Założenia dotyczące związku zjawiska dziedziczności z chromosomami po raz pierwszy poczyniono pod koniec XIX wiek. Idea ta została szczególnie szczegółowo rozwinięta w teorii „plazmy zarodkowej” A. Weismana (patrz wykład pierwszy). Później amerykański cytolog W. Setton zwrócił uwagę na zgodność charakteru dziedziczenia cech u jednego z gatunków koników polnych z zachowaniem chromosomów w procesie mejozy. Doszedł do wniosku, że czynniki dziedziczne determinujące te cechy są zlokalizowane w chromosomach, a ustanowione przez Mendla prawo niezależnej kombinacji cech jest ograniczone. Uważał, że niezależnie można łączyć tylko te cechy, których czynniki dziedziczne leżą na różnych chromosomach. Ponieważ liczba cech znacznie przewyższa liczbę par chromosomów, wiele cech jest kontrolowanych przez geny znajdujące się na tym samym chromosomie, które muszą być dziedziczone razem.
Pierwszy przypadek dziedziczenia wspólnego opisali w 1906 roku angielscy genetycy W. Batson i R. Punnett u groszku cukrowego (Lathyrus odoratus L.). Skrzyżowali dwie rasy groszku cukrowego, które różnią się pod dwoma względami. Jedna rasa charakteryzowała się fioletową barwą kwiatów i wydłużonym kształtem pyłku, druga zaś czerwoną barwą i zaokrąglonym kształtem. Okazało się, że kolor fioletowy całkowicie dominuje nad czerwonym, a wydłużony kształt pyłku nad okrągłym. Każda para cech indywidualnie dawała podział 3:1. Hybrydy F 1 pochodzące z krzyżówek roślin tych dwóch ras odziedziczyły cechy dominujące po jednym z rodziców, tj. miała fioletowe kwiaty i wydłużony pyłek. Natomiast w F2 stosunek oczekiwanych czterech fenotypów nie mieścił się we wzorze 9:3:3:1, charakterystycznym dla dziedziczenia niezależnego. Główna różnica polegała na tym, że kombinacje cech charakteryzujące rodziców występowały częściej niż powinny, natomiast nowe kombinacje pojawiały się w ilościach mniejszych niż oczekiwano. W pokoleniu z krzyżówki analizującej dominowały także fenotypy rodzicielskie. Wydawało się, że czynniki dziedziczne obecne u rodziców zwykle pozostają razem w procesie dziedziczenia. I odwrotnie, czynniki pochodzące od różnych rodziców wydają się powstrzymywać przedostawanie się do jednej gamety. Naukowcy nazwali to zjawisko „przyciąganiem” i „odpychaniem” czynników. Używając rodziców z innymi kombinacjami tych cech, Betson i Punnett uzyskali te same wyniki.
Krzyżowanie się w chromosomach konika polnego
Przez kilka lat ten przypadek niezwykłego dziedziczenia groszku cukrowego uznawano za odstępstwo od III prawa Mendla. Wyjaśnienia udzielił T. Morgan i jego współpracownicy, którzy odkryli wiele przypadków podobnego dziedziczenia cech u Drosophila. Jak wynika z ich wniosków, preferencyjne przekazywanie potomstwu oryginalnych kombinacji cech wynika z faktu, że determinujące je geny zlokalizowane są na tym samym chromosomie, tj. fizycznie połączone. Zjawisko to zostało nazwane przez Morgana połączenie genów. Wyjaśnił także niepełne powiązanie, sugerując, że jest to wynikiem przechodzić przez- krzyżowanie się chromosomów homologicznych, które podczas koniugacji w profazie mejozy wymieniają regiony homologiczne. Morgan doszedł do tego wniosku pod wpływem danych holenderskiego cytologa F. Janssensa (1909), który badał mejozę i zwrócił uwagę na charakterystyczne splatanie się chromosomów w profazie I, przypominające grecką literę c. Nazywał je chiazmami.
Morgan skrzyżował się z Drosophilą, co stało się genetycznym dowodem na istnienie wymiany genów. Jako formy rodzicielskie użył dwóch linii Drosophila, różniących się dwiema parami znaków. Muchy jednej linii miały szare ciało (cecha typu dzikiego) i zredukowane skrzydła (mutacja recesywna). szczątkowy, vg), a muchy drugiej linii - ciało czarne (mutacja recesywna czarny, B) i normalne skrzydła. Wszystkie hybrydy F 1 odziedziczyły dominujące cechy typu dzikiego - szare ciało i normalne skrzydła. Co więcej, Morgan odszedł od zwykłego schematu krzyżowania i zamiast F 2 otrzymał pokolenie w wyniku skrzyżowania hybryd F1 z osobnikami homozygotycznymi recesywnymi, tj. wykonane analizy krzyżowe. W ten sposób starał się dokładnie określić, jakie typy gamet i w jakich ilościach tworzą hybrydy F 1. Przeprowadzono dwa rodzaje krzyżówek testowych: w pierwszym z nich krzyżowano samice hybrydowe z homozygotycznymi, recesywnymi samcami ( bbvgvg), w drugim przypadku homozygotyczne recesywne samice skrzyżowano z hybrydowymi samcami.
Wyniki dwóch krzyżówek testowych były różne. Jak widać na diagramie, F bezpośrednie krzyżowanie składa się z czterech klas fenotypowych. Sugeruje to, że samica hybrydowa wytwarza cztery typy gamet, których połączenie z pojedynczą gametą homozygoty recesywnej prowadzi do manifestacji czterech różnych kombinacji cech w Fa. Morgan nazwał dwie klasy powtarzające fenotyp osobników rodzicielskich niekrzyżowymi, gdyż powstały w wyniku fuzji gamet powstałych bez udziału krzyżowania i wymiany genów. Pod względem ilościowym klasy te są liczniejsze (83%) od pozostałych dwóch klas – crossover (17%), charakteryzujących się nowymi kombinacjami cech. Ich pojawienie się wskazywało, że w mejozie, podczas tworzenia się części gamet samicy, następuje proces krzyżowania i wymiany genów. Ten typ dziedziczenia nazywany jest powiązaniem niepełnym.
Inne wyniki uzyskano w przypadku krzyżowania wstecznego, podczas którego analizowano genotyp samca hybrydy. W Fa tylko dwie klasy osobników były reprezentowane w równej liczbie, powtarzając fenotyp form rodzicielskich. Wskazywało to, że samiec hybrydowy, w przeciwieństwie do samicy hybrydowej, z równą częstotliwością tworzył dwa typy gamet z początkową kombinacją genów. Taka sytuacja mogłaby mieć miejsce jedynie w przypadku braku krzyżowania, a co za tym idzie wymiany genów podczas powstawania gamet u samca. Ten typ dziedziczenia został nazwany przez Morgana całkowitym powiązaniem. Później odkryto, że przejście podczas tworzenia gamet u samca z reguły nie występuje.
Krzyżowanie chromosomów zachodzi w profazie I mejozy i dlatego nazywa się je mejozą. Odbywa się to po tym, jak homologiczne chromosomy na etapie zygotenu łączą się w pary, tworząc biwalenty. W profazie I każdy chromosom jest reprezentowany przez dwie chromatydy siostrzane, a krzyżowanie zachodzi nie między chromosomami, ale między chromatydami homologów. Crossing over można wykryć tylko wtedy, gdy geny są w stanie heterozygotycznym ( BbVv). W homozygotycznym stanie genów nie można wykryć genetycznie krzyżowania, ponieważ wymiana identycznych genów nie powoduje powstania nowych kombinacji na poziomie fenotypowym.
Schemat dziedziczenia barwy ciała i kształtu skrzydeł u Drosophila
w obecności sprzężenia genowego
Kolega T. Morgana, A. Sturtevant, zasugerował, że częstotliwość krzyżowania zależy od odległości między genami, a pełne sprzężenie występuje w genach położonych bardzo blisko siebie. Na tej podstawie zaproponował wykorzystanie tego wskaźnika do określenia odległości między genami. Częstotliwość przekroczeń określana jest na podstawie wyników krzyżowania analizującego. Procent krzyżowania oblicza się jako stosunek liczby osobników krzyżujących się Fa (tj. osobników z nowymi kombinacjami cech rodzicielskich) do całkowitej liczby osobników tego potomstwa (w %). Za jednostkę odległości między genami przyjmuje się 1% krzyżowania, co później nazwano centi-morganidem (lub po prostu morganidem) na cześć T. Morgana. Częstotliwość krzyżowania odzwierciedla siłę powiązania genów: im niższa częstotliwość krzyżowania, tym większa siła powiązania i odwrotnie.
Badanie zjawiska łączenia genów pozwoliło Morganowi sformułować główną teorię genetyczną - chromosomowa teoria dziedziczności. Jego główne postanowienia są następujące:
- Każdy typ organizmu żywego charakteryzuje się określonym zestawem chromosomów – kariotypem. Specyfika kariotypu zależy od liczby i morfologii chromosomów.
- Chromosomy są media materialne dziedziczność i każdy z nich odgrywa określoną rolę w rozwoju jednostki.
- Geny są ułożone w porządku liniowym na chromosomie. Gen to odcinek chromosomu odpowiedzialny za rozwój cechy.
- Geny na jednym chromosomie tworzą pojedynczą grupę sprzężeń i zwykle są dziedziczone razem. Liczba grup łączących jest równa haploidalnemu zestawowi chromosomów, ponieważ chromosomy homologiczne reprezentują tę samą grupę łączącą.
- Sprzężenie genów może być pełne (100% dziedziczenia wspólnego) lub niekompletne. Niekompletne połączenie genów jest wynikiem krzyżowania i wymiany odcinków homologicznych chromosomów.
- Częstotliwość krzyżowania zależy od odległości między genami na chromosomie: im dalej geny są od siebie, tym częściej zachodzi między nimi krzyżowanie.
Nazywa się to skrzyżowaniem zachodzącym w jednej części chromosomu pojedynczy krzyż. Ponieważ chromosom jest strukturą liniową o znacznej długości, może w nim jednocześnie wystąpić kilka skrzyżowań: podwójne, potrójne i wielokrotne.
Jeżeli krzyżowanie zachodzi jednocześnie w dwóch sąsiednich odcinkach chromosomu, wówczas częstotliwość podwójnych skrzyżowań okazuje się mniejsza niż ta, którą można obliczyć na podstawie częstotliwości pojedynczych skrzyżowań. Szczególnie zauważalny spadek obserwuje się, gdy geny są bardzo blisko siebie. W takim przypadku przejście w jednym obszarze mechanicznie uniemożliwia przejście w innym obszarze. Zjawisko to nazywa się ingerencja. Wraz ze wzrostem odległości między genami zmniejsza się wielkość interferencji. Efekt interferencji mierzy się stosunkiem rzeczywistej częstotliwości podwójnych zwrotnic do ich teoretycznie oczekiwanej częstotliwości, w przypadku ich całkowitej niezależności od siebie. Ten stosunek nazywa się zbieg okoliczności. Rzeczywistą częstotliwość podwójnych krzyżowań ustala się eksperymentalnie podczas analizy hybrydologicznej w oparciu o częstość fenotypowej klasy podwójnych krzyżowań. Częstotliwość teoretyczna, zgodnie z prawem prawdopodobieństwa, jest równa iloczynowi częstotliwości dwóch pojedynczych krzyżyków. Na przykład, jeśli na chromosomie znajdują się trzy geny A, B I Z i przejście pomiędzy A I B występuje z częstotliwością 15% i pomiędzy B I Z- przy częstotliwości 9%, wówczas przy braku zakłóceń częstotliwość podwójnego przejścia byłaby równa 0,15 x 0,09 = 1,35%. Przy rzeczywistej częstotliwości wynoszącej 0,9% wielkość współwypadków wyraża się jako stosunek i wynosi:
| 0,009 | = 0,69 = 69% |
| 0,0135 |
Zatem w w tym przypadku w wyniku zakłóceń zrealizowano jedynie 69% podwójnych krzyżyków.
Spośród 8 klas fenotypowych powstałych w Fa w obecności trzech par połączonych cech, dwie klasy podwójnych skrzyżowań są najmniejsze, biorąc pod uwagę zjawisko interferencji i zgodnie z prawem prawdopodobieństwa.
Istnienie wielokrotnych krzyżówek prowadzi do wzrostu zmienności potomstwa hybrydowego, ponieważ zwiększają one liczbę kombinacji genów i, odpowiednio, liczbę typów gamet u mieszańców.
Przy określaniu częstotliwości pojedynczych, podwójnych, potrójnych itp. skrzyżowań jest podstawą konstrukcji map genetycznych. Mapa genetyczna to diagram przedstawiający kolejność ułożenia genów na chromosomie. Za podstawę obliczenia odległości między genami przyjmuje się odsetek pojedynczych krzyżowań między genami. Dodawane są do niego poprawki na wartość krzyży podwójnych i bardziej skomplikowanych, które udoskonalają obliczenia. Jeśli mamy trzy geny, to kolejność ich wzajemnego ułożenia w chromosomie ustalana jest na podstawie fenotypu klasy podwójnego skrzyżowania. Podczas podwójnego krzyżowania następuje wymiana środkowego genu. Zatem cecha, którą krzyżówki podwójne różnią się od swoich rodziców, jest determinowana przez ten gen. Na przykład, jeśli homozygotyczną szarą, długoskrzydłą samicę Drosophila z czerwonymi oczami (wszystkie cechy typu dzikiego są dominujące) skrzyżowano z homozygotycznym ciemnym (mutacja recesywna czarny) samcem o zredukowanych skrzydłach (mutacja recesywna) i jasnych oczach (mutacja recesywna cynober) ), a w Fa najmniej parowanych klas (tj. podwójnych krzyżówek) były muchy szare o jasnych oczach i długich skrzydłach oraz muchy czarne o czerwonych oczach i zredukowanych skrzydłach, zatem gen kontrolujący kolor oczu jest przeciętny. Segment mapy z tymi trzema genami wyglądałby następująco:
Na mapie genetycznej dowolnego chromosomu liczenie odległości rozpoczyna się od punktu zerowego - locus pierwszego genu - i nie odnotowuje się odległości między dwoma sąsiednimi genami, ale odległość w morganidach każdego kolejnego genu od punktu zerowego.
Mapy genetyczne opracowano wyłącznie dla dobrze zbadanych genetycznie obiektów, zarówno prokariotycznych, jak i eukariotycznych, takich jak np. fag l, E. coli, Drosophila, mysz, kukurydza i człowiek. Są owocem ogromnej i systematycznej pracy wielu badaczy. Obecność takich map pozwala przewidzieć charakter dziedziczenia badanych cech, a w trakcie prac hodowlanych dokonać świadomego doboru par do krzyżowania.
Genetyczne dowody na obecność crossover, uzyskane w doświadczeniach T. Morgana i jego współpracowników, znalazły bezpośrednie potwierdzenie na poziomie cytologicznym w latach 30. XX wieku. w pracach K. Sterna o Drosophila oraz B. McClintocka i G. Creightona o kukurydzy. Udało im się skonstruować heteromorficzną parę chromosomów (para chromosomów X u Drosophila i para autosomów IV u kukurydzy), w której homologi inny kształt. Wymiana odcinków między nimi doprowadziła do powstania różnych typów cytologicznych tej pary chromosomów, które można było zidentyfikować cytologicznie (pod mikroskopem). Dzięki znakowaniu genetycznemu każdy typ cytologiczny biwalentu odpowiadał określonej klasie fenotypowej potomstwa.
W latach 30. T. Paynter odkrył chromosomy olbrzymie lub politenowe w gruczołach ślinowych Drosophila. Ze względu na duże rozmiary i przejrzystą organizację strukturalną stały się głównym obiektem badań cytogenetycznych. Każdy chromosom charakteryzuje się specyficznym wzorem ciemnych pasków (dysków) i jasnych przestrzeni (między dyskami), odpowiadającym heterochromatycznym i euchromatycznym regionom chromosomu. Stałość tej wewnętrznej struktury gigantycznych chromosomów pozwoliła sprawdzić, na ile kolejność genów ustalona na podstawie określenia częstotliwości krzyżowania odzwierciedla rzeczywistą lokalizację genów na chromosomie. W tym celu dokonuje się porównania struktury prawidłowego chromosomu i chromosomu niosącego mutację chromosomową, na przykład utratę lub duplikację odcinka chromosomu. Porównanie to w pełni potwierdza zgodność kolejności ułożenia genów mapy genetyczne ich położenie na chromosomach. Graficzne przedstawienie gigantycznego chromosomu wskazujące lokalizację genów w określonych jego częściach nazywa się mapą cytologiczną.
Zjawisko krzyżowania stwierdzono nie tylko w komórkach rozrodczych, ale także w komórkach somatycznych. Zazwyczaj homologiczne chromosomy nie łączą się w profazie mitozy i są zlokalizowane oddzielnie od siebie. Jednak już w 1916 roku badaczom udało się czasami zaobserwować wzorce synaps homologicznych chromosomów w profazie mitotycznej z utworzeniem figur skrzyżowania (chiasmata). Zjawisko to nazywa się przejściem somatycznym lub mitotycznym. Na poziomie fenotypowym ocenia się to na podstawie mozaikowej zmiany cech w niektórych obszarach ciała. Zatem u samic Drosophila typu dzikiego, heterozygotycznych pod względem mutacji recesywnych: żółtej (żółte ciało) i przypalonej (przypalone włosie), plamy o cechach recesywnych mogą pojawić się w wyniku krzyżowania somatycznego. W tym przypadku, w zależności od tego, gdzie następuje skrzyżowanie: pomiędzy powyższymi genami lub poza nimi, powstaje albo plamka posiadająca obie zmutowane cechy, albo jedną z nich.
A: po lewej stronie - połowa klatki piersiowej jest normalna (+), po prawej - mutant bez włosia (aC); B i C - mozaikowe połówki piersi, składające się z odcinków tkanki typu dzikiego (biała) i zmutowanej (czarna).
Zazwyczaj krzyżowanie obejmuje wymianę homologicznych regionów chromosomów o jednakowej wielkości. Czasami jednak możliwe są asymetryczne pęknięcia chromatyd i wymiana nierównych odcinków, tj. nierówne przejście. W wyniku takiej wymiany oba allele genu mogą znaleźć się na jednym chromosomie (duplikacja), a w drugim homologu może wystąpić niedobór. Podobną zmianę stwierdzono w chromosomie X Drosophila w regionie zawierającym dominującą mutację Bar (B), która warunkuje rozwój oczu pasiastych o zmniejszonej liczbie fasetek (u homozygot 70 zamiast 700). Duplikacja tego genu w wyniku nierównego krzyżowania prowadzi do dalszego zmniejszenia liczby faset (do 25). Cytologicznie nierówne krzyżowanie można łatwo wykryć na podstawie zmian we wzorze gigantycznych chromosomów.
Krzyżowanie chromosomów, jako złożony proces fizjologiczny, jest pod silnym wpływem czynników zewnętrznych i wewnętrznych. Na częstotliwość krzyżowania duży wpływ ma budowa chromosomu, przede wszystkim obecność dużych bloków heterochromatyny. Ustalono, że u Drosophila krzyżowanie rzadko zachodzi w pobliżu centromeru i na końcach chromosomów, co wynika z obecności heterochromatyny pericentromerowej i telomerowej. Ścisła spiralizacja heterochromatycznych regionów chromosomu zmniejsza odległość między genami i uniemożliwia ich wymianę. Na częstotliwość krzyżowania wpływają różne rearanżacje chromosomów i mutacje genów. Jeśli w chromosomie występuje kilka inwersji, mogą one stać się „blokerami” krzyżowania. W kukurydzy odkryto geny, które zakłócają proces koniugacji i w ten sposób zapobiegają krzyżowaniu.
U większości badanych zwierząt i roślin krzyżowanie mejotyczne występuje u obu płci. Istnieją jednak pewne gatunki zwierząt, u których krzyżowanie występuje tylko u płci homogametycznej i nie występuje u płci heterogametycznej. Co więcej, krzyżowanie nie zachodzi tylko w chromosomach płciowych, ale także w autosomach. Podobną sytuację obserwuje się u samców Drosophila i samic jedwabników o kariotypie XY. Jednak u wielu gatunków ssaków, ptaków, ryb i owadów heterogamia płci nie wpływa na proces krzyżowania.
Na proces krzyżowania wpływa stan funkcjonalny organizmu. Ustalono, że częstotliwość crossoverów zależy od wieku, podobnie jak poziom anomalii w mejozie. Wraz z wiekiem następuje spadek aktywności układów enzymatycznych, w tym regulujących proces wymiany odcinków chromosomów.
Częstotliwość krzyżowania można zwiększyć lub zmniejszyć pod wpływem różnych czynników środowiskowych na organizm, takich jak wysoka i niska temperatura, promieniowanie jonizujące, odwodnienie, zmiany stężenia jonów wapnia, magnezu itp. w środowisku, działanie czynników chemicznych itp. W szczególności stwierdzono, że u Drosophila częstotliwość krzyżowania wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Podsumowując, proces krzyżowania jest bardzo ważny z ewolucyjnego punktu widzenia. Jest to mechanizm, dzięki któremu zachodzi rekombinacja genetyczna i powstają nowe korzystne genotypy. Zmienność kombinacyjna, wraz ze zmiennością mutacyjną, jest podstawą tworzenia nowych form.
Zakładając, że na jednym chromosomie może znajdować się więcej niż jeden gen, należy postawić pytanie, czy geny w homologicznej parze chromosomów mogą zmieniać miejsca, czyli geny z chromosomu ojcowskiego przemieszczają się do chromosomu matczynego i z powrotem.
Gdyby taki proces nie zachodził, wówczas geny łączyłyby się jedynie w drodze losowej segregacji homologicznych chromosomów w mejozie. W konsekwencji możliwość wymiany informacji dziedzicznej pomiędzy organizmami rodzicielskimi byłaby ograniczona tylko do jednego mendlowskiego wzorca dziedziczenia.
Badania T. Morgana i jego szkoły wykazały, że w homologicznej parze chromosomów dochodzi do regularnej wymiany genów. Proces wymiany genów lub homologicznych regionów homologicznych chromosomów nazywany jest krzyżowaniem lub krzyżowaniem chromosomów. Obecność takiego mechanizmu wymiany genów pomiędzy krzyżującymi się organizmami, czyli procesu rekombinacji genów, poszerza możliwości kombinacyjnej zmienności w ewolucji.
Kiedy krzyżuje się dwa organizmy różniące się dwoma połączonymi genami AB/AB x ab/ab, powstaje heterozygotyczna forma AB/ab.
W przypadku pełnego połączenia diheterozygota da tylko dwie odmiany gamet: AB i ab. Analizując krzyże, powstają dwie klasy zygot AB / ab i ab / ab w stosunku 1: 1. Osobniki obu klas odtwarzają cechy swoich rodziców. Ten obrazek przypomina raczej segregację monohybrydową niż dihybrydową w krzyżówkach testowych.
Ale wraz ze zjawiskiem całkowitego sprzężenia istnieje naturalnie zjawisko niepełnego sprzężenia. W przypadku niepełnego sprzężenia, gdy heterozygotyczne osobniki o genotypie AB/ab zostaną skrzyżowane z formą recesywną ab/ab, u potomstwa pojawią się nie dwie, ale cztery klasy fenotypów i genotypów: AB/ab, ab/ab, Ab /ab, aB/ab. Klasy te pod względem składu jakościowego przypominają rozszczepianie podczas analitycznego krzyżowania dihybrydy, gdy przeprowadza się swobodną kombinację genów. Jednakże stosunek liczbowy klas z niepełnym sprzężeniem różni się od swobodnej kombinacji, dając stosunek 1: 1: 1: 1. Przy niepełnym połączeniu powstają dwie nowe klasy zygot z inną kombinacją genów niż u rodziców, mianowicie Ab / ab i aB / ab, które są zawsze mniejsze niż 50%.
Powstawanie nowych klas zygot w rozszczepieniu wskazuje, że w procesie gametogenezy w formach heterozygotycznych pod względem dwóch genów powstają nie tylko gamety AB i ab, ale także Ab i aB. W rezultacie geny wprowadzone do hybrydy F 1 przez jeden chromosom w jakiś sposób różnią się podczas tworzenia jej gamet. Jak mogły pojawić się gamety z tak nową kombinacją genów? Oczywiście mogłyby powstać tylko w przypadku wymiany odcinków pomiędzy homologicznymi chromosomami, tj. przechodzić przez. Crossing over zapewnia nowe kombinacje genów zlokalizowanych na homologicznych chromosomach. Zjawisko krzyżowania, podobnie jak adhezja, okazało się wspólne dla wszystkich zwierząt, roślin i mikroorganizmów.
Crossing-over można wykryć tylko wtedy, gdy geny są w stanie heterozygotycznym, tj. AB/ab.
W stanie homozygotycznym genów AB/AB i ab/ab nie można wykryć krzyżowania chromosomów, ponieważ wymiana identycznych odcinków nie powoduje powstania nowych kombinacji genów w gametach i potomstwie. Krzyżowanie się chromosomów można ocenić na podstawie analizy genetycznej częstotliwości pojawiania się rekombinantów, czyli zygot z nową kombinacją genów, oraz badań cytologicznych zachowania chromosomów w mejozie.
Krzyżowanie zachodzi w profazie I mejozy i dlatego jest nazywane skrzyżowanie mejotyczne. Ale czasami krzyżowanie zachodzi również podczas mitozy w komórkach somatycznych, wtedy nazywa się to mitotyczny, Lub somatyczny.
Krzyżowanie mejotyczne następuje po połączeniu się chromosomów homologicznych w parę w fazie zygotenowej profazy I, tworząc biwalenty. W profazie I każdy chromosom jest reprezentowany przez dwie chromatydy siostrzane, a krzyżowanie zachodzi nie między chromosomami, ale między chromatydami. Wyrażenie „przejście chromosomów” jest pojęciem ogólnym i oznacza, że krzyżowanie zachodzi pomiędzy chromatydami.
Crossing-over: wymiana materiału genetycznego pomiędzy chromosomami w wyniku „rozbijania” i łączenia chromosomów; proces wymiany odcinków chromosomów podczas krzyżowania chromosomów (ryc. 118, B4).
Podczas pachytenu (etap grubych włókien) homologiczne chromosomy znajdują się w stanie koniugacji przez długi czas: u Drosophila - cztery dni, u ludzi - ponad dwa tygodnie. Przez cały ten czas poszczególne sekcje chromosomów są w bardzo bliskim kontakcie. Jeśli w takim rejonie przerwa w łańcuchach DNA nastąpi jednocześnie w dwóch chromatydach należących do różnych homologów, to po przywróceniu przerwy może się okazać, że DNA jednego homologu zostanie połączone z DNA innego, homologicznego chromosomu. Proces ten nazywa się cross-over.
Ponieważ przejście jest wzajemna wymiana homologiczne sekcje chromosomów pomiędzy homologicznymi (sparowanymi) chromosomami oryginalnych zestawów haploidalnych - osobniki mają nowe genotypy, które różnią się od siebie. W tym przypadku osiąga się rekombinację dziedzicznych właściwości rodziców, co zwiększa zmienność i zapewnia bogatszy materiał do doboru naturalnego.
Geny mieszają się w wyniku fuzji gamet dwóch różnych osobników, ale zmiany genetyczne nie dokonują się tylko w ten sposób. Żadne dwoje dzieci tych samych rodziców (chyba, że są to bliźnięta jednojajowe) nie będzie dokładnie takich samych. Podczas mejozy zachodzą dwa różne typy reasortacji genów.
Jeden rodzaj reasortacji jest wynikiem losowego rozmieszczenia różnych homologów matczynych i ojcowskich pomiędzy komórkami potomnymi podczas pierwszego podziału mejotycznego, przy czym każda gameta otrzymuje swój własny, odmienny wybór chromosomów matczynych i ojcowskich. Wynika z tego, że komórki dowolnego osobnika mogą w zasadzie tworzyć 2 do potęgi n genetycznie różnych gamet, gdzie n jest haploidalną liczbą chromosomów. Jednak w rzeczywistości liczba możliwych gamet jest nieporównanie większa w wyniku crossover (crossover) - procesu, który zachodzi podczas długiej profazy pierwszego podziału mejozy, kiedy homologiczne chromosomy wymieniają się odcinkami. U ludzi, w każdej parze homologicznych chromosomów, przejście następuje średnio w 2 - 3 punktach.
Podczas krzyżowania podwójna helisa DNA ulega rozerwaniu w jednej chromatydzie matczynej i jednej chromatydzie ojcowskiej, a następnie powstałe segmenty łączą się ponownie „na krzyż” (proces rekombinacji genetycznej). Rekombinacja zachodzi w profazie pierwszego podziału mejotycznego, kiedy dwie siostrzane chromatydy są tak blisko siebie upakowane, że nie można ich zobaczyć osobno. Znacznie później w tej wydłużonej profazie dwie oddzielne chromatydy każdego chromosomu stają się wyraźnie rozróżnialne. W tym momencie jest jasne, że są one połączone centromerami i są ściśle ułożone na całej swojej długości. Dwa homologi pozostają połączone w punktach, w których nastąpiło przejście między chromatydami ojcowskimi i matczynymi. W każdym takim punkcie, zwanym chiazmą, przecinają się dwie z czterech chromatyd, jest to zatem morfologiczny wynik zaistniałego skrzyżowania, którego samo w sobie nie można zaobserwować.
PRZEJAZD PRZEJAZD
(angielski crossover - cross), crossover, wzajemna wymiana homologicznych odcinków homologicznych chromosomów w wyniku zerwania i połączenia w nowym porządku ich nici - chromatyd; prowadzi do nowych kombinacji alleli różnych genów. Najważniejszy mechanizm zapewniający kombinacyjną zmienność populacji, a tym samym dostarczający materiału naturze. wybór. Występuje w komórkach dzielących się mejotycznie, rzadziej mitotycznie. Może prowadzić do rekombinacji dużych odcinków chromosomu z kilkoma. geny lub części jednego genu (intrigen K.), obie nici cząsteczki DNA lub tylko jedną. Częstotliwość krzyżowania genów odzwierciedla odległość między nimi w chromosomie i jest definiowana jako częstotliwość krzyżowania (z nierodzicielską kombinacją alleli) osobników w krzyżu analizującym, to znaczy jako częstotliwość krzyżowania się gamet; może ulec zmianie pod wpływem pewnych czynników fizycznych, chemicznych. i fizjologia. czynniki. Mechanizm molekularny K. nie został w pełni wyjaśniony. K. jest stosowany w genetyce. analiza rozwiązywania liczby mnogiej problemy genetyki. (patrz REKOMBINACJA, MAPA GENETYCZNA CHROMOSOMU).
.(Źródło: „Biological Encyclopedic Dictionary”. Redaktor naczelny M. S. Gilyarov; Redakcja: A. A. Babaev, G. G. Vinberg, G. A. Zavarzin i inni - wyd. 2, poprawione - M.: Sov. Encyclopedia, 1986.)
przechodzić przezWzajemna wymiana odcinków pomiędzy homologicznymi (sparowanymi) chromosomami. Zachodzi podczas podziału komórki - mejoza i (znacznie rzadziej) mitoza na etapie profazy, kiedy sparowane chromosomy homologiczne zawierają już dwa chromosomy siostrzane chromatydy. Na tym etapie czterech chromatyd następuje wymiana homologicznych odcinków chromatyd: w każdym homologicznym chromosomie jedna chromatyda zostaje rozbita, a następnie powstałe fragmenty sąsiednich chromatyd łączą się ponownie, ale w sposób krzyżowy (angielski: „crossing over” - przechodzić). Podczas krzyżowania geny z jednego homologicznego chromosomu są przenoszone na inny, tworząc nowe kombinacje. allele geny, tj. dzieje się rekombinacja materiał genetyczny. Przekraczanie jest jednym z mechanizmów dziedzicznych zmienność.
.(Źródło: „Biologia. Nowoczesna ilustrowana encyklopedia.” Redaktor naczelny A. P. Gorkin; M.: Rosman, 2006.)
Synonimy:
Zobacz, co kryje się pod hasłem „CROSSINGOVER” w innych słownikach:
Przechodzić przez... Słownik ortografii – podręcznik
- (angielski crossover) wzajemna wymiana odcinków homologicznych (sparowanych) chromosomów, prowadząca do redystrybucji (rekombinacji) zlokalizowanych w nich genów. Występuje podczas podziału komórki; jeden z mechanizmów dziedzicznej zmienności. W… … Wielki słownik encyklopedyczny
Jeśli założymy, że na jednym chromosomie znajduje się więcej niż jeden gen, wówczas pojawia się pytanie, czy allele jednego genu w homologicznej parze chromosomów mogą zmieniać miejsca, przechodząc z jednego homologicznego chromosomu na drugi. Gdyby taki proces był niemożliwy, wówczas geny łączyłyby się jedynie w wyniku losowej segregacji chromosomów niehomologicznych w mejozie. W tym przypadku geny zlokalizowane w jednej parze homologicznych chromosomów zawsze będą dziedziczone w sposób połączony – przez jedną grupę.
Badania T. Morgana i jego współpracowników przeprowadzone na początku XX wieku wykazały, że w homologicznej parze chromosomów dochodzi do regularnej wymiany genów. Proces wymiany identycznych odcinków homologicznych chromosomów z zawartymi w nich genami nazywa się krzyżowaniem chromosomów lub przechodzić przez. W wyniku krzyżowania w homologicznych chromosomach powstają nowe kombinacje genów. Crossing over stwierdzono we wszystkich organizmach – zwierzętach, roślinach i mikroorganizmach. Wymiana identycznych regionów pomiędzy homologicznymi chromosomami zapewnia rekombinację genów. To ma bardzo ważne dla ewolucji.
Przechodzenie można wykryć, biorąc pod uwagę częstotliwość występowania organizmów o nowej kombinacji cech. Takie organizmy nazywane są rekombinanty.
U Drosophila odkryto zjawisko krzyżowania. Rozważmy jeden z klasycznych eksperymentów T. Morgana, który pozwolił mu udowodnić, że geny znajdują się na chromosomach w określonej kolejności. U Drosophila gen recesywny odpowiedzialny za czarną barwę ciała jest oznaczony symbolem b, a jego dominujący allel, który determinuje dziką szarą barwę, to b+. Zmutowany gen szczątkowych skrzydeł Drosophila jest oznaczony symbolami vg i jego normalnym allelem vg +.
Podczas krzyżowania much różniących się dwiema parami połączonych cech – szarej z prymitywnymi skrzydłami i czarnej ze zwykłymi skrzydłami – hybrydy F1 będą szare pod względem fenotypu i normalnych skrzydeł:
T. Morgan skrzyżował muszki uzyskane w pierwszym pokoleniu (oddzielnie samce i osobno samice) z muszkami homozygotycznymi pod względem zmutowanych alleli - czarnymi z prymitywnymi skrzydłami.
Jeśli uznano, że samice są homozygotami pod względem obu genów recesywnych, a samce są hybrydowymi diheterozygotami, wówczas potomstwo zostanie podzielone w stosunku 1 (szary z prymitywnymi skrzydłami) : 1 (czarny ze normalnymi skrzydłami).
To rozszczepienie pokazuje, że ta diheterozygota wytwarza tylko dwa rodzaje gamet b + b I b vg +. Kombinacja genów w gametach samca pozostaje taka sama jak u jego rodziców. Powstały podział pokazuje, że samiec nie wymienia odcinków homologicznych chromosomów. Później okazało się, że u samców Drosophila przejście normalnie nie zachodzi ani w autosomach, ani w chromosomach płciowych. Dlatego podczas krzyżowania analitycznego u potomstwa pojawiają się w równych ilościach tylko dwie oryginalne rodzicielskie kombinacje cech. W tym przypadku obserwuje się całkowite sprzężenie genów znajdujących się w jednej parze homologicznych chromosomów.
Jeśli do analizy przyjmiemy kobiety, a nie mężczyzn, jako heterozygotyczne, wówczas w Ra nastąpi kolejny podział. Oprócz rodzicielskich kombinacji postaci pojawiają się 2 nowe typy - muchy z czarnym ciałem i szczątkowymi skrzydłami, a także muchy z szarym ciałem i normalnymi skrzydłami.
W tej krzyżówce połączenie tych samych genów zostaje zerwane ze względu na fakt, że geny na homologicznych chromosomach zamieniły się miejscami w wyniku krzyżowania. Opisane zjawisko to tzw niepełne połączenie genów.
Krzyże testowe opisane powyżej:
Nazywa się gamety z chromosomami, które uległy krzyżowaniu krzyżujące się gamety. Nazywa się gamety z chromosomami, które nie uległy krzyżowaniu Gamety niekrzyżowe. W związku z tym nazywane są organizmy powstałe w wyniku połączenia krzyżowych gamet hybrydy z gametami analizatora crossovery lub rekombinanty. Nazywa się organizmy powstałe w wyniku połączenia gamet niekrzyżowych z gametami analizatora nie crossover lub nierekombinowane.
Analizując podział ze względu na fenotypy stwierdzono, że w przypadku krzyżowania dwóch określonych genów stosunek ilościowy klas krzyżujących się i niekrzyżujących jest zawsze taki sam. Obie początkowe rodzicielskie kombinacje cech (szara z prymitywnymi skrzydłami i czarna ze skrzydłami normalnymi), utworzone z niekrzyżujących się gamet, pojawiły się u potomstwa analizowanej krzyżówki w równym stosunku ilościowym - około 41,5%. Ogółem muszki niekrzyżujące się stanowiły 83% ogólnej liczby potomstwa. Obie klasy krzyżowe (muszki czarne ze skrzydłami prostymi i muchy szare ze skrzydłami normalnymi) były również identyczne pod względem liczby osobników (po 8,5%). Całkowita liczba osób krzyżujących się wyniosła 17%.
Te wartości procentowe utrzymywały się (z niewielkimi odchyleniami w tym czy innym kierunku z przyczyn losowych) przy wielokrotnych powtórzeniach tego eksperymentu.
Prawo przyczepności T. Morgana: geny zlokalizowane na tym samym chromosomie tworzą jedną grupę sprzężeń i są dziedziczone razem.
Częstotliwość podziału jest stosunkiem liczby osobników krzyżujących się do całkowitej liczby osobników u potomstwa z krzyżówki analizującej, wyrażony w procentach.
Jako jednostkę miary częstotliwości rozgraniczającej przyjęto jeden procent rozgraniczania. Ta jednostka miary została nazwana na cześć T. Morgana Morganida. Począwszy od lat 80. w literaturze rosyjskiej i angielskiej zaczęto używać terminu centimorgan (w skrócie SM). Zatem 1% krzyżujących się osobników = 1% krzyżujących się chromosomów = 1% krzyżujących się osobników = 1 centimorgan.
Stopień skrzyżowania chromosomów odzwierciedla siłę spójności genów w chromosomie: im jest ona większa, tym mniejsza jest siła spójności.
LINIOWE UKŁADANIE GENÓW W CHROMOSOMIE
Alfred Henry Sturtevant, uczeń i współpracownik T. Morgana, zaproponował, że częstotliwość krzyżowania odzwierciedla względną odległość między genami. Im częściej występuje crossover, tym dalej od siebie znajdują się geny na chromosomie. Im rzadziej zdarza się przekroczenie, tym bliższy przyjaciel geny znajdują się obok siebie.
Wierząc, że częstotliwość krzyżowania zależy od odległości między genami, A. Sturtevant przeanalizował wyniki wielu eksperymentów i w 1911 r. Ustalił kolejne prawo dziedziczności - prawo addytywności. A. Sturtevant badał częstość krzyżowania się trzech genów znajdujących się na tym samym chromosomie (nazwijmy je A, B i C). Odkrył, że jeśli porównamy częstość krzyżowania się genów A i B, B i C, A i C, to częstość krzyżowania się dowolnych dwóch z nich, np. A i C, jest bliska sumie jej wartości między genami A–B i C–B, tj. AC% = AB% + BC%. W ten sposób obserwuje się sumowanie odległości między genami, zdeterminowane częstotliwością krzyżowania się między nimi. Ten wzór odpowiada zwykłemu wzorowi geometrycznemu w odległościach między punktami na linii prostej. Stąd, w konsekwencji prawa addytywności, wynikało, że geny są rozmieszczone na chromosomach w sekwencji liniowej i znajdują się w pewnych odległościach od siebie.
Jeden z klasycznych eksperymentów Morgana na Drosophila, udowadniający liniowy układ genów, był następujący. Samice heterozygotyczne pod względem trzech połączonych genów recesywnych, które determinują żółtą barwę ciała y , biały kolor oczu w i rozwidlone skrzydła bi , skrzyżowano z samcami homozygotycznymi pod względem tych trzech genów. U potomstwa uzyskano 1,2% muszek krzyżujących się, które powstały w wyniku krzyżowania genów Na I w ; 3,5% - z krzyżowania genów w I bi i 4,7% - pomiędzy Na I bi .
Z danych tych jasno wynika, że procent krzyżowania jest funkcją odległości między genami. Ponieważ odległość między skrajnymi genami Na I bi równa sumie dwóch odległości pomiędzy Na I w ,w I bi , należy założyć, że geny ułożone są sekwencyjnie na chromosomie, tj. liniowy:
Liczne powtórzenia opisanych powyżej eksperymentów T. Morgana, przeprowadzonych przez innych genetyków, dawały za każdym razem prawie takie same wyniki. Powtarzalność tych wyników w powtarzanych eksperymentach wskazuje, że lokalizacja genów na chromosomie jest ściśle ustalona, tj. każdy gen zajmuje swoje własne miejsce na chromosomie specyficzne miejsce. Nazywa się stałą lokalizacją, w której znajduje się dany gen umiejscowienie.
KRZYŻOWANIA POJEDYNCZE I WIELOKROTNE CHROMOSOMÓW
Przyjmując założenia, że 1) na chromosomie może znajdować się wiele genów, 2) geny są rozmieszczone na chromosomie w porządku liniowym oraz 3) każda para alleli zajmuje pewne i identyczne loci w chromosomach homologicznych, T. Morgan zasugerował, że crossovery między dwoma homologicznymi chromosomami może wystąpić jednocześnie w kilku punktach. Udowodnił to założenie na Drosophila. Zostało to później potwierdzone w eksperymentach na innych zwierzętach, a także roślinach i mikroorganizmach.
Przejście, które następuje tylko w jednym miejscu, nazywa się pojedynczy, w dwóch punktach jednocześnie - podwójnych, w trzech - potrójnych itp., tj. może być przeprawa wiele.
Przykład. Skrzyżowano osobniki ABC/abc x abc/abc. Krzyżowanie zachodzi w następujących punktach pomiędzy genami A i B, a także B i C.
Wyniki krzyżowania:
Całkowita liczba osobników uzyskanych w tym eksperymencie wynosi 521. Liczbę osobników z pojedynczym skrzyżowaniem określamy w części 1: 37+42=79. Do liczby osobników z pojedynczym krzyżem dodajemy liczbę osobników z podwójnym krzyżem. Całkowita liczba osobników krzyżujących się w obszarze 1 wynosi 79+14=93. Wyrażona jako procent całkowitej liczby osobników (521), liczba ta odzwierciedla odległość pomiędzy loci allelicznym para A-a i B-b, a także częstotliwość podziału. W ten sam sposób można określić Łączna osoby z krzyżowaniem w obszarze 2 (70+65+8+6=149). Zatem częstotliwość podziału w odcinku 2 wyniesie 28,60%. Należy wziąć pod uwagę, że przy obliczaniu częstotliwości krzyżowania zarówno w ośrodku 1, jak i w ośrodku 2 uwzględnia się 14 osobników z podwójnym krzyżowaniem.
Kolejną rzeczą, o której należy pamiętać w przypadku podwójnych skrzyżowań, jest to, że wpływają one tylko na środkową część chromosomu pomiędzy loci A-a i C-c. Zatem przy podwójnych krzyżach zmienia się tylko pozycja genów B i b, a lokalizacja loci A-a i C-c pozostaje niezmieniona. Jeśli nie będziemy kontrolować dziedziczenia geny B-b, nie będzie możliwe stwierdzenie obecności podwójnych krzyżyków. Częstotliwość crossoverów określona bezpośrednio przez powiązanie między genami A i C, bez uwzględnienia transmisji genów B-b, będzie mniej wiarygodna. W naszym przykładzie tylko 214 z 521 osobników wykazuje krzyżowanie się loci A i C, dlatego jego częstość wynosi 41,07%. Wartość tę można porównać z sumą wcześniej obliczonych wartości dla skrzyżowań w odcinkach 1 i 2. Wartości te wyniosły 17,85 i 28,60%, co daje łącznie 46,45%, czyli o 5,38 jednostki więcej niż wartość, uzyskana poprzez bezpośrednie określenie częstotliwości krzyżowania się loci A i C.
Odległość od A do C wyznacza się w następujący sposób: do sumy procentów klas skrzyżowań pojedynczych (41,1%) dodaje się dwukrotność odsetka skrzyżowań podwójnych (2,7x2 = 5,4%). Podwojenie odsetka podwójnych skrzyżowań jest konieczne, ponieważ każde podwójne skrzyżowanie następuje w wyniku dwóch niezależnych pojedynczych przerw w dwóch punktach. Dlatego aby obliczyć procent przekroczeń pojedynczych należy pomnożyć wartość przekroczeń podwójnych przez 2.
INGERENCJA
Ingerencja- jest to zjawisko, w którym krzyżowanie, które zachodzi w jednej części chromosomu, uniemożliwia krzyżowanie chromatyd w pobliskich obszarach sprzężonych chromosomów. Ustalono, że w eksperymencie odsetek osobników z podwójnym krzyżowaniem jest często niższy niż teoretycznie oczekiwano. Jedną z przyczyn zmniejszających obserwowaną wartość przekroczenia jest proces tłumienia drugiego przekroczenia w pobliżu punktu, w którym nastąpiła już wymiana. Przejście, które występuje w jednym miejscu na chromosomie, hamuje krzyżowanie w pobliskich obszarach. Zjawisko to nazywa się interferencją. Interferencja ma szczególnie silny wpływ na tłumienie podwójnego krzyżowania przy małych odległościach między genami. Jeżeli geny A, B i C są zlokalizowane blisko siebie, to pojedyncza wymiana w obszarze pomiędzy genami A i B hamuje krzyżowanie się w obszarze pomiędzy B i C. Pęknięcia chromosomów okazują się być od siebie zależne. Stopień tej zależności zależy od odległości pomiędzy następującymi pęknięciami: w miarę oddalania się od miejsca pęknięcia wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia kolejnego pęknięcia.
Można zmierzyć ilość zakłóceń. W tym celu konieczne jest oznaczenie chromosomu na dużą odległość genami, których lokalizacja i sekwencja są znane. Znając lokalizację i sekwencję genów na chromosomie, możemy obliczyć teoretycznie oczekiwaną częstotliwość podwójnych skrzyżowań. Wielkość interferencji mierzy się stosunkiem liczby zaobserwowanych podwójnych nieciągłości do liczby możliwych podwójnych nieciągłości, przy założeniu całkowitej niezależności każdej z nich.
Wyjaśnimy to na przykładzie omówionym wcześniej. Stwierdzono, że geny A i B dzieli odległość 17,9 cM, a geny B i C 28,6 cM. Jeżeli przerwy w odcinkach AB i BC występują jako zdarzenia niezależne i losowe, to prawdopodobieństwo podwójnego skrzyżowania między genami A i C powinno być równe iloczynowi procentowego skrzyżowania odcinków AB (17,9%) i BC (28,6%) ), te. (17,9:100) x (28,6:100) x 100% = 5,12%
Jednak w eksperymencie spośród 521 osobników otrzymaliśmy jedynie 14 osobników, które powstały w wyniku podwójnego krzyżowania, co odpowiada 2,68%. Odsetek uzyskany w eksperymencie jest znacznie niższy od oczekiwanego. Spadek ten tłumaczy się obecnością zakłóceń.
Zatem interferencję mierzy się stosunkiem zaobserwowanej liczby podwójnych przejść do teoretycznie oczekiwanej liczby. Stosunek ten nazywany jest wartością koincydencji lub zbieg okoliczności i wyrażane są w ułamkach jednostki lub w procentach. W podanym przykładzie współwystępowanie wynosi 2,68:5,12 = 0,52, czyli 52%.
