Хромосомна теорія спадковості генів хромосоми. Хромосомна теорія спадковості Т

§ 5. Т. Г. Морган та його хромосомна теорія

Томас Гент Морган народився 1866 р., у штаті Кентуккі (США). Закінчивши двадцять років університет, двадцять чотири роки Морган удостоюється звання доктора наук, а двадцять п'ять років стає професором.

З 1890 р. Морган займається експериментальною ембріологією. У першому десятилітті 20 століття захоплюється питаннями спадковості.

Звучить парадоксально, але Морган на початку своєї діяльності був затятим противником вчення Менделя і збирався спростовувати його закони на тваринних об'єктах - кроликах. Проте піклувальники Колумбійського університету вважали цей досвід дуже дорогим. Так Морган почав свої дослідження на більш дешевому об'єкті - плодовій мушці дрозофілі і потім не тільки не прийшов до заперечення законів Менделя, а й став гідним продовжувачем його вчення.

Дослідник у дослідах з дрозофілою створює хромосомну теорію спадковості- найбільше відкриття, що займає, за словами Н. К. Кольцова, "Те ж місце в біології, як молекулярна теорія в хімії та теорія атомних структур у фізиці".

У 1909-1911 pp. Морган та його не менш славетні учні А. Стертевант, Г. Меллер, К. Бріджеспоказали, що третій закон Менделя вимагає внесення суттєвих доповнень: спадкові задатки який завжди успадковуються незалежно; часом вони передаються цілими групами – зчеплено один з одним. Такі групи, розташовані у відповідній хромосомі, можуть переміщатися в іншу гомологічну кон'югації хромосом під час мейозу (профаза I).

Повністю хромосомна теоріябула сформульована Т. Г. Морганому період з 1911 по 1926 р. своєю появою та подальшим розвитком ця теорія зобов'язана не тільки Моргану та його школі, а й роботам значної кількості вчених, як зарубіжних, так і вітчизняних, серед яких насамперед слід назвати Н. К. Кольцоваі А. С. Серебровського (1872-1940).

Відповідно до хромосомної теорії, передача спадкової інформації пов'язана з хромосомами, в яких лінійно, у певному локусі (від лат. locus- місце), лежать гени. Оскільки хромосоми парні, кожному гену однієї хромосоми відповідає парний ген інший хромосоми (гомолога), що у тому ж локусі. Ці гени можуть бути однаковими (у гомозигот) або різними (у гетерозигот). Різні формигенів, що виникають шляхом мутації з вихідного, називаються алелями, або алеломорфами(Від грец. Алло - різний, морфа - форма). Алелі по-різному впливають прояв прояви. Якщо ген існує більш ніж у двох алельних станах, то такі алелі в популяції* Утворюють серію так званих множинних алелів. Кожна особина у популяції може містити у своєму генотипі будь-які два (але не більше) алелі, а кожна гамета - відповідно лише один алель. У той самий час у популяції можуть бути індивідууми з будь-якими алелями цієї серії. Прикладом множинних алелів можуть бути алелі гемоглобіну (див. розділ I, § 5).

* (Популяцією (від лат. popularus - населення) називається група особин одного виду, об'єднаних взаємним схрещуванням, тією чи іншою мірою ізольована з інших груп особин даного виду.)

Ступінь домінування у серіях алелей може зростати від крайнього рецесивного гена до крайнього домінантного. Можна навести велику кількість прикладів такого типу. Так, у кроликів рецесивним геном серії множинних алелівє ген с, що зумовлює розвиток альбінізму *. Домінантним по відношенню до цього гена буде ген c h гімалайського (гірськостаєвого) забарвлення (рожеві очі, біле тіло, темні кінчики носа, вух, хвоста та кінцівок); над цим геном, а також над геном з домінує ген світло-сірого забарвлення (шиншилової) c ch . Ще більш домінантним ступенем виявляється ген агуті - с а (домінує над генами с, c h і c ch). Найдомінантніший із усієї серії ген чорного забарвлення С домінує над усіма "нижніми сходами алелів" - генами c, c h , c ch , с а.

* (Відсутність пігменту (див. Розділ VII, § 5).)

Домінантність, як і рецесивність алелів, - не абсолютна, а відносна їхня властивість. Ступені домінантності та рецесивності можуть бути різні. Одна і та сама ознака може успадковуватися за домінантним або рецесивним типом.

Так, наприклад, складка над внутрішнім кутом ока (епікантус) у монголоїдів успадковується домінантно, а у негроїдів (бушмени, готтентоти) – рецесивно.

Як правило, алелі рецесивні, що знову виникають, навпаки, алелі старих сортів рослин або порід тварин (ще більшою мірою диких видів) - домінантні.

Кожна пара хромосом характеризується певним набором генів, що становлять групу зчеплення. Саме тому групи різних ознак іноді успадковуються разом.

Оскільки соматичні клітини дрозофіли містять чотири пари хромосом (2n = 8), а статеві - удвічі менше (1n = 4), то у плодової мушки налічується чотири групизчеплення; аналогічно цьому в людини число груп зчеплення дорівнює хромосом гаплоїдного набору (23).

Для ряду організмів (дрозофіла, кукурудза) і деяких хромосом людини складені хромосомні, або генетичні, карти, що являють собою схематичне розташування генів у хромосомах.

* (До теперішнього часу встановити точну локалізацію генів людини (якщо взяти до уваги загальну кількість генів) вдалося лише окремих і щодо рідкісних випадках, наприклад ознак, зчеплених зі статевими хромосомами.)

Як приклад наведемо хромосомну карту частини Х-хромосоми дрозофіли (рис. 24). З більшою чи меншою точністю у цій карті відбито послідовність генів і відстань між ними. Визначити відстань між генами вдалося за допомогою генетичних та цитологічних аналізів кросинговеру, який відбувається при кон'югації гомологічних хромосом під час зигонеми профази I мейозу (див. розділ II, § 7).

Переміщення генів з однієї хромосоми в іншу відбувається з певною частотою,яка обернено пропорційна відстані між генами:що менше відстань, то вище відсоток перехрестя(одиниця відстані між генами названа на честь Моргана морганідоюі дорівнює мінімальній відстані в хромосомі, яка може бути виміряна шляхом кросинговеру). Кросинговер зображений на рис. 25.

В даний час відомо тісне зчеплення деяких локусів генів і для них обчислено відсоток перехреста. Зчеплені гени визначають, наприклад, прояв резус-фактората генів MN-системи крові (про успадкування властивостей крові див. розділ VII, § 3). В окремих сім'ях вдалося простежити зчеплення резус-фактора з овалоцитозом(Наявність приблизно 80-90% еритроцитів овальної форми - аномалія протікає, як правило, без клінічних проявів), які дають близько 3% перехреста. До 9% кросинговера спостерігається між генами, що контролюють прояви груп АВО крові та фактором Lu. Відомо, що ген, що впливає на аномалію будови нігтів та коліна, також зчеплений з локусами АВО-системи; відсоток перехрестя між ними близько 10. Значно краще вивчено групи зчеплення (а отже, і хромосомні карти) Х- та Y-хромосом людини (див. розділ VII, § 6). Відомо, наприклад, що тісно пов'язані між собою гени, що визначають розвиток дальтонізму(колірної сліпоти) та гемофілії(кровоточивості); відсоток перехрестя з-поміж них дорівнює 10.

Правильність гіпотези Моргана була підтверджена на початку століття Куртом Штерном (цитологічні дослідження) та співробітниками Моргана Теофілусом Пайнтером (цитологом) та Кальвіном Бріджесом (генетиком) на гігантських хромосомах слинних залоз личинок дрозофіли (подібних до гігантських хром) На рис. 26 показана частина гігантської хромосоми слинної залози личинки хірономусу (мотиля).

При вивченні гігантських хромосом за допомогою звичайного світлового мікроскопа добре помітна поперечна смугастість, утворена чергуванням світлих і більш темних смуг дисків. хромомірів; вони утворені сильно спіралізованими ділянками, що щільно лежать поруч один з одним.

Формування таких гігантських хромосом називається політенією, Т. е. редуплікацією хромосом без збільшення їх числа. У цьому редуплицированные хроматиди залишаються поруч, щільно прилягаючи друг до друга.

Якщо хромосома, що складається з пари хроматид, буде дев'ять разів послідовно подвоюватися, число ниток (хромонем) у такій політенній хромосомі буде 1024. Завдяки частковій деспіралізації хромонем довжина такої хромосоми збільшується в порівнянні зі звичайною в 150-200 разів.

У 1925 р. Стертевант показав наявність нерівного кросинговера:в одній з гомологічних хромосом може виявитися два однакові локуси, в яких розташовуються, наприклад, гени, що впливають на форму ока дрозофіли - Ваr, а в іншій - жодного локусу. Так вийшли мухи з різко вираженою ознакою вузьких смугоподібних очей (ген Ultra Bar)(Див. рис. 31).

Крім цитологічних доказів правильності хромосомної теорії, були зроблені генетичні експерименти - схрещування різних рас дрозофіли. Так, серед безлічі зчеплених генів у плодовій мушці є два рецесивні гени: ген чорного забарвлення тіла ( bleack) та ген зародкових крил ( vestigial).

Назвемо їх умовно генами а і б. Їм відповідають два домінантні алелі: ген сірого тіла та нормально розвинених крил (А та Б). При схрещуванні чистолинійних мух аабб та ААББ все перше покоління гібридів матиме генотип АаБб. Розмірковуючи теоретично, у другому поколінні (F2) слід очікувати наступних результатів.

Однак у невеликому, але постійному відсотку випадків траплялися незвичайні нащадки з незвичайних гамет. Таких гамет у кожному схрещуванні спостерігалося близько 18% (9% Аб та 9% аБ).

Поява таких винятків добре пояснюється процесом кросинговеру. Таким чином, і генетичні дослідження дозволили встановити, що порушення зчеплення - кросинговер, що призводить до збільшення мінливості форм, статистично постійний.

На закінчення відзначимо, що ціла низка положень класичної генетики на сьогоднішній день зазнала низки змін.

Ми багаторазово вживали терміни "домінантні" та "рецесивні" гени (алелі) та ознаки. Проте дослідження останніх роківпоказали, що так звані рецесивні гени можуть практично повністю ними бути.Правильніше сказати, що рецесивні гени дають дуже слабкий видимий чи невидимий прояв у фенотипі. Але й у разі рецесивні алелі, зовні непомітні у фенотипі, може бути виявлено з допомогою спеціальних біохімічних методик. Крім цього, той самий ген за одних умов середовища може поводитися як домінантний, за інших - як рецесивний.

Так як розвиток всіх організмів відбувається в залежності і під впливом зовнішнього середовища, то і на прояв генотипу у певному фенотипі впливають фактори середовища (температура, їжа, вологість та газовий склад атмосфери, її тиск, наявність патогенних для даного організму форм, хімічний складводи, ґрунту та ін., а для людини та явища соціального порядку). У фенотипі ніколи не виявляються усі генотипічні можливості. Тому в різних умовах фенотипічні прояви близьких генотипів можуть відрізнятися один від одного. Таким чином, у прояві ознаки беруть участь (більшою чи меншою мірою) як генотип, і середовище.

У 1902 р., незабаром після вторинного відкриття законів Менделя, "два генетика - А. Сеттон і Т. Бовері незалежно один від одного виявили дивовижну подібність між поведінкою хромосом під час утворення статевих клітин і запліднення і наслідуванням ознак організму. Вони висловили ряд припущень, згідно з якими: 1) хромосоми є носіями спадкових факторів (термін «ген» був узвичаєний тільки в 1909 р. В. Йогансеном), 2) кожна пара факторів локалізована в парі гомологічних хромосом, 3) кожна хромосома не одному специфічному, унікальному фактору, 4) кожна хромосома містить безліч факторів, що відрізняються, оскільки число ознак у будь-якого організму набагато більше числа його хромосом.Ці ідеї заклали основу «хромосомної теорії спадковості».

Менделівський закон розщеплення можна пояснити особливостями поведінки хромосом під час мейозу. При утворенні гамет розподіл алелів однієї пари гомологічних хромосом відбувається незалежно від розподілу інших пар алелів. Оскільки гаплоїдна кількість хромосом у клітинах людини дорівнює 23, можливе число комбінацій у чоловічих або жіночих гаметах становить 223.

Зчеплення генів

У 1906 р. В. Бетсон і Р. Пеннет, схрещуючи дві раси запашного горошку, що відрізнялися за двома парами ознак, не виявили у F2 розщеплення щодо 9:3:3:1. Ознаки залишалися у вихідних батьківських комбінаціях. Вони назвали це явище тяжінням. Генетичний аналіз, проведений на плодовій мушці дрозофіле Т. Г. Морганом та його учнями, показав, що основою тяжіння генів є хромосоми. Всі гени, що знаходяться в одній хромосомі, пов'язані між собою матеріальним субстратом хромосоми і тому потрапляють в одну гамету. Гени, розташовані в одній хромосомі та успадковані цілою групою, отримали назву групи зчеплення. Явище спільного успадкування генів, що обмежує їхнє вільне комбінування в мейозі, назвали зчепленням генів.

В одному з експериментів Т. Г. Морган провів кілька серій зворотного схрещування між дрозофілою з сірим тілом і довгими крилами і дрозофілою, яка мала чорне тіло і короткі крила. Сіре тіло та довгі крила домінують. У всіх серіях Морган отримував одні й самі результати: 41,5% нащадків мали сіре тіло, довгі крила; 41,5% – чорне тіло, короткі крила; 8,5% - сіре тіло, короткі крила та 8,5% - чорне тіло, довгі крила. Якби алелі, що контролюють розвиток цих ознак, знаходилися в одній і тій же парі хромосом (тобто були повністю зчеплені), у потомстві було б 50% мух із сірим тілом, довгими крилами та 50% – з чорним тілом, короткими крилами . Якби гени, які контролюють ці ознаки, лежали в різних хромосомах (тобто не були зчеплені), вони мали б розподілятися незалежно і давати 25% нащадків із сірим тілом, довгими крилами; 25% - із сірим тілом, короткими крилами; 25% - з чорним тілом, довгими крилами та 25% - з чорним тілом, короткими крилами. Більшість нащадків (83%) повторили вихідні батьківські фенотипи, що говорило про зчеплення вивчених генів. Однак, крім мух з батьківськими фенотипами, з'явилися 17% особин із новими поєднаннями ознак, що свідчили про неповне зчеплення. Ці нові фенотипи було названо рекомбінантними, а нащадки – рекомбінантами. Поява рекомбінантних поєднань алелів у 17% нащадків пояснюється обміном між гомологічними хромосомами під час мейозу. Це явище отримало назву кросинговера. Морган припустив, що кросинговер (обмін алелями) відбувається в результаті розриву та обміну ділянками гомологічних хромосом під час утворення хіазм. Освіта хіазм, які можна безпосередньо спостерігати під мікроскопом, є цитологічним підтвердженням кросинговеру (як генетичного явища).

Відсоток рекомбінантних нащадків від досвіду до досвіду для досліджених ознак залишався постійною величиною. На цій підставі А. Стертевант (учень і співробітник Моргана) висловив припущення про лінійне розташування генів за хромосомою і показав, що величина кросинговера (виражається у відсотках) є функцією відстані між генами. Чим більша відстань, тим частіше утворюються хіазми, а отже, вищий відсоток рекомбінантів, і, навпаки, що менше відстань між генами, то менше відсоток рекомбінантних нащадків.

Таким чином, відносні відстані між генами можна вимірювати у відсотках кросинговеру між ними. Вважають, що 1% кросинговера дорівнює 1 сантиморганіді (на честь Т.Г.Моргана).

Хромосомні карти

Т.Г.Морган та його співробітники були першими, хто використовував явище кросинговера для складання генетичних карт хромосом. Генетична карта - це схема лінійного розташування генів, локалізованих однієї групи зчеплення. Карта хромосоми будується шляхом переведення частоти рекомбінацій між генами у відносні відстані на хромосомі, виражені у морганідах. Наприклад, якщо частота рекомбінацій між генами А і Б дорівнює2,4%, це свідчить, що вони розташовані на одній і тій же хромосомі на відстані 2,4 сантиморганіди один від одного. Якщо частота рекомбінацій між генами Б і В становить 6,6%, вони розділені відстанню 6,6 сантиморганид. Однак наведені дані не дозволяють визначити точну послідовність розташування генів на хромосомі (рис. III.10), і лише оцінивши відстань між генами А та В (у даному випадку 9%), можна впевнено сказати, що ген Б повинен перебувати між генами А та Ст.

Рис. ІІІ. 10.

Таким чином, за допомогою кросинговера можна визначити групу зчеплення та розташування генів відносно один одного. Факт зчеплення свідчить, що гени перебувають у одній хромосомі. Однак вільне їхнє поєднання ще не доводить, що вони розташовані в різних хромосомах. Якщо частота рекомбінацій становить 50%, то результати аналізу фенотипу нащадків не відрізнятимуться від результатів аналізу розщеплення за незалежного спадкування генів (див. гл. V). Це може відбуватися, якщо досліджені гени розташовані на значній відстані один від одного. Для позначення генів, що знаходяться в одній і тій же хромосомі, але, можливо, і не зчеплених між собою, використовується поняття синтеї (від грец. syn - разом + tainia - стрічка). Поняття синтенії відбиває, в такий спосіб, матеріальну безперервність хромосоми як реального матеріального об'єкта і несе сегрегаційного сенсу.

Довгий час вважали, що кількість груп зчеплень у людини дорівнює гаплоїдного набору хромосом і становить 23 групи. В даний час доведено, що людина має 25 груп зчеплення. 22 групи ототожнюють з числом пар аутосомних хромосом (22 пари), Х-хромосома та Y-хромосома розглядаються як дві незалежні групи зчеплення, і гени, локалізовані в ДНК мітохондрій, формують 25 групу зчеплення.

На цей час для людини отримані докладні цитологічні карти всіх хромосом, включаючи хромосому мітохондрій. Як приклад наведено карту 1-ї (рис. III.11) та X-хромосоми (рис. III.12) людини. Встановлена ​​(картована) точна хромосомна локалізація більш ніж 6 тисяч генів, що становить лише близько 15 % від загальної кількості генів у геномі. В даний час хромосомна теорія спадковості, зберігаючи і доповнюючи основні класичні уявлення, відображає сучасні знання про молекулярну організацію хромосом, їхнє функціонування як єдиної матеріальної структури в системі цілісного генотипу.

Хромосомна теорія спадковості - теорія, згідно з якою передача спадкової інформації у ряді поколінь пов'язана з передачею хромосом, в яких у певній та лінійній послідовності розташовані гени. Ця теорія сформульована на початку XX століття, основний внесок у її створення зробили американський цитолог У. Сеттон, німецький ембріолог Т. Бовері та американський генетик Т. Морган.

У 1902-1903 роках У. Сеттон та Т. Бовері незалежно один від одного виявили паралелізм у поведінці менделівських факторів спадковості (генів) та хромосом. Ці спостереження стали основою припущення, що гени розташовані в хромосомах. Експериментальний доказ локалізації генів у хромосомах було отримано пізніше Т. Морганом та його співробітниками, які працювали з плодовою мушкою Drosophila melanogaster. Починаючи з 1911 року, ця група досвідченим шляхом довела:

• що гени розташовуються в хромосомах лінійно;
• що гени, що знаходяться на одній хромосомі, успадковуються зчеплено;
• що зчеплене успадкування може порушуватися рахунок кросинговера.

Початковим етапом створення хромосомної теоріїспадковості вважатимуться перші описи хромосом під час поділу соматичних клітин, зроблених у другій половині ХІХ століття роботах І.Д. Чистякова (1873), Е. Страсбургера (1875) та О. Бючлі (1876). Терміну «хромосома» тоді ще не існувало, і замість нього говорили про «сегменти», на які розпадається хроматиновий клубок, або про «хроматинові елементи». Термін «хромосома» було запропоновано пізніше Г. Вальдейєром.

Паралельно з вивченням соматичних мітозів йшло й вивчення процесу запліднення як у тваринному, так і в рослинному царстві. Злиття насіннєвого ядра з яйцевим вперше спостерігав у голкошкірих О. Хертвіг (1876), а серед рослин у лілейних Страсбургер (1884). Саме на підставі цих спостережень у 1884 році обидва вони дійшли висновку, що клітинне ядро ​​є носієм спадкових властивостей організму.

Центр уваги з ядра як цілого на його окремі хромосоми був перенесений лише після того, як з'явилася надзвичайно важлива для того часу робота Е. ван Бенедена (1883). Йому щодо процесу запліднення в аскариди, має дуже мало хромосом - всього 4 в соматичних клітинах, вдалося відзначити, що хромосоми у першому розподілі заплідненого яйця походять наполовину з ядра сперматозоїда і наполовину - з ядра яйцеклітини. Таким чином:

• по-перше, був відкритий факт, що статеві клітини мають удвічі меншу кількість хромосом порівняно з соматичними клітинами,
• а по-друге, було вперше поставлене питання про хромосоми, як особливі постійні сутності в клітині.

Наступний етап пов'язані з розвитком концепції особливості хромосом. Одним з перших кроків було встановлення того, що соматичні клітини різних тканин одного і того ж організму мають однакову кількість хромосом. Основоположник теорії Томас Гент Морган, американський генетик, Нобелівський лауреат, висунув гіпотезу про обмеження законів Менделя

В експериментах він використовував плодову мушку-дрозофілу, що має важливі для генетичних експериментів якості: невибагливість, плодючість, невелику кількість хромосом (чотири пари), безліч чітко виражених альтернативних ознак.

Морган та його учні встановили таке:

• Гени, які у одній хромосомі, успадковуються разом чи зчеплено.
• Групи генів, що розташовані в одній хромосомі, утворюють групи зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному набору хромосом у гомогаметних особин і п+1 у гетерогаметних особин.
• Між гомологічними хромосомами може відбуватися обмін ділянками (кросинговер); в результаті кросинговера виникають гамети, хромосоми яких містять нові комбінації генів.
• Частота кросинговеру між гомологічними хромосомами залежить від відстані між генами, локалізованими в одній хромосомі. Чим ця відстань більша, тим вища частота кросинговера. За одиницю відстані між генами приймають 1 морганіду (1% кросинговеру) або відсоток появи кросоверних особин. При значенні цієї величини 10 морганід можна стверджувати, що частота перехрестя хромосом у точках розташування даних генів дорівнює 10% і що в 10% потомства будуть виявлені нові генетичні комбінації.

Для з'ясування характеру розташування генів у хромосомах та визначення частоти кросинговеру між ними будують генетичні карти. Карта відображає порядок розташування генів у хромосомі та відстань між генами однієї хромосоми. Ці висновки Моргана та його співробітників отримали назву хромосомної теорії спадковості. Найважливішими наслідками цієї теорії є сучасні уявлення про ген як про функціональну одиницю спадковості, його подільність та здатність до взаємодії з іншими генами.

Аналіз явищ зчепленого наслідування, кросинговера, порівняння генетичної та цитологічної карт дозволяють сформулювати основні положення хромосомної теорії спадковості:

• Гени перебувають у хромосомах.
• Гени розташовані в хромосомі у лінійній послідовності.
• Різні хромосоми містять неоднакове число генів. Крім того, набір генів кожної з негомологічних хромосом унікальний.
• Алельні гени займають однакові локуси в гомологічних хромосомах.
• Гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення, тобто успадковуються переважно зчеплено (спільно), завдяки чому відбувається зчеплене успадкування деяких ознак. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному числу хромосом даного виду (у гомогаметної статі) або більше на 1 (у гетерогаметної статі).
• Зчеплення порушується в результаті кросинговера, частота якого прямо пропорційна відстані між генами в хромосомі (тому сила зчеплення знаходиться в зворотної залежностівід відстані між генами).
• Кожен біологічний вид характеризується певним набором хромосом – каріотипом.

У клітинах кожного організму знаходиться певна кількістьхромосом. Генів у них дуже багато. Людина має 23 пари (46) хромосом, генів близько 100 000. Гени перебувають у хромосомах. В одній хромосомі локалізовано багато генів. Хромосома з усіма генами, що знаходяться в ній, утворює групу зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдного набору хромосом. Людина має 23 групи зчеплення. Гени, що знаходяться в одній хромосомі, зчеплені не зовсім. Під час мейозу під час кон'югації хромосом гомологічні хромосоми обмінюються частинами. Це явище називають кросинговером, який може статися у будь-якій ділянці хромосоми. Чим далі розташовані один від одного локуси в одній хромосомі, тим частіше між ними може відбуватися обмін ділянками (рис. 76).

У мухи дрозофіли гени довжини крил (V – довгі та v – короткі) та забарвлення тіла (В – сіра та b – чорна) знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, тобто. відносяться до однієї групи зчеплення. Якщо схрестити муху, що має сірий колір тіла та довгі крила, з мухою чорного кольору з короткими крилами, то в першому поколінні всі мухи матимуть сірий колір тіла та довгі крила (рис. 77).

Внаслідок схрещування дигетерозиготного самця з гомозиготною рецесивною самкою мухи будуть схожі на батьків. Це тому, що гени, що у однієї хромосомі, успадковуються зчеплено. У самця мухи дрозофіли повне зчеплення. Якщо схрестити дигетерозиготну самку з гомозиготним рецесивним самцем, то частина мух буде схожа на батьків, а у

Рис. 76.Кросинговер.

1 - Дві гомологічні хромосоми; 2 - їхперехрест під час кон'югації; 3 - Дві нові комбінації хромосом.

Інша частина відбудеться перекомбінація ознак. Таке успадкування має місце для генів однієї групи зчеплення, між якими може статися кросинговер. Це приклад неповного зчеплення генів.

Основні положення хромосомної теорії спадковості

. Гени перебувають у хромосомах.

. Гени у хромосомі розташовані лінійно.

Рис. 77.Зчеплене успадкування генів забарвлення тіла та стану крил у плодової мухи.

Ген сірого кольору (В) домінує над геном чорного кольору тіла (b), ген довгих крил (V) – над геном коротких крил (v). В і V знаходяться в одній хромосомі.

а - повне зчеплення генів внаслідок відсутності перехреста хромосом у самців дрозофіли: РР - самка сіра з довгими крилами (BBVV) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv); F 1 - сірий самець з довгими крилами (BbVv) схрещений із чорною короткокрилою самкою (bbvv); F 2 - оскільки у самця не відбувається кросинговера, з'являться два види нащадків: 50% - чорних короткокрилих та 50% - сірих з нормальними крилами; б - неповне (часткове) зчеплення ознак унаслідок перехреста хромосом у самок дрозофіли: РР - самка з довгими крилами (BBVV) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv); F 1 - сіра самка з довгими крилами (BbVv) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv). F 2 - оскільки у самки відбувається кросинговер гомологічних хромосом, утворюються чотири типи гамет і з'являться чотири види нащадків: некросовери - сірі з довгими крилами (BbVv) і чорні короткокрилі (bbvv), кросовери - чорні з довгими крилами (bbVv), сірі короткокрилі Bbvv).

. Кожен ген займає певне місце – локус.

. Кожна хромосома є групою зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному числу хромосом.

Між гомологічними хромосомами відбувається обмін алельними генами. Відстань між генами пропорційна відсотку кросинговеру між ними.

Запитання для самоконтролю

1. Де є гени?

2. Що таке група зчеплення?

3. Чому дорівнює кількість груп зчеплення?

4. Як зчеплені гени у хромосомах?

5. Як успадковується ознака довжини крил та кольору тіла у мухи дрозофіли?

6. Нащадки з якими ознаками проявиться при схрещуванні гомозиготної самки з довгими крилами та сірим кольоромтіла з гомозиготним чорним самцем із короткими крилами?

7. Нащадок із якими ознаками з'явиться при схрещуванні дигетерозиготного самця з гомозиготною рецесивною самкою?

8. Яке зчеплення генів має місце у самця дрозофіли?

9. Яке потомство буде при схрещуванні дигетерозиготної самки з гомозиготним рецесивним самцем?

10. Яке зчеплення генів має місце у самки дрозофіли?

11. Якими є основні положення хромосомної теорії спадковості?

Ключові слова теми «Хромосомна теорія спадковості»

гени

група зчеплення

довжина

клітини

кон'югація

кросинговер

крила

лінійно локус місце муха

спадковість

обмін

забарвлення

організм пари

перекомбінація

покоління

становище

нащадки

відстань

результат

батьки

самець

самка

схрещування

тіло

теорія

ділянка

хромосоми

колір

частина

людина

число

Хромосомний механізм визначення статі

Фенотипові відмінності між особами різної статі обумовлені генотипом. Гени перебувають у хромосомах. Є правила індивідуальності, сталості, парності хромосом. Диплоїдний набір хромосом називають каріотипом.У жіночому та чоловічому каріотипі 23 пари (46) хромосом (рис. 78).

22 пари хромосом однакові. Їх називають аутосомами. 23 пара хромосом - статеві хромосоми.У жіночому каріотипі одина-

Рис. 78.Каріотипи різних організмів.1 - Людину; 2 - Комара; 3 рослини скерди.

кові статеві хромосоми ХХ. У чоловічому каріотипі статеві хромосоми XY. Y-хромосома дуже мала і містить мало генів. Поєднання статевих хромосом у зиготі визначає стать майбутнього організму.

При дозріванні статевих клітин у результаті мейозу гамети одержують гаплоїдний набір хромосом. У кожній яйцеклітині є 22 аутосоми + Х-хромосоми. Підлога, що утворює гамети, однакові за статевою хромосомою, називають гомогаметною статтю. Половина сперматозоїдів містить - 22 аутосоми + Х-хромосоми, а половина 22 аутосоми + Y. Підлога, що утворює гамети, різні за статевою хромосомою, називають гетерогаметною. Стать майбутньої дитини визначається на момент запліднення. Якщо яйцеклітина запліднена сперматозоїдом, що має Х-хромосому, розвивається жіночий організм, якщо Y-хромосому – чоловічий (рис. 79).

Рис. 79.Хромосомний механізм утворення статі.

Імовірність народження хлопчика чи дівчинки дорівнює 1:1 чи 50%:50%. Таке визначення статі характерне для людини та ссавців. У деяких комах (коники та таргани) немає Y-хромосоми. Самці мають одну Х – хромосому (Х0), а самки – дві (ХХ). У бджіл самки мають 2n набір хромосом (32 хромосоми), а самці - n (16 хромосом). У жінок у соматичних клітинах дві статеві Х-хромосоми. Одна з них утворює глибину хроматину, яка помітна в інтерфазних ядрах при обробці реактивом. Ця глибка – тільце Барра. У чоловіків тільце Барра відсутнє, тому що у них лише одна Х-хромосома. Якщо при мейозі в яйцеклітину потрапляє одразу дві ХХхромосоми і така яйцеклітина буде запліднена сперматозоїдом, то зигота матиме більша кількістьхромосом.

Наприклад, організм із набором хромосом ХХХ (трисомія по Х-хромосомі)за фенотипом - дівчинка. У неї недорозвинені статеві залози. У ядрах соматичних клітин виділяються два тільця Барра.

Організм із набором хромосом ХХY (синдром Клайнфельтера)за фенотипом - хлопчик. У нього недорозвинені сім'яники, відзначається фізична та розумова відсталість. Є тільце Барра.

Хромосоми ХО (моносомія за Х-хромосомою)- Визначають синдром Шерешевського-ТернераОрганізм із таким набором – дівчинка. У неї недорозвинені статеві залози, малий ріст. Нема тільця Барра. Організм, що не має Х-хромосоми, а містить тільки Y-хромосому - нежиттєздатний.

Спадкування ознак, гени яких перебувають у Х- або Y-хромосомах, називають успадкуванням, зчепленим зі статтю. Якщо гени перебувають у статевих хромосомах, вони успадковуються зчеплено зі статтю.

Людина в Х-хромосомах має ген, що визначає ознаку згортання крові. Рецесивний ген спричинює розвиток гемофілії. У Х-хромосомі є ген (рецесивний), який відповідає за вияв дальтонізму. У жінок дві Х-хромосоми. Рецесивна ознака (гемофілія, дальтонізм) проявляється тільки в тому випадку, якщо гени, що відповідають за нього, будуть перебувати у двох Х-хромосомах: X h X h; X d X d. Якщо в одній Х-хромосомі буде домінантний ген Н або D, а в іншій – рецесивний h або d, то гемофілії чи дальтонізму не буде. У чоловіків одна Х-хромосома. Якщо в ній є ген H або h, ці гени обов'язково виявлять свою дію, тому що Y-хромосома не несе цих генів.

Жінка може бути гомозиготною або гетерозиготною за генами, локалізованими в Х-хромосомі, але рецесивні гени проявляються тільки в гомозиготному стані.

Якщо гени знаходяться в Y-хромосомі (голандричне успадкування),то ознаки, ними обумовлені, передаються від батька синові. Наприклад, через Y-хромосому успадковується волохатість вух. У чоловіків одна Х-хромосома. Усі гени, що у ній, зокрема і рецесивні, виявляються у фенотипі. У гетерогаметної статі (чоловічої) більшість генів, локалізованих у Х-хромосомі, знаходяться в гемізиготномустані, тобто не мають алельної пари.

Y-хромосома містить деякі гени, гомологічні генам Х-хромосоми, наприклад гени геморагічного діатезу, загальної кольорової сліпоти та ін. Ці гени успадковуються як через Х-, так і через Y-хромосому.

Запитання для самоконтролю

1. Які правила хромосом є?

2. Що таке каріотип?

3. Скільки аутосом у людини?

4. Які хромосоми у людини відповідають за розвиток статі?

5. Яка ймовірність народження хлопчика чи дівчинки?

6. Як визначають підлогу у коників і тарганів?

7. Як визначають підлогу у бджіл?

8. Як визначають підлогу у метеликів та птахів?

9. Що таке тільце Барра?

10. Як можна визначити наявність тільця Барра?

11.Чим можна пояснити появу більшого чи меншого числа хромосом у каріотипі?

12.Що таке зчеплене зі статтю спадкування?

13. Які гени у людини успадковуються зчеплено зі статтю?

14. Як і чому виявляють свою дію рецесивні гени, зчеплені зі статтю у жінок?

15. Як і чому виявляють свою дію рецесивні гени, зчеплені з Х-хромосомою у чоловіків?

Ключові слова теми "Хромосомне визначення статі"

автосоми

метелики

ймовірність

волохатість вух

гамети

генотип

гени

гетерогаметна підлога

глибка хроматину

гомогаметна підлога

дальтонізм

дівчинка

дія

жінка

зигота

індивідуальність

каріотип

коники

хлопчик

мейоз

ссавець

момент

моносомія

чоловік

набір

комахи

успадкування

носій

обробка реактивом запліднення

організм

особина

парність

пари

стать

статеві клітини

потомство

правила

ознака

птахи

бджоли

розвиток

відмінності

народження

зріст

згортання крові сім'яники синдром Дауна

синдром Клайнфельтера

синдром Шершевського-Тернера

сліпота

дозрівання

стан

поєднання

сперматозоїди

син

таргани

тільце Барра

трисомія

Y-хромосома

фенотип

хромосома

Х-хромосома

людина

ядро

яйцеклітина

Лекція №3

Хромосомна теорія спадковості.

Основні положення хромосомної теорії спадковості. Хромосомний аналіз.

Формування хромосомної теорії У 1902-1903 pp. американський цитолог У. Сеттон та німецький цитолог та ембріолог Т. Бовері незалежно один від одного виявили паралелізм у поведінці генів та хромосом у ході формування гамет та запліднення. Ці спостереження стали основою припущення, що гени розташовані в хромосомах. Проте експериментальний доказ локалізації конкретних генів у конкретних хромосомах було отримано лише 1910 р. американським генетиком Т. Морганом, який у роки (1911-1926) обгрунтував хромосомну теорію спадковості. Згідно з цією теорією, передача спадкової інформації пов'язана з хромосомами, в яких лінійно, у певній послідовності, локалізовані гени.Таким чином, саме хромосоми є матеріальною основою спадковості.

Хромосомна теорія спадковості- теорія, згідно з якою хромосоми, укладені в ядрі клітини, є носіями генів і є матеріальною основою спадковості, тобто спадкоємність властивостей організмів у ряді поколінь визначається наступністю їх хромосом. Хромосомна теорія спадковості виникла на початку ХХ ст. на основі клітинної теорії та використовувалася для вивчення спадкових властивостей організмів гібридологічного аналізу.

Основні положення хромосомної теорії спадковості.

1. Гени локалізовані у хромосомах. При цьому різні хромосоми містять неоднакове число генів. Крім того, набір генів кожної з негомологічних хромосом унікальний.

2. Алельні гени займають однакові локуси в гомологічних хромосомах.

3. Гени розташовані в хромосомі у лінійній послідовності.

4. Гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення, тобто успадковуються переважно зчеплено (спільно), завдяки чому відбувається зчеплене успадкування деяких ознак. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному числу хромосом даного виду (у гомогаметної статі) або більше на 1 (у гетерогаметної статі).

5. Зчеплення порушується в результаті кросинговера, частота якого прямо пропорційна відстані між генами в хромосомі (тому сила зчеплення знаходиться у зворотній залежності від відстані між генами).

6. Кожен біологічний вид характеризується певним набором хромосом-каріотипом.

Зчеплене успадкування

Незалежне комбінування ознак (третій закон Менделя) здійснюється за умови, що гени, що визначають ці ознаки, знаходяться в різних парахгомологічних хромосом. Отже, у кожного організму кількість генів, здатних незалежно комбінуватися в мейозі, обмежена кількістю хромосом. Однак у організмі кількість генів значно перевищує кількість хромосом. Наприклад, у кукурудзи до ери молекулярної біології було вивчено понад 500 генів, у мухи дрозофіли – понад 1 тис., а у людини – близько 2 тис. генів, тоді як хромосом у них 10, 4 та 23 пари відповідно. Те, що кількість генів у вищих організмів становить кілька тисяч, було зрозуміло вже У. Сеттон на початку XX століття. Це дало підставу припустити, що у кожній хромосомі локалізовано безліч генів. Гени, локалізовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення та успадковуються разом.

Спільне успадкування генів Т. Морган запропонував назвати зчепленим успадкуванням. Число груп зчеплення відповідає гаплоїдному числу хромосом, оскільки групу зчеплення становлять дві гомологічні хромосоми, в яких локалізовані однакові гени. (У особин гетерогаметної статі, наприклад, у самців ссавців, груп зчеплення насправді на одну більше, так як X-і У-хромосоми містять різні гениі є дві різні групи зчеплення. Таким чином, у жінок 23 групи зчеплення, а у чоловіків – 24).

Спосіб успадкування зчеплених генів відрізняється від успадкування генів, локалізованих у різних парах гомологічних хромосом. Так, якщо при незалежному комбінуванні дигетерозиготна особина утворює чотири типи гамет (АВ, Ab, аВ і ab) в рівних кількостях, то при зчепленому успадкування (без кросинговера) така ж дигетерозигота утворює тільки два типи гамет: (АВ і ab) теж в рівних кількостях. Останні повторюють комбінацію генів у хромосомі батька.

Було встановлено, однак, що крім звичайних (некросоверних) гамет виникають і інші (кросоверні) гамети з новими комбінаціями генів-Ab і аВ, що відрізняються від комбінацій генів у хромосомах батька. Причиною виникнення таких гамет є обмін ділянками гомологічних хромосом, або кросинговер.

Кросинговер відбувається у профазі I мейозу під час кон'югації гомологічних хромосом. У цей час частини двох хромосом можуть перехрещуватися та обмінюватися своїми ділянками. В результаті виникають якісно нові хромосоми, що містять ділянки (гени) як материнських, так і батьківських хромосом. Особи, які виходять з таких гамет з новим поєднанням алелів, отримали назву кросинговірних або рекомбінантних.

Частота (відсоток) перехреста між двома генами, які розташовані в одній хромосомі, пропорційна відстані між ними. Кросинговер між двома генами відбувається тим рідше, чим ближче один до одного вони розташовані. У міру збільшення відстані між генами дедалі більше зростає ймовірність того, що кросинговер розведе їх за двома різними гомологічними хромосомами.

Відстань між генами характеризує силу їхнього зчеплення. Є гени з високим відсотком зчеплення і такі, де зчеплення майже виявляється. Однак при зчепленому наслідуванні максимальна частота кросинговеру не перевищує 50%. Якщо ж вона вища, то спостерігається вільне комбінування між парами алелів, що не відрізняється від незалежного спадкування.

Біологічне значення кросинговера надзвичайно велике, оскільки генетична рекомбінація дозволяє створювати нові, що раніше не існували комбінації генів і тим самим підвищувати спадкову мінливість, яка дає широкі можливості адаптації організму в різних умовах середовища. Людина спеціально проводить гібридизацію з метою отримання необхідних варіантів комбінацій для використання у селекційній роботі.

Зчеплення та кросинговер.З принципів генетичного аналізу, викладених у попередніх розділах, очевидно випливає, що незалежне комбінування ознак може здійснюватися лише за умови, що гени, що визначають ці ознаки, перебувають у негомологічних хромосомах. Отже, у кожного організму кількість пар ознак, якими спостерігається незалежне спадкування, обмежена кількістю пар хромосом. З іншого боку, очевидно, що ознак і властивостей організму, контрольованих генами, надзвичайно велике, а кількість пар хромосом у кожного виду відносно мало і постійно.

Залишається припустити, що в кожній хромосомі є не один ген, а багато. Якщо це, то третій закон Менделя стосується розподілу хромосом, а чи не генів, т. е. його дія обмежена.

Явище зчепленого наслідування. З третього закону Менделя випливає, що при схрещуванні форм, що відрізняються двома парами генів (АВі аb), виходить гібрид АaУb, утворює чотири сорти гамет АВ, Аb, аВі аb у рівних кількостях.

Відповідно до цього в аналізуючому схрещуванні здійснюється розщеплення 1: 1: 1: 1, тобто. поєднання ознак, властиві батьківським формам (АВі аb), зустрічаються з такою самою частотою, як і нові комбінації (Аb і аВ),-за 25%. Однак у міру накопичення фактів генетики дедалі частіше стикалися з відхиленнями від незалежного наслідування. В окремих випадках нові комбінації ознак (Аb і аВ)в F b зовсім були відсутні - спостерігалося повне зчеплення між генами вихідних форм. Але найчастіше у потомстві тією чи іншою мірою переважали батьківські поєднання ознак, а нові комбінації зустрічалися з меншою частотою, ніж очікується за незалежного спадкування, тобто. менше 50%. Таким чином, у даному випадку гени частіше успадковувалися у вихідному поєднанні (були зчеплені), але іноді це зчеплення порушувалося, даючи нові комбінації.

Спільне успадкування генів, що обмежує їхнє вільне комбінування, Морган запропонував називати зчепленням генів або зчепленим успадкуванням.

Кросинговер та його генетичний доказ.При допущенні розміщення в одній хромосомі більше одного гена постає питання, чи алелі одного гена в гомологічній парі хромосом змінюватися місцями, переміщаючись з однієї гомологічної хромосоми в іншу. Якби такий процес не відбувався, то гени комбінувалися б тільки шляхом випадкового розходження негомологічних хромосом у мейозі, а гени, що знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, успадковувалися завжди зчеплено - групою.

Дослідження Т.Моргана та його школи показали, що у гомологічній парі хромосом регулярно відбувається обмін генами. Процес обміну ідентичними ділянками гомологічних хромосом з генами, що містяться в них, називають перехрестом хромосом або кросинговером. Кросинговер забезпечує нові поєднання генів, що знаходяться в гомологічних хромосомах. Явище кросинговера, як і і зчеплення, виявилося загальним всім тварин, рослин та мікроорганізмів. Наявність обміну ідентичними ділянками між гомологічними хромосомами забезпечує обмін чи рекомбінацію генів і цим значно збільшує роль комбінативної мінливості в еволюції. Про перехресті хромосом можна судити за частотою виникнення організмів із новим поєднанням ознак. Такі організми називають рекомбінантами.

Гамети з хромосомами, що зазнали кросинговер, називають кросоверними, а з нетерпеливими – некросоверними. Відповідно організми, що виникли від поєднання кросоверних гамет гібриду з гаметами аналізатора, називають кросоверами або рекомбінантами, а гібрида, що виникли за рахунок некросоворних гамет - некросоверними або нерекомбінантними.

Закон зчеплення Морган.При аналізі розщеплення у разі кросинговеру звертає на себе увагу певне кількісне відношення кросоверних та некросоверних класів. Обидві вихідні батьківські комбінації ознак, що утворилися з некросоверних гамет, виявляються в потомстві схрещування, що аналізує, в рівному кількісному відношенні. У зазначеному досвіді з дрозофілою тих та інших особин було приблизно 41,5%. У сумі некросоверні мухи становили 83% від загальної кількості нащадків. Два кросоверні класи за кількістю особин також однакові, і сума їх дорівнює 17%.

Частота кросинговера залежить від алельного стану генів, що у схрещуванні. Якщо в якості батька використовувати мух і , то в схрещуванні кросоверні ( b + vgі bvg +) та некросоверні ( bvgі b + vg +) Особи з'являться з тією ж частотою (відповідно 17 і 83%), що і в першому випадку.

Результати цих дослідів показують, що зчеплення генів реально існує, і лише у відомому відсотку випадків воно порушується внаслідок кросинговеру. Звідси і було зроблено висновок, що між гомологічними хромосомами може здійснюватися взаємний обмін ідентичними ділянками, у результаті гени, що у цих ділянках парних хромосом, переміщаються з однієї гомологічної хромосоми до іншої. Відсутність перехреста (повне зчеплення) між генами представляє виняток і відома лише у гетерогаметної статі небагатьох видів, наприклад, у дрозофіли і шовкопряда.

Вивчене Морганом зчеплене успадкування ознак отримало назву закону зчеплення Моргана. Оскільки рекомбінація здійснюється між генами, а сам ген кросинговером не поділяється, його стали вважати одиницею кросинговеру.

Величина кросинговера. Величина кросинговера вимірюється ставленням числа кросоверних особин до загальному числуособин у потомстві від аналізуючого схрещування. Рекомбінація відбувається реципрокно, тобто. між батьківськими хромосомами здійснюється взаємний обмін; це зобов'язує підраховувати кросоверні класи разом як результат однієї події. Величина кросинговера виражається у відсотках. Один відсоток кросинговера становить одиницю відстані між генами.

Лінійне розташування генів у хромосомі.Т. Морган припустив, що гени розташовані в хромосомах лінійно, а частота кросинговера відображає відносну відстань між ними: чим частіше здійснюється кросинговер, тим далі відстоять гени один від одного в хромосомі; чим рідше кросинговер, тим вони ближчі один до одного.

Одним із класичних дослідів Моргана на дрозофілі, що доводить лінійне розташування генів, був наступний. Самки, гетерозиготні за трьома зчепленими рецесивними генами, що визначають жовте забарвлення тіла. y, білий колір очей wта вильчасті крила bi, були схрещені з самцями, гомозиготними за цими трьома генами. У потомстві було отримано 1,2% крохівних мух, що виникли від перехреста між генами уі w; 3,5% - від кросинговеру між генами wі bi та 4,7% - між уі bi.

З цих даних очевидно випливає, що відсоток перехреста є функцією відстані між генами. Оскільки відстань між крайніми генами уі bi дорівнює сумі двох відстаней між уі w, wі bi, слід припустити, що гени перебувають у хромосомі послідовно, тобто. лінійно.

Відтворюваність цих результатів у повторних дослідах свідчить про те, що місце розташування генів у хромосомі суворо фіксовано, т. е. кожен ген займає у хромосомі своє визначене місце - локус.

Основним положенням хромосомної теорії спадковості - парності алелів, їх редукції в мейозі та лінійному розташуванню генів у хромосомі - відповідає однониткова модель хромосоми.

Одинарний та множинний перехрести. Прийнявши положення, що генів у хромосомі може бути багато і розташовані вони в хромосомі лінійному порядку, а кожен ген займає певний локус у хромосомі, Морган припустив, що перехрест між гомологічними хромосомами може відбуватися одночасно у кількох точках. Це було їм доведено також на дрозофілі, а потім повністю підтвердилося на ряді інших тварин, а також на рослинах і мікроорганізмах.

Кросинговер, що відбувається лише одному місці, називають одинарним, у двох точках одночасно – подвійним, у трьох – потрійним тощо., тобто. він може бути множинним.

Чим далі відстоять один від одного в хромосомі гени, тим більша ймовірність подвійних перехрестів між ними. Відсоток рекомбінацій між двома генами тим точніше відбиває відстань з-поміж них, що вона менше, оскільки у разі мінімальної відстані зменшується можливість подвійних обмінів.

Для обліку подвійного кросинговера необхідно мати додатковий маркер, що знаходиться між двома генами, що вивчаються. Визначення відстані між генами здійснюють наступним чином: до суми відсотків одинарних кросоверних класів додають подвійний відсоток подвійних кросінговерів. Подвоєння відсотка подвійних кроссинговерів необхідне у зв'язку з тим, що кожен подвійний кросинговер виникає завдяки двом незалежним одинарним розривам у двох точках.

Інтерференція. Встановлено, що кросинговер, що стався в одному місці хромосоми, пригнічує кросинговер у прилеглих районах. Це явище називається інтерференції. При подвійному перехресті інтерференція проявляється особливо у разі малих відстаней між генами. Розриви хромосом виявляються залежними одна від одної. Ступінь цієї залежності визначається відстанню між розривами, що відбуваються: у міру віддалення від місця розриву можливість іншого розриву збільшується.

Ефект інтерференції вимірюється відношенням числа подвійних розривів, що спостерігаються, до можливих при допущенні повної незалежності кожного з розривів.

Локалізація гена.Якщо гени розташовані в хромосомі лінійно, а частота кросинговера відображає відстань між ними, то можна визначити місце розташування гена в хромосомі.

Перш ніж визначити положення гена, тобто його локалізацію, необхідно визначити, в якій хромосомі знаходиться даний ген. Гени, що знаходяться в одній хромосомі і успадковані зчеплено, становлять групу зчеплення. Очевидно, що кількість груп зчеплення кожного виду повинна відповідати гаплоїдному набору хромосом.

До теперішнього часу групи зчеплення визначені у найбільш вивчених генетичному відношенні об'єктів, причому у всіх цих випадках виявлено повну відповідність числа груп зчеплення гаплоїдному числу хромосом. Так, у кукурудзи ( Zea mays) гаплоїдний набір хромосом і число груп зчеплення становлять 10 у гороху ( Pisum sativum) - 7, дрозофіли (Drosophila melanogaster) - 4, будинкової миші ( Mus musculus) - 20 і т. п.

Оскільки ген займає певне місце у групі зчеплення, це дозволяє встановлювати порядок розташування генів у кожній хромосомі та будувати генетичні карти хромосом.

Генетичні карти.Генетичною картою хромосом називають схему відносного розташування генів, що у цій групі зчеплення. Вони складені поки лише деяких найбільш вивчених з генетичної погляду об'єктів: дрозофіли, кукурудзи, томатів, миші, нейроспори, кишкової палички та інших.

Генетичні карти становлять кожної пари гомологічних хромосом. Групи зчеплення нумерують.

Щоб скласти карти, необхідно вивчити закономірності успадкування великої кількостігенів. У дрозофіли, наприклад, вивчено понад 500 генів, локалізованих у чотирьох групах зчеплення, у кукурудзи – понад 400 генів, локалізованих у десяти групах зчеплення тощо. При складанні генетичних карт вказується група зчеплення, повна або скорочена назва генів, відстань у відсотках від одного з кінців хромосоми, прийнятого за нульову точку; іноді позначається місце центроміру.

У багатоклітинних організмів рекомбінація генів буває реципрокною. У мікроорганізмів вона може бути односторонньою. Так, у ряду бактерій, наприклад у кишкової палички ( Escherichia coli), перенесення генетичної інформації відбувається під час кон'югації клітин. Єдина хромосома бактерії, що має форму замкнутого кільця, рветься під час кон'югації завжди у певній точці і переходить із однієї клітини до іншої.

Довжина переданої ділянки хромосоми залежить від тривалості кон'югації. Послідовність генів у хромосомі виявляється постійною. Через це відстань між генами на такій кільцевій карті вимірюється не у відсотках кросинговера, а в хвилинах, що відображає тривалість кон'югації.

Цитологічне підтвердження кросинговера.Після того, як генетичними методами вдалося встановити явище кросинговера, необхідно було отримати прямий доказобміну ділянками гомологічних хромосом, що супроводжується рекомбінацією генів. Спостерігалися в профазі мейозу картини хіазм можуть бути лише непрямим доказом цього явища, констатація обміну прямим спостереженням, що відбулася, неможлива, оскільки обмінюються ділянками гомологічні хромосоми зазвичай абсолютна однакові за величиною і формою.

Щоб зіставити цитологічні карти гігантських хромосом із генетичними, Бріджес запропонував скористатися коефіцієнтом кросинговера. І тому він розділив загальну довжину всіх хромосом слинних залоз (1180 мкм) на загальну довжину генетичних карт (279 одиниць). У середньому це ставлення дорівнювало 4,2. Отже, кожній одиниці перехреста на генетичній карті відповідає 4,2 мкм на цитологічній карті (для хромосом слинних залоз). Знаючи відстань між генами на генетичній карті будь-якої хромосоми, можна порівняти відносну частоту перехреста у різних її районах. Наприклад, в Х-хромосомі дрозофіли гени уі ec знаходяться на відстані 5,5%, отже відстань між ними в гігантській хромосомі має бути 4,2 мкм Х 5,5 = 23 мкм, але безпосередній вимір дає 30 мкм. Значить, у цьому районі Х-хромосоми кросинговер йде рідше за середню норму.

Через нерівномірне здійснення обмінів по довжині хромосом гени при нанесенні їх на карту розподіляються на ній з різною щільністю. Отже, розподіл генів на генетичних картахможна розглядати як показник можливості здійснення перехрестя за довжиною хромосоми.

Механізм кросинговера.Ще до відкриття перехрестя хромосом генетичними методами цитологи, вивчаючи профазу мейозу, спостерігали явище взаємного обвивання хромосом, утворення ними образних фігур - хіазм (χ -грецька літера"хі"). У 1909 р. Ф. Янсенс висловив припущення, що хіазми пов'язані з обміном ділянками хромосом. Згодом ці картини послужили додатковим аргументом на користь гіпотези генетичного перехрестя хромосом, висунутої Т.Морганом 1911 року.

Механізм перехрестя хромосом пов'язаний із поведінкою гомологічних хромосом у профазі I мейозу.

Кросинговер відбувається на стадії чотирьох хроматид і присвячений утворенню хіазм.

Якщо в одному біваленті відбувся не один обмін, а два і більше, то й у разі утворюється кілька хіазм. Оскільки в біваленті чотири хроматиди, то, очевидно, кожна з них має рівну можливість обмінятися ділянками з будь-якою іншою. При цьому в обміні можуть брати участь дві, три або чотири хроматиди.

Обмін усередині сестринських хроматид не може призводити до рекомбінацій, оскільки вони генетично ідентичні, і через це такий обмін не має сенсу як біологічний механізм комбінативної мінливості.

Соматичний (мітотичний) кросинговер.Як мовилося раніше, кросинговер відбувається у профазе I мейозу утворенні гамет. Однак існує соматичний, або мітотичний, кросинговер, який здійснюється при мітотичному розподілі соматичних клітин головним чином ембріональних тканин.

Відомо, що гомологічні хромосоми в профазі мітозу звичайно кон'югують і розташовуються незалежно один від одного. Однак іноді вдається спостерігати синапсис гомологічних хромосом та фігури, схожі на хіазми, але при цьому редукції числа хромосом не спостерігається.

Гіпотези про механізм кросинговеру.З приводу механізму перехреста існує кілька гіпотез, але жодна з них не пояснює повністю фактів рекомбінації генів і цитологічних картин, що спостерігаються при цьому.

Згідно з гіпотезою, запропонованою Ф.Янсенсом та розвиненою К.Дарлінгтоном, у процесі синапсису гомологічних хромосом у біваленті створюється динамічна напруга, що виникає у зв'язку зі спіралізацією хромосомних ниток, а також при взаємному обвиванні гомологів у біваленті. В силу цієї напруги одна з чотирьох хроматид рветься. Розрив, порушуючи рівновагу в біваленті, призводить до компенсуючого розриву в строго ідентичній точці будь-якої іншої хроматиди цього ж бівалента. Потім відбувається реципрокне возз'єднання розірваних кінців, що призводить до кросинговеру. Відповідно до цієї гіпотези хіазми безпосередньо пов'язані з кросинговером.

За гіпотезою К. Сакса хіазми не є результатом кросинговера: спочатку утворюються хіазми, а потім відбувається обмін. При розбіжності хромосом до полюсів внаслідок механічної напругиу місцях хіазм відбуваються розриви та обмін відповідними ділянками. Після обміну хіазму зникає.

Сенс іншої гіпотези, запропонованої Д. Беллінгом та модернізованої І. Ледербергом, полягає в тому, що процес реплікації ДНК може реципрокно перемикатися з однієї нитки на іншу; відтворення, розпочавшись на одній матриці, з якоїсь точки перемикається на матричну нитку ДНК.

Чинники, що впливають на перехрест хромосом.На кросинговер впливає безліч факторів як генетичної природи, так і довкілля. Тому в реальному експерименті про частоту кросинговера можна говорити, маючи на увазі всі ті умови, в яких вона була визначена. Кросинговер практично відсутній між гетероморфними Х- І Y-хромосоми. Якби він відбувався, то хромосомний механізм визначення статі постійно руйнувався. Блокування кросинговеру між цими хромосомами пов'язане не тільки з відмінністю в їх величині (воно спостерігається не завжди), але і зумовлене Y-Специфічними нуклеотидними послідовностями. Обов'язкова умовасинапсу хромосом (або їх ділянок) – гомологія нуклеотидних послідовностей.

Для абсолютної більшості вищих еукаріотів характерна приблизно однакова частота кросинговера як у гомогаметної, так і гетерогаметної статей. Однак є види, у яких кросинговер відсутній у особин гетерогаметної статі, тоді як у особин гомогаметної статі він протікає нормально. Така ситуація спостерігається у гетерогаметних самців дрозофіли та самок шовкопряда. Істотно, що частота мітотичного кросинговеру у цих видів у самців і самок практично однакова, що вказує на різні елементи контролю окремих етапів генетичної рекомбінації у статевих та соматичних клітинах. У гетерохроматичних районах, зокрема прицентромірних, частота кросинговера знижена, і тому справжня відстань між генами в цих ділянках може бути змінена.

Виявлено гени, що виконують роль замикачів кросинговеру , Однак є також гени, що підвищують його частоту. Вони іноді можуть індукувати помітну кількість кросоверів у самців дрозофіли. Як замикачі кросинговера можуть виступати також хромосомні перебудови, зокрема інверсії. Вони порушують нормальну кон'югацію хромосом у зиготені.

Виявлено, що на частоту кросинговеру впливають вік організму, а також екзогенні фактори: температура, радіація, концентрація солей, хімічні мутагени, ліки, гормони. При більшості зазначених впливів частота кросинговера підвищується.

В цілому кросинговер є одним з регулярних генетичних процесів, контрольованих багатьма генами як безпосередньо, так і через фізіологічний стан мейотичних або мітотичних клітин. Частота різних типів рекомбінацій (мейотичний, мітотичний кросинговер та сестринські, хроматидні обміни) може бути мірою дії мутагенів, канцерогенів, антибіотиків та ін.

Закони успадкування Моргана та принципи спадковості, що випливають з них.Величезну роль у створенні та розвитку генетики відіграли роботи Т.Моргана. Він автор хромосомної теорії спадковості. Їм були відкриті закони успадкування: успадкування ознак, зчеплених зі статтю, зчеплене успадкування.

З цих законів випливає такі принципи спадковості:

1. Чинник-ген є певний локус хромосоми.

2. Алелі гена розташовані в ідентичних локусах гомологічних хромосом.

3. Гени розташовані у хромосомі лінійно.

4. Кросинговер – регулярний процес обміну генами між гомологічними хромосомами.

Мобільні елементи геному.У 1948 р. американська дослідниця Мак-Клінток відкрила у кукурудзи гени, що переміщаються з однієї ділянки хромосоми в іншу, і назвала феномен транспозицією, а самі гени контролюючими елементами (КЕ). 1.Ці елементи можуть переміщатися з одного сайту до іншого; 2. їх вбудовування у цей район впливає активність генів розташованих поруч; 3. втрата КЕ в даному локусі перетворює насамперед мутабільний локус на стабільний; 4. у сайтах, у яких присутні КЕ, можуть виникати делеції, транслокації, транспозиції, інверсії, і навіть розриви хромосом. 1983 р. за відкриття мобільних генетичних елементів Нобелівська преміябула присуджена Барбарі Мак-Клінток.

Наявність мобільних елементів у геномах має різноманітні наслідки:

1. Переміщення та впровадження мобільних елементів у гени може викликати мутації;

2. Зміна стану активності генів;

3. Формування хромосомних перебудов;

4. Формування теломірів.

5. Участь у горизонтальному перенесенні генів;

6. Транспозони на основі Р-елементу використовують для трансформації у еукаріотів, клонування генів, пошуку енхансерів і т.д.

У прокаріотів існують три типи мобільних елементів - IS-елементи (інсерції), транспозони, і деякі бактеріофаги. IS-елементи вбудовуються в будь-яку ділянку ДНК, часто викликають мутації, руйнуючи послідовності, що кодують або регуляторні, впливають на експресію сусідніх генів. Бактеріофаг може викликати мутації внаслідок вбудовування.