3764

Рекомбинационные генетические карты

Реферат

Биология и генетика

Рекомбинационные генетические карты. Хромосомная теория наследственности и кроссинговер Первое предположение о том, что элементы наследственности находятся в хромосомах, поскольку хромосомный материал в равной степени распределяется дочерними клет...

Русский

2012-11-05

500.5 KB

16 чел.

Рекомбинационные генетические карты

1. Хромосомная теория наследственности и кроссинговер

Первое предположение о том, что элементы наследственности находятся в хромосомах, поскольку хромосомный материал в равной степени распределяется дочерними клетками при делении, было выдвинуто Вильгельмом Ру (Wilhelm Roux) в 1883 г. В1902 / 1903 г. Уолтером Саттоном и Теодором Бовери была независимо выдвинута хромосомная теория наследственности, состоящая в том, что гены находятся в хромосомах.. За ее развитие и доказательство работами на дрозофиле великому генетику Томасу Моргану в 1933 г. была присвоена Нобелевская премия.

О феномене генетического сцепления впервые сообщил Карл Корренс 1900 г., когда он получил результаты, нарушающие третье правило Менделя – независимое комбинирование элементов наследственности в потомстве гетерозигот. В 1906 г. Бэтсон и Пеннет получили приводившиеся на предыдущей лекции результаты расщепления по признакам цвета цветков и цвета пыльцы у душистого горошка, демонстрировавшие слабые, но статистически значимые отклонения от менделевских соотношений. Уже в 1911 г. Томас Морган первым интерпретировал генетическое сцепление как нахождение генов в одной и той же хромосоме, а рекомбинацию сцепленных генов связал с обменом гомологичных хромосом своими участками – кроссинговером, который был открыт на цитологическом уровне бельгийским ученым Франсом Альфонсом Яссенсом в 1909 г. Согласно гипотезе ученика Моргана Кельвина Бриджеса кроссинговер происходит по принципу разрыв-воссоедниение.

Прямое подтверждение связи рекомбинации аллелей, наблюдаемой в потомстве гетерозигот с кроссинговером, то есть с обменами гомологичными хромосомами своими участками, можно получить, если две гомологичные хромосомы маркированы как разными аллелями, фенотипическое проявление которых можно наблюдать в потомстке, так и морфологическими особенностями, наблюдаемыми под микроскопом.

Первое такое доказательство было получено Куртом Штерном в 1931 г. на дрозофиле. В его опыте использовались три морфологически различимых варианта Х-хромосом: 1) нормальная, 2) укороченная, так как часть Х-хромосомы была транслоцирована (то есть перенесена), на одну из аутосом, и 3) Г-образная, на которую была транслоцировано одно из плеч Y-хромосомы, так что она стала из акроцентрика cубметацентриком, состоя из центромеры, длинного плеча, идентичного Х-хромосоме и короткого плеча от Y-хромосомы. Укороченная хромосома несла две мутации – рецессивную мутацию cr (carnation, в гомозиготе – черно-коричневые глаза) и доминантную мутацию Bar (B, суженные, палочковидные глаза). Г-образная хромосома несла нормальные аллели – доминантный cr+ и рецессивный b+ (нормальные глаза), добавление плеча от Y-хромосомы никак не сказывалось на фенотипе (как мы убедились ранее, добавление даже целых Y-хромосом не оказывает эффекта). Самок, гетерозиготных по хросомомам 2) и 3), то есть по укороченной с мутациями и по Г-образной, скрещивали с самцами, имевшими нормальную Х-хромосому (1), несущую оба рецессивных аллеля рассматриваемых локусов – cr и b, создав тем самым ситуацию анализирующего скрещивания. Анализировали только женское потомство, из опасений перепутать метацентрические Г-образную хромосому и Y-хромосому у самцов. Как и ожидалось, в потомстве наблюдались самки, получившие от матерей нерекомбинантные гаметы проявлявшие, соответственно, фенотипы cr B и cr+ b+, и, с меньшей частотой, получившие рекомбинантные гаметы, с фенотипами cr+ B и cr b+. У всех четырех классов одна из Х- хромосом была нормальной длины, как и ожидалось, поскольку таковую они должны были получить от отца. Вторая Х-хросомома в нерекомбинантных классах также имела ожидаемую морфологию, соответственно, 2) (укороченная) и 3) (Г-образная). Исходя из предположения, что рекомбинантный классы получили от матери гаметы, содержащие Х-хромосому, у которой прошел обмен между локусами cr и B, мы вправе ожидать увидеть Х-хромосомы с рекомбинантной же морфологией. И действительно, у мух с фенотипом cr+ B наблюдалась Х-хромосома, состоящая из двух одинаковых коротких плеч, которые мы можем интерпретировать как укороченное плечо Х-хромосому и плечо от Y-хромосомы, то есть такая Х-хромосома несла обе аномалии сразу. У мух с фенотипом cr b+ обе Х-хромосомы были нормальными, то есть хромосома, полученная от матери была также лишена цитологически различимых аномалий, как и полученная от самца. И действительно, при кроссинговере хросомомы должны обмениваться участками крест-накрест. Зафиксировав обмен на фенотипическом уровне в виде рекомбинантного фенотипа, мы увидели, что, будучи обменом между хромосомами, несущими разные аномалии по обоим своим концам, он привел к появлению хромосомы, имеющей обе аномалии и хромосомы, не имеющей обоих аномалий. Вот общая схема того опыта:

Сходным образом, использовав хромосому с аномалиями по обоим концам (блок гетерохроматина на одном конце и удлинение на другом) и нормальную хромосому, Крейтон и Мак-Клинток получили аналогичное цитологическое доказательство кроссинговера у кукурузы.

2. Общая идея рекомбинационных генетических карт

Еще в 1911 г. Морган предположил, что сила сцепления между локусами, измеряемая в частоте рекомбинантных гамет, может отражает пространственные взаимоотношения между генами в хромосомах. В 1913 г его молодой сотрудник Альфред Сёртевант (также Нобелевский лауреат ) обнаружил, что использование частот гамет, рекомбинантных в отношении двух локусов, в качестве меры расстояния (назовем его рекомбинационное расстояние) между двумя локусами позволяет располагать гены в линейном порядке.

(Можно заметить, что почти все простые, смелые и верные гипотезы, касающиеся хромосомной теории наследственности, были почти одновременно выдвинуты и тут же проверены в течение второго десятилетия ХХ века, то есть примерно 100 лет назад, членами лаборатории Т. Моргана в Колумбийском Университете в Нью Йорке, его “fly room”, им самим и его молодыми сотрудниками Стёртевантом, Бриджесом и Мёллером. Морган давал им большую свободу теоретической и экспериментальной деятельности, однако в этом замечательном коллективе шло интенсивное совместное творчество и обмен идеями, в результате чего сейчас сложно установить кто что предположил первым, и приведенные здесь утверждения на эту тему, почерпнутыми из литературы, действительно выглядят странно, так как весьма перекликаются друг с другом. Герман Мёллер, бывший среди них в большей степени теоретиком и в меньшей экспериментатором в частности в некоторых результатах чувствовал себя обойденным в вопросах приоритета).

Суть обнаружения Стёртеванта заключалась в том, что сумма либо разность рекомбинационных расстояний от некоего локуса до двух соседних локусов оказывается равной рекомбинационному расстоянию между этими двумя соседними локусами, что и предполагало расположение генов в линейном порядке. На этом основании он построил первые рекомбинационные генетические карты. Самая первая его карта включала три локуса дрозофилы, у (yellow, мутантный фенотип 0 желтое тело), w (white, мутантный фенотип – белые глаза) и bi (bifid, вильчатые крылья) и выглядела так:

1,2% 3,5%

y _______ w ______ bi

4,7%

________________

3. Неаддитивность рекомбинационных дистанций

Однако вскоре обнаружилось, что фактические данные проявляют систематическое отклонение от такого простого принципа, а именно: расстояние между двумя локусами систематически оказывается несколько меньше суммы расстояний от каждого из них до локуса, расположенного между ними, и этот эффект тем сильнее, чем с большими рекомбинационными расстояниями мы имеем дело. Вот как могут выглядеть рекомбинационные расстояния, наблюдаемые в реальном опыта (данные взяты из нашей статьи в журнальчике Pisum Genetics):

В чем же причина такого систематического эффекта? Нам необходимо вспомнить причину генетического сцепления, а также причину того, что оно не абсолютно. Генетическое сцепление проявляют гены, находящиеся в одной хромосоме, а рекомбинация между ними происходит за счет кроссинговера в профазе мейоза. Так вот, все дело в том, что если одна и та же хромосома будет вовлечена сразу в два кросоверных события, одно на участке между локусами A и B, а второе на участке между локусами B и C, то мы зарегистрируем по одному кроссоверному событию при подсчете частоты рекомбинантных гамет для каждого из этих участков, но не зарегистрируем ни одного кроссоверного события между локусами A и C, поскольку второе событие возвращает нам нерекомбинантное сочетание аллелей локусов A и С.

Эту интерпретацию нашел тот же Стёртевант и доказал ее с помощью «трехфакторных скрещиваний» - скрещиваний, в которых расматривается поведение трех сцепленных генов. Рассмотрим результаты реального картирования трех локусов, yellow, singed и miniature, на Х-хромосоме дрозофилы. Были взяты гетерозиготные самки, где аллели всех трех локусов находились в фазе притяжения, то есть один гомлог нес доминантные аллели дикого типа во всех трех локусов, а другой – их рецессивные аморфные (loss of function) мутации (аллель y в гомозиготе убирает черный рисунок на теле, аллель sn в гомозиготе дает кривые и недоразвитые, как бы опаленные (singed) щетинки, аллель m – уменьшенные крылья). Они скрещивались с самцами, гемизиготными по мутантным аллелям, то есть имеющие единственную Х-хромосому такую же, как одна из тех, что у самок. Таким образом была создана ситуация анализирующего скрещивания, которое позволяет напрямую подсчитывать рекомбинантные и нерекомбинантные аллели. Результаты приведены на рисунке:

Из этих данных по трем локусам мы можем извлечь те данные, которые мы получили бы, если бы рассматривали только два локуса. Чтобы получить расстояние y-sn, мы должны к одиночным кроссоверам прибавить двойных кроссоверов, получаем 21,5%. Аналогично получаем расстояние sn-m в 15,2%. Чтобы получить рекомбинационное расстояние y-m, то есть именно и только долю гамет, несущих рекомбинантные сочетания этих двух локусов (при этом мы обращаем внимание только на аллели этих двух локусов и не следим за локусом sn), мы должны сложить одиночные кроссоверы y-sn и sn-m, получаем 30,5%. Если мы сложим расстояния y-sn и sn-m, то мы получим величину несколько большую – 36,7%, и больше она – на удвоенную долю двойных кроссоверов, так как при этом мы засчитали по два кроссоверных события на каждый двойной кроссовер. Итак, для трех сцепленных локусов, расположенных в порядке A - BC, наблюдаемые доли рекомбинантных гамет r будут связаны следующей простой формулой:

rAC = rAB + rBC – 2 rd

где rd – частота случаев одновременного кроссинговера на обоих участках между локусами.

Кстати, а можем ли мы вычислить частоту этих двойных кроссоверов теоретически? Частоты есть выборочные оценки вероятностей. Вероятности сложных случайных событий, являющихся сочетаниями двух независимых случайных событий, получаются путем перемножения вероятностей последних. Независимы ли события кроссинговера на наших соседних межлокусных промежутках? Мы пока не знаем ответа на этот вопрос, так давайте же проверим наиболее простую гипотезу – что они независимы. В приведенном примере оценки вероятностей кроссинговера на двух участках есть 0,215 и 0,152, перемножив эти величины, получаем 0,0327, то есть 3,3%, что очень близко к наблюдаемой частоте 3,1%, совсем немного меньше. У нас появились основания полагать, что события кроссинговера независимы.

 

4. Простая (и неверная) математическая модель кроссинговера.

 

А что будет, если мы возьмем локусы A-B-C на таких расстояниях, что вероятность кроссинговера на участках A-B и B-C будет единица? Если мы снова перемножим вероятности, то получим вероятность двойных кроссоверов также единицу, а это значит, что все гаметы будут двойными кроссоверами, а так как они восстанавливают нерекомбинантные сочетания аллелей двух локусов, то рекомбинантное расстояние A-C окажется равным нулю. Надеюсь, никто не пойдет по такому бездумному пути, поскольку мы все же кое что знаем о механизме кроссоверной рекомбинации. Она происходит в профазе мейоза и состоит в перекрестном обмене гомологичных хромосом своими участками посредством разрывов и крест-накрест воссоединений молекулы ДНК (более детально эти механизмы будут рассмотрены ниже). При этом ДНК выступает не как носитель генетической информации, а как линейный биополимер, более или менее гомогенный по своей длине в отношении своих физико-химических свойств. Механизм кроссингвера никак не принимает во внимание информационное содержание ДНК, а именно где на ней находятся гены, а где – межгенные промежутки, и определенная вероятность кроссинговера не может быть приписана именно межгенному промежутку. Если мы действительно хотим начать с простой нулевой гипотезы, нам следует предположить, что события кроссинговера происходят на некоем участке ДНК 1) с вероятностью, пропорциональной длине участка ДНК и 2) независимо друг от друга.

Введя эти предположения, мы по сути описали кроссинговер как простой (или стационарный) пуассоновский процесс. Пуассоновским процессом называется ситуация, когда мы имеем некую вещественную шкалу, пространственную или временную (обозначим ее t), в разных точках которой произошли независимые случайные события, причем вероятность наступления события распределена вдоль шкалы равномерно с определенной мгновенной плотностью (обозначим ее λ). Эта плотность есть мгновенное относительное приращение ΔP / Δt вероятности наступления события P при увеличении интервала шкалы T на Δt. Большая часть примеров простого пуассоновского процесса связана со случайными событиями, произошедшими во времени, поскольку время является той самой одномерной шкалой. Хорошим примером пуассоновского процесса вообще (с переменной плотностью) являются входящие телефонные звонки, а если плотность их постоянна, то это будет именно простой пуассоновский процесс. Пространственные примеры встречаются реже, поскольку мы редко имеем одномерные но также возможны – допустим, если мы рассмотрим узкую дорогу постоянной ширины, на которую пролился кратковременный дождик, то попадание капель в точки вдоль длине дороги длины дороги будет простым пуассоновским процессом.

Молекула ДНК представляет собой нить и тем самым являет нам ту самую одномерную шкалу. (Состоя из нуклеотидов, она дискретна, а не вещественна, но этим обстоятельством можно пренебречь, как мы пренебрегаем тем фактом, что всегда мерим вещественные числа с каким-то шагом.) Являются ли акты кроссинговера, происходящие в той или иной точке этой шкалы, случайными, независимыми и равномерно ли распределена плотность их вероятности вдоль молекулы ДНК? Ответ на эти вопросы должен быть экспериментальным, но мы находимся в выигрыше уже от того, что знаем, какие вопросы мы задаем природе и имеем простую нулевую гипотезу – что ответы на все три вопроса положительны, то есть кроссинговер – это простой пуассоновский процесс. Цитологические наблюдения за хиазмами большинства (но не всех!) организмов на первый взгляд как будто бы говорят нам о том, что их распределение по хромосоме случайно. Давайте тогда исследуем, какие предсказания нам может дать наша нулевая гипотеза и соответствуют ли они действительности.

Математические свойства простого пуассоновского процесса известны. В частности, известен ответ на вопрос – сколько событий произойдет на интервале шкалы длиной T. Это число (обозначим его k) также является случайной величиной с областью определения в виде неотрицательных целых чисел, а вероятности ее значения описываются распредлением Пуассона:

P(k) = xk ex / k!

где x = λ T, то есть плотность вероятности наступления событий, умноженная на длину интервала. Вот как оно выглядит:

Существует вреднейший миф, утверждающий, что распределение Пуассона – это якобы распределение редких событий. Мы видим, что область определения k неограничена справа, то есть на сколь угодно малом интервале теоретически может произойти сколь угодно большое количество событий, и мы можем расчитать вероятность такого исхода. Источник этого мифа состоит в механизме математического вывода распределения Пуассона. Оно получается в качестве предела биномиального распределения получения k благоприятных исходов в n испытаниях Бернулли с вероятностью благоприятного исхода х/n, если n → ∞. Для наглядности этот вывод принято представлять следующим образом – если мы возьмем интервал шкалы T и будем разбивать его на все большее число частей n, так что в конце концов вероятность события на каждой окажется настолько маленькой, что два события станут невозможны, то общее число событий на всем интервале T мы сможем подсчитать, исходя из биномиального распределения с вероятностью x/n, и далее переходим к пределу, увеличивая n до бесконечности. Легко понять, что этот предел не зависит от исходной величины х, а редкость события появляется лишь при устремлении n к бесконечности. Само же распределение Пуассона справедливо для любых значений количества событий k и параметра x.

Распределения Пуассона имеет единственный параметр x, который есть его матожидание. В нашем случае мы интерпретируем его как среднее количество кроссоверных событий на некоем участке ДНК, который мы можем выбирать произвольно.

Давайте посмотрим, что будет, если мы выберем отрезок, на котором x = 1, то есть в среднем происходит одно кроссоверное событие. Вероятность того, что не произойдет ни одного события будет 1/e (~0,37), вероятность того, что произойдет одно событие – также 1/e, вероятность двух событий будет 1/2e (~0,19), на все остальные возможности у нас остается суммарная вероятность всего лишь 0,07 и мы можем пренебречь ими. Ни одного и два кросоверных события дают нам нерекомбинантные гаметы, вероятность рекомбинантных гамет определяется вероятностью одного события, которая есть около 37%.

Если мы возьмем отрезок, на котором x=2, соответствующий вышеприведенному грубому примеру с тремя локусами, вероятность кроссинговера между смежными из которых равна 1. Вероятность 0 событий будет 1/e2 (~0,14), 1 события и 2 событий – по 2/e2 (~0,27), 3 событий 3/2e2 (~0,20), и на все остальное приходится вероятность 0,12. Кроссоверные гаметы дают 1 и 3 события, их суммарная вероятность составляет 47%. Мы видим, что вероятность кроссоверных получения кроссоверных гамет нигде не превышает 50%. Если мы увеличим x, то разница вероятностей между смежными значениями k еще более сглаживается, так что сумма вероятностей всех случаев нечетного количества событий кроссинговера, при которых получаются кроссоверные гаметы, будет все больше приближаться к 50%. Таким образом, мы вряд ли получим рекомбинационные расстояния между локусами, превосходящие 50%. Этот результат можно вывести и формально. Кроссоверные гаметы дают все случаи нечетного количества кроссоверных событий на хромосому, а некроссоверные – все случаи нечетного количества включая 0. Таким образом, матожиданием частоты рекомбинантных гамет r будет сумма вероятностей всех нечетных количеств кроссоверных событий. Хотя само это количество неограничено сверху, данный ряд по определению сходится, так как сумма вероятностей всех возможных количеств кроссоверных событий есть 1, так как они составляют полную группу событий. Исходя из распределения Пуассона,

r = xe-x + x3e-x / 3! + x5e-x / 3! .... = 1/2 (1 – e-2x)

Мы видим, что эта величина меньше 1/2 и приближается к этому значению по мере возрастания х.

5. Какие хроматиды участвуют в кроссинговере.

Так вот, этот совершенно правильный вывод я получил, исходя из совершенно неправильной модели, которую мы сейчас будем исправлять. Я сделал это намеренно, чтобы привлечь ваше внимание к правильной модели, поскольку изумления достоен тот факт, сколь многие генетики оказываются не в курсе правильной модели. Один будущий доктор наук даже как-то написал статью, в которой, исходя из неправильной модели, пришел к выводу, что некая общеизвестная процедура должна приводить (цитирую его замечательный афоризм из резюме) к «бессмысленным, трудно интерпретируемым результатам». Попробуйте сами догадаться, в каком отношении данная модель кроссинговера неправильна и какая будет правильной.

Дело в том, что мы рассматривали кроссинговер между гомологичными хромосомами, забывая о том, чем они представлены в профазе мейоза, когда кроссинговер и происходит. А представлены они двумя сестринскими хроматидами. Так что в каждом биваленте мы имеем не две нити ДНК, принадлежащие гомологам, а четыре нити ДНК, так что каждый гомолог представлен парой нитей. В то же время, в каждом акте кроссинговера участвует только две нити ДНК. Это заставляет нас задать природе дополнительные вопросы – какие нити ДНК участвуют в кроссинговере и оказывают ли хроматиды одного гомолога влияние друг на друга в отношении вероятности кроссинговера.

Между прочим, это сейчас вам уже рассказали в курсе цитологии, что к моменту кроссинговера каждый из гомологов в биваленте представлен двумя сестринскими хроматидами. Между тем, как мы уже убедились на примере Менделя, генетика всегда на несколько шагов обгоняла цитологию. В результате вышеуказанное обстоятельство еще не было выявлено цитологическими методами, но зато было быявлено генетическими. Генетические эксперименты прямо указывали, что кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид.

Доказательствами этого может служить потомство самок дрозофил со сцепленными X-хромосомами, в одну из которых введена рецессивная мутация, а во втором присутствует аллель дикого типа. Такие самки гетерозиготны и имеют нормальный фенотип. Сцепленные Х-хромосомы представляют собой одну изохромосому, у которой от центромеры, в норме расположенной на самом конце Х-хросомомы, отходят два гомологичных плеча. В профазе мейоза эти плечи образуют бивалент, то есть такая хромосома конъюгирует сама с собой. Если бы кроссинговер происходил на стадии двух хроматид, то никакие кроссоверные события не влияли бы на состав аллелей в сцепленной Х; в частности, кроссинговер между центромерой и рассматриваемым локусом реципрокно менял бы один аллель на другой, но результат ничем не отличался бы от исходной хромосомы. Иное дело, если кроссинговер идет на стадии четырех хроматид. Тогда у него есть выбор – обменивать участки разных плечей у одной и той же хроматиды или у разных. В первом случае результат будет эквивалентен исходному, во втором мы получим хроматиду, у которой оба плеча несут мутантный аллель и хроматиду, у которой оба плеча несут рецессивную мутацию. Потомство, получившее от матери такую хроматиду, будет иметь мутацию в гомозиготе и проявлять мутантный фенотип, который в случае двух хроматид не мог бы возникнуть.

Такой опыт провели в 1925 г. все тот же К. Бриджес и И. Андерсон. Как вы помните, самки дрозофилы, имеющие сдвоенную Х-хромосому и Y хромосому при любой скрещивании порождают только самок, подобных себе, то есть несущих точно такие же половые хромосомы. Фактически мы размножаем сдвоенную Х-хромосому в самках и, наблюдая за самками, наблюдаем за ее судьбой. Бриджес и Андерсон синтезировали три таких линии, у которых в одно из плеч сдвоенной Х была введена одна из трех рецессивныч мутаций – f (forked, вильчатые щетинки), g (garten, ярко-красные глаза) и v (vermillion, также яркие глаза). В потомстве таких линий с определенной частотой появлялись соответствующие рецессивные фенотипы, что можно было объяснить кроссинговером между хроматидами сцепленных Х. Этот кроссингорвер тем вероятнее, чем дальше от центромеры (расположенной на самом конце) находится исследуемый локус. Частоты, с которыми выщеплялись рецессивные фенотипы, вполне согласовались с раположением и рекомбинационными дистанциями между тремя исследуемыми локусами.

Данный метод анализа получил название полутетрадного, поскольку каждая самка получает две хроматиды от одного бивалента (который по сути является одной хромосомой).

В конце концов, кроссинговер на стадии четырех хроматид становится очевидным, если мы вспомним, как выглядят созревающие аски нейроспоры после скрещивания нормального штамма со штаммом, несущим мутацию cys3:

 

Если бы кроссинговер между локусом cys3 и центромерой происходил на стадии двух хроматид, а хроматида удваивалась бы позже, то опять-таки, он не оказывал бы влияния на наблюдаемый результат: одна из клеток диады получала бы гомолог с аллелем cys3, а другая – с аллелем cys3+, и мы видели бы только четверки окрашенных и неокрашенных аскоспор. Но поскольку кроссинговер на самом деле происходит на стадии четырех хроматид, из которых одна была вовлечена в кроссоверный обмен, а другая нет (конечно, возможны случаи, когда вовлечены обе, но это не отменяет более вероятных случаев, когда вовлечена только одна). Соответственно, две хроматиды такого гомолога имеют разные аллели. Эти хроматиды попадают в разные клетки тетрады – потомки одной клетки диады. В результате мы можем видеть случаи, когда двойки окрашенных и неокрашенных спор чередуются случайным образом.

Как правило, пример с нейроспорой приводят в усложненном варианте, рассматривая одновременно два сцепленных маркера. Если бы кроссинговер происходил на стадии двух хроматид, все аскоспоры в таком мейозе несли бы кроссорвеные сочетания аллелей, а поскольку он проходит на стадии четырех хроматид, только половина аскоспор несет кроссоверные сочетания аллелей, а половина – некроссоверные. Мне представляется, что нейроспора дает нам куда более простой и наглядный пример с одним кроссинговером и одним маркером, который мы только что рассмотрели.

Наконец, в 1967 г. Тэйлор визуализовал кроссоверные события на цитологических препаратах. Нимфам кузнечика на протяжении одного митотического цикла перед мейозом вводили тимидин, меченый тритием, так что в S-фазе он включался только в одну вновь синтезируемую цепь ДНК, затем происходил митоз. Предмейотическая репликация ДНК проходила уже без присутствия меченого тимидина, при этом каждая хроматида наследовала одн из двух цепей ДНК от хромосом клеток, подвергавшихся воздействию, одна из которых оказывалась меченой, а другая нет. Таким образом, одна их хроматид была помечена радиоактивной меткой в составе одной из своих цепей ДНК. После мейоза были получены цитологичекие препараты, которые заливались радиочувствительной фотоэмульсией, визуализовавшей метку. В частности, наблюдались обменные хроматиды, состоявшие из меченых и немеченых отрезков. Для индивидуальных хромосом количество таких обменов хорошо соответствовали половине среднего количества наблюдаемых на них хиазм, что соответствует ожиданиям исходя из модели обмена на стадии четырех хроматид, который, при равновероятном участии в обмене каждой из хроматид каждого гомолога, только в половине случаев будет затрагивать меченую и немеченую хроматиду.

Итак, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид. Какие же хроматиды вступают в кроссинговер? Для нас прежде всего важен кроссинговер между хроматидами разных гомологов, поскольку он может приводить к рекомбинации аллелей сцепленных локусов. Сестринские хроматиды образуются путем репликации ДНК и должны быть идентичны, поэтому мы не можем увидеть результат одного кроссоверного события между ними, даже если он происходит. Однако если нас интересует результат нескольких событий кроссинговера с точки зрения частоты кроссоверных гамет, то нам нужно бы учесть то обстоятельство, что кроссинговер между сестринскими хроматидами, если он происходит, может «перекинуть» кроссоверное состояние с одной сестринской хроматиды на другую, что увеличивает количество возможных событий и нам, возможно, придется это учитывать далее при анализе множественного кроссинговера.

Выяснить вопрос о возможности сестринского кроссинговера экспериментально довольно сложно, однако и это было проделано достаточно давно. Во-первых, кроссинговер между сестринскими хроматидами не должен приводить к образованию видимых хиазм, поскольку обмен происходит в пределах одного гомолога. Во-вторых, сестринские хроматиды идентичны в отношении своего генетического содержания, но их можно сделать неидентичными химически, если во время s-фазы гаметоцитов обеспечить включение в ДНК радиоактивных нуклеотидов. Как мы только что узнали, это и было проделано Тэйлором в 1967 г. Тот факт, что количество обменов между меченой и немеченой хроматидой оответствовало половине количества хиазм на данной хромосоме, свидетельствовал в пользу того, что сестринские хроматиды вообще не участвуют в обменах, так как сестринский кроссинговер порождал бы обмены между мечеными и немечеными хроматидами, но не приводил бы к хиазмам, наблюдаемым между гомологами в биваленте цитологически. Если бы он имел место, обменов между меченой и немеченой хроматидами регистрировалось бы больше. (В действительности, их оказалось даже несколько меньше. На самую длинную хромосому того кузнечика в среднем приходится 3,67 хиазм, в пересчете на одну хроматиду имеем вдвое меньше, 1,88, несестринских обменов, из которых мы регистрируем с помощью радиоактивной метки только половину. Значит, при отсутствии сестринских обменов мы должны ожидать в среднем 0,94 хиазмы либо больше, если сестринский обмен имеет место. Тэйлор экспериментально получил цифру 0,89).

Дальнейшие работы в этом направлении показали, что сестринский кроссинговер в принципе возможен и иногда происходит, но весьма редок, так что им в наших моделях кроссоверной рекомбинации следует пренебрегать.

Вопрос о том, влияет ли участие одной из хроматид в кроссинговере на возможность участия в нем другой хроматиды, был разрешен посредством тетрадного анализа у дрожжей С. Эмерсон в 1963 г. Он получил данные о частотах разных типов двойных кроссоверных событий: тех, в которые вовлечены две хроматиды, три хроматиды и четыре хроматиды. Оказалось, что их экспериментальные частоты соответствуют хорошо соотношению 1 : 2 : 1. Именно этого следовало ожидать исходя из модели, при которой два события кроссинговера никак не влияют друг на друга. Действительно, перво событие затрагивает две хроматиды. Второе событие также затрагивает две хроматиды, каждая из которых с вероятностью 1/2 участвовала либо не участвовала в первом. Вероятность того, что обе не участвовали, равно как и вероятность того, что обе участвовали, есть 1/2 x 1/2 = 1/4, вероятность того, что первая участвовала, а вторая нет, равно как и того, что первая не участвовала, а вторая участвовала – также 1/2 x 1/2 = 1/4, но два последних случая неразличимы и дают один и тот же результат, так что из вероятности суммируются. Итак, участие хроматиды в одном событии кроссинговера никак не влияет на вероятность ее участия в другом событии кроссинговера, то есть хроматидная интерференция отсутствует.

Хотя результаты, свидетельствующие об отсутствии сестринского кроссинговера и хроматидной интерференции, были получены в 60-е годы, уже в 1919 году великий британский генетик и эволюционист Джордж Холдейн рассмотрел свойства модели кроссинговера, исходящую из этих нулевых гипотез, и предложил формулу для связи фактической частоты кроссинговера x, которую можно установить цитологическим методом, и наблюдаемой частоты кроссоверной рекомбинации, о которой мы судим по частоте рекомбинантных гамет r.

Давайте посмотрим, как сказывается разное число событий кроссинговера на доле рекомбинантных гамет исходя из того, что кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид.

6. Связь между частотой кроссинговера и рекомбинационными дистанциями исходя из кроссинговера на стадии четырех хроматид.

Одно событие кроссинговера затрагивает две хроматиды, а две остаются интактными, так что в результате получается половина хроматид кроссоверные, а половина – некроссоверные: см. левый ряд на рисунке ниже. На этом рисунке предполагается, что мы рассматриваем межлокусный промежуток, а по его концам располагаются аллели, изначально одинаковые у сестринских хроматид (1 и 2) и (3 и 4), но разные у разных гомологов. Добавим второе событие кроссинговера. С равной вероятностью оно может пройти одним из четырех способов, показанных на следующем рисунке в правом ряду:

Обратим внимание, что в первом случае у нас все четыре хроматиды оказываются некроссоверными, так как каждый отрезок оканчивается так же, как если бы никакого кроссинговера не происходило. Во втором случае кроссоверными оказываются все четыре хроматиды. В третьем и четвертом случае мы имеем по две кроссоверные и две некроссоверные хроматиды. Если мы усредним результаты большого количества мейозов и примем во внимание равновероятность всех четырех вариантов, то мы получим среди гамет половину кроссоверных и половину некроссоверных. Этот результат идентичен тому, что мы получили бы в случае одного кроссоверного события. Таким образом, второе кроссоверное событие в модели кроссинговера с участием четырех хроматид никак не влияет на соотношение кроссоверных и некроссоверных гамет. Легко убедиться, что точно так же не влияет и любое дополнительное количество кроссоверных событий.

Получается, что любое отличное от нуля количество кроссоверных событий на произвольном участке хромосомы дает половину кроссоверных гамет и половину некроссоверных гамет, тогда как в отсутствии кроссинговера (0 событий) все гаметы некроссоверные. Во-первых, отсюда следует, что в опыте мы никогда не можем ожидать получить более 50% кроссоверных гамет (в реальности мы можем получить частоту, превосходящую 50%, но это будет не более чем статистической флуктуацией). Во-вторых, решающим для ожидаемой доли кроссоверных гамет оказывается единственный класс распределения Пуассона – нулевой, то есть вероятность того, что на данном участке вообще не произойдет кроссоверных событий.

Viola, исходя подставляя в формулу распределения Пуассона

P(k) = xk ex / k!

значение k=0, получаем

P(0) = ex 

Поскольку каждое ненулевое количество кроссоверных событий дает нам половину нерекомбинантных гамет, теоретически ожидаемая доля рекомбинантных гамет может быть вычислена как

r = 1/2 (1 - ex)

Это и будет формулой Холдейна для связи доли рекомбинантных гамет и частоты кроссоверных событий. (Воистину, существует много разных формул Холдейна, но чтобы отличить эту от всех прочих, ее лучше называть картирующей функцией Холдейна!).

Напомним, что здесь х есть среднее число кроссоверных событий на данном участке бивалента. Но каждое из них затрагивает только одну хроматиду каждого гомолога, поэтому можно ввести также величину d = 1/2x – среднее число кроссоверных событий на данном участке одной хроматиды. Получаем

r = 1/2 (1 - e –2d)

Заметим, что это в точности та же формула, которую мы получили выше для неправильной модели двуххроматидного кроссинговера (в сулчае которой x=d).

Стертевант получил первые генетические карты для довольно короткого участка хромосомы. А мы только что убедились, что сколь бы ни велико было среднее количество ожидаемых кроссоверных обменов между локусами, ожидаемая доля рекомбинантных гамет никогда не превысит 50%. Таким образом, эта величина непригодна для построения рекомбинационных генетических карт на далеких расстояниях. Зато, исходя из предположения, что среднее число кроссоверных обменов на участке хромосомы между локусами как-то отражает физическую длину этого участка, генетические карты можно строить исходя из этой величины (в пересчете на одну хроматиду), d. Цитологически можно подсчитать среднее число хиазм на каком-то плече хромосомы или другой легко отличимой ее части, но невозможно подсчитать его между двумя локусами. Поэтому гораздо чаще приходится решать обратную задачу – определение среднего кроссоверных обменов на участке между двумя локусами на основании наблюдаемой в скрещивании частоты рекомбинантных гамет (обозначим ее R). Дело в том, что на основании вычисленного среднего числа кроссоверных обменов на хроматиде d на том или ином межгенном промежутке строят рекомбинационные генетические карты. Вышеприведенную формулу Холдэйна можно превратить в картирующую функцию Холдэйна:

 

d = ½ ln (1 – 2R)

 

7. Интерференция.

 

На следующем рисунке изображено три кривых зависимости r от х. Самая нижняя из них есть зависимость, задаваемая формулой Холдэйна. Сама верхняя – диагональная прямая – отражает гипотетическую ситуацию, когда r и x тождественны. Такая ситуация наблюдалась бы на рекомбинационных расстояниях менее 50% если бы одно кроссоверное событие полностью исключало любые последующие, которую можно было бы назвать «абсолютная интерференция. Третья кривая промежуточна между ними, но именно неподалеку от этой кривой мы видим точки, которые на графиках обычно отображают экспериментальные данные. Так оно и есть: связь между частотой наблюдаемых хиазм и долей рекомбинантных гамет, полученная на самых разных организмах, удивительно хорошо ложится на некую кривую, которая не совпадает ни с одной из теоретически предсказанных, в частности с формулой Холдейна.

Это в частности означает, что простая модель, из которой исходил Холдэйн, неверна. Неверна она не в том пункте, что любое ненулевое число кроссоверных событий на интервал дает произвольно число гамет. Неверна она в том пункте, что кроссоверные события не являются простым пуассоновским процессом, то есть они либо неравномерны по хромосоме, либо зависят друг от друга. О неравномерности мы будем говорить позднее, это феномен распространенный, но он накладывается на механизм «по умолчанию», предполагающей равномерность кроссинговера. А вот влияние кроссоверных событий друг на друга – феномен универсальный, и он называется интерференцией. Интерференция была открыта в 1916 г. Мёллером. Как следует из графика, на котором фактически наблюдаемая зависимости лежит между зависимостью, предполагающей независимость кроссоверных событий и абсолютной интерференцией, вероятность кроссоверного события понижает вероятность того, что поблизости от него произойдет другое кроссоверное событие, то есть кроссоверные события как бы отталкиваются друг от друга, хотя и не исключают друг друга полностью.

Величину интерференции можно выразить с помощью так называемого коэффициента коинциденции С, который отражает отклонение наблюдаемой частоты двойных кроссоверов от той, которая ожидалась бы в случае их независимости друг от друга. Он расчитывается на основании рекомбинации между тремя локусами, расположенными впорядке abc следующим образом:

для одного тригибридного скрещивания:

С= rdouble/ rab rbc для трех дигибридных скрещиваний:

С= (rab + rbc – rac)/ 2 rab rbc

Надеюсь, обозначения и смысл различий понятен. Выше мы убедились, что рекомбинантное расстояние rac , вычисляемое на основе доли рекомбинантных гамет в отношении локусов a и c, отличается от суммы расстояний rab и rbc на удвоенную долю двойных кроссоверных гамет rdouble. , так что rdouble = (rab + rbcrac)/ 2.

Интерференция считается положительной, если коэффициент коинциденции меньше единицы, то есть кроссоверные события происходят реже, чем предполагает модель простого пуассоновского процесса, и отрицательной – если чаще. В реальности интерференция почти всегда положительна (небольшая отрицательная интерференция наблюдается в случае особого класса кроссовероных событий у дрожжей).

При отрицательной интерференции, наблюдаемой у живых организмов, коеффициент коинциденции меньше единицы. Его значение зависит от длины межгенных интервалов. У дрозофилы на отрезках в пределах 10% кроссинговера наблюдается полная интерференция, то есть отсутствие двойных обменов, на расстоянии 35-40% коэффициент коинциденции приближается к единицу, то есть интерференция становится незаметной.

Наличие интерференции делает непригодной к практическому применению картирующую функцию Холдэйна и ставит вопрос об адекватных картирующих функциях. Такие функции были предложены, но уже не исходя из какой-то математической модели, а чисто эмпирически. Кривая на нашем графике, которая хорошо соответствовала эмпирическим точкам, получена на основе картирующей функции Косамби:

 

d = ¼ ln ((1 + 2r) / (1 – 2r) )

 

А вот картирующая функция Людвига

 

d = ½ arcsin(2r)

 

Эти чисто эмпирические функции дают неплохие результаты, но их применимость до определенной степени зависит от объекта и вообще от конкретного случая. Их следует применять, когда мы намерены строить рекомбинационные генетические карты на основании величины d, вычисленной на основе наблюдаемой в опыте по скрезиванию величины r. Но если мы работаем на малых дистанциях, при значениях r в пределах нескольких процентов , на которых влияние интерференции существенно, то есть двойных кроссоверов почти нет и величина r ведет себя аддитивно, то мы можем принять dr. Так что если гены поставлены на карту густо, то необходимость в картирующих функциях отпадает. Заметим, что при большие значения d мы вообще не можем определить при помощи r, так как при все они дают значения r, очень мало отличающиеся от 50%. Поскольку, как мы уже сказали, на больших расстояниях интерференция почти не сказывается, мы можем воспользоваться формулой Холдэйна. Для значения d=1 имеем r=0,43, что уже близко к 0,5, для d=2 имеем r=0,49.

 

7. Рекомбинационные генетические карты

 

Итак, каким-либо образом мы получили достаточно надежные значения d. Одним из критериев надежности служит аддитивность значений d для разных пар локусов, то есть для наших любимых условных локусов abc должно выполняться равенство

dab + dbc = dac

С таким материалом уже можно строить рекомбинационные карты. Осталось ввести единицу измерения для вычисленных значений d. Для значения d=1 Холдэйном в том же 1919 г. было предложено название Морган, то есть если между двумя локусами в среднем происходит один кроссинговер в пересчете на хроматиду, то говорят, что они находятся на расстоянии 1 Морган (1 М). Нетрудно понять, что это очень неудобная единица, поскольку это очень большое расстояние, находящееся за пределами разрешающей способности нашего метода вычислять d на основании r. Практика показывает, что работать со значениями r>0,3 не имеет смысла, поскольку случайные флуктуации настолько перекрывают ничтожную разницу между значениями r, соответствующими разным d, что вычисленные значения d теряют всякую аддитивность и даже порядок генов на их основе становится невозможно выяснить. Поэтому чаще в качестве единицы пользуются сотой долей Моргана, которая назывется сантиморган (сМ). Эта же единица называется морганидой. Сантиморганы удобны и тем, что на расстояниях в несколько сМ они практически равны наблюдаемому в опыте по скрещиванию проценту рекомбинации.

Генетические карты представляют собой отрезки, числом равные гаплоидному набору хромосом, на которых указаны позиции локусов и расстояния между ними в сантиморганах. Каждый отрезок соответствует одной хромосоме гаплоидного набора. Однако в начале генетических исследований количество поставленных на карту локусов бывает недостаточно, чтобы покрыть все хросомы надежной картой, и общая карта бывает представлена островками надежных карт, на которых стоят близко сцепленные локусы, причем число таких островков превышает гаплоидное число хромосом. Такие островки называют группами сцепления. Со временем отдельные группы сцепления сливаются друг с другом, пока число групп сцепления не сравняется с гаплоидным числом хромосом.

Привожу обложку журнала Pisum Genetics (генетика гороха), за 1993 год, на которой приведена рекомбинационная генетическая карта гороха на тот момент (слева – шкала в сМ)

Старейший генетический объект, в гаплоидном наборе семь хромосом, но карта представлена десятью надежными группами сцепления, которые объединены в семь лишь предположительно. В настоящее время карта гороха сплошная, причем за счет не традиционных (видимых и даже биохимических) маркеров, а маркерах, основанных на первичной структуре ДНК, в том числе и таких ее участков, которые не несут осмысленной генетической информации. Но до сих пор у гороха сохраняется нелепая ситуация, при которой номера групп сцепления и хромосом не совпадают.

Нетрудно понять, что суммарная длина генетической карты, выраженная в Морганах, есть половина среднего числа хиазм на одно ядро, наблюдаемое цитологически. (Мы строим карту на основании величины d, которая есть число кроссоверных событий в пересчете на одну хроматиду). Это обстоятельство в начале 30х годов XX века (опубликовано в 1932 г.) проверил Сирил Дарлингтон, подсчитав среднее число хиазм на хромосомах и обнаружив хорошее соответствие с удвоенной длиной групп сцепления, что послужило подтверждением хромосомной теории наследственности, что послужило дополнительным доказательством хромосомной теории наследственности.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41968. Дослідження стійкості ланки другого порядку 114.05 KB
  Для лінійних систем автоматичного керування, які описуються характеристичним рівнянням виду a0pn+a1pn-1+…+an-1p+an=0 стійкість не залежить від величини і вигляду збурення і визначається коренями характеристичного рівняння, яке залежить від параметрів системи Для зручності зафіксуємо L C та змінюватимемо R withinttrns; urovnenie:=TTpp2xiTp1; h:=k p urovnenie; l:=invlplcehpt; sol:=solveurovneniep: sol[1];sol[2]; Аперіодичний процес Вибираємо L=50мГн.05;C:=2010^6;R:=250;T:=sqrtLC;xi:=RsqrtC L 2;k:=1;p1:=sol[1];p2:=sol[2];задання параметрів для даного виду процесу l:=invlplcehpt;розрахунок зворотнього перетворення Лапласа plotlt=0.05;C:=2010^6;R:=100;T:=sqrtLC;xi:=RsqrtC L 2;k:=1;p1:=sol[1];p2:=sol[2]; l:=invlplcehpt:...
41969. ДОСЛIДЖЕННЯ ВЕКТОРНИХ ПЛОТТЕРІВ 78.68 KB
  Все рассматриваемые здесь команды находятся в основной части языка HPGL 2. Первыми идут команды ини рйализации для установки размера изображения и другие параметры после них следуют команды для прорисовки линий фигур и трок символов а также одна или две команды для завершения процесса. Некоторые команды имеющие числовые аргументы требуют целых значений в то время как другие команды допускают наличие чисел с десятичной точкой. Некоторые команды передают результаты обратно хосткомпьютеру: например 01 сообщает идентификацию модели...
41970. Функції введення/виведення printf(), scanf(). Лінійні обчислювальні процеси 14.14 KB
  Обладнання: ПКПО Borlnd C Хід роботи Вивчити теоретичні відомості Ознайомитися з форматом функцій printf і scnf.h void min { long ; double b; unsigned c; flot d; cout Вводите n ; cin b c d; cout Long n ; printf 16.5d ; printf n double n ; printf 16.
41971. Обчислювальний процес, що розгалужується, з різними логічними умовами: оператор if... else, умовна операція (?:), оператор switch, оператор break, оператор goto 23.72 KB
  else умовна операція : оператор switch оператор brek оператор goto Ціль роботи: Вивчити реалізацію в мові ветвящихся обчислювальних процесів . Навчитися писати програми використовуючи оператори: розгалуження if.else переключення switch у парі з оператором brek оператор переходу goto тернарную умовну операцію .
41972. Розробка програм з циклічними обчислювальними процесами 44.87 KB
  Розробка програм з циклічними обчислювальними процесами Ціль роботи: Вивчити написання програм мовою С, використовуючи ітераційні (циклічні) методи, освоїти основні оператори, що підтримують роботу з циклами (for, while, do... while). Навчитися писати програми, використовуючи дані оператори.
41973. ПОБУДОВА ОПТИМАЛЬНОГО НЕРІВНОМІРНОГО КОДУ ЗА МЕТОДИКОЮ ХАФФМАНА 53.47 KB
  0 проводиться перехід до побудови дерева коду за допомогою проміжних вузлів. 161 00074 3 В 893 00412 21 Х 156 00072 11 Л 745 00344 29 Ю 148 00068 16 Р 699 00322 22 Ц 126 00058 №п п Символ ni pi №п п Символ ni pi 12 М 656 00303 25 Щ 108 00050 10 К 574 00265 24 Ш 60 00028 5 Д 507 00234 28 Э 59 00027 26 Ы 467 00215 20 Ф 30 00014 19 У 399 00184 8 З 4 00002 Дерево коду за методикою Хаффмана: Визначаємо ентропію джерела за формулою: Визначаємо максимальний ступінь стиснення інформації: Середня довжина кодової комбінації:...