Генетика для студентов КРИ Часть 3. Хромосомная теория наследственности

Генетика
для студентов КРИ
Электронный лекционный курс – мультимедийная презентация
Анна Михайловна Гусаченко
Часть 3. Хромосомная теория
наследственности
Хромосомная теория
наследственности
В начале 20 в. было известно о том,
что число хромосом организма
постоянно, открыты митоз и мейоз.
Сэттон и Бовери отмечали сходство
в поведении генов и хромосом (19021903). В это время многие цитологи
исследовали хромосомные числа
различных животных и растений.
Половые хромосомы
В начале 20 в. цитологи исследовали мейоз у
насекомых.
У клопа Protenor в гаметах 6 или 7 хромосомотличаются Х-хромосомой – Х0 определение
пола.
У клопа Lygaeus одна пара отличается: Y
меньше, чем Х, в гаметах Х или Y- XY
определение пола.
Хромосомная теория
наследственности
Использовал плодовую мушку
Drosophila melanogaster как
модельный объект генетики
Ученики:
А. Стертевант,
К. Бриджес,
Г. Мёллер
Томас Морган
(1866-1945)
Цикл развития дрозофилы
Взрослая
муха
яйцо
При 25 С от
яйца до яйца
14 дней
куколка
эмбрион
личинка
Drosophila melanogaster, дикий тип
самка
самец
•Половые хромосом дрозофилы
Нашли половые хромосомы у дрозофилы: X и Y
Х
Х
Х
Y
Метафазные хромосомы
Хромосомы Drosophila melanogaster
X Y
самец
X X
самка
Ген white (1910 г.). Нашли самца с
белыми глазами, получили линию.
Морган с учениками провели два
реципрокных скрещивания :
в одном мутантный ген был у
самца, в другом- у самки
белые глаза х
красные гл. х
красные гл.
белые глаза
Мендель показывал, что реципрокные
скрещивания дают одинаковые результаты
P:
w/w
белые глаза
G:
x
w
F1:
w/w+
красные
1
w+/ Y
красные гл.
w+
x
:
G: w w+
F2: w/w w+/w x
белые красные
1 : 1
:
Y
w/ Y
белые
1
w
Y
w/ Y w+/ Y
белые красные
1
:
1
P:
w/w
белые глаза
G:
x
w
F1:
w/w+
красные
1
w+/ Y
красные гл.
w+
x
:
G: w w+
F2: w/w w+/w x
белые красные
1 : 1
:
Y
w/ Y
белые
1
w
Y
Крисс-кросснаследование:
сыновья наследуют
признак матери,
а дочери - отца
w/ Y w+/ Y
белые красные
1
:
1
P:
w+/w+
красные глаза
G:
F1:
x
w+
w
w/w+
красные
x
w+
F2: w+/w+ w+/w x
красные красные
:
Y
w+/ Y
красные
G: w w+
1
w/ Y
белые глаза
1
:
Y
w/ Y w+/ Y
белые красные
1
:
1
Реципрокные скрещивания различались и
не соответствовали менделевскому
расщеплению
Морган предположил, что ген white
находится в Х-хромосоме, а Y не содержит
ген white
У самца Х-хромосома одна,
ген white в гемизиготе
У дрозофилы самки- гомогаметный пол,
самцы – гетерогаметный пол
Нерасхождение половых
хромосом
• Ученик Моргана Бриджес обнаружил, что в
скрещиваниях
•
белоглазые х красноглазые
• с частотой 0.001-0.1 % появляются
• белоглазые
красноглазые
• Предположил, что хромосомы не разошлись
в мейозе - произошла ошибка, мутация
Нерасхождение половых
хромосом
XX w
X
w
X
w+
w
0
w
w
w+
w+
w+
Y
w
w
0.001-0.1 %
0.001-0.1 %
Нерасхождение половых хромосом
вторичное
X
X
Y
XY
XX
Y
Нерасхождение хромосом постоянно:
сцепленные Х-хромосомы
• Мутация yellow (желтое тело) – в Ххромосоме
• В 1922 г. Л.В.Морган обнаружила в
скрещивании желтой самки yy с серым
самцом исключительную (единственную)
желтую самку.
P
yy
x
y+ / Y
желтая
серый
F1
yy
желтая
y+ / Y
серый
Нерасхождение хромосом постоянно:
сцепленные Х-хромосомы
• Эта самка далее давала потомство, сходное с
родителями: желтые самки и серые самцы.
• Цитологический анализ показал, что 2
акроцентрические Х-хромосомы у таких самок
оказались соединенными в одну метацентрическую.
Это тоже мутация - хромосомная перестройка. Еще
эти самки имеют Y-хромосому:
желтая
серый
Напишите схему скрещивания
Выводы
Гены, расположенные в Х- хромосоме,
наследуются не по Менделю.
Видно, что у дрозофилы пол определяет
число Х-хромосом, Y на развитие пола
не влияет.
Бриджес исследовал это далее и вывел
балансовую теорию определения пола
Хромосомная теория
наследственности
Сэттон заметил, что признаков
больше, чем хромосом. Одна
хромосома должна определять
несколько признаков.
Тогда должен нарушаться закон
Менделя о независином
наследовании признаков. Стали
искать такие нарушения
• В 1906 г. У.Бэтсон и Р.Пеннет, работая с
растением «душистый горошек» Lathyrus
odoratus, обнаружили отклонение от
расщепления 9:3:3:1
Признаки: цветки пурпурные -Р, красные -р,
пыльцевые зерна удлинённые -L, круглые -l
• В 1906 г. У.Бэтсон и Р.Пеннет, работая с
растением «душистый горошек» Lathyrus
odoratus, обнаружили отклонение от
расщепления 9:3:3:1
P
PPLL x ppll
F1 PpLl
F2 P_L_, P_ll, ppL_, ppll
%: 69.5: 5.6: 5.6: 19.3
реальные
% 56.25 :18.75 : 18.75 : 6.25 ожидаемые
Такое расщепление получится, если гаметы
образуются в таких соотношениях:
0.44 PL: 0.06 Pl : 0.06 pL : 0.44 pl, вместо 0.25.
Гены pl сцеплены – наследуются вместе.
Сцепление оказалось не полным, а частичным
Расщепление в F2
PL
69.5
56.25
75
Pl
5.6
pL
5.6
18.75 18.75
0
0
pl
Фенотипы
Расщепления
19.3
Реальное
Неполное
сцепление
6.25
Независимое
9:3:3:1
25
Полное сцепление
3:1
Позже, в 1919 г. Холдейн рассчитал, какие должны быть
частоты гамет, чтобы вышло полученное расщепление:
PL 0.44
PL
0.44
Pl
0.06
pL
0.06
pl
0.44
Pl 0.06
pL 0.06
pl 0.44
Работы Моргана с сотрудниками
b-(black) – черное тело,
b+ - серое тело
vg –(vestigial)- короткие
редуцированные
крылья,
vg+ - нормальные
крылья
Получил F1 и сделал 2
реципрокных
анализирующих
скрещивания
В первом получилось 2
сорта потомков- только
родительские, во втором
– 4 сорта: в 83 случаях
родительские
комбинации, в
остальных 17%
Работы Моргана с
сотрудниками
Показали:
Если гетерозиготен отец F1. в
F2 образуется только 2
родительских варианта- полное
сцепление.
.
Работы Моргана с
сотрудниками
Показали:
Если гетерозиготна мать F1, в
F2 образуется 4 фенотива:
2 родительских и
2 рекомбинантных
Обмен- кроссинговер у
дрозофилы происходит
только у самок.
Потом взяли мух с
другим сочетанием
признаков:
bb vg+vg+ x b+b+ vg vg
В анализирующих
скрещиваниях получили
обратные результаты
Стертевант:
Теперь 3 гена, в
анализирующем
скрещивании 8
вариантов:
Родительские
классы
Обмен на 2-м
участке
Обмен на 1-м
участке
Обмены на
двух участках
Получили частоты рекомбинации:
b – pr – 6%, pr – vg – 12%, b – vg – 17%
Обнаружили, что между одной парой генов частота
кроссинговера больше, чем между другой.
Стертевант предположил:
•гены в хромосоме расположены линейно,
•частота кроссинговера зависит от расстояния
между генами,
•можно построить карту:
b
pr
6%
vg
12%
Гипотеза А.Стертеванта:
частота рекомбинации
пропорциональна расстоянию между
генами
rf- частота рекомбинации
d - расстояние между
генами
Предложил использовать
частоту кроссинговера как
меру расстояния между генами
на хромосоме
Единица расстояния – процент
кроссинговера –
cантиморганида, сМ
1 сМ = 1 % кроссинговера
Предположили, что происходит
физический обмен участками
хромосом. Хиазмы в мейозе
уже видели
Генетическая карта Drosophila melanogaster
Группа сцепления группа генов,
проявляющих
сцепленное
наследование, группа
генов, расположенных
в одной хромосоме.
К 1980 г. построены
генетические карты
человека, дрозофилы,
мыши, крысы,
домашней мухи,
таракана, курицы,
пшеницы, риса,
кукурузы и пр..
Расстояние между генами:
число кроссоверов х100% = 17 %
общее число потомков
Сколько хиазм может
образоваться в
биваленте?
Х-хромосома,
унивалент, 0 хиазм
4
1
2
3
В генетике мы наблюдаем кроссинговер только по
смене маркеров АВС (генов)
А
В
С
а
b
Видим
c
не видим
Если гены (маркеры) расположены далеко (В и С), между
ними может произойти 2 обмена, а мы их не заметим.
Число кроссинговеров, который мы заметим, будет
меньше, чем реально их произошло.
В хромосоме на малых расстояниях действует интерференция
обменов: обмены не могут происходить близко, один обмен
запрещает другой обмен поблизости. Если маркеры А и В
расположены близко, мы видим все обмены, которые
произошли.
Интерференцию на определенном участке хромосомы можно
оценить по произошедшим двойным обменам
А
0.3
В
0.2
С
Пусть генетическое расстояние между АВ – 30%, ВС20%, двойные обмены – 1%
С= количество реально произошедших двойных обменов на
участке А-С к теоретически возможным.
Теоретическая вероятность двойного обмена рассчитывается как
вероятность одновременных обменов на участке АВ и ВС.
Тогда С=0.01/(0.3х0.2) = 0.16
Это коэффициент Коинциденции, он оценивает интерференцию
C= rf double/ (rf AB x rf BC)
Функция Холдейна
rf = 1/2(1-e-2d)
d = -1/2 ln(1-2rf)
rf- картирующая
функция, частота
видимых кроссоверов,
d – реальное
расстояние по карте.
Расстояния меньше 10 сМ
(в сумме) можно просто
суммировать
Картирующие функции:
1 – А.Стертеванта (rf=d),
2 – функция
Дж.Холдейна
Функция Холдейна
rf = 1/2(1-e-2d)
d = -1/2 ln(1-2rf)
rf- картирующая
функция, частота
видимых кроссоверов,
d – реальное
расстояние по карте.
Расстояния меньше 10 сМ
(в сумме) можно просто
суммировать
Картирующие функции:
1 – А.Стертеванта (rf=d),
2 – функция
Дж.Холдейна
Теперь мы знаем, что кроссинговер происходит на
стадии 4-х хроматид, каждый гомолог состоит из 2-х
идентичных хроматид:
В кроссинговере в одной точке участвует только 2 их 4-х
хроматид, по одной от каждого гомолога
Каждая клетка после мейоза дает 4 клетки с одной из 4-х
хроматид. Из них 2 – некроссоверные, 2 кроссоверные.
Или все 4 некроссоверные, если обмен произошел вне
маркеров АВС. Поэтому кроссоверов может быть не
больше 50% (<=50%)
Цитологическое
доказательство
кроссинговера
Эксперимент К. Штерна
(1930)
Хромосомы дрозофилы
маркированы цитологически:
Одна Х-хромосома несет
кусочек Y,
другая короче из-за
транслокации участка
на 4 хромосому;
генетически : cr- глаза цвета
гвоздики, cr+ - дикий тип,
В – узкие глаза, В+ нормальные
Некроссоверы
кроссоверы
Цитологическое доказательство
кроссинговера
Эксперимент Х. Крейтон и Б.
МакКлинток на кукурузе
Маркеры
Цитологические: хромосома
имеет блок гетерохроматина и
более длинная из-за
транслоцированного куска другой
хромосомы
Генетические:
с, - бесцветный, с+ - окрашенный
эндосперм,
wx – восковой, wx+ - нормальный
эндосперм
некроссоверы
кроссоверы