Шрифт:
Закладка:
Несложно заметить, что 3,5 %+1,2 %=4,7 %. Если считать, что процент рекомбинации отражает расстояние между генами, то это означает, что гены могут быть расположены только линейно и никак иначе.
На тот момент еще не было ничего известно ни про ДНК, ни про химию наследственности — были просто формальные генетические признаки. Но Морган и без этого смог показать, что гены расположены линейно относительно друг друга, что бы ни было носителем генов. Вывод о том, что частота кроссинговера является функцией расстояния между генами и их линейного расположения в хромосомах и принес Моргану Нобелевскую премию.
Параллельно с генетическими исследованиями Моргана шли цитологические исследования. Исследовался митоз, мейоз, и было известно, что в мейозе (профаза
I) пары одинаковых (гомологичных) хромосом объединяются, а затем образуют крестообразные фигуры (хиазмы). Предположили, из чисто цитологических данных, что наблюдаемый под микроскопом перекрест хромосом связан с обменом сегментами между ними. Впоследствии это было подтверждено. Хромосомы маркировали — нашли мух у которых на хромосоме были дополнительные фрагменты (транслокация), видимые под микроскопом. Было видно, что в результате перекреста измененные морфологически хромосомы родителей оказываются у потомства в новых комбинациях.
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 (1 сантиморган, 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 сантиморган = 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 % х 2 = 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
