През 1909 г. белгийският цитолог Янсенс наблюдава образуването хиазъмпо време на профаза I на мейозата (вижте раздел 22.3). Генетичното значение на този процес беше обяснено от Морган, който изрази мнение, че кръстосването (обмяната на алели) възниква в резултат на счупване и рекомбинация на хомоложни хромозоми по време на образуването на хиазми. Последващото сравнение на цитологичните данни с данните за съотношенията на рекомбинантните фенотипове потвърди, че обменът на генетичен материал в мейозата се извършва почти буквално между всички хомоложни хромозоми. Алелите, включени в групите на свързване на родителите, се разделят и образуват нови комбинации, които завършват в гамети, процес, наречен генетична рекомбинация. Потомците, които се получават от такива гамети с „нови“ комбинации от алели, се наричат рекомбинанти. По този начин кръстосването представлява важен източник на генетична вариация, наблюдавана в популациите.
За да илюстрираме принципа на кръстосването, можем да разгледаме поведението на двойка хомоложни хромозоми на Drosophila, носещи алели за сив цвят на тялото и дълги крила (и двата алела са доминиращи) и черен цвят на тялото и рудиментарни крила (и двата алела са рецесивни), по време на образуването на хиазми. Кръстоска между хомозиготно сиво мъжко с дълги крила и хомозиготна черна женска с рудиментарни крила дава хетерозиготно потомство в F 1 със сиво тяло и дълги крила (фиг. 23.10).
При обратно кръстосване на мухи от F 1 поколение с хомозиготни двойни рецесиви са получени следните резултати:
Както показват тези резултати, гените, които определят цвета на тялото и дължината на крилата, са свързани. (Не забравяйте, че ако тези гени са на различни хромозоми и следователно са разпределени на случаен принцип, тогава дихибридно кръстосване на F 1 хетерозигота с хомозигота за две рецесивни черти би довело до фенотипно съотношение 1:1:1:1.) От горните фигури , можем да изчислим честотата на рекомбинация на гени, които определят цвета на тялото и дължината на крилата.
Честотата на рекомбинация се изчислява по формулата
В нашия пример честотата на рекомбинация е
Тази стойност съответства на броя на рекомбинациите, които се случват по време на образуването на гамети. Един от учениците на Морган, А. Х. Стъртевант, предполага, че честотите на рекомбинация показват линейно подреждане на гените по дължината на хромозомата. Още по-важното предположение на Стъртевант беше, че честотата на рекомбинацията отразява относителното местоположение на гените върху хромозомата: колкото по-далеч са свързаните гени, толкова по-вероятно е между тях да настъпи кръстосване, т.е. толкова по-висока е честотата на рекомбинантите (фиг. 23.11).
23.8. Диаграмата по-долу показва локусите на дванадесетте алела, разположени върху чифт хромозоми. Показани са относителните им разстояния от центромера.
Преминаване (Английски crossing-over - кръстосване на хромозоми) - процесът на обмен на хомоложни хромозоми в секции по време на тяхното конюгиране в профаза I на мейозата. Преминаването е един от механизми на генетична рекомбинация (генен обмен). Честотата му зависи от разстоянието между гените: колкото по-далеч са разположени гените един от друг, толкова по-често се случва кръстосване между тях. 1% кросинговър се приема като единица за разстояние между гените. Тя е назована Морганидав чест на Т. Морган, който разработ принципи на генетичното картографиране. Цитологичният признак на кросинговър е хиазмата- χ-образни фигури на бивалентите по време на обмен на сайтове. Кросингоувърът обикновено е мейотичен, но понякога се случва при митоза (соматичен кросингоувър). Може да се появи и в ген.
Преминаването е един от най-важните процеси за осигуряване комбинирана изменчивости по този начин осигурявайки материал за естествен подбор.
Същността на този процессе състои в обмен на участъци от хомоложни хромозоми. Това се случва чрез счупване и след това свързване на хроматидите в нов ред. Кръстосането може да доведе до рекомбинация на големи участъци от хромозома с няколко гена или части от един ген (т.нар. интрагенен кросингоувър), двете вериги на ДНК молекулата или само една. Преминаването се случва по време на конюгиране във фаза I мейоза. Преминаването може да се наблюдава и когато митотично делене, но по-рядко. В случай на безполови организми митотичният кросингоувър е единственият начин на генетична рекомбинация. Митотичното пресичане може да доведе до мозаечна експресия на рецесивни черти в хетерозиготен индивид. Такава експресия е важна при туморогенезата и при изследването на летални рецесивни мутации.
Феноменът на кросинговъра е открит от Ф. Янсенс през 1909 г., докато изучава мейозата на клетките на саламандъра, но теоретично феноменът на кросинговъра е предсказан по-рано. По-специално, американският цитолог У. Сътън през 1903 г. предположи, че няколко гена могат да бъдат разположени на една хромозома и след това трябва да се наблюдава свързано наследяване на черти, т.е. Няколко различни черти могат да бъдат наследени, сякаш се контролират от един ген. Такъв набор от гени на една хромозома образува група на свързване. Всъщност изследването на групите за кръстосване и свързване направи възможно създаването хромозомни карти. Първата хромозомна карта е създадена за плодовата муха Drosophila.
Видове пресичане
В зависимост по тип клетки, при което се получава пресичане:
- мейотичен - възниква в профазата на първото разделение на мейозата, по време на образуването на зародишни клетки,
- митотичен - по време на деленето на соматични клетки, главно ембрионални. Води до мозаечен модел в проявата на симптомите.
Зависи от молекулярна хомология на хромозомни региони, навлизайки в прелеза:
- нормално (равно) - има обмен на различни участъци от хромозоми.
- неравен - има празнина в неидентични участъци от хромозоми.
Зависи от брой образувани хиазми и разкъсвания на хромозомис последваща рекомбинация на гени:
- неженен,
- двойно,
- многократни.
Биологичното значение на кръстосването е изключително голямо, тъй като генетичната рекомбинация позволява да се създават нови, несъществуващи преди това комбинации от гени и по този начин да се увеличи наследствената променливост, което предоставя широки възможности за адаптиране на организма към различни условия на околната среда. Стойност на кросоувъра:
- води до увеличаване на комбинираната изменчивост,
- води до увеличаване на мутациите.
Човек специално извършва хибридизация, за да получи необходимите комбинации за използване в развъдната работа.
Мейозата и оплождането гарантират, че организмите от ново поколение получават еволюционно развит наследствен материал, балансиран по генни дози, въз основа на които се осъществява развитието на организма и неговите отделни клетки. Благодарение на тези два механизма в поредица от поколения индивиди от даден вид се формират определени видови характеристики и видът съществува като реална единица на живата природа дълго време. Въпреки това, при различни представители на вида, поради непрекъснато протичащия процес на мутация, един и същ набор от геномни гени е представен от различни алели. Тъй като по време на сексуалното размножаване при много видове двама индивиди участват в възпроизвеждането на потомството, съвсем очевидно е, че в резултат на оплождането различните зиготи получават различен набор от алели в своите генотипове. Увеличаването на генотипното разнообразие на представители на даден вид също се улеснява от механизми, водещи до рекомбинация на родителските алели на индивида в неговите гамети. Наистина, ако гаметите, произведени от даден организъм, са идентични в набора от алели в своя геном, тогава потомците на една двойка организми с двудомност или един хермафродитен организъм не биха наблюдавали генотипно разнообразие. Във всяко ново поколение от даден вид само децата на различни родители биха били генотипно различни.
В действителност в природата има разнообразие от потомци на едни и същи родители. Например братята и сестрите се различават не само по пол, но и по други характеристики. Такива различия в потомството се обясняват с факта, че при всеки акт на оплождане се откриват генетично различни гамети. Механизмът, който осигурява разнообразието на гаметите, образувани от един и същи организъм, е мейозата, по време на която не само наследственият материал, влизащ в гаметите, се намалява наполовина, но също така се извършва ефективно преразпределение на родителските алели между гаметите. Процесите, водещи до рекомбинация на гени и цели хромозоми в зародишните клетки, са кросингоувър и дивергенция на бивалентите в анафаза I на мейозата (вижте глава 5).
Преминаване.Този процес се случва в профаза I на мейозата във време, когато хомоложните хромозоми са тясно събрани в резултат на конюгация и образуват бивалентни. По време на кръстосването съответните участъци се обменят между взаимно преплетени хроматиди на хомоложни хромозоми (фиг. 3.72). Този процес осигурява рекомбинация на бащини и майчини алели на гени във всяка група на свързване. В различни предшественици на гамети, кръстосването се случва в различни региони на хромозомите, което води до образуването на голямо разнообразие от комбинации от родителски алели в хромозомите.
Ориз. 3.72. Кръстосването като източник на генетично разнообразие на гамети:
I - оплождане на родителските гамети a и b cобразуване на зигота V; II -гаметогенеза в организъм, който се развива от зигота V; Ж- кросинговър, който възниква между хомолози в профаза аз; д -клетки, образувани след 1-во мейотично делене; д, е -клетки, образувани след второто делене на мейозата ( д -некръстосани гамети с оригиналните родителски хромозоми; и -кръстосани гамети с рекомбинация на наследствен материал в хомоложни хромозоми)
Ясно е, че кросинговърът като механизъм на рекомбинация е ефективен само когато съответните гени на бащините и майчините хромозоми са представени от различни алели. Абсолютно идентични групи на свързване по време на кросинговъра не произвеждат нови комбинации от алели.
Кръстосането се случва не само в предшествениците на зародишните клетки по време на мейозата. Наблюдава се и в соматични клетки по време на митоза. Соматично кръстосване е описано при Drosophila и при някои видове плесени. Възниква по време на митоза между хомоложни хромозоми, но честотата му е 10 000 пъти по-ниска от честотата на мейотичния кросинговър, от чийто механизъм не се различава. В резултат на митотичен кросинговър се появяват клонове на соматични клетки, които се различават по съдържанието на алели на отделните гени. Ако в генотипа на зиготата този ген е представен от два различни алела, тогава в резултат на соматично кръстосване на клетки с едни и същи бащини или майчини алели на този ген могат да се появят (фиг. 3.73).
Ориз. 3.73. Преминаване в соматични клетки:
1 - соматична клетка, в чиито хомоложни хромозоми генът А е представен от два различни алела (А и а); 2 - пресичане; 3 - резултатът от обмена на съответни участъци между хомоложни хромозоми; 4 - разположение на хомолозите в екваториалната равнина на вретеното в метафазата на митозата (два варианта); 5 - образуване на дъщерни клетки; 6 - образуването на клетки, хетерозитни за гена А, подобни на майчината клетка в набора от алели (Аа); 7 - образуване на клетки, хомозиготни за гена А, различаващи се от майчината клетка в набора от алели (AA или aa)
Дивергенция на бивалентите в анафаза I на мейозата.В метафаза I на мейозата бивалентите, състоящи се от една бащина и една майчина хромозома, са подредени в екваториалната равнина на ахроматичното вретено. Дивергенцията на хомолозите, които носят различни набори от генни алели в анафаза I на мейозата, води до образуването на гамети, които се различават в алелния състав на отделните групи на свързване (фиг. 3.74).
Ориз. 3.74. Сегрегация на хомоложни хромозоми в анафаза I на мейозата
като източник на генетично разнообразие на гамети:
1 - метафаза I на мейозата (разположение на двувалентната в екваториалната равнина на вретеното); 2 - анафаза I на мейозата (дивергенция на хомолози, носещи различни алели на ген А към различни полюси); 3 - второ мейотично деление (образуване на два вида гамети, които се различават по алелите на гена А)
Ориз. 3,75. Случайният характер на подреждането на бивалентите в метафазата ( 1 )
и тяхната независима дивергенция в анафаза ( 2 ) първо мейотично делене
Поради факта, че ориентацията на бивалентите по отношение на полюсите на вретеното в метафаза I се оказва произволна, в анафаза I на мейозата, във всеки отделен случай се насочва хаплоиден набор от хромозоми, съдържащ оригиналната комбинация от родителски групи на свързване. към различни полюси (фиг. 3.75). Разнообразието от гамети, дължащо се на независимото поведение на бивалентите, е толкова по-голямо, колкото повече групи на свързване има в генома на даден вид. Може да се изрази с формулата 2 н, Където П -брой хромозоми в хаплоиден набор. И така, в Drosophila П= 4 и броят на типовете гамети, осигурени от рекомбинацията на родителските хромозоми в тях, е 2 4 = 16. При хората n = 23, а разнообразието от гамети, дължащо се на този механизъм, съответства на 2 23, или 8388608.
Кръстосането и процесът на дивергенция на бивалентите в анафаза I на мейозата осигуряват ефективна рекомбинация на алели и генни групи за свързване в гамети, образувани от един организъм.
Оплождане.Случайната среща на различни гамети по време на оплождането води до факта, че сред индивидите от един вид е почти невъзможно да се появят два генотипно идентични организма. Генотипното разнообразие на индивидите, постигнато чрез описаните процеси, предполага наследствени различия между тях на базата на общ видов геном.
По този начин геномът, като най-високо ниво на организация на наследствения материал, запазва своите видови характеристики поради мейозата и оплождането. Но в същото време същите тези процеси осигуряват индивидуални наследствени различия между индивидите, които се основават на рекомбинацията на гени и хромозоми, т.е. комбинативна изменчивост.Комбинативната изменчивост, проявяваща се в генотипното разнообразие на индивидите, повишава оцеляването на вида в променящите се условия на неговото съществуване.
Мейозата (от гръцки meiosis - намаляване) е специален метод на клетъчно делене, разделяне на узряване, в резултат на което има редукция (намаляване) на броя на хромозомите и прехода на клетките от тяхното диплоидно състояние към хаплоидно състояние. Мейозата е специален вид диференциация, клетъчна специализация, която води до образуването на зародишни клетки. Този процес отнема два клетъчни цикъла при липса на синтез на ДНК във второто мейотично делене. Трябва да се отбележи, че мейозата е универсално явление, характерно за всички еукариотни организми. По време на мейозата не само броят на хромозомите се редуцира до хаплоидния брой, но се случва и изключително важен генетичен процес - обмен на участъци между хомоложни хромозоми, процес, наречен кросинговър.
Мейозата се състои от 2 последователни деления с къса интерфаза между тях.
ü Профаза I- профазата на първото разделение е много сложна и се състои от 5 етапа:
· лептотенили лептонема- опаковане на хромозоми, кондензация на ДНК с образуването на хромозоми под формата на тънки нишки (хромозомите се съкращават).
· зиготенаили зигонема- възниква конюгация - свързването на хомоложни хромозоми с образуването на структури, състоящи се от две свързани хромозоми, наречени тетради или биваленти и тяхното по-нататъшно уплътняване.
· Пачитенаили пахинема- (най-дългият етап) - на някои места хомоложните хромозоми са плътно свързани, образувайки хиазми. В тях се случва кръстосване - обмен на участъци между хомоложни хромозоми.
· Диплотенаили дипломема- настъпва частична декондензация на хромозомите, докато част от генома може да работи, възникват процесите на транскрипция (образуване на РНК), транслация (синтез на протеини); хомоложните хромозоми остават свързани една с друга. При някои животни хромозомите в овоцитите на този етап от мейотичната профаза придобиват характерната хромозомна форма на лампова четка.
· Диакинеза- ДНК отново се кондензира максимално, синтетичните процеси спират, ядрената мембрана се разтваря; Центриолите се отклоняват към полюсите; хомоложните хромозоми остават свързани една с друга.
До края на Профаза I, центриолите мигрират към клетъчните полюси, образуват се вретеновидни нишки, ядрената мембрана и нуклеолите се разрушават
· Метафаза I- двувалентните хромозоми се подреждат по екватора на клетката.
· Анафаза I- микротубулите се свиват, бивалентите се разделят и хромозомите се придвижват към полюсите. Важно е да се отбележи, че поради конюгацията на хромозомите в зиготена, цели хромозоми, състоящи се от две хроматиди всяка, се разминават към полюсите, а не отделни хроматиди, както при митозата.
· Телофаза I
Второто разделение на мейозата следва веднага след първото, без ясно изразена интерфаза: няма S период, тъй като репликацията на ДНК не се извършва преди второто разделение.
· Профаза II- възниква кондензация на хромозоми, клетъчният център се дели и продуктите от неговото делене се отклоняват към полюсите на ядрото, ядрената мембрана се разрушава и се образува вретено на делене, перпендикулярно на първото вретено.
· Метафаза II- едновалентни хромозоми (състоящи се от две хроматиди всяка) са разположени на „екватора“ (на еднакво разстояние от „полюсите“ на ядрото) в една и съща равнина, образувайки така наречената метафазна плоча.
· Анафаза II- унивалентите се делят и хроматидите се придвижват към полюсите.
· Телофаза II- хромозомите се деспирират и се появява ядрена обвивка.
В резултат на това от една диплоидна клетка се образуват четири хаплоидни клетки. В случаите, когато мейозата е свързана с гаметогенезата (например при многоклетъчни животни), по време на развитието на яйцата първото и второто разделение на мейозата са рязко неравномерни. В резултат на това се образува едно хаплоидно яйце и три така наречени редукционни телца (абортивни производни на първо и второ разделение).
Значението на мейозата: 1. Поддържане на постоянен брой хромозоми по време на половото размножаване. В организми, които се размножават по полов път, по време на мейозата, една диплоидна майчина клетка произвежда четири дъщерни клетки, всяка от които съдържа половината от броя на хромозомите в сравнение с майката.
2. Генетична изменчивост. Мейозата създава възможности за появата на нови комбинации от генетичен материал в гаметите. Това води до промени както в генотипа, така и в фенотипа на потомството, получено от сливането на гамети.
Генетична рекомбинацияе преразпределение на генетичен материал (ДНК), което води до появата на нови генни комбинации. Рекомбинацията може да възникне чрез обмен на клетъчни ядра, цели ДНК молекули или части от молекули. Докато процесите на репликация и възстановяване на ДНК осигуряват възпроизвеждането и поддържането на генетичен материал, рекомбинацията води до генетична вариация. Биологичното значение на рекомбинацията е толкова голямо, че се е развило във всички живи организми. Може да се появи в еукариоти (както по време на образуването на зародишни клетки - гамети, така и в соматични клетки), в бактерии и дори при възпроизвеждане на вируси, включително тези, чийто генетичен материал се състои от РНК. Разместването на хромозомите в мейозата, което води до огромно разнообразие от гамети, случайността на сливането на гамети по време на оплождането, обменът на части между хомоложни хромозоми - всичко това (и не само това) се отнася до рекомбинация.
R. възниква в резултат на разминаването на хомоложни хромозоми в мейозата или поради взаимодействието на ДНК молекули, резултатът от което е прехвърлянето на ДНК участъци от една молекула в друга (R. в тесен смисъл). Трансферът може да бъде взаимен (реципрочен Р.) и едностранен (нереципрочен Р.). Р. може да се наблюдава соматично. и зародишни клетки, въпреки че в митотично делящите се клетки честотата на R. е по-ниска, отколкото при мейозата.
Има 3 вида Р. в тесен смисъл: общи, специфични за обекта. и незаконно (грешно). Генерал Р., или пресичане, при еукариотите, обменът на хомоложни ДНК последователности, който се случва в целия геном. Осъществява се в диплоидни и мерозиготни (съдържащи част от генома на една или две обединяващи се клетки или гамети) клетки поради процесите на разкъсване и повторно свързване на хомоложни ДНК участъци. В този случай се образуват хибридни молекули, което означава дължина (приблизително 1000 двойки нуклеотиди), образувани от нишки от различни рекомбиниращи ДНК молекули въз основа на тяхната комплементарност. Специфичен за сайта Р.протича при строго ограничени условия. геномни региони с размер от 10-20 нуклеотидни двойки, например. когато в генома на бактериите са включени профаги.
Под незаконния Р.,чийто механизъм не е достатъчно проучен, ние разбираме взаимодействието на нехомоложни ДНК молекули, което води до структурни пренареждания на ген. материал: транслокации, инверсии, разделения и т.н. (виж ХРОМОЗОМНО РЕСТРУКТУРИРАНЕ). Въз основа на R. например те определят принадлежността на гените към една или друга група на свързване и конструират генетични данни. карти, отразяващи реда на гените в групите на свързване, определят алелността на мутации с подобни фенотипни прояви. Целенасоченото производство на рекомбинантна (хибридна) ДНК е в основата на генното инженерство.
85. Онтогенеза. Периоди на ембрионално развитие и техните характеристики.
Отваряне на прелеза. Ако приемем, че повече от един ген е разположен на една хромозома, възниква въпросът дали алелите на един ген в хомоложна двойка хромозоми могат да сменят местата си, премествайки се от една хомоложна хромозома в друга. Ако такъв процес не се случи, тогава гените биха се комбинирали само чрез случайна дивергенция на нехомоложни хромозоми в мейозата и гените, разположени в една двойка хомоложни хромозоми, винаги биха се наследявали свързани - като група.
Изследванията на Т. Морган и неговата школа показват, че гените се обменят редовно в хомоложна двойка хромозоми. Процесът на обмен на идентични участъци от хомоложни хромозоми с гените, които те съдържат, се нарича кръстосване на хромозоми или кръстосване. Преминаването осигурява нови комбинации от гени, разположени върху хомоложни хромозоми. Феноменът на кръстосването, както и свързването, се оказаха общи за всички животни, растения и микроорганизми. Наличието на обмен на идентични региони между хомоложни хромозоми осигурява обмен или рекомбинация на гени и по този начин значително увеличава ролята на комбинираната променливост в еволюцията.
Генетичен анализ на кросинговър.
За кръстосването на хромозомите може да се съди по честотата на поява на организми с нова комбинация от характеристики. Такива организми се наричат рекомбинантни.
Помислете за един от класическите експерименти на Морган върху плодови мушици, който му позволи да докаже, че гените са разположени върху хромозомите в определен ред.
При Drosophila рецесивният ген за черен цвят на тялото е обозначен с b, а неговият доминантен алел, който определя дивия сив цвят, е b+, генът за рудиментарните крила е vg, а генът за нормалните крила е vg+. При кръстосване на мухи, които се различават по две двойки свързани признаци, сиви с рудиментарни крила b+vg½½b+vg и черни с нормални крила bvg+½½bvg+, F1 хибридите b+vg½½ bvg+ са сиви с нормални крила.
Фигурата показва две анализиращи кръстоски: в едната мъжкият е дихетерозигота, в другата женската. Ако хибридни мъжки са кръстосани с женски, хомозиготни и за двата рецесивни гена (♀bvg½½bvg ♂ X b+vg½½bvg+), тогава потомството се разделя в съотношение 1 муха със сиво тяло и рудиментарни крила: 1 муха с черно тяло и нормални крила. Следователно тази дихетерозигота произвежда само два вида гамети (b+vg и b+vg) вместо четири, а комбинацията от гени в гаметите на мъжа съответства на тази на родителите му. Въз основа на посоченото разделяне трябва да се приеме, че мъжът не обменя участъци от хомоложни хромозоми. Наистина, при мъжките Drosophila, както в автозомите, така и в половите хромозоми, обикновено не се случва кръстосване, поради което се наблюдава пълно свързване на гени, разположени на една и съща хромозома.
Може да се предположи, че сивият цвят на тялото и рудиментарните крила, както и черното тяло и нормалните крила са двойки признаци, наследени заедно поради плейотропното действие на един ген. Въпреки това, ако вземем хетерозиготни жени за анализ, а не мъже, тогава при Fb се наблюдава различно разделяне. В допълнение към родителските комбинации от герои се появяват нови - мухи с черно тяло и рудиментарни крила, както и със сиво тяло и нормални крила. При това кръстосване връзката на едни и същи гени е нарушена поради факта, че гените на хомоложните хромозоми са разменили местата си поради кръстосването.
Гамети с хромозоми, които са претърпели кръстосване, се наричат кръстосани, а тези с хромозоми, които не са претърпели кръстосване, се наричат некросоувър. Съответно организмите, които са възникнали от комбинацията на кръстосани гамети на хибрид с гамети на анализатор, се наричат кръстосани или рекомбинантни, а тези, които са възникнали от некръстосани гамети на хибрид, се наричат некръстосани или нерекомбинантни.
Кръстосан механизъм
Мейотично кръстосване.
Още преди откриването на кръстосването на хромозоми чрез генетични методи на цитологията, докато изучават профазата на мейозата, те наблюдават феномена на взаимно преплитане на хромозомите, образуването на Х-образни фигури от тях - хиазъм (z-гръцката буква "чи") . През 1909 г. F. Janssens предполага, че хиазмата е свързана с обмена на хромозомни участъци. Впоследствие тези снимки послужиха като допълнителен аргумент в полза на хипотезата за генетично кръстосване на хромозоми, представена от Т. Морган през 1911 г.
Механизмът на хромозомно кръстосване е свързан с поведението на хомоложните хромозоми в профаза I на мейозата. Нека си припомним неговите характеристики. В профаза I хомоложните хромозоми се конюгират от идентични области. Всяка хромозома в двувалентната се състои от две хроматиди, а двувалентната, съответно, от четири. По този начин, конюгацията е единственият момент, когато може да настъпи кръстосване между хомоложни хромозоми. Така че, пресичането се случва на етапа на четири хроматиди и е свързано с образуването на хиазма.
Ако в един двувалентен не е имало един обмен, а два или повече, тогава в този случай се образуват няколко хиазми. Тъй като има четири хроматиди в двувалентния, тогава, очевидно, всеки от тях има еднаква вероятност да обмени секции с всеки друг. В този случай две, три или четири хроматиди могат да участват в обмена.
Фигура 50 показва диаграма на такива обмени: 1) реципрочен двоен обмен между две не-сестрински хроматиди, който не води до генни рекомбинации, ако маркерните гени не са засегнати от обмена; 2) диагонална размяна, когато две сестрински хроматиди в два различни региона едновременно влизат в един кросоувър със същата не-сестринска хроматида и четвъртата хроматида не участва в обмяната. В резултат на този двоен обмен възникват три рекомбинантни хромозоми и една остава нерекомбинантна (фиг. 50,2,3); 3) допълнителен обмен, когато всичките четири хроматиди претърпяват единичен обмен в различни региони, две несестрински хроматиди от четири по двойки претърпяват един обмен на едно място, а другите две на друго, в резултат на което възникват четири рекомбинантни хромозоми (фиг. 50.4). В този случай двойните кросоувъри могат да възникнат в резултат на едновременни единични обмени между хроматиди с участието на три хроматиди в обмена.
Досега е разглеждано кръстосването между не-сестрински хроматиди. Обменът в сестринските хроматиди не може да доведе до рекомбинация, тъй като те са генетично идентични и следователно такъв обмен няма смисъл като биологичен механизъм на комбинирана вариация.
Соматичен (митотичен) кросингоувър. Както вече беше споменато, кросинговърът се случва в профаза 1 на мейозата по време на образуването на гамети. Съществува обаче соматичен или митотичен кросинговър, който възниква по време на митотичното делене на соматични клетки, главно на ембрионални тъкани.
Известно е, че хомоложните хромозоми в профазата на митозата обикновено не се конюгират и са разположени независимо една от друга. Въпреки това, понякога е възможно да се наблюдава синапсис на хомоложни хромозоми и фигури, подобни на хиазми, но не се наблюдава намаляване на броя на хромозомите.
Соматичното пресичане може да доведе до мозаечна проява на симптомите.
Отчитане на кросингоувъра в тетрадния анализ
При по-висшите организми кръстосването, настъпило в профазата на мейозата, се оценява по честотата на кръстосаните рекомбинантни индивиди, като се има предвид, че външният им вид отразява съотношението на кръстосаните и некръстосаните гамети.
За директно доказване на съответствието на рекомбинантни зиготи с кръстосани гамети е необходимо да се определят резултатите от кръстосването директно от хаплоидните продукти на мейозата. В този случай гените трябва да упражняват своето действие по време на хаплофазата. Обектът, върху който беше възможно да се извърши такова изследване, беше например плесен (Neurospora crassa), по-голямата част от жизнения цикъл на която протича в хаплофазата, а диплоидната фаза е много кратка.
Скоро след оплождането зиготата започва мейотично делене, което води до образуването на аскус - торба от хаплоидни спори. По време на разделянето оста на шпиндела съвпада с надлъжната ос на торбата. Следователно продуктите на мейозата - спорите - са подредени верижно в торбата. При мейозата се случват две нормални деления на узряване, след това едно митотично делене, което води до образуването на 8 аскоспори във всяка торба.
Тъй като Neurospora има способността директно да определя резултатите от кросингоувъра от продуктите на мейозата, установяването в този случай на природата на разделянето ще бъде пряко доказателство, че разделянето и кросингоувърът се случват в мейозата. Този метод е вариант на вече описания тетраден анализ, но приложен към свързани гени.
В случай на монохибридно кръстосване се очаква разделяне на хаплоидни продукти (спори) в съотношение 1A:1a. В аскусите сред 8-те спори има 4 оцветени (А) и 4 неоцветени (а) спори, т.е. наблюдава се разделяне 1: 1. При липса на кръстосване между гена и центромера, редът на спорите в торбата е както следва: ААААаааа. Ако редът на аскоспорите се промени, например AAaaAAAaa, тогава това ще означава, че е настъпило кръстосване между a локуса и центромера.
Местоположението на спорите ще зависи от сегрегацията на хромозомите в първото и второто мейотично деление. Алелите A и a могат да бъдат разпределени в торбата според спорите в различен ред: aaAAAaAA, aaAAAAAAa, AAaaaAA.
В този случай кръстосването се извършва в областта между локуса на този ген и центромера. Колкото по-далеч ген a се отстранява от центромера, толкова по-вероятно е кръстосването и следователно, толкова повече кръстосани asci ще има. Ако кръстосването се случи между дисталния край на хромозомата и a гена, тогава кръстосаното разположение на аскоспорите няма да бъде открито.
Промяната в реда на спорите в аскуса по време на кросинговъра между гена и центромера е възможна само ако се случи на етапа на четири нишки, т.е. между хроматидите. Ако рекомбинацията се случи в момент, когато всяка хромозома все още не се е удвоила, редът на спорите в аскуса няма да се промени. Следователно, промяната в реда на спорите в този случай служи като доказателство, че пресичането се извършва между несестрински хроматиди, т.е., на етапа на четири нишки.
Ето защо, когато говорим за механизма и генетичните последици от кросинговъра, само за по-лесно това се обяснява с обмена между цели хромозоми; всъщност обменът се извършва между хроматидите. Тези характеристики на Neurospora позволяват да се определи местоположението на гена в хромозомата, като се вземе предвид разделянето само на една двойка алели, което е невъзможно при диплоидните организми, за които не може да се извърши тетраден анализ.
По този начин тетрадният анализ доказва, че както менделската сегрегация, така и кросингоувърът се основават на законите на мейозата.
Цитологично доказателство за кросинговър
След установяването на феномена на кръстосването чрез генетични методи беше необходимо да се получат директни доказателства за обмен на участъци от хомоложни хромозоми, придружен от генна рекомбинация. Моделите на хиазмата, наблюдавани в профазата на мейозата, могат да служат само като косвено доказателство за това явление; невъзможно е да се установи обменът, който е настъпил чрез пряко наблюдение, тъй като хомоложните хромозоми, които обменят участъци, обикновено са абсолютно идентични по размер и форма.
Крейтов и Макклинток успяват да получат форма в царевица, в която хомоложните хромозоми се различават морфологично - едната е нормална, а другата има удебеляване в края на едното рамо, второто му рамо е удължено. Тези характеристики в структурата на двойка хромозоми лесно се откриват по време на цитологични изследвания.
В експеримента нормалната хромозома носи рецесивния ген c (неоцветен ендосперм) и доминантния ген wx+ (нишестен ендосперм), променената хромозома носи доминантния ген c+ (оцветен ендосперм) и рецесивния ген wx (восъчен ендосперм). Дихетерозиготата беше кръстосана с линия, имаща морфологично нормални хромозоми, белязани с рецесивните c и wx гени. Потомството произвежда както некръстосани, така и кръстосани зърна. При цитологичното им изследване беше установено, че кръстосаните зърна неизменно съдържат хромозоми с разменени участъци: нормална дължина, но с удебеляване, или удължени без удебеляване.
По този начин, едновременно беше показано цитологично и генетично, че генната рекомбинация е придружена от обмен на участъци от хомоложни хромозоми в мейотичната профаза.