Билет38. 3. Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на стадии четырехнитей. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера.

Открытие кроссинговера. Придопущении размещения в одной хромосоме более одного гена встает вопрос, могутли аллели одного гена в гомологичной паре хромосом меняться местами, перемещаясь из одной гомологичной хромосомы в другую. Если бы такой процесс непроисходил, то гены комбинировались бы только путем случайного расхождениянегомологичных хромосом в мейозе, а гены, находящиеся в одной паре гомологичныххромосом, наследовались бы всегда сцеплено - группой.

Исследования Т. Моргана и егошколы показали, что в гомологичной паре хромосом регулярно происходит обменгенами. Процесс обмена идентичными участками гомологичных хромосом ссодержащимися в них генами называют перекрестом хромосом или кроссинговером.Кроссинговер обеспечивает новые сочетания генов, находящихся в гомологичныххромосомах. Явление кроссинговера, так же как и сцепление, оказалось общим длявсех животных, растений и микроорганизмов. Наличие обмена идентичными участкамимежду гомологичными хромосомами обеспечивает обмен или рекомбинацию генов и темсамым значительно увеличивает роль комбинативной изменчивости в эволюции.

 

Генетический анализкроссинговера.

О перекресте хромосом можносудить по частоте возникновения организмов с новым сочетанием признаков. Такиеорганизмы называют рекомбинантами.

Рассмотрим один из классическихопытов Моргана на дрозофилы, позволивший ему доказать, что гены расположены вхромосомах в определенном порядке.

У дрозофилы рецессивный генчерной окраски тела обозначается b, а его доминантная аллель, определяющаядикую серую окраску, - b+, ген рудиментарных крыльев - vg, нормальных - vg+.При скрещивании мух, различающихся по двум парам сцепленных признаков, серых срудиментарными крыльями b+vg½ ½ b+vgи черных с нормальными крыльями bvg+½ ½ bvg+-гибриды F1 b+vg½ ½ bvg+ серые с нормальнымикрыльями.

На рисунке представлены дваанализирующих скрещивания: в одном дигетерозиготой является самец, в другом —самка. Если гибридные самцы скрещиваются с самками, гомозиготными по обоимрецессивным генам (♀ bvg½ ½ bvg♂ Х b+vg½ ½ bvg+), то в потомстве получается расщепление в отношении 1 серотелая муха срудиментарными крыльями: 1 чернотелая с нормальными крыльями. Следовательно, данная дигетерозигота образует только два сорта гамет (b+vg и b+vg) вместочетырех, причем сочетание генов, в гаметах самца соответствует тому, котороебыло у его родителей. Исходя из указанного расщепления, следует предположить, что у самца не происходит обмен участками гомологичных хромосом. Действительно, у самцов дрозофилы как в аутосомах, так и в половых хромосомах, кроссинговер внорме не происходит, благодаря чему наблюдается полное сцепление генов, находящихся в одной хромосоме.

Может возникнуть предположение, что серая окраска тела и рудиментарные крылья, а также черное тело и нормальныекрылья - это пары признаков, наследующихся вместе вследствие плейотропногодействия одного гена. Однако если взять для анализа гетерозиготных самок, а несамцов, то в Fb, наблюдается иное расщепление. Кроме родительских комбинацийпризнаков, появляются новые - мухи с черным телом и рудиментарными крыльями, атакже с серым телом и нормальными крыльями. В этом скрещивании сцепление тех жегенов нарушается за счет того, что гены в гомологичных хромосомах поменялисьместами благодаря кроссинговеру.

Гаметы с хромосомами, претерпевшими кроссннговер, называют кроссоверными, а с непретерпевшими -некроссоверными. Соответственно организмы, возникшие от сочетания кроссоверныхгамет гибрида с гаметами анализатора, называют кроссоверами или рекомбинантами, а возникшие за счет некроссоверных гамет гибрида — некроссоверными илинерекомбинантными.

Механизм кроссинговера

Мейотический перекрест.

Еще до открытия перекрестахромосом генетическими методами цитологии, изучая профазу мейоза, наблюдалиявление взаимного обвивания хромосом, образования ими Х-образных фигур — хиазм(z-греческая буква «хи»). В 1909 г. Ф. Янсенс высказал предположение, что хиазмы связаныс обменом участками хромосом. Впоследствии эти картины послужили дополнительнымаргументом в пользу гипотезы генетического перекреста хромосом, выдвинутой Т.Морганом в 1911 г.

Механизм перекреста хромосомсвязан с поведением гомологичных хромосом в профазе I мейоза. Вспомним егоособенности. В профазе I гомологичные хромосомы конъюгируют идентичнымиучастками. Каждая хромосома в биваленте состоит из двух хроматид, а бивалентсоответственно из четырех. Таким образом, конъюгация - единственный момент, когда может осуществляться кроссинговер между гомологичными хромосомами. Итак, кроссинговер происходит на стадии четырех хроматид и приурочен к образованию.хиазм.

Если в одном биваленте произошелне один обмен, а два и более, то в этом случае образуется несколько хиазм.Поскольку в биваленте четыре хроматиды, то, очевидно, каждая из них имеетравную вероятность обменяться участками с любой другой. При этом в обмене могутучаствовать две, три или четыре хроматиды.

На рисунке 50 приведена схемаподобных обменов: 1) реципрокного двойного обмена между двумя несестринскимихроматидами, не дающего рекомбинаций генов, если гены-маркеры не затронутыобменом; 2) диагонального обмена, когда две сестринские хроматиды в двух разныхрайонах одновременно вступают в одинарный перекрест с одной и той женесестринской хроматидой, а четвертая хроматида не вовлечена в обмен. Врезультате такого двойного обмена возникают три рекомбинантные хромосомы и однаостается нерекомбинантной (рис. 50, 2, 3); 3) комплементарного обмена, когда всечетыре хроматиды претерпевают одинарные обмены в разных районах, двенесестринские хроматнды из четырех попарно претерпевают одинарный обмен в одномместе, а две другие — в другом, вследствие чего возникают четыре рекомбинантныехромосомы (рис. 50, 4). В этом случае двойные кроссоверы могут возникать какследствие одновременных одинарных обменов между хроматидами при участии вобмене трех хроматид.

До сих пор.рассматривалсякроссинговер между несестринскими хроматидами. Обмен внутри сестринскиххроматид не может приводить к рекомбинациям, поскольку они генетическиидентичны, и в силу этого такой обмен не имеет смысла в качестве биологическогомеханизма комбинативной изменчивости.

 

Соматический (митотический) кроссинговер. Какуже говорилось, кроссинговер происходит в профазе 1 мейоза при образованиигамет. Однако существует соматический или митотическии кроссинговер, которыйосуществляется при митотическом делении соматических клеток главным образомэмбриональных тканей.

Известно, что гомологичныехромосомы в профазе митоза обычно не конъюгируют и располагаются независимодруг от друга. Однако иногда, удается наблюдать синапсис гомологичных хромосоми фигуры, похожие на хиазмы, но при этом редукции числа хромосом ненаблюдается.

Соматический кроссинговер можетприводить к мозаичности в проявлении признаков.

Учет кроссинговера при тетрадноманализе

У высших организмов окроссинговере, происшедшем в профазе мейоза, судят по частоте кроссоверныхособей-рекомбинантов, считая, что появление их отражает соотношениекроссоверных и некроссоверных гамет.

Для прямого доказательствасоответствия рекомбинантных зигот кроссоверным гаметам необходимо определятьрезультаты кроссинговера непосредственно по гаплоидным продуктам мейоза. Приэтом гены должны проявлять свое действие в гаплофаза. Объектом, на которомудалось осуществить подобное исследование, явился, например, плесневой гриб(Neurospora crassa), большая часть жизненного цикла которого приходится нагаплофазу, а диплоидная фаза очень короткая.

Вскоре после оплодотворениязигота приступает к мейотическому делению, которое приводит к образованию аска— сумки гаплоидными спорами. При делениях веретено своей осью совпадает спродольной осью сумки. Поэтому продукты мейоза - споры - располагаются в сумкецепочкой. В мейозе протекают два обычных деления созревания, затем одномитотическое, в результате чего в каждой сумке образуется 8 аскоспор.

Поскольку у нейроспоры имеетсявозможность непосредственно определять результаты кроссинговера по продуктаммейоза, установление в этом случае характера расщепления будет прямымдоказательством того, что расщепление и кроссинговер осуществляются в мейозе.Этот метод является разновидностью уже описанного тетрадного анализа, ноприменительно к сцепленным генам.

В случае моногибридногоскрещивания ожидается расщепление по гаплоидным продуктам (спорам) всоотношении1А: 1а. В асках среди 8 спор - 4 окрашенные (А) и 4 неокрашенные (а)споры, т.е. наблюдается расщепление 1: 1. При отсутствии кроссинговепа междугеном и центромерой порядок расположения спор в сумке таков: ААААаааа. Еслипорядок аскоспор меняется, например ААааААаа, то это будет говорить опроисшедшем перекресте между локусом а и центромерой.

Расположение спор будет зависетьот расхождения хромосом в первом и втором мейотических делениях. Аллели А и амогут распределиться в сумке по спорам и в ином порядке: ааААааАА, ааААААаа, ААааааАА.

В рассматриваемом случаеперекрест происходит на участке между локусом данного гена и центромерой. Чемдальше ген а будет удален от центромеры, тем вероятнее перекрест и, следовательно, больше будет кроссоверных асков. Если перекрест произойдет междудистальным концом хромосомы и геном а, то кроссоверное расположение аскоспор небудет обнаружено.

Изменение порядка спор в аске прикроссинговере между геном и центромерой возможно только в случае, если оносуществляется на стадии четырех нитей, т. е. между хроматидами. Если бырекомбинация происходила в момент, когда каждая хромосома еще не удвоилась, порядок спор в аске не изменился бы. Следовательно, изменение порядка спор вданном случае служит доказательством того, что кроссинговер осуществляется междунесестринскими хроматидами, т. е. на стадии четырех нитей.

Поэтому, говоря о механизме игенетических последствиях кроссинговера, лишь для простоты объясняют егообменом между целыми хромосомами; на самом деле обмен происходит междухроматидами. Указанные особенности нейроспоры дают возможность определить местогена в хромосоме, учитывая расщепление только по одной паре аллелей, чтоневозможно у диплоидных организмов, для которых нельзя провести тетрадный анализ.

Таким образом, тетрадный анализдоказывает, что как менделевское расщепление, так и кроссинговер основаны назакономерностях мейоза.

Билет 39. Факторы, модифицирующие мутационный процесс. Антимутагены. Мутагены окружающей среды иметоды их тестирования.
Методом введения большого числаточковых мутаций разной локализации в исследуемые части генов in vitro являетсяхимический мутагенез одноцепочечных участков рекомбинантных ДНК. Принцип методазаключается в том, что некоторые химические мутагены, такие как бисульфитнатрия, гидроксиламин или метоксиламин, действуют только на одноцепочечныеучастки ДНК. Следовательно, получив молекулы ДНК, содержащие одноцепочечныебреши в исследуемых участках генов, можно с помощью бисульфита натрия дезаминироватьостатки цитозина в этих участках, т.е. превратить их в остатки урацила.
В конце 40-х годов Рапопорт иАуэрбах открыли существование мощных химических мутагенов. В последние годыпоказана возможность вызывать повреждение ДНК человека для целого ряда вирусов, различных паразитарных организмов и др. Факторами, индуцирующими спонтанныймутагенез, также являются ионизирующее и неионизирующее излучения, и химическиеагенты. Ионизирующее излучение (рентгеновское) проникая в ткани, разрываютхимические связи, приводя к хромосомным перестройкам, разрывам или точковыммутациям. Неионизирующее излучение (УФ) вызывает фотохимические изменения вструктуре ДНК. Это приводит к образованию ненормальных химических свзей междумолекулами пиримидинов. Чаще всего образуются тиминовые димеры, реже димерыдругих пиримидинов. Химические соединения делятся на несколько групп: 1аналогиоснований по молекулярной структуре похожи на основания ДНК, приводят кмутациям потому, находясь в разных альтернативных состояниях, могут спариватьсяс нормальными основаниями. Н-р, 5-бромурацил в нормальном состоянии спариваетсяс аденином, а в редком таутомерном состоянии – с гуанином. В связи с этимвозникает транзиция, когда 5-бромурацил включается в ДНК в нормальномсостоянии, а при репликации ДНК превращается в таутомерную форму. Другой широкоизвестный аналог основания – 2-аминопурин; 2агенты, модифицирующие основания –хим.соединения, изменяющие структуру и свойства основанй. К ним относятсядезаминирующие, алкилирующие, гидроксилиоующие соединения. Азотистая кислота(HNO2) – осуществляет окислительное дезаминирование, т.е. удаляет аминогруппы(-NH2) из таких оснований как гуанин, цитозин, аденин. Гуанин → ксантин, но, так как это пуриновое основание, то мутация не проявляется. После модификациицитозина получается урацил, в итоге происходит транзиция от C-G к Т-А в ходерепликации.также азотистая кислота модифицирует аденин в гипоксантин –основание спаривающееся с цитозином, а не с тимином, что продуцирует транзициюА-Т в G-C. Гидроксиламин (NH2OH) – специфично реагирует с цитозином, добавляягидроксильную группу (-ОН), в результате чего он спаривается уже с аденином, ане гуанином. Индуцируется транзиция С-G в Т-А. Метиметансульфонат (ММС) – алкилируетгуанин, т.е. добавляет группы –СН или –СН2СН3 к кислороду в 6-ой позиции, врезультате образуется О6-алкилгуанин или О6-метилгуанин, которые будутспариваться с тимином, а не с цитозином, давая транзицию G-C в А-Т; 3интеркалирующие агенты – встраивают встраиваюи основания в одной или обеих цепяхДНК. Сюда относят: акридин, профлавин, этидиумбромид. Если интеркалирующийагент встраивается между основаниями в матричной цепи ДНК, дополнительноеоснование включается во вновь синтезируемую цепь и возникает мутация сдвигарамки.
Мутации обладают следующимисвойствами: * возникают внезапно, скачкообразно; * передаются из поколения впоколение (наследуются); * ненаправленны, т.е. под действием одного фактораможет мутировать любой участок хромосомы; * одни и те же мутации могут возникатьповторно.Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенными. Ихвоздействие на живые организмы приводит к появлению мутаций с частотой, превышающей уровень спонтанных мутаций. Различают следующие мутагенные факторы: *физические (к ним относятся все виды ионизирующих излучений - гамма- и рентгеновскиелучи, протоны, нейтроны и др., ультрафиолетовое излучение, высокие и низкиетемпературы); * химические (многие алкилирующие соединения, аналоги азотистыхоснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры - чужеродные ДНК или РНК, алкалоиды и многие другие); * биологические (вирусы, бактерии). Часто мутагенныефакторы называют мутагенами (от мутации и греческого genes - рождающий, рождённый). Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз(нитропроизводные мочевины) называются супермутагенами.Процесс образованиямутаций с помощью физических или химических мутагенов называется мутагенезом.

Антимутагены (от анти...и мутагены), вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов. А.условно можно разбить на 3 группы:
1) блокирующие действие автомутагенов, естественно возникающих в клетках в процессе метаболизма (антиавтомутагены), например фермент каталаза, который разрушает обладающую мутагенным действием перекись водорода. Эти А.обеспечивают сохранение определённого уровня спонтанных мутаций;
2) снижающие действиевнешних, искусственных физических (ионизующей радиации и др.) или химическихмутагенов. Такими А. являются сульфгидрильные соединения, сильныевосстановители типа Na2S2O, некоторые спирты и углекислые соли. А. этих двухгрупп могут разрушать мутагены или конкурировать с важными в генетическом отношенииструктурами за взаимодействие с мутагеном, действовать как восстановители и т.д.;
3) ферментные системы, действующие непосредственно на уровне наследственных структур, т. е.«исправляющие» поврежденные мутагеном участки хромосомы. Мутационный эффектможет быть также снят физическим воздействиями определённой интенсивности(светом, высокой и низкой температурой и др.)
Главная опасность загрязнения окружающей средымутагенами, какполагают генетики, заключаетсявтом, чтовновьвозникающиемутации, не «переработанные»эволюционно, отрицательноповлияютнажизнеспособность любых организмов. Иеслипоражениезародышевыхклетокможетпривестик росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то приповреждениигенов соматических клеток возможно возрастание числа раковыхзаболеваний.

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: