Раздел 4. Сцепленное наследование и кроссинговер

Сцепленным называют наследование признаков, гены которых локализованы в одной хромосоме. Такие признаки образуют группу сцепления и наследуются совместно (Закон Моргана). Число групп сцепления равно числу хромосом гаплоидного набора организма. Количественно сцепление генов оценивается мерой rf (от англ. recombination frequency – частота рекомбинации), rf есть доля рекомбинантных гамет среди гамет дигетерозиготы или доля рекомбинантных (кроссоверных) особей в потомстве от анализирующего скрещивания: rf = (R₁ + R₂) / n, где R₁ и R₂ – численности рекомбинантных особей, n – общее число потомков.

По вполне понятной причине rf может иметь значения в пределах от 0 до 0,5. Чем меньше значение rf, тем больше сила сцепления между генами, и наоборот. Полное сцепление (rf = 0) – явление редкое. Минимальное сцепление (rf = 0,5) выявляется довольно часто. Оно регистрируется для генов, расположенных на значительном удалении друг от друга или для несцепленных генов, что с формальной точки зрения одно и то же. Феномен неполного сцепления обусловлен кроссинговером. Кроссинговером называют реципрокный (взаимный в качественном и в количественном отношении) обмен идентичными участками гомологичных хромосом, приводящий к рекомбинации сцепленных генов. Кроссинговер – закономерное явление, это упорядоченный ферментативный процесс.

Сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами (d): чем больше сила сцепления, тем меньше расстояние, и наоборот. Следовательно, rf может служить мерой генетического расстояния (d). Rf и d связаны функцией Холдена:

Rf (d) = ½ (1 – e^-²^d) или d (rf) = -½ ln (1 – 2rf).

Единицей как rf, так и d является сантиморган (сМ) – 1% кроссоверов в потомстве от анализирующего скрещивания. На отрезках до 10 сМ, rf и d имеют равные значения. Если же расстояние между генами больше 10 сМ, rf < d. Это обусловлено происходящими множественными обменами между гомологами. В их отсутствии между тремя отрезками существуют отношения: rf (ac) = rf (ab) + rf (bc), где а, b, c – маркерные гены. При наличии двойного обмена и фланговых позициях генов а и с: rf (ac) < rf (ab) + rf (bc), так как четные обмены, произошедшие между генами, не приводят к их рекомбинации. Допустив независимость обменов друг от друга и рассматривая rf как вероятность, формально это описывается так:

rf (ac) = rf (ab) [1- rf (bc)] + rf (bc) [1- rf (ab)] = rf (ab) + rf (bc) – 2 rf (ab) rf (bc).

Однако было установлено, что произошедший обмен влияет на вероятность возникновения других обменов в смежных сегментах хромосомы. Феномен назвали интерференцией (I). Обычно она положительна (снижает вероятность появления второго обмена). Интерференцию количественно оценивают опосредованно: I = 1 - C, где С – коэффициент совпадения. Коэффициент совпадения – это есть отношение частоты двойных обменов, полученной в эксперименте, к теоретической частоте, вычисленной путем перемножения генетических расстояний между маркерными генами: d (ab) ∙ d (bc) или rf (ab) ∙ rf (bc).

Р ешая задачи по сцепленному наследованию, необходимо также знать, как определить типы и доли гамет, образующихся у анализируемого организма. Дигетерозигота AB/ab дает 4 типа гамет, частота которых зависит от частоты рекомбинации (вероятности кроссинговера) rf между обоими локусами. Родительские (некроссоверные) гаметы АВ и ab образуются с одинаковой вероятностью, равной (1 – rf) / 2. Кроссоверные гаметы Ab и aB имеют частоту rf / 2.

При скрещивании двух цисдигетерозигот AB/ab x AB/ab с двумя сцепленными генами получается расщепление (по фенотипу):

AB = [2 + (1 – rf)² ] / 4;

аb = (1 – rf)² / 4;

Ab, aB = [1 – (1 – rf)² ] / 4.

В случае трансдигетерозигот Ab/aB x Ab/aB расщепление по фенотипу в потомстве определяется следующим образом:

AB = (2 + rf²) / 4;

аb = rf² / 4;

Ab, aB = (1 – rf²) / 4.

Для определения силы сцепления по полученному расщеплению необходимо решить эти уравнения.

Типы гамет в случае двойного обмена определяются так же, как при независимом наследовании (Приложение 1). Однако при сцеплении генов доли гамет разных типов зависят от частоты рекомбинации между ними (rf). Допустим, имеется тригетерозигота АВС/abc, известны rf_ab и rf_bc и коэффициент совпадения (С). Родительские типы и реципрокные продукты обмена приведем попарно, объединяя их частоты (f) и вводя поправку на интерференцию:

родительские типы: f (ABC) + f (abc) = 1 – rf_ab – rf_bc + Crf_abrf_bc ;

кроссоверы 1 участка (ab): f (Abc) + f (aBC) = rf_ab – Crf_abrf_bc ;

кроссоверы 2 участка (bc): f (ABc) + f (abC) = rf_bc – Crf_abrf_bc ;

двойные кроссоверы: f (AbC) + f (aBc) = Crf_abrf_bc.

Таким же образом рассчитываются доли разных фенопических классов в потомстве от анализирующего скрещивания.

4.1. От анализирующего скрещивания дигетерозиготы AaBb получено следующее потомство: 903 (А- В-); 101 (А- bb); 98 (aa B-); 898 (aabb). Объясните расщепление. Можно ли более подробно описать генотип дигетерозиготы?

Условие: P_1,2 AaBb x aabb

F_a : 903 (А- В-); 101 (А- bb); 98 (aa B-); 898 (aabb).

Объяснить расщепление. Можно ли более подробно описать генотип дигетерозиготы?

Решение: поскольку организм анализаторной линии образует только один тип гамет (ab), пропорции классов F_a , при допущении равной жизнеспособности особей с разными генотипами, прямо указывают на пропорции гамет, образующихся у дигетерозиготы. Значит, у дигетерозиготы образуются преимущественно гаметы типов АВ и ab. Следовательно, это – родительские типы, то есть гены сцеплены, причем находятся в цис-позиции. Отсюда генотип дигетерозиготы – AB/ab.

Ответ: специфика расщепления объясняется сцеплением генов; генотип дигетерозиготы – AB/ab.

4.2. А.Мюнтцинг приводит хромосомные карты кукурузы по всем 10 группам сцепления. В одной из них расположены локусы генов, обозначенных: полосатые листья (sr), устойчивость к кобылкам (ag), мужская стерильность (ms), окраска стержня початка (P). Ген устойчивости к кобылкам (ag) дает 11% кроссоверных гамет с геном мужской стерильности (ms), 14% с геном окраски стержня початка (P) и 24% с геном полосатых листьев (sr). В свою очередь ген ms с геном P дает 3% кроссинговера, а с геном sr – 25%. Постройте хромосомную карту и определите местоположение каждого локуса.

Объект: кукуруза

Признак: полосатые листья (sr), устойчивость к кобылкам (ag), мужская стерильность (ms), окраска стержня початка (P).

Условие: гены частота кроссинговера ( %):

ag – ms 11

ag – P 14

ag – sr 24

ms – P 3

ms – sr 25

Построить хромосомную карту.

Решение: Карту лучше строить на линейке с определенным масштабом. По условию задачи ген ag расположен от гена ms на расстоянии 11 сМ. Нанесем это на карту:

ag mc

11

Ген Р отстоит от гена ag на 14 сМ. Но слева или справа от него? Из условия выясняем, что P расположен от ms на расстоянии 3 сМ. Расстояние между ag и ms = 11 сМ, а между ag и P – 14 сМ. Следовательно, ms расположен между ag и P. Поэтому отмечаем точку P вправо от ag на 14 сМ и вправо же от ms на 3 сМ.

ag mc P

Дальше сказано, что ген sr расположен от ms на расстоянии 25 сМ. Снова тот же вопрос: вправо или влево? По условию sr находится от ag на расстоянии 14 сМ, а ag от ms – на расстоянии 11 сМ. Следовательно, ag расположен между sr и ms, и локус sr мы должны отметить влево от ms на 25 сМ и влево же от ag на 14 сМ. Общая схема карты анализируемого участка хромосомы выглядит следующим образом:

sr ag mc P

4.3. Объясните состав и пропорции фенотипических классов в потомстве от двух анализирующих скрещиваний тригетерозигот AaBbCc:

Ph 1 скрещивание 2 скрещивание

ABC 42 0

Abc 38 3

AbC 41 46

Abc 39 68

ABC 43 72

ABc 37 48

AbC 41 2

Abc 40 1

Всего: 321 240

Условие: даны состав и численности фенотипических классов в потомствах от двух анализирующих скрещиваний тригетерозигот АаBbСс (записываем вышеприведенные данные).

Объяснить результаты скрещиваний.

Решение: присутствие в первом потомстве восьми классов особей, примерно равных по численности, свидетельствует о том, что гены наследуются независимо, или формально независимо (удалены друг от друга более чем на 50 сМ). Численное неравенство фенотипических классов и явное преобладание двух из них во втором случае указывают на сцепление генов и на родительские комбинации аллелей (Abc, aBC).

Определим частоты рекомбинации между генами (расстояние между ними):

rf (ab) = (3 + 2 + 1) / 240 = 0.025 (2.5 cM);

rf (bc) = (3 + 46 + 48 + 2) / 240 = 0.412 (41.2 cM);

rf (ac) = (46 + 48 + 1) / 240 = 0.396 (39.6 cM).

Репрезентативность потомства (240 особей) и отличие численного значения всех трех rf от 0.5 подтверждает вывод о сцеплении всех трех генов. Так как максимальной является rf (bc), b и с – фланговые гены, ген а лежит между ними, ближе к b.

Ответ: в первом из двух предложенных к анализу вариантов гены не сцеплены (или наследуются независимо, что более корректно); во втором варианте сцеплены все три гена, причем ген а находится между генами b и c: rf (ab) = 2.5 cM; rf (bc) = 41.2 cM; rf (ac) = 39.6 cM; генотип тригетерозиготы bАc/ВaC.

4.4. У кроликов английский тип окраски (белая пятнистость) А доминирует над одноцветной окраской а. Короткая шерсть L доминирует над длинной (ангорской) l. По данным Кастла, при скрещивании особей первого поколения (родители дигомозиготные английские короткошерстные и дигомозиготные одноцветные ангорские) с одноцветными ангорскими было получено следующее расщепление: 72 английских короткошерстных, 11 английских длинношерстных, 69 одноцветных ангорских, 13 одноцветных короткошерстных. Определите характер наследования изучаемых генов у кроликов. Определите силу сцепления между генами.

4.5. От скрещивания самцов дрозофилы с темно-коричневыми глазами и волосатым телом с самками дикого типа в F₁ все мухи были дикого типа. В возвратном скрещивании самок из F₁ с исходным самцом получили расщепление: 1264 мухи дикого типа, 8 с красными глазами и волосатым телом, 5 с темно-коричневыми глазами и нормальным телом и 1277 с темно-коричневыми глазами и волосатым телом. Как наследуется признак? Определите генотипы исходных мух и гибридов F₁. Какое расщепление вы ожидаете получить в потомстве от скрещивания гибридов F₁ между собой?

4.6. Определите частоту рекомбинации между двумя генами, если она одинакова у самок и самцов и скрещивание двух дигетерозигот Ab/аВ дает четыре типа потомков, не отличающихся по жизнеспособности, а частота наиболее редкого фенотипического класса равна 1%.

4.7. Подергивание головой (shaker) является нервным заболеванием лабораторных линейных мышей. Такие мыши делают резкие движения головой, часто бегают кругами и к тому же они глухие. Данное заболевание вызывается рецессивным геном (sh). Этот ген находится в той же хромосоме, что и ген, вызывающий альбинизм. Частота кроссинговера между генами с и sh составляет около 4%. Самка с подергивающейся головой была скрещена с самцом-альбиносом с подергивающейся головой. В результате нескольких пометов было получено 200 мышат. Сколько из них, по вашему мнению, будет альбиносов с подергивающейся головой и сколько альбиносов с привычным для работников вивария поведением? Самцы-альбиносы с подергивающейся головой, полученные от предыдущего скрещивания, были спарены с нормальными самками. Особей первого поколения затем скрестили с мышами-альбиносами с подергивающейся головой и получили опять 200 мышат. Сколько из них должно быть альбиносов с подергивающейся головой и сколько обыкновенно ведущих себя альбиносов?

4.8. Классическая гемофилия и дальтонизм – рецессивные сцепленные с полом признаки. Расстояние между генами равно 9.8 сМ. Девушка, отец которой страдал одновременно и гемофилией и дальтонизмом, а мать была здорова и происходила из здоровой семьи, вышла замуж за здорового мужчину. Какие фенотипы и с какими вероятностями возможны у детей от этого брака?

4.9. У человека локус резус-фактора сцеплен с локусом, определяющим форму эритроцитов, и находится от него на расстоянии 3 См. Резус-положительность и эллиптоцитоз (эритроциты эллиптической формы) определяются доминантными аутосомными генами. Один из супругов гетерозиготен по обоим признакам. При этом резус-положительность он унаследовал от одного из родителей, а эллиптоцитоз – от другого. Второй супруг резус-отрицателен и имеет эритроциты нормальной формы. Определите процентные соотношения вероятных генотипов и фенотипов детей в этой семье.

4.10. При скрещивании высокого растения томата с грушевидными плодами с карликовым растением с шаровидными плодами в F₁ все растения оказались высокими с шаровидными плодами. Какое расщепление должно произойти в F₂, если все признаки контролируются моногенно, гены локализованы в одной хромосоме и расстояние между ними 16% кроссинговера?

4.11. От скрещивания белых кур без хохла с черными хохлатыми петухами в F₁ все цыплята оказались белыми хохлатыми, а в F₂ произошло расщепление:

5005 белых хохлатых,

2505 белых без хохла,

2460 черных хохлатых,

30 черных без хохла.

10000

Как наследуется признак? Определите генотипы исходных птиц и гибридов F₁. Какое расщепление вы ожидаете получить в анализирующем скрещивании и каких птиц вы предполагаете использовать для него?

4.12. Куры с длинными ногами и простым гребнем при скрещивании с петухом-коротконожкой с розовидным гребнем, получившим коротконогость от отца, а розовидный гребень от матери, дали следующее потомство: 5 коротконожек с розовидным гребнем, 103 коротконожки с простым гребнем, 89 длинноногих с розовидным гребнем, 12 длинноногих с простым гребнем.

Как наследуются данные признаки? Определите генотипы исходных птиц.

4.13. Гены расположены в хромосоме в следующем порядке: А – В – С. Расстояние между А и В – 8 См, между В и С – 10 См. Коэффициент коинциденции (совпадения) равен 0.6. Каково ожидаемое соотношение фенотипов в потомстве от анализирующего скрещивания растения генотипа АВс/abC с растением aabbcc?

4.14. Постройте генетическую карту на основании приведенных ниже частот рекомбинации между генами black (b), curved (c), purple (pr), speck (sp), Star (S), vestigial (vg), локализованными во второй хромосоме дрозофилы:

гены rf (Cm) гены rf (Cm)

b c 22.7 c vg 8.2

b pr 6.2 pr sp 46.0

b sp 47.0 pr S 43.0

b S 37.0 pr vg 12.0

b vg 17.0 sp S 48.0

c pr 20.0 sp vg 36.0

c sp 30.0 S vg 43.0

c S 46.0

4.15. Проведите генетический анализ результатов двух анализирующих скрещиваний тригетерозиготы AaBbCc:

Скрещивание № 1 Скрещивание % 2

ABC 126 –

ABc 10 164

AbC 64 2

Abc 62 1

aBC 68 2

aBc 70 3

abC 14 172

abc 133 –

547 344

4.16. У дрозофилы белые глаза и скомканные крылья обусловлены рецессивными генами, локализованными в половой хромосоме. Расстояние между ними 15% кроссинговера. Каким будеи потомство от скрещивания гомозиготной красноглазой длиннокрылой самки с белоглазым комкокрылым самцом? Каким будет потомство от скрещивания самки F₁ с белоглазым комкокрылым самцом? Каким будет потомство от скрещивания самца F₁ с белоглазой комкокрылой самкой?

4.17. Приведены результаты анализирующего скрещивания дрозофилы. Определите генотип гетерозиготного родителя, порядок генов и расстояние между ними; рассчитайте коэффициент коинциденции:

ec + ct – 2125, + cv ct – 223,

+ + ct – 265, + cv + – 2207,

ec cv ct – 3, ec + + – 217,

ec cv + – 273, + + + – 5

(ec⁺ - нормальные глазные фасетки

ес – крупные и грубые глазные фасетки

cv⁺ - поперечная жилка на крыле

cv – поперечной жилки на крыле нет

ct⁺ - нормальные крылья

ct – вырезки на крыльях).

4.18. Проводится анализирующее скрещивание тригетерозиготы АаBbCc. В потомстве получено расщепление:

abc – 64; Abc – 17;

abC – 2; AbC – 14;

aBc – 11; ABc – 3;

аВС – 18; ABC – 71.

Какие гены сцеплены? Почему? Напишите генотипы родителей. Определите расстояние между всеми парами сцепленных генов и порядок расположения генов.

4.19. Синдром дефекта ногтей и коленной чашечки определяется полностью доминантным аутосомным геном. На расстоянии 10сМ от него находится локус групп крови системы АВО. Один из супругов имеет вторую группу крови, а другой – третью. Тот у кого вторая группа, страдает дефектом ногтей и коленной чашечки. Известно, что его отец был с I группой кров и не имел этих аномалий, а мать с IV группой крови имела оба дефекта. Супруг, имеющий III группу крови, нормален в отношении дефекта ногтей и коленной чашечки и гомозиготен по обеим парам анализируемых генов. Определитевероятность рождения в этой семье детей, страдающих дефектом ногтей и коленной чашечки и возможные группы крови их.

4.20. У кроликов окрашенность шерсти определяется геном С, альбинизм – с; черная окраска – В, коричневая – b. Черный кролик скрещен с альбиносом, а гибриды F₁ скрещиваются с двойной рецессивной формой. В потомстве получено: черных крольчат – 132, коричневых – 68 и альбиносов – 200. Определите, как наследуются эти признаки и каково расстояние между взаимодействующими генами?

4.21. На генетической карте второй хромосомы дрозофилы на расстояниях 48,5 и 54,5 сМ от конца находятся гены, рецессивные аллели которых определяют черный цвет тела и пурпурный цвет глаз. Н а генетической карте Х-хромосомы на расстояниях 5,5 и 51,5 сМ от конца локализованы гены, рецессивные аллели которых обусловливают развитие, соответственно, увеличенных фасеток и зазубренного края крыльев. С какими фенотипами могут появится потомки от скрещивания гетерозиготной по всем признакам самки и самца, обладающего всеми четырьмя рецессивными признаками, если у самки обе пары маркерных генов находятся в цис-положении?

4.22. Гомозиготная по гену cinnabar (cn, ярко-красные глаза) самка скрещена с самцом black (b, черное тело). Какое расщепление можно ожидать в F₂ и анализирующем скрещивании, если расстояние между этими генами равно 10 сМ.