Хромосомные карты

Проявление каждого признака организма контролируется генетическими факторами (элементарные единицы наследственности названы генами). Цвет наших глаз и волос, форма носа и губ, размер пальцев руки и стопы ноги - все это обусловлено действием генов. Каждый участок хромосомы - отдельный ген. Изменение или исчезновение любого такого участка обязательнб скажется на жизнедеятельности клетки и выражении какого-либо признака организма.

Сейчас известно около 7 тыс. генов у дрозофилы, расположенных в четырех хромосомах. Предполагается, что в 46 хромосомах человека представлены более чем 50 тыс. генов. На первый взгляд может показаться непонятным, зачем нужно такое огромное количество генов. Но если учесть, что каждый организм имеет сотни признаков, а количественные свойства (размер, масса, объем) контролируются целым рядом генов, станет ясно, почему генов так много.

Количество хромосом у любого организма гораздо меньше количества генов. Каждая хромосома содержит множество генов. В результате многолетней работы по локализации генов в хромосомах ученые составили хромосомные карты, и эта работа продолжается (исследуются разные виды организмов: дрозофила, кукуруза, горох, ячмень, пшеница, человек, мышь, кролик, крыса, курица и др.). Хромосомной или генетической картой называют схему относительного положения генов в определенной хромосоме.

Хромосомные карты начали составлять задолго до того, как цитологи научились идентифицировать хромосомы. Основной инструмент этих работ - генетический анализ (скрещивание различных организмов и изучение полученного потомства). Этот простой метод имеет большую разрешающую способность, чем самый совершенный электронный микроскоп. В самом деле, генетический анализ позволяет точно определить местоположение в хромосоме любого гена, в то время как из-за невероятно малого размера его невозможно увидеть в любой микроскоп.

Только у гигантских хромосом удалось выявить отдельные диски и связать их с определенными генами. Обычная же хромосома не превышает 2 мкм, и в ней находится несколько тысяч генов.

Начало работ по определению местоположения генов в хромосомах или локализации генов положили в 1906 г. английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет, которые сообщили о группах сцепления генов. При скрещиваниях между различными разновидностями душистого горошка дигибридное расщепление отличалось от обычного - гены не наследовались независимо друг от друга, а передавались потомству группами.

Сущность этого явления стала понятна после работ Моргана и его сотрудников: Морган объяснил материальные основы такого сцепленного наследования. Хромосома представляет собой отдельную функциональную единицу при делении клетки. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, связаны между собой. Сцепление признаков может быть обнаружено в любой из хромосом, несущей гены. Локализация в одной хромосоме нескольких генов отвергает сомнения в справедливости закона Менделя о независимости наследования генов, контролирующих разные признаки, появившиеся в случае совместного их проявления.

После того как было описано много генов, ученые пришли к выводу о возможности разделения их на отдельные группы. Гены, принадлежащие к разным группам, наследуются независимо друг от друга, и в потомстве происходит различное их сочетание. Если же гены входят в одну группу, они проявляют разной степени сцепление друг с другом. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют все вместе одну группу сцепления.

Поскольку в одной хромосоме размещается большое количество генов, ученые высказали предположение, что в паре идентичных хромосом гены могут меняться местами. Это значит, гены отцовской хромосомы способны перемещаться в материнскую, и наоборот.

В таком случае происходила бы перекомбинация наследственной информации между родителями. Моргану удалось экспериментально (при исследовании мушки дрозофилы) показать обмен генами между хромосомами одной пары. Процесс обмена участками у гомологичных хромосом назван кроссинговером или перекрестом хромосом. Это явление способствует существенному расширению рекомбинации наследственных свойств и имеет важное значение в эволюции и селекции организмов.

Схематически кроссинговер происходит таким образом. При формировании половых клеток в мейозе гомологичные хромосомы выстраиваются рядом и близко соприкасаются одинаковыми участками. Есть случаи, когда сходные участки парных хромосом не находятся на одинаковом расстоянии, и это вызывает перекручивание хромосом. Неизвестные силы удерживают гомологичные хромосомы в таком состоянии. Когда же на следующем этапе мейоза хромосомы расходятся в разные стороны клетки, в определенных местах происходят разрывы гомологичных хромосом, и они взаимно обмениваются участками. Участок одной хромосомы соединяется с участком другой. Образуются две новые хромосомы, каждая из которых содержит только один из двух генов, находившихся в той же хромосоме.

Цитологические доказательства обмена участками хромосом в процессе перекреста удалось получить в начале 30-х годов Г. Крейтону и Б. Мак-Кдинток. Они использовали в скрещивании контрастные по окраске и консистенции эндосперма зерен линии кукурузы. Кроме того, цитологически были выявлены различия между хромосомами с доминантными и рецессивными признаками. В частности, хромосома с доминантным геном окраски и рецессивным геном консистенции эндосперма имела четко выраженные морфологические отличия от другой гомологичной хромосомы. На одном конце у нее находилось булавовидное утолщение, другой конец был удлинен.

Анализируя многочисленные факты перекреста, полученные на различных объектах, исследователи пришли к выводу, что разрывы и обмены могут произойти практически в любом месте хромосом. Чем дальше друг от друга расположены гены, тем чаще они будут разделяться.

Для определения положения гена в хромосоме сначала необходимо определить группу сцепления. Число групп сцепления соответствует числу пар гомологичных хромосом. Например, у ржи и гороха таких групп семь, у свеклы - девять, у кукурузы - десять.

Принцип установления принадлежности гена к той или иной группе сцепления сводится к выявлению характера наследования определенного гена по отношению к одному или другим генам, находящимся в уже известной группе сцепления. Например, известна принадлежность семи генов каждой группы сцепления у гороха и нужно определить, к какой группе относится новый ген. Для этого проводится скрещивание форм с этим геном и изучается полученное потомство. Так как новый ген может относиться только к одной группе сцепления, то с шестью генами он должен показать независимое наследование и только с одним проявится сцепленно. Его и относят к группе со сцепленным геном.

Генетические карты составляют для всех пар гомологичных хромосом. Каждую группу сцепления нумеруют. Гены обозначают по определенной системе. Место размещения гена в хромосоме устанавливают на основании результатов перекреста. Величина перекреста вычисляется отношением кроссоверных особей к общему числу их в потомстве данного скрещивания и выражается в процентах. Единицу измерения перекреста назвали также морганидой.

Если известно расстояние между двумя генами одной хромосомы и нужно определить местоположение по отношению к ним третьего гена, вновь определяют , величину перекреста этого гена с каждым из двух. Так, два гена А и С оказываются разделенными перекрестом в 25% случаев. Ген В отделяется от гена А с частотой 15%, а от гена С - 10%. Следовательно, ген С находится между ними.

Генетические карты у человека составлять довольно сложно. Невозможно получать потомство по составленным схемам скрещивания. Тем не менее хромосомы человека уже изучены довольно успешно. Определено положение генов в 23 хромосомах. Для картирования генов у человека используют метод гибридизации соматических клеток в их культурах на искусственных питательных средах. Достаточно разработан способ слияния клеток различных видов животных и растений в одну клетку.

Так были получены клетки, содержащие геномы двух разных видов - человека и мыши, человека и китайского хомячка. При размножении клеточных межвидовых гибридов на специальной селективной среде происходит потеря отдельных хромосом человека. Дифференциальная окраска дает возможность идентифицировать все хромосомы человека, отличать их от хромосом других видов. Анализируя окрашенные хромосомы, определяют, какая из них утеряна, а по генетическому маркеру устанавливают группу сцепления и принадлежность к этой группе конкретной хромосомы.