Многочисленные факты показывают, что наследование признаков связано с ядром, а точнее — с хромосомами ядра. Между закономерностями расщепления и поведением хромосом наблюдается удивительный параллелизм: чистота гамет связана с редукцией хромосом в мейозе, независимая перекомбинация отцовских и материнских признаков при созревании гамет гибрида связана с независимой перекомбинацией отцовских и материнских хромосом в мейозе. Однако изучение генетики любого вида показывает существование сотен признаков, каждый из которых наследуется закономерно. Но вместе с тем хорошо известно, что количество пар хромосом у различных организмов часто сравнительно невелико, а у некоторых оно очень мало. У кукурузы изучено более 400 генов, а число хромосом равно 10 парам, у дрозофилы изучено наследование около 500 генов, а число хромосом равно 4 парам и т. д. Из этого следует, что каждая хромосома должна нести целую группу генов. Очевидно, гены, локализованные в одной хромосоме, должны передаваться вместе. Эксперименты показали, что эти предположения оправдываются.
Явление сцепленного наследования было открыто в 1908 г. Бэтсоном и Пеннетом на душистом горошке. Однако природа сцепленного наследования была выяснена школой Моргана в работах, начатых в 1910 г. Эти работы были проведены на дрозофиле, которая имеет исключительные достоинства как лабораторный объект для опытов по наследственности. Однако, разработанные вначале на дрозофиле законы сцепленного наследования групп генов, локализованных внутри одной и той же хромосомы, так же как и основные законы независимого наследования генов, локализованных в разных хромосомах, оказались имеющими значение для всех растительных и животных организмов.
При этом выяснилось, что сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, неполное: между ними наблюдается известный процент рекомбинаций. Изучение этих процессов позволило
генетикам вскрыть физиологическую дифференцировку хромосом по длине, что другими методами сделать не удавалось.
Разберем случай сцепленного наследования у кукурузы, где удобно прямо на початках наблюдать различные признаки зерен и подсчитывать группы, проявляющие разные признаки (рис.39).
При скрещивании сорта кукурузы, в початках которого зерна хорошо выполнены (С) и алейроновый слой окрашен (А), с растениями, имеющими сморщенные зерна (с) и бесцветный алейроновый слой (а), в первом поколении получаются початки с выполненными зернами, имеющими окрашенный алейроновый слой.
Таким образом, признаки первой формы оказываются доминантными, и схему скрещивания можно изобразить так:
Затем гибрид первого поколения скрещивали с рецессивной формой:
При независимой перекомбинации отцовских и материнских наследственных задатков в мейозе гибрида нужно было ожидать образование у гибрида гамет СА, сА, Са и са в равном количестве, а в потомстве равного числа зерен, окрашенных выполненных (СА), окрашенных сморщенных (сА), бесцветных выполненных (Са) и бесцветных сморщенных (са) по следующей схеме:
Однако в действительности отношения оказываются иными. Например, в одном опыте были получены следующие результаты:
Таким образом, преобладают те комбинации признаков, которые были у родительских форм. Таких зерен было примерно 96,4%, тогда как зерна с новой комбинацией признаков составляли лишь около 3,6%. Соответственно у гибридов около 96,4% гамет были СА и са и лишь около 3,6% — Са и сА, т. е. с новой комбинацией наследственных зачатков (рис. 40).
Когда скрещивание было поставлено иначе, т. е. исходные родительские формы имели другие комбинации признаков, были получены следующие результаты:
В этом случае зерна с исходными родительскими комбинациями признаков сА и сА составляют 97,06%, а с новыми — 2,94%.
Этот пример показывает, что имеется тенденция к совместной передаче исходных комбинаций родительских признаков. Это явление и названо было сцеплением. Сцепление наблюдается в том случае, когда гены, ответственные за развитие данных признаков, локализованы в одной хромосоме.
Однако как объяснить в таком случае появление новых комбинаций? Это явление оказалось связанным с обменом участками между гомологичными хромосомами; такой обмен называется перекрестом или кроссинговером. Формы с новой комбинацией признаков у кукурузы появляются в том случае, когда в процессе перекреста гомологичные хромосомы разрываются
между генами В и V. Схема этого процесса изображена на рисунке 41.
Наличие явления перекреста было подтверждено цитологическими данными. Цитолог Янсенс еще в 1909 г., изучая мейоз у некоторых земноводных, обнаружил, что в определенный период сперматогенеза хромосомы конъюгируют попарно, а затем при начале расхождения образуют фигуры в виде греческой буквы χ (хи— откуда это явление и получило наименование хиазматипии, а фигуры перекреста хромосом — название хиазм).
При расхождении хромосом хиазмы сдвигаются к их концам (терминализуются) и дают возможность разойтись конъюгирующим партнерам. По-видимому, образование хиазм имеет важное значение для правильной ориентировки хромосом в мейозе.
Морган, опираясь на эти наблюдения Янсенса, высказал гипотезу, что при образовании хиазм гомологичные хромосомы обмениваются участками и это является причиной неполного сцепления генов, локализованных внутри одной хромосомы.
Цитологическое доказательство обмена гомологичных хромосом участками в процессе перекреста было получено Штерном в его работе с дрозофилой. Для того чтобы показать, что при перекресте хромосомы гомологичной пары действительно обмениваются участками, нужно было цитологически «пометить» эти хромосомы, чтобы участки каждого из гомологов можно было визуально отличить.
Штерном была получена линия дрозофилы, в которой участок Y-хромосомы был перемещен (транслоцирован) на одну из Х-хромосом, и в результате возникла хромосома необычной формы, которую легко было отличить от нормальной Х-хромосомы и от других хромосом (рис. 42). В другой линии он получил
транслокацию части Х-хромосомы на Y-хромосому, и, таким образом, вместо одной длинной палочкообразной Х-хромосомы в хромосомном наборе оказались две короткие хромосомы. Проследив за наследованием двух пар генов, расположенных в Х-хромосоме, и изучив хромосомные комплексы тех форм, которые получились в результате сцепленного наследования генов, а также тех, у которых наблюдались новые комбинации генов в результате перекреста, Штерн получил полный параллелизм между генетическими и цитологическими данными и доказал, что при нарушении генетического сцепления действительно происходит обмен участками гомологичных хромосом. Важно отметить, что при разрыве хромосом в процессе перекреста обмен происходит совершенно точно между гомологичными участками парных конъюгирующих хромосом и не сопровождается потерей генетического материала. Цитогенетический анализ показал, что перекрест происходит в тот момент, когда каждая из конъюгирующих хромосом уже расщеплена, т. е. на той стадии, когда бивалент состоит из четырех хроматид.
Изучение явлений сцепления и перекреста позволило сделать несколько важных выводов. Так, анализ сцепленного наследования генов, локализованных в одной хромосоме, показал, что у организмов, хорошо изученных генетически, удалось установить сцепление между собой ряда генов, связанных с определенной хромосомой. Впервые такие «группы сцепления» были выявлены у Drosophila melanogaster, имеющей 4 пары хромосом. Дрозофила оказалась удобным объектом еще потому, что у самцов ее не происходит перекреста, — сцепление у них полное. Изученные гены распались на четыре группы, при этом число генов в каждой группе примерно соответствует длине хромосомы: в палочкообразной 1-й (половой хромосоме) показана локализация 141 гена, в самой маленькой точечной — 4-й хромосоме —12, в двух двуплечих (2-й и 3-й) — 228 и 156 генов.
У кукурузы, имеющей 10 пар хромосом, изучено около 400 генов — они распадаются на 10 групп сцепления, у гороха Pisum sativum — 7 пар хромосом и изученные гены распадаются на 7 групп сцепления. У ряда организмов число выявленных групп сцепления пока меньше гаплоидного числа их хромосом: у мышей 13 групп при 20 парах хромосом, у помидоров 10 групп при 12 парах хромосом, у человека 9 — при 23 парах и т. д.
При изучении явления перекреста было установлено, что частота его между двумя какими-либо определенными генами — величина постоянная. При этом подсчет процента перекреста, так же как и определение соотношения особей, получающихся при разных типах расщепления, делается на основе статистических данных, получаемых при подсчете организмов (или зерен), развившихся из зигот определенного типа.
Для определения групп сцепления и процента перекреста гибридов обычно скрещивают с рецессивной формой по типу анализирующего скрещивания, что дает возможность определить типы гамет, образующиеся у гибрида, и их числовые отношения. Однако у нейроспоры и ряда других низших организмов удается непосредственно изучать числовые соотношения между типами гаплоидных спор, образующихся в результате мейоза.
Споры, получающиеся в результате мейоза, располагаются у нейроспоры в аске, содержащем восемь спор, лежащих в один ряд. Вначале в аске имеется одна клетка. Из нее в результате первого деления мейоза, во время которого между двумя гомологичными конъюгировавшими хромосомами, расщепленными на две нити, осуществляется перекрест (рис. 43), появляются две клетки. Каждая из них содержит хромосомы, не претерпевшие перекреста (ab или ++) и получившиеся в результате перекреста (а+ или b+; рис. 43). Следующее деление редукционное: гомологичные хромосомы по одной расходятся в четыре образующиеся клетки. Затем каждая из этих клеток делится митотически, и в результате образуется восемь спор. Четыре первые клетки аска получаются от одной исходной, а четыре следующие — от второй.
В результате расположение клеток разной генетической структуры имеет в аске определенный характер. Среди первых четырех спор имеются две с одной и той же некроссоверной хромосомой (++) и две с одной и той же кроссоверной (а+), среди вторых четырех две с другой некроссоверной (ab +) и две с другой кроссоверной (+b).
Проращивание отдельных спор позволяет точно установить генетическую природу каждой из них. Благодаря этому у нейроспоры во всех случаях удается непосредственно учитывать характер образования в результате мейоза кроссоверных и некроссоверных спор и количественные соотношения между ними.
Как было уже указано выше, процент перекреста для любой пары генов — величина постоянная. Так, у кукурузы количество гамет, претерпевших в результате образования хиазм при мейозе перекрест между генами сахаристого эндосперма и дефектного эндосперма, составляет 3% от общего числа гамет, а между генами сахаристости и пятнистости листьев — 13%. Вполне естественно было заключить, что поскольку причиной образования кроссоверных гамет является процесс образования хиазм между двумя данными генами, то, значит, относительное число кроссоверных гамет зависит от относительного расстояния между генами
в хромосоме. На основании экспериментальных данных можно заключить, что ген сахаристости расположен в 4-й хромосоме кукурузы гораздо ближе к гену дефектного эндосперма, чем ген пятнистости листьев, так как между генами первой пары образуется только 3% хиазм, а между генами второй пары — 13%.
Хромосомы представляют собой длинные нити, ширина которых иногда равняется всего лишь 50 Å, т. е. поперечник ее состоит лишь из нескольких десятков атомов. Гены в такой структуре могут быть расположены только вдоль по длине хромосомы.
После анализа многих случаев наследования генов, локализованных внутри одной хромосомы, вскрылись определенные закономерности. Для некоторых новых генов, взаимоотношение которых еще не было изучено в опыте, оказалось возможным заранее предсказать процент перекреста между ними. В ранее приведенном примере, где между генами сахаристости и дефектного эндосперма у кукурузы наблюдается 3% перекреста, а между геном сахаристости и пятнистости листьев — 13%, можно заранее предсказать, что процент перекреста между геном дефектного эндосперма и пятнистости листьев будет равен либо 10% (13% —3%), либо 16% (13%+3%). Экспериментально было показано, что реально он составляет 10%. Строгая закономерность взаимоотношений трех генов, по которой если процент перекреста между генами А и Б равен величине М, а между А и В — величине Н, то процент перекреста между генами Б и В будет равен либо величине М + Н, либо величине М — Н, показывает, что гены расположены в хромосоме в линейном порядке. В разобранном выше примере у кукурузы оказалось, что гены С, Д, П лежат в линейном порядке друг за другом и относительное расстояние между ними, выраженное в процентах перекреста, следующее: С3 Д10 П, расстояние между генами С13 П равно 13.
Экспериментально изучая наследование многих генов, локализованных в одной и той же хромосоме, последовательно устанавливают их взаимоположение по отношению друг к другу по длине хромосомы, что приводит в конечном итоге к построению генетической карты данной хромосомы.
В настоящее время для целого ряда организмов составлены подробные карты хромосом. Наиболее подробные карты имеются для дрозофилы, душистого горошка, мыши, кролика, курицы, нейроспоры бактерии Escherichia coli, бактериофага Т4 и т. д. В качестве примеров приведем элементы карты хромосом дрозофилы (рис. 44) и кукурузы (рис. 45).
На карте мы видим, что, например, ген исчерченных листьев, локализованный в 1-й хромосоме кукурузы в нулевой точке, отстоит от гена коричневой средней жилки на расстоянии 156 единиц перекреста. Ясно, что непосредственно определить
процент перекреста между двумя генами можно, лишь если величина его менее 50%. Обычно карта хромосомы строится путем постепенного складывания величин процента перекреста между двумя последовательно расположенными наиболее близкими генами. В результате генетическая длина карты может доходить до 100 и более единиц. Если же гены расположены в хромосоме достаточно далеко друг от друга, то при непосредственном определении частоты перекреста между ними получается заниженная величина. Например, у дрозофилы определяли расстояние между генами первой хромосомы: sc (недостаток числа щетинок), ес (измененные глаза), cυ (отсутствие поперечных
жилок на крыле), ct (измененная форма крыла). Результаты получились следующие:
Суммируя данные о частоте перекреста между этими четырьмя генами, получаем расстояние между sc и ct — 20,0 единицы. Если же подсчитать процент перекреста непосредственно между генами sc и ct, то он оказывается равным 10,2%. Объясняется это наличием так называемого двойного перекреста, из-за которого крайние гены остаются в исходных хромосомах (рис. 46). Если учитывать наследование большого количества генов, то можно обнаружить тройные, четверные и т. д. перекресты. Однако механические свойства хромосом таковы, что при перекресте наблюдается зависимость между разрывами в разных участках хромосомы, а именно перекрест в определенном локусе снижает вероятность появления перекреста в близ расположенной точке (явление интерференции).
Таким образом, на основе изучения явлений сцепления и перекреста удалось составить представление о внутренней физиологической дифференцировке хромосомы: оказалось, что участки ее, оказывающие специфическое влияние на развитие организма, — гены — расположены по длине в линейном порядке, и оказалось возможным даже определить относительное расстояние между ними.
Однако данные о расположении генов в хромосомах, полученные на основе лишь генетических методов, не могли быть достаточно точными, так как при определении расстояний между генами предполагалось, что перекрест идет во всех частях хромосомы с одинаковой частотой, что, по-видимому, не соответствует действительности. Очень ценные сведения о соответствии генетической карты хромосом с локализацией генов в цитологически видимых под микроскопом участках хромосом дало использование ионизирующих излучений. Под влиянием рентгеновых лучей, других видов ионизирующих излучений, а также некоторых химикалиев можно легко получать хромосомные перестройки различных типов. Подобные хромосомные перестройки встречаются и в необлученном материале, но редко. Все типы перестроек связаны с разрывом хромосом и последующим перемещением фрагментов.
Хромосомные перестройки удобно изучать в митозе, в мейозе (главным образом на стадии пахинемы) либо на гигантских хромосомах слюнных желез двукрылых, где, как известно, наблюдается тесная конъюгация гомологичных парных хромосом. Открытие гигантских хромосом слюнных желез у дрозофилы позволило провести на этом генетически прекрасно изученном объекте цитогенетический анализ расположения генов в хромосоме.
Данные, полученные на хромосомах из ядер клеток слюнных желез, в некоторых случаях удается сопоставить с картинами, наблюдаемыми в обычных метафазных хромосомах.
Сходный анализ проводили на кукурузе при изучении пахитенных хромосом в мейозе.
В настоящее время изменчивость структуры хромосом изучена очень детально, причем оказалось возможным классифицировать ее изменения на четыре основных типа: 1) нехватки; 2) удвоения; 3) инверсии; 4) транслокации. Нехватки, или делеции,
представляют собой потери того или иного участка хромосомы. Нехватка может захватывать блок генов из внутреннего района хромосомы. Для ее появления необходимо возникновение в хромосоме двух разрывов (рис. 47). В случае потери концевого фрагмента хромосомы, который происходит при одном разрыве в хромосоме, возникает концевая нехватка (рис. 48).
Одно время работы по радиационной генетике дрозофилы привели к выводу, что концевые нехватки вообще не образуются. На основании этих работ было сформулировано представление о существовании в хромосомах теломер, т. е. структурно обособленных концевых образований. Показано, что места разрывов хромосом обладают способностью к соединениям, в то время как нормальные концы хромосом такой способностью не обладают. Отсюда следует, что после разрыва обнаженная поверхность долго существовать не может, рано или поздно она должна соединиться с другим, также способным к соединению фрагментом хромосомы. Теломеру считали столь же обязательной структурой хромосомы, как центромеру. Однако, работая с кукурузой, Мак-Клинток получила убедительные доказательства того, что места разрывов могут терять способность к соединению — происходит «закрытие» мест разрывов.
Как уже отмечалось, нехватки ведут к таким нарушениям генотипа, что особи, гомозиготные по нехватке, как правило, гибнут. Однако интересно заметить, что в некоторых случаях особи, гомозиготные по нехватке, оказываются жизнеспособными и проявляют признаки, свойственные рецессивным аллелям утерянных локусов. Это доказано для локусов yellow (желтое тело), achaete (отсутствие щетинок) и некоторых других генов дрозофилы. Мак-Клинток показала на кукурузе, что у гомозигот по концевым нехваткам короткого плеча 9-й хромосомы в одном случае появляется вместо нормальной зеленой светло-желтая окраска проростков, а при другой нехватке — белая. Если нехватка большая, то особи погибают даже в гетерозиготном состоянии, т. е. нехватка действует в данном случае как доминантная летальная мутация. У дрозофилы нехватки, размер которых составляет более 50 дисков в гигантских хромосомах слюнных желез, летальны для гетерозиготных особей. Многие нехватки меньшего размера изменяют развитие особи в гетерозиготном состоянии, составляя у дрозофилы одну из категорий доминантных мутаций с видимым проявлением (Blond — светлые, щетинки,
Plexate — нарушенное жилкование крыла, Notch — вырезки на крыльях, Minute — уменьшение щетинки и др.).
Дупликации связаны с появлением в ядре лишнего участка хромосомы. Гетерозиготные по дупликаций особи триплоидны по тому блоку генов, который имеется в лишнем участке, а гомозиготные — тетраплоидны. В том случае, когда лишний участок удаляется от своего исходного положения в хромосоме и переносится в любое другое место своей или негомологичной хромосомы, дупликацию называют перемещенной дупликацией. Большой интерес представляют дупликации, локализованные рядом с исходным участком. Такие дупликации носят название повторений. Если обозначить исходный порядок локусов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10, то повторение участка 5 6 7 дает ряд 1 2 3 4 5 6 7 5 6 7 8 9 10. Удвоившийся участок может повториться с обратным расположением локусов. В этом случае мы будем иметь дело с зеркальным повторением. Зеркальное повторение того же блока локусов можно представить в виде ряда цифр, в котором каждая цифра обозначает участок хромосом: 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 8 9 10.
Детально исследованным случаем повторения является мутация Ваг (полосковидные глаза) у дрозофилы. На гигантских хромосомах слюнных желез показано, что у нормальных особей участок 16 А (рис. 49) представлен в Х-хромосоме в одинарном числе. В хромосомах особей с мутацией Ваг этот участок повторен дважды. При изучении потомства самок, гомозиготных по гену Ваr, было обнаружено, что в этом участке идет неравный перекрест, в результате чего появляются хромосомы с тремя участками 16 А. Особи, обладающие двумя повторениями, проявляют признаки Ваг в более резкой форме (ультрабар). И. А. Рапопорту удалось таким путем накопить в хромосомах отдельных особей дрозофилы до восьми повторений участка 16 А.
В эволюции хромосом большое значение имеют микроповторения, которые лежат, в частности, в основе появления сложных генов, состоящих из блока дивергировавших повторений одного локуса. Подобные факты установлены при анализе явлений псевдоаллелизма. Хотя повторения нарушают общую систему генотипа в меньшей степени, чем нехватки, однако в том случае, если повторения касаются больших участков, они также ведут к летальности.
Инверсии представляют собой структурные изменения, состоящие в том, что определенный участок внутри хромосомы оказывается в обратном (инвертированном) положении. Этот тип хромосомной перестройки образуется при двух разрывах в хромосоме, в результате которых возникают два концевых и один средний фрагмент. Воссоединение этих трех фрагментов при условии, что средний фрагмент соединяется с крайними в обратном положении, приводит к возникновению инверсии.
Порядок локусов в инвертированной хромосоме следующий: 1 2 3 8 7 6 5 4 9 10. Если инверсия происходит в одном плече хромосомы и не переносит центромеру в новое положение, то форма хромосомы остается неизменной. В случае переноса центромеры одно плечо хромосомы удлиняется, а другое укорачивается. Первый тип инверсий носит название парацентрических инверсий, второй — перицентрических.
Перекрест, происходящий в особях гетерозиготных по этим двум типам инверсий, приводит к разным результатам.
Хотя инверсии и связаны с поворотом среднего участка хромосомы на 180°, что в какой-то мере нарушает конъюгацию хромосом в профазе мейоза, однако гибкость хромосомной нити и j сила притяжения гомологичных локусов таковы, что у гетерозигот по инверсиям пара хромосом образует конфигурацию петли
(рис. 50). Эта характерная картина петлеобразной конъюгации у гетерозигот по инверсии детально изучена на гигантских хромосомах дрозофил, в профазе кукурузы и у других животных и растений. В случае прохождения у гетерозигот перекреста в пределах инверсии возникают резко измененные хромосомы. Каждая кроссоверная хроматида имеет дупликацию и нехватку, причем появление нехватки в одной из них приводит к утере центромеры, а дупликация в другой — к появлению двух центромер. Дицентрическая хроматида в анафазе мейоза образует хроматидный мост. Ацентрический фрагмент выпадает из делящегося ядра (рис. 51). В результате генетический баланс нарушается
и образуются нежизнеспособные половые клетки. Однако у самцов дрозофилы перекреста не происходит, а у самок при этом действует механизм направленной редукции хромосом и перекрест в районе инверсии не приводит к появлению нежизнеспособных гамет. Направленная редукция состоит в том, что дицентрическая хроматида всегда идет в полярное тельце, а некроссоверная хроматида включается в ядро яйцеклетки.
Цитологические наблюдения над строением хромосом показали, что в одной хромосоме одновременно могут находиться две и более инверсии. Инверсии могут быть либо независимыми, либо одна инверсия может включить другую, либо они могут быть вложены одна в другую.
В случае парацентрических инверсий перекрест в гетерозиготах, так же как и при перицентрических инверсиях, дает кроссоверные хроматиды с нехваткой и дупликацией, но при этом не образуется дицентрических хроматид и ацентрических фрагментов.
Инверсии известны как в гетеро-, так и в гомозиготном состоянии. Радиационные инверсии часто связаны с летальностью или с видимыми изменениями у организма, по-видимому, в основном из-за эффекта положения генов. В природных популяциях дрозофилы, некоторых животных, а также растений (рожь и др.) инверсии встречаются очень часто, будучи, к ж правило, нелетальными у гомозигот. Разные виды животных и растений отличаются друг от друга порядком генов в хромосомах. Этот порядок изменился в результате инверсий, накопившихся за время дивергенции видов. Размер инверсий может быть любым, от поворота почти всей хромосомы на 180°, как, например, в инверсии scute-8 в Х-хромосоме дрозофилы, обнаруженной Б. Н. Сидоровым, до поворота субмикроскопических участков в пределах отдельной хромомеры.
Интересно упомянуть также еще об одном факте в связи с изучением инверсий. В 1926 г. Стертевант и Плэнкетт составили генетические карты хромосом двух близких видов дрозофил: D. melanogaster и D. simulans. Они установили, что в одной из групп сцепления D. simulans гены расположены
в обратном порядке по отношению к генам D. melanogaster (т. е. имеется инверсия).
В 1934 г. Ю. Я. Керкис изучил хромосомы слюнных желез гибрида между этими видами и цитологически обнаружил инверсию, которую Стертевант на 10 лет раньше выявил генетическими методами (рис. 52).
Транслокации связаны с двумя разрывами в разных хромосомах, при которых хромосомы обмениваются фрагментами. Если две новые хромосомы имеют по одной центромере, они функционируют нормально. Если же сольются два фрагмента, каждый с центромерой, то образуется дицентрическая хромосома, дающая мост в анафазе. Два фрагмента, лишенные центромер, образуют ацентрический фрагмент, теряющийся из ядра. Особым типом является интерстициальная транслокация, при которой внутренний участок одной хромосомы перемещается в другую хромосому или в другое место исходной хромосомы. Интерстициальная транслокация возникает на основе трех разрывов.
Конъюгация гомологичных хромосом в мейозе у гетерозигот по транслокации приводит к тому, что перестроенные хромосомы конъюгируют между собой и образуют фигуру креста (рис. 53). Если во всех четырех плечах креста осуществляются хиазмы, то в результате терминализации они образуют кольцо. Если же в одном из плеч в случае его малой величины хиазма не образуется, то возникает цепь из четырех хромосом. В случае хроматидных транслокаций возникает мост с фрагментом (рис. 54).
Расположение компонентов транслокации в метафазе мейоза определяет характер их расхождения. В результате эти различия в расположении ведут к разным генетическим последствиям. Возможно как альтернативное расположение, так и два типа соседнего расположения (рис. 55, 56). При расхождении хромосом из альтернативного расположения образующиеся гаметы
имеют сбалансированные наборы хромосом (концы 1 2 3 4). При соседнем расхождении в обоих случаях в гаметы попадают наборы хромосом с нехватками и удвоениями. В первом случае возникают наборы 1 2 2 3 и 1 4 4 3 и во втором — 2 3 3 4 и 2 1 1 4. Исследование взаимной транслокации такого типа у кукурузы показало, что особи, гетерозиготные по транслокации, дают около 50% стерильных гамет.
На характер расхождения хромосом в таких комплексах может оказывать влияние длина хромосом, образовавших транслокацию, положение разрывов, число и положение хиазм и степень терминализации хиазм.
Количество хромосом, вовлеченных во взаимный обмен участками, не ограничивается двумя негомологичными хромосомами. В случае обмена между тремя хромосомами образуется кольцо из шести хромосом, между четырьмя — из восьми хромосом и т. д.
В тех случаях, когда процессы видообразования оказались связанными с транслокациями, разные виды характеризуются постоянным числом хромосом, образующих кольцо во время мейоза. У некоторых видов, как, например, у ряда энотер и других,
все хромосомы связаны в кольцо во время мейоза. В этом случае мы встречаемся уже с транслокационным комплексом видового значения. Описанные выше хромосомные перестройки имеют элементарный характер и основаны на возникновении в хромосомах двух разрывов. Однако при воздействии ионизирующей радиации в больших дозах в хромосомном комплексе чаще возникает не два, а больше разрывов, вплоть до нескольких десятков. Поскольку все типы хромосомных перестроек основаны на новых связях между фрагментами, то естественно, что при наличии в одном и том же ядре большого числа разрывов одновременно возникают разнообразные типы хромосомных перестроек. Н. П. Дубинин и В. В. Хвостова, воздействуя на дрозофилу рентгеновыми лучами, показали, что многие из этих многообразных перестроек связаны единым процессом одновременного обмена фрагментами.
Изучение хромосомных перестроек показало в основном правильность выводов, полученных при применении одних генетических методов, более того, применение лучистой энергии дало генетикам в руки метод, позволяющий направленно изменять хромосомы и целые хромосомные комплексы. Транслокации возникающие под действием излучений, получили очень интересное и практически важное применение в селекции тутового шелкопряда. Для шелководства важно пускать в выкормку лишь гусениц самцов, так как коконы самцов более шелконосны. Поэтому, если на ранних стадиях развития отбирать самцовых личинок, можно получить большую экономию. Для этой цели селекционеры в Японии получили транслокацию на половую Z-хромосому аутосомного гена, определяющего темную окраску грены. У шелкопряда гетерогаметны самки — они имеют две разные половые хромосомы ZW, а самцы две одинаковые половые хромосомы ZZ. W-хромосома переходит от самки к самке, а к самцам не попадает. Поскольку она несет транслоцированный участок аутосомы с доминантным геном, обусловливающим развитие темной окраски грены, из темных яиц всегда выводятся самки, а из белых — самцы. Для отбора грены применяется машина с фотоэлементом, и он происходит чрезвычайно быстро.
В СССР подобная транслокация получена В. А. Струнниковым и в настоящее время внедряется в производство.
В работах шведских селекционеров, которые используют ионизирующую радиацию для получения хозяйственно ценных мутаций, имеются указания на то, что многие формы ячменя с хозяйственно ценными признаками содержат в своих ядрах трацслокации. Это очень важно, так как долго господствовало мнение, что образование разрывов хромосом при облучении хозяйственно важных объектов является препятствием для применения излучения в селекции. Теперь мы видим, что хромосомные перестройки не всегда оказывают на организм вредное воздействие.
Применяя ионизирующие излучения, генетики получили ряд моделей, имитирующих изменения хромосомных комплексов в процессе эволюции. Известно, что близкие по систематическому положению растительные и животные организмы часто имеют сходные хромосомные комплексы, а в ряде случаев их хромосомные наборы различаются по числу и форме хромосом.
Изучение хромосомных перестроек дало очень много для выявления внутренней дифференцировки хромосомы и выяснения функционального значения отдельных ее частей. В первую очередь выявилось наличие в хромосоме жизненно необходимых для нее участков, например точки прикрепления нити веретена, которая имеет ряд названий: центромера, кинетохор, кинетическое тельце. Оказалось, что хромосома, лишенная центромеры, при делении клетки теряется. Поскольку она не прикреплена к тянущей нити веретена, она не отходит к полюсу; фрагмент хромосомы, лишенный центромеры, называют ацентрическим. Подобные фрагменты в большом количестве можно наблюдать в клетках, подвергнутых воздействию ионизирующей радиации (рис. 57).
Дицентрические хромосомы, имеющие две центромеры, также нежизнеспособны: поскольку при делении клетки центромеры расходятся к разным полюсам, такая хромосома в анафазе образует так называемый «мост», который затем где-либо разрывается, и хромосомные комплексы в дочерних клетках оказываются неполноценными. Однако необходимо отметить, что у некоторых организмов хромосомы, по-видимому, имеют нормально несколько центромер. Очень интересна проблема: могут ли центромеры возникать заново? Многие факты цитогенетики заставляют думать, что для этого требуются какие-то сложные процессы, однако эта проблема требует дальнейшего изучения и чрезвычайно важна для понимания механизма эволюции хромосомных комплексов у разных групп животного и растительного мира.
При сравнении цитологических и генетических карт хромосом дрозофилы наибольшие расхождения в расстояниях между генами выявились как раз в районе центромеры, в котором единица перекреста оказалась соответствующей относительно гораздо более значительному отрезку хромосомы, чем в ее других участках. Это связано, по-видимому, с двумя причинами: 1) с тем, что перекрест происходит в проксимальных участках хромосомы (примыкающих к центромере) с меньшей частотой, чем в других частях; 2) с тем, что около центромеры расположены гетерохроматические «инертные» участки хромосом, содержащие мало активных генов.
Уже давно цитологи обнаружили, что имеются целые хромосомы или отдельные их участки, ярко окрашивающиеся основными красками, иногда даже в интерфазе и часто в ранней профазе, когда другие части хромосом почти не окрашиваются. Эти окрашивающиеся участки и целые хромосомы были названы гетерохроматическими, а остальные, слабее окрашивающиеся,— эухроматическими. Хейтц, изучавший гетерохроматические районы у разных растений и животных, показал, что в профазе митоза у дрозофилы Y-хромосома, проксимальная часть Х-хромосомы (составляющая примерно 1/3 от всей длины метафатической хромосомы) и участки II и III хромосом, расположенные близ центромеры, оказываются гетерохроматическими. У кукурузы также найдены гетерохроматические участки и целые хромосомы (так называемые добавочные В-хромосомы). Добавочные хромосомы обнаружены у ряда других растений.
Цитогенетический анализ гетерохроматических районов показал, что они менее дифференцированы и специфичны, чем эухроматические; в пользу этого говорят следующие данные: 1) в них обнаружена локализация лишь незначительного числа генов; 2) наблюдается неспецифическая конъюгация гетерохроматических участков между собой, приводящая в ядрах слюнных желез к образованию так называемого хромоцентра; 3) добавление большого количества гетерохроматических хромосом к основному хромосомному набору у ряда растений не изменяет их фенотипа и не оказывает вредного действия на клетки. Имеются данные о том, что наличие лишних В-хромосом у кукурузы повышает ее урожайность.
—Источник—
Дубинин, Н.П. Горизонты генетики/ Н.П. Дубинин. – М.: Просвещение, 1970.- 560 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
