VIII.1.1. Локализация генов в группе сцепления с помощью учета мейотических рекомбинантов

Для картирования хромосом изучают расщепления в потомстве гетерозигот по нескольким генам в анализирующем скрещивании (или в F₂, если отсутствует анализатор).

Расстояния между генами можно определить по частоте (%) возникновения рекомбинантных (кроссоверных) особей по формуле D = 100r(1). Единицей расстояния при этом служит морганида (или сантиморган - сМ), составляющая одну сотую моргана (М) - условной единицы длины отрезка хроматиды, на которой происходит в среднем один обмен (название дано в честь Моргана). Из курса общей генетики известно, что доля рекомбинантных (кроссоверных) особей в расщеплении по двум сцепленным далеко расположенным генам (в отсутствии третьего маркера между ними) всегда составляет меньше 50% из-за того, что в некоторых бивалентах не происходит кроссинговера в исследуемой области, а в бивалентах с одиночными и множественными обменами частота рекомбинантных хроматид составляет ¹/₂. Поэтому при определении расстояний между генами можно использовать другую форму, учитывающую это обстоятельство - D = -501n(1-2r) (2). В этом случае расстояние выражают в других условных единицах - "стрейнах" (название произошло от сочетания двух фамилий - Стертеванта и Холдейна).

Поскольку получение гетерозигот по многим генам достаточно трудоемкая работа, для картирования хромосом часто используют серию анализирующих скрещиваний (или F₂) с участием трех генов, причем в каждом из них один или два гена общие: АаВbСс×aabbcc, AaBbEe×aabbee, AaEeKk×aaeekk и т. д.

Рассмотрим пример локализации четырех генов в хромосоме кукурузы, проведенной на основе двух анализирующих скрещиваний (задачи № VIII.1, VIII.2).

Для локализации трех генов у кукурузы - Р, Br и Ts₂ - скрестили гетерозиготные растения с нормальным стержнем початка (Р), длинными междоузлиями (Br) и нормальными цветками в метелке (Ts₂) с растениями, имевшими белую окраску стержня початка, короткие междоузлия и пестичные цветки в метелке (анализатор). Результаты этого скрещивания приведены ниже.

Всего проанализировано 528 растений.

Рассмотрим расщепления по каждой паре генов

1. Р-Ts₂: в расщеплении преобладают родительские комбинации генов PTs₂ и pts₂, что свидетельствует о сцеплении генов, Pts₂ и pTs₂ - кроссоверы, % кроссоверов = 11/528×100% = 2,0% ± 0,4%.

Н₀ - расщепление 1:1:1:1, независимое наследование, χ² = 2,0, p>0,50. Отклонение случайно, гипотеза не отвергается. Гены локализованы либо в разных хромосомах, либо в одной, но на большом расстоянии.

H₀ - расщепление - 1:1:1:1, независимое наследование χ² = 2,16, p>0,50. Гены локализованы либо в разных хромосомах, либо в одной, но на большом расстоянии.

1. Гены Р и Ts₂ локализованы в одной группе сцепления на расстоянии 2,0 ± 0,4%.
2. Ген В либо принадлежит к другой группе сцепления, либо локализован в той же группе сцепления, но находится на большом расстоянии от генов Р и Ts₂.

Для уточнения его локализации необходимо провести скрещивания с участием других генов.

Для уточнения локализации гена Br относительно генов Р и Ts₂ было поставлено следующее скрещивание: растения кукурузы с зеленым стержнем початка (р), короткими междоузлиями (br) и бледно-зелеными проростками (f₁) скрестили с растением, имевшим красные стержни початков (Р), длинные междоузлия (Br) и зеленые проростки (F₁), и гибрид скрестили с анализатором - растением с зелеными стержнями початков, короткими междоузлиями и бледно-зелеными проростками. Результаты этого скрещивания приведены ниже.

Рассмотрим расщепления по каждой паре генов.

Теоретически ожидаемая величина одного сочетания гамет при независимом наследовании 1326/4 = 331,5; χ² = 11,3; з<<0,05. Очевидно, гены сцеплены, Pf₁ и pF₁ - кроссоверы, процент кроссоверов - 284±325/1326×100% = 45,9% ± 1,3%?

Гены сцеплены, Brf₁ и brF₁ - кроссоверы, процент кроссоверов - 33+48/1326×100% = 6,1% ± 0,5%.

3. Р-Вr: поскольку гены Р и Br сцеплены с геном F₁, они локализованы в одной хромосоме, но наследуются независимо, так как расположены далеко друг от друга.

4. Поскольку ген Р сцеплен с Br и Ts₂, можно утверждать, что гены Br и Ts₂ локализованы в той же хромосоме, но далеко друг от друга.

На основании двух опытов можно сказать, что гены Р, Br, Ts₂ и F₁ локализованы в одной группе сцепления. Расстояния определены только для генов Р-Ts2 (2,0%) и Br-Fi (6,1%). Для определения расстояний между генами Р-Br, Р-F₁, Br-Ts₂ и картирования хромосомы следует поставить скрещивания с участием других генов, уже локализованных в той же хромосоме на участках Р-Br, Р-F₁ и Br-Ts₂.

Очевидно, что расстояния между далеко расположенными генами, устанавливаемое по частоте рекомбинантов между ними оказывается неточным из-за множественных кроссинговеров. Так, если гены расположены в порядке а-b-с-d-е, то расстояние (D) между а-е, определенное по сумме промежуточных расстояний D_ae = D_ab + D_bc + D_cd + D_de, больше, чем расстояние, вычисленное по частоте рекомбинантов между ними без учета других генов, локализованных на участке между а и е.

Очевидно, что чем больше маркеров имеется в исследуемой хромосоме и чем больше величина выборки, тем точнее можно определить порядок расположения генов и расстояния между ними.

Для локализации трех маркеров относительно друг друга прежде всего выясняют максимальное расстояние между двумя из них по проценту рекомбинантов, а затем находят место расположения третьего гена.

При построении генетических карт учитывают прежде всего минимальные расстояния между генами. Процедура построения карты сводится к следующему: сначала наносят на карту два каких-либо гена, локализованных на небольшом расстоянии друг от друга. Затем находят положение третьего гена, расположенного на небольшом расстоянии относительно первых двух. Он может быть либо справа, либо слева от них, что определяется путем сопоставления расстояний между первым и третьим, вторым и третьим генами. Последовательно располагая близко лежащие гены относительно уже картированных, определяют порядок их локализации в хромосоме, т. е. строят генетическую карту.

Пример построения карты на основе данных о частоте кроссинговера приведен в задаче № VIII.3.

На основе приведенных ниже данных о частоте кроссинговера между 7 генами, локализованными во второй хромосоме кукурузы, построить генетическую карту области локализации этих генов.

1. Построение карты начнем с наименьшего расстояния между генами gl₂ - d₅ - 4%:
   
   
2. Ближе всего к гену d₅ локализован ген R₂ - 15%. Он может быть расположен справа или слева от него, расстояние между генами gl₂ и R₂ - 19%, ген локализован правее d₅
   
   
3. Аналогично, на основании данных lg - gl₂ - 19%, lg - d₅ - 23%, lg - R₂ - 38%, располагаем ген lg левее gl₂
   
   
4. Ген al расположен слева от lg, так как al - lg - 7%, al - gl - 26%, al - d₅ - 30%, al - R₂ - 45%
   
   

Наконец, ген v₄ локализован правее R₂: v₄ - R₂ - 34%, v₄ - d₅ - 47%, а ген Ht - правее v₄, Ht - v₄ - 38%, с остальными генами - 48-49%.

Гены al, lg, gl₂, d₅, R₂, v₄ и Ht локализованы во второй хромосоме кукурузы в следующем порядке

Промежутки между генами на генетической карте, по-видимому, являются участками, на которых еще не обнаружены мутации.

Генетические карты построены у более чем 100 видов, в основном у микроорганизмов, а также у мыши, крысы, человека, дрозофилы, томатов, кукурузы и др.

Генетические карты играют большую роль в генетическом анализе, так как планирование любого генетического эксперимента проводится с учетом локализации генов. Например, объем выборок, необходимых для анализа, зависит от степени сцепления генов. При конструировании различных линий-тестеров совершенно необходимо знание локализации генов-маркеров, вводимых в эти линии. Генетические карты необходимы при изучении регуляторных процессов, структурной организации и функционирования генетического аппарата, для выделения и клонирования генов в экспериментах по генетической инженерии.