Цитологическое доказательство кроссинговера

Кроссинговер

перекрест, взаимный обмен участками парных хромосом (См. Хромосомы), происходящий в результате разрыва и соединения в новом порядке их нитей — хроматид (рис.); приводит к перераспределению (рекомбинации) сцепленных Генов. Т. о., К. — важнейший механизм, обеспечивающий комбинаторную изменчивость, а следовательно, — один из главных факторов эволюции.

Кроссинговер (от англ. crossing–over – перекрёст) – это обмен гомологичными участками гомологичных хромосом (хроматид).

Цитологическое доказательство кроссинговера

После того как генетическими методами удалось установить явление кроссинговера, необходимо было получить прямое дока­зательство обмена участками гомологичных хромосом, сопровож­дающегося рекомбинацией генов. Наблюдаемые в профазе мейоза картины хиазм могут служить лишь косвенным доказатель­ством этого явления, констатация происшедшего обмена прямым наблюдением невозможна, так как обменивающиеся участками гомологичные хромосомы обычно абсолютна одинаковы но величине и форме.

Чтобы сопоставить цитологические карты гигантских хромо­сом с генетическими, Бриджес предложил воспользоваться коэффициентом кроссинговера. Для этого он разделил общую длину всех хромосом слюнных желез (1180 мкм) на общую дли­ну генетических карт (279 единиц). В среднем это отношение оказалось равным 4,2. Следовательно, каждой единице перекре­ста на генетической карте соответствует 4,2 мкм на цитологиче­ской карте (для хромосом слюнных желез). Зная расстояние между генами на генетической карте какой-либо хромосомы, можно сравнить относительную частоту перекреста в разных ее районах. Например, в Х- хромосоме дрозофилы гены у и ec нахо­дятся на расстоянии 5,5%, следовательно, расстояние между ними в гигантской хромосоме должно быть 4,2 мкм Х 5,5 = 23 мкм, но непосредственное измерение дает 30 мкм. Значит, в этом рай­оне Х -хромосомы кроссинговер идет реже средней нормы.

В силу неравномерного осуществления обменов по длине хромосом гены при нанесении их на карту распределяются на ней с разной плотностью. Следовательно, распределение генов на генетических картах можно рассматривать как показатель воз­можности осуществления перекреста по длине хромосомы.

30. Неравный кроссинговер. Обычно обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом осуществляется в строго идентичных, тождественных точках. Благодаря этому при перекресте происходит обмен равными участками хромосом. В очень редких случаях наблюдаются разрывы в несимметричных точках, и хроматиды обмениваются неравными участками. Такое явление называют неравным кроссинговером. Вследствие неравного кроссинговера участок одной из гомологичных хромосом может удвоиться или утроиться, а в противоположной хромосоме образуется его нехватка. Например, изучая мутацию Ваr (полосковидные глаза) у дрозофилы, Стертевантв 1925 г. обнаружил, что фенотип «полосковидные глаза» у таких мух обусловлен удвоением участка 16А в первой хромосоме. Но среди мух, несущих мутацию Ваr, иногда выявлялись особи с еще более узкими глазами и мухи с нормальными глазами. Оказалось, что хромосомы особей ультра-Ваr имеют утроенный участок 16А, у мух дикого типа хромосомы нормальные. По мнению Стертеванта, такие хромосомы могли образоваться в результате неравного кроссинговера по участку 16А у гомозиготных особей В/В.

Соматический кроссинговер. Известно, что гомологичные хромосомы в профазе митоза обычно не вступают в си -наптическую связь, а располагаются отдельно и независимо друг от друга. В то же время описаны случаи, когда наблюдается митотическая конъюгация гомологичных хромосом и рекомбинация между несестринскими хроматидами. Доказательство существования митотического кроссинговера было получено при наблюдении мозаичных пятен у мух с генотипом (у sn+/y+ sn). Пятна образуются тогда, когда рядом расположены два клона клеток, фенотипически отличающихся друг от друга и от клеток остальных тканей данной особи. Гены у (yellow — желтое тело) и sn (singed - «опаленные» щетинки) находятся в Х-хромосоме. Самка у sn+/y+ sn гетерозиготна по генам у и sn, и поэтому в отсутствие митотического кроссинговера ее фенотип будет нормальным. Однако если на стадии четырех хроматид между хроматидами гомологов (несестринскими хроматидами) произойдет кроссинговер, причем место обмена будет находиться между геном sn и центромерой, то после завершения деления могут образоваться клетки с генотипами у sn+/y sn+ и у+ sn/y+ sn. Для этого необходимо, чтобы после кроссинговера хроматиды каждого из гомологов отошли к одному полюсу клетки: y+sn- к одному полюсу, aysn* - к другому. Потомки дочерних клеток, размножившись в имагинальных дисках на стадии личинки, образуют мозаичные пятна. В этом случае на сером теле мухи с нормальными щетинками появятся два пятпа, одно из которых будет желтого цвета с нормальными щетинками, а другое -серого цвета с «опаленными» щетинками.

31. Регуляция кроссинговера.
Кроссинговер – это сложный физиолого-биохимический процесс, который находится под генетическим контролем клетки и подвержен влиянию факторов внешней среды. Поэтому в реальном эксперименте о частоте кроссинговера можно говорить, имея в виду все те условия, в которых она была определена. Кроссинговер практически отсутствует между гетероморфными Х- и Y-хромосомами. Если бы он происходил, то хромосомный механизм определения пола постоянно разрушался бы. Блокирование кроссинговера между этими хромосомами связано не только с различием в их величине (оно наблюдается не всегда), но и обусловлено Y-специфичными нуклеотидными последовательностями. Обязательное условие синапса хромосом (или их участков) – гомология нуклеотидных последовательностей.
Для абсолютного большинства высших эукариот характерна примерно одинаковая частота кроссинговера как у гомогаметного, так и гетерогаметного полов. Однако есть виды, у которых Кроссинговер отсутствует у особей гетерогаметного пола, в то время как у особей гомогаметного пола он протекает нормально. Такая ситуация наблюдается у гетерогаметных самцов дрозофилы и самок шелкопряда. Существенно, что частота митотического кроссинговера у этих видов у самцов и самок практически одинакова, что указывает на различные элементы контроля отдельных этапов генетической рекомбинации в половых и соматических клетках. В гетерохроматических районах, в частности прицентромерных, частота кроссинговера снижена, и поэтому истинное расстояние между генами в этих участках может быть изменено.
Обнаружены гены, выполняющие функции запирателей кроссинговера, но есть также гены, повышающие его частоту. Они иногда могут индуцировать заметное число кроссоверов у самцов дрозофилы. В качестве запирателей кроссинговера могут выступать также хромосомные перестройки, в частности инверсии. Они нарушают нормальную конъюгацию хромосом в зиготене.
Обнаружено, что на частоту кроссинговера влияют возраст организма, а также экзогенные факторы: температура, радиация, концентрация солей, химические мутагены, лекарства, гормоны. При большинстве указанных воздействий частота кроссинговера повышается.
В целом кроссинговер представляет собой один из регулярных генетических процессов, контролируемых многими генами как непосредственно, так и через физиологическое состояние мейотических или митотических клеток. Частота различных типов рекомбинаций (мейотический, митотический кроссинговер и сестринские хроматидные обмены) может служить мерой действия мутагенов, канцерогенов, антибиотиков и др.

Биологическое значение кроссинговера.
Благодаря сцепленному наследованию удачные сочетания аллелей оказываются относительно устойчивыми. В результате образуются группы генов, каждая из которых функционирует как единый суперген, контролирующий несколько признаков. В то же время, в ходе кроссинговера возникают рекомбинации – т.е. новые комбинации аллелей. Таким образом, кроссинговер повышает комбинативную изменчивость организмов.
Это означает, что…
а) в ходе естественного отбора в одних хромосомах происходит накопление «полезных» аллелей (и носители таких хромосом получают преимущество в борьбе за существование), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбывают из игры – элиминируются из популяций)
б) в ходе искусственного отбора в одних хромосомах накапливаются аллели хозяйственно-ценных признаков (и носители таких хромосом сохраняются селекционером), а в других хромосомах скапливаются нежелательные аллели (и носители таких хромосом выбраковываются).

Эволюционное значение сцепленного наследования. В результате сцепления одна хромосома может содержать как благоприятные аллели (например, А), так и нейтральные или относительно неблагоприятные (например, N). Если некоторый гаплотип (например, AN) повышает приспособленность его носителей за счет наличия благоприятных аллелей A, то в популяции будут накапливаться как благоприятные аллели, так и сцепленные с ними нейтральные или относительно неблагоприятные N.
Пример. Гаплотип AN обладает преимуществом перед гаплотипом “дикого типа» (++) за счет наличия благоприятного аллеляА, и тогда аллель N будет накапливаться в популяции, если он селективно нейтральный или даже относительно неблагоприятный (но его отрицательное влияние на приспособленность компенсируется положительным влиянием аллеля А).

Эволюционное значение кроссинговера. В результате кроссинговера неблагоприятные аллели, первоначально сцепленные с благоприятными, могут переходить в другую хромосому. Тогда возникают новые гаплотипы, не содержащие неблагоприятных аллелей, и эти неблагоприятные аллели элиминируются из популяции.
Пример. Гаплотип Al оказывается неблагоприятным по сравнению с гаплотипом «дикого типа» (++) за счет наличия летального аллеля l. Поэтому аллель А (благоприятный, нейтральный ил несколько снижающий приспособленность) не может проявиться в фенотипе, поскольку данный гаплотип (Al) содержит летальный аллель l. В результате кроссинговера возникают рекомбинантные гаплотипы A+ и +l. Гаплотип +l элиминируется из популяции, а гаплотип A+ фиксируется (даже в том случае, если аллель А несколько снижает приспособленность его носителей).

32. ИЗМЕНЧИВОСТЬ, свойство живых организмов существовать в различных формах (вариантах). Изменчивость может реализоваться у отдельных организмов или клеток в ходе индивидуального развития или в пределах группы организмов в ряду поколений при половом или бесполом размножении. По механизмам возникновения, характеру изменений признаков различают несколько типов изменчивости. Наследственная, или генотипическая, изменчивость обусловлена возникновением новых генотипов и приводит, как правило, к изменению фенотипа. В основе генотипической изменчивости могут лежать мутации (мутационная изменчивость) или новые комбинации аллелей, образующиеся за счёт закономерного поведения хромосом в мейозе и при оплодотворении (эукариоты) или за счёт рекомбинации (комбинативная изменчивость). Ненаследственная, или модификационная, изменчивость отражает изменения фенотипа под действием условий существования организма, не затрагивающих генотип, хотя степень изменчивости этого типа может определяться генотипом. Онтогенетическая изменчивость отражает реализацию закономерных изменений в ходе индивидуального развития организма (морфогенез) или клеток (дифференцировка). При этом типе изменчивости генотип остаётся неизменным, хотя в данном случае онтогенетические изменения детерминированы и предопределены генетическими факторами. Это и приводит к необходимости выделения онтогенетической изменчивости в самостоятельный тип. Причина онтогенетической изменчивости — функционирование различных наборов генов на разных этапах онтогенеза организма или жизненного цикла клетки в пределах одного генома, причём порядок «выключения» или «включения» определенных генов наследуется при делении клеток или половом размножении организмов. Для обозначения такого типа изменчивости используют также термины: «парагеномная», «эпигенотипическая», «эпигенетическая», «эпигеномная». Существуют и другие классификации изменчивости. Так, Ч. Дарвин различал определённую и неопределённую изменчивость. По современным понятиям, неопределённая изменчивость соответствует генотипической изменчивости, а определённая — модификационной. Подразделение изменчивости на наследственную и ненаследственную представляется искусственным, поскольку вариации в пределах любого типа изменчивости обычно в той или иной степени определяются наследственными факторами. Противопоставление терминов «фенотипическая» и «генотипическая» изменчивость тоже не всегда оправдано, так как причиной изменения фенотипа может быть изменения генотипа, то есть понятие «фенотипическая изменчивость» в широком смысле включает в себя все типы изменчивости. По характеру изменений признаков различают качественную (альтернативную, прерывистую) и количественную (флюктуирующую, непрерывную) изменчивость. Причины возникновения этих типов изменчивости бывают различны: модификации, изменения генотипа. Изменчивость — один из важнейших факторов эволюции, обеспечивающей приспособленность популяций и видов к изменяющимся условиям существования. Генотипическая изменчивость лежит в основе практической селекции при создании новых пород животных, сортов растений и штаммов микроорганизмов, модификационная — при подборе условий существования организмов, в которых реализуется один из пределов нормы реакции для особей данного генотипа.

Различают изменчивость наследственную и ненаследственную. Под наследственной изменчивостью понимают способность к изменениям самого генетического материала, а под ненаследственной - способность организмов реагировать на условия окружающей среды, изменяться в пределах нормы реакции, заданной генотипом.

Комбинативной называют изменчивость, в основе которой лежит образование рекомбинаций, т.е. таких комбинаций генов, которых не было у родителей.

Мутации - это наследственные изменения генотипического материала. Они характеризуются как редкие, случайные, ненаправленные события.

Классифицируются мутации по характеру изменения генома. По этому показателю выделяют 4 группы мутаций.

Генные -изменения нуклеотидного состава ДНК отдельных генов.

Хромосомные (аберрации) -изменения структуры хромосом.

Геномные -изменения числа хромосом.

Цитоплазматические -изменения неядерных генов [10].

Мутационная теория, или, правильнее, теория мутаций, составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после первооткрытия законов Г. Менделя в трудах Г. Де Фриза (1901-1903).

33. Мутациями называют стойкие изменения в структуре ДНК

и кариотипе. Термин впервые предложен ботаником Гуго де Фризом для обозначения

внезапно возникающих наследуемых изменений у растений.

Мутации у животных происходят постоянно с определенной частотой и скоростью.

Процесс образования их получил название мутагенеза.

Мутагенез — процесс возникновения наследственных изменений организма — мутаций.

Природа спонтанного М. изучена недостаточно. Долгое время ученые считали, что спонтанные мутации возникают под действием естественного фона радиации (в т. ч. космич. лучей), а также остаточных количеств нек-рых химич. веществ, образующихся за счет разложения природных органич. соединений или в процессе хозяйственной и бытовой деятельности человека. Одним из факторов спонтанного М. являются химич. соединения, естественно образующиеся в организме как промежуточные продукты обмена веществ. Многие ученые считают ведущей причиной спонтанного М. * ошибки» ферментов, взаимодействующих с ДНК при размножении клеток, устранении повреждений ДНК (см. Репарация генетическая) или в процессе обмена генами (см. Ген). Экспериментально установлено, что частота спонтанного М. близка к частоте <ошибок» ферментов, участвующих в генетических процессах.

Индуцированные мутации возникают под влиянием повреждающего действия на генетический аппарат клеток некоторых физич. и химич. агентов. Впервыеин-дуцированные (искусственные) мутации были получены в' 1925 г. советскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым путем облучения клеток дрожжей рентгеновскими лучами. В 1927 г. амер. генетик Г. Меллер установил мутагенное действие рентгеновских лучей в отношении мушки дрозофилы.