Рассматривая второй закон наследственности, мы видели, что перераспределение генов имеет независимый характер и связано с прохождением отцовского и материнского членов каждой пары хромосом при мейозе в разные гаметы. Следовательно, в независимое перераспределение или рекомбинацию генов вовлекаются те наборы генов, которые располагаются на разных хромосомах. Такую рекомбинацию называют свободной рекомбинацией. Однако еще в 1910 г. Т. Морган установил, что гены, располагающиеся на одной хромосоме, сцеплены между собой, причем степень сцепления генов зависит от расстояния между ними. Следовательно, Т. Морган установил, что второму закону наследственности подчиняются лишь гены, локализованные на разных хромосомах. Однако значение этих наблюдений заключалось также и в том, что они послужили основой для формулирования в дальнейшем Т. Морганом и его сотрудниками представлений о линейном расположении генов на хромосомах. На основе этих представлений стали создавать генетические карты хромосом не только дрозофил, но и других организмов.
Сцепление генов хорошо изучено в случаях многих видов животных и растений, причем показано, что оно присуще как женским, так и мужским особям. Чтобы лучше понять природу сцепления, рассмотрим его на давно изученном шведским генетиком Хатчисоном сцеплении генов, детерминирующих форму и окраску семян кукурузы (рис. 46).
Обозначим символом С доминантный аллель, детерминирующий окраску семян, символом с — рецессивный аллель, детерминирующий отсутствие окраски семян, символом S — доминантный аллель, детерминирующий нормальную форму семян, и символом s — рецессивный аллель, детерминирующий морщинистость семян. Если скрещивать растения CS/CSи cs/cs, то гибриды F1 обладая генотипом CS/cs, будут давать окрашенные семена нормальной формы. В соответствии со вторым законом наследственности при независимом перераспределении генов С и s гибриды F1 должны были продуцировать гаметы CS, Cs, cS и cs, причем в равных количествах, оплодотворение которых гаметами организмов ccss (скрещивание гибридов Fl с исходным родителем cсss) должно было дать потомство четырех фенотипических типов в отношении 1:1:1:1. Между тем скрещивание гибридов F1 с исходными родительскими организмами cсss в опытах Хатчисона приводило к получению организмов в совершенно иных количественных отношениях, а именно:
• растения CS/cs (окрашенные семена нормальной формы) — 4032
• растения Cs/cs (окрашенные сморщенные семена) — 149
• растения cS/cs (бесцветные семена нормальной формы) — 152
• растения cs/cs (окрашенные семена нормальной формы) — 4035
88 88 68 ??
Окрашенные Бесцветные Окрашенные Бесцветные гладкие сморщенные сморщенные гладкие семена семена семена семена
4032 4035 149 152
-ν-‘ ‘-*-
Комбинации родительских Реомбинационные
признаков, 96,4\% признаки, 3,6\%
Рис. 46. Сцепление генов и кроссинговер
Легко видеть, что среди 8368 растений превалировали организмы, дающие окрашенные нормальные по форме и бесцветные сморщенные семена (4032 + 4035 = 8067, или 96,4\%), т. е. характеризующиеся комбинациями родительских признаков. Что касается остальной части растений (149 + 152 = 301, или 3,6\% от 8368), которые давали окрашенные сморщенные и бесцветные нормальной формы семена, то они обладали рекомбинантными признаками.
Если бы растения этих четырех типов встречались в равных количествах, то это означало бы независимое перераспределение (рекомбинацию) генных пар С — с и S — s. Между тем полученные результаты свидетельствовали о том, что перераспределение этих генных пар является зависимым, ибо комбинации родительских генов встречаются чаще, чем в 50\% случаев. Другими словами, последние сцеплены между собой в 96,4\% случаев.
То, что данные две пары генов имеют зависимое распределение, нашло также подтверждение в экспериментах по скрещиванию расте- ний кукурузы, одни из которых дают бесцветные нормальной формы семена, а другие — окрашенные сморщенные семена. Следовательно, любые родительские комбинации двух пар генов, локализованных на одной и той же хромосоме, благодаря сцеплению оказываются вместе в одинаковом количестве гамет, продуцируемых гетерозиготами.
Рассмотренный пример сцепления двух генов является самым простым. Между тем можно предположить далее, что если ген А сце- плен с генами В и С, тогда последние также сцеплены между собой. Изучение сцепления генов у многих организмов путем скрещивания и определения независимого или зависимого (сцепленного) характера в распределении их генов позволило еще в XX в. установить, что сцепление встречается между многими генами, а сцепленные гены составляют группы сцепления. Следовательно, геномы состоят из групп сцепленных генов или просто групп сцепления, причем количество групп сцепления обычно соответствует количеству хромосомных пар. У дрозофилы, имеющей 4 пары хромосом, установлено 4 группы сцепления, у кукурузы — 10 хромосомных пар и 10 групп сцепления, у садового гороха — 7 пар хромосом и 7 групп сцепления.
В случае животных, у которых пол детерминируется генетически, следует рассматривать гены, расположенные на Х- и Y-хромосомах, в качестве самостоятельных групп сцепления.
Как мы уже отмечали, в соответствии с заключением Т. Моргана гены сцеплены тогда, когда локализованы на одной хромосомной
паре. Допуская, что хромосомы остаются интактными при вступлении их в гаметы, локализованные на них гены всегда наследуются вместе. В этом случае можно говорить об их полном сцеплении. Однако, рассматривая сцепление генов у кукурузы, мы видели, что полного сцепления генов не бывает, поскольку происходит формирование не только гамет двух родительских типов, но и гамет рекомбинантных типов (вследствие рекомбинации генов). Об отсутствии полного сцепления свидетельствуют также данные, полученные при изучении других организмов. Механизм этого явления заключается в том, что в процессе гаметогенеза хромосомы клеток могут подвергаться разрывам в одном или нескольких местах, а сегменты, образующиеся в результате разрыва одной хромосомы, могут смыкаться с сегментами гомологичной хромосомы при условии, что в последней тоже были разрывы, причем в аналогичных местах. Как мы видели, гены С и S у кукурузы в 97\% случаев (гамет) остаются сцепленными в родительских комбинациях, и примерно в 3\% случаев (гамет) они не связаны между собой и находятся в рекомбинантных сочетаниях. Обмен между хромосомными сегментами гомологичных хромосом, сопровождаемый рекомбинацией сцепленных генов, получил название кроссинговера (Т. Морган), а явление, обусловленное этим механизмом, называют генетической рекомбинацией. В результате рекомбинации из двух исходных комбинаций генов создается новая комбинация. Возвращаясь к случаю рекомбинации генов у кукурузы, можно сказать, что кроссинговер произошел в сегменте хромосомы между локусами (местами), занимаемыми генами С и S, вследствие двух разрывов в этих участках хромосомы у отдельных клеток.
Кроссинговер начинается с того, что гомологичные хромосомы спариваются. После этого каждый гомолог спаренных хромосом расщепляется на две хроматиды, удерживаемые центромерой, причем между двумя хроматидами из четырех устанавливаются так называемые хиазмы (Х-образные фигуры, или перекресты). В дальнейшем в этих двух хроматидах происходят разрывы, за которыми наступает воссоединение концов разорванных хроматид. Благодаря разрыву и воссоединению сегментов происходит формирование новых хроматид (рис. 47). Можно подчеркнуть, что хиазмы обусловливают перекресты лишь двух хроматид из четырех, не нарушая при этом структуры остальных двух хроматид, вследствие чего кроссинговер захватывает только две хроматиды. Поэтому сформированные в про-
Рис. 47. Кроссинговер: 1 — одиночная хиазма; 2 — двухцепочечные двойные перекресты; 3 — четырехцепочечные двойные перекресты; 4, 5 — трехцепочечные двойные
перекресты
цессе мейоза хроматиды несут гены, располагавшиеся до мейоза на разных членах пар гомологичных хромосом.
Классическая методика измерения сцепления заключается в скрещивании организмов, различающихся между собой по двух- и более сцепленным генам, в получении гетерозиготных по этим генам гибридов F1 (например, АВ/ав или Ав/аВ), в обратных скрещиваниях
гибридов F1 с гомозиготными по этим генам организмами (ав/ав) и в учете особенностей их потомства, полученного после обратных скрещиваний. Установив количество особей с родительскими ком- бинациями генов и особей с рекомбинациями генов, определяют частоту рекомбинации (в процентах к общему количеству организмов, полученных после обратных скрещиваний). У человека методы измерения сцепления основаны на результатах гибридизации соматических клеток, секвенирования генов или результатах клонирования генов.
На степень сцепления генов влияют различные факторы. Известно, что частота кроссинговера снижается с возрастом орга- низмов, под воздействием ионизирующей радиации и других сильнодействующих факторов.
Кроссинговер, как уже отмечено, имеет место лишь в процессе гаметогенеза при мейозе. Однако он может происходить и в соматических клетках. Соматический кроссинговер установлен у растений и животных многих видов. У организмов, размножающихся только половым путем, результаты соматического кроссинговера не наследуются, например у человека.