1909. gadā beļģu citologs Jansens novēroja veidojumu chiasmus mejozes I fāzes laikā (skatīt 22.3. apakšpunktu). Šī procesa ģenētisko nozīmi skaidroja Morgans, paužot viedokli, ka krustošanās (alēļu apmaiņa) notiek homologu hromosomu lūšanas un rekombinācijas rezultātā hiasmātu veidošanās laikā. Turpmākā citoloģisko datu salīdzināšana ar datiem par rekombinanto fenotipu attiecībām apstiprināja, ka ģenētiskā materiāla apmaiņa meiozē notiek gandrīz burtiski starp visām homologajām hromosomām. Alēles, kas iekļautas vecāku saišu grupās, atdalās un veido jaunas kombinācijas, kas nonāk gametās, process, ko sauc. ģenētiskā rekombinācija. Pēcnācējus, kas iegūti no šādām gametām ar “jaunām” alēļu kombinācijām, sauc par rekombinantiem. Tādējādi šķērsošana ir svarīgs populācijās novērotās ģenētiskās variācijas avots.
Lai ilustrētu šķērsošanas principu, mēs varam apsvērt tāda homologu Drosophila hromosomu pāra uzvedību, kurām ir alēles pelēkai ķermeņa krāsai un gariem spārniem (abas alēles ir dominējošas) un melnai ķermeņa krāsai un rudimentāriem spārniem (abas alēles ir recesīvi). chiasmata veidošanās. Krustojums starp homozigotu pelēku garspārnu tēviņu un homozigotu melnu mātīti ar rudimentāriem spārniem radīja heterozigotus pēcnācējus F 1 ar pelēku ķermeni un gariem spārniem (23.10. att.).
Atgriezeniski krustojot F 1 paaudzes mušas ar homozigotām dubultrecesīvām, tika iegūti šādi rezultāti:
Kā liecina šie rezultāti, gēni, kas nosaka ķermeņa krāsu un spārnu garumu, ir saistīti. (Ņemiet vērā, ka, ja šie gēni atrastos dažādās hromosomās un tāpēc sadalīti nejauši, tad F 1 heterozigota dihibrīda krustošanās ar homozigotu divu recesīvu pazīmju gadījumā radītu fenotipu attiecību 1:1:1:1.) No iepriekšminētajiem attēliem , mēs varam aprēķināt gēnu rekombinācijas biežumu, kas nosaka ķermeņa krāsu un spārnu garumu.
Rekombinācijas biežumu aprēķina, izmantojot formulu
Mūsu piemērā rekombinācijas biežums ir
Šī vērtība atbilst rekombināciju skaitam, kas notiek gametu veidošanās laikā. Viens no Morgana studentiem A. H. Stērtevants ierosināja, ka rekombinācijas frekvences norāda uz lineāru gēnu izvietojumu gar hromosomu. Vēl svarīgāks Stērtevanta pieņēmums bija tāds, ka rekombinācijas biežums atspoguļo gēnu relatīvo atrašanās vietu hromosomā: jo tālāk saistītie gēni atrodas viens no otra, jo lielāka iespēja, ka starp tiem notiks krustošanās, t.i. jo augstāks ir rekombinanto biežums (23.11. att.).
23.8. Zemāk redzamā diagramma parāda divpadsmit alēļu lokusus, kas atrodas uz hromosomu pāra. Parādīti to relatīvie attālumi no centromēra.
Šķērsojot (angļu crossing-over - crossing of chromosomes) - homologu hromosomu apmaiņas process sekcijās to konjugācijas laikā mejozes I fāzē. Šķērsošana ir viena no ģenētiskās rekombinācijas (gēnu apmaiņas) mehānismi. Tās biežums ir atkarīgs no attāluma starp gēniem: jo tālāk gēni atrodas viens no otra, jo biežāk starp tiem notiek krustojums. 1% šķērsošana tiek uzskatīta par attāluma vienību starp gēniem. Viņa ir nosaukta Morganida par godu T. Morganam, kurš attīstījās ģenētiskās kartēšanas principi. Citoloģiskā šķērsošanas pazīme ir chiasmata- χ formas bivalentu figūras vietņu apmaiņas laikā. Šķērsošana parasti ir meiotiska, bet dažreiz notiek mitozē (somatiskā šķērsošana). Tas var rasties arī gēnā.
Šķērsošana ir viens no svarīgākajiem procesiem, kas nodrošina kombinētā mainīgums un tādējādi nodrošinot materiālu dabiskajai atlasei.
Šī procesa būtība sastāv no homologu hromosomu sekciju apmaiņas. Tas notiek, pārtraucot un pēc tam savienojot hromatīdus jaunā secībā. Šķērsošana var izraisīt lielu hromosomas posmu rekombināciju ar vairākiem gēniem vai viena gēna daļām (t.s. intragēna šķērsošana), abas DNS molekulas virknes vai tikai viena. Šķērsošana notiek konjugācijas laikā I fāzē mejoze. Pārbraukšanu var novērot arī tad, kad mitotiskā dalīšana, bet retāk. Aseksuālu organismu gadījumā mitotiskā krustošanās ir vienīgais ģenētiskās rekombinācijas veids. Mitotiskā krustošanās var izraisīt recesīvo pazīmju mozaīkas izpausmi heterozigotā indivīdā. Šāda izpausme ir svarīga audzēja veidošanās procesā un letālu recesīvu mutāciju izpētē.
Šķērsošanas fenomenu F. Jansens atklāja 1909. gadā, pētot salamandras šūnu mejozi, taču teorētiski šķērsošanas fenomens tika prognozēts jau agrāk. Konkrēti, amerikāņu citologs V. Satons 1903. gadā ierosināja, ka vienā hromosomā var atrasties vairāki gēni, un tad būtu jāievēro saistīta pazīmju pārmantošana, t.i. Var mantot vairākas dažādas pazīmes, it kā tās kontrolētu viens gēns. Šāds gēnu kopums vienā hromosomā veido saiknes grupu. Faktiski šķērsošanas un sasaistes grupu izpēte ļāva izveidot hromosomu kartes. Pirmā hromosomu karte tika izveidota augļu mušai Drosophila.
Šķērsošanas veidi
Atkarībā pēc šūnas veida, kurā notiek šķērsošana:
- meiotisks - notiek mejozes pirmās dalīšanas profāzē, dzimumšūnu veidošanās laikā,
- mitotisks - somatisko šūnu, galvenokārt embrionālo, dalīšanās laikā. Noved pie mozaīkas raksta simptomu izpausmēs.
Atkarībā no hromosomu reģionu molekulārā homoloģija, ieejot krustojumā:
- normāla (vienāda) – notiek dažādu hromosomu sekciju apmaiņa.
- nevienlīdzīgi - ir plaisa neidentiskās hromosomu sadaļās.
Atkarībā no izveidoto chiasmata un hromosomu pārtraukumu skaits ar sekojošu gēnu rekombināciju:
- viens,
- dubultā,
- vairākas.
Šķērsošanas bioloģiskā nozīme ir ārkārtīgi liela, jo ģenētiskā rekombinācija ļauj izveidot jaunas, iepriekš neeksistējošas gēnu kombinācijas un tādējādi palielināt iedzimto mainīgumu, kas nodrošina organismam plašas iespējas pielāgoties dažādiem vides apstākļiem. Crossover vērtība:
- izraisa kombinētās mainīguma palielināšanos,
- noved pie mutāciju palielināšanās.
Cilvēks speciāli veic hibridizāciju, lai iegūtu vajadzīgās kombinācijas izmantošanai selekcijas darbā.
Mejoze un apaugļošanās nodrošina, ka jaunās paaudzes organismi saņem evolucionāli attīstītu, gēnu devu ziņā sabalansētu iedzimtības materiālu, uz kura pamata tiek veikta organisma un tā atsevišķo šūnu attīstība. Pateicoties šiem diviem mehānismiem, noteiktas sugas īpatņu paaudžu virknē veidojas noteiktas sugas pazīmes un suga ilgstoši pastāv kā reāla dzīvās dabas vienība. Tomēr dažādiem sugas pārstāvjiem nepārtraukti notiekošā mutācijas procesa dēļ vienu un to pašu genoma gēnu kopumu pārstāv dažādas alēles. Tā kā seksuālās vairošanās laikā daudzām sugām pēcnācēju vairošanā piedalās divi indivīdi, ir acīmredzami, ka apaugļošanās rezultātā dažādas zigotas savos genotipos saņem nevienlīdzīgu alēļu kopumu. Sugas pārstāvju genotipiskās daudzveidības palielināšanos veicina arī mehānismi, kas noved pie indivīda vecāku alēļu rekombinācijas tā gametās. Patiešām, ja organisma radītās gametas savā genomā alēļu komplektā būtu identiskas, tad viena organismu pāra ar divmāju vai viena hermafrodīta organisma pēcteči nebūtu novērojuši genotipisko daudzveidību. Katrā sugas jaunajā paaudzē tikai dažādu vecāku bērni būtu genotipiski atšķirīgi.
Patiesībā dabā ir viena un tā paša vecāku pēcnācēju daudzveidība. Piemēram, brāļi un māsas atšķiras ne tikai pēc dzimuma, bet arī pēc citām īpašībām. Šādas pēcnācēju atšķirības skaidrojamas ar to, ka katrā apaugļošanas aktā tiek konstatētas ģenētiski atšķirīgas gametas. Mehānisms, kas nodrošina viena un tā paša organisma veidoto gametu daudzveidību, ir mejoze, kuras laikā uz pusi tiek samazināts ne tikai dzimumšūnās nonākošais iedzimtais materiāls, bet arī notiek efektīva vecāku alēļu pārdale starp gametām. Procesi, kas noved pie gēnu un veselu hromosomu rekombinācijas dzimumšūnās, ir bivalentu krustošanās un diverģence mejozes I anafāzē (sk. 5. nodaļu).
Šķērsojot.Šis process notiek mejozes I fāzē laikā, kad konjugācijas rezultātā homologās hromosomas ir cieši savienotas un veido bivalentus. Krūzošanas laikā notiek atbilstošo sekcijas apmaiņa starp savstarpēji savītiem homologu hromosomu hromatīdiem (3.72. att.). Šis process nodrošina gēnu tēva un mātes alēļu rekombināciju katrā saišu grupā. Dažādos gametu prekursoros krustošanās notiek dažādos hromosomu reģionos, kā rezultātā hromosomās veidojas dažādas vecāku alēļu kombinācijas.
Rīsi. 3.72. Šķērsošana kā gametu ģenētiskās daudzveidības avots:
I - vecāku gametu apaugļošana a un b c zigotu veidošanās V; II - gametoģenēze organismā, kas attīstās no zigotas V; G- šķērsošana, kas notiek starp homologiem profāzē es; d -šūnas, kas veidojas pēc 1. meiotiskās dalīšanās; e, f -šūnas, kas veidojas pēc mejozes 2. dalīšanās ( e - gametas bez krustošanās ar sākotnējām vecāku hromosomām; un - krusteniskās gametas ar iedzimta materiāla rekombināciju homologās hromosomās)
Ir skaidrs, ka šķērsošana kā rekombinācijas mehānisms ir efektīva tikai tad, ja atbilstošos gēnus tēva un mātes hromosomās attēlo dažādas alēles. Absolūti identiskas saišu grupas krustošanās laikā nerada jaunas alēļu kombinācijas.
Mejozes laikā šķērsošana notiek ne tikai dzimumšūnu prekursoros. To novēro arī somatiskajās šūnās mitozes laikā. Somatiskā krustošanās ir aprakstīta Drosophila un dažās pelējuma sugās. Tas notiek mitozes laikā starp homologām hromosomām, bet tā biežums ir 10 000 reižu zemāks nekā meiotiskās šķērsošanas biežums, no kura mehānisma tas neatšķiras. Mitotiskās šķērsošanas rezultātā parādās somatisko šūnu kloni, kas atšķiras ar atsevišķu gēnu alēļu saturu. Ja zigotas genotipā šis gēns ir attēlots ar divām dažādām alēlēm, tad somatiskās krustošanās rezultātā pār šūnām ar vienādām šī gēna alēlēm var parādīties vai nu tēva, vai mātes alēles (3.73. att.).
Rīsi. 3.73. Šķērsošana somatiskajās šūnās:
1 - somatiska šūna, kuras homologajās hromosomās A gēnu pārstāv divas dažādas alēles (A un a); 2 - šķērsošana; 3 - atbilstošo sekciju apmaiņas rezultāts starp homologām hromosomām; 4 - homologu atrašanās vieta vārpstas ekvatoriālajā plaknē mitozes metafāzē (divas iespējas); 5 - meitas šūnu veidošanās; 6 - A gēnam heterozītisku šūnu veidošanās, kas līdzīga mātes šūnai alēļu komplektā (Aa); 7 - A gēnam homozigotu šūnu veidošanās, kas atšķiras no mātes šūnas alēļu komplektā (AA vai aa)
Bivalentu atšķirība meiozes I anafāzē. Mejozes I metafāzē bivalenti, kas sastāv no vienas tēva un vienas mātes hromosomas, ir sakārtoti ahromatiskās vārpstas ekvatoriālajā plaknē. Homologu diverģence, kas pārnēsā dažādas gēnu alēļu kopas mejozes I anafāzē, noved pie gametu veidošanās, kas atšķiras pēc atsevišķu saišu grupu alēliskā sastāva (3.74. att.).
Rīsi. 3.74. Homoloģisko hromosomu segregācija mejozes I anafāzē
kā gametu ģenētiskās daudzveidības avots:
1 - mejozes I metafāze (bivalenta atrašanās vieta vārpstas ekvatoriālajā plaknē); 2 - mejozes anafāze I (homologu diverģence, kas satur dažādas gēna A alēles uz dažādiem poliem); 3 - otrais meiotiskais dalījums (divu veidu gametu veidošanās, kas atšķiras pēc A gēna alēlēm)
Rīsi. 3.75. Divvalentu izkārtojuma nejaušība metafāzē ( 1 )
un to neatkarīgā atšķirība anafāzē ( 2 ) pirmais meiotiskais dalījums
Sakarā ar to, ka bivalentu orientācija attiecībā pret vārpstas poliem I metafāzē izrādās nejauša, mejozes I anafāzē katrā atsevišķā gadījumā tiek virzīts haploīds hromosomu kopums, kas satur sākotnējo vecāku saišu grupu kombināciju. uz dažādiem stabiem (3.75. att.). Gametu daudzveidība, pateicoties bivalentu neatkarīgai uzvedībai, ir lielāka, jo vairāk saišu grupu ir konkrētās sugas genomā. To var izteikt ar formulu 2 n, Kur P - hromosomu skaits haploīdā komplektā. Tātad, Drosofilā P= 4 un gametu tipu skaits, ko nodrošina vecāku hromosomu rekombinācija tajās ir 2 4 = 16. Cilvēkiem n = 23, un gametu daudzveidība šī mehānisma dēļ atbilst 2 23 vai 8388608.
Mejozes I anafāzē esošo bivalentu krustošanās un diverģences process nodrošina efektīvu alēļu un gēnu saišu grupu rekombināciju viena organisma veidotās gametās.
Mēslošana. Dažādu gametu nejauša satikšanās apaugļošanas laikā noved pie tā, ka starp sugas indivīdiem ir gandrīz neiespējami parādīties diviem genotipiski identiskiem organismiem. Aprakstīto procesu rezultātā iegūtā indivīdu genotipiskā daudzveidība paredz iedzimtas atšķirības starp tiem, pamatojoties uz kopēju sugas genomu.
Tādējādi genoms kā mantojuma materiāla augstākais organizācijas līmenis saglabā savas sugas īpašības mejozes un apaugļošanās dēļ. Bet tajā pašā laikā šie paši procesi nodrošina individuālas iedzimtas atšķirības starp indivīdiem, kuru pamatā ir gēnu un hromosomu rekombinācija, t.i. kombinētā mainīgums. Kombinatīvā mainība, kas izpaužas indivīdu genotipiskajā daudzveidībā, palielina sugas izdzīvošanu mainīgajos tās pastāvēšanas apstākļos.
Meioze (no grieķu meiosis — redukcija) ir īpaša šūnu dalīšanās, nobriešanas dalīšanās metode, kuras rezultātā notiek hromosomu skaita samazināšanās (samazināšanās) un šūnu pāreja no diploīda stāvokļa uz haploīdu. Valsts. Mejoze ir īpašs diferenciācijas veids, šūnu specializācija, kas noved pie dzimumšūnu veidošanās. Šis process aizņem divus šūnu ciklus, ja otrajā meiotiskajā dalījumā nenotiek DNS sintēze. Jāatzīmē, ka mejoze ir universāla parādība, kas raksturīga visiem eikariotu organismiem. Mejozes laikā līdz haploīdajam skaitam tiek samazināts ne tikai hromosomu skaits, bet notiek ārkārtīgi svarīgs ģenētisks process - sekciju apmaiņa starp homologām hromosomām, process, ko sauc par krustošanu.
Mejoze sastāv no 2 secīgiem dalījumiem ar īsu starpfāzi starp tām.
ü I fāze- pirmās nodaļas fāze ir ļoti sarežģīta un sastāv no 5 posmiem:
· Leptotens vai leptonēma- hromosomu iesaiņošana, DNS kondensācija ar hromosomu veidošanos plānu pavedienu veidā (hromosomas tiek saīsinātas).
· Zigotēns vai zigonēma- notiek konjugācija - homologu hromosomu savienojums ar struktūru veidošanos, kas sastāv no divām savienotām hromosomām, ko sauc par tetradēm vai bivalentiem, un to tālāka blīvēšana.
· Pachytena vai pahinēma- (garākā stadija) - dažviet homologās hromosomas ir cieši saistītas, veidojot chiasmata. Tajos notiek šķērsošana - sekciju apmaiņa starp homologām hromosomām.
· Diplotena vai diplomēma- notiek daļēja hromosomu dekondensācija, kamēr daļa genoma var darboties, notiek transkripcijas (RNS veidošanās), translācijas (olbaltumvielu sintēzes) procesi; homologās hromosomas paliek savienotas viena ar otru. Dažiem dzīvniekiem olšūnu hromosomas šajā meiotiskās profāzes stadijā iegūst raksturīgo lampas sukas hromosomu formu.
· Diakinēze- DNS atkal kondensējas līdz maksimumam, apstājas sintētiskie procesi, izšķīst kodola membrāna; Centrioles novirzās uz poliem; homologās hromosomas paliek savienotas viena ar otru.
Līdz I fāzes beigām centrioli migrē uz šūnu poliem, veidojas vārpstas pavedieni, tiek iznīcināta kodola membrāna un nukleoli.
· I metafāze- divvērtīgās hromosomas sarindojas gar šūnas ekvatoru.
· Anafāze I- mikrotubulas saraujas, bivalenti sadalās, un hromosomas virzās uz poliem. Ir svarīgi atzīmēt, ka hromosomu konjugācijas dēļ zigotēnā veselas hromosomas, kas katra sastāv no diviem hromatīdiem, novirzās uz poliem, nevis atsevišķiem hromatīdiem, kā tas ir mitozes gadījumā.
· I telofāze
Otrais meiozes dalījums seko tūlīt pēc pirmās, bez izteiktas starpfāzes: S perioda nav, jo pirms otrā dalījuma DNS replikācija nenotiek.
· II fāze- notiek hromosomu kondensācija, šūnu centrs sadalās un tā dalīšanās produkti novirzās uz kodola poliem, tiek iznīcināta kodola membrāna un veidojas skaldīšanas vārpsta, kas ir perpendikulāra pirmajai vārpstai.
· II metafāze- vienvērtīgās hromosomas (katra sastāv no diviem hromatīdiem) atrodas “ekvatorā” (vienādā attālumā no kodola “poliem”) vienā plaknē, veidojot tā saukto metafāzes plāksni.
· II anafāze- sadalās univalenti un hromatīdi virzās uz poliem.
· II telofāze- hromosomas izplūst un parādās kodola apvalks.
Rezultātā no vienas diploīdas šūnas veidojas četras haploīdas šūnas. Gadījumos, kad mejoze ir saistīta ar gametoģenēzi (piemēram, daudzšūnu dzīvniekiem), olšūnu attīstības laikā pirmais un otrais mejozes dalījums ir krasi nevienmērīgs. Rezultātā veidojas viena haploīda olšūna un trīs tā sauktie redukcijas ķermeņi (pirmā un otrā dalījuma abortīvie atvasinājumi).
Mejozes nozīme: 1. Konstanta hromosomu skaita saglabāšana dzimumvairošanās laikā. Organismos, kas vairojas seksuāli, mejozes laikā viena diploīda mātes šūna rada četras meitas šūnas, no kurām katra satur uz pusi mazāk hromosomu nekā mātes hromosomu skaits.
2. Ģenētiskā mainība. Mejoze rada iespējas jaunu ģenētiskā materiāla kombināciju rašanās gametās. Tas izraisa izmaiņas dzimumšūnu saplūšanas rezultātā iegūto pēcnācēju genotipā un fenotipā.
Ģenētiskā rekombinācija ir ģenētiskā materiāla (DNS) pārdale, kas noved pie jaunu gēnu kombināciju rašanās. Rekombinācija var notikt, apmainoties ar šūnu kodoliem, veselām DNS molekulām vai molekulu daļām. Lai gan DNS replikācijas un labošanas procesi nodrošina ģenētiskā materiāla pavairošanu un uzturēšanu, rekombinācija izraisa ģenētisku variāciju. Rekombinācijas bioloģiskā nozīme ir tik liela, ka tā ir attīstījusies visos dzīvajos organismos. Tas var rasties eikariotos (gan dzimumšūnu - gametu veidošanās laikā, gan somatiskajās šūnās), baktērijās un pat vīrusu vairošanās laikā, tostarp tiem, kuru ģenētiskais materiāls sastāv no RNS. Hromosomu sajaukšanās meiozē, kas izraisa milzīgu gametu daudzveidību, gametu saplūšanas nejaušība apaugļošanas laikā, daļu apmaiņa starp homologām hromosomām - tas viss (un ne tikai tas) attiecas uz rekombināciju.
R. rodas homologu hromosomu diverģences rezultātā meiozē vai DNS molekulu mijiedarbības rezultātā, kuras rezultāts ir DNS sekciju pārnešana no vienas molekulas uz otru (R. šaurā nozīmē). Pārsūtīšana var būt savstarpēja (savstarpēja R.) un vienpusēja (neabpusēja R.). R. var novērot somatiski. un dzimumšūnām, lai gan mitotiski dalošajās šūnās R. biežums ir mazāks nekā mejozē.
Ir 3 R. veidi šaurā nozīmē: vispārīgs, vietnei specifisks. un nelikumīgi (nepareizi). Ģenerālis R. vai šķērsojot, eikariotos, homologu DNS sekvenču apmaiņa, kas notiek visā genomā. To veic diploīdās un merozigotās (kas satur daļu no vienas vai divu vienojošu šūnu vai gametu genoma) šūnās homologu DNS sekciju sadalīšanas un atkārtotas savienošanas procesu dēļ. Šajā gadījumā veidojas hibrīda molekulas, kas nozīmē garumu (apm. 1000 nukleotīdu pāri), ko veido pavedieni no dažādām rekombinējošām DNS molekulām, pamatojoties uz to komplementaritāti. Vietnei specifiski R. notiek stingri ierobežotos apstākļos. piemēram, genoma reģioni ar 10-20 nukleotīdu pāriem. kad profāgi ir iekļauti baktēriju genomā.
Saskaņā ar nelikumīgo R. kuru mehānisms nav pietiekami pētīts, mēs saprotam nehomologu DNS molekulu mijiedarbību, kas izraisa ģenētiskas strukturālas pārkārtošanās. materiāls: translokācijas, inversijas, dalījumi utt. (sk. HROMOSOMĀLĀ PĀRSTRUKTURĒŠANA). Piemēram, pamatojoties uz R., viņi nosaka, vai gēni pieder vienai vai otrai saiknes grupai, un konstruē ģenētiskos datus. kartes, kas atspoguļo gēnu secību saiknes grupās, nosaka mutāciju alelitāti ar līdzīgām fenotipiskām izpausmēm. Mērķtiecīga rekombinantās (hibrīdās) DNS ražošana ir gēnu inženierijas pamats.
85. Ontoģenēze. Embrionālās attīstības periodi un to raksturojums.
Pārbrauktuves atvēršana. Pieņemot, ka vienā hromosomā atrodas vairāk nekā viens gēns, rodas jautājums, vai viena gēna alēles homologā hromosomu pārī var mainīties vietām, pārejot no vienas homologas hromosomas uz otru. Ja šāds process nenotiktu, tad gēni tiktu apvienoti tikai ar nejaušu nehomologu hromosomu diverģenci meiozē, un gēni, kas atrodas vienā homologo hromosomu pārī, vienmēr tiktu mantoti saistīti - kā grupa.
T. Morgana un viņa skolas pētījumi ir parādījuši, ka gēni regulāri notiek homologā hromosomu pārī. Identisku homologu hromosomu sekciju apmaiņas procesu ar tajās esošajiem gēniem sauc par hromosomu šķērsošanu vai šķērsošanu. Šķērsošana nodrošina jaunas gēnu kombinācijas, kas atrodas homologās hromosomās. Šķērsošanas parādība, kā arī saikne izrādījās raksturīga visiem dzīvniekiem, augiem un mikroorganismiem. Identisku reģionu apmaiņas klātbūtne starp homologām hromosomām nodrošina gēnu apmaiņu vai rekombināciju un tādējādi ievērojami palielina kombinētās mainīguma lomu evolūcijā.
Šķērsošanas ģenētiskā analīze.
Par hromosomu krustojumu var spriest pēc organismu sastopamības biežuma ar jaunu īpašību kombināciju. Šādus organismus sauc par rekombinantiem.
Apsveriet vienu no klasiskajiem Morgana eksperimentiem ar augļu mušām, kas ļāva viņam pierādīt, ka gēni atrodas hromosomās noteiktā secībā.
Drosofilā melnas ķermeņa krāsas recesīvais gēns ir apzīmēts ar b, un tā dominējošā alēle, kas nosaka mežonīgo pelēko krāsu, ir b+, rudimentāro spārnu gēns ir vg, bet normālo spārnu gēns ir vg+. Šķērsojot mušas, kas atšķiras ar diviem savienotu rakstzīmju pāriem, pelēkas ar rudimentāriem spārniem b+vg½½b+vg un melnas ar normāliem spārniem bvg+½½bvg+, F1 hibrīdi b+vg½½ bvg+ ir pelēki ar normāliem spārniem.
Attēlā redzami divi analizējoši krusti: vienā tēviņš ir diheterozigots, otrā – mātīte. Ja hibrīdu tēviņus krusto ar mātītēm, kas ir homozigotas attiecībā uz abiem recesīviem gēniem (♀bvg½½bvg ♂ X b+vg½½bvg+), tad pēcnācējus sadala proporcijā 1 pelēkas miesas muša ar vestigiāliem spārniem: 1 melna ķermeņa muša ar normāliem spārniem. Līdz ar to šis diheterozigots ražo tikai divu veidu gametas (b+vg un b+vg), nevis četras, un vīrieša dzimumšūnu gēnu kombinācija atbilst viņa vecāku dzimumšūnu kombinācijai. Pamatojoties uz norādīto šķelšanos, jāpieņem, ka tēviņš neapmainās ar homologu hromosomu sekcijām. Patiešām, vīriešu Drosophila gan autosomās, gan dzimuma hromosomās parasti nenotiek šķērsošana, kā rezultātā tiek novērota pilnīga gēnu saikne, kas atrodas tajā pašā hromosomā.
Var pieņemt, ka pelēkā ķermeņa krāsa un pēdējie spārni, kā arī melnais ķermenis un normālie spārni ir zīmju pāri, kas mantoti kopā viena gēna pleiotropās darbības dēļ. Tomēr, ja analīzei ņemam heterozigotas mātītes, nevis tēviņus, tad Fb tiek novērots atšķirīgs sadalījums. Papildus vecāku rakstzīmju kombinācijām parādās jaunas - mušas ar melnu ķermeni un vesaliem spārniem, kā arī ar pelēku ķermeni un normāliem spārniem. Šajā krustojumā to pašu gēnu saikne tiek pārtraukta tāpēc, ka homologu hromosomu gēni ir apmainījušies vietām krustošanās dēļ.
Gametes ar hromosomām, kurām ir veikta krustošanās, sauc par krustošanos, un tās, kurām ir hromosomas, kurām nav veikta krustošanās, sauc par nekrosoveriem. Attiecīgi organismus, kas radušies, apvienojot hibrīda krustojošās gametas ar analizatora gametām, sauc par krosoveriem vai rekombinantiem, un tos, kas radušies no hibrīda gametām, kas nav krustojušās, sauc par nekrosoveriem vai nerekombinantiem.
Crossover mehānisms
Meiotiskais krosovers.
Pat pirms hromosomu krustošanās atklāšanas ar ģenētiskām citoloģijas metodēm, pētot mejozes profāzi, viņi novēroja hromosomu savstarpējas sapīšanās fenomenu, no tām veidojot X formas figūras - chiasmus (z-grieķu burts “chi”). . 1909. gadā F. Jansens ierosināja, ka chiasmata ir saistīta ar hromosomu sekciju apmaiņu. Pēc tam šie attēli kalpoja kā papildu arguments par labu T. Morgana 1911. gadā izvirzītajai hipotēzei par hromosomu ģenētisko krustojumu.
Hromosomu šķērsošanas mehānisms ir saistīts ar homologu hromosomu uzvedību mejozes I fāzē. Atcerēsimies tās īpašības. I fāzē homologās hromosomas ir konjugētas ar identiskiem reģioniem. Katra divvērtīgā hromosoma sastāv no diviem hromatīdiem, bet divvērtīgā - no četriem. Tādējādi konjugācija ir vienīgais brīdis, kad var notikt krustošanās starp homologām hromosomām. Tātad šķērsošana notiek četru hromatīdu stadijā un ir saistīta ar chiasma veidošanos.
Ja vienā bivalentā nebija viena apmaiņa, bet divas vai vairākas, tad šajā gadījumā veidojas vairākas chiasmatas. Tā kā divvērtīgajā ir četras hromatīdas, tad acīmredzot katrai no tām ir vienāda varbūtība apmainīties ar sekcijām ar jebkuru citu. Šajā gadījumā apmaiņā var piedalīties divi, trīs vai četri hromatīdi.
50. attēlā parādīta šādu apmaiņu diagramma: 1) abpusēja dubultapmaiņa starp divām nemāsas hromatīdām, kas neizraisa gēnu rekombinācijas, ja apmaiņa neietekmē marķiergēnus; 2) diagonālā apmaiņa, kad divas māsas hromatīdas divos dažādos reģionos vienlaikus nonāk vienā krustojumā ar vienu un to pašu nemāsas hromatīdu, un ceturtā hromatīda apmaiņā nav iesaistīta. Šīs dubultās apmaiņas rezultātā rodas trīs rekombinantās hromosomas un viena paliek nerekombinanta (50.,2.,3.att.); 3) komplementāra apmaiņa, kad visos četros hromatīdos notiek atsevišķa apmaiņa dažādos reģionos, divi nemāsas hromatīdi no četriem pāriem vienā vietā, bet pārējie divi citā, kā rezultātā rodas četras rekombinantās hromosomas. (50.4. att.). Šajā gadījumā dubultie krustojumi var rasties vienlaicīgas vienas apmaiņas starp hromatīdiem rezultātā, apmaiņā piedaloties trim hromatīdiem.
Līdz šim ir apsvērta šķērsošana starp hromatīdiem, kas nav māsas. Apmaiņa māsu hromatīdos nevar izraisīt rekombināciju, jo tās ir ģenētiski identiskas, un tāpēc šādai apmaiņai nav jēgas kā kombinētas variācijas bioloģiskam mehānismam.
Somatiskā (mitotiskā) šķērsošana. Kā jau minēts, šķērsošana notiek mejozes 1. fāzē gametu veidošanās laikā. Tomēr ir somatiska vai mitotiska šķērsošana, kas notiek somatisko šūnu, galvenokārt embrija audu, mitotiskās dalīšanās laikā.
Ir zināms, ka mitozes profāzē esošās homologās hromosomas parasti nekonjugējas un atrodas neatkarīgi viena no otras. Tomēr dažreiz ir iespējams novērot homologu hromosomu sinapses un chiasmata līdzīgas figūras, taču hromosomu skaita samazināšanās nav novērota.
Somatiskā krustošanās var izraisīt simptomu mozaīkas izpausmi.
Šķērsošanas uzskaite tetradu analīzē
Augstākajos organismos šķērsošanu, kas notika mejozes profāzē, vērtē pēc krustojošo rekombinanto indivīdu biežuma, ņemot vērā, ka to izskats atspoguļo krustojošo un nešķērsojošo gametu attiecību.
Lai tieši pierādītu rekombinanto zigotu atbilstību krustojošām gametām, ir jānosaka šķērsošanas rezultāti tieši no mejozes haploīdiem produktiem. Šajā gadījumā gēniem ir jādarbojas haplofāzes laikā. Objekts, uz kura bija iespējams veikt šādu pētījumu, bija, piemēram, pelējums (Neurospora crassa), kura dzīves cikla lielākā daļa notiek haplofāzē, un diploīdā fāze ir ļoti īsa.
Drīz pēc apaugļošanas zigotā sākas meiotiskā dalīšanās, kas noved pie ascus - haploīdu sporu maisa - veidošanās. Sadalīšanas laikā vārpstas ass sakrīt ar maisa garenasi. Tāpēc mejozes produkti - sporas - maisā ir sakārtoti ķēdē. Mejozē notiek divas normālas nobriešanas dalīšanās, tad viena mitotiskā dalīšanās, kā rezultātā katrā maisiņā veidojas 8 askosporas.
Tā kā Neurospora spēj tieši noteikt mejozes produktu šķērsošanas rezultātus, šajā gadījumā sadalīšanas rakstura noteikšana būs tiešs pierādījums tam, ka sadalīšana un šķērsošana notiek meiozes gadījumā. Šī metode ir jau aprakstītās tetradu analīzes variācija, bet tiek piemērota saistītajiem gēniem.
Monohibrīda krustojuma gadījumā sagaidāma segregācija haploīdos produktos (sporās) attiecībā 1A:1a. Asci starp 8 sporām ir 4 krāsainas (A) un 4 nekrāsotas (a) sporas, t.i. tiek novērots sadalījums 1: 1. Ja nav krustošanās starp gēnu un centromēru, sporu secība maisā ir šāda: AAAAaaaa. Ja askosporu secība mainās, piemēram, AAaaAAAaa, tas norāda, ka ir notikusi krustošanās starp a lokusu un centromēru.
Sporu atrašanās vieta būs atkarīga no hromosomu segregācijas pirmajā un otrajā meiotiskajā sadalījumā. Alēles A un a maisiņā var sadalīties pēc sporām citā secībā: aaAAAaAA, aaAAAAAAa, AAaaaAA.
Šajā gadījumā krustojums notiek apgabalā starp šī gēna lokusu un centromēru. Jo tālāk gēns a tiek noņemts no centromēra, jo lielāka ir krosovera iespējamība un līdz ar to, jo vairāk būs krustojuma asci. Ja krustojums notiek starp hromosomas distālo galu un a gēnu, askosporu krustojums netiks atklāts.
Sporu secības maiņa ascus krustošanās laikā starp gēnu un centromēru ir iespējama tikai tad, ja tā notiek četru virkņu stadijā, t.i., starp hromatīdiem. Ja rekombinācija notiktu laikā, kad katra hromosoma vēl nav dublējusies, sporu secība ascus nemainītos. Līdz ar to sporu secības izmaiņas šajā gadījumā kalpo kā pierādījums tam, ka šķērsošana notiek starp hromatīdiem, kas nav māsas, t.i., četru virkņu stadijā.
Tāpēc, runājot par šķērsošanas mehānismu un ģenētiskajām sekām, tikai vienkāršības labad tas tiek skaidrots ar apmaiņu starp veselām hromosomām; patiesībā notiek apmaiņa starp hromatīdiem. Šīs Neurospora īpašības ļauj noteikt gēna atrašanās vietu hromosomā, ņemot vērā tikai viena alēļu pāra sadalīšanos, kas nav iespējams diploīdos organismos, kuriem nevar veikt tetradu analīzi.
Tādējādi tetradu analīze pierāda, ka gan Mendeļa segregācija, gan šķērsošana ir balstīta uz mejozes likumiem.
Citoloģiskie pierādījumi par šķērsošanu
Pēc tam, kad ar ģenētiskām metodēm tika konstatēts krustošanās fenomens, bija nepieciešams iegūt tiešus pierādījumus par homologu hromosomu sekciju apmaiņu, ko pavada gēnu rekombinācija. Mejozes profāzē novērotie chiasmata modeļi var kalpot tikai kā netiešs pierādījums šai parādībai; nav iespējams noteikt apmaiņu, kas notikusi ar tiešu novērojumu, jo homologās hromosomas, kas apmainās ar sekcijām, parasti ir absolūti identiskas pēc izmēra un formas.
Kreitovam un Makklintokam kukurūzā izdevās iegūt formu, kurā homologās hromosomas morfoloģiski atšķīrās - viena bija normāla, bet otrai vienas rokas galā bija sabiezējums, otrai roka bija iegarena. Šīs hromosomu pāra struktūras pazīmes tika viegli atklātas citoloģisko pētījumu laikā.
Eksperimentā normālā hromosomā bija recesīvs gēns c (nekrāsots endosperms) un dominējošais gēns wx+ (cietes endosperma), izmainītā hromosoma – dominējošais gēns c+ (krāsains endosperms) un recesīvais gēns wx (vaskainā endosperma). Diheterozigota tika šķērsota ar līniju ar morfoloģiski normālām hromosomām, kas marķētas ar recesīviem c un wx gēniem. Pēcnācēji ražoja gan nekrosoverus, gan krosoverus graudus. Pētot tos citoloģiski, tika atklāts, ka krustojošie graudi vienmēr satur hromosomas ar apmainītām sekcijām: normāla garuma, bet ar sabiezējumu vai iegarenas bez sabiezēšanas.
Tādējādi vienlaikus citoloģiski un ģenētiski tika parādīts, ka gēnu rekombināciju pavada homologu hromosomu sekciju apmaiņa meiotiskajā profāzē.