Сцепление и кроссинговер

Эксперименты с геном white, а также данные, полученные ранее другими исследователями, убедили Моргана в том, что гены, чем бы они не являлись, могут находиться в хромосомах. Для того, чтобы подтвердить эту гипотезу, он решил провести дигибридные скрещивания мух. Логика экспериментов была следующая. Многие ученые, разделявшие хромосомную гипотезу наследственности, указывали на то, что число признаков, а, соответственно, и генов, ответственных за их проявление, гораздо больше числа хромосом. Очень хорошо это заметно у видов с небольшим числом хромосом: у гороха их 7 пар, у дрозофилы — 4, у аскариды — 1.

Это означает, что в одной хромосоме может находиться довольно много генов. Следовательно, находясь в одной хромосоме, они должны наследоваться сцеплено. Легче всего выявить сцепленные гены, проводя анализирующее дигибридное скрещивание. Морган исследовал два признака — признак окраски тела (альтернативные проявления: серое тело G и черное тело g) и признак длины крыла (длинные крылья L и зачаточные крылья l). Он скрещивал дигетерозигот по этим генам GgLl с двойными рецессивными гомозиготами ggll.

При этом было возможно два варианта. Если гены расположены в разных хромосомах, они должны будут подчиняться закону независимого распределения, и в этом случае расщепление будет 1(GgLl):1(Ggll):1(ggLl):1(ggll) (рисунок 6а). Если же гены находятся в одной хромосоме и наследуются сцеплено, то расщепление в потомстве будет 1(GgLl):1(ggll).

Однако, ни одна из этих картин не была получена. Вместо этого наблюдалось расщепление:

Таким образом, очевидно, преобладали родительские фенотипы. Этим ситуация была больше похожа на второй случай со сцеплением, однако, в расщеплении появлялись два класса, которые Морган впоследствии назвал рекомбинантными — в них родительские признаки перекомбинировались между собой.

Морган повторял подобные скрещивания с разными парами признаков, при этом оказывалось, что-либо в точности соблюдалось соотношение 1:1:1:1, либо два родительских фенотипа в соотношении 1:1 сопровождались появлением некоторого количества рекомбинантных потомков (конкретные процентные значения всегда были разными). Из всего этого Морган заключил, что гены действительно находятся в хромосомах, однако, не всегда они при этом наследуются строго сцеплено. Очевидно, существует определенный процесс, осуществляющий рекомбинацию генов на определенной стадии клеточного цикла (рисунок 7). Эти соображения Моргана хорошо согласовывались с феноменом, открытым в 1909 году бельгийским цитологом Янссенсом. Этот исследователь наблюдал в световой микроскоп так называемые хиазмы — структуры, образующиеся между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза (см. урок «Клеточный цикл. Мейоз»). Этот феномен свидетельствовал о том, что гомологичные хромосомы в действительности в ходе мейоза могут обмениваться своими участками. Морган выявил геетическое значение этого процесса и назвал его кроссинговером (дословно — «перекрёст»).

Как уже говорилось, процент кроссоверных особей в потомстве от анализирующих скрещиваний всегда разный. Это зависит от исследуемых генов. Тогда как для одной пары генов этот процент остается неизменным. Объяснение этой закономерности дал ученик Моргана, А. Г. Стёртевант. Он исходил из предположения, что гены расположены в хромосомах линейно. Это означает, что чем дальше они друг от друга, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер.

Соответственно и доля рекомбинантных фенотипов в потомстве от анализирующего скрещивания будет больше. То есть, расстояние между генами можно оценивать в процентах кроссинговера между ними. Позднее единица измерения генетического расстояния, равная одному проценту кроссинговера между генами, получила название сантиМорган (сМ), или морганида. Таким образом, оказалось, что можно картировать гены на хромосоме друг относительно друга. Техника таких исследований не сложна. По описанной выше схеме проводятся дигибридные анализирующие скрещивания.

Допустим, необходимо определить взаимное расположение трех гипотетических генов: А, В и С. В результате проведенных скрещиваний выясняется, что процент кроссинговера между генами, А и В равен 14%, а между генами В и С — 8%. Но гены могут располагаться как в последовательности, А В С, тогда расстояние между, А и С будет равняться 22 сМ, так и в последовательности, А С В. В этом случае расстояние между, А и С будет равно 6 сМ (рисунок 10). Для того, чтобы выяснить это точно, необходимо поставить еще одно скрещивание и получить экспериментальный результат для генов, А и С.

В результате продолжительной работы, проводимой разными учеными и исследовательскими группами по всему миру, на хромосомах самых разных видов было картировано множество генов с морфологическим эффектом. Накопление такого рода морфологических маркеров на хромосомных картах важно для ведения селекционной работы, исследования новых мутаций и генетических болезней у сельскохозяйственных животных и растений, а также у человека.

Итогом работы Моргана и его учеников стало то, что была сформулирована Хромосомная теория наследственности. Одна из четырех основных биологических теорий, формулировка которой определила характер ведения генетических исследований на полвека вперед. Вот те ее постулаты, которые были предложены Морганом и его сотрудниками:

• 1. Гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов, причем набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален;
• 2. Каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;
• 3. Гены расположены в хромосомах в линейной последовательности; Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;
• 4. Сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера; Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше процент кроссинговера (прямая зависимость);
• 5. Каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом — кариотип.

Эти постулаты верны и по сей день, хотя со времен Моргана биология изменилась очень сильно. Однако, некоторые из этих правил все же допускают исключения. В частности, не все гены эукариот располагаются в ядре. И не всегда места локализации генов на хромосомах постоянны. Но об этом чуть позже. Важно лишь помнить, что формулирование хромосомной теории наследственности определило дальнейшее развитие генетики и биологии в целом, в очередной раз перевернув представления о природе передачи признаков от родителей потомкам.