Термины и понятия: сцепленное наследование; группа сцепления; закон Моргана; морганида; генетическая карта хромосомы.
Хромосомная теория наследственности и её положения. Считается, что
формирование хромосомной теории наследственности стало следующим этапом развития клеточной теории. Главные положения хромосомной теории сейчас рассматривают как постулаты современной клеточной теории.
Вспомните мушиную комнату, о которой шла речь при изучении истории генетики. В ней проводились опыты, ставшие основой одного из самых важных открытий в биологии — хромосомной теории наследственности. Оно было сформулировано ещё в начале XX ст. и остаётся актуальным поныне.
Ещё до исследований Моргана, сразу же после переоткрытия законов Менделя учёные заметили, что при формировании половых клеток хромосомы ведут себя, как гены. Но именно Морган через 10 лет после переоткрытия законов наследования доказал, что гены находятся в хромосомах. Именно он сформулировал главное положение хромосомной теории наследственности: гены находятся в хромосомах и расположены там в линейном порядке.
Современные молекулярно-генетические исследования подтвердили эти положения. Реализация программы «Геном человека», в рамках которой исследовалось, какие именно гены расположены в каких именно хромосомах (рис. 39), дала следующие результаты. Было установлено, что каждая хромосома содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч структурных генов — всего 32 135 генов. Причём количество генов в хромосоме часто не совпадает с её размерами. Например, 5-я огромная субметацентрическая хромосома несёт только 609 генов, а самая маленькая акро- центрическая 22-я хромосома имеет 1092 гена.
Рис. 39. Число генов в каждой из хромосом человека.
Со времён Моргана хромосомная теория постоянно развивалась и в современном виде включает несколько положений.
• гены находятся в хромосомах;
• каждый ген занимает определённое место в хромосоме;
• гены в хромосомах расположены в линейном порядке;
• каждая хромосома представляет собой группу сцепления;
• число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом;
• между гомологичными хромосомами происходит обмен аллельными генами;
• расстояние между генами пропорционально проценту кроссинговера между ними.
Сцепление признаков, или закон Моргана. Согласно третьему закону Менделя, гены, расположенные в разных хромосомах, передаются потомству независимо друг от друга. Впервые сцепленное наследование признаков при дигибридном скрещивании обнаружили английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет у горошка душистого при изучении наследования окраски цветков и формы пыльцевых зёрен. Однако именно опыты Моргана показали, что гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группы сцепления и передаются потомству все вместе.
На основе этих наблюдений было сформулировано правило, которое со временем стали называть законом Моргана: гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, или сцеплено. Соответственно наследование генов, находящихся в одной хромосоме, называется сцепленным наследованием.
Количество групп сцепления генов отвечает количеству хромосом гаплоидного набора. Таким образом, у человека 23 группы сцепления генов, у дрозофилы — 4, у бизона — 53, у собаки — 39, а у папоротника ужовника густорядного — 660!
Рис. 40. Схема кроссинговера. Рецессивные аллельные гены двух разных локусов (светлые точки), вначале расположенные в одной хромосоме, вследствие кроссинговера оказались в разных гомологических хромосомах.
Примером генов, наследуемых сцеплено, у человека может служить группа сцепления, содержащая локус Rh, где локализованы аллели резус-фактора, и локус элиптоцитоза - доминантной мутации, вызывающей овальную форму эритроцитов. Другой пример - группа сцепления, которая несёт в себе локус, где локализованы аллели группы АВО и локус, который содержит дефекты локтей и коленной чашечки.
Кроссинговер, или мнимое исключение из закона Моргана. Продолжая опыты по изучению сцепленного наследования, Морган обнаружил отклонения от закона сцепленного наследования. Среди гибридов второго поколения обязательно встречалось незначительное число особей с перекомбинацией признаков, за которые отвечают гены, лежащие в одной хромосоме. Как это можно объяснить? Морган сделал предположение о том, что перекомбинация признаков может быть вызвана кроссинговером (от англ. cross — скрещивать и over — над) — обменом участками гомологических хромосом (рис. 40). Далее он установил следующее. Гены, которые находятся в одной хромосоме, сцеплены не абсолютно.
Кроссинговер может произойти на любом участке хромосомы. Очевидно, что чем дальше друг от друга расположены локусы в одной хромосоме, тем чаще между ними может происходить обмен участками и наоборот — чем ближе находятся локусы, тем реже между ними происходит кроссинговер. Локусы, расположенные в хромосоме бок о бок, разделяются кроссинговером крайне редко. Поэтому говорят, что у признаков, которые кодируются этими структурными генами, полное сцепление.
Опыт, на основе которого Морган открыл кроссинговер, заключался в следующем. Учёный провёл очередное скрещивание дрозофил: муху дикого типа, гомозиготную по двум доминантным признакам (серое тело и нормальные крылья) скрестил с мухой, гомозиготной по двум рецессивным признакам (мутация «чёрное тело» и мутация «короткие крылья»). В полном соответствии с первым законом Менделя все гибриды первого поколения были гетерозиготами с фенотипическим проявлением доминантных признаков: серое тело и нормальные крылья. Дальше Морган провёл анализирующее скрещивание между гибридами первого поколения и рецессивными гомозиготными по двум признакам мухами.
В результате Морган ожидал получить один вариант из двух возможных.
I вариант. Если гены, которые определяют указанные признаки, локализованы в разных хромосомах и наследуются независимо друг от друга, то будут получены равные количества таких мух: 25 % серых с нормальными крыльями, 25 % чёрных с короткими крыльями, 25 % серых с короткими крыльями и 25 % чёрных с нормальными крыльями;
II вариант. Если гены находятся в одной хромосоме и наследуются сцепленно, то можно ожидать получение 50 % мух с серым телом и нормальными крыльями и 50 % мух с чёрным телом и короткими крыльями.
На самом деле появились потомки четырёх типов: 41,5 % серых с длинными крыльями; 41,5 % чёрных с короткими крыльями; 8,5 % серых с короткими крыльями; 8,5 % чёрных с длинными крыльями.
Результат приближался к соотношению 50:50, из чего можно было сделать вывод, что гены всё-таки локализованы в одной хромосоме. Однако вместе с тем появились особи с новыми фенотипами: 8,5 % с серым телом и короткими крыльями и 8,5 % с чёрным телом и длинными крыльями. Всего таких новых фенотипов оказалось 8,5 % + 8,5 % = 17 %, то есть 17 % особей, полученных при анализирующем скрещивании, имели перекомбинацию признаков, вызванную кроссинговером. Общий процент особей, чей фенотип явился результатом кроссинговера, называется частотой кроссинговера и характеризует расстояние между генами. Чем больше процент кроссинговера, тем дальше отстоят друг от друга гены в хромосоме и наоборот, чем меньше процент кроссинговера, тем ближе расположены гены.
Что такое генетическая карта. Морган со своими сотрудниками, используя гибридологический метод и подсчитывая частоту кроссинговера, предложил строить генетические карты, на которых указывать порядок генов в хромосоме и расстояние между ними. Таким образом, генетическая карта хромосомы — схема взаимного расположения и расстояния генов, локализованных в этой хромосоме. За единицу измерения на этой карте принят 1 % кроссинговера, или, как её со временем назвали, морганида (рис. 41).
Рис. 41. Генетическая карта хромосом дрозофилы. Слева по шкале расстояние между генами в морганидах.
При расстоянии в 50 и более морганид признаки наследуются независимо (подумайте почему), даже если отвечающие за них гены локализованы в одной хромосоме. В рассмотренном нами случае с дрозофилами вышло, что 17 % мух имели перекомбинацию признаков «цвет тела» и «форма крыльев». Это значит, что расстояние между геном, ответственным за цвет тела мухи, и геном, ответственным за форму крыльев, равно 17 морганидам.
Моргану так же улыбнулась удача, как и Менделю. Ведь сначала он собирался проводить свои опыты на кроликах; но спонсоры, финансировавшие его работу, решили, что кролики - слишком дорогой объект и решительно отказали учёному. Тогда Морган и обратился к плодовым мушкам. Можно сказать, что именно благодаря экономности спонсоров уже в начале XX столетия Томас Морган сделал все свои открытия. Начни он свои опыты на кроликах, у которых не 4, как у дрозофилы, а 22 пары хромосом, то ему понадобилось бы для этого несколько десятилетий.
Одним из самых важных открытий биологии XX столетия является формулирование хромосомного закона наследственности. Согласно этому закону все гены размещаются в хромосомах в линейном порядке. В соответствии с законами Менделя независимо наследуются, только гены, расположенные в разных хромосомах. Гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются вместе. Однако со временем выяснилось, что и здесь есть своё исключение — кроссинговер, который представляет собой обмен участками гомологических хромосом в процессе их конъюгации.
Проверьте себя
1. В чём суть хромосомной теории наследственности? 2. Назовите её основные положения. 3. Что такое группа сцепления? 4. Сколько групп сцепления у человека и дрозофилы? 5. Существует ли абсолютное сцепление между генами, находящимися в одной хромосоме? 6 Как строят генетические карты хромосом?
Как вы считаете?
1. Почему возник кроссинговер? 2. Может ли кроссинговер проходить непосредственно через ген? 3.* При анализирующем скрещивании самки дрозофилы, гетерозиготной по двум локусам (АаВв), было получено потомство: АаВв - 48 %, Аавв - 2 %, ааВв - 2 %, аавв - 48 %. Как располагаются эти гены в хромосоме? 4 В результате скрещиваний установили, что частота кроссинговера между генами равна: С - В = 8 %; D - F = 6 %; А - В = 9 %; А - F = 4 %; А - С = 1 %; С - D = 3 %; А - D = 2 %. Попробуйте определить порядок генов в хромосоме.
* Для углублённого изучения.