Рис.7. Гены Х-хромосомы наследуются сцеплено с полом. Красная или белая окраска глаз у самца зависит только от Х-хромосомы, полученной им от матери. Фенотип самки зависит от того, получит ли она доминантный аллель от одного из родителей. При этом наблюдается характерный тип перекрестного наследования, сцепленного с полом, - от отца к дочерям, от матери к сыновьям (крисс-кросс).

Из законов Менделя следует, что результаты генетического скрещивания должны быть одинаковы независимо от того, кому из родителей принадлежит данный аллель. Но реципрокные скрещивания с признаком "белые глаза" у Drosophila дают различные результаты (рис.7).

Скрещивание белоглазый самец ч красноглазая самка дает лишь красноглазое потомство F1, что и можно было предсказать, если красный цвет доминантен, а белый рецессивен. Но в потомстве F2 все появившиеся белоглазые мухи оказались самцами. В реципрокном скрещивании красноглазые самцы ч белоглазые самки все самцы F1 были с белыми глазами, а все самки-с красными. При их скрещивании в потомстве F2 в равном соотношении появились белые и красные глаза у обоих полов.

Этот пример наследования строго обусловлен половыми хромосомами. Если аллели красных и белых глаз находятся в Х-хромосоме, и при этом Х-хромосома вообще не содержит локуса для окраски глаз, фенотип самца будет определяться единственным аллелем, находящимся в Х-хромосоме. Этот аллель перейдет ко всем дочерям, но ни один из сыновей его не получит. Данный случай является типичным примером наследования, сцепленного с полом.

Гены линейно выстроены вдоль хромосом

Независимая сегрегация хромосом, происходящая в мейозе, объясняет независимую комбинацию генов, расположенных в разных хромосомах. Но, как известно, общее число генетических факторов значительно больше, чем число хромосом. Следовательно, если все гены расположены в хромосомах, то каждая хромосома должна содержать много генов. Каковы же взаимоотношения между этими генами?

О стремительном темпе развития генетики в начале века свидетельствует тот факт, что в 1913 г., всего лишь через три года после сообщения о первом белоглазом мутанте, Стертевант (Sturtevant) сообщил об изучении наследования шести сцепленных с полом мутаций. В 1911 г. Морган (Morgan) показал, что каждый из этих факторов ведет себя в скрещиваниях так же, как красная и белая окраска глаз. Следовательно, каждый фактор должен располагаться в Х-хромосоме.

Некоторые из факторов оказались связанными между собой. Вопреки второму закону Менделя, доля родительских генотипов в F2 оказалась выше предполагаемой, что объяснялось пониженным образованием рекомбинантных типов в этом поколении. Тенденция некоторых признаков оставаться связанными, вместо того чтобы комбинироваться независимо, была названа сцеплением. На рис.8 показано, как измеряют сцепление.

Морган предположил, что причина генетического сцепления факторов - это "просто механический результат их локализации в одной хромосоме". Он предположил также, что образование генетических рекомбинантов можно отождествить с процессом кроссинговера, наблюдаемого в мейозе. В раннем мейозе, на стадии, когда четыре копии каждой хромосомы представлены в виде бивалента, между близко расположенными (конъюгировавшими) гомологичными парами происходит попарный перекрест генетического материала, названный хиазмой. Этот процесс схематически изображен на рис.9.

Забежим на несколько лет вперед. Только в 1931 г. было формально доказано, что рекомбинация обусловлена кроссинговером. У кукурузы и у дрозофилы были получены подходящие транслокации, при которых оторванная часть одной хромосомы прикрепилась к другой. Это позволяет отличить по внешнему виду хромосому с транслокацией от нормальной хромосомы. Как изображено на рис.10, в подобных скрещиваниях можно показать, что образование генетических рекомбинантов происходит только при физическом обмене между соответствующими областями хромосом.

Хромосомы изображены в виде окрашенных полосок. Гены гетерозиготного родителя обозначены черными буквами, гены родителя, рецессивного по двум признакам, цветными буквами. Это скрещивание относится к тому же типу, что и скрещивание, показанное на рис.4. В скрещивании, изображенном сверху, одна хромосома несет оба доминантных аллеля, другая - оба рецессивных (скрещивание с аллелями "в фазе притяжения"). Таким образом, родительские типы представляют собой АВ и ab, рекомбинантные типы-zli и аВ.

В скрещивании, изображенном снизу, одна хромосома гетерозиготы несет один доминантный и один рецессивный аллель, а другая хромосома несет противоположную комбинацию (скрещивание с аллелями "в фазе отталкивания"). Следовательно, родительские типы - это АЬ и аВ, рекомбинантные - АВ и аЪ. В каждом случае в потомстве наблюдается увеличение доли родительских типов (70%) и уменьшение доли рекомбинантных типов (30%) по сравнению с 50% для каждого типа, что ожидалось бы при независимой комбинации генов. Заметим, что в потомстве, полученном от этих скрещиваний, два родительских типа присутствуют в одинаковом количестве; одинаково и количество двух рекомбинантных типов. Сцепление в данном случае между А и В равно 30%, или 30 условным единицам карты.

Если вероятность образования хиазмы между двумя точками в хромосоме зависит от расстояния между ними, гены, расположенные ближе друг к другу, будут наследоваться вместе. По мере увеличения расстояния между двумя генами возрастает и вероятность кроссинговера между ними. Таким образом, если рекомбинация обусловлена кроссинговером, гены, находящиеся близко друг к другу, должны быть тесно сцеплены, причем генетическое сцепление будет уменьшаться по мере физического удаления. И наоборот, генетическое сцепление можно использовать как меру физического расстояния.

Исходя из представления о том, что гены одной хромосомы сцеплены между собой, Стертевант (Sturtevant) предложил использовать частоту рекомбинации в качестве единицы расстояния на карте для измерения относительной локализации генов. Эта единица расстояния выражается как процент рекомбинации:

Расстояние измеряется в условных единицах карты;одна единица карты (сантиморганида) соответствует 1% рекомбинантных потомков. Основные закономерности рекомбинации были установлены при изучении всех шести сцепленных с полом признаков вместе. Индивидуальные расстояния на карте аддитивны. Иными словами, если два гена А и В находятся на расстоянии 10 ед. друг от друга, а расстояние от в до С равно 5 ед., то расстояние между А и С, полученное при прямом измерении, будет близко к 15. Поэтому гены можно расположить в линейном порядке.

Критическое значение для построения генных карт имеет тот факт, что расстояние между генами не зависит от использованных аллелей, а зависит только от положения генных локусов. Локус-это место в хромосоме, в котором находится ген данного признака. Все различные альтернативные формы гена, т.е. аллели, используемые при картировании, находятся в одном и том же локусе. Таким образом, генетическое картирование позволяет установить взаимную локализацию генных локусов, расположенных в хромосоме в определенном месте и в линейном порядке. В экспериментах по картированию один и тот же результат получается независимо от конкретной комбинации аллелей (рис.8). Стертевант заключил, что его результаты "служат новым доводом в пользу хромосомной теории наследственности, поскольку они убедительно показывают, по крайней мере математически, что исследуемые факторы расположены в виде линейных рядов".