13.1: Хромосомна теорія та генетичний зв'язок

Навички для розвитку

• Обговорити Хромосомну теорію спадкування Саттона
• Опишіть генетичний зв'язок
• Поясніть процес гомологічної рекомбінації, або перетину
• Опишіть, як створюються хромосомні карти
• Обчисліть відстані між трьома генами на хромосомі за допомогою триточкового тестового хреста

Задовго до візуалізації хромосоми під мікроскопом батько сучасної генетики Грегор Мендель почав вивчати спадковість в 1843 році. З удосконаленням мікроскопічних методик в кінці 1800-х років клітинні біологи могли фарбувати і візуалізувати субклітинні структури барвниками і спостерігати за їх дією під час поділу клітин і мейозу. З кожним мітотичним поділом хромосоми тиражувалися, конденсувалися з аморфної (непостійної форми) ядерної маси в окремі Х-образні тіла (пари однакових сестринських хроматидів) і мігрували в окремі клітинні полюси.

Хромосомна теорія успадкування

Припущення про те, що хромосоми можуть бути ключем до розуміння спадковості, змусили кількох вчених вивчити публікації Менделя та переоцінити його модель з точки зору поведінки хромосом під час мітозу та мейозу. У 1902 році Теодор Бовері зауважив, що належного ембріонального розвитку морських їжаків не відбувається, якщо не присутні хромосом. У тому ж році Уолтер Саттон спостерігав поділ хромосом на дочірні клітини під час мейозу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Разом ці спостереження привели до розвитку хромосомної теорії успадкування, яка ідентифікувала хромосоми як генетичний матеріал, відповідальний за успадкування Менделя.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Уолтер Саттон і (б) Теодор Бовері приписують розробку хромосомної теорії успадкування, яка стверджує, що хромосоми несуть одиницю спадковості (гени).

Хромосомна теорія успадкування відповідала законам Менделя і була підкріплена наступними спостереженнями:

• Під час мейозу гомологічні пари хромосом мігрують як дискретні структури, незалежні від інших хромосомних пар.
• Сортування хромосом з кожної гомологічної пари в прегамети виявляється випадковим.
• Кожен батько синтезує гамети, які містять лише половину свого хромосомного комплементу.
• Незважаючи на те, що чоловічі та жіночі гамети (сперма і яйцеклітина) відрізняються за розміром і морфологією, вони мають однакову кількість хромосом, що передбачає однаковий генетичний внесок кожного з батьків.
• Гаметські хромосоми об'єднуються під час запліднення, щоб отримати потомство з тим же хромосомним числом, що і їхні батьки.

Незважаючи на переконливі кореляції між поведінкою хромосом під час мейозу і абстрактними законами Менделя, хромосомна теорія успадкування була запропонована задовго до того, як з'явилися будь-які прямі докази того, що риси були перенесені на хромосоми. Критики вказували на те, що індивіди мали набагато більш самостійні сегрегаційні риси, ніж хромосоми. Лише після декількох років проведення схрещувань з плодовою мухою, Drosophila melanogaster, Томас Хант Морган надав експериментальні докази на підтримку хромосомної теорії успадкування.

Генетичні зв'язки та відстані

Робота Менделя припускала, що риси успадковуються незалежно один від одного. Морган визначив відповідність 1:1 між ознакою сегрегації та Х-хромосомою, припускаючи, що випадкова сегрегація хромосом була фізичною основою моделі Менделя. Це також продемонструвало, що пов'язані гени порушують прогнозовані результати Менделя. Той факт, що кожна хромосома може нести багато пов'язаних генів, пояснює, як люди можуть мати набагато більше рис, ніж хромосом. Однак спостереження дослідників у лабораторії Моргана припустили, що алелі, розташовані на одній хромосомі, не завжди успадковуються разом. Під час мейозу пов'язані гени якось стали незв'язаними.

гомологічна рекомбінація

У 1909 році Франс Янссен спостерігав хіасмату - точку, в якій хроматиди контактують один з одним і можуть обмінюватися сегментами - до першого поділу мейозу. Він припустив, що алелі стають незв'язаними, а хромосоми фізично обмінюються сегментами. Коли хромосоми конденсуються і поєднуються зі своїми гомологами, вони, як видається, взаємодіють у різних точках. Янссен припустив, що ці точки відповідали регіонам, в яких відбувався обмін сегментами хромосом. Зараз відомо, що спарювання та взаємодія між гомологічними хромосомами, відомими як синапсис, робить більше, ніж просто організовувати гомологи для міграції для відокремлення дочірніх клітин. При синапсі гомологічні хромосоми проходять реципрокний фізичний обмін на руках у процесі, який називається гомологічною рекомбінацією, або простіше кажучи, «перехрещуванням».

Щоб краще зрозуміти тип експериментальних результатів, які дослідники отримували в цей час, розглянемо гетерозиготну особу, яка успадкувала домінантні материнські алелі для двох генів на одній хромосомі (наприклад, AB) та два рецесивні батьківські алелі для тих самих генів (наприклад, аб). Якщо гени пов'язані, можна було б очікувати, що ця людина буде виробляти гамети, які є або AB, або ab із співвідношенням 1:1. Якщо гени незв'язані, індивід повинен виробляти AB, Ab, aB і ab гамети з рівними частотами, відповідно до Менделівської концепції незалежного асортименту. Оскільки вони відповідають новим комбінаціям алелів, генотипи Ab і aB є небатьківськими типами, які є результатом гомологічної рекомбінації під час мейозу. Батьківські типи - потомство, яке демонструє ту ж алельну комбінацію, що і їхні батьки. Морган та його колеги, однак, виявили, що коли такі гетерозиготні особи були випробувані на гомозиготного рецесивного батька (AaAbb × aabb), траплялися як батьківські, так і небатьківські випадки. Наприклад, може бути відновлено 950 нащадків, які були або Aabb, або aabb, але також буде отримано 50 нащадків, які були або Aabb, або AaBb. Ці результати свідчать про те, що зв'язок відбувався найчастіше, але значна меншість потомства були продуктами рекомбінації.

Мистецтво З'єднання

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Показані моделі успадкування незв'язаних і зв'язаних генів. У (а) два гени розташовані на різних хромосомах, тому незалежний асортимент виникає під час мейозу. Нащадки мають рівні шанси бути батьківським типом (успадковуючи ту ж комбінацію рис, що і батьки) або небатьківським типом (успадковуючи іншу комбінацію рис, ніж батьки). У (b) два гени знаходяться дуже близько один до одного на одній хромосомі, так що між ними не відбувається перетину. Тому гени завжди успадковуються разом, і все потомство є батьківським типом. У (c) два гени знаходяться далеко один від одного на хромосомі, так що перетин відбувається під час кожної мейотичної події. Частота рекомбінації буде такою ж, як якщо б гени були на окремих хромосомах. (d) Фактична частота рекомбінації довжини крила плодових мух і кольору тіла, яку Томас Морган спостерігав у 1912 році, становила 17 відсотків. Частота кросовера між 0 відсотками і 50 відсотками вказує на те, що гени знаходяться на одній хромосомі і кросовер відбувається деякий час.

У тестовому кросі для двох характеристик, таких як показана тут, чи може прогнозована частота рекомбінантного потомства становити 60 відсотків? Чому чи чому ні?

Генетичні карти

Янссен не мав технології, щоб продемонструвати перетин, тому вона залишалася абстрактною ідеєю, яка не була широко прийнята. Вчені вважали, що хіазмати - це варіація синапсису і не могли зрозуміти, як хромосоми можуть зламатися і знову приєднатися. Тим не менш, дані були зрозумілі, що зв'язок не завжди відбувається. Зрештою, знадобився молодий студент і «всю ніч», щоб математично з'ясувати проблему зв'язку та рекомбінації.

У 1913 році Альфред Стуртевант, студент лабораторії Моргана, зібрав результати дослідників у лабораторії та одного разу ввечері забрав їх додому, щоб їх обдумувати. На наступний ранок він створив першу «хромосомну карту», лінійне зображення порядку генів і відносної відстані на хромосомі (рис. 13.1.3).

Мистецтво З'єднання

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця генетична карта впорядковує гени дрозофіли на основі частоти рекомбінації.

Яке з наведених нижче тверджень вірно?

1. Рекомбінація кольору тіла та алелей червоного/кіноварного ока відбуватиметься частіше, ніж рекомбінація алелів для довжини крила та довжини арісти.
2. Рекомбінація кольору тіла та алелів довжини арісти відбуватиметься частіше, ніж рекомбінація червоних/карих алелів очей та алелей довжини арісти.
3. Рекомбінація сірого/чорного кольору тіла і довгих/коротких алелей арісти не відбудеться.
4. Рекомбінація червоних/карих очей та довгих/коротких алелів арісти відбуватиметься частіше, ніж рекомбінація алелів для довжини крила та кольору тіла.

Як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\), використовуючи частоту рекомбінації для прогнозування генетичної відстані, можна зробити висновок про відносний порядок генів на хромосомі 2. Показані значення відображають відстані карти в сантиморганах (см), які відповідають частотам рекомбінації (у відсотках). Отже, гени кольору тіла та розміру крила були 65,5 − 48,5 = 17 см один від одного, що свідчить про те, що материнські та батьківські алелі для цих генів рекомбінуються в середньому у 17 відсотках потомства.

Для побудови хромосомної карти Стуртевант припустив, що гени упорядковані послідовно на ниткоподібних хромосомах. Він також припустив, що частота рекомбінації між двома гомологічними хромосомами може відбуватися з однаковою ймовірністю в будь-якому місці по довжині хромосоми. Працюючи за цими припущеннями, Стуртевант постулював, що алелі, які були далеко один від одного на хромосомі, частіше дисоціюються під час мейозу просто тому, що існувала більша область, над якою могла відбутися рекомбінація. І навпаки, алелі, які були близькі один до одного на хромосомі, швидше за все, успадковувалися разом. Середня кількість кросоверів між двома алелями - тобто їх частота рекомбінації - корелює з їх генетичною відстанню один від одного, відносно розташування інших генів на цій хромосомі. Розглядаючи приклад перехрестя між AaAbB та aabb вище, частоту рекомбінації можна обчислити як 50/1000 = 0,05. Тобто ймовірність кросовера між генами a/a і b/b становила 0,05, або 5 відсотків. Такий результат вказував би на те, що гени остаточно пов'язані, але що вони були досить далеко один від одного, щоб час від часу траплялися кросовери. Стуртевант розділив свою генетичну карту на одиниці карти, або сантиморгани (cM), в яких частота рекомбінації 0,01 відповідає 1 см.

Представляючи алелі на лінійній карті, Стуртевант припустив, що гени можуть варіюватися від ідеально зв'язаних (частота рекомбінації = 0) до абсолютно незв'язаних (частота рекомбінації = 0,5), коли гени знаходяться на різних хромосомах або гени відокремлені дуже далеко один від одного на одній хромосомі. Ідеально незв'язані гени відповідають частотам, передбаченим Менделем, щоб самостійно сортувати в дигібридний хрест. Частота рекомбінації 0,5 вказує на те, що 50 відсотків потомства є рекомбінантними, а інші 50 відсотків - батьківськими типами. Тобто кожен тип комбінації алелів представлений з однаковою частотою. Це подання дозволило Стуртеванту адитивно обчислювати відстані між декількома генами на одній хромосомі. Однак, коли генетичні відстані наближалися до 0,50, його прогнози стали менш точними, оскільки не було зрозуміло, чи знаходяться гени дуже далеко один від одного на одній хромосомі або на різних хромосомах.

У 1931 році Барбара МакКлінток і Гаррієт Крейтон продемонстрували кросовер гомологічних хромосом у рослин кукурудзи. Тижнями пізніше гомологічна рекомбінація в дрозофіли була продемонстрована мікроскопічно Куртом Стерном. Стерн спостерігав кілька X-зв'язаних фенотипів, які були пов'язані з структурно незвичною і різнорідною парою Х-хромосом, в якій одному X був відсутній невеликий кінцевий сегмент, а інший X був злитий з шматочком Y-хромосоми. Схрещуючи мух, спостерігаючи за їх потомством, а потім візуалізуючи хромосоми потомства, Стерн продемонстрував, що кожен раз, коли комбінація алелів потомства відхилялася від будь-якої з батьківських комбінацій, відбувався відповідний обмін сегмента Х-хромосоми. Використання мутантних мух зі структурно вираженими Х-хромосомами було ключем до спостереження за продуктами рекомбінації, оскільки секвенування ДНК та інші молекулярні інструменти ще не були доступні. Зараз відомо, що гомологічні хромосоми регулярно обмінюються сегментами в мейозі шляхом взаємного розриву і повторного приєднання їх ДНК в точних місцях.

Посилання на навчання

Перегляньте процес Стуртеванта для створення генетичної карти на основі частот рекомбінації тут.

Картографічні риси Менделя

Гомологічна рекомбінація є поширеним генетичним процесом, але Мендель ніколи не спостерігав його. Якби він досліджував як зв'язані, так і незв'язані гени, йому було б набагато складніше створити єдину модель своїх даних на основі ймовірнісних розрахунків. Дослідники, які з тих пір зіставили сім ознак, досліджених Менделем, на сім хромосом геному рослини гороху, підтвердили, що всі гени, які він досліджував, знаходяться або на окремих хромосомах, або досить далеко один від одного, щоб бути статистично незв'язаними. Деякі припускають, що Менделю надзвичайно пощастило вибрати лише незв'язані гени, тоді як інші ставлять під сумнів, чи відкинув Мендель будь-які дані, що свідчать про зв'язок. У будь-якому випадку Мендель послідовно спостерігав незалежний асортимент, оскільки досліджував гени, які були ефективно від'єднані.

Резюме

Хромосомна теорія успадкування, запропонована Саттоном і Бовері, стверджує, що хромосоми є транспортними засобами генетичної спадковості. Ні генетика Менделя, ні зв'язок генів не є абсолютно точними; натомість поведінка хромосом передбачає сегрегацію, незалежний асортимент, а іноді і зв'язок. Стуртевант розробив метод оцінки частоти рекомбінації та визначення відносних положень та відстаней зв'язаних генів на хромосомі на основі середньої кількості кросоверів у інтервенційній області між генами. Стуртевант правильно припустив, що гени розташовані в послідовному порядку на хромосомах і що рекомбінація між гомологами може відбуватися в будь-якому місці хромосоми з однаковою ймовірністю. У той час як зв'язок спричиняє успадкування алелів на одній хромосомі разом, гомологічна рекомбінація зміщує алелі до схеми успадкування незалежного асортименту.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{2}\): In a test cross for two characteristics such as the one shown here, can the predicted frequency of recombinant offspring be 60 percent? Why or why not?

Answer

No. The predicted frequency of recombinant offspring ranges from 0% (for linked traits) to 50% (for unlinked traits).

Figure \(\PageIndex{3}\): Which of the following statements is true?

1. Recombination of the body color and red/cinnabar eye alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and aristae length.
2. Recombination of the body color and aristae length alleles will occur more frequently than recombination of red/brown eye alleles and the aristae length alleles.
3. Recombination of the gray/black body color and long/short aristae alleles will not occur.
4. Recombination of the red/brown eye and long/short aristae alleles will occur more frequently than recombination of the alleles for wing length and body color.

Answer

D

Glossary

centimorgan (cM)

(also, map unit) relative distance that corresponds to a recombination frequency of 0.01

Chromosomal Theory of Inheritance

theory proposing that chromosomes are the vehicles of genes and that their behavior during meiosis is the physical basis of the inheritance patterns that Mendel observed

homologous recombination

process by which homologous chromosomes undergo reciprocal physical exchanges at their arms, also known as crossing over

nonparental (recombinant) type

progeny resulting from homologous recombination that exhibits a different allele combination compared with its parents

parental types

progeny that exhibits the same allelic combination as its parents

recombination frequency

average number of crossovers between two alleles; observed as the number of nonparental types in a population of progeny