т в мейозе всех организмов, и у самцов, и у самок, и во всех парах гомологичных хромосом. Однако у самцов многих видов насекомых отряда Diptera, в том числе и у дрозофил, кроссинговер не происходит и рекомбинантные гаметы не возникают. Вот почему в скрещивании, представленном на рис. 5.4, аллели генов, находящихся в одной хромосоме, расходятся всегда вместе, т. е. ведут себя так, как этого следует ожидать при полном сцеплении.

Рис. 5.6 знакомит нас с примером наследования двух сцепленных генов Drosophila melanogaster, находящихся в Х-хромосоме. Все мужское потомство получает свою единственную Х-хромосому от матери, и эта Х-хромосома может быть как родительского, так и рекомбинантного типа. В этом примере анализирующее скрещивание гетерозиготной по обоим генам самки с самцом-носителем рецессивных аллелей обоих геРис. 5.6. Генотипы потомства в поколении F2 от скрещивания между самцами дрозофил с желтым телом (yellow) и самками с белыми глазами (white). Гемизиготность мужского потомства по Х-хромосоме позволяет определять генотипы самцов по их фенотипам, так же как в случае аутосом при анализирующем скрещивании. У самок в F2 генотипы нельзя определить по фенотипам.

Родитель y+w ' Y

y+w y+w

ское скре- у+ш у ш+ щивание (Р) —— $> Х ——- $

F,

u+m Y

У и>+ОХ

У Ш Y

J/+UJ

$ родительского типа

S рекомбинантного типа

Наблюдаемое количество

190 196

°. родительского

403

y+w

и рекомбинантного типа

(Генотипы по локусу yellow неразличимы, поскольку все самки получили от своих отцов доминантный аллель у*)

нов не обязательно, поскольку частоту рекомбинации можно определить по фенотипам гемизиготного мужского потомства. В Y-хромосоме нет аллелей соответствующих генов, расположенных в Х-хромосоме. В этом скрещивании двумя маркерами служили ген желтой окраски тела (у) и ген белоглазия (w); соответствующие доминантные аллели дикого типа определяют коричневатый цвет тела (у + ) и красные глаза (w+). Частота рекомбинации между этими генами, наблюдавшаяся при таком скрещивании, составляла 4/390^0,010.

Анализ частоты рекомбинаций может дать ответы на два вопроса. Первый вопрос состоит в том, принадлежат ли оба гена одной хромосоме. Если наблюдаемая частота рекомбинаций между аллелями каких-либо двух генов меньше 50%, то на этот вопрос можно ответить положительно. Для генов, расположенных в одной хромосоме очень близко друг к другу, наблюдается обычно очень низкая частота рекомбинаций. По мере увеличения расстояния между генами частота рекомбинаций также увеличивается. Более того, кроссинговер между генами, находящимися в одной хромосоме, но сильно удаленными друг от друга, может происходить настолько часто, что наблюдаемая частота рекомбинаций будет близка к 50%, т.е. к значению, соответствующему независимому расщеплению. В таких случаях для определения принадлежности генов одной хромосоме требуется статистический анализ. Иногда хромосомы бывают настолько длинными, что гены, расположенные на разных концах, всегда расходятся независимо. Такие случаи можно выявить, лишь ответив на второй вопрос: каково взаимное расположение сцепленных генов в хромосоме? Рекомбинационный анализ дает ответ и на этот вопрос.

Генетические карты

Впервые порядок генов в хромосоме удалось установить Альфреду Стертеванту при выполнении им дипломной работы в «мушиной» лаборатории Томаса Ханта Моргана. В 1911 г. Морган и его студенты обнаружили существование множества сцепленных с полом мутаций у дрозофилы. Сцепленность с полом не оставляла сомнений в том, что соответствующие гены локализованы в Х-хромосоме. При проведении скрещиваний между линиями, содержащими различные мутации (см., например, рис. 5.6), обнаружилось, что частоты рекомбинации между различными парами генов зависят от того, какая именно пара генов изучается, и почти постоянны для каждой пары. Частоты рекомбинаций, наблюдавшиеся между отдельными парами генов, представлены в табл. 5.1. Стертевант первым понял, что эти данные можно использовать для построения физической модели, или карты Х-хромосомы, на которой указывалось бы относительное расположение различных генов. Говоря более точно, Стертевант доказал на основании этих данных, что карта должна быть линейной, или одномерной, т. е. иметь форму, в точности совпадающую с нитевидной формой хромосом, наблюдаемой под микроскопом. Первая генетическая карта Х-хромосомы, построенная Стертевантом на основании данных, представленных в табл. 5.1, изображена на рис. 5.7.

Стертевант рассудил, что если гены расположены вдоль хромосомы, то чем дальше они расположены друг от друга, тем больше вероятность того, что кроссинговер произойдет между ними. Следовательно, частота рекомбинаций между удаленными генами должна быть больше, чем между соседними генами.

Проанализируем на основе этих соображений данные табл. 5.1. Частота рекомбинаций между мутациями yellow и white составляет 0,010, и, следовательно, они должны быть расположены много ближе друг к другу, чем yellow и vermilion, частота рекомбинаций между которыми составляет 0,322. Частота рекомбинаций между white и vermilion равна 0,300, следовательно, white должен быть ближе к vermilion, чем yellow. Аналогичное рассуждение показывает, что vermilion расположен рядом с miniature (частота рекомбинации 0,030) и что vermilion находится ближе к white, чем miniature (частоты рекомбинаций 0,300 и 0,327 соответственно). Следовательно, vermilion должен располагаться между white

Таблица 5.1. Частота рекомбинации (между некоторыми сцепленными с полом мутациями Drosophila melanogaster

Гены

Частота рекомбинации

Yellow (y)-white (w)

Yellow (у)-vermilion (v) Yellow (y)-miniature (m) Vermilion-miniature (m) White (w)-vermilion (v) White (w)-miniature (m)

White (w)-rudimentary (r) Vermilion (v)-rudimentary (r)

0,010 0,322 0,355 0,030 0,300 0,327 0,450 0,269

По Sturtevant A.H. (1913). J. Exp. Zool, 14, 43.

О 0,01 0,31 0,34 0,58

у w v « /?

Рис. 5.7. Первая генетическая карта и rudimentary. Ген yellow произвольно Х-хромосомы D. melanogaster; на ней выбран точкой отсчета на генетиче-указано взаимное расположение ге- ской карте, нов yellow, white, vermilion, miniature

и miniature. Наконец, rudimentary почти не сцеплен с white, так как частота рекомбинаций между ними равна 0,45, т.е. близка к значению 0,50, отвечающему независимому расщеплению. Из того, что vermilion более тесно, чем rudimentary, сцеплен с white, следует, что он расположен между ними, и, значит, rudimentary лежит справа от white.

Взаимное расположение white и rudimentary показывает, что, как уже отмечалось ранее, два гена могут принадлежать одной хромосоме и тем не менее наследоваться независимо-для этого они лишь должны быть расположены достаточно далеко друг от друга. Например, ген, находящийся на некотором расстоянии справа от rudimentary, будет практически не сцеплен с white (т. е. частота рекомбинаций между ними будет неотличимой от 0,50), и тем не менее можно показать, что он принадлежит к той же хромосоме, что и white, поскольку оба они сцеплены с rudimentary. На рис. 5.7 расстояния между генами соответствуют частотам рекомбинации между ними. Частота рекомбинации, равная 1%, определяет единицу масштаба на генетической карте и называется морганидой или сантиморганидой (в честь Т.Х. Моргана). Положение каждого гена на карте определяется его расстоянием от ближайшего из группы сцепленных генов. Произвольно принято, что ген yellow расположен на левом конце карты, т. ^находится в положении 0,0, и положение всех других генов оценивается по сумме частот рекомбинаций между ближайшими соседями. В результате получается, что расстояние между yellow и rudimentary на карте Х-хромосомы составляет 0,58 сМ.

Трехфакторные скрещивания

В тот день, когда «этот мальчишка Стертевант» (слова Германа Мёл-лера, в ту пору аспиранта в лаборатории Моргана) представил свое доказательство линейной упорядоченности генетической карты, в лаборатории Моргана царило необычайное возбуждение. Доказательство основывалось на анализе данных по скрещиваниям, в которых расщепление происходило по трем различным локализованным в Х-хромосоме генам (трехфакторное скрещивание).

Перечислим все типы яйцеклеток самки, гетерозиготной по мутациям желтое тело (yellow), белые глаза (white) и миниатюрные крылья (miniature), т. е. самки с генотипом ywmf + + +.

Кроме двух родительских комбинаций аллелей возможно еще шесть, поскольку в Х-хромосоме может оказаться любой из двух аллелей каждого гена. Следовательно, общее число возможных комбинаций равно 2-2-2=8 (рис. 5.8). Поскольку эти гены сцеплены, различные сочетания аллелей возникают с разными частотами, определяемыми комбинацией аллелей в родительских хромосомах и частотой кроссинговеров между каждой парой генов. Эти частоты рекомбинаций приведены на рис. 5.8. Если гены линейно упорядочены вдоль хромосомы, то возможны, как

Рис. 5.8. Результаты анализирующего скрещивания у D. melanogaster по трем локусам Х-хромосомы.

Анализирующее скрещивание ;

+ + +

у w т

у w щ

Потомство; Класс

Родительский

Генотип материнской Х-хромосомы сына или дочери

+ +

у w т

Наблюдаемое количество

6972

су и w i

т рекомбинировал Г + + Т

I у W + 3454

У рекомбинировал J

с w и т Л

Г У + Т

w рекомбинировал ) —

10 495

Ч астота рекомбинации между: и> и т (3454+ 9)/10495 = 0,330 у и w (60 + 9)/Ю495 = 0,007 унт (3454 + 60)/10495 = 0,335

это изображено на рис. 5.9, три различные последовательности их расположения. Одна пара реципрокных рекомбинантных типов из числа представленных на рис. 5.8, не может возникнуть из исходной последовательности посредством одного кроссинговера в мейозе; для ее образования необходимы два кроссинговера в одном мейозе. Другими словами, если три гена линейно упорядочены, то не все возможные рекомбинант-ные типы могут возникать независимо друг от друга. Как мы уже видели, единичные кроссинговеры происходят между сцепленными генами с частотой, меньшей 1 /2. Следовательно, частота ре