§ 17. Определение расстояния между генами в хромосоме по результатам анализирующего скрещивания. Составление генетических карт хромосом
При решении задач предыдущего параграфа мы исходили из того, что генетические карты хромосом уже имеются. Это позволяло нам, путем вычисления, установить проценты кроссоверных и некроссоверных гамет. Однако у многих объектов гены не картированы. В генетике человека составление генетических карт только начинается. Поэтому важно ознакомиться и с задачами по определению расстояния между генами и составлению генетических карт хромосом.
Для решения вопроса, относятся ли два гена к одной или разным группам сцепления и для определения расстояния между двумя генами одной и той же группы сцепления, ставится опыт дигибридного анализирующего скрещивания. Подсчет фенотипов потомства с последующими простыми вычислениями позволяет ответить на оба поставленных вопроса. У человека дело обстоит сложнее. Нужно выбирать такие родословные, в которых есть браки, соответствующие требованиям дигибридного анализирующего скрещивания. Относительная редкость браков такого рода затрудняет определение групп сцепления и расстояний между генами.
У дрозофилы для анализирующего скрещивания берут дигибридную по исследуемым генам самку и скрещивают ее с рецессивным самцом. Чтобы показать, какие при этом могут быть получены результаты, разберем задачи 95 и 96.
По условиям задачи 95 дигетерозиготная по генам А и В самка (генотип АаВb) скрещена с рецессивным по обоим генам самцом (aabb). Если гены находятся в разных хромосомах, то при образовании самкой гамет гены будут свободно комбинироваться и мы получим четыре типа гамет (АВ, Аb, аВ, аb) в равных количествах (по 25% каждого типа). Самец образует один тип гамет — ab, который не будет влиять на фенотип потомства, так как оба гена в сперматозоидах рецессивны. Вследствие этого фенотип потомства будет целиком определяться генами, находящимися в гаметах самки. Результаты скрещивания можно представить в виде схемы (см. схему 40).
Схема 40. Анализирующее дигибридное скрещивание при свободном комбинировании.
Рассматривая схему 40, нужно обратить внимание на следующие два итога. Во-первых, формула фенотипов первого поколения при анализирующем скрещивании (АВ, Ab, аВ, ab) полностью совпадает с формулами гамет самки. Из этого видно, что анализирующее скрещивание дает возможность установить по фенотипу потомства формулы гамет самок. Во-вторых, при анализирующем скрещивании все четыре фенотипа потомков появляются в равных количествах (по 25%). Это характерно для свободного комбинирования генов, и доказывает, что гены А и В локализованы в разных хромосомах (если гены А и В находятся в одной хромосоме на большом расстоянии друг от друга, расщепление в первом поколении получается близким к расщеплению при свободном комбинировании генов).
Разберем задачу 96. Дигетерозиготная по генам М и N самка дрозофилы скрещена с рецессивным самцом. При этом получено следующее расщепление по фенотипу: MN — 47%; Mn — 3%; mN — 3%; mn — 47%. Представим данные опыта в виде генетической схемы (см. схему 41).
Схема 41. Анализирующее дигибридное скрещивание при сцеплении генов.
Отметим значительное различие в числе особей разных фенотипов. Отношение фенотипов в F1 составляет в процентах— 47 : 3 : 3 : 47, вместо ожидаемого при свободном комбинировании отношения 25 : 25 : 25 : 25. Это свидетельствует о том, что гены М и N наследуются сцепленно, то есть находятся в одной и той же хромосоме. Данные задачи 96 позволяют ответить еще на два вопроса: 1) как комбинируются доминантные и рецессивные аллели в парных хромосомах; 2) на каком расстоянии они находятся?
В условиях задачи не указано, как расположены гены М, m, N, n в парных хромосомах самки, но по фенотипу потомства видно, что гены М и N, а также m и п обнаруживают высокую степень сцепления 47+47=94%. Следовательно, в парных хромосомах самки ген М комбинируется с N, а m с n.
Генотип самки
Расстояние между генами М и N определяется по суммарному проценту рекомбинантов. Особей Мп, возникших из кроссоверных гамет 3% и особей mN, тоже 3%. Таким образом общее количество рекомбинантов 6% и расстояние между генами М и N (а также m и n) равно 6 морганидам.
В задаче 102 б) рассматривается особый случай анализирующего скрещивания. Дигетерозиготная самка скрещивается с доминантным (а не рецессивным) по обоим признакам самцом. Скрещивание такого рода позволяет анализировать генотип самки только в том случае, если гены локализованы в Х-хромосоме.
Разберем задачу. У дрозофилы рецессивный ген cut (с) обусловливает вырезки на крыльях, а рецессивный ген tan (t) — смуглее тело. Оба гена локализованы в Х-хромосоме. Можно ли установить расстояние между генами cut, скрещивая дигетерозиготную самку с доминантным по обоим генам самцом. Чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим схему скрещивания (см. схему 42). Для упрощения рассуждений при
разборе задачи примем, что самка имеет генотип
Схема показывает, что все самки первого поколения имеют оба доминантных признака. Это вполне понятно, так как все они получили Х-хромосому с двумя доминантными генами от отца. Эти гены проявят свое действие независимо от того, с каким типом яйцеклеток матери они сольются при оплодотворении. Другими словами, фенотип дочерей в этом опыте определяется отцом. Сыновья в этом опыте получают от отцд Y-хромосому, не несущую аллелей С, с и Т, t. Поэтому их фенотип целиком определяется генами, полученными через яйцеклетку матери, и их расщепление по фенотипу будет отражать количество некроссоверпых и кроссоверных гамет у матери. Таким образом, при постановке анализирующего скрещивания дигибридной самки с доминантным самцом для исследования сцепления генов, локализованных в Х-хромосоме, следует учитывать расщепление только среди сыновей.
Условия задачи 102 в), в которой сказано, что число рекомбинантов среди сыновей составляет 3,75% Ct и 3,75% сТ, позволяют утверждать, что гены с и t расположены в Х-хромосоме на расстоянии 3,75+3,75=7,5 морганид.
Разберем одну из сложных задач этого параграфа. В задаче 104 требуется определить расстояние между двумя генами из Х-хромосомы человека: геном, обуславливающим цветовую слепоту (с) и геном мышечной дистрофии Дюшена (d).
Схема 42. Анализирующее скрещивание дигибридной самки с доминантным самцом, при локализации генов в Х-хромосоме.
Согласно родословной муж и жена здоровы и обладают нормальным цветовым зрением. Даны сведения о родителях жены: ее отец страдал мышечной дистрофией, а мать нарушением цветового зрения. Даны также сведения об их потомстве. Из одиннадцати детей, родившихся в этой семье, 3 дочери и 1 сын нормальны по обоим признакам, 3 сына страдали мышечной дистрофией, 3 сына — цветовой слепотой, и один сын — обоими болезнями.
Определим генотипы родителей. Так как по генам, локализованным в Х-хромосоме, муж гемизиготен, то его генотип определяется по фенотипу. В единственной Х-хромосоме он имеет гены С и D. Чтобы установить генотип жены, нужно использовать как сведения о детях, так и сведения о родителях жены. Сведения о дочерях не могут иметь значения для определения генотипа матери, так как дочери получили Х-хромосому с двумя доминантными генами от отца, что и определяет их фенотип, независимо от того, какие гены они получили от матери. Напротив, сыновья получили от отца Y-хромосому, в которой нет интересующих нас локусов, и их фенотип целиком зависит от того, какие гены получили они с Х-хромосомой матери. По расщеплению у сыновей нетрудно видеть, что их мять гетерозиготна по обоим генам (CcDd). Чтобы сказать, как комбинируются эти гены в двух Х-хромосомах женщины, нужно использовать сведения о ее родителях. Ее отец страдал мышечной дистрофией, но имел нормальное зрение. Следовательно женщина получила от своего отца его единственную Х-хромосому с генами Cd. А поскольку она дигетерозиготна, она должна была получить от своей матери Х-хромосому с генами — cD. Таким образом, генотипы жены и мужа могут быть представлены формулами:
О числе кроссоверных и некроссоверных гамет женщины можно судить по фенотипу ее сыновей. Из некроссоверных гамет развились: 3 сына с дистрофией и 3 с цветовой слепотой (всего 6). Из кроссоверных — 1 имеющий обе патологи и 1 здоровый (2 рекомбинанта). Теперь, для определения расстояния между генами cud узнаем, какой процент составляют кроссоверные гаметы из общего числа гамет, давших сыновей:
100 х 2/8= 25 морганид
Оценка должна рассматриваться как приблизительная, в связи с малым числом особей, по которым произведено вычисление.
Разберем задачу 107 а). В задаче даны расстояния между генами, локализованными в одной и той же хромосоме. Расстояние LM равно 5 морганид, a MN — 3 морганиды. Определить расстояние между L и N.
Решение этой задачи основывается на законе линейного расположения генов в хромосоме (закон Моргана). Если три точки (А, В и С) расположены на прямой линии, то расстояние АС равно либо сумме, либо разности расстояний АВ и ВС.
АС = АВ ± ВС
Эта формула, являющаяся количественным выражением закона Моргана, позволяет дать два возможных варианта взаиморасположения трех точек на прямой (см. схему 43).
АВ+ВС=5+3 А В С__
АВ—ВС=5-3 А С В_________
Схема 43. Определение расстояния между тремя генами