На рисунке показано, как выглядят хиазмы – крестообразные структуры, образуемые гомологичными хромосомами в мейозе и различимые под микроскопом.
Хромосомы состоят из двух параллельных «линеечек», которые называются хроматидами, каждой из которых соответствует одна молекула ДНК. Под микроскопом было видно, что одна из пар хроматид пересекается, то есть между хромосомами происходит перекрест.
Был проведен следующий эксперимент. Х-хромосома дрозофилы была промаркирована дополнительным кусочком хромосомы, и было подтверждено соответствие генетических и цитологических данных, описывающих рекомбинацию.
Частота видимых под микроскопом перекрестов в данной хромосоме в расчете на 1 клетку в фазе мейоза, где перекрест можно наблюдать, стремится к двукратной частоте генетической рекомбинации между всеми маркерами этой хромосомы, по мере роста числа маркеров. Причина этого ограничения заключается в том, что в перекресте участвует, как правило, лишь одна из двух пар хроматид. Стало понятно, что можно связать количество перекрестов наблюдаемых цитологически (хиазмы) с частотой генетической рекомбинации, что особенно четко было показано на кукурузе в 50-х годах.
Длина генетической карты, выявляемая по анализу результатов генетической рекомбинации, вычисляется как сумма расстояний между наиболее близкими маркерами, Единицей генетической карты является 1% рекомбинации и эта величина была названа в честь Моргана 1 сантиМорган (1 сМ).
Данные о связи цитологии с генетикой оказались очень важными в последующих генетических исследований, в частности на человеке. Они позволяют вычислить длину генетической карты по цитологическим данным, не прибегая к получению мутантов, чистых генетических линий и даже вообще без направленных скрещиваний – все это невозможно на человеке. У человека расчетная длина генетической карты по цитологическим данным составляет около 3000 сМ. или 3000% (три тысячи процентов рекомбинации).
Почему длина генетической карты человека равна 3000% (и почему нет ничего страшного в том, что эта величина превышает 100%).
Генетическая карта – это последовательность маркеров в хромосоме и расстояния между ними, следующие из частот генетических рекомбинаций. Одна единица карты соответствует 1% рекомбинации или одному сантиморгану (1 сМ).
Проведем следующую аналогию, чтобы было легче понять, почему длина карты человека равна больше, чем 100%. Один и тот же термин иногда используется в разных смыслах:100 градусов – температура кипения воды. 90 градусов – прямой угол. 40 градусов – крепость водки. И обычно эти смыслы никто не путает
То же и с термином процент (pro cent = на сто) который используется в разных смыслах при описании рекомбинации.
1) Генетическое расстояние между двумя маркерами (1сантиморган, сМ=1% рекомбинации). Например, наблюдаемый процент рекомбинации в потомстве (12% рекомбинантов, как описывалось выше), где общее число потомков равно 100%. Доля рекомбинантов по одной паре маркеров не может превышать 50% от общего числа потомков (несцепленное наследование);
2) Общая длина генетической карты организма (N cантиморган = N %) Рассчитывается как сумма минимальных экспериментально определенных генетических расстояний между парами маркеров, и для каждого вида своя.
Количество последовательно расположенных пар маркеров, каждый из которых равен, например, 12%, может быть и не ограниченным. Восемь таких отрезков составят в сумме 96%, а восемьдесят отрезков – 960%. Хотя доля рекомбинантов между любыми двумя из этих 81 маркеров, конечно, не может превышать 50% от общего числа потомков.
Отметим, в заключение, что длина генетической карты человека определялась по цитологическим данным, которые были доступны уже достаточно давно. В отличие от мухи, установить длину генетической карты человека на основе экспериментов по скрещиванию невозможно.
Поиск или диагностика мутации, вызывающей заболевание, наследуемое по Менделю, часто проводится по сонаследованию признака «болезнь» и маркера-свидетеля, расположенного рядом с мутантным геном. Маркер-свидетель – это такой маркер, который легко обнаружить при анализе. Источник ошибки диагностики - утрата связи при рекомбинации между мутацией, вызывающей заболевание и маркером-свидетелем. Точность диагностики тем выше, чем меньше это расстояние.
Вопрос. Сколько генетических маркеров нужно иметь в геноме человека, чтобы обеспечить >95% точность диагностики для любого гена, если длина генома человека – 3000%.
Точность не менее 95% означает, что не более генетическое расстояние между мутацией вызывающей заболевание и маркером составляет не более 5% рекомбинации. Следовательно до ближнего к маркеру левого и до ближнего правого маркера должно быть не более 5%, то есть расстояние между маркерами не более 5%х2=10% рекомбинации. В 10%-х интервалов в карте длиной 3000% будет 3000/10=300. То есть 300 равноудаленных маркеров будет достаточно, чтобы картировать или выявить мутацию с точностью >95%, даже ничего не зная о том, где находится исследуемый ген. Ясно, что когда это только начали делать, примерно 10 лет назад, маркеры ложились случайно, поэтому генетическую карту пришлось составить из нескольких тысяч маркеров, чтобы большинство интервалов между маркерами не превышало 10%. Сегодня в практической работе по общегеномному скринингу у человека используют панель из 384 равноудаленных маркеров.
Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации, предложен Холидеем.
Рассмотрим две гомологичные хромосомы: папину и мамину. В них, как предполагается, происходит однонитевой идентичный в обеих хромосомах разрыв, после которого эти части, перекрещиваясь, образуют так называемую структуру Холидея (который данную схему рекомбинации первым предложил). Далее происходит перенос точки надреза вдоль хромосомы, в результате чего части гомологичных хромосом меняются местами. В результате получаются хромосомы, составленные из кусков папиных и маминых хромосом. Механизм гомологичной рекомбинации - однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея.
Геномные, хромосомные и генные мутации
Теперь поговорим о мутациях: геномных, хромосомных и генных.
Пример геномной мутации – удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия), она может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.
Какое это имеет отношение к нам? У прямых предков человека как вида полиплоидия (чаще всего удвоение) случалась неоднократно, но последний раз – более 100 миллионов лет назад. У животных и растений она встречается часто, особенно у культурных растений. При отборе человек просто не замечал, что отбирал полиплоиды. Например, культурный картофель – тетраплоид, банан – триплоид, он пригоден к употреблению, так как не образует семян, в отличие от диплоида, который состоит из жестких семян и почти не имеет мякоти.
При скрещивании дикорастущих видов было ресинтезировано несколько видов культурных растений, например, слива (Prunus domestica). Константная и гибридная форма, полностью сходная с домашней сливой получена при скрещивании терна P.spinosa (2n=32) с алычой P.divaricata (2n=16). Это растение имело, как и P.domestica, 2n=48 хромосом. Вероятно, дикая слива в ходе эволюции получилась именно таким путем.
А триплоиды просто так не получишь, у них даже семян не образуется, но они удобны в практических целях человека, например для получения большей урожайности и плодов без семян (у арбузов, бананов и т.д.) У арбуза гаплоидный набор n = 11 хромосом. Скрещивание тетраплоидного (4n = 44) и диплоидного (2n = 22) арбуза дало триплоид (3n = 33) – бессемянный, крупноплодный, устойчивый к заболеваниям, в отличие от родительских форм.
Межвидовое скрещивание можно наблюдать у близкородственных животных: осла с лошадью – мул, или у коня с ослицей – лошак, они более выносливы, хоть и бесплодны. Вероятность появления потомства у мулов и лошаков (а это зависит от того, отойдут ли при делении все хромосомы правильно к одному полюсу) равна одной второй в степени n, где n – гаплоидное число хромосом. С такой частотой будут образовываться яйцеклетки и сперматозоиды, соответствующие по хромосомному составу родителям – ослу или лошади. Видно, что вероятность эта очень мала.
Теперь поговорим о хромосомных мутациях. Хромосомные мутации - изменение числа отдельных хромосом в геноме (анеуплоидия) или целостности хромосом (перестройки). Это одна из причин болезней человека. Моносомия (1n) или трисомия (3n) хромосомы в оплодотворенной яйцеклетке будут смертельны для плода (кроме половых и мелких хромосом), а в соматических клетках часто приводит к раку.
Каждая из 23 хромосом может быть покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа). Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (G-окрашивание, слева, полоса до 0,1% от длины генома). Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при опухолевых заболеваниях. Опухолевые заболевания почти всегда связаны с перестройками генома. Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22.
Изменение числа хромосом, как и всякая мутация, связано с физиологическим состоянием организма. С возрастом организм начинает функционировать хуже, это приводит, в частности, к повышению частоты рождения детей с синдромом Дауна. Подавляющая часть случаев синдрома Дауна вызвана нерасхождением пары хромосом 21 в мейозе у матери. Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но есть и семейные случаи – транслокация гена из хр21 на другую хромосому.