Жимулёв Курс лекций

Глава 2. Генетический анализ

	P1	×				P1

F1

При участии 1 пары генов

F1 × F1

При участии 2 пар генов

F2

При участии 3 пар генов

При участии многих пар генов

Рис. 2.6. Зависимость числа фенотипических классов от числа пар генов. По горизонтали - классы, по вертикали - относительные частоты (Из: Гершкович, 1968, стр. 70)

2.7.). Средняя арифметическая F1 чаще всего промежуточная между средними арифметическими родительских форм.

2.Средняя арифметическая значений

âF2 примерно равна средней арифметической F1, но вариация особей значительно выше.

3.Кривые распределения особей из

возвратных скрещиваний F1 на каждого из родителей сдвинуты ближе к кривым расщепления этих родительских форм.

	30
	20
початков	10
	10
	20
Число	30

20

10

5	6	7	8	9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
				Длина початка, см

Рис.2.7.Наследованиедлиныпочаткакукурузы при скрещивании длиннопочаткового сорта “Черный мексиканец” (справа) с короткопочатковымсортом“Мальчик-с-пальчик” (слева)

2.6. Наследование признаков, сцепленных с полом

Г. Мендель подчеркивал, что направление скрещивания, т.е. от какого пола привносятся доминантные или рецессивные признаки, не имеет значения для расщепления признаков у гибрида. Это правильно для всех случаев, когда гены находятся в аутосомах, одинаково представленных у обоих полов.

Наследование признаков, гены которых находятся в X и Y хромосомах, называется наследованием, сцепленным с полом.

Т.Г. Морган и его сотрудники провели два типа скрещиваний дрозофил: в одном самки были нормальными по цвету глаз (w+), а самцы имели белые глаза (w), в другом белоглазых самок (w) скрещивали с нормальными самцами

2-14

Глава 2. Генетический анализ

(w+). Такие скрещивания называют реципрокными, т.е. проведенные в обоих направлениях. В скрещивании нормальных самок с белоглазыми самцами

P

a w+w+

×

` wY

↓

F1

a w+w × ` w+Y

↓

F2

a w+w+ ww+ ` w+Y wY

1

:

1

:

1

:

1

öâåò

êðàñ.

êðàñ.

êðàñ.

áåë.

ãëàç

все самцы и самки первого поколения

Рис. 2.8. Схема передачи Х-

были красноглазыми (w+w è w+Y). Âî

втором поколении все самки были

хромосомы от самки w+/w+ è w/w

самцу и наследование крисс-кросс

красноглазыми, а самцы - красноглазыми

и белоглазыми, в соотношении 1:1.

При этом белоглазыми оказываются

Расщепление 3:1 получается, но

своеобразное, самки все одного фенотипа,

только самцы, а все самки - красноглазые.

а самцы - двух.

 F2 и самки, и самцы представлены и

Â

случае

реципрокного

белоглазыми, и красноглазыми особями

скрещивания, когда самка, гомозиготная

в равных соотношениях.

по гену w (белые глаза), скрещивается с

Картина наследования, когда в F1

красноглазым самцом, расщепление

признаки

родителей

передаются

наблюдается в первом же поколении в

противоположному полу, называется

отношении белоглазых и красноглазых 1:1.

крисс-кросс (criss-cross - крест-накрест).

Ýòè

расщепления

полностью

P

a ww ×

` w+Y

коррелируют с поведением половых

↓

хромосом. Именно в этом эксперименте

была впервые показана генетическим

a ww+

×

` wY

F1

1

:

1

образом

ðîëü

хромосом

â

↓

наследственности.

В самом деле, если самка является

F

a ww w+w ` wY w+Y

2

гомозиготной по доминантному гену

1

:

1

:

1

:

1

красной

окраски

ãëàç

(Ðèñ.

2.8),

2-15

Глава 2. Генетический анализ

находящемуся в Х-хромосоме, то этот ген передается сыновьям F1. В результате все самцы - w+, и расщепление обнаруживается только в F2.

В реципрокном скрещивании белоглазая самка передает самцу мутантный ген w в результате чего уже в первом поколении наблюдается расщепление по цвету глаз - все самцы белоглазые.

[Наследование гетерогаметности женского пола (см. Лобашев, 1967, стр.193)].

2.7. Нерасхождение половых хромосом

Скрещивание белоглазой самки дрозофилы с красноглазым самцом дает в первом поколении белоглазых самцов и красноглазых самок. Однако, иногда в таком скрещивании появляются единичные красноглазые самцы и единичные белоглазые самки (частота 0,1-0,001%).

Связано это с тем, что во время мейоза в направительное тело отходят обе Х-хромосомы, а в яйцеклетку - ни одной. Если в направительное тело Х- хромосомы не отходят, обе они будут находиться в яйцеклетке. Это явление было названо первичным нерасхождением хромосом (Рис. 2.9.).

Получающиеся самки с тремя Х- хромосомами гибнут на личиночной стадии развития, особи, имеющие только Y-хромосому, тоже гибнут, а самцы с одной только Х-хромосомой внешне нормальны, но стерильны.

Особый случай 100% нерасхождения хромосом был описан

Л.В. Морган. При скрещивании самки дрозофилы, имевшей желтое тело (мутация yellow - y), с самцом, имевшим серую окраску тела (y+), в потомстве все сыновья оказались с отцовским признаком, а дочери - с материнским, что означало явное отклонение от правила крисс-кросс (должны быть серыми дочери, а сыновья - желтыми). Как оказалось, в этом случае обе Х- хромосомы, несущие гены y, соединены в своей проксимальной части и имеют общую центромеру. Поэтому эти Х- хромосомы ведут себя как одна и постоянно отходят либо в яйцеклетку, либо в направительное тело вместе. Такие Х-хромосомы называют сцепленными. Кроме того, такая самка имеет еще Y- хромосому, полученную от самца. Линия

со сцепленными X-хромосомами

очень удобна для размножения точной копии единственной Х-хромосомы самца или ее длительного сохранения в генетической линии.

Используют скрещивание, изображенное на рис. 2.10. В такой линии выживают лишь особи, имеющие генотипы, соответствующие генотипам родителей, т.е. линия постоянно воспроизводится. При этом все самцыпотомки имеют Х-хромосому точно такую же, как у самца-родителя.

Вторичное нерасхождение см. Айяла и Кайгер, 1988, стр. 72.

Литература

Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. Москва, Высшая школа, 1985, 1-446.

2-16

Глава 2. Генетический анализ

Спермии

	ww	w+Y
	Нормальные	Яйцеклетки с
		нерасхождением
	яйцеклетки
		хромосом
	w	ww		-
		Сверхсамки
w+		гибнут
	ww+	www+		w+
Y				Гибнут
	wY	wwY		Y

Рис. 2.9. Схема, демонстрирующая нерасхождение X-хромосом у D. melanogaster (из: Алиханян и др., 1985, с. 56)

	Вилли К. Биология. Мир, Москва, 1966.	Лобашев	Ì.Å.	Принципы
	Дубинин Н.П. Общая генетика. Москва.	генетического		анализа. В кн.
	Наука. 1-487. 1970.
		Актуальные вопросы современной
	Гершензон С.М. Основы современной
		генетики. Москва, Издат.МГУ,
	генетики. Киев, Наукова Думка,
		1966, ñòð. 7-22.
	1983, 1-558.
		Лобашев	М.Е. Генетика (издание
	Гершкович И. Генетика. Москва, Наука,
		второе). Ленинград, Издат. ЛГУ,

1-698.	1967, 1-751.

2-17

Глава 2. Генетический анализ

Рис. 2.10. Схема скрещивания для

поддержания линии со сцепленными X-

хромосомами у самки

Мюнтцинг А. Генетика общая и прикладная. Москва, Мир, 1967, 1- 610.

Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск, Вышейшая Школа, 1978.

Серебровский А.С. Генетический анализ. Москва, Наука, 1970.

Тихомирова М.М. Генетический анализ. Ленинград, Издат. ЛГУ, 1990, 1-280 Lewin B. Genes V. Oxford, New York, Tokyo. Oxford University Press,

1994, 1-1272.

2-18

Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер

Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер

3.1. Сцепленное наследование	2
3.2. Кроссинговер	3
3.2.1. Генетические доказательства
перекреста хромосом	3
3.2.2. Частота кроссинговера и линейное
расположение генов в хромосоме	4
3.2.3. Одинарный и множественный
перекресты хромосом	5
3.2.4. Интерференция	6
3.2.5. Цитологические доказательства
кроссинговера	7
3.2.6. Неравный кроссинговер	9
3.2.7. Митотический (соматический)
кроссинговер	10
3.2.8. Факторы, влияющие на
кроссинговер	10

3-1

Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер

	3. Сцепленное наследование	В скрещиваниях родительских
	и кроссинговер	форм, гомозиготных по доминантным
	3.1. Сцепленное наследование	аллелям обоих генов и гомозиготных по
		рецессивным аллелям получаются
	В 1906 году У. Бэтсон и Р. Пеннет,	гибриды F1, у которых оба признака
	изучая наследование окраски цветка	будут доминировать.
	(пурпурная - P или красная - p) и формы	P	AABB	aabb
	пыльцевых зерен (удлиненная - L èëè
	круглая - l) у душистого горошка	F1	AaBb
	Lathyrus odoratus нашли, что при
		Структура гамет особей F1 может
	скрещивании растений с пурпурными
	цветками и удлиненной пыльцой	быть проверена		ñ	помощью
	(PPLL) и растений с красными	анализирующего скрещивания:
	цветками и круглой пыльцой (ppll) â F1		AaBb × aabb
	были получены растения с пурпурными	Если испытуемые гены находятся
	цветками и удлиненной пыльцой PpLl.	в разных хромосомах, то образуется 4
	Эти гибриды в результате самоопыления	вида гамет AB, Ab, aB è ab è,
	дали следующее расщепление в F2:	следовательно, четыре фенотипических
	пурпурные цветки и удлиненная пыльца	класса потомков:
	(P- L- ) - 4831 (69,5%)	AB/ab	Ab/ab	aB/ab	ab/ab

пурпурные цветки, круглая пыльца

(P- ll) - 390 (5,6%)

красные цветки, удлиненная пыльца

(ppL- ) - 393 (5,6%)

красные цветки, круглая пыльца

(ppll) - 1338 (19,3%)

Т.е., в потомстве получены все четыре ожидаемых класса, но соотношение было не 9:3:3:1. В этом случае родительские сочетания аллелей исследованных генов PL è pl предпочтительно попадают в исходные гаметы, в то время как их новые сочетания (pL è Pl) встречаются гораздо реже. Это явление в дальнейшем назвали сцеплением генов.

Сцепленное наследование подробно изучили Т.Х. Морган, А. Стертевант, Г. Меллер и К. Бриджес.

в соотношении 1:1:1:1. Однако, если гены A è B сцеплены и “стремятся” попасть в одну гамету, в результате анализирующего скрещивания могут появиться только две формы, повторяющие признаки родителей в равном соотношении:

1 AB/ab : 1 ab/ab

Это означает, что гены A è B наследуются совместно, как единый наследственный фактор, т.е. что они “сцеплены” (термин “сцепление” предложен Т. Морганом).

Этот эксперимент Моргана заложил основы хромосомной теории наследственности. Он установил, что материальной основой сцепления является хромосома. Хромосома представляет собой отдельную материальную единицу, фигурирующую

3-2

Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер

в мейозе. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, будут связаны между собой субстратом хромосомы. После проверки всех генов, каждого с каждым на возможность сцепленного наследования, у дрозофилы можно выявить группы сцепления генов. Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом. Теория Моргана существенно отличалась как от умозрительной, хотя и верной, гипотезы А. Вейсмана, так и от предположений Т. Бовери и У. Сэттона.

3.2. Кроссинговер

Как и в других законах наследственности, в законе о сцеплении генов сразу же обнаружили исключения. Морган в 1911 году нашел, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обмен генами.

Âскрещивании организмов,

различающихся по паре признаков, в F1 получаются дигетерозиготы AB/ab.

Âскрещивании потомков F1 с родительской формой ab/ab в случае

полного сцепления получалось бы расщепление AB/ab è ab/ab â

P

AB

ab

AB

ab

F1

AB

ab

a b

ab

F2

AB

ab

AB

ab

Ab

aB

a b

ab

a b

ab

a b

a b

1:1

Расщепление

Расщепление

ïðè

ïðè

полном сцеплении

кроссинговере

Дополнение 3.1.

Отмечая заслуги Т.Х. Моргана в формулировании хромосомной теории наследственности, в 1933 году ему была присуждена Нобелевская премия.

соотношении 1:1. Однако, всегда появляются новые сочетания признаков, например, Ab/ab è aB/ab. Значит, во время гаметогенеза образовались новые сорта гамет за счет перекреста хромосом и обмена их фрагментами.

3.2.1. Генетические доказательства перекреста хромосом

Т.Х. Морган с сотрудниками скрещивал линии дрозофил, содержащие гены b и vg (b - черное тело, vg - зачаточные крылья).

b+ vg	b vg+
b+ vg	b vg+

b+ vg b vg+

Далее, ставились реципрокные скрещивания: в одном дигетерозиготой была самка, а дигомозиготой - самец, в другом скрещивании - наоборот.

Если дигетерозиготой был самец, в потомстве 1 часть имеет фенотип b+vg, другая часть - vg+b. Эти классы расщепляются в соотношении 1:1.

b vg	b+ vg
b vg	b vg+
b+ vg	b vg+
b vg	b vg
	1:1

3-3

							Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер
	В ходе этого эксперимента Морган							опыте, не может быть более 50 %, т.к.
	открыл, что у самцов дрозофилы							эта частота составляет вероятность
	перекрест хромосомы не происходит.							нормального, т.е. без кроссинговера,
	Ýòî	наблюдение			имеет		огромное	расхождения хромосом.
	значение для любых экспериментов по							3.2.2. Частота кроссинговера и
	генетике дрозофилы, в которых нужно							линейное расположение генов в
	исключить кроссинговер у одного из							хромосоме
	родителей.							В одном из опытов Морган и его
		В реципрокном скрещивании
								сотрудники проводили скрещивание
	получено четыре класса потомков, два							самок дрозофилы, гетерозиготных по
	из которых имеют сцепленные гены, в
	том порядке, в каком они наблюдались							трем сцепленным рецессивным генам y
	у родителей, а два других класса							(yellow -желтый цвет тела), w (white -
	возникли		â	результате			нарушения	белый цвет глаз) и bi (bifid - вильчатые
	сцепления - это кроссоверы:							крылья), с самцами, несущими эти
								признаки - y w bi.
			b+ vg			b vg		Полученные в опытах Моргана
			b vg+		b vg			результаты в частотах перекреста (%)
								между генами представляли следующее
		b+ vg b vg+			b+ vg+		b vg	соотношение (Рис. 3.1.). При этом сумма
		b vg		b vg	b vg		b vg	двух меньших частот равна самой
								большой частоте.
	некроссоверы					кроссоверы		А. Стертевант предположил, что
		Эти результаты неопровержимо						частота	кроссинговера показывает
	показывают, что в ходе гаметогенеза
	произошел			обмен		фрагментами			y w bi	y w bi
	хромосом.
		В каждом из классов число мух							y+ w+bi+
	áûëî	â	определенных				числовых	y w bi	y+ w+bi+	y w+bi+ y+ w bi
	сотношениях: b+ vg/b vg è b vg+/b vg							y w bi	y w bi	y w bi y w bi
	составляли по 41,5%, т.е. некроссоверов
	было 83%. Два кроссоверных класса по							1160 некроссоверов		15 кроссоверов
	числу особей были также одинаковыми									между y и w (1.2%)
	(8,5%) и сумма их равна 17%.								y w bi+	y+ w+bi
		Процент				кроссинговера			y w bi	y w bi
	определяется как отношение числа гамет
	с зарегистрированными						обменами		43 кроссовера
									между w и bi (3.5%)
	между двумя определенными парами
	аллелей к общему числу гамет.							Рис. 3.1. Частоты кроссинговера
		Значение частоты кроссинговера						между генами y, w и bi
	между двумя генами, выявляемое в
										3-4

Глава 3. Сцепленное наследование и кроссинговер

Дополнение 3.2.

В России для обозначения частоты кроссинговера, равной 1%, использовали термин “морганида” в честь Т.Х. Моргана. В США долгое время использовали термин “единица карты” (map unit - m.u.). Начиная с 80- х годов почти повсеместно как в русскоязычной, так и англоязычной литературе используют термин “сантиморган” (centiMorgan или cM).

относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем дальше отстоят гены друг от друга в хромосоме. Чем реже кроссинговер, тем они ближе. Таким образом он предложил строить линейные карты расположения генов.

Рассмотренный выше пример свидетельствует о том, что расстояние между y и w может быть выражено значением в 1,2 сантиморгана, между y и bi - 4,7, между w и bi - 3,5. И расположить эти три гена непротиворечиво можно только в следующем порядке: y - w - bi.

y

1.2%

w 4.7%

3.5%

bi

3.2.3. Одинарный и множественный перекресты хромосом

Перекрест, происходящий в одном участке хромосомы, называют одинарным, в двух точках - двойным, в трех - тройным, т.е. кроссинговер может быть множественным.

Рассмотрим эту ситуацию на следующем отвлеченном примере (из:

Лобашев, 1967, стр. 239-241): Были скрещены особи

ABC/abc x abc/abc

Перекрест происходит в следующих точках между генами A è B, а также B è C.

A b C

a B c

При построении генетических карт учитываются все события кроссинговера (Табл. 3.1.). Между генами A è B произошло 93 обмена (79+14), поэтому расстояние между ними составляет 93/521 Ч 100 = 17,9%. Считая аналогичным образом, определяем расстояние между B è C - 28,6%. Таким образом, общее расстояние между A è C должно составлять примерно суммарное значение расстояний между A è B, è B è C, т.е. 17,9 + 28,6 = 46,5 морганиды.

Табл. 3.1. Расщепления в потомстве тригибридов со сцепленными генами при анализирующем скрещивании (Из: Лобашев, 1967, стр. 239)

	Гаметы	Генотип	Число		%
		зигот	особей
	некроссоверы
	ABC	ABC/abc	150	293	56.2
	abc	abc/abc	143
	кроссинговер между A и B
	Abc	Abc/abc	37	79	15.2
		aBC/abc	42
	aBC
	кроссинговер между B и C
	ABc	ABc/abc	70	135	25.9
	abC	abC/abc	65
	кроссинговер между A и B,
	между B и C				2.7
	AbC	AbC/abc	8
				14
	aBc	aBc/abc	6
	Всего потомков		521		100

3-5