Генетическое сцепление

Летали

Рассмотрим еще одно явление, изменяющее менделевские соотношения. Допустим, в моногибридном расщеплении мы получили вместо ожидаемого расщепления 3:1 нечто около 5:1 или 7:1. Причем все было нормально – изначально имелись две гомозиготы, получилась гетерозигота с доминантным фенотипом, а во втором поколении – такая вот незадача! Мы вынуждены предположить, что гаметы, несущие разные аллели, имеют неодинаковую выживаемость или конкурентоспособность, однако какое-то их количество все же участвует в оплодотворении и они совместимы с жизнью, о чем говорит само существование гомозигот.

В главе о мейозе мы упоминали о летальных генах, или леталях, – тех, которые убивают своего носителя. Здесь под «генами» мы не можем подразумевать ничего, кроме аллелей, так как летальных локусов быть не может – на ДНК не может возникнуть специального участка с особой функцией убивать своего носителя. А вот летальные аллели очень даже нередки. Обычно это «сломанные» функциональные аллели, не способные производить жизненно важный функциональный белковый (или РНК-) продукт.

Следует оговорить, что речь идет о смерти до размножения. Вы знаете проходных лососевых рыб, умирающих сразу же после нереста (и тем самым добавляющих органики в водоемы, где выплодится их молодь, так чтобы для нее могла сформироваться кормовая база). Вы также знаете, что большинство рыб нерест не убивает, и наверняка таковы же были предки лососевых. По-видимому, в эволюции лососевых зафиксировалась в качестве полезной мутация, убивающая родителей после нереста. Однако такую мутацию нельзя назвать леталью, так как она не препятствует (а даже способ ствует) размножению. С другой стороны, любая мутация, которая делает организм стерильным, т. е. неспособным размножаться, в популяционном и эволюционном смысле эквивалентна летали, хотя бы сам ее носитель процветал и наслаждался жизнью. Как правило, если организм не тратится на размножение, все сэкономленные ресурсы идут на его собственные нужды. Стерильные растения, к примеру, обычно пышно разрастаются. Да и на людях эта закономерность прослеживается великолепно.

Как правило, летали рецессивны – это означает, что если летальный аллель оказывается в гетерозиготе с нормальным, то нормального аллеля, который кодирует полноценный продукт, хватает для обеспечения жизнеспособности носителя. Такие мутации не имеют других фенотипических проявлений помимо летальности в гомозиготе (поэтому у них как правило нет осмысленных названий). Теоретически ничто не препятствует и существованию доминантных леталей, убивающих своего носителя даже в гетерозиготе. Допустим, дефектная копия белка оказалась способной блокировать какой-то жизненно важный процесс. Однако доминантная леталь исчезает вместе со своим носителем сразу же или вскоре после своего возникновения и мы никогда не сможем ее зарегистрировать, тогда как ДНК, содержащая рецессивную леталь, в составе гетерозиготы будет реплицироваться и о ее существовании мы можем догадаться по генетическому расщеплению в потомстве, прежде всего по недостатку носителей аллелей сцепленных с ней локусов (об этом ниже). Иногда летальный аллель может иметь нелетальное проявление в гетерозиготе. У овчарок колли существует седая форма. Такие собаки гетерозиготны по некоему аллелю, который в гомозиготе летален. Соответственно этот аллель доминантен в отношении своего видимого проявления, но рецессивен в качестве летали. При скрещивании седых колли с нормальными он ведет себя как обычный доминантный аллель, обеспечивая расщепление седых и неседых собак как 1:1. При скрещивании же двух седых собак мы вместо соотношения 3:1 получим соотношение 2:1 – верный признак, что гомозигота по «седому» аллелю нежизнеспособна.

У растений существует особый класс гаметофитных леталей – летальных аллелей по локусам, имеющих жизненно важную функцию в гаплоидном поколении. Диплоидное растение, содержащее такую леталь в гетерозиготе, будет нормальным, но половина его гаметофитов, получившая в мейозе хромосому, несущую гаметофитную леталь, будет погибать. Если летальность проявляется в мужском гаметофите, то у такого растения половина пыльцы будет стерильна. Такую пыльцу можно легко регистрировать в виде пустых пыльцевых зерен, поскольку стенка пыльцевого зерна нарабатывается еще диплоидной клеткой до ее вступления в мейоз.

По сути, летальность является одной из форм взаимодействия генов, поскольку представляют собой испорченные узлы генной сети, приводящей к формированию и функционированию полноценного организма. Взаимодействие генов следует понимать именно на информационно-управленческом уровне.

Кроме генного взаимодействия на летальность аллеля может влиять так называемое взаимодействие генотип–среда. Некий аллель может быть вполне жизнеспособным в одних условиях и летальным в других. К примеру, многие бактерии способны расти, расщепляя широкий спектр органические веществ, присутствующих в среде их обитания. Допустим, кишечная палочка может усваивать многие вещества, образующиеся при переваривании пищи. Если ферментная система по расщеплению какого-то из них, допустим лактозы, будет нарушена, бактерия «не заметит» этого и будет усваивать другие. Но если мы специально поместим бактерии на бедную среду, в которой не будет ничего «съедобного», кроме лактозы, то мутация по лактатдегидрогеназе, к примеру, окажется летальной. Такие летали называют условными.

Представим себе, что у нас есть некий объект, который мы можем скрещивать и проводить анализ генетического расщепления в потомстве. Это может быть горох, плодовая мушка, кошки. Допустим, мы выявили у него два альтернативных признака и убедились, что они соответственно контролируются двумя генами – a и b, каждый из которых представлен двумя аллелями – A, a – и соответственно – B, b. Причем в каждой паре аллель, обозначенный заглавной буквой, доминирует над обозначенным строчной. Иными словами, создается самая типичная генетическая ситуация. Допустим, мы получили две линии, гомозиготные соответственно по A, B и a, b, скрестили их между собой, убедились в единообразии поколения F1 (проявляющее, как ему положено, фенотип A, B), скрестили особей этого поколения друг с другом и получили потомство F2. Мы собираемся наблюдать дигибридное расщепление, в котором количество потомков четырех возможных фенотипов будет флуктуировать вокруг ожидаемого соотношения 9 : 3 : 3 : 1. А получаем всего два класса фенотипов, идентичных фенотипам родительским линиям, в соотношении, представленном в таблице.

Или рассмотрим аналогичную ситуацию, но пусть два аллеля гена а, a1 и a2 проявляют кодоминирование, т. е. мы умеем отличать гетерозиготы по этому гену от обоих типов гомозигот. В подобной ситуации мы получили бы в F2 шесть возможных фенотипов. И вот допустим мы снова сталкиваемся с тем, что в реальном потомстве не все из них оказались представлены. Путь мы получили расщепление, приведенное в следующей таблице:

И наконец, если кодоминирование проявляют оба гена, вместо девяти ожидаемых фенотипических классов мы можем получить в F2 всего три, к примеру, в таких соотношениях, которые представлены в таблице.

Нетрудно видеть, что все три таблицы, по сути, показывают одно и то же расщепление, но так, как если бы наша способность различать генотипы по фенотипам с каждым разом увеличивалась. Иначе говоря, представлены такие цифры, которые дали бы нам расщепление, идентичное приведенному в последней таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену b и объявили, что аллель b1 доминирует над b2, и расщепление, идентичное таковому в первой таблице, если бы мы отказались от нашей способности видеть гетерозиготы по гену a.

Мы видим, что каждое моногибридное расщепление фенотипов, т. е. расщепление, рассмотренное отдельно по гену a и гену b, очень близко к теоретически ожидаемому – 96 : 32 для генов, в которых наблюдается доминирование одного аллеля над другим, и 32 : 64 : 32 для генов с кодоминирующими аллелями. В то же время дигибридное расщепление одновременно по двум генам не имеет ничего общего с ожидаемым. А именно аллели двух генов ведут себя как единое целое. Все те гибриды F2, которые несут аллель a1, одновременно оказываются несущими аллель b1, и нет ни одного носителя аллеля b1, который не нес бы аллель a1. Какой мы можем сделать отсюда вывод?

Казалось бы, самый естественный вывод такой: на самом деле мы имеем дело с одним и тем же геном, который проявляет плейотропию, то есть влияет одновременно на оба наших признака. Выяснив механизм наследования каждого признака по отдельности, мы предположили, что они контролируются каждый своим геном, a и b, а на самом деле это один и тот же ген. Аллель a1 является одновременно аллелем b1, а аллель a2 - одновременно аллелем b2. Это очень логичное предположение, и зачастую так и оказывается. Можно также предположить, что гены эти все же разные, но по какой-то причине аллель a1 всегда наследуется вместе с аллелем b1, а аллель a2 – с аллелем b2. Как если бы эти аллели разных генов были сцеплены друг с другом.

В трех нижеследующих таблицах приведем еще несколько примеров расщеплений, причем не умозрительных, а взятых из наших собственных опытов с горохом, опубликованных в журнале Pisum Genetics («Генетика гороха»). В первом и втором случае сохраняем настоящие обозначения генов. Аллель Astr определяет наличие фиолетовых пятен на бобах и доминирует над аллелем astr, пятен не вызывающих. Аллель D определяет наличие пурпурного кольца в основании прилистников и доминирует над аллелем d, кольца не формирующим. Аллель tl в гомозиготе приводит к тому, что на месте усов у гороха формируются листочки. У гетерозигот Tl tl усы имеются, но если присмотреться, то вдоль каждого из них идет узкая листовая пластинка, т. е. они проявляют некоторую тенденцию к превращению в листочки. У гомозигот Tl Tl усики в сечении четырехгранные, без пластинки. Обозначениями a1, a2 и b1, b2 заменены громоздкие обозначения кодоминантных аллелей условных генов a и b.

p = 6,0 ± 2,6 %

(В этом примере мы, между прочим, видим, что теоретически ожидаемые численности фенотипов не являются круглыми целыми числами, что лишний раз указывает на невозможность получения «точных» расщеплений в реальных ситуациях, а лишь на возможность получать фактические расщепления, более или менее к ним приближающиеся.)

p = 16,6 ± 3,8 %

p = 13 ± 3.0 %

В этих расщеплениях мы наблюдаем все теоретически ожидаемые классы, за исключением класса a1 a1, b2 b2 в последней таблице. Однако наблюдаемые численности тех классов, в которых комбинации признаков не совпадают с признаками непосредственных родителей F1 и участвовавших в скрещивании родительскими линиями, гораздо ниже теоретически ожидаемых для дигибридного расщепления.

Все эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Если первые три таблицы этого раздела иллюстрировали случаи абсолютного сцепления аллелей разных генов, унаследованных от одного родителя, то в трех последних аллели также сцеплены и как правило наследуются вместе, но в определенном проценте случаев они рекомбинируют, образуя сочетания (например D Astr или a1 b2), не свойственные родителям.

Не напоминает ли вам это что-либо из того, что мы успели изучить ранее? Хотя бы лексически, из слова «рекомбинация». Да, эта феноменология хорошо соответствует поведению хромосом в мейозе. Каждая пара гомологов распределяется между образовавшимися в мейозе гаплоидными клетками независимо от других пар гомологов. Это соответствует независимому наследованию генов, рассмотренному на предыдущей лекции. Если два разных гена располагаются в одной и той же хромосоме, то их аллели, принадлежащие каждому из гомологов, должны были бы быть сцеплены и наследоваться всегда вместе. Однако, как вы помните, в профазе мейоза гомологи обмениваются между собой участками ДНК за счет процесса, называемого кроссоверная рекомбинация, или кроссинговер. Если рекомбинация произойдет между двумя локусами, то аллели этих локусов образуют новые сочетания, не имевшие места у гомологов до мейоза. В начале XX в. группа энергичных выдающихся генетиков под руководством Томаса Моргана обратила внимание на параллелизм между наследованием некоторых признаков и поведением хромосом в мейозе, что послужило аргументом ранее выдвинутой хромосомной теории наследственности, предполагавшая, что именно хромосомы являются материальными носителями наследственности. Эта теория, как вы знаете, подтвердилась блестящим образом.

Любопытно, что Менделю не встретился ни один случай генетического сцепления, который шел бы вразрез с его предположением о независимой комбинации наследственных задатков. Остается только гадать, что было бы, если бы он с ними столкнулся, – задержалось ли бы возникновение генетики как науки либо Мендель смог бы дополнить свою теорию представлением о генетическом сцеплении.

Расщепление гибридов поколения F2 между прочим позволяет с определенной степенью точности оценить частоту (p), с которой в мейозе происходит рекомбинация между сцепленными генами. Под каждой таблицей приведено наиболее вероятное значение p, вычисленное на основании приведенного в ней расщепления. Однако, в силу того что под личиной некоторых фенотипов у нас скрываются несколько генотипов, эта процедура не самая простая и требует решения уравнений от квадратных до четвертой степени (что конечно же в наше время компьютеров труда не составляет).

Мы могли бы определять эту величину точнее, если бы имели точную информацию о генотипе каждой гаметы. Этого несложно достигнуть, если применить знакомое нам анализирующее скрещивание. Напомним, что анализирующее скрещивание состоит в скрещивании гибридов поколения F1 с особями, гомозиготными по рецессивным аллелям исследуемых генов. Такие индивидуумы (как правило, они представляют собой чистую линию) называются тестером. В привычных для нас обозначениях для двух генов это будет скрещивание

Aa, Bb x aa, bb.

Действительно, в потомстве от такого скрещивания гомолог, пришедший от второго родителя, несет лишь рецессивные аллели, так что мы всегда можем сказать, получили ли мы от первого родителя доминантный или рецессивный аллель. Кроме того, мейоз у гомозиготного второго родителя не порождает никаких новых сочетаний генов, так что по расщеплению в потомстве мы можем судить о продуктах мейоза только у первого родителя. Таким образом, мы можем напрямую подсчитать соотношение хромосом, в которых у первого родителя прошла и не прошла рекомбинация между исследуемыми генами. В таблице приведен пример генетического расщепления в анализирующем скрещивании.

Здесь фенотипические классы A B и a b представляют нерекомбинантные хромосомы, унаследованные от исходных родителей гетерозиготы Aa, Bb, а классы A b и a B представляют хромосомы рекомбинантные. Процент кроссинговера может быть найден путем деления суммарного количества представителей рекомбинантных классов на общее число потомков. В нашем случае это будет 13 / 66= 19,7.

Как мы уже говорили, мейотическая рекомбинация, как правило, может пройти в любом месте хромосомы. Естественно было бы предположить, что точки, в которых она происходит, случайны. Однако на самом деле между кроссоверными событиями существует некое отталкивание, Вероятность двух и более кроссоверных событий на участке бивалента быстро падает по мере уменьшения его длины, а что на совсем коротких расстояниях два кроссоверных события становятся невозможными (причем этот предел разный для разных организмов). Это явление называется интерференцией. Тем не менее, можно предположить, что чем дальше гены расположены на хромосоме, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер. Это именно так и есть. Тем самым процент рекомбинации является мерилом расстояния между генами. На этом основано построение рекомбинационных генетических карт (рис. 14.2), которые назывались просто генетическими картами тогда, когда не было физических генетических карт, где расстояние между генами напрямую измерено в количестве пар нуклеотидов в ДНК – они появились лишь в последние десятилетия.

Приведем несколько замечаний по поводу генетических карт:

– генетические карты линейны, так как гены расположены на одномерной нити ДНК (это самоочевидно, но стоит напомнить);

– генетические карты одного организма представлены отрезками, количество которых равно гаплоидному числу хромосом, так как локусы распределены по всем хромосомам. Локусы, расположенные на одной хромосоме, образуют одну группу сцепления;

– если физическое расстояние между сцепленными генами достаточно велико, то в одном мейозе между ними может произойти более одного акта кроссинговера. Нетрудно заметить, что если одна и та же хроматида будет вовлечена в два кроссоверных события на участке между двумя локусами, то с точки зрения рекомбинации между аллелями этих локусов не произойдет. Если первый обмен меняет родительскую комбинацию аллелей разных локусов на противоположную, то второй обмен ее восстанавливает. Три обмена по результату ничем не отличаются от одного и т. д. Если расстояние между локусами слишком велико, то вероятность сохранения и обращения родительских комбинаций их аллелей выравнивается. В результате вероятность рекомбинации между их аллелями не может превысить 50 % и стремится к этой цифре по мере увеличения физического расстояния между генами;

– если мы имеем на хромосоме три последовательно расположенных локуса a, b и с, то наблюдаемое в опыте рекомбинационное расстояние между локусами a – с будет меньше суммы расстояний a – b и b – c, так как в совместном расщеплении генов a и с мы не будем видеть результатов двух одновременных рекомбинационных событий, произошедих между a и b и между b и c соответственно, но учтем их при анализе совместного расщепления этих пар генов. Поэтому рекомбинационные генетические карты составляются на основании расстояний между близко сцепленными генами, когда вероятностью двойного кроссинговера можно пренебречь. Кроме того, для учета эффекта двойных кроссоверов применяются специальные картирующие функции.

– исключая двойные кроссоверы на коротких расстояниях, интерференция помогает построению генетических карт.

– единицей измерения рекомбинационных расстояний является сантиморган (сМ). Он назван так в честь упоминавшегося выше основного автора хромосомной теории наследственности, Нобелевского лауреата Томаса Моргана. 1 сМ соответствует вероятности рекомбинации в 1 %.

– в силу своей физической природы, общее число актов генетической рекомбинации в одном мейозе равно общему числу хиазм. Каждая хиазма осуществляет рекомбинацию с вероятностью 100 %, но в нее случайным образом вовлекается только одна из двух сестринских хроматид каждого гомолога. Поэтому общая длина рекомбинационной карты для организма равна 100 n / 2 сМ, где n – среднее суммарное число хиазм во всех хромосомах мейоцита.

Как правило, рекомбинационные и физические генетические карты неплохо соответствуют друг другу, однако у большинства генетических объектов рекомбинационная карта оказывается сокращенной вблизи центромер и растянутой вблизи концов хромосом. Мы помним, что центромера обычно характеризуется наличием многократно повторенных друг за другом голова-к-хвосту последовательностей ДНК. Дело в том, что в таких местах рекомбинационные узелки часто ошибаются «номером» повтора и осуществляют неравный кроссинговер, при котором число повторенных копий в одном гомологе увеличивается, в другом – уменьшается. Чтобы избежать этого, интенсивность рекомбинации в таких местах специально подавляется (и тем не менее, неравный кроссинговер – один из основных механизмов изменения числа копий повторенных районов ДНК). Опять-таки мы помним, что в метафазе первого деления мейоза биваленты удерживаются хиазмами, так что для правильного расхождения гомологов необходима хотя бы одна хиазма на бивалент, а лучше две – по обоим концам хромосомы. В начале профазы мейоза спаривание гомологов начинается с концов. Чтобы гарантировать наличие хиазм, одна хиазма для надежности как правило помещается вблизи конца хромосомы. Каждая хиазма означает один акт кроссинговера, в результате рекомбинация вблизи конца хромосомы идет с повышенной частотой.

В некоторых случаях рекомбинация подавляется и в других участках хромосом. В частности, там, где эволюционно выгодно сохранять удачные комбинации аллелей разных локусов. Такие наследуемые всегда вместе группы аллелей разных локусов называются супергенами. У некоторых тропических бабочек есть такое явление – бейтсовская мимикрия: самки некоторых видов бабочек «подделываются» благодаря сходству крылового рисунка под неродственных им несъедобных бабочек и тем самым избегают атак хищников (птицы). При этом самки каждого вида полиморфны и каждая морфа подделывается под свой вид ядовитых бабочек. Смысл этого явления в том, что мимика (того, кто изображает) должно быть меньше, чем модели (того, кого изображают), иначе птицы не будут научаться ассоциировать этот облик с несъедобностью и мимикрия станет неэффективной. Так вот, каждая такая морфа кодируется одним супергеном. Иногда такие виды попадают в области, где модель отсутствует. В таких местах контроль за рекомбинацией ослабевает и локусы, ранее объединенные в суперген, начинают рекомбинировать. Это приводит к появлению самок с произвольными комбинациями признаков окраски разных морф. (Оговоримся, что контроль за рекомбинацией не возникает при первой необходимости, а достигается путем естественного отбора в длинном ряду поколений.)

У некоторых организмов, например у ржи, рекомбинация подавлена вдоль всей хромосомы, но с необходимостью происходит возле ее концов. Это нужно для того, чтобы в мейозе на каждую пару гомологов (бивалент) приходилась как минимум одна хиазма, иначе гомологи не будут правильно расходиться в метафазе первого деления мейоза. Данное явление называется локализованные хиазмы.