ЦИТОЛОГИЧЕСКОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО КРОССИНГОВЕРА
После того как генетическими методами удалось установить •явление кроссинговера, необходимо было получить прямое доказательство обмена участками гомологичных хромосом, сопровождающегося рекомбинацией генов. Наблюдаемые в профазе
63.
Цитологическое доказательство кроссинговера у кукурузы:
с* — окрашенный эндосперм; с — неокра-шениый, wx* — крахмалистый; wx — вос-ковидиый.
|
скрещивали с ли-
С WX
If |
с WX |
т |
с
X |
I |
- WX
Неокрашенный 6 оско 8 идный |
Окрашенный ^ крахмалистый
wx |
с \ с |
wx |
НекроссоВерные Кроссодерные
Неокрашенный Окрашенный Окрашенный Неокрашенный крахмалистый доскоВидный крахмалистый боскодидный
152
153
г j\^rbbsf fBfa |
yscbrpnwrh |
_________ I 60 70 80 90 100 107 Мш.................... |
1 й |
тер |
о /у\г |
20 30 W^SO |
b Bl /Not vg с ItsftK m |
at dp |
px sp |
В потомстве получили как некроссоверные, так и кроссовер-ные зерна. При цитологическом изучении их было обнаружено, что кроссоверные зерна неизменно содержали хромосому с обменявшимися участками: нормальной длины, но с утолщением или удлиненную без утолщения.
Аналогичное доказательство перекреста и перекомбинации генов было получено на дрозофиле.
Таким образом, одновременно цитологически и генетически было показано, что рекомбинация генов сопровождается обменом участками гомологичных хромосом в профазе мейоза.
|
|
Итак, в результате изучения кроссинговера была доказана наследственная дискретность хромосом и установлено линейное расположение генов в них. Исходя из этой теории, у многочисленных объектов были установлены группы сцепления и построены генетические карты хромосом, при этом число групп сцепления у хорошо изученных видов всегда совпадает с гаплоидным числом хромосом.
8. СРАВНЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ
И ЦИТОЛОГИЧЕСКИХ КАРТ ХРОМОСОМ
Составление цитологических карт с помощью транслокаций.
После открытия линейной дискретности хромосом возникла необходимость составления цитологических карт с целью их сопоставления с генетическими, составленными на основе учета рекомбинаций.
Один из методов сопоставления генетических и цитологических карт основывается на использовании хромосомных перестроек, в частности транслокаций (см. гл. 13). Сущность транслокаций заключается в следующем: если в двух негомологичных хромосомах одновременно происходит разрыв, то фрагменты этих негомологичных хромосом могут обменяться местами. Поскольку каждый фрагмент присоединяется к новой для него группе сцепления, то можно установить в обеих хромосомах точки разлома и присоединения фрагментов к негомологичным хромосомам, а также измерить величину фрагментов. Генетически это устанавливается анализом' частоты кроссинговера, а цитологически путем непосредственного измерения переместившихся фрагментов.
|
|
Маркируя хромосому различными генами и зная место их нахождения на генетической карте, можно по месту разрыва, происшедшего вблизи известного гена, определить относительное расстояние между генами в самой хромосоме. Таким методом Ф. Добжанскому удалось составить первые цитологические карты хромосом и сопоставить их с генетическими (рис. 64). Цитологические карты полностью подтвердили ту последовательность расположения генов, которая была установлена ге-
64.
■p |
/( |
0 t0\ 20 JO^JOstSO^ 60 70 80 90 100 |
Относительные размеры цитологических (1) и генетических (2) карт хромосом (I, II, III) дрозофилы. Цифры означают расстояние в единицах перекреста. Обозначения генов см. на рисунке 58.
ca |
ru |
Bthcu sr e
нетическими методами. Несовпадение между генетическими и цитологическими картами обнаруживалось лишь в величине расстояний между генами, причем в одних участках хромосом эти расстояния оказались на цитологических картах меньше, в других — больше. Это объясняется тем, что в разных районах хромосомы вероятность осуществления перекреста неодинакова.
|
|
Составление цитологических карт с помощью гигантских хромосом. Цитогенетическое изучение гигантских хромосом в слюнных железах личинок дрозофилы позволило уточнить место целого ряда генов в хромосоме. Так, например, на рисунке 65 дана цитологическая карта одной из четырех гигантских хромосом дрозофилы (а именно четвертой, самой маленькой хромосомы) с указанием районов, в которых локализованы гены. Локализация генов в определенных участках хромосомы производится по методу Т. Пайнтера, использовавшего для этой цели различные мелкие хромосомные перестройки: удвоения, нехватки отдельных дисков и др.
Сопоставление генетических и цитологических карт. Сопоставление генетических и цитологических карт позволило открыть неравномерность частоты перекреста по длине хромосом. Это было показано на хромосомах слюнных желез следующим образом. Генетические карты всех четырех хромосом дрозофилы, составленные на основе частоты перекреста, имеют определенную длину, выражаемую в единицах перекреста. Общая длина Х-хромосомы и трех аутосом по генетическим картам составляет 279 единиц перекреста. К. Бриджес измерил длину каждой из
|
|
154
155
четырех хромосом слюнных желез в микронах. Общая физическая длина хромосом слюнных желез, измеренных под микроскопом, составляет 1 L80 мк.
Чтобы сопоставить цитологические карты гигантских хромосом с генетическими, Бриджес предложил воспользоваться коэффициентом кроссинговера. Для этого он разделил общую длину всех хромосом слюнных желез (1180 мк) на общую
Мк
sp-f [arcigv Sen]
< ------ Е ----- 3 —
О
|
г ^ШШ^й
D |
в
длину генетических карт (279 единиц). 65.
Цитологическая и генетическая карта IV хромосомы дрозофилы: / — генетическая карта с указанием генов (обозначения генов см. на рисунке 58); 2 — цитологическая карта, представляющая собой гигантскую хромосому из клеток слюнных желез (А —F — последовательные участки); 3 — |
В среднем это отношение оказалось равным 4,2. Следовательно, каждой единице перекреста на генетической карте соответствует 4,2 мк на цитологической карте (для хромосом слюнных желез). Зная расстояние между генами на генетической карте какой-либо ХРОМОСОМЫ, МОЖНО СравНИТЬ ОТ- метафазная пластника из клетки НОСИТеЛЬНуЮ Частоту Перекреста В хротоТомы^ТлюнныГжелеЛ раЗНЫХ ее районах. Например, В Х- метафазной пластиикн^масш^таб
хромосоме дрозофилы гены у и ее находятся на расстоянии 5,5%, следовательно, расстояние между ними в гигантской хромосоме должно быть 4,2 мкX 5,5 = 23 мк, но непосредственное измерение дает 30 мк. Значит, в этом районе Х-хромосомы кроссинговер идет реже средней нормы.
В силу неравномерного осуществления обменов по длине хромосом гены при нанесении их на карту распределяются на ней с разной плотностью. Следовательно, распределение генов на генетических картах можно рассматривать как показатель возможности осуществления перекреста по длине хромосомы.
МЕХАНИЗМ КРОССИНГОВЕРА
Мейотический перекрест. Еще до открытия перекреста хромосом генетическими методами цитологи, изучая профазу мей-оза, наблюдали явление взаимного обвивания хромосом, образования ими %-образных фигур — хиазм. В 1909 г. Ф. Янсенс высказал предположение, что хиазмы связаны с обменом участками хромосом. Впоследствии эти картины послужили дополнительным аргументом в пользу гипотезы генетического перекреста хромосом, выдвинутой Т. Морганом в 1911 г.
Механизм перекреста хромосом связан с поведением гомологичных хромосом в профазе I мейоза.
Подробно мейоз рассматривался в главе 3. Вспомним его особенности. В профазе I гомологичные хромосомы конъюги-руют идентичными участками. Каждая хромосома в биваленте состоит из двух хроматид, а бивалент соответственно из четырех. На препаратах под микроскопом видны четыре перекрученные хроматиды (рис. 66). Как правило, две из четырех хроматид бивалента перекрещиваются, образуя хиазмы. Последующее отталкивание хромосом, начинающееся с центромер, вызывает «сползание» хиазм к концам (терминализацию) и затем расхождение гомологов. Таким образом, конъюгация — единственный возможный момент, когда может осуществляться кроссинговер между гомологичными хромосомами.
Итак, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид и приурочен к образованию хиазм. До сих пор при рассмотрении явления сцепленного наследования и кроссинговера говорилось лишь условно о перекресте хромосом, а не хроматид.
Известно, что процент рекомбинаций устанавливают на основе большого числа мейозов. Число клеток, в которых происходит обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами, зависит от расстояния между изучаемыми генами. Чем дальше отстоят друг от друга гены, тем больше возможность обмена. Однако процент кроссоверов не превышает 50. Допустим, что произошел одинарный кроссинговер, т. е. в биваленте образовалась одна хиазма, и из четырех хроматид обменялись идентичными участками только две несестринские хроматиды. Тогда в каждом биваленте 50% хроматид, или будущих хромосом, оказываются рекомбинатными и 50% ~не Pe~ комбинантными. В результате двух мейотических делений образуются две гаметы с родительским типом расположения генов и две —с рекомбинантным (рис. 67). Следовательно, если даже во всех клетках (т. е. 100%), претерпевавших мейоз, произошел одинарный кроссинговер на каком-либо определенном участке, то и в этом случае только половина гамет (50%) будет нести кроссоверные хромосомы. Но кроссинговер в каждой паре учитываемых хромосом на данном участке происходит далёко не
156
157
во всех клетках, и доля таких клеток тем меньше, чем меньше расстояние между генами. Поэтому количество кроссоверных по данным генам гамет всегда бывает меньше 50%.
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, что каждая из них имеет равную вероятность обменяться участками с любой другой. При этом в обмене могут участвовать две, три или четыре хроматиды. На рисунке 68 приведена схема подобных обменов: 1) реципрокного двойного обмена между двумя несестринскими хроматидами, не дающего рекомбинаций генов, если гены-маркеры не затронуты обменом (рис. 68, 1); 2) диагонального обмена, когда две сестринские хроматиды в двух разных районах одновременно вступают в одинарный перекрест с одной и той же несестринской хроматидой, а четвертая хроматида не вовлечена в обмен. В результате такого двойного обмена возникают три рекомбинантных хромосомы и одна остается нерекомбинант-ной (рис. 68, 2, 3); 3) комплементарного обмена, когда все четыре хроматиды претерпевают одинарные обмены в разных районах, две несестринские хроматиды из четырех попарно претерпевают одинарный обмен в одном месте, а две другие — в другом, вследствие чего возникают четыре рекомбинантных
Первое деление мейоза |
\ \ |
Второе Веление мейоза |
Гаметы |
хромосомы (рис. 68, 4). В этом случае двойные кроссоверы могут возникать как следствие одновременных одинарных обменов между хроматидами при участии в обмене трех хро-матид. Если учесть суммарно все комбинации хроматид при двойном обмене: не-кроссоверные хроматиды, хроматиды с одинарным и двойным обменом, то получим отношение 4:8:4, или 1:2:1, где первый класс — некроссоверные хроматиды, второй — одинарные и третий — двойные кроссовер-ные хроматиды.
67.
Схема образования гамет после одинарного кроссинговера: / — гаметы с родительским расположением генов; 2 —с рекомбинаит-
158 |
иым.
В том случае, когда гены-маркеры 68
Схема двойных хиазм и про-, дукты двойных обменов между хроматидами: 1 — реципрокиый двойной обмен между иесестриискими хроматидами (две нити обменены); 4 — комплементарный обмен между всеми хроматидами (четыре ннти обменены); 2, 3 — диагональный обмен между тремя хроматидами (три нити обменены). |
не вовлекаются в двойной кроссинго-вер, рекомбинантные хроматиды не будут обнаружены.
В приведенных выше расчетах мы исходили из того, что перекрест хроматид в гомологичных хромосомах осуществляется случайно и один обмен не влияет на другой. Однако, как уже говорилось, существует явление
интерференции, когда случайность обмена нарушается, т. е. один обмен подавляет другой, тогда множественные обмены могут возникать реже.
Существует определенная зависимость между длиной хромосомы и числом хиазм. Очень короткие хромосомы имеют лишь одну хиазму на бивалент. С увеличением длины хромосом число хиазм увеличивается до 10.
До сих пор рассматривается 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 I мейоза при образовании гамет. Однако существует соматический, или митотиче-
159
ский, 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 мо
жет приводить к мозаичности в про
явлении признаков. Механизм этого
явления ясен из следующего при
мера. Самки дрозофилы, гетерози-
Жвлтоетдло Сероетело готные по сцепленным рецессивным
прямые щетинки опаленные щетинки генам у (желтая окраска тела) и
69. |
sn (опаленные щетинки)
Мозаичные участки тела (двойные пятна) у дрозофилы как результат соматического крос-синговера: / — на тороксе мухи участок с желтой окраской тела (светлый) и с нормальными щетинками и участок с «опаленными» щетинками, но с серой окраской; 2 —- схема соматического кроссинговера; генотипы образовавшихся клеток различаются между собой и отличаются от исходной формы. |
ySn + y+Sn
имеют серое тело и нормальные щетинки. В случае, если в соматических клетках происходит перекрест в этой паре хромосом, на теле могут появляться пятна с рецессивными признаками (рис. 69, /). Как видно на схеме (рис. 69, 2), соматический кроссинговер может быть обнаружен, если он осуществляется между двумя несестринскими хроматидами. Он выявляется в виде двойных пятен, если место обмена находится между геном sn и центромерой и если в анафазе того же мито-тического цикла случайно обе хромосомы ysn+ отойдут к одному полюсу, а обе хромосомы у+ sn— к другому. Две клетки, возникшие как следствие одного митоза, при размножении дадут два вида пятен ткани, примерно равных по размеру и проявляющих рецессивные признаки в силу того, что гены у и sn оказываются в результате происшедшего перекреста в гомозиготном состоянии:
y+sn y+sn |
y_StЈ У sn-*
160
На сером теле мухи с нормальными щетинками появляются одно пятно желтого цвета с нормальными щетинками, а другое — серого цвета с «опаленными» щетинками.
Поскольку появление пятен может быть следствием обменов только на стадии четырех нитей, то этот случай является прямым доказательством того, что кроссинговер осуществляется между хроматидами, а не хромосомами. Поэтому, говоря о механизме и генетических последствиях кроссинговера, лишь для простоты объясняют его обменом между целыми хромосомами; на самом же деле обмен происходит между отдельными несестринскими хроматидами.
Неравный кроссинговер. Обычно при анализе перекреста хромосом исходят из допущения, что обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом осуществляется при разрывах в строго идентичных, тождественных местах. Благодаря этому при перекресте происходит обмен равными участками хромосом с одинаковыми наборами генов. Но в очень редких случаях наблюдаются разрывы в нетождественных точках, в силу чего хроматиды обмениваются неравными участками. Такое явление называют неравным кроссинговером. Вследствие такого неравного обмена определенный локус в одной из гомологичных хромосом может удвоиться, а в противоположной хромосоме — утратиться.
Некоторые наследственные изменения у дрозофилы обязаны
своим происхождением удвоению гена дикого типа, возникшего
как следствие неравного перекреста. Впервые изменение такого
рода было обнаружено в половой хромосоме дрозофилы для до
минантного гена Ваг (В), определяющего развитие полосковид-
ных глаз с уменьшенным чис
лом фасеток. в
-+■
У самки дрозофилы дикого
типа в глазу насчитывается у -------- 1---- *г?—
около 800 фасеток. У гетерози- Н^Ч—
готы по гену В число фасеток 1---- 1—
составляет примерно 350; у го- В
мозиготы по В — около 70.
Известно также, что у дрозо
филы имеет место наслед- гаметы
в |
ственное изменение — «двои-
ной», или усиленный, Ваг: ВВ. , , q /
ВВ
- ч ---- 1-------- ог
70.
а -
Схема неравного кроссинговера в рай- I О 3
оне Bar Х-хромосомы у дрозофилы.
Хромосомы 1, 4 — некроссоверные; ъ В
2, 3 — кроссоверные. ' r———\J
161
ния одна из четырех хроматид рвется. Разрыв, нарушая равновесие в биваленте, приводит к компенсирующему разрыву в строго идентичной точке какой-либо другой хроматиды этого же бивалента. Затем происходит реципрокное воссоединение разорванных концов, приводящее к кроссинговеру. Согласно этой гипотезе хиазмы непосредственно связаны с кроссинговером. По гипотезе К. Сакса хиазмы не являются результатом кроссинговера: сначала образуются хиазмы, а затем происходит
Дикий тип |
Bar |
Ддойной -Bar
71. В гетерозиготном состоянии он сни-
Строение дисков на участке Ваг Х-хромосомы (1) и соответствующий им фенотип (2) дрозофилы. |
жает число фасеток до 50, а в гомозиготном— до 25. Такое фенотипическое проявление признака связано с изменением не самого гена, а его количества, или дозы. Гипотеза о происхождении наследственного изменения Ваг путем неравного кроссин-говера была высказана А. Стертевантом. В его опытах гомозиготные самки Ваг при скрещивании с нормальными самцами изредка давали в потомстве наряду с мухами Ваг нормальных мух и двойных Ваг.
Было сделано предположение, что в данном случае происходит изменение дозы гена за счет обмена гомологичных хромосом не совсем одинаковыми участками, в результате чего у исходной самки наряду с гаметами В возникают кроссоверные гаметы ВВ и В+ (рис. 70). Пометив Х-хромосому слева и справа от гена Ваг двумя генами-маркерами, Стертевант доказал, что появление мух ВВ и В+ всегда связано с кроссинговером.
Когда открылась возможность наблюдать строение гигантских хромосом, то Г. Меллер, А. А. Прокофьева-Бельговская и другие подтвердили, что признак Ваг всегда связан с удвоением нескольких дисков в первой хромосоме. Им удалось цитогене-тически доказать, что у мух дикого типа (В+) имеется одинарный набор нескольких определенных дисков, у мух Ваг эти диски удвоены, а у мух двойной Ваг — утроены (рис. 71).
Генетическое подтверждение неравного кроссинговера было получено и на кукурузе.
Гипотезы о механизме кроссинговера. По поводу механизма перекреста существует несколько гипотез, но ни одна из них не объясняет полностью фактов рекомбинации генов и наблюдаемых при этом цитологических картин.
Согласно гипотезе, предложенной Ф. Янсенсом и развитой К. Дарлингтоном, в процессе синапсиса гомологичных хромосом в биваленте создается динамическое напряжение, возникающее в связи со спирализацией хромосомных нитей, а также при взаимном обвивании гомологов в биваленте. В силу этого напряже-
72 |
Схемы, иллюстрирующие различные гипотезы механизма перекреста хромосом: / — образование разрывов с последующей перекомбинацией; 2— образование хназм с последую-3 — копии. |
обмен. При расхождении хромосом к полюсам вследствие механического напряжения в местах хиазм происходят разрывы и обмен соответствующими участками. После обмена хиазма исчезает.
Смысл другой гипотезы, предло- щи" РЖ" ви »в£™£ женной Д. Беллингом и модернизированной И. Ледербергом, заключается в том, что процесс репликации ДНК может реципрокно переключаться с одной нити на другую; воспроизведение, начавшись на одной матрице, с какой-то точки переключается на матричную нить ДНК гомологичного партнера, а затем вновь возвращается на свою матрицу, что и приводит к рекомбинации генетического материала. Эта гипотеза была названа гипотезой «выбора копии».
Наконец, К. Уайтхауз пытается объяснить кроссинговер на уровне молекулярных процессов (см. гл. 17). Схематично эти гипотезы изображены на рисунке 72. Таким образом, ни одна из гипотез пока не объясняет полностью процесса кроссинговера, и его механизм до сих пор остается неясным.
ФАКТОРЫ,
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 574; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!