Основно съдържание

Курс: Биология за напреднали/колеж > Раздел 2

Урок 3: Генетика, различна от тази на Мендел

Генетично свързване & картографиране

Класна стая на Google

Какво означава за гените да бъдат свързани. Как се определя рекомбинационната честота за двойка гени.

Ключови точки:

Когато гените се намират на различни хромозоми или далеч едни от други на една и съща хромозома, те се разпределят независимо и се казва, че не са свързани.
Когато гените са близо един до друг на една и съща хромозома, се казва, че те са скачени. Това означава, че алели, или генни версии, които и без това се намират в една хромозома, се унаследяват по-често в комплект, отколкото поотделно.
Можем да видим дали два гена са свързани, и колко тясно, като използваме данни от генетичните кръстосвания, за да изчислим честотата на рекомбинация.
Чрез намиране на честотата на рекомбинация за много генни двойки, можем да направим хромозомни карти, които показват реда и относителното разстояние на гените в хромозомата.

Въведение

Като цяло, организмите имат много повече гени, отколкото хромозоми. Например хората имаме приблизително

19

000

гена в

23

хромозоми (налични в два набора)

^{1}

. По същия начин скромната плодова мушица – любим обект за проучване за генетиците – има около

13

000

гена на

4

хромозоми (също налични в два набора)

^{2}

Последицата? Никой ген няма своя собствена хромозома. Всъщност дори не е близо до това! Голям брой гени се педреждат върху всяка хромозома и някои от тях ще са наистина много близо един до друг.

Това влияе ли на унаследяването на гените? В някои случаи отговорът е да. Гените, които са достатъчно близо в една хромозома, по принцип "се държат заедно" и версиите (алелите) на тези гени, които са заедно в тази хромозома, по принцип се унаследяват по-често в комплект, отколкото поотделно.

Този феномен е наречен скачени гени. Когато гените са скачени, генетичните кръстосвания, които включват тези гени, ще доведат до съотношения на гамети (яйцеклетки и сперматозоиди) и видове поколение, което не са това, което бихме прогнозирали въз основа на закона на Мендел за независимото разпределение. Нека разгледаме по-отблизо защо това е така.

Какво са скачени гени?

Когато гените са на отделни хромозоми или много отдалечени на една и съща хромозома, те се разпределят независимо. Тоест, когато гените влязат в гаметите, кой алел е получен за един ген не влияе на това кой алел е получен за другия ген. В двойно хетерозиготен организъм (AaBb) това води до образуването на всички

4

възможни вида гамети с еднаква честота

25 %

Защо това е така? Гените на отделни хромозоми се разпределят независимо поради случайната ориентация на хомоложните хромозомни двойки по време на мейоза. Хомоложните хромозоми са свързани хромозоми, които носят едни и същи гени, но може да имат различни алели на тези гени. Единият член от всяка хомоложна двойка идва от майката, а другият е от бащата.

Както е илюстрирано в диаграмата по-долу, хомолозите от всяка двойка се отделят през първия етап на мейозата. При този процес "бащините" и "майчините" хромозоми от всяка двойка се местят към случайна страна. Когато проследяваме два гена, това води до четири вида гамети, които са произведени с равна честота.

Когато гените са на една и съща хромозома, но са много раздалечени, те се разпределят независимо поради кросинговър (хомоложна рекомбинация). Това е процес, който се случва в началото на мейозата, при който хомоложните хромозоми на случаен принцип обменят фрагменти. Кросинговърът може да сложи нови алели заедно в комбинация в една и съща хромозома, водейки до тяхното влизане в една и съща гамета. Когато гените са раздалечени, кросинговърът се случва достатъчно често, така че всички видове гамети се получават с честота

25 %

Когато гените са много близо на една и съща хромозома, кросинговърът пак протича, но резултатът (що се отнася до произведени видове гамети) е различен. Вместо да се разпределят независимо, гените по принцип "вървят заедно" по време на мейоза. Тоест, алелите от гени, които вече са заедно на една хромозома, по принцип биват предадени в комплект на гаметите. В този случай гените са скачени. Например, два скачени гена може да се държат по следния начин:

Сега виждаме видовете гамети, които са налични, в много неравни пропорции. Обичайните видове гамети съдържат родителските конфигурации от алели – тоест тези, които вече са заедно в хромозомата в организма преди мейозата (тоест в хромозомата, която той получава от родителите си). Редките видове гамети съдържат рекомбинантни конфигурации алели, тоест, такива, които могат да се образуват само при рекомбинация (кросинговър) между гените.

Защо рекомбинантните видове гамети са редки? Основната причина е, че кросинговърът между два гена, които са много близки, не се среща много често. Кросинговърите по време на мейозата се случват на повече или по-малко случайни места в хромозомата, така че честотата на кросинговърите между два гена зависи от разстоянието между тях. Много късо разстояние, ефективно, е много малка "мишена" за кросинговър, което означава, че малко такива събития ще протекат (в сравнение с броя събития при два отдалечени гена).

Благодарение на тази връзка можем да използваме честотата на рекомбинационни събития между двата гена (тоест тяхната степен на скаченост), за да изчислим приблизително относителното им разстояние един от друг в хромозомата. При два много близки гена ще има много малко рекомбинационни събития и те ще са тясно свързани, докато при два гена, които са малко по-раздалечени, ще има повече рекомбинационни събития и те няма да са толкова тясно свързани. В следващия раздел ще видим как да изчислим честотата на рекомбинация на два гена, като използваме информация от генетични кръстосвания.

Определяне на честотата на рекомбинация

Да предположим, че искаме да видим дали два гена в плодовата мушица (Drosophila) са свързани един с друг и, ако да, колко тясно свързани са те. В нашия пример гените са

^{3}

Лилавият ген с доминантен pr $^{+}$ ‍ алел, който кодира нормални червени очи, и рецесивен pr aлел, който определя лилави очи.
Закърнелият ген с доминантен vg $^{+}$ ‍ алел, който определя нормални, дълги крила, и рецесивен vg алел, който кодира къси, "закърнели" крила.

Ако искаме да измерим честотата на рекомбинация между тези гени, първо трябва да създадем муха, в която можем да наблюдаваме рекомбинация. Тоест, трябва да направим муха, която е не просто хетерозиготна за двата гена, а и при която знаем точно кои гени са заедно на хромозомата. За да направим това, можем да започнем, като кръстосаме две хомозиготни мухи, както е показано по-долу:

Тези термини описват дали двата алела (версии) на един ген, носени от организма, като една мушица, са еднакви или различни.

Хомозиготен означава, че организмът има два еднакви алела. Например мушица b b ще е хомозиготна.
Хетерозиготен означава, че организмът има два различни алела. Например: мушица b b $^{+}$ ‍ ще е хетерозиготна.

Това кръстосване ни дава точно каквото ни е нужно, за да наблюдаваме рекомбинация: муха, която е хетерозиготна за лилавия и закърнелия гени, в които знаем точно кои алели са заедно в една хромозома.

Сега имаме нужда от начин да "видим" рекомбинационните събития. Най-директният подход е да разгледаме гаметите, създадени от хетерозиготната мушица, и да видим какви алели имат в хромозомите си. Но практически е много по-просто да използваме тези гамети в кръстосване и да видим как ще изглежда поколението!

За да направим това, можем да кръстосаме двойно хетерозиготна муха с анализатор – муха, която е хомозиготно рецесивна за всички интересуващи ни гени (в този случай, pr и vg алели). Целта на използването на анализатор е да се гарантира, че алелите, представени от не-анализаторния родител, напълно определят фенотипа, или външния вид, на поколението. Когато кръстосаме интересуващата ни мушица с анализатор, можем директо да "прочетем" генотипа на всяка гамета от физическия външен вид на поколението.

По-долу можем да видим модифицирана решетка на Пънет, която показва резултатите от кръстосването между двойно хетерозиготна мушица и анализаторна мушица. Четири различни вида яйцеклетки са произведени от двойно хетерозиготна женска мушица, всяка от които се комбинира със сперматозоид от мъжката анализаторна мушица. Четири различни фенотипни (базирани на външния вид) класа поколение са произведени при това кръстосване, всеки съответстващ на определена гамета от женския родител:

Четирите класа поколение не са произведени в равни количества, което ни казва, че лилавият и закърнелият гени са скачени. Както очакваме за скачените гени, родителските хромозомни конфигурации са свръхпредставени в поколението, докато рекомбинантните хромозомни конфигурации са по-слабо представени. За да измерим връзката количествено, измерваме честотата на рекомбинация (RF) между лилавия и закърнелия гени:

Честота на рекомбинация (RF) = \frac{Рекомбинанти}{Общо поколение} \times 100 %

В нашия случай рекомбинантните класове поколение са червенооки мушици със закърнели крила и лилавооки мухи с дълги крила. Можем да идентифицираме тези мушици като рекомбинантни класове поради две причини: първо, знаем от поредица кръстосвания, които сме извършили, че те трябва да са унаследили една хромозома от майка си, която е преминала през рекомбинация; и, второ, че те са по-слабо представените класове (спрямо свръхпредставените родителски класове).

Тоест за кръстосването по-горе можем да запишем уравнението по следния начин:

RF = \frac{151 + 154}{1339 + 1195 + 151 + 154} \cdot 100 % = 10, 7 %

Честотата на рекомбинация между лилавия и закърнелия гени е

10, 7 %

Честота на рекомбиниране и генно картиране

Какви са предимствата на изчисляването на честота на рекомбиниране? Един начин, по който честотите на рекомбинация са били използвани исторически, е за построяване на генни карти – карит на гените в хромозомите въз основа на честотите на рекомбинация. Всъщност проучването на скачените гени помогнало на учените в зората на генетиката да установят, че хромозомите са линейни и че всеки ген има свое специфично място в хромозомата.

Честотата на рекомбинация не е директна мярка за това колко раздалечени са физически гените в хромозомите. Но предоставя приближение за физическото разстояние. Тоест можем да кажем, че двойка гени с по-голяма честота на рекомбинация вероятно са по-отдалечени, докато двойка с по-малка честота на рекомбинация вероятно са по-приближени.

Важно, честотата на рекомбинация "е максимална" при

50 %

(което съответства на нескачени гени, или такива, които се разпределят независимо). Тоест

50 %

е най-голямата честота на рекомбинация, която някога директно ще измерим нежду гените. Тоест, ако искаме да открием картираното разстояние между гени, които са по-отдалечени от това, трябва да съберем честотите на рекомбинация на множество двойки гени, "изграждайки" карта, която обхваща двата далечни гена.

Сравнението на честотите на рекомбинация също може да бъде използвано, за да определим реда на гените в една хромозома. Да предположим, например, че имаме три гена, A, B и C, и искаме да знаем техния ред в хромозомата (ABC? ACB? CAB?). Ако разгледаме честотите на рекомбинация между трите възможни двойки гени (AC, AB, BC), можем да определим кои гени лежат най-отдалечено и кой ген лежи по средата. По-точно двойката гени с най-голяма честота на рекомбинация трябва да е от двете страни на третия ген:

Чудесен въпрос! Директно измерената честота на рекомбинация за най-външната двойка гени е леко подценена, понеже не улавя двойните кросинговъри (случаи, в които има две рекомбинационни събития между гените, възстановявайки оригиналната алелна конфигурация, но с премахната част по средата). Ще разгледаме по-отблизо двойните кросинговъри по-надолу в статията.

Като правим този вид анализ с все повече и повече гени (тоест, добавяме гени D, E и F и откриваме връзката им с A, B и C), можем да построим хромозомни карти на цели хромозоми. В хромозомните карти може да видиш разстоянията, изразени като центиморгани или картови единици, вместо като честоти на рекомбинация. За щастие, има директна връзка между тези стойности:

1 %

честота на рекомбинация е равностойна на

1

центиморган или

1

картова единица.

Картовото разстояние винаги ли е същото като рекомбинационната честота? Понякога директно измерената честота на рекомбинация между два гена не е най-точната мярка за тяхнто картово разстояние. Това е така, понеже освен единичните кросинговъри, както обсъдихме в тази статия, може да има и двойни кросинговъри (два отделни кросинговъра между двата гена):

Двойните кросинговъри са "невидими", ако наблюдаваме само два гена, защото връщат оригиналните два гена обратно върху същата хромозома (но с малко премахната част в средата). Например двойният кросинговър, показан по-горе, няма да може да бъде засечен, ако гледахме само гени A и C, тъй като тези гени се връщат в оригиналната си конфигурация.

Поради това двойните кросинговъри не биват отчитани в директно измерваната честота на рекомбинация, което води до леко подценяване на реалния брой рекомбинации. Ето защо в примера по-долу честотата на рекомбинация, директно измерена между A и C , е малко по-малка от сбора от честотите на рекомбинация между A-B и B-C. Когато включим В, двойните кросинговъри между A и C могат да бъдат засечени и отчетени.

Чрез измерване на честотите на рекомбинация за по-близки генни двойки и събирането им, можем да минимизираме "невидимите" двойни кросинговъри и да получим по-точни картови разстояния.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове

Jyoti Madhusoodanan, "Human Gene Set Shrinks Again," The Scientist, last modified July 8, 2014, http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/40441/title/Human-Gene-Set-Shrinks-Again/.
"Genomic DNA Sequencing Project FAQ," Berkeley Drosophila Genome Project, last modified October 8, 2015, http://www.fruitfly.org/sequence/faq.html.
Dominique C. Bergmann, Genetics Lecture Notes (Stanford: BioSci 41, 2011), 27.
Dominique C. Bergmann, Genetics Lecture Notes (Stanford: BioSci 41, 2011), 34.

Препратки

Bergmann, Dominique C. Genetics Lecture Notes. Stanford: BioSci 41, 2011.

Campbell, Neil A., Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. "Linked Genes Tend to be Inherited Together Because They Are Located Near Each Other on the Same Chromosome." In Campbell Biology, 292-296. 8th ed. San Francisco: Benjamin Cummings, 2008.

"Genomic DNA Sequencing Project FAQ." Berkeley Drosophila Genome Project. Last modified October 8, 2015. http://www.fruitfly.org/sequence/faq.html#seq-01.

Kimball, John W. "Genetic Linkage and Genetic Maps." Kimball's Biology Pages. Last modified April 24, 2014. http://www.biology-pages.info/L/Linkage.html.

Madhusoodanan, Jyoti. "Human Gene Set Shrinks Again." The Scientist. Last modified July 8, 2014. http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/40441/title/Human-Gene-Set-Shrinks-Again/.

OpenStax College, Biology. "Chromosomal Theory and Genetic Linkage." OpenStax CNX. Last modified May 27, 2016. http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.53:qdHTV9py@8/Chromosomal-Theory-and-Genetic.

Purves, William K., David Sadava, Gordon H. Orians, and H. Craig Heller. "Genes and Chromosomes." In Life: The Science of Biology, 202-205. 7th ed. Sunderland, MA: Sinauer Associates, 2003.

Raven, Peter H., George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, and Susan R. Singer. "Genetic Mapping." In Biology. 244-248. 10th ed., AP ed. New York: McGraw-Hill, 2014.

Reece, Jane B., Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. In Campbell Biology, 10th ed. San Francisco: Pearson, 2011.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.