Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на стадии четырех нитей. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера. Цитологические доказательства кроссинговера. Рекомбинация наследственн

Мейоз — сложное деление, в результате которого образуются половые клетки (гаметы). Состоит из двух последовательных делений. Особенно сложным является первое деление мейоза (профаза I). При мейозе происходит перекомбинация генетического материала (кроссинговер, независимое расхождение целых хромосом в анафазе I и независимое расхождение хроматид в анафазе II).

В результате мейоза образуются гаплоидные клетки («nc») и возникает комбинативная изменчивость. Биологическое значение мейоза состоит в поддержании постоянства кариотипа и возникновении генетически неидентичных гамет, что определяет формирование организмов с индивидуальными особенностями. Мейоз происходит в процессе гаметогенеза (образование половых клеток) в половых железах (гонадах).

Фазы мейоза, их характеристика и значение.

Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.

• Профаза I - профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:

• Фаза лептотены илилептонемы - конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей.
• Зиготена илизигонема - конъюгация (соединение) гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами.
• Пахитена илипахинема -кроссинговер (перекрест), обмен участками между гомологичными хромосомами; гомологичные хромосомы остаются соединенными между собой.
• Диплотена илидиплонема - происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
• Диакинез - ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.

• Метафаза I - бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
• Анафаза I - микротрубочки сокращаются, биваленты делятся и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как вмитозе .
• Телофаза I

Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.

• Профаза II - происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления.
• Метафаза II - унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
• Анафаза II - униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
• Телофаза II - хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.

В результате из одной диплоидной клетки образуется четырегаплоидных клетки . В тех случаях, когда мейоз сопряжён сгаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитиияйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и два так называемыхредукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).

Рекомбинация генов, её медицинское и эволюционное значение.

Рекомбинация — это процесс, который обеспечивает перемешивание генов в ряду поколений. При формировании половых клеток гены, полученные от родителей, “перетасовываются”, и в каждую гамету попадает только половина родительских генов. При оплодотворении гены двух родителей случайно комбинируются в зиготе. Сочетание этих двух случайных процессов — тасовки генов в генеративных клетках и встречи гамет — обеспечивает уникальность набора генов каждого организма.

Этот процесс был открыт в начале XX в. на основе анализа результатов скрещиваний. Сейчас в изучении рекомбинации используют весь арсенал современных методов молекулярной и клеточной биологии. И тем не менее процесс остается во многом загадочным. До сих пор идут бурные дебаты о том, зачем нужна рекомбинация. Непонятно, отчего она так сложно и, казалось бы, нелогично организована. Неясно, как распределяются по геному ее горячие и холодные точки. Попытаемся ответить на эти вопросы, рассмотрев рекомбинацию в свете эволюции.

Рекомбинация — главный генератор фенотипического разнообразия, того самого, с которым оперирует естественный отбор, тех отличий между организмами, которые играют решающую роль в их борьбе за существование. Мы привыкли думать, что эти различия определяются мутациями генов. Это и верно, и неверно одновременно.

Мутации меняют гены. Ген может быть неузнаваемо испорчен мутацией, изменен с сохранением функции (синонимически) или с ее потерей. Мы должны ясно понимать, что функция каждого гена определяется его взаимодействием с другими генами. Поэтому и функцию гена, и ее изменения следует рассматривать исключительно в рамках конкретного метаболического пути или регуляторной генной сети, в которых задействованы продукты этого гена. Бессмысленный или неверный ген из одной генной сети может приобрести новый, неожиданный смысл в другой; синоним в одном контексте оказаться антонимом в другом. Таким образом, мутации меняют фенотип не сами по себе, а в сочетании с другими генами.

Разнообразие фенотипов, которое мы наблюдаем, есть воплощенное разнообразие генных сочетаний. А поскольку рекомбинация обеспечивает постоянную генерацию все новых и новых сочетаний, мы имеем полное право назвать этот замечательный механизм генератором фенотипического разнообразия.

Рекомбинация, видимо, возникла одновременно или вскоре после появления жизни. Однако на первых порах она была робкой и спорадической. Такой она и остается в мире прокариот. Бактерии иногда входят в контакт друг с другом и обмениваются генетической информацией, чаще когда их жизнь становится хуже. Но из этого не следует, что рекомбинация непременно облегчает им жизнь, повышает их приспособленность. Она дает им шанс, надежду на то, что новая комбинация генов окажется полезной.

Регулярная, запланированная и обязательная рекомбинация появилась гораздо позже, одновременно или вскоре после возникновения эукариотических клеток. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что у подавляющего большинства современных эукариот рекомбинация происходит регулярно, а ее молекулярные и клеточные механизмы у самых разных организмов поразительно сходны. Сходство мы обнаруживаем и в том, что у всех них рекомбинация так или иначе связана с размножением. У эукариот, в отличие от бактерий, результаты рекомбинации проявляются не у самих организмов, а у их потомков.

В 1909 г. бельгийский цитолог Янссенс наблюдал образование хиазм во время профазы I мейоза (см. разд. 22.3). Генетическое значение этого процесса разъяснил Морган, высказавший мнение, что кроссинговер (обмен аллелями) происходит в результате разрыва и рекомбинации гомологичных хромосом во время образования хиазм. В дальнейшем сопоставление цитологических данных с данными о соотношениях рекомбинантных фенотипов подтвердило, что обмен генетическим материалом в мейозе происходит почти буквально между всеми гомологичными хромосомами. Аллели, входящие в группы сцепления у родительских особей, разделяются и образуют новые сочетания, которые попадают в гаметы,- процесс, называемый генетической рекомбинацией . Потомков, которые получаются из таких гамет с "новыми" сочетаниями аллелей, называют рекомбинантами. Таким образом, кроссинговер представляет собой важный источник генетической изменчивости, наблюдаемой в популяциях.

Для иллюстрации принципа кроссинговера можно рассмотреть поведение пары гомологичных хромосом дрозофилы, несущих аллели серой окраски тела и длинных крыльев (оба аллеля доминантные) и черной окраски тела и зачаточных крыльев (оба аллеля рецессивные), во время образования хиазм. Скрещивание между гомозиготным серым длиннокрылым самцом и гомозиготной черной самкой с зачаточными крыльями дало в F 1 гетерозиготных потомков с серым телом и длинными крыльями (рис. 23.10).

При возвратном скрещивании мух из поколения F 1 с гомозиготными двойными рецессивами были получены следующие результаты:

Как показывают эти результаты, гены, определяющие окраску тела и длину крыльев, сцеплены. (Вспомните, что если бы эти гены находились в разных хромосомах и поэтому распределялись случайным образом, то при дигибридном скрещивании гетерозиготы F 1 с гомозиготой по двум рецессив-ным признакам получилось бы соотношение фенотипов 1:1:1:1.) Из приведенных цифр можно вычислить частоту рекомбинации генов, определяющих окраску тела и длину крыльев.

Частота рекомбинаций вычисляется по формуле

В нашем примере частота рекомбинации равна

Это значение соответствует числу рекомбинаций, происходящих при образовании гамет. Один из учеников Моргана, А. X. Стертевант, высказал мысль, что частоты рекомбинаций свидетельствуют о линейном расположении генов вдоль хромосомы. Еще более важное предположение Стертеванта состояло в том, что частота рекомбинаций отражает относительное расположение генов в хромосоме: чем дальше друг от друга находятся сцепленные гены, тем больше вероятность того, что между ними произойдет кроссинговер, т.е. тем выше частота рекомбинантов (рис. 23.11).

23.8. На приведенной ниже схеме изображены локусы двенадцати аллелей, расположенные в паре хромосом. Показаны их относительные расстояния от центромеры.

Мейоз и оплодотворение обеспечивают получение организмами нового поколения эволюционно сложившегося, сбалансированного по дозам генов наследственного материала, на основе которого осуществляется развитие организма и отдельных его клеток. Благодаря этим двум механизмам в ряду поколений особей данного вида формируются определенные видовые характеристики и вид как реальная единица живой природы существует продолжительное время. Однако у разных представителей вида в силу постоянно идущего мутационного процесса один и тот же набор генов генома представлен разными их аллелями. Так как при половом размножении у многих видов в воспроизведении потомства принимают участие две особи, то совершенно очевидно, что в результате оплодотворения разные зиготы получают неодинаковый набор аллелей в их генотипах. Увеличению генотипического разнообразия представителей вида способствуют также механизмы, приводящие к перекомбинации родительских аллелей особи в ее гаметах. Действительно, если бы гаметы, образуемые организмом, были одинаковы по набору аллелей в их геноме, то у потомков одной пары организмов при раздельнополости или одного гермафродитного организма не наблюдалось бы генотипического разнообразия. В каждом новом поколении вида генотипически различными были бы лишь дети разных родителей.

Реально в природе наблюдается разнообразие потомков одних и тех же родителей. Например, родные братья и сестры различаются не только по полу, но и по другим признакам. Такие различия потомков объясняются тем, что в каждом акте оплодотворения встречаются генетически различающиеся гаметы. Механизмом,обеспечивающим разнообразие гамет, образуемых одним и тем же организмом, является мейоз, в ходе которого происходит не только уменьшение вдвое наследственного материала, попадающего в гаметы, но и эффективное перераспределение родительских аллелей между гаметами. Процессами, приводящими к перекомбинации генов и целых хромосом в половых клетках, являются Кроссинговер и расхождение бивалентов в анафазе I мейоза (см. гл. 5).

Кроссинговер. Этот процесс происходит в профазе I мейоза в то время, когда гомологичные хромосомы тесно сближены в результате конъюгации и образуют биваленты. В ходе кроссинговера осуществляется обмен соответствующими участками между взаимно переплетающимися хроматидами гомологичных хромосом (рис. 3.72). Этот процесс обеспечивает перекомбинацию отцовских и материнских аллелей генов в каждой группе сцепления. В разных предшественниках гамет Кроссинговер происходит в различных участках хромосом, в результате чего образуется большое разнообразие сочетаний родительских аллелей в хромосомах.

Рис. 3.72. Кроссинговер как источник генетического разнообразия гамет:

I - оплодотворение родительских гамет а и б с образованием зиготы в; II - гаметогенез в организме, развившемся из зиготы в ; г - кроссинговер, происходящий между гомологами в профазе I; д - клетки, образовавшиеся после 1-го мейотического деления; е, ж - клетки, образовавшиеся после 2-го деления мейоза (е - некроссоверные гаметы с исходными родительскими хромосомами; ж - кроссоверные гаметы с перекомбинацией наследственного материала в гомологичных хромосомах)

Понятно, что кроссинговер как механизм рекомбинации эффективен лишь в том случае, когда соответствующие гены отцовской и материнской хромосом представлены разными аллелями. Абсолютно идентичные группы сцепления при кроссинговере не дают новых сочетаний аллелей.

Кроссинговер происходит не только в предшественницах половых клеток при мейозе. Он наблюдается также в соматических клетках при митозе. Соматический кроссинговер описан у дрозофилы, у некоторых видов плесеней. Он осуществляется в ходе митоза между гомологичными хромосомами, однако его частота в 10 000 раз меньше частоты мейотического кроссинговера, от механизма которого он ничем не отличается. В результате митотического кроссинговера появляются клоны соматических клеток, различающихся по содержанию в них аллелей отдельных генов. Если в генотипе зиготы данный ген представлен двумя разными аллелями, то в результате соматического кроссинговера могут появиться клетки с одинаковыми либо отцовскими, либо материнскими аллелями данного гена (рис. 3.73).

Рис. 3.73. Кроссинговер в соматических клетках:

1 - соматическая клетка, в гомологичных хромосомах которой ген А представлен двумя разными аллелями (А и а); 2 - кроссинговер; 3 - результат обмена соответствующими участками между гомологичяыми хромосомами; 4 - расположение гомологов в плоскости экватора веретена деления в метафазе митоза (два варианта); 5 - образование дочерних клеток; 6 - образование гетерозитотиых по гену А клеток, сходных с материнской клеткой по набору аллелей (Аа); 7 - образование гомозиготных по гену А клеток, отличающихся от материнской клетки по набору аллелей (АА или аа)

Расхождение бивалентов в анафазе I мейоза. В метафазе I мейоза в экваториальной плоскости ахромативнового веретена выстраиваются биваленты, состоящие из одной отцовской и одной материнской хромосомы. Расхождение гомологов, которые несут разный набор аллелей генов в анафазе I мейоза, приводит к образованию гамет, отличающихся по аллельному составу отдельных групп сцепления (рис. 3.74).

Рис. 3.74. Расхождение гомологичных хромосом в анафазе I мейоза

как источник генетического разнообразия гамет:

1 -метафаза I мейоза (расположение бивалента в плоскости экватора веретена деления); 2 - анафаза I мейоза (расхождение гомологов, несущих разные аллели гена А к разным полюсам); 3 - второе мейотическое деление (образование двух типов гамет, различающихся по аллелям гена А)

Рис. 3.75. Случайный характер расположения бивалентов в метафазе (1 )

и независимое расхождение их в анафазе (2 ) первого мейотического деления

В связи с тем что ориентация бивалентов по отношению к полюсам веретена в метафазе I оказывается случайной, в анафазе I мейоза в каждом отдельном случае к разным полюсам направляется гаплоидный набор хромосом, содержащий оригинальную комбинацию родительских групп сцепления (рис. 3.75). Разнообразие гамет, обусловленное независимым поведением бивалентов, тем больше, чем больше групп сцепления в геноме данного вида. Оно может быть выражено формулой 2 n , где п - число хромосом в гаплоидном наборе. Так, у дрозофилы п = 4 и количество типов гамет, обеспечиваемое перекомбинацией родительских хромосом в них, равно 2 4 = 16. У человека п = 23, и разнообразие гамет, обусловленное этим механизмом, соответствует 2 23 , или 8388608.

Кроссинговер и процесс расхождения бивалентов в анафазе I мейоза обеспечивают эффективную рекомбинацию аллелей и групп сцепления генов в гаметах, образуемых одним организмом.

Оплодотворение. Случайная встреча разных гамет при оплодотворении приводит к тому, что среди особей вида практически невозможно появление двух генотипически одинаковых организмов. Достигаемое с помощью описанных процессов генотипическое разнообразие особей предполагает наследственные различия между ними на базе общего видового генома.

Таким образом, геном как высший уровень организации наследственного материала благодаря мейозу и оплодотворению сохраняет свои видовые характеристики. Но одновременно эти же процессы обеспечивают индивидуальные наследственные различия особей, в основе которых лежит рекомбинация генов и хромосом, т.е. комбинативную изменчивость. Комбинативная изменчивость, проявляющаяся в генотипическом разнообразии особей, повышает выживаемость вида в изменяющихся условиях его существования.

Кроссинговер – это обмен участками гомологичных хромосом в профазе мейоза I, в пахитене. Является важнейшим механизмом, обеспечивающим комбинативную изменчивость в популяциях и тем самым дающий материал для естественного отбора. Протекает в мейотически, реже - в митотически делящихся клетках. Частота кроссинговера между генами отра­жает расстояние между ними в хромосоме. Иными слова­ми, в паре гомологичных хромосом между несестринскими хроматидами происходит обмен гомологичными участка­ми. Поскольку в паре хромосом одна хромосома происхо­дит от матери, а другая - от отца, процесс кроссинговера ведет к внутрихромосомным рекомбинациям наследствен­ности.

Обнаружены гены, выполняющие функции запирателей кроссинговера, но есть также гены, повышающие его частоту. Они иногда могут индуцировать заметное число кроссоверов у самцов дрозофилы. В качестве запирателей кроссинговера могут выступать также хромосомные перестройки, в частности инверсии. Они нарушают нор­мальную конъюгацию хромосом в зиготене.

На частоту кроссинговера оказывают влияние такие факторы, как генотип (созданы специальные мутанты, которые несут гены, контролирующие строго определенный этап кроссинговера или мейоза), пол и возраст особи, наличие дополнительных хромосом, мутации хромосом, условия среды, в которых развивается организм (высокие температуры увеличивают частоту кроссинговера у дрозофилы; еще влияют пищевой и водный режимы) и др.

Величина перекреста, линейное расположение генов в хромосоме. Генетические карты хромосом у высших организмов. Примеры.

Величина кроссинговера измеряется отношением числа кроссоверных особей к общему числу особей в потомстве анализируемого скрещивания и выражается в процентах.

Величина перекреста хромосом отражает силу сцепления генов в хромосоме: чем больше величина перекреста, тем меньше сила сцепления . Т. Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга в хромосоме, чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу. Когда мы указываем, что рекомбинация генов черного цвета тела и коротких крыльев у дрозофилы происходит с частотой 17%, то эта величина определенным образом характеризует расстояние между данными генами в хромосоме.

На основе многочисленных генетических исследований Морган выдвинул гипотезу линейного расположения генов в хромосоме. Только при этом допущении процент рекомбинантов может отражать относительное расстояние между генами в хромосоме. Одним из классических генетических опытов Моргана, доказывающих линейное расположение генов, был следующий опыт с дрозофилой. Самки, гетерозиготные по трем сцепленным рецессивным генам, определяющим желтый цвет тела у (yellow), белый цвет глаз w (white) и вильчатые крылья bi (bifid), были скрещены с самцами, гомозиготными по этим трем генам. В потомстве было получено 1160 мух некроссоверных (нормальных и одновременно несущих все три рецессивных признака), 15 мух кроссоверных, возникающих от перекреста между генами у и w, и 43 особи от кроссинговера между генами w и bi. Из этих данных с очевидностью вытекает, что процент перекреста является функцией расстояния между генами и их последовательного, т. е. линейного, расположения в хромосоме. Расстояние между генами у и bi равно сумме двух одинарных перекрестов между у и w, w и bi. Воспроизводимость этих результатов в повторных опытах указывает на то, что местоположение генов вдоль по длине хромосомы строго фиксировано, т. е. каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус.

Генетическая карта – это схематическое изображение относительного расположения генов одной группы сцепления. Принципы построения ген карт:

1. Число групп сцепления должно соответствовать гаплоидному числу хромосом;

2. Гены должны располагаться по хромосоме упорядоченно в линейном порядке, что не должно противоречить хромосомной теории наследования.

Локализация генов на карте осуществляется последовательным учетом частот кроссинговера между близко расположенными генами. Это дает возможность определить последовательность расположения генов. Цифры (сМ) на карте выражают расстояние каждого из них от гена, являющегося первым в линейном ряду. Их вычисляют простым суммированием промежуточных расстояний.

РЕКОМБИНАЦИЯ (лат. re- приставка, означающая повторение, возобновление, + позднелат. combinatio соединение) - процесс перегруппировки генетического материала, результатом к-рого является появление новых сочетаний генетических структур (генов, хромосом, участков хромосом и т. д.) и контролируемых ими признаков у дочерних особей или клеток. Тот или иной вид генетической Р. существует у всех живых организмов и составляет материальную основу наследственной изменчивости (см.). Р. у эукариотов осуществляется в митозе (см.) и в мейозе (см.), когда происходит распределение хромосом и кроссинговер.

Примером генетической Р. служит следующее: напр., если один из родителей имеет светлые волосы и карие глаза, а другой - темные волосы и голубые глаза, то их дети могут унаследовать сочетание цвета волос и глаз кого-либо из родителей либо эти признаки проявятся у них в новых, рекомбинантных сочетаниях (светлые волосы и голубые глаза или темные волосы и карие глаза).

Существует несколько видов генетической Р. У эукариотов основными видами Р. являются: Р. несцепленных генов в результате независимого распределения негомологичных пар хромосом (см. Хромосомы) в мейозе и случайной встречи гамет при оплодотворении (см. Менделя законы); Р. сцепленных генов и несущих их гомологичных хромосом в результате кроссинговера. Иногда эти два вида Р. обозначают как Р. хромосом в широком смысле, хотя чаще иод Р. хромосом понимают только процесс кроссинговера и его результат. У прокариотов (бактерий, вирусов) аналогом кроссинговера является рекомбинация ДНК. О спектре изменчивости, обеспечиваемой Р., можно судить по следующему примеру. В нормальном хромосомном наборе человека 23 пары хромосом (см. Хромосомный набор). Если у индивида по каждой паре хромосом имеет место гетерозиготность хотя бы в одном локусе (в действительности степень гетерозиготности у человека гораздо выше), то только за счет независимого распределения негомологичных пар хромосом в мейозе такой индивид даст 2 23 , т. е. ок. 10 млн., генетических вариантов гамет. Наличие кроссинговера по меньшей мере удвоит это число. Поскольку то же самое может иметь место у брачного партнера, да еще и с вовлечением Р. по другим генам, то потенциальное генетическое разнообразие потомков одной человеческой пары будет порядка нескольких миллиардов вариантов. Этот пример показывает также, что спектр ком-бинативной изменчивости особенно широк при половом размножении многохромосомных биол. видов, в т. ч. и человека, что практически обеспечивает генетическую уникальность каждого индивида.

У многоклеточных организмов, помимо мейотической Р., может иметь место и митотическая (соматическая) Р., в результате к-рой у гетерозиготных по каким-либо признакам особей возможно появление участков (пятен) ткани, образованных клонами клеток рекомбинантного генотипа, а сами особи становятся так наз. мозаиками (см. Мозаицизм). Чем раньше в онтогенезе произойдет соматическая Р., тем большая доля клеток тела будет иметь рекомбинантный тип. В первом делении дробления Р. может дать мозаика с равными количествами исходных и рекомбинантных клеток. Если митотическая Р. затрагивает не только соматические клетки, но и инициальные клетки гонад, говорят о гонадно-соматическом мозаицизме. В этом случае часть потомства может унаследовать рекомбинантное сочетание генов. Спонтанный уровень митотической Р. обычно очень низок, но может сильно повышаться под воздействием ионизирующего излучения и других мутагенов (см.).

Рекомбинация хромосом

Р. гомологичных хромосом в мейозе доказана Т. Морганом с сотр. при изучении случаев дефицита рекомбинантов в ди- и тригибридных скрещиваниях по отношению к числу ожидаемых рекомбинантов в соответствии с законом независимого комбинирования. Были установлены следующие количественные закономерности.

1. Частота Р. каждой данной пары сцепленно наследуемых генов постоянна и не зависит от их исходной комбинации. Напр., при генотипе дигибрида АВ/ab частота рекомбинантных гамет АЬ и аВ будет такой же, как частота рекомбинантных гамет АВ и ab.

2. Частота Р. разных пар сцепленно наследуемых генов различна и может составлять от малых долей процента почти до 50% (последнее соответствует ожидаемой частоте рекомбинантов при несцепленном, независимом наследовании).

3. При малой и средней частоте Р. (не более 20%) у тригибридов по сцепленно-наследуе-мым признакам наибольшее значение частоты Р. равно сумме двух других. Напр., у тригибрида АВС/аЬс, если частота Р. между А и В составляет 5%, а между В и С - 10%, частота Р. между А и С окажется равной 15%.

Эти закономерности лучше всего объясняются тем, что сцегшенно-наследуемые признаки определяются генами, расположенными в линейной последовательности в фиксированных локусах одной и той же пары гомологичных хромосом, а их Р. является результатом обмена участками между гомологами (рис. 1), причем, чем дальше друг от друга находятся два гена, тем больше вероятность их Р. Такой обмен участками двух гомологичных хромосом в мейозе получил название кроссинговера или перекреста хромосом, а его продукты - кроссоверных хромосом. Комплексное генетическое (по фенотипическим признакам) и цитологическое (по маркерным хромосомам) изучение Р. позволило доказать реальность существования и всеобщность процесса кроссинговера в мейозе у всех эукариотических организмов. В норме кроссинговер происходит в строго гомологичных точках пары хромосом так, что они обмениваются строго одинаковыми по генным последовательностям сегментами. Тот факт, что при этом не наблюдают потери изучаемых маркеров, позволил сделать вывод, что кроссинговер происходит между генами без нарушения их целостности. Относительное постоянство частоты кроссинговера на каждом данном участке хромосомы послужило основанием для избрания этой частоты в качестве меры расстояния между генами.

За единицу генетической длины хромосомы принимается ее отрезок, на к-ром частота мейотического кроссинговера равна 1%. Эту единицу называют морганидой, кроссоверной единицей или единицей карты. Последнее название связано с тем, что полные данные по Р. сцепленно-наследуемых генов позволяют построить линейные генетические карты хромосом, описывающие последовательность генов и генетические расстояния между ними (см. Хромосомная карта). По мере накопления данных о генетических расстояниях между маркерами всегда оказывалось, что число выявленных групп сцепления имеет своим верхним пределом число хромосом в гаплоидном наборе данного вида. Это является еще одним доводом в пользу того, что сцепленное наследование признаков есть проявление локализации контролирующих их генов на одной паре гомологичных хромосом.

Рис. 2. Схематическое изображение множественного кроссинговера: I - исходные хромосомы, условно обозначенные ABCDEFGH и abcdefgh (пунктиром показаны места будущего перекреста); АВ - ab, CD - cd, EF - ef и GH - gh. - гомологичные участки хромосом; II - перекрест; III - кроссоверные хромосомы: ABcdEFgh и abCDefGH.

Между генами, расположенными далеко друг от друга на одной хромосоме, может произойти несколько перекрестов (рис. 2). Продукты четного числа перекрестов будут неотличимы от исходных сочетаний. Поэтому для построения точных генетических карт прибегают к последовательному объединению относительно коротких участков хромосом, на к-рых множественные перекресты менее вероятны.

На оценку рекомбинационных расстояний между сцепленными генами влияет интерференция крос-синговера - изменение вероятности второго события кроссинговера на участке хромосомы, примыкающем к точке предыдущего перекреста в данном процессе мейоза. Мерой интерференции служит коэффициент коинциденции (совпадения) - отношение частоты реально наблюдаемых двойных перекрестов на участке хромосомы к их частоте, ожидаемой на этом участке в отсутствие интерференции, т. е. к произведению частот одинарных перекрестов. В отсутствие интерференции коэффициент коинциденции равен 1. Если случившийся кроссинговер препятствует осуществлению второго кроссинговера вблизи данного локуса той же пары хромосом в том же мейозе, то интерференцию называют положительной; в этом случае коэффициент коинциденции может иметь значения от нуля (абсолютная интерференция) до величин, близких к единице. Если первый кроссинговер повышает вероятность второго, что случается реже, то говорят об отрицательной интерференции (коэффициент коинциденции больше 1).

Расстояния между генами на генетических картах не строго пропорциональны физическим расстояниям между ними на хромосомах, но последовательность расположения генов в обоих случаях одна и та же. Это обусловлено неодинаковой частотой кроссинговера в разных участках хромосом. Напр., на околоцентро-мерных гетерохроматических участках хромосом кроссинговер обычно (но не у всех объектов) на одну единицу физической длины хромосомы случается реже, чем в эухроматиче-ских участках.

Мейотический кроссинговер, ведущий к формированию рекомбинантных гамет, обусловливает комбинативную генотипическую изменчивость (см.) и обеспечивает все внутривидовое генетическое разнообразие и формирование (но и распад) коадаптированных генных комплексов. Препятствовать рекомбинационному распаду уже возникших генных комплексов могут инверсии хромосом (см. Инверсия), особенно перекрывающиеся, широко распространенные у гетерозигот в природных популяциях нек-рых биологических видов.

Наряду с мейотическим возможен и митотический кроссинговер, происходящий в соматических клетках и ведущий к возникновению клонов рекомбинантных клеток, к-рые могут проявляться мозаицизмом по соответствующим признакам. Мейотический кроссинговер происходит в профазе I мейоза, когда хромосомы представлены четырьмя хроматидами, при этом рекомбинируют только две, как правило, несестринские, хроматиды. Собственно обмену генетического материала предшествует разрыв хроматид, хотя нельзя исключить и механизм обмена путем периодической смены матриц в процессе репликации ДНК хромосом (см.. Репликация).

Необходимой предпосылкой правильного (строго равного) кроссинговера является конъюгация хромосом (см.), при к-рой локусы хромосом точно «опознают» друг друга так, что в контакт вступают только строго гомологичные участки хромосом. На молекулярном уровне специфичность конъюгации хромосом в мейозе обеспечивается, по-видимохму, наличием в составе ДНК хромосом большого числа коротких (примерно по 100 нуклеотидов каждая) последовательностей так наз. зиготенной ДНК (зДНК), довольно равномерно и часто распределенных по всей длине всех хромосом. К стадии лепто-тены вся ДНК хромосом, кроме зДНК, удваивается и образует супер-спирализованные нити, соединенные с гистонами (см.), а зДНК вступает в контакт по всей длине двух конъюгирующих хромосом. В начале стадии зиготены появляется специфический белок, способный расплетать двойные спирали ДНК, не связанной с гистонами. Т. о., зДНК расплетается и с помощью водородных связей образует с зДНК гомологичной хромосомы гибридные двойные спирали - гетеродуплексы. Их образование происходит строго комплементарно, и они последовательно распространяются по длине конъюгирующих хромосом. Параллельно идет образование так наз. синапто-немного комплекса, к-рый состоит из двух продольных белковых тяжей и тонких поперечных белковых волокон. Этот комплекс обеспечивает фиксацию хромосом в положении гомологичной конъюгации и в то же время препятствует их необратимому слипанию. В зиготене гетеродуплексы зДНК распадаются, а сама зДНК реплицируется.

Инверсии хромосом, особенно множественные перекрывающиеся инверсии, препятствуют Р. хромосом, т. к. множественные различия в последовательностях генов обычной хромосомы и ее инвертированного гомолога не дают возможности инвертированным хромосомам специфически конъюгировать по всей длине. Хромосомы со множественными инверсиями получили название запирателей перекреста. Они широко используются в генетическом анализе, для предупреждения перестройки тестируемых хромосом.

Основными аномалиями Р. хромосом являются неравный кроссинговер и конверсия генов. Неравный кроссинговер возникает довольно редко и обычно приурочен к определенному локусу хромосому, где конъюгация, происходит не строго гомологично, а с нек-рым смещением. Причина такого смещения пока не ясна. В результате неравного кроссинговера одна кроссоверная хромосома несет удвоение (дупликацию) участка между точками разрыва гомологов, а в другой кроссоверной хромосоме происходит делеция этого участка. Хотя такие нарушения не всегда можно подтвердить цитологически, функционально они близки к микроскопически обнаружимым случаям дупликаций (см.) и делеций (см.), известны в мед. генетике как частичные трисомии и моносомии. В ряде случаев Такие аномалии хромосом могут быть причиной хромосомных болезней (см.). Существует также представление о том, что дупликация генов и участков хромосом с последующим независимым мутированиехм каждого из дубликатов служит важным механизмом эволюционного усложнения генетических систем. В процессе гаметогенеза у гетерозигот типа Аа хМожет происходить образование продуктов мейоза не в обычном соотношении 2А:2а, а в соотношении ЗА: 1а, хотя по соседним тесно сцепленным локусам соотношение 2:2 сохраняется. Такой феномен называют конверсией генов. Экспериментально конверсию генов удается наблюдать только у грибов. Существование и значение конверсии генов у других организмов почти не изучено.

Кроме обмена несестринскими хроматидами, характерного для мейотической и митотической Р., как в мейозе, так и в митозе могут происходить сестринские хроматидные обмены, обнаруживаемые только при дифференциальной идентификации (окраска, изотопная метка) сестринских хроматид.

Рекомбинация у бактерий

Процесс Р. у бактерий имеет нек-рые особенности, связанные со специфичностью их генетической организации, форм генетического обмена и функционирования систем генетической регуляции (см. Бактерии, генетика бактерий). Генетический материал бактериальной клетки представлен кольцевой молекулой ДНК, имеющей длину ок. 1000 мкм и конфигурацию суперспирали. Такая молекула способна к самокопированию - репликации (см.), функционируя при этом как самостоятельная единица (репликон) под контролем генетической системы регуляции. Кроме того, в клетках многих бактерий присутствуют дополнительные небольшие по размерам кольцевые молекулы ДНК - плазмиды (см.), эписомы (см.), способные к Р. При генетическом обмене между различными бактериями в реци-пиентную клетку обычно попадает лишь фрагмент хромосомы клетки-донора, что приводит к образованию частично диплоидных (меродиплоидных) зигот, тогда как плазмидные репликоны передаются полностью. После завершения переноса генетического материала в сформировавшихся меродиплоидных реципиентных клетках (зиготах) начинается процесс рекомбинации, к-рый по своему механизму напоминает кроссинговер хроматид конъюгирующих гомологичных хромосом эукариотов. Однако при Р. у бактерий в этом процессе участвует, с одной стороны, кольцевая молекула ДНК бактерии-реципиента (эндогенный генетический материал) и, с другой стороны, переданный в эту бактерию экзогенный фрагмент молекулы ДНК донора. Процесс начинается с синапса, т. е. с формирования соединения между экзогенным фрагментом ДНК и определенным участком эндогенной кольцевой молекулы ДНК, с к-рым этот фрагмент имеет гомологичные участки. Предполагают, что именно в этих местах возникают перекресты двух взаимодействующих структур, вслед за к-рыми в местах перекрестов с определенной частотой происходит разрыв молекул и последующее «ошибочное» воссоединение их разорванных концов. Результатом этого является включение того или иного фрагмента (либо нескольких различных фрагментов) экзогенного генетического материала в структуру эндогенного кольцевого репликона реципиент-ной бактериальной клетки, что обеспечивает возможность дальнейшего копирования включенного фрагмента (фрагментов). Противоположный (реципрокный) эндогенный фрагмент ДНК клетки-реципиента при кроссинговере превращается в экзогенную внехромосомную структуру» теряет способность копироваться и поэтому утрачивается бактериальной клеткой при последующих ее делениях. В результате Р. такого типа, получившей название классической или общей рекомбинации, из меродиплоидной зиготы возникают дочерние гаплоидные клетки (рекомбинанты) с теми или иными сочетаниями аллельных генов родительских генетических структур.

Классическая Р. у бактерий возможна не только между каким-либо репликоном и егонереплицирующейся частью (фрагментом этого репликона), но и между двумя различными полноценными репликонами (хромосомой и плазмидой, хромосомой и бактериофагом, двумя плазмидами и т. д.), если в структуре их ДНК имеются гомологичные участки. В результате такой Р. может происходить обмен генетическим материалом между реагирующими репликонами или же объединение (коинтеграция) двух взаимодействующих репликонов путем разрывов и воссоединений молекул ДНК в местах взаимной гомологии с образованием одной более крупной двурепликонной системы, а плазмида, обладающая свойствами эписомы, может с определенной частотой включаться в состав хромосомного репликона в процессе Р. в гомологичных участках этих структур и длительное время реплицироваться как часть единого (двойного) репликона под контролем хромосомной репликативной системы. Однако у небольшой части бактериальных клеток популяции, содержащих двойной репликон, возникают повторные Р., приводящие к возвращению интегрированной плазмиды в автономное состояние. Если в повторную Р. вовлекается участок гомологии, к-рый при первичной Р. служил местом взаимодействия двух структур, то происходит относительно правильное «вырезание» плазмидного репликона из состава двойного репликона. В случаях, когда повторная Р. происходит в иных участках гомологии, возможно включение нек-рых из прилежащих хромосомных генов в состав плазмидного репликона, т. е. происходит формирование «замещенной» плазмиды (рис. 3). Тот же механизм, приводящий к коинтегра-ции двух репликонов и к обмену участками генетического материала при их последующей диссоциации, имеет место, вероятно, и в случае Р. двух различных плазмид, обладающих гомологичными участками ДНК (рис. 4), а также плазмид и нек-рых бактериофагов или бактериофагов и хромосом. Все этапы классической Р. у бактерий обеспечиваются соответствующими ферментами (так наз. Иес-ферментами), а этот тип Р. обозначают также как Кес-зависимая Р.

Наряду с классической, или общей Р. широкое распространение у бактерий имеет «незаконная» рекомбинация, для осуществления к-рой не требуется значительной гомологии ДНК взаимодействующих структур. В такой Р. участвуют небольшие фрагменты ДНК, получившие название транслоцирующихся элементов, к-рые способны с определенной частотой перемещаться из одного репликона в другой, мигрируя среди бактериальных хромосом, плазмид, бактериофагов и др. (см. Транслокация). Известны два типа таких элементов - IS-элементы (англ. insertion sequences вставочные последовательности) и транспозоны. IS-элементы представляют собой специфические фрагменты ДНК, содержащие, вероятно, лишь те гены, к-рые необходимы для Р. с негомологичными участками различных репликонов. Эта Р. приводит к интеграции таких генов в структуры этих репликонов или к «вырезанию» соответствующих участков из таких структур. Однако конкретные механизмы такой Р. остаются неясными. При интеграции IS-элементов и их «вырезании» могут возникать мутации различных генов, связанные с перестройками (делециями, инверсиями, дупликациями и др.) соответствующих участков молекулы ДНК. Транспозоны представляют более сложные структуры, содержащие обычно в своем составе IS-элементы, к-рые и обеспечивают их «незаконную» Р., и дополнительные гены, не связанные с функциями интеграции (гены лекарственной устойчивости бактерий и др.).

Классическая и «незаконная» Р. бактерий обеспечивают широкие возможности генетического обмена между различными репликонами и их частями, что определяет высокие темпы изменчивости и эволюции этих структур и бактериальных популяций в целом в условиях интенсивного применения различных антибактериальных веществ и воздействий (антибиотиков, солей тяжелых металлов, ультрафиолетового и ионизирующего излучений и т. д.). В случае классической Р., требующей значительной гомологии взаимодействующих структур, эти процессы наиболее эффективны при внутривидовом генетическом обмене, тогда как «незаконная» Р. играет важную роль в перераспределении генов не только в пределах отдельных видов, но и между бактериями различных видов и родов. Предполагают также, что в результате включения идентичных IS-элементов и транспозонов в негомологичные участки репликонов бактерий различных видов возникают так наз. горячие точки Р., т. е. районы взаимной гомологии этих репликонов, обеспечивающие последующую классическую Р. между ними в условиях как внутривидового, так и межвидового обмена генетическим материалом. В микробиологии процессы Р. используются для получения гибридных форм бактерий с измененными вирулентными, антигенными и другими свойствами. Разработаны также методы создания искусственных рекомбинантов молекул ДНК из фрагментов, полученных с помощью рестриктаз, составляющие основу современной генной инженерии. Т. о., могут быть сконструированы новые рекомбинантные репликоны (плазмиды, бактериофаги), в структуре к-рых содержатся гены, в т. ч. полученные от многоклеточных организмов, представляющие практический интерес (напр., гены, контролирующие синтез определенных гормонов, витаминов, аминокислот, антибиотиков и др.). После введения таких репликонов в подходящие бактериальные клетки эти клетки могут быть использованы в мед. промышленности и других областях микробиол. производства для получения соответствующих биологически активных веществ. В результате спонтанной Р. возникают также различные атипичные формы патогенных и условно-патогенных бактерий.

Частота Р. может значительно колебаться в зависимости от ряда факторов. При классической Р. процесс способен существенно нарушаться из-за низкой гомологии взаимодействующих молекул, а также при мутациях генов, контролирующих Р. Низкая степень гомологии ДНК хромосом у бактерий различных видов и родов служит основной причиной низкой частоты Р. этих структур при межвидовых и межродовых скрещиваниях. Однако повторное использование полученных рекомбинантов в скрещиваниях может повышать частоту Р. за счет возрастания такой гомологии. Мутации, вызывающие потерю функциональной активности генов, контролирующих Р., приводят бактериальную клетку к полной или частичной потере способности осуществлять классическую Р., а также снижают ее способность к репарации генетических повреждений (см.).На процессы Р. у бактерий существенно влияют и факторы окружающей среды (состав питательной среды, температура, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, различные хим. вещества и др.).

Для изучения Р. у бактерий пользуются радиобиологическими, электронно-микроскопическими и другими физ.-хим. методами исследования, а также методами генетического анализа (см.) бактерий. Различные методы определения частоты Р. сцепленных генов лежат в основе генетического картирования бактерий.

Библиография: Бреелер С. Е. Молекулярная биология, с. 305, JI., 1973, библиогр.; Гершензон С. М. Основы современной генетики, с. 93, Киев, 1979; Кушев В. В. Механизмы генетической рекомбинации, Л., 1971, библиогр.; Ме fi-не л л Г. Бактериальные плазмиды, пер. с англ., с. 33 и др., М., 1976, библиогр.; Рекомбинантные молекулы, под ред. Р. Бирса и Э. Бэсита, пер. с англ., М., 1980, библиогр.; Физиологическая генетика, под ред. М. Е. Лобашева и С. Г. Инге-Вечтомова, с. 129 и др., Л.„ 1976, библиогр.; Хэйс У. Генетика бактерий и бактериофагов, пер. с англ., с. 257, 476 и др., М., 1965; Цитология и генетика мейоза, под ред. В. В. Хвостовой и Ю. Ф. Богданова, М., 1975.

В. И. Иванов; В. П. Щипков (бакт.).