными, а с непретерпевшими – некроссоверными. Соответственно организмы, возникшие от сочетания кроссоверных гамет гибрида с гаметами анализатора, называют кроссоверами или рекомбинантами, а возникшие за счет некроссоверных гамет гибрида — некроссоверными или нерекомбинантными. Механизм кроссинговера Мейотический перекрест. Еще до открытия перекреста хромосом генетическими методами цитологии, изучая профазу мейоза, наблюдали явление взаимного обвивания хромосом, образования ими Х-образных фигур — хиазм (z-греческая буква «хи»). Механизм перекреста хромосом связан с поведением гомологичных хромосом в профазе I мейоза. В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют идентичными участками. Каждая хромосома в биваленте состоит из двух хроматид, а бивалент соответственно из четырех. Таким образом, конъюгация - единственный момент, когда может осуществляться кроссинговер между гомологичными хромосомами. Итак, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид и приурочен к образованию хиазм. Если в одном биваленте произошел не один обмен, а два и более, то в этом случае образуется несколько хиазм. Поскольку в биваленте четыре хроматиды, то, очевидно, каждая из них имеет равную вероятность обменяться участками с любой другой. При этом в обмене могут участвовать две, три или четыре хроматиды. До сих пор рассматривался кроссинговер между несестринскими хроматидами. Обмен внутри сестринских хроматид не может приводить к рекомбинациям, поскольку они генетически идентичны, и в силу этого такой обмен не имеет смысла в качестве биологического механизма комбинативной изменчивости. Соматический (митотический) кроссинговер. Как уже говорилось, кроссинговер происходит в профазе 1 мейоза при образовании гамет. Однако существует соматический или митотическии кроссинговер, который осуществляется при митотическом делении соматических клеток главным образом эмбриональных тканей. Известно, что гомологичные хромосомы в профазе митоза обычно не конъюгируют и располагаются независимо друг от друга. Однако иногда, удается наблюдать синапсис гомологичных хромосом и фигуры, похожие на хиазмы, но при этом редукции числа хромосом не наблюдается. Соматический кроссинговер может приводить к мозаичности в проявлении признаков. Учет кроссинговера при тетрадном анализе. У высших организмов о кроссинговере, происшедшем в профазе мейоза, судят по частоте кроссоверных особей-рекомбинантов, считая, что появление их отражает соотношение кроссоверных и некроссоверных гамет. Для прямого доказательства соответствия рекомбинантных зигот кроссоверным гаметам необходимо определять результаты кроссинговера непосредственно по гаплоидным продуктам мейоза. При этом гены должны проявлять свое действие в гаплофазе. Объектом, на котором удалось осуществить подобное исследование, явился, например, плесневой гриб (Neurospora crassa), большая часть жизненного цикла которого приходится на гаплофазу, а диплоидная фаза очень короткая. Вскоре после оплодотворения зигота приступает к мейотическому делению, которое приводит к образованию аска — сумки гаплоидными спорами. При делениях веретено своей осью совпадает с продольной осью сумки. Поэтому продукты мейоза – споры – располагаются в сумке цепочкой. В мейозе протекают два обычных деления созревания, затем одно митотическое, в результате чего в каждой сумке образуется 8 аскоспор. Поскольку у нейроспоры имеется возможность непосредственно определять результаты кроссинговера по продуктам мейоза, установление в этом случае характера расщепления будет прямым доказательством того, что расщепление и кроссинговер осуществляются в мейозе. Этот метод является разновидностью уже описанного тетрадного анализа, но применительно к сцепленным генам. В случае моногибридного скрещивания ожидается расщепление по гаплоидным продуктам (спорам) в соотношении 1А:1а. В асках среди 8 спор - 4 окрашенные (А) и 4 неокрашенные (а) споры, т.е. наблюдается расщепление 1: 1. При отсутствии кроссинговепа между геном и центромерой порядок расположения спор в сумке таков: ААААаааа. Если порядок аскоспор меняется, например ААааААаа, то это будет говорить о происшедшем перекресте между локусом а и центромерой. Расположение спор будет зависеть от расхождения хромосом в первом и втором мейотических делениях. Аллели А и а могут распределиться в сумке по спорам и в ином порядке: ааААааАА, ааААААаа, ААааааАА. В рассматриваемом случае перекрест происходит на участке между локусом данного гена и центромерой. Чем дальше ген а будет удален от центромеры, тем вероятнее перекрест и, следовательно, больше будет кроссоверных асков. Если перекрест произойдет между дистальным концом хромосомы и геном а, то кроссоверное расположение аскоспор не будет обнаружено. Изменение порядка спор в аске при кроссинговере между геном и центромерой возможно только в случае, если он осуществляется на стадии четырех нитей, т. е. между хроматидами. Если бы рекомбинация происходила в момент, когда каждая хромосома еще не удвоилась, порядок спор в аске не изменился бы. Следовательно, изменение порядка спор в данном случае служит доказательством того, что кроссинговер осуществляется между несестринскими хроматидами, т. е. на стадии четырех нитей. Поэтому, говоря о механизме и генетических последствиях кроссинговера, лишь для простоты объясняют его обменом между целыми хромосомами; на самом деле обмен происходит между хроматидами. Указанные особенности нейроспоры дают возможность определить место гена в хромосоме, учитывая расщепление только по одной паре аллелей, что невозможно у диплоидных организмов, для которых нельзя провести тетрадный анализ. Таким образом, тетрадный анализ доказывает, что как менделевское расщепление, так и кроссинговер основаны на закономерностях мейоза.