После того как было доказано явление кроссинговера генетическими методами, необходимо было получить прямое доказательство обмена участками гомологичных хромосом, сопровождающегося рекомбинацией генов.

К. Штерну удалось получить у самки и самца дрозофилы половые хромосомы, отличаемые друг от друга цитологически и генетически, различающиеся по морфологии. У самок отличие х-хромосом получено за счет того, что к одной из них был присоединен фрагмент от у-хромосомы, что дало ч-образную х-хромосому с генами cr B + дикого типа. Другая х-хромосома была также составной: один из ее фрагментов, несущий центросому, содержал рецессивный ген cr (carnation) – глаза цвета гвоздики и доминантный ген В (carnation – определяет глаза цвета красной гвоздики, а доминантный к дикому типу ген Вач – полосковидные глаза). Безцентромерный фрагмент х-хромосомы не был потерян в силу того, что он прикрепился к IV хромосоме. Так как прибавка фрагмента от у-хромосомы генетически мало активной, вообщем не изменила хромосомного балланса зиготы, гетерозигота по данным генам самка была вполне жизнеспособна. Для анализирующего скрещивания были взяты самцы с нормальными х- и у-хромосомами при этом половая х-хромосома самца несла гены cr и В + в гемизиготном состоянии. В потомстве были изучены цитологически только самки, среди которых возникли два класса мух с некроссоверными хромосомами crВ и cr + В +

и два других класса мух

crВ + и cr + В

самок могли появиться только при условии произошедшего кроссинговера между генами cr и В.

Так как каждый из четырех классов отличался друг от друга не только по признакам глаз, но и по морфологии половых хромосом, то цитологически можно было установить, что кроссинговер, давший два класса мух сопровождался обменом участков х-хромосом. К.Штерн проверил цитологически 374 самки из описанного скрещивания, 369 из них соответствовали ожиданному результату. Подобный же опыт проведен был на кукурузе. В потомстве получили как некроссоверные, так и кроссоверные зерна.

У большинства изученных животных и растений хиазмы и перекрест осуществляются у обоих полов. Но существуют отдельные виды животных, у которых кроссинговер осуществляется только у гомогаметного пола, а у гетерогаметного в норме отсутстует. У самцов дрозофилы и самок шелкопряда – полностью отсутствует синапсис, т.е. парное соединение гомологичных хромосом. У гомогаметных особей этих видов (самок дрозофилы и самцы шелкопряда) перекрест хромосом протекает нормально. У многих видов млекопитающих, птиц, рыб и насекомых гетерогаметность пола не сказывается на процессе кроссинговера.

Накопленные факты, говорят о том, что в механизме перекреста хромосом большую роль играет центромера. Вблизи центромеры перекрест происходит редко, затем у дрозофилы возрастает, а к концу снова уменьшается. Поэтому на генетических картах дрозофилы вблизи центромеры локализуется генов больше, чем у удаленных от нее районах. У кукурузы такого влияния центромеры на кроссинговер не обнаружено.

На частоту перекреста в разных участках хромосомы влияет и распределение гетерохроматиновых и эухроматиновых участков. У гетерохроматинового пола (самцы дрозофилы и самки тутового шелкопряда) перекрест хромосом не обнаруживается. Однако, если эти организмы подвергнуть действию рентгеновских лучей, то в потомстве возникают кроссоверные особи. Частота кроссинговера также зависит от возраста организма. Если изучить перекрест между двумя генами, локализованными по генетической карте на небольшом расстоянии, скажем на растоянии 6 морганид друг от друга, и учитовать процента кроссинговера у самок по десяти дневкам откладки оплодотворенных яиц (за 1-10, 11-20, 21-30 дней), то частота перекреста будет колебаться соответственно: 5,9; 1,8; 3,8%. Первый возраст соответствует максимому, второй – спаду, а третий – подъем процента перекреста. У генетика не вызывает сомнения положение о том, что все механизмы, работающие в клетке организма, наследственно детерменинированы. Кроссинговер тоже контролируется генотипом. Подтверждением этому служит эффективность отбора линий на высокую и низкую частоту перекреста между двумя генами. Отбор линий по данному признаку указывает на роль генотипа в определении кроссинговера. На частоту кроссинговера генотип может влиять разными путями. На молекулярном уровне генотип регулирует точность копирования ДНК. На хромосомном уровне генотип влияет через изменение политении хромосом, степень спирализации, прочность продольных связей в нити ДНК. На частоту перекреста в сильной степени влияют различные хромосомные перестройки, поскольку они нарушают нормальный синапсис хромосом. Имеется и межхромосомное влияние на перекрест. Хромосомные перестройки произошедшие в одной паре хромосом, влияют на частоту перекрестта в негомологичных хромосомах. У кукурузы открыты гены, которые контролируют синапсис, спирализацию и слияние хромосом. Помимо зависимости кроссинговера от генотипа и физиологического состояния, на частоту перекреста оказывают влияние факторы среды: высокая и низкая температуры, ионизирующее излучение, инфракрасные лучи и т.д.

Вопросы для самоконтроля:

1.Что такое кроссинговер.

2.Цитологическое доказательство кроссинговера.

3.Генетическое доказательство кроссинговера.

С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции». Москва «Высшая школа». 1989год, 590стр.

Р.Г. Заяц. и др. «Общая и медецинская генетика». Ростов- на- Дону. «Феникс». 2002год. 315стр.

Кроссинговер (англ. crossing-over - перекрест хромосом) - процесс обмена гомологичных хромосом участками во время их конъюгации в профазе I мейоза. Кроссинговер является одним из механизмов генетической рекомбинации (обмена генами) . Частота его зависит от расстояния между генами: чем дальше расположены гены друг от друга, тем чаще между ними идет перекрест. 1% кроссинговера принят за единицу расстояния между генами. Она названа морганидой в честь Т. Моргана, разработавшего принципы генетического картирования . Цитологическим признаком кроссинговера служат хиазмы - χ-образные фигуры бивалентов во время обмена участками. Кроссинговер обычно бывает мейотическим, но иногда происходит в митозе (соматический кроссинговер). Он может также осуществляться внутри гена.

Кроссинговер - один из важнейших процессов, обеспечивающих комбинативную изменчивость и, тем самым, дающий материал для естественного отбора.

Суть этого процесса заключается в обмене участков гомологичных хромосом. Это происходит путем разрыва и последующего соединения в новом порядке хроматид. Кроссинговер может приводить к рекомбинации больших участков хромосомы с несколькими генами или частей одного гена (так называемый внутригенный кроссинговер ), обеих нитей молекулы ДНК или только одной. Кроссинговер происходит во время конъюгации в I фазе мейоза . Кроссинговер может наблюдаться и при митотическом делении , но реже. В случае бесполых организмов митотический кроссинговер является единственным способом генетической рекомбинации. Митотический кроссинговер способен привести к мозаичной экспрессии рецессивных признаков у гетерозиготной особи. Такая экспрессия имеет важное значение в онкогенезе и в изучении летальных рецессивных мутаций.

Явление кроссинговера было открыто Ф. Янссенсом в 1909 году при изучении мейоза клеток саламандры, но теоретически явление кроссинговера предсказывали и раньше. В частности, американский цитолог У. Сэттон в 1903 г. предположил, что в одной хромосоме может находиться несколько генов, и тогда должно наблюдаться сцепленное наследование признаков, т.е. несколько разных признаков могут наследоваться так, как будто они контролируются одним геном. Подобная совокупность генов в одной хромосоме образует группу сцепления. Собственно, изучение кроссинговера и групп сцепления позволило создать карты хромосом . Первая карта хромосом была создана для плодовой мушки дрозофилы.

Типы кроссинговера

В зависимости от типа клеток , в которых происходит кроссинговер:

• мейотический - происходит в профазу первого деления мейоза, при образовании половых клеток,
• митотический – при делении соматических клеток, главным образом эмбриональных. Приводит к мозаичности в проявлении признаков.

Взависимости от молекулярной гомологии участков хромосом , вступающих в кроссинговер:

• обычный (равный) – происходит обмен разными участками хромосом.
• неравный - наблюдается разрыв в нетождественных участках хромосом.

В зависимости от количества образованных хиазм и разрывов хромосом с последующих перекомбинацией генов:

• одинарный,
• двойной,
• множественный.

Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды. Значение кроссинговера:

• приводит к увеличению комбинативной изменчивости,
• приводит к увеличению мутаций.

Человек специально проводит гибридизацию с целью получения необходимых вариантов комбинаций для использования в селекционной работе.

Закон Моргана.

Закон независимого распределения генов справедлив, если рассматриваемые гены входят в разные хромосомы в гамете (и соответственно в разные пары гомологичных хромосом в соматической клетке). Если же гены попадают в одну и ту же хромосому, то они должны наследоваться вместе. Именно этим и объясняется открытое и исследованное американским биологом Т. Морганом отклонение от второго закона Менделя, наблюдаемое всякий раз, когда рассматриваемые признаки определяются сцепленными генами, т.е. генами, входящими в одну и ту же хромосому. Совместное наследование сцепленных генов получило название закона Моргана.

Томас Хант Морган (1866 - 1945) является основателем хромосомной теории наследственности. Используя представления о хромосомах, он не только обосновал законы Менделя, но также указал условия их применимости и, кроме того, получил ряд новых важных результатов. К таким новым результатам следует отнести не только закон Моргана, но и открытое Морганом явление перекреста хромосом.

Явление перекреста хромосом.

Исследуя передачу по наследству признаков, определяемых сцепленными генами, Морган обнаружил, что сцепление не является абсолютным: среди гибридов второго поколения наблюдаются особи, у которых часть сцепленных генов унаследована от родителя, а остальные - от другого. Выполнив исследования на плодовой мушке дрозофиле, Морган нашел объяснение этому факту. Он обнаружил, что процесс образования плодовых клеток в организме (этот называют мейозом) начинается со своеобразного «прощального танца» гомологичных хромосом.

Представьте себе две вытянувшиеся гомологичные хромосомные нити, которые, перед тем как разойтись в разные гаметы, тесно прильнули друг к другу (каждый ген к соответствующему гену) и затем несколько раз закрутились вокруг самих себя. Это закручивание хромосом, или, иначе, взаимный перекрест, приводит к тому, что внутриклеточные силы, призванные разделить хромосомы, оттащить их друг от друга, разрывают хромосомы.

Место разрыва случайным образом меняется от одной пары перекрещенных хромосом к другой. В результате разрыва в одну гамету отправляется не целая хромосома, а взаимодополняющие друг друга части обеих гомологичных хромосом; другие части этих хромосом отправляются в другую гамету. Этот процесс показан схематически на рисунке 6.5. подчеркнем, что в момент разрыва соответствующие гены обеих хромосом (речь идет об аллелях) непосредственно контактируют друг с другом. Поэтому, где бы ни произошел разрыв, аллель из одной хромосомы отправиться в другую гамету, а аллель из хромосомы в другую гамету. Одним словом, не получиться так, чтобы в какой-то гамете не оказалось ни одного аллеля рассматриваемого гена. Все это можно представить так, как если бы «танцующие» пары хромосом перед расставанием обменялись друг с другом какими-то частями, причем обязательно соответствующими частями. В конечном счете в каждой образовавшейся гамете все равно окажется полный набор типов генов, присущий данной хромосоме. При этом произойдет случайное перекомбинирование отцовских и материнских аллелей.

В явление перекреста хромосом существенную роль играет случай. Случайно место разрыва в той или иной паре хромосом, а следовательно, случайна перекомбинация родительских аллелей.

Увеличивая поле действия случайного, явление перекреста хромосом способствует внутривидовому развитию, создавая дополнительные возможности перетасовки родительских генов. В то же время это явление как бы оберегает вид от возможных случайных генетических «посягательств» на него. Допустим, сто произошло случайное скрещивание особей двух разных видов и появились гибриды. У этих гибридов в каждой гомологической паре будут объединены хромосомы, весьма отличающиеся одна от другой по своей генной структуре (ведь эти хромосомы взяты от родителей, относящиеся к разным видам!). когда наступит время формирования половых клеток, такие хромосомы не могут вследствие существенных взаимных различий исполнить совместный «прощальный танец». В результате не смогут образовываться гаметы, а следовательно, и появятся гибриды второго поколения. Вот почему мулы (гибрид лошади и осла) не имеют потомства.