XVII. Сцепление и кроссинговер

Гены, расположенные в одной хромосоме, называются сцепленными. Сцепленные гены не подчиняются закону Менделя: их аллели не дают свободных сочетаний.

У мышей ген, определяющий короткие уши (s), и ген, вызывающий ослабление окраски шерсти любого цвета, т. е. делающий ее более светлой (d), находятся в одной и той же хромосоме очень близко друг к другу. Обозначим нормальные аллели этих генов буквами S и D. Хромосома может нести эти гены в следующих комбинациях:

Животные, гетерозиготные по обеим парам аллелей, несут либо хромосому I совместное хромосомой IV, либо хромосому II совместно с хромосомой III. В первом случае говорят, что два рецессива находятся в фазе сцепления, во втором - в фазе отталкивания.

Предположим, любитель имеет линию мышей с короткими ушами и линию мышей с ослабленной окраской шерсти Он хочет соединить эти два признака и надеется достигнуть этого в F₂ путем скрещивания самца с короткими ушами и самки с ослабленной окраской шерсти.

На рис. 39 показаны результаты такого скрещивания. Два гена, полученные от разных родителей, у животных F₁ сцеплены в фазе отталкивания, поэтому они остаются в разных хромосомах в F₂.

Рис. 39. Два гена мыши в фазе отталкивания: s - ген, определяющий короткие уши; S - его нормальный аллель; d - ген, определяющий ослабленную окраску шерсти; D - его нормальный аллель

Такое же разочарование постигло бы любителя, который, имея линию мышей с короткими ушами и ослабленной окраской шерсти, попытался бы разделить эти два признака для получения зверьков с ослабленной окраской шерсти и нормальными ушами. На рис. 40 показано, что происходит с двумя сцепленными признаками, которые вводятся в скрещивание одним из родителей. В F₁ два соответствующих гена находятся в фазе сцепления и остаются вместе в той же хромосоме и в F₂.

Рис. 40. Два гена мыши в фазе сцепления

При таких скрещиваниях вы обнаружите в F₂ обычные отношения первого закона Менделя (1:2:1 и 3:1). Этот закон, как вы помните, касается расхождения хромосом одной пары. Поскольку сцепленные гены находятся в одной и той же паре хромосом, их наследование вытекает из поведения пары хромосом в мейозе.

В действительности хромосомы ведут себя в мейозе сложнее, чем было описано в главе II. В частности, их поведение дает возможность разделить сцепленные гены. Это происходит на самых ранних стадиях мейоза, когда партнерные хромосомы сближаются и вплотную ложатся параллельно друг другу. При этом они могут каким-то образом обмениваться участками, как показано на рис. 41. Этот процесс, механизм которого еще не вполне ясен, называется кроссинговер ом, а каждый обмен участками называется перекрестом. Обратите внимание на то, что точка, по которой произошел перекрест (отмечена буквой С на рис. 41), находится в одном и том же месте у обеих партнерных хромосом. Это очень важно. Если бы было иначе, то в одной из двух хромосом, образовавшихся в результате перекреста, не хватало бы некоторых генов, в то время как партнерная хромосома имела бы эти же гены в удвоенном числе. Это, как правило, приводило бы к появлению ненормального потомства, поскольку все гены должны принимать участие в развитии организма.

Рис. 41. Кроссинговер между двумя сцепленными генами у мыши

Благодаря кроссинговеру гены, которые первично находились в фазе отталкивания, переходят в фазу сцепления (см. слева на рис. 41), и, наоборот, гены, первоначально находившиеся в фазе сцепления, переходят в фазу отталкивания (см. справа на рис. 41).

Кроссинговер - явление, типичное для мейоза, при котором большинство пар хромосом образуют перекресты в одной или нескольких точках. Но почему тогда в приведенных выше примерах мы не рассмотрели возможности объединения (или разъединения) генов s и d вследствие перекреста? Такая возможность действительно существует, но в данном случае это событие столь маловероятно, что без особой удачи понадобилось бы много тысяч мышей F₂ для получения хотя бы одного зверька нужного фенотипа. Так происходит потому, что расстояние между генами s и d настолько незначительно, что вероятность перекреста в какой-либо точке между этими генами очень мала. Чем больше расстояние между двумя сцепленными генами, тем больше вероятность их разъединения (или объединения) благодаря кроссинговеру.

Некоторые линии мышей несут ген cu, определяющий завитые (curly) усы, и нормальный аллель (S) гена, определяющего короткие уши, в одной и той же хромосоме. Расстояние между этими генами значительно больше, чем между генами s и d; поэтому тот, кто захотел бы объединить гены завитых усов и коротких ушей, имел бы гораздо больше шансов на успех, чем при попытках объединить (или разъединить) гены s и d. Частоту, с которой два гена одной и той же хромосомы разъединяются (или соединяются) благодаря кроссинговеру, используют как меру расстояния между этими генами.

Гены, сцепленные с полом

Все сцепленные с полом гены находятся в Х-хромосоме, и поэтому они сцеплены друг с другом. У дрозофилы Х-хромосома несет много генов, и все они сцеплены. В главе XII вы познакомились с одним из таких генов (w), который вызывает белый цвет глаз вместо обычного красного. Другой рецессивный ген m (уменьшенные крылья) определяет более короткие и тупые крылья по сравнению с нормальными. Самка может нести эти гены в фазе отталкивания или в фазе сцепления. Если она их несет в фазе отталкивания  

то большинство ее сыновей получат или  

хромосому и будут иметь белые глаза и длинные крылья, или  

хромосому и будут иметь красные глаза и уменьшенные крылья. Однако некоторые мухи будут нести кроссоверные хромосомы; у них будут или белые глаза и уменьшенные крылья, или красные глаза и длинные крылья.

Если самка несет гены w и m в фазе сцепления  

то большинство ее сыновей будут иметь белые глаза и уменьшенные крылья, или красные глаза и длинные крылья. Меньшая часть сыновей благодаря кроссинговеру будет иметь белые глаза и длинные крылья, или красные глаза и уменьшенные крылья.

Дочери получат от матери те же самые типы хромосом, что и сыновья. Но поскольку они, кроме того, получат Х-хромосому от отца и поэтому, возможно, будут нести нормальные аллеломорфы гена w или m (или обоих генов), их фенотип нельзя предсказать с такой определенностью.

Кроссинговер имеет большое значение для образования новых комбинаций генов. Если бы новые сочетания генов в соответствии со вторым законом Менделя (см. главу XIII) образовывались только в результате независимого распределения целых хромосом, то число комбинаций генов и признаков было бы ограничено числом хромосом и организмы с небольшим числом хромосом характеризовались бы незначительной генетической изменчивостью. Кроссинговер снимает это ограничение. И хотя между близко расположенными генами перекрест происходит редко, в конце концов появятся индивидуумы со всеми возможными комбинациями генов. Это создает огромную изменчивость организмов. Нам не известно общее число генов ни у одного из видов, но, несомненно, во всех случаях это число большое. По самым скромным оценкам число генов в одном наборе хромосом у человека равно 10000 или, иначе говоря, в диплоидной клетке имеется 10000 пар генов. Многие из этих генов существуют в форме нескольких аллелей. Предположим, что это справедливо только для 5000 генов и каждый из них существует только в двух аллельных формах. Тогда число возможных сочетаний генов будет равно 2⁵⁰⁰⁰, а это столь фантастически большое число, что оно намного превышает число людей, рожденных за все время существования человечества. Поэтому вероятность одинаковых генотипов у двух людей так мала, что мы могли бы совершенно не принимать ее во внимание, если бы не одно исключение, которое мы рассмотрим в следующей главе.

Выводы

1. Гены, находящиеся в хромосомах одной пары, называются сцепленными. Они не подчиняются второму закону Менделя - они не дают свободных сочетаний.

2. Гетерозиготы по двум сцепленным генам а и b могут нести эти гены в фазе сцепления или в фазе отталкивания. Если гены а и b расположены в одной хромосоме, а их нормальные аллели - в соответствующей партнерной хромосоме, то говорят, что они находятся в фазе сцепления. Если говорят, что гены сцеплены в фазе отталкивания, то это значит, одна хромосома несет ген а и нормальный аллель гена b, а другая хромосома несет ген b и нормальный аллель гена а.

3. Гены, которые очень тесно сцеплены, передаются по наследству почти всегда как один ген. Они остаются в той же хромосоме, если они находятся в фазе сцепления, или в разных партнерных хромосомах, если они находятся в фазе отталкивания. При расщеплении они дают отношения, соответствующие первому закону Менделя.

4. Сцепленные гены могут разделяться благодаря процессу, называемому кроссинговер ом. Этот процесс, заключающийся в обмене участками между партнерными хромосомами, происходит на ранних стадиях мейоза. Перекрест происходит в одинаковых точках обеих партнерных хромосом, так что ни одна из них в результате этого процесса не теряет генов и не получает новых.

5. Вероятность прохождения перекреста между двумя сцепленными генами данной хромосомы зависит от расстояния между ними. Чем дальше один от другого расположены гены, тем чаще они разделяются благодаря кроссинговеру.

6. Все гены, сцепленные с полом, сцеплены друг с другом. Кроссинговер между генами, сцепленными с полом, может происходить только в организмах гомогаметного пола (XX), например у самок дрозофилы и млекопитающих.

7. Кроссинговер совместно с независимым распределением, происходящим в соответствии со вторым законом Менделя, определяет огромное число генетических вариаций. Число возможных сочетаний генов у человека столь велико, что невозможно существование двух людей с одинаковыми генотипами (однако есть одно исключение из этого положения - см. главу XVIII).

Задание

I. У человека дальтонизм и гемофилия обусловлены сцепленными с полом генами (см. главу XII). Эти гены можно обозначить буквами сb и h, а их нормальные аллели - знаками +^сb и +^h.

1. Женщина имеет шесть сыновей. Двое из них страдают дальтонизмом, но имеют нормальную кровь; трое страдают гемофилией, но имеют нормальное зрение и один страдает и дальтонизмом, и гемофилией. Каков генотип матери? Почему она имеет сыновей трех типов?

2. Девочка имеет отца, который страдает дальтонизмом и гемофилией, и здоровую мать. Она выходит замуж за мужчину, не имеющего этих аномалий. Какие у нее будут сыновья в результате развития некроссоверных и кроссоверных яйцеклеток?

II. У дрозофилы три рецессивных гена (желтая окраска тела y, белые глаза w и уменьшенные крылья m) сцеплены с полом. Самки, несущие гены y и w в фазе отталкивания, дали следующих сыновей:

220 с желтым телом и красными глазами, 
245 с обычной серой окраской тела и белыми глазами, 
  4 с желтым телом и белыми глазами, 
  3 с серым телом и красными глазами.

Самки, несущие гены m и w в фазе отталкивания, дали следующих сыновей:

168 с уменьшенными крыльями и красными глазами, 
170 с обычными длинными крыльями и белыми глазами, 
 85 с уменьшенными крыльями и белыми глазами, 
 93 с длинными крыльями и красными глазами.

Какой из двух генов: y или m - расположен в X-хромосоме ближе к гену w?