§ 37. Картирование хромосом

Определения и обозначения

Сцепление генов — совместное наследование генов, расположенных в одной хромосоме. Они обычно переходят в гамету вместе, потому что находятся на одной молекуле ДНК. Однако при мейозе гомологичные хромосомы могут обменяться участками. Поэтому сцепление не абсолютно: обмен способен разделить гены и изменить их сочетание.

Кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами в мейозе. Гомологичные хромосомы несут гены для одних и тех же признаков, но могут иметь разные аллели. После обмена часть хромосом получает новые комбинации аллелей. Именно такие комбинации позволяют проследить, как часто между генами происходит обмен.

Частота кроссинговера — доля рекомбинантных потомков среди всех потомков, обычно выраженная в процентах. Рекомбинантами называют потомков с новыми сочетаниями аллелей. Чем дальше друг от друга гены, тем обычно больше участок хромосомы между ними и тем выше вероятность обмена в нём. Поэтому частота помогает оценить расстояние между генами.

Генетическая карта хромосомы — схема расположения генов, расстояния между которыми оценивают по частоте кроссинговера. Её составляют на основе данных о потомстве и сравнения разных пар генов. Карта показывает порядок генов и относительные расстояния между ними, но не физическую длину участка ДНК. Единица расстояния на такой карте — сантиморган.

Как это устроено

Гены одной хромосомы обычно наследуются вместе, потому что при делении клетки хромосома передаётся как единая структура. Вероятность их раздельного попадания в гаметы зависит от того, произойдёт ли между ними кроссинговер. Гены разных хромосом обычно распределяются независимо: пары хромосом ориентируются в мейозе независимо друг от друга. Поэтому сочетание аллелей таких генов не зависит от обмена между одной и той же парой гомологов.

До кроссинговера гомологичные хромосомы несут исходные сочетания аллелей, полученные от родителей. Если участки хромосом обмениваются, гены по разные стороны места обмена оказываются в новых сочетаниях. Чем больше расстояние между генами, тем больше участок, где может произойти обмен, и тем выше вероятность хотя бы одного кроссинговера между ними. Для близких генов обмен между ними случается реже, поэтому сцепление обычно сильнее.

Чтобы увидеть, какие сочетания аллелей попали в гаметы, проводят анализирующее скрещивание: особь с неизвестными сочетаниями скрещивают с рецессивной гомозиготой. Её аллели не маскируют аллели исследуемой особи, поэтому признаки потомков позволяют распознать полученные гаметы. Два наиболее многочисленных класса обычно соответствуют исходным сочетаниям и называются родительскими. Менее многочисленные классы обычно несут новые сочетания и являются рекомбинантными; их числа складывают.

Частоту кроссинговера вычисляют как число рекомбинантных потомков, делённое на общее число потомков и умноженное на 100%. Полученное значение в процентах приблизительно равно расстоянию между генами в сантиморганах: 1% рекомбинантов соответствует 1 сМ. Например, 8% рекомбинантов дают оценку около 8 сМ. Это приближённая оценка: при большом расстоянии множественные обмены могут вернуть аллели в родительское сочетание и остаться незамеченными.

Для построения карты сравнивают расстояния между несколькими парами генов. Если расстояния A–B и B–C в сумме дают расстояние A–C, ген B можно расположить между A и C; линейную запись тогда задают как A—B—C с указанными интервалами. Для трёх генов проверяют варианты порядка и выбирают тот, который согласуется с измеренными расстояниями. У далёких генов частота рекомбинации не превышает 50%: при независимом распределении родительские и новые сочетания встречаются примерно поровну, а множественные обмены дополнительно скрывают часть рекомбинаций.

Показатели и результаты картирования хромосом

Сначала определите, какие классы потомков родительские, а какие рекомбинантные, затем используйте только рекомбинантные для расчёта частоты. Для карты нескольких генов сравните расстояния между парами и проверьте, согласуются ли они с выбранным порядком.

Разбор задач

Задача 1

В анализирующем скрещивании получено 800 потомков, из них 80 имеют рекомбинантные сочетания признаков. Найдите частоту кроссинговера и расстояние между генами. Число рекомбинантов уже указано, поэтому дополнительные классы искать не нужно. Для вычисления важен общий размер потомства.

1. Запишем долю рекомбинантов: 80 / 800 = 0,1.
2. Переведём долю в проценты: 0,1 × 100% = 10%.
3. Оценим расстояние: 10% рекомбинантов соответствуют примерно 10 сМ.

Ответ: частота кроссинговера равна 10%, расстояние между генами — около 10 сМ. Проверка: рекомбинанты составляют одну десятую от всех потомков, а одна десятая — это 10%. Не делите 80 на число нерекомбинантов: знаменатель частоты — всё потомство.

Задача 2

При скрещивании дигетерозиготы с рецессивной особью получены четыре класса потомков: два многочисленных и два малочисленных. Установите родительские и рекомбинантные классы и вычислите расстояние между генами. Пусть численности классов равны 410, 390, 105 и 95, всего 1000 потомков. Два крупных класса указывают на исходные сочетания, а два малых — на новые.

1. Сравним численности: классы 410 и 390 — родительские, 105 и 95 — рекомбинантные.
2. Сложим рекомбинантные классы: 105 + 95 = 200.
3. Найдём частоту: 200 / 1000 × 100% = 20%.
4. Переведём её в расстояние: 20% соответствуют примерно 20 сМ.

Ответ: родительские классы — численностью 410 и 390, рекомбинантные — 105 и 95; расстояние около 20 сМ. Числа в примере заданы для демонстрации способа решения: в условии без конкретных численностей расстояние вычислить нельзя. Для реальных данных используйте сумму двух малых классов и общее число потомков.

Задача 3

Для трёх генов получены частоты рекомбинации: A–B — 5%, B–C — 8%, A–C — 13%. Определите порядок генов и составьте карту хромосомы. Нужно понять, складываются ли два меньших расстояния в третье. Если складываются, общий интервал разделён геном, который находится между двумя остальными.

1. Сравним расстояния: 5 + 8 = 13.
2. Поскольку A–B и B–C в сумме дают A–C, ген B расположен между A и C.
3. Запишем карту: A—5 сМ—B—8 сМ—C. Обратное направление записи, C—8 сМ—B—5 сМ—A, обозначает ту же карту.

Ответ: порядок генов — A, B, C (или обратный), расстояния между соседними генами равны 5 и 8 сМ. При других числах нужно проверить каждый возможный порядок и сопоставить сумму соседних интервалов с расстоянием между крайними генами. Такой способ предполагает, что значения частот достаточно хорошо отражают расстояния.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все потомки рекомбинантами. Так делают, если путают любой класс потомства с новым сочетанием аллелей. Рекомбинантными являются только классы, отличающиеся от родительских комбинаций. Проверьте себя: подпишите исходные сочетания и сравните с каждым классом потомков.

Ошибка: делить число рекомбинантов на число родительских. Такое отношение показывает сравнение двух групп, а не частоту среди потомства. Частота — доля рекомбинантов от общего числа потомков. Для проверки сложите численности всех классов и используйте эту сумму в знаменателе.

Ошибка: путать долю и проценты. Например, результат 0,12 означает долю, а не 0,12%. Чтобы получить проценты, умножьте долю на 100: 0,12 = 12%, что соответствует примерно 12 сМ. Перед ответом проверьте, есть ли в записи знак процента и не выполнен ли перевод дважды.

Ошибка: считать, что частота может превысить 50% или всегда точно равна расстоянию для далёких генов. В этом случае забывают, что множественные обмены могут восстановить родительское сочетание и скрыть рекомбинацию. Наблюдаемая доля рекомбинантов не бывает выше 50%, а для далёких генов оценка расстояния может быть занижена. Проверьте, не трактуется ли приблизительная оценка как точная длина участка.

Связь с другими темами

Для картирования нужно знать строение хромосом и понимать, что гены занимают определённые участки ДНК. Также необходимы знания о мейозе: кроссинговер происходит при образовании половых клеток и меняет сочетания аллелей. Анализ сцепленного наследования помогает объяснять распределение признаков у потомства. Методы картирования применяют и при изучении геномов, чтобы устанавливать порядок генов и исследовать наследование признаков.

Что запомнить

• Гены одной хромосомы могут наследоваться сцепленно.
• Кроссинговер нарушает сцепление и создаёт рекомбинантные сочетания аллелей.
• Частоту кроссинговера вычисляют как долю рекомбинантов от общего числа потомков.
• Один процент рекомбинантов соответствует одному сантиморгану на генетической карте.
• Чем дальше друг от друга гены, тем обычно выше вероятность кроссинговера между ними.
• Частота рекомбинации между генами не превышает 50%.