Цитологические наблюдениякроссинговера

До сих пор мы могли основываться лишь на косвенных данных, полагая, что в основе рекомбинации лежит кроссинговер, т. е. физический обмен реципрокными участками хромосом между двумя разорванными хроматидами. Прямые доказательства были впервые получены в 1931 г. Харриетом Крейтоном и Барбарой Мак-Клинток при исследовании кукурузы и Куртом Штерном на дрозофиле. В обоих случаях данные по генетической рекомбинации совпадали с цитологически наблюдаемым физическим обменом участками хромосом. Результаты, полученные на кукурузе, состояли в следующем. Скрещивали растения кукурузы, гетерозиготные по двум генетическим маркерам, а именно аллелю бесцветности (с) при окрашенном диком типе (с ⁺ ) и аллелю восковистости (wx) при крахмалистом диком типе (wx ⁺ ), и двум цитологическим маркерам, а именно гетерохроматиновому вздутию и транслокации (рис. 5.15). В потомстве одного из таких скрещиваний было получено 28 зерен четырех различных фенотипов, представленных на рисунке. Зерна были пророщены, и хромосомы каждого растения исследовали на предмет наличия или отсутствия вздутия и транслоцированного участка. Растения wx ⁺ /wx ⁺ можно было отличить от wx ⁺ /wx, поскольку в первом случае все пыльцевые зерна были крахмалистыми, тогда как во втором случае - лишь половина. Обнаруженная взаимосвязь между

5. Геном эукариот145

Рис. 5.15. Взаимосвязь между генетическим обменом и перестройками хромосом; с и wx - генетические маркеры, вздутие (изображено кружком) и транслоцированный участок (волнистая линия) - цитологические маркеры. Генотипы, помещенные в окрашенные прямоугольники, демонстрируют связь между генетической и цитологической рекомбинациями. Обратите внимание на то, что изображенное скрещивание не является анализирующим и что не все генотипы могут быть однозначно идентифицированы.

кроссинговером и цитологическими перестройками свидетельствует о том, что генетический обмен аллелями сопровождается физическим обменом участками хромосом.

Корреляция между генетическими и цитологическими картами хромосомдрозофилы

Большая часть хромосом эукариот, в том числе и хромосомы дрозофил, характеризуется чередованием генетически активных, или эухроматиновых, участков и генетически неактивных участков, называемых гетерохроматиновыми (см. дополнение 1.1). Большинство известных генов дрозофилы расположены в эухроматиновых участках. В соматических клетках некоторых тканей дрозофилы и других видов двукрылых, в особенности в клетках слюнных желез их личинок, содержатся так назы-

146Организация и передача генетического материала

ваемые гигантские хромосомы. Они образуются в результате множества последовательных удвоений хромосом, не сопровождающихсяядерными делениями. В зависимости от вида и стадии развития в каждом ядре каждая хромосомная нить может быть представлена более чем в 1000 копиях, и все нити обоих гомологов располагаются по всей длине в точности друг против друга, образуя политенные интерфазные хромосомы, представляющие собой подобия многожильного троса. Схематическая модель политенной Х-хромосомы изображена нарис. 5.16, а электронная микрофотография ядра клетки слюнных желез дрозофилы-на рис. 5.17. Различия в содержании белка и в степени спирализации интерфазных хромосом обусловливают их поперечную исчерчены ость, хорошо заметную на рис. 5.18.

У дрозофил известны многочисленные хромосомные аберрации, при которых отдельные участки хромосом утрачиваются (делеции Df) или удваиваются (дупликации, Dp, см. гл. 21). На цитологических препаратах политенных хромосом с делециями или дупликациями концевые точки этих аберраций обычно можно определить очень точно. На рис. 5.19 изображены границы некоторых известных делеции и дупликаций в Х-хромосоме дрозофилы. Потери генетической информации, свя-

Рис. 5.16. Схематическое изображение вероятной структуры политенной Х-хромосомы из клетки слюнных желез дрозофилы. Последовательные репликации эухроматиновых участков хромосомы доводят число копий примерно до тысячи. А. Различия в спирализации по-разному амплифицированных участков гомологичных хромосомных нитей приводят к появлению визуально наблюдаемой поперечной исчерченности (B) хромосом. Б. Гены рибосомной РНК (рРНК) локализованы в гетерохроматине Х-хромосомы и также частично амплифицированы, однако по неизвестным причинам это не проявляется в виде дискретных линий.

5. Геном эукариот147

Рис. 5.17. Сделанная на сканирующем электронном микроскопе фотография интактного ядра клетки слюнных желез дрозофилы после удаления ядерной мембраны. Хорошо видна исчерченность. Крупное сферическое образование в середине — это ядрышко. (Dr. John W. Sedat, University of California, San Francisco.)

Рис. 5.18. Окрашенный препарат политенных хромосом клеток слюнных желез дрозофилы. Фотография сделана с помощью обычного светового микроскопа. (Lefevre G. (1976). In: The Genetics and Biology of Drosophila, vol. la, ed. by M. Ashburner and E. Novitski; Academic Press, New York.)

148 Организация и передача генетического материала

Рис. 5.19. Схема участка политенной Х-хромосомы дрозофилы. Указана цитологическая локализация некоторых обсуждающихся в тексте делеций и дупликаций. [Kiger J. Α., Jr., Golanty E. (1977). Genetics. 85, 609.]

занные с делециями, фенотипически проявляются у гетерозигот по рецессивным мутациям. Например, у гетерозигот Df(l)N⁸/w, Df(l )N^St/w и Df(l)N ^--67k30/w глаза белые, что указывает на то, что в хромосомах с этими тремя нехватками ген w ⁺ отсутствует, и, следовательно, этот ген расположен в участке, общем для всех трех делеций, т. е. в полосах ЗС2-ЗС6. У гетерозиготы Df(l)N ^64·16/w глаза красные, таким образом, ген w ⁺ в этой хромосоме присутствует. Следовательно, ген w ⁺ должен быть расположен между левыми концами делеций Df(1)N^{64 i16} и Df(l)N^St или Df(l)w^--67k30, т.е. должен находиться в полосе 3С2. Заметим, что полоса 3С2 находится внутри всех трех дупликаций, представленных на рис. 5.19. Эти участки могут быть транслоцированы во вторую аутосому, в третью аутосому и в Y-хромосому соответственно, и во всех трех случаях можно установить присутствие гена w ⁺ в геноме, что подтверждает локализацию w ⁺ в полосе 3С2. Например, самцы

Рис. 5.20. Генетическая карта некоторых мутаций, известных в Х-хромосоме D. melanogaster. Указаны связи генетической карты с цитологической структурой политенных хромосом слюнных желез. (Handbook of Genetics, 1975, vol. 3, ed by R.C. King, Plenum Press, New York.)

150Организация и передача генетического материала

с генотипом w/Dp(1; Y)w⁺ обладают красными глазами, отсюда следует, что ген w⁺ содержится в участке Х-хромосомы, транслоцированном на Y-хромосому. Такие цитологические сопоставления были проведены для многих генов, локализованных в различных хромосомах дрозофилы, и они убедительно продемонстрировали, что генетическая карта каждой хромосомы, полученная на основе данных по рекомбинации, хорошо соответствует реальной физической структуре хромосом (рис. 5.20). Неполное количественное совпадение между расстояниями на генетической карте и реальными расстояниями в политенной хромосоме может быть следствием неравномерного растяжения различных участков хромосомы в процессе приготовления хромосомных препаратов. Возможно, однако, что некоторые участки Х-хромосомы участвуют в генетической рекомбинации чаще других и вследствие этого на генетической карте занимают больше места, чем на физической.