Слайд 1Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот
Слайд 2В 1903 г. Вальтер Саттон, объединивший цитологию и генетику в
науку цитогенетику, вместе с Теодором Бовери, пришел к выводу, что
«единиц наследственности» у большинства организмов значительно больше, чем хромосом.
гены расходятся в дочерние клетки сцеплено, как единая часть хромосомы.
Степень независимости, с которой аллели двух генов расходятся в разные клетки в результате мейоза есть сцепление.
Графическое представление нормального человеческого кариотипа в виде идеограмм всех его хромосом
Слайд 3во многих случаях в профазе I мейоза происходит синапсис гомологичных
хромосом с последующим реципрокным кроссинговером, или обменом гомологичными участками несестринских
хроматид.
Слайд 4Частота кроссинговера (кросовер) между двумя локусами одной хромосомы пропорциональна расстоянию
между этими локусами.
В зависимости от исследуемых локусов варьирует и частота
гамет, рекомбинантных по этим локусам.
Это позволяет оценивать относительное расстояние между генами и строить хромосомные карты.
Слайд 5Сцепление и независимое распределение генов
При независимом распределении двух пар хромосом
с двумя парами генов Aa и Bb сцепления не наблюдается
и в результате мейоза в равных пропорциях образуются четыре типа гамет.
Слайд 6Сцепление и независимое распределение генов
При сцеплении генов и отсутствии между
ними кроссинговера формируется только два типа различных гамет.
наблюдается полное сцепление
и в равных пропорциях образуются некроссоверные гаметы родительских типов.
Слайд 7Сцепление и независимое распределение генов
Если между двумя сцепленными генами происходит
кроссинговер, захватывающих две несестринских хроматиды, то образуются две новые аллельные
комбинации, и появляются рекомбинантные, или кроссоверные и две некроссоверные гаметы.
Слайд 8Сцепление и независимое распределение генов
В случае равновероятного образования всех типов
гамет передача двух сцепленных генов неотличима от передачи двух не
сцепленных и пропорции гамет одинаковы.
Слайд 9Сцепление генов
соотношение фенотипов при сцеплении при двух тесно сцепленных рецессивных
мутаций у Drosophila melanogaster
brown (bw) – коричневые глаза
heavy
(hv) – утолщенные жилки крыла.
Оба аллеля bw+ и hv+ доминантны и проявляются в фенотипе как красные глаза и тонкие жилки на крыльях.
Слайд 11Сцепление генов
Из-за тесного сцепления этих генов у мух в F1
образуются такие же гаметы, как и у родителей.
Соотношение фенотипов и
генотипов во втором поколении составит 1 : 2 : 1.
У 1/4 потомков будут коричневые глаза и утолщенные жилки
у 1/2 – красные глаза и тонкие жилки
у 1/4 - красные глаза, утолщенные жилки,
или
1 коричневоглазых : 2 дикого типа : 1 с утолщенными жилками.
Слайд 12Сцепление генов
В результате контрольного скрещивания с мухами первого поколения получаются
коричневоглазые мухи с утолщенными жилками в соотношении 1 : 1.
Слайд 13Сцепление генов
Анализ большого числа мутантных генов, локализованных на одной и
той же хромосоме, обнаруживает, что эти гены входят в одну
группу сцепления.
Слайд 14Неполное сцепление, кроссинговер и хромосомное картирование
Обычно при скрещиваниях по двум
сцепленным генам в потомстве проявляется небольшой процент рекомбинаций.
Частота рекомбинаций между
этими генами зависит от межгенного расстояния.
Эту закономерность впервые исследовали в 1911 г. Томас Х. Морган и Альфред Х. Стертевант.
Слайд 15Работы Моргана по кроссинговеру
Морган первым описал Х-сцепленные гены у Drosophila,
анализируя многочисленные Х-хромосомные мутации.
При скрещивании мутантных мух с желтым телом
(y – yellow) и белыми глазами (w – white) с мухами дикого типа (серое тело красные глаза).
F1 все самки дикого типа, а у самцов проявляются оба мутантных признака.
F2 98,7% мух имеют родительские фенотипы: желтое тело, белые глаза или серое тело, красные глаза.
Остальные 1,3% мух имеют либо желтое тело, красные глаза, либо серое тело, белые глаза.
Слайд 16Работы Моргана по кроссинговеру
При скрещивании по другим Х-сцепленным генам картина
оказалась похожей, но пропорции фенотипических классов во втором поколении были
другими.
Во втором поколении от скрещивания мутантных белоглазых мух с миниатюрными крыльями родительские фенотипы имели 62,8% мух, а 37,2% мух имели другие комбинации родительских признаков.
Слайд 17Работы Моргана по кроссинговеру
Морган поставил два вопроса:
(1) В чем причина
разделения сцепленных генов?
(2) Почему частота рекомбинаций варьирует в зависимости от
изучаемых генов?
В то время уже были известны результаты цитологических наблюдений Ф.А. Янссенса, который в 1909 г. Обнаружил хиазмы (точки перекреста) во время синапса гомологичных хромосом в мейозе у земноводных.
Морган предположил, что хиазмы как раз и являются точками генного обмена между хромосомами.
Слайд 18Работы Моргана по кроссинговеру
при скрещиваниях по мутантным генам yellow-white происходит
1,3% рекомбинаций, а при скрещиваниях по генам white-miniature - 37,2%
рекомбинаций между этими генами.
-он пришел к выводу о линейном расположении генов вдоль хромосомы и о различной частоте рекомбинаций между отдельными генами.
Слайд 19Работы Моргана по кроссинговеру
Морган предположил, что частота формирования хиазм (рекомбинаций)
между двумя тесно сцепленными генами ниже, чем между более отдалёнными
генами.
Для описания процесса обмена между хроматидами, приводящего к рекомбинации генов Морган ввел понятие кроссинговера.
Слайд 20Работы Стертеванта по картированию генов
Альфред Стертевант – впервые применил предположения
своего учителя для картирования генов на хромосомах.
Он продолжил исследование рекомбинаций
между мутантными генами yellow, white, miniature и получил следующие частоты кроссинговера между отдельными генами в разных скрещиваниях:
(1) yellow, white 0,5%
(2) white, miniature 34,5%
(3) yellow, miniature 35,4%
Слайд 21Работы Стертеванта по картированию генов
частота рекомбинаций между генами yellow и
white меньше, значит они находятся наиболее близко друг к другу,
однако они отдалены от гена miniature, поскольку частота рекомбинаций между генами white, miniature и yellow, miniature намного выше.
Поскольку частота рекомбинации между генами yellow и miniature выше, чем между white и miniature (35,4% и 34,5%), то ген white находится между двумя другими генами.
Он пришел к выводу, что эти гены располагаются в следующем порядке: yellow – white – miniature.
Слайд 22Работы Стертеванта по картированию генов
Из работ Моргана было известно, что
по частоте рекомбинаций между генами можно оценить межгенное расстояние.
Исходя из
частот рекомбинаций, Стертевант построил карту Х-хромосомы:
1 единица карты соответствует 1% рекомбинации между генами.
Слайд 23Работы Стертеванта по картированию генов
Позже Стертевант построил более подробную карту
Х-хромосомы, включающую 5 генов.
В результате его работы с Кальвином Бриджесом,
к 1923 г. стало ясно, что сцепление генов и кроссинговер характерны не только для Х-хромосомы, но и для аутосом.
Слайд 24Работы Стертеванта по картированию генов
Помимо работ по картированию, Стертевант внес
большой вклад в хромосомную теорию наследственности (1910 г.), которая поначалу
встретила много критиков.
Слайд 25Одиночный кроссинговер
Чем ближе расположены два локуса на хромосоме, тем вероятность
кроссинговера между ними меньше,
и наоборот:
чем дальше эти локусы
друг от друга, тем вероятность кроссоверов между ними выше.
Слайд 26Одиночный кроссинговер
Кроссинговер между двумя отдаленными локусами приводит к появлению рекомбинантных
гамет.
Слайд 27Одиночный кроссинговер
Если между двумя несестринскими хроматидами происходит одиночный кроссинговер, то
две другие хроматиды остаются интактными и попадают в нерекомбинантные гаметы,
поэтому даже 100% кроссинговер между данными локусами приводит к появлению 50% рекомбинантных гамет.
теоретически, частота рекомбинантных гамет не может превышать 50%.
Слайд 28Одиночный кроссинговер
Если два гена находятся на расстоянии более 50 сМ,
то кроссинговер между ними происходит со 100% частотой, то есть
каждая тетрада дает в равных пропорциях четыре типа гамет и соответствующие гены распределяются в гаметы независимо друг от друга.
Слайд 29Множественный кроссинговер
В одной и той же тетраде может произойти два,
три или более обмена между несестринскими хроматидами.
Двойной кроссинговер – двойные
обмены.
Слайд 30Множественный кроссинговер
Вероятность единичного обмена между генами А и В или
В и С прямо пропорциональна расстоянию между этими генами:
чем
ближе они расположены, тем меньше вероятность рекомбинации между двумя из этих генов.
В случае двойного кроссинговера одновременно происходят два независимых межгенных обмена.
Вероятность двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из них.
Слайд 31Множественный кроссинговер
Допустим, что обнаружено
20% кроссоверных гамет, возникших в результате
рекомбинации между генами А и В (р = 0,20),
30%
кросоверных гамет – в результате рекомбинации между генами В и С (р = 0,30).
вероятность двойного кросинговера между генами А и В, В и С, приводящего к появлению кросоверных гамет, равна
(0,20)(0,30) = 0,06, то есть 6%.
Слайд 32Множественный кроссинговер
Допустим, что
расстояние между генами А и В равно
3 единицам карты,
расстояние между В и С – 2
единицам.
Тогда частота двойного кроссовера равна
(0,03)(0,02) = 0,0006, то есть всего 0,06%, или
6 кроссоверов на 10 000.
В данном случае, двойной кроссинговер трудно выявить даже среди 1000 потомков, поскольку его частота крайне низкая.
Слайд 33Картирование генов у Drosophila и кукурузы
Анализ последствий одиночного кроссинговера позволяет
картировать три и более генов.
Слайд 34Трехлокусное картирование у Drosophila
Для проведения экспериментального скрещивания необходимы следующие условия:
1.
Родитель, дающий кроссоверные гаметы, должен быть гетерозиготным по всем исследуемым
локусам.
2. В потомстве должны точно определяться рекомбинантные фенотипы, поскольку генотипы гамет недоступны для прямого анализа.
3. Для выявления всех кроссоверных фенотипов и картирования генов нужно проанализировать достаточное количество потомков.
Слайд 35Трехлокусное картирование у Drosophila
Эти условия соблюдены при трехлокусном картировании у
Drosophila melanogaster.
В скрещивании анализируются три сцепленных с полом рецессивных мутантных
гена:
yellow – желтое тело,
white– белые глаза
echinus – ежевидные глаза.
Предположим, что последовательность этих генов на Х-хромосоме такова:
y-w-ec.
Слайд 36Трехлокусное картирование у Drosophila
В F1 все самки имеют фенотип дикого
типа, поскольку они гетерозиготны по данным локусам, а самцы имеют
мутантный фенотип, так как они гемизиготны по трем мутантным аллелям (У-хромосома не несет этих аллелей).
В результате кроссинговера между этими генами самки F1 могут давать рекомбинантные гаметы.
Слайд 37Трехлокусное картирование у Drosophila
Возможны другие варианты.
один из родителей Р1 несет
мутантные аллели у и ес, а другой родитель мутацию w,
тогда у гетерозиготных самок F1 мутантные аллели у и ес будут локализованы на одной гомологичной хромосоме, а аллель w – на другой.
Слайд 38Трехлокусное картирование у Drosophila
У самок F1 гаметы могут нести нерекомбинантные
Х-хромосомы, которые попадают к потомству примерно в равных соотношениях.
Если одна
из Х-хромосом несет один мутантный аллель, а вторая – два других мутантных аллеля, то образуются реципрокные классы гамет и фенотипов.
Слайд 39Трехлокусное картирование у Drosophila
Мухи с фенотипом yellow, echinus, white или
мухи дикого типа составляют 99,44% всего потомства F2.
Слайд 40Трехлокусное картирование у Drosophila
В F2 появляются и два реципрокных фенотипа:
с нормальной окраской глаз, несущих мутации yellow echinus
c нормальной
окраской тела и формой глаз, но белоглазых (мутация white).
В сумме эти два класса составляют только 0,06% всего потомства F2.
Слайд 41Трехлокусное картирование у Drosophila
Оставшиеся четыре фенотипических класса получаются в результате
одиночных кроссоверов:
реципрокные фенотипы образуются вследствие кроссинговера между локусами yellow
и white и составляют 1,50% потомства F2.
Фенотипы классов, возникающих вследствие одиночных кросоверов между локусами white и echinus составляют 4,00% мух второго поколения.
Расстояние между локусами у и w или w и ес равно частоте всех рекомбинаций, обнаруженных между этими локусами, включая одиночные и двойные кроссоверы
В случае локусов у и w следует сложить частоты рекомбинантных фенотипов:
1,50 + 0,06 = 1,56 единиц карты.
Аналогично, расстояние между локусами ec и w равно частоте всех рекомбинаций между этими локусами:
4,00 + 0,06 = 4,06 ед. карты.
Слайд 42Определение последовательности генов
В предыдущем примере была установлена следующая последовательность генов:
y – w – ec.
Слайд 43Определение последовательности генов
Этот метод основан на том, что имеется всего
три варианта:
(I) w – y – ec (y – в
центре)
(II) y – ec – w (ec – в центре)
(III) y – w –ec (w – в центре)
Слайд 44Определение последовательности генов
Для определения истинной последовательности генов рекомендуется действовать по
предложенному алгоритму:
1. Сначала выясним порядок расположения аллелей на гомологичных хромосомах
у гетерозигот, дающих кроссоверные и некроссоверные гаметы (в предыдущем примере самки F1).
2. Определим, выявляются ли в потомстве дважды кросоверные фенотипы (гаметы).
3. Если предполагаемые фенотипы не соответствуют результатам скрещивания, нужно проверить все другие последовательности и найти верную.
Слайд 45Определение последовательности генов
Соответствие ожидаемых и наблюдаемых результатов говорит об истинности
данной последовательности.
Слайд 46Картирование генов у кукурузы
При рассмотрении трех сцепленных аутосомных генов у
кукурузы будем пользоваться теми же критериями, что и для Х-сцепленных
генов у дрозофилы:
(1) один из родителей, взятых в скрещивание, должен быть гетерозиготным по всем изучаемым признакам,
(2) генотипы гамет этого родителя должны проявляться в потомстве,
(3) для полного анализа нужна репрезентативная выборка потомства.
Слайд 47Картирование генов у кукурузы
Три рецессивных мутантных гена у кукурузы локализованы
на хромосоме 5:
bm (brown midrip – главная жилка листа
коричневого цвета),
v (virescent – проростки серовато-зеленые)
pr (purple – пурпурный алейроновый слой зерновок).
растение, взятое в качестве женского родителя, гетерозиготно по всем трем генам.
Нам неизвестны:
(1) расположение мутантных аллелей на материнской и отцовской хромосомах у гетерозигот
(2) последовательность генов
(3) хромосомная карта этих генов.
Слайд 48Картирование генов у кукурузы
В потомстве можно выделить группы, состоящие из
двух реципрокных фенотипических классов, которые возникли
при участии некроссоверных гамет
(NCO),
гамет с одной рекомбинацийе между этими генами (SCO)
дважды кросоверных гамет (DCO).
Слайд 49Точность генетического картирования
Обнаружить последствия всех кроссоверов невозможно.
Бесчисленные рекомбинации между локусами
остаются неучтенными.
Слайд 50Точность генетического картирования
Множественный кроссинговер между генами приводит к недооценке частоты
рекомбинаций и уменьшает межгенное расстояние.
Чем отдаленнее гены, тем выше вероятность
необнаруженных кроссоверов между этими генами.
Степень ошибки в оценке межгенного расстояния увеличивается по мере роста этого расстояния.
Слайд 51Интерференция и коэффициент коинцедентности
зная межгенное расстояние можно оценить частоту множественных
рекомбинаций, включая двойные кроссоверы между этими генами.
расстояние между генами v
и pr у кукурузы равно 22,3 ед. карты,
между генами pr и bm – 43,4 ед. карты.
Если два одиночных кроссовера происходят независимо и одновременно, то ожидаемая частота этого двойного кроссовера равна:
DCOexp = (0,223) х (0,434) = 0,997 = 9,7%.
Слайд 52Интерференция и коэффициент коинцедентности
Слайд 53Интерференция и коэффициент коинцедентности
Слайд 54Интерференция и коэффициент коинцедентности
Зная коэффициент коинцедентности, легко определить величину интерференции
I
= 1 – C
Слайд 55Интерференция и коэффициент коинцедентности
В случае двойных кроссоверов между названными генами
у кукурузы получим:
I = 1,000 – 0,804 = 0,196.
Слайд 56Интерференция и коэффициент коинцедентности
При полной интерференции двойных кроссоверов в данном
районе хромосомы вообще не наблюдается, то есть I = 1,0.
Слайд 57Интерференция и коэффициент коинцедентности
I – положительная величина, показывающая, что частота
наблюдаемых двойных кроссоверов на 19,6% меньше ожидаемой частоты.
Слайд 58Интерференция и коэффициент коинцедентности
Чем ближе расположены гены, тем выше положительная
интерференция.
У Drosophila, например, полная интерференция наблюдается на расстоянии 10 ед.
карты и на участке такой длины уже не происходит двойных или множественных кроссоверов.
Слайд 59Генетическая карта Drosophila
У таких организмов, как дрозофила, кукуруза, мышь, известно
множество мутаций, которые локализованы на хромосомах путем генетического картирования.
Слайд 60Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
У человека невозможны контрольные
скрещивания (браки) с многочисленным потомством, поэтому первые исследования по картированию
генов были основаны на анализе родословных.
Слайд 61Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Если два исследуемых гена
локализованы на значительном расстоянии друг от друга, то между ними
могут произойти рекомбинации и появятся рекомбинантные гаметы.
В таких случаях для обнаружения сцепления генов пользуются методом подсчета лод-баллов, или методом lod score.
Этот метод разработали в 1947 г. Дж.Б.С. Холден и Л.А. Смит, а в 1955 г. Его усовершенствовал Ньютон Мортон.
Лод балл (от lod of odds – логарифм вероятности, или шансов сцепления) оценивает вероятность того, что в данной родословной имеется два сцепленных или два не сцепленных гена.
Слайд 62Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Первые результаты картирования генов
человека оказались обескураживающими из-за трудностей с подбором подходящих родословных и
вследствие большого количества хромосом (n = 23).
К 1960 г. Фактически не было достоверных хромосомных карт человека.
Слайд 63Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Однако вскоре появился новый
метод гибридизации соматических клеток, который позволил эффективно определять сцепление генов
с определёнными хромосомами набора.
Открытый Георгием Барским подход основан на том, что в культуре можно индуцировать слияние двух разнородных клеток в одну гибридную.
Сначала Барский использовал две мышиных клеточных линии, но вскоре убедился, что к слиянию способны и клетки, принадлежащие разным организмам, в результате образуется гетерокарион.
Слайд 64Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
В процессе культивирования гетерокарионов
in vitro происходят два важных события.
Ядра родительских клеток сливаются, образуя
синкарион.
Слайд 65Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Если в синкарионе с
1 – 3 человеческими хромосомами синтезируется продукт определеного человеческого гена,
то предполагается, что этот ген локализован на одной из оставшихся хромосом человека.
Можно создавать панели гибридных клеток, каждая линия которых содержит только одну из 23 хромосом человека, что позволяет картировать любой ген по наличию или отсутствию его продукта.
Слайд 66Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Проверка корреляции наличия или
отсутствия определенной хромосомы с наличием или отсутствием соответствующего генного продукта
называется тестированием синтении.
Слайд 67Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
С помощью гибридизации соматических
клеток и синтенного тестирования были локализованы сотни человеческих генов.
Слайд 68Гибридизация соматических клеток и картирование генов человека
Для картирования генов, продукты
которых еще не известны, пользуются другими методическими приемами: например, анализом
родословных в сочетании с методом рекомбинантных ДНК.
Так были картированы гены, ответственные за хорею Гентингтона, муковисцидоз и нейрофиброматоз, которые локализованы на хромосомах 4, 7 и 17 соответственно.
Слайд 69Сцепление и картирование генов у гаплоидных организмов
Многие из одноклеточных эукариот
гаплоидны на вегетативной стадии жизненного цикла.
Это свойственно, например, для водоросли
Chlamidomonas и плесневого гриба Neurospora.
они легко культивируются и скрещиваются.
Имеют всего по одному аллелю каждого гена.
Поэтому Chlamydomonas, Neurospora и подобные им гаплоидные организмы с успехом используются генетиками для разных целей, в том числе, и для картирования генов.
Слайд 70Сцепление и картирование генов у гаплоидных организмов
Для этого проводят скрещивания
и анализируют тетрады.
Тетрадный анализ позволяет выявить пропорции клеток с определенными
генотипами.
Слайд 71 Главный мутаген табачного дыма — бензопирен — связанный с одним
из нуклеотидов молекулы ДНК.
Слайд 72 Разрывы хромосом как одна из причин радиационно-индуцированных повреждений ДНК
