можно ли на основании предложенных данных однозначно определить расположение генов
Можно ли на основании предложенных данных однозначно определить расположение генов
В результате скрещиваний было определено расположение генов А, В, С на генетической карте, расстояние АВ равно 7%, АС 15%. Нарисуйте отрезок, расположите на нём точки указанных генов, обозначьте расстояния между этими генами. Однозначно ли расположение этих генов на генетической карте? Ответ поясните.
Данную задачу проверяют не автоматически, а вручную. Ознакомьтесь с критериями оценки, правильным решением и сами себе поставьте оценку от 0 до 2 баллов. Даже если вы ошиблись в цифровом ответе, можно получить несколько баллов за правильный ход решения. Форма для оценки находится внизу страницы.
Содержание верного ответа и указания по оцениванию (допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
1) 
2) Расположение неоднозначное, так как отсутствуют данные о расстоянии ВС.
Ответ включает в себя два названных выше элемента и не содержит биологических ошибок
Ответ включает в себя только один из названный выше элементов, ИЛИ ответ включает в себя два названных выше элемента, но содержит биологические ошибки
Содержание верного ответа и указания по оцениванию (допускаются иные формулировки ответа, не искажающие его смысла)
1)
2) Расположение неоднозначное, так как отсутствуют данные о расстоянии ВС.
Ответ включает в себя два названных выше элемента и не содержит биологических ошибок
Ответ включает в себя только один из названный выше элементов, ИЛИ ответ включает в себя два названных выше элемента, но содержит биологические ошибки
2 часть
1. Анализа результатов нарушения сцепленного наследования генов позволяет определить последовательность расположения генов в хромосоме и составить генетические карты. Результаты многочисленных скрещиваний мух дрозофил показали, что частота нарушения сцепления между генами А и В составляет 5 %, между генами А и С – 11%, между генами С и В – 6%. Перерисуйте предложенную схему фрагмента хромосомы на лист ответа, отметьте на ней взаимное расположение генов А, В, С и укажите расстояние между ними. Какая величина принята за единицу расстояния между генами? Как она называется?
За единицу расстояния между генами принят 1% кроссинговера, эта величина названа морганидой.
2. На рисунке изображён стрелолист с листьями разных форм (1, 2, 3). Какая форма изменчивости характерна для разнообразия этих листьев? Объясните причину их появления. Какую форму листьев будет иметь стрелолист, выросший на отмели?
1) Разнообразие форм листьев у одного растения — это модификационная изменчивость.
2) Листья растения развивались в разных средах при различных условиях жизни, поэтому у него сформировались водные (длинные и узкие листья), надводные плавающие (с округлой листовой пластинкой) и воздушные (стреловидные).
3) Стрелолист на отмели будет иметь стреловидные листья.
3. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.
1) Геномными называют мутации, которые ведут к изменению структуры хромосом. 2) Наиболее распространенным типом этих мутаций является полиплоидия. 3) В клетках полиплоидных организмов содержится гаплоидный (n) набор хромосом. 4) Полиплоидия используется как в селекции растений, так и в селекции животных. 5) Многие сорта культурных растений – полиплоиды. 6) избыток хромосом у полиплоидов повышает устойчивость растений к болезням. 7) Кроме того, полиплоиды часто продуктивнее своих диплоидных диких предков.
1 – геномные мутации приводят к изменению числа хромосом.
3 – в клетках полиплоидов содержится полиплоидный набор хромосом (3n, 4n).
4 – полиплоидия не используется в селекции животных.
4. Какие части имеют зубы у млекопитающих? укажите виды зубов и их функции.
1) Коронка, шейка, корень зуба.
2) Зубы млекопитающих дифференцированы на резцы, клыки, коренные.
3) Резцы необходимы для откусывания кусков от пищи, клыки – для раздирания, а коренные – для перетирания и пережевывания пищи.
5. Камбала – придонная рыба, приспособлена к жизни в морях, сливается с фоном морского дна. Назовите тип окраски и объясните ее значение, а также относительный характер приспособленности.
1) Тип окраски – покровительственная (маскировка) – форма тела и окраска сливаются с окружающими предметами.
2) Способность изменять окраску верхней стороны делает рыбу незаметной на фоне грунта.
3) Относительный характер приспособленности проявляется при движении рыбы, когда она становится заметной и доступной для хищников.
6. Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент молекулы ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: АЦГЦЦГЦТААТТЦАТ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК. Ответ поясните. Для решения задания используйте таблицу генетического кода.
ДНК АЦГ – ЦЦГ – ЦТА – АТТ – ЦАТ
тРНК УГЦ – ГГЦ – ГАУ – УАА – ГУА
1) На основе ДНК по принципу комплементарности находим нуклеотидную последовательность участка тРНК.
2) Т.к. третий триплет тРНК (ГАУ) является антикодоном, следовательно кодон иРНК по принципу комплементарности ЦУА.
3) По таблице генетического кода по кодону иРНК определяем соответствующую аминокислоту ЛЕЙ.
4) Код однозначен – каждый кодон соответствует только одной аминокислоте, следовательно, данная тРНК с антикодоном ГАУ будете переносить только одну аминокислоту ЛЕЙ.
7. От скрещивания самцов морских свинок с белой гладкой шерсть с самками, имеющими черную мохнатую шерсть, в потомстве получены особи белые мохнатые и черные мохнатые. При скрещивании таких же самцов с белой гладкой шерстью с самками, имеющими черную гладкую шерсть, все потомство имело черную гладкую шерсть. Составьте схему решения задачи. Определите доминантные и рецессивные признаки, генотипы всех родительских самцов и самок морских свинок. Объясните, какие генетические законы соблюдаются в этом случае.
Можно ли на основании предложенных данных однозначно определить расположение генов
Анализ результатов нарушения сцепленного наследования генов позволяет определить последовательность расположения генов в хромосоме и составить генетические карты. Как связаны понятия «частота кроссинговера» и «расстояние между генами»? Какое значение имеет изучение генетических карт различных объектов для эволюционных исследований?
1. Частота (процент) перекреста между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, пропорциональна расстоянию между ними. Кроссинговер между двумя генами происходит тем реже, чем ближе друг к другу они расположены. По мере увеличения расстояния между генами все более возрастает вероятность того, что кроссинговер разведет их по двум разным гомологичным хромосомам.
На основании линейного расположения генов в хромосоме и частоты кроссинговера как показателя расстояния между генами можно построить карты хромосом.
2. В исследованиях эволюционного процесса сравнивают генетические карты разных видов живых организмов.
Подобно тому, как анализ ДНК позволяет установить степень родства между двумя людьми, тот же самый анализ ДНК (сравнение отдельных генов или целых геномов) позволяет выяснить степень родства между видами, а зная количество накопленных различий, исследователи определяют время расхождения двух видов, то есть время, когда жил их последний общий предок.
С развитием молекулярной генетики было показано, что процессы эволюции оставляют следы в геномах в виде мутаций. Например, геномы шимпанзе и человека одинаковы на 96 %, а те немногие области, которые различаются, позволяют определить время существования их общего предка.
Можно, пользуясь генетическими приемами (исследованием строения хромосом, сопоставлением генетических карт, установлением аллельности генов), с достаточной точностью выяснить филогению нескольких родственных видов на протяжении отрезка времени, в течение которого они дивергировали от общего порядка. Но этот подход применим только к весьма близким формам, хорошо генетически изученным и, желательно, скрещиваемым друг с другом, т.е. к очень немногим и весьма узким систематическим группам, возникшим относительно недавно.
Карты хромосом человека и методы их построения
Линейное расположение генов. Генетические карты
1. Основа принципа построения генетических карт
2. Формула закономерности
3. Хромосомная теория наследственности
Существование кроссинговера побудило Моргана разработать в 1911—1914 гг. принцип построения генетических карт хромосом, основанный на представлении о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать 1% перекреста между ними.
Допустим, что к одной группе сцепления относятся гены А и В. Между ними обнаружен перекрест в 10%. Следовательно, гены А и В находятся на расстоянии 10 единиц. К этой же группе сцепления относится ген С. Чтобы узнать его место в хромосоме, необходимо выяснить, какой процент перекреста он дает с обоими из двух уже известных генов.
Например, если с А он дает 3% перекреста, то можно предположить, что ген С находится либо между А и В, либо с противоположной стороны, т. е. А расположен между В и С. Если между В и С окажется перекрест 7%, то на хромосоме их следует расположить в таком порядке, как на верхней схеме. Если между В и С перекрест составит 13%, то расположение генов будет, как на нижней схеме.
2. В общей форме эту закономерность можно выразить следующей формулой:если гены А, В и С относятся к одной группе сцепления и расстояние между генами А и В равно нескольким единицам, а расстояние между В и С — одной единице, то расстояние между А и С может быть к + 1 либо к — 1.
Генетические карты хромосомы строятся на основе гибридологического анализа. Однако найден способ построения и цитологических карт хромосом для дрозофилы. В клетках личинок мух обнаружены гигантские хромосомы, превышающие размер хромосом из других клеток в 100—200 раз и содержащие в 1000 раз больше генов.
Оказалось, что в тех случаях, когда гибридологическим методом обнаруживались какие-либо нарушения наследования, соответствующие им изменения имели место и в гигантских хромосомах. Так, в результате сопоставления генетических и цитологических данных стало возможным построить цитологические карты хромосом. Это открытие подтверждает правильность тех принципов, которые были положены в основу создания генетических карт хромосом.
3. Основные положенияхромосомной теории наследственности:
• гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному набору хромосом;
• каждый ген в хромосоме занимает отдельное место (локус). Гены в хромосомах расположены линейно;
• между гомологичными хромосомами происходит обмен ал-лельными генами;
• расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту кроссинговера между ними.
Поскольку величина отдельных генов (см. Ген) очень мала, они изображаются на хромосомной карте точками. Такие точки называются локусами (генетическими локусами).
Локус может быть занят любым из аллелей данного гена (см. Аллели). Вследствие того, что гены расположены на хромосомах линейно, хромосому изображают в виде отрезка прямой с нанесенной на ней шкалой (обычно неравномерной), соответствующей местоположению известных генов.
Такая хромосомная карта отражает не фактические расстояния между генами на хромосоме, а только результаты оценки их взаимоположения и относительных промежутков между ними, полученные генетическими методами, поэтому такие хромосомные карты называют генетическими картами хромосом (см. рис. 14 к ст. Бактерии, т. 2, ст. 486). В случаях, когда положение генов на хромосомной карте соотнесено с морфологическими особенностями хромосомы и обозначено на ее схематическом изображении, такие хромосомные карты называют цитологическими картами хромосом (см. рис. 5 к ст. Кариотип, т. 10, ст.170).
Генетическое картирование хромосом — сложный, многоэтапный процесс. Исходной предпосылкой для построения генетических карт хромосом любого биол. вида является создание коллекции его наследственно различающихся форм (пород, сортов, разновидностей, штаммов, линий). На базе такой генетической коллекции устанавливают закономерности наследования каждого из признаков с помощью анализа потомства. Признаки, наследование которых в потомстве подчиняется законам Менделя (см. Менделя законы, Наследственность), отбираются для картирования контролирующих их генов.
Общее число групп сцепления у данного биол. вида равно числу хромосом гаплоидного (одинарного) набора. Распределение совокупности наследственных признаков по группам сцепления завершает первый этап построения генетических карт хромосом. После этого решается вопрос о соответствии каждой из групп сцепления определенной паре хромосом диплоидного хромосомного набора (см.).
Проще всего это сделать для признаков, наследуемых сцепленно с полом, так как контролирующие их гены локализованы в половых хромосомах. Соответствие определенным хромосомам остальных групп сцепления обычно решается путем установления параллелизма между передачей исследуемого наследственного признака и передачей маркерных (меченых) хромосом. Хромосомными маркерами (метками) в этом случае могут служить вторичные перетяжки хромосом, их спутники и другие постоянные структурные особенности хромосом.
Проблема маркирования не только целых хромосом, но и их отдельных участков существенно упростилась в результате разработки методов дифференциальной окраски хромосом (см. Хромосомы). Иногда в качестве цитологических маркеров хромосом используют их структурные перестройки, особенно межхромосомные обмены — транслокации (см.).
В таких случаях переход наследственных признаков из одной группы сцепления в другую, прослеживаемый параллельно переносу материала одной хромосомы на другую, позволяет однозначно устанавливать локализацию генов, контролирующих данные признаки на соответствующих хромосомах.
Информативным оказалось прослеживание наследования и проявления признаков у лиц с анеуплоидией — отсутствием отдельных хромосом или их избыточным количеством. Отклонения в наследовании тех или иных признаков у таких больных позволяют сделать вывод о локализации соответствующих генов именно на тех хромосомах, которые присутствуют в наборе в избыточном или недостаточном количестве.
При генетическом картировании признаков человека особенно полезным оказался метод отдаленной гибридизации соматических клеток.
Например, при гибридизации соматических клеток человека и мыши из ядер гибридных клеток в процессе клеточных делений постепенно элиминируются (исчезают) хромосомы человека.
Если в культуре соматических клеток человека можно выявить какие-либо наследственные биохимические признаки (например, активность определенных ферментов, наличие видоспецифических белков и др.) то исчезновение таких признаков при элиминации соответствующих хромосом однозначно указывает на локализацию исследуемых генов на данных хромосомах.
Этот и ряд других методов позволили установить у человека все 24 (22 аутосомные, X и Y) группы сцепления, соответствующие определенным цитологически идентифицируемым парам хромосом, и распределение по этим группам около 800 из примерно 2500 описанных у человека наследственных признаков.
При этом использование молекулярно-генетических методов обеспечивает картирование многих генов в пределах узких сегментов хромосом.
Заключительным этапом генетического картирования хромосом является установление взаиморасположения генов и относительных (генетических) расстояний между ними.
Наиболее удобна оценка взаимоположения генов и расстояний между ними по результатам скрещивания.
Мерой расстояния между генами на генетической карте служит частота обмена участков гомологичных хромосом (кроссинговера) при скрещивании (см. Мейоз), выраженная в процентах. В качестве единицы расстояния между генами используют длину участка хромосомы, в пределах которого вероятность кроссинговера составляет 1 % (единица хромосомной карты, единица кроссинговера, морган, морганида).
Для коротких расстояний применяют также более мелкую единицу — сантиморган (0,01 моргана).
После построения генетических карт хромосом может быть осуществлено их сопоставление с цитологическими картами.
Наиболее подробно это сделано для карт хромосом дрозофилы. В настоящее время к этому в известной мере приближается картирование хромосом человека. На генетических и цитологических картах хромосом сохраняется один и тот же порядок генов, но генетические расстояния обычно не совпадают с цитологическими, так как вероятность кроссинговера (см. Рекомбинация, хромосом) на разных участках хромосом различна (кроссинговер обычно затруднен в гетерохроматиновых — значительно спирализованных районах хромосом).
Рекомбинация (обмен) сцепленных генов (см. Рекомбинация) может иметь место и в митозе, хотя и значительно реже, чем в мейозе.
Это позволяет строить митотические карты хромосом, на которых соблюдается тот же порядок генов, но расстояния между ними отличаются от значений, полученных в случае мейотических, и цитологических карт.
Исследование особенно больших выборок (десятки и сотни тысяч потомков) позволяет оценить частоту рекомбинации не только между генами, но и внутри отдельных генов и определять генетические расстояния.
Рекомбинационные карты тонкой структуры генов дополняются их комплементационными картами, построение которых основано на оценке межаллельной комплементации (функционального взаимодополнения) серии аллелей одного локуса.
В медицинской генетике определение локализации генов на хромосомной карте позволяет дифференцировать клинически сходные, но по-разному наследуемые и имеющие разную вероятность повторения в потомстве формы наследственной патологии.
Построение хромосомной карты имеет большое теоретическое значение для изучения организации генетического материала и механизмов изменчивости (см. Изменчивость). При селекции наличие хромосомной карты дает возможность целенаправленно комбинировать генетический материал, получая новые породы, сорта, штаммы с требуемыми свойствами.
См. также Бактерии, генетика бактерий.
Библиогр.: Бочков Н. П., Захаров A. Ф. и И в а н о в В. И. Медицинская генетика, М., 1984; ГершензонС. М. Основы современной генетики, Киев, 1983; Захаров И. А. Генетические карты высших организмов, Л., 1979; К у ш е в B. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л., 1971; С е р е б р о в с к и й А. С. Генетический анализ, М., 1970; Genetic variants and strains of the laboratory mouse, ed. by M. G. Green, Stuttgart—N. Y., 1981; McKusickV. A. The human gene map 1 December 1984, Clin. Genet., v. 27, p. 207, 1985. В. И. Иванов.
Картирование на основе полиморфизма (длин рестрикционных фрагментов ДНК (ПДРФ). Физические карты хромосом
Открытие специфических рестрикционных нуклеаз (рестриктаз), узнающих специфические последовательности нуклеотидов и разрезающих ДНК на фрагменты, стало одной из предпосылок картирования генома на основе ПРДФ.
Разные рестриктазы разрезают ДНК в разных сайтах, для каждой из них количество и локализация сайтов рестрикции строго определены. С помощью рестриктаз можно разрезать ДНК на фрагменты определенной длины с точностью до одного нуклеотида.
Например, ДНК бактериальных плазмид может быть разрезана всего на несколько фрагментов (рестриктов). Размер фрагментов однозначно устанавливается с помощью электрофореза в агарозном геле: чем меньше фрагмент, тем больше его электрофоретическая подвижность в геле.
На одну из дорожек геля наносят стандартные фрагменты ДНК известного размера и с их помощью определяют длину исследуемых фрагментов ДНК. Это обычный метод, применяемый для разделения, идентификации и очистки фрагментов ДНК (рис.
VIII. 12). На основании учета длины рестрикционных фрагментов строят рестрикционные карты ДНК данной плазмиды. Рестрикционной или физической картой называют схему, на которую нанесены сайты узнавания разных рестриктаз, дана линейная последовательность этих сайтов и расстояние между ними в парах нуклеотидов (п. н. для коротких отрезков, т. п. н.- тысячи — для длинных отрезков).
Рис. VIII.12. Определение длины стандартных фрагментов ДНК, возникающих под действием разных рестриктаз
Для составления рестрикционной карты используют методы: последовательного расщепления ДНК двумя рестриктазами, частичное расщепление ДНК, меченой радиоактивной меткой по определенному концу и др.
Для примера рассмотрим способ построения рестрикционной карты путем последовательного расщепления ДНК двумя рестриктазами. При этом способе сначала определяют величины фрагментов, образуемых под действием одной рестриктазы (I). Затем полученные фрагменты обрабатывают другой рестриктазой (II).
И наоборот, фрагменты, полученные под действием рестриктазы II, обрабатывают рестриктазой I. На основе логического анализа, сопоставляя размеры фрагментов, образовавшихся после этих расщеплений, строят рестрикционные карты линейной или кольцевой ДНК.
Рис. VIII.13. Расщепление ДНК на фрагменты двумя рестриктазами. Анализ с помощью двухмерного электрофореза
Рассмотрим построение рестрикционной карты участка линейной ДНК 5500 п. н. На рис. VIII. 13 представлены размеры фрагментов, полученных после последовательной обработки ДНК двумя рестриктазами, А- и В-методом двухмерного электрофореза.
Из рисунка видно, что наибольший фрагмент, полученный после обработки ДНК рестриктазой А (А-2400), разрезается рестриктазой В на два фрагмента — 2100 п. н. и 300 п. н. Наибольший фрагмент, полученный под действием рестриктазы В (В — 2800 п.н.), разрезается рестриктазой А тоже на два фрагмента — 2100 и 700 п.н.
Каждый фрагмент, полученный из исходных А-фрагментов под действием фермента В, есть в образцах, содержащих фрагменты, полученные в результате расщепления исходных В-фрагментов рестриктазой А. В геле, содержащем продукты двойного расщепления, каждый фрагмент встречается один раз. Используя принцип «перекрывающихся фрагментов» можно построить карту этого района.
Рис. VIII. 14. Последовательность построения рестрикционной карты фрагмента линейной ДНК 5500 п. н. (а, б, в)
В нашем примере фрагмент 2100 п.н. образуется в результате расщепления фрагментов А-2400 и В-2800, т. е. они перекрываются и область 2100 п. н. для них общая. С одной стороны этого фрагмента на расстоянии 300 п.н. находится А-сайт рестрикции,с другой — на расстоянии 700 п. н. — В-сайт.
На основе этих данных можно нарисовать участок карты, обозначив на ней сайты рестрикции рестриктаз А и В вертикальными черточками и размеры фрагментов между ними (рис. VIII. 14, а).
Затем можно продолжить карту вправо и влево, выяснив, из каких фрагментов образовались участки 700 и 300 п. н. Фрагмент 700 п. н. образуется при расщеплении фрагмента А-1500 рестриктазой В, следовательно, справа на карте лежит А-сайт на расстоянии 800 п. н.
Фрагмент 300 п.н. происходит или из фрагмента В-1300, или из фрагмента А-1000. Поскольку фрагмент А-1000 не разрезается рестриктазой В, он должен находиться с левого края карты (рис. VIII. 14, б).
Наконец, фрагмент 800 п.н. получен при расщеплении фрагмента В-1200 под действием рестриктазы А, следовательно, он расположен справа. Поскольку рестриктаза В не расщепляет оставшийся фрагмент 400 п. н., он является правым концом карты данного участка (рис. VIII. 14, в).
Карта, построенная на основе этих данных представлена на рис. VIII. 15. Для рестрикциионных карт характерна аддитивность. При рестрикционном картировании можно обнаруживать делеции и дупликации — они приводят к уменьшению или увеличению какого-либо фрагмента по сравнению с нормой (рис. VIII. 16).
Для фаговых, хлоропластных и митохондриальных ДНК, размер генома которых относительно невелик и варьирует от нескольких до сотен кб, построение ре-стрикционных карт — обычная процедура.
Рис. VIII. 15. Рестрикционная (физическая) карта фрагмента линейной ДНК 5500 п. н
Однако геномы эукариот слишком сложны для такого картирования, так как под действием рестриктаз образуется огромное количество (млн) фрагментов. Это обстоятельство исключает возможность построения рестрикционных карт эукариот на основе анализа рестрикционных фрагментов тотальных препаратов ДНК.
Уже на первых этапах изучения структуры клонированных генов эукариот был обнаружен высокий межиндивидуальный полиморфизм последовательностей нуклеотидов ДНК. Он проявляется в том, что рестрикционные карты соответствующих аллелей могут различаться по сайтам рестрикции, т. е. это полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ).
Например, он был обнаружен при рестрикционном картировании глобиновых генов человека, локализованных в коротком плече хромосомы 11. При обработке этой области генома разными рестриктазами аллельные варианты гена, контролирующего р-полипептид, обнаруживаются в разных фрагментах. Аналогичное явление показано и на аллелях других генов. ПДРФ проявляется даже в том случае, когда изменение нуклеотидной последовательности не обнаруживается фенотипически: он проявляет менделевское моногенное наследование по типу кодоминирования.
ПДРФ может быть связан с точковыми мутациями, затрагивающими сайты узнавания для разных рестриктаз, с микроперестройками — делециями или вставками мобильных уникальных последовательностей ДНК, а также с транспозициями мобильных генетических элементов. Очевидно, что уникальные последовательности ДНК (уМГМ) можно использовать как инструмент для выявления ПДРФ. Для этого рестрикционные фрагменты изучают в блот-гибридизации с радиоактивным зондом какого-либо клонированного уникального гена (или уникального фрагмента, функция которого неизвестна).
На радиоавтографе у разных индивидуумов могут выявляться фрагменты ДНК разных размеров, характеризующие их межаллельные различия. Если области, гомологичные изучаемому уникальному фрагменту, идентичны по распределению сайтов узнавания для исследуемой рестриктазы, то на радиоавтографе число и положение полос гибридизации будет совпадать.
На основе наличия полиморфных вариантов можно проводить генетический анализ, в том числе и генетическое картирование, используя классический гибридологический метод, с той разницей, что для определения этих различий изучают структуру фрагментов ДНК, а не признаки, альтернативно проявляющиеся фенотипически.
Если наследование какого-либо признака, установленное на основе изучения родословных, совпадает с наследованием МГМ, выявленным на основе рестрикционного картирования соответствующей области генома, то это свидетельствует о сцеплении изучаемого гена с данным МГМ.
Например, сравнивая рестрикционные карты гена больного и здорового человека, можно обнаружить наличие определенного сайта рестрикции у больных, что будет свидетельствовать о сцеплении гена с идентифицируемым МГМ. Так у человека был картирован ген, мутация в котором вызывает тяжелое наследственное заболевание — хорею Хетингтона.
Для анализа участков эукариотических хромосом длиной в несколько т. п. н. необходимо клонирование последовательности ДНК. Но фрагменты такой длины невозможно клонировать с помощью фаговых или космидных векторов.
Задача построения рестрикционных карт отдельных участков генома эукариот может быть решена с помощью двух методов.
Первый — это «прогулка по хромосоме». Для картирования этим методом используют несколько рекомбинантных фагов (или космид), содержащих перекрывающиеся фрагменты одного участка ДНК. Сначала выделяют клон, содержащий фрагмент с интересующей нас областью (или вблизи нее), а затем с помощью гибридизации с зондом из библиотеки генома выделяют другие клоны, содержащие последовательности, перекрывающиеся с последовательностью первого клона.
Эти клоны содержат, кроме того, последовательности, расположенные справа или слева от фрагмента, содержащегося в первом клоне.
Для выделения каждого последующего клона в качестве зонда используют концевой субфрагмент ДНК, не перекрывающий уже отклонированные последовательности. Затем проводят рестрикционное картирование фрагментов каждых двух клонов и определяют, в каком направлении увеличен фрагмент одного клона по отношению к другому.
Этот процесс может быть повторен многократно, в результате чего можно проанализировать последовательности сотен тысяч пар оснований и построить рестрикционную карту данного участка (рис. VIII. 17).
Рис VIII.17. Рестрикционное картирование фрагмента ДНК методом ‘прогулки по хромосоме’
Второй метод основан на использовании редкощепящих рестриктаз и пульс-электрофореза, с помощью которых удается выявлять и анализировать фрагменты ДНК длиной до нескольких тысяч кб.
С помощью блот-гибридизации можно локализовать на этих фрагментах ДНК любые клонированные последовательности, уже определенные с помощью цитологического или генетического картирования. Затем на основе рестрикционного картирования устанавливают относительное расположение разных клонированных последовательностей (генов) внутри исследуемого фрагмента. Точность такой карты ограничена разрешающей способностью генетического анализа.
В результате применения комплекса всех этих методов строят рестрикционную (физическую) карту хромосомы, в которой определено местоположение генетических, цитологических и молекулярно-генетических маркеров.
Определение полной нуклеотидной последовательности этой части генома (секвенирование) — завершающий этап картирования.
Линейное расположение генов в хромосомах. Сцепление генов. Кроссинговер.
Основа принципа построения генетических карт Существование кроссинговера побудило Моргана разработать в 1911-1914 гг. принцип построения генетических карт хромосом. В основу этого принципа положено представление о расположении генов по длине хромосомы в линейном порядке. За единицу расстояния между двумя генами условились принимать 1 % перекреста между ними.
Допустим, что к одной группе сцепления относятся гены А и В.
Между ними обнаружен перекрест в 10 %. Следовательно, гены А и В находятся на расстоянии 10 единиц. Допустим далее, что к этой же группе сцепления относится ген С. Чтобы узнать его место в хромосоме, необходимо выяснить, какой процент перекреста он дает с обоими из двух уже известных генов. Например, если с А он дает 3 % перекреста, то можно предположить, что ген С находится либо между А и В, либо с противоположной стороны, то есть А расположен между В и С.
Если между В и С окажется перекрест 7 %, то на хромосоме их следует расположить в таком порядке, как на верхней схеме. Если между В и С перекрест составит 13 %, то расположение генов будет как на нижней схеме.
2. Формула закономерности В общей форме эту закономерность можно выразить следующей формулой: если гены А, В и С относятся к одной группе сцепления и расстояние между генами А и В равно нескольким единицам, а расстояние между В и С — одной единице, то расстояние между А и С может быть либо k +1, либо k-1.
СЦЕПЛЕНИЕ ГЕНОВ явление, в основе к-рого лежит локализация генов в одной хромосоме.Впервые обнаружено в 1906 У.
Бэтсоном и Р. Пеннетом в опытах по скрещиванию душистого горошка. Позднее С. г. было детально исследовано Т. Морганом с сотрудниками в экспериментах с дрозофилой. С. г. выражается в том, что аллели сцепленных генов, находящиеся в одной группе сцепления, имеют тенденцию наследоваться совместно. Это приводит к образованию у гибрида гамет преим. с «родительскими» сочетаниями аллелей.
Кроссинго́вер — процесс обмена участками гомологичных хромосом во времяконъюгации в профазе I мейоза. Помимо мейотического, описан также митотический кроссинговер. Хромосома разделяется на эти участки в определённых точках, одних и тех же для одного вида, что может быть определением вида на генетическом уровне, место расположение этих точек задаётся единственным геном.
Генетические и цитологические карты хромосом
Генетические карты хромосом — это схема взаимного расположения и относительных расстояний между генами определенных хромосом, находящихся в одной группе сцепления.
Впервые в 1913 — 1915 годах на возможность построения генетических карт хромосом указывают Т. Морган и его сотрудники. Они экспериментально показали, что основываясь на явлениях сцепления генов и кроссинговера можно построить генетические карты хромосом [1]. Возможность картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами. Генетические карты хромосом составлены для многих видов организмов: насекомых (дрозофила, комар, таракан и др.), грибов (дрожжи, аспергилл), для бактерий и вирусов.
Генетические карты человека используются в медицине при диагностике ряда тяжелых наследственных заболеваний человека.
В исследованияхэволюционного процесса сравнивают генетические карты разных видов живых организмов. Помимо генетических, существуют и другие карты хромосом.
Цитологические карты хромосом, схематическое изображение хромосом с указанием мест фактического размещения отдельных генов, полученное с помощью цитологических методов. Ц. к. х. составляют для организмов, для которых обычно уже имеются генетические карты хромосом.
Каждое место расположения гена (локус) на генетической карте организма, установленное на основе частоты перекреста участков хромосом (кроссинговера), на Ц. к. х. привязано к определённому, реально существующему участку хромосомы, что служит одним из основных доказательств хромосомной теории наследственности.
Для построения Ц. к. х. используют данные анализа хромосомных перестроек (вставки, делеции и др.) и, сопоставляя изменения морфологических признаков хромосом при этих перестройках с изменениями генетических свойств организма, устанавливают место того или иного гена в хромосоме.
Пользуясь методом хромосомных перестроек, амер. генетик К. Бриджес составил в 1935 подробную Ц. к. х. плодовой мушки дрозофилы, наиболее полно генетически изученного организма. Гигантские хромосомы насекомых отряда двукрылых оказались самыми удобными для построения Ц. к. х., т.к. наряду с большими размерами обладают чёткой морфологической очерченностью: каждый участок этих хромосом имеет свой определённый и чёткий рисунок, обусловленный характерным чередованием по длине ярко окрашиваемых участков (дисков) и слабо окрашиваемых (междисков).
Цитологическими методами легко определить отсутствие участка хромосомы или перенос его в др. место. Сопоставление Ц. к. х. с генетическими показало, что физическое расстояние между генами в хромосомах не соответствует генетическому (видимо, частота кроссинговера неодинакова в разных участках хромосом), поэтому плотность распределения генов на цитологических и генетических картах хромосом различна.
Так было установлено важное генетическое явление — неравномерность частот перекреста по длине хромосомы. Линейное расположение генов и их последовательность, установленные генетическими методами, подтверждаются Ц. к. х. Современные методы цитологии и генетики позволяют построить Ц. к. х. многих организмов, в том числе человека.
Проявление каждого признака организма контролируется генетическими факторами (элементарные единицы наследственности названы генами). Цвет наших глаз и волос, форма носа и губ, размер пальцев руки и стопы ноги — все это обусловлено действием генов. Каждый участок хромосомы — отдельный ген. Изменение или исчезновение любого такого участка обязательнб скажется на жизнедеятельности клетки и выражении какого-либо признака организма.
Сейчас известно около 7 тыс. генов у дрозофилы, расположенных в четырех хромосомах. Предполагается, что в 46 хромосомах человека представлены более чем 50 тыс. генов. На первый взгляд может показаться непонятным, зачем нужно такое огромное количество генов. Но если учесть, что каждый организм имеет сотни признаков, а количественные свойства (размер, масса, объем) контролируются целым рядом генов, станет ясно, почему генов так много.
Количество хромосом у любого организма гораздо меньше количества генов.
Каждая хромосома содержит множество генов. В результате многолетней работы по локализации генов в хромосомах ученые составили хромосомные карты, и эта работа продолжается (исследуются разные виды организмов: дрозофила, кукуруза, горох, ячмень, пшеница, человек, мышь, кролик, крыса, курица и др.). Хромосомной или генетической картой называют схему относительного положения генов в определенной хромосоме.
Хромосомные карты начали составлять задолго до того, как цитологи научились идентифицировать хромосомы.
Основной инструмент этих работ — генетический анализ (скрещивание различных организмов и изучение полученного потомства).
Этот простой метод имеет большую разрешающую способность, чем самый совершенный электронный микроскоп. В самом деле, генетический анализ позволяет точно определить местоположение в хромосоме любого гена, в то время как из-за невероятно малого размера его невозможно увидеть в любой микроскоп.
Только у гигантских хромосом удалось выявить отдельные диски и связать их с определенными генами.
Обычная же хромосома не превышает 2 мкм, и в ней находится несколько тысяч генов.
Начало работ по определению местоположения генов в хромосомах или локализации генов положили в 1906 г. английские генетики У. Бэтсон и Р. Пеннет, которые сообщили о группах сцепления генов. При скрещиваниях между различными разновидностями душистого горошка дигибридное расщепление отличалось от обычного — гены не наследовались независимо друг от друга, а передавались потомству группами.
Сущность этого явления стала понятна после работ Моргана и его сотрудников: Морган объяснил материальные основы такого сцепленного наследования.
Хромосома представляет собой отдельную функциональную единицу при делении клетки. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, связаны между собой. Сцепление признаков может быть обнаружено в любой из хромосом, несущей гены.
Локализация в одной хромосоме нескольких генов отвергает сомнения в справедливости закона Менделя о независимости наследования генов, контролирующих разные признаки, появившиеся в случае совместного их проявления.
После того как было описано много генов, ученые пришли к выводу о возможности разделения их на отдельные группы. Гены, принадлежащие к разным группам, наследуются независимо друг от друга, и в потомстве происходит различное их сочетание.
Если же гены входят в одну группу, они проявляют разной степени сцепление друг с другом. Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют все вместе одну группу сцепления.