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 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!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!