18.Сцепление генов. Кроссинговер. Метод соматической гибридизации клеток и его применение для картирования генов человека в хромосомах.

Генетика человека

Сцепление генов и карты хромосом

Хромосомная теория наследственности была сформулирована и экспериментально доказана Т. Морганом и его сотрудниками. Согласно этой теории, гены находятся в хромосомах и расположены в них линейно. Гены, локализованные в одной хромосоме,

119

называются сцепленными, наследуются вместе и образуют группу сцепления. Количество групп сцепления соответствует числу пар гомологичных хромосом. У человека 46 хромосом: 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (XX или XY), следовательно, у женщин 23 группы сцепления, а у мужчин – 24, так как половые хромосомы мужчины (XY) не полностью гомологичны друг другу. Каждая из половых хромосом мужчины имеет гены, характерные только для Х- и только для Y-хромосомы, которым соответствуют группы сцепления Х- и Y-хромосомы.

Гены, локализованные в одной хромосоме и образующие группу сцепления, сцеплены не абсолютно. В зиготе-не профазы первого мейотического деления гомологичные хромосомы сливаются вместе с образованием бивалентов, затем в пахитене происходит кроссинговер-обмен участками между хроматидами гомологичных хромосом. Кроссинговер – обязательный процесс. Он осуществляется в каждой паре гомологичных хромосом. Чем дальше друг от друга расположены гены в хромосоме, тем чаще между ними происходит кроссинговер. Благодаря этому процессу, возрастает разнообразие сочетания генов в гаметах. Например, пара гомологичных хромосом содержит сцепленные гены АВ и ab. В профазе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют и образуют бивалент:

АВ
ab

Если кроссинговер между генами А и В не произойдет, то в результате мейоза образуется два типа некроссоверных гамет: АВ и ab. Если же кроссинговер состоится, то получатся кроссоверные гаметы: Ab и аВ. то есть группы сцепления изменятся. Чем более удалены друг от друга гены А и В, тем больше возрастает вероятность образования и, соответственно число кроссоверных гамет.

Если гены в большой хромосоме расположены на достаточном расстоянии друг от друга и между ними в мейозе происходят многочисленные перекресты, то они могут наследоваться независимо.

Открытие кроссинговера позволило Т. Моргану и сотрудникам его школы в первые два десятилетия XX века разработать принцип построения генетических карт хромосом. Явление сцепления было использовано ими для выяснения локализации генов, расположенных в одной хромосоме, и создания генных карт плодовой мушки Drosophila melanogaster. На генетических картах гены располагаются линейно друг за другом на определенном расстоянии. Расстояние между генами определяется в процентах кроссинговера, или в морганидах (1 % кроссинговера равен одной морганиде).

Для построения генетических карт у растений и животных проводят анализирующие скрещивания, в которых достаточно просто рассчитать процент особей, образовавшихся в результате кроссинговера, и построить генетическую карту по трем сцепленным генам. У человека анализ сцепления генов классическими методами невозможен, поскольку невозможны экспериментальные браки. Поэтому для изучения групп сцепления и составления карт хромосом человека используют другие методы, в первую очередь генеалогический, основанный на анализе родословных. Рассмотрим на конкретном примере, как можно выявить группу сцепления генов и констатировать кроссинговер, анализируя родословные.

Чтобы выявить кроссинговер, необходимо исследовать либо большую родословную, либо несколько небольших. На рис. 5.1 1, А приведена родословная, в которой одновременно наследуются красно-зеленая слепота (дальтонизм) и гемофилия. На протяжении трех поколений пораженными оказываются только лица мужского пола, следовательно, признаки являются рецессивными и X-сцепленными. Гетерозиготные женщины (II,1 и III,2) имеют как здоровых, так и страдающих дальтонизмом и гемофилией сыновей. Лица женского пола в данной семье здоровы. Эти факты также подтверждают Х-сцепленную природу наследования обоих признаков. Поскольку оба признака определяются генами, находящимися в Х-хромосоме, следовательно, гены сцеплены.

Обозначим рецессивные гены, определяющие дальтонизм и гемофилию, а и b соответственно, тогда группа сцепления будет Хab:

P: Хab Y × ХABХABI

F1: ХABХabII.

Гетерозиготная женщина из поколения F1(II) выходит замуж за здорового мужчину (ХABY), и имеет двух здоровых дочерей, одного здорового сына и двух сыновей со сцепленным наследованием генов гемофилии и дальтонизма, что соответствует законам наследования признаков, сцепленных с Х-хромосомой. В этом случае группа сцепления передается из поколения в поколение, и кроссинговер не выявлен.

Если гены, образующие группу сцепления, находятся на достаточном расстоянии друг от друга, то между ними возможен кроссинговер. Известны родословные, в которых выявляются кроссоверные особи. Одна из таких родословных представлена на рис. 5.11 ,Б. Проведем генетический анализ этой родословной. В поколении II женщина здорова, но является гетерозиготной носительницей гена гемофилии, полученного ею от своего отца вместе с X-хромосомой. Среди сыновей этой женщины есть не только гемофилик, но и дальтоник, следовательно мы вправе предположить, что она является носительницей ген, определяющего дальтонизм, хотя сама здорова. Используя для обозначения генов, определяющих развитие гемофилии и дальтонизма, буквенные символы, указанные выше, можно записать генотипы вступающих в брак гетерозиготной женщины и здорового мужчины (II):

121

ХaB ХAb × ХABX II

У матери могут образоваться некроссоверные гаметы: ХaB, ХAb. Но если между генами, определяющими дальтонизм и гемофилию, в ооцитах матери произойдет кророссинговер, тогда образуются кроссоверные гаметы: ХAB, Хab. При оплодотворении некроссоверных гамет матери гаметами отца ХAB, Y образуются генотипы, которые определяют фенотипическое проявление дальтонизма и гемофилии у сыновей:

ХaBY(III, 3) ХAbY(III, 2)
дальтонизм гемофилия

При оплодотворении кроссоверных гамет матери образуются кроссоверные генотипы, определяющие у сыновей фенотипическое проявление двух признаков одновременно или здоровый фенотип:

ХABY(III, 4) Хab(III, 1)
здоров дальтонизм
гемофилия

Анализируемая родословная невелика, поэтому нельзя однозначно утверждать, то генотип матери именно таков, каким мы его представили. Вероятен и вариант, что генотип матери ХABХab. Тогда фенотип сыновей может оставаться точно таким же, но 1 и 4 будут некроссоверными, а 2 и 3 – кроссоверными.

Точное установление генотипов родителей при наборе достаточного количества обследованных семей, позволяет определить частоту кроссоверных генотипов. Разработаны сложные статистические методы для объективной оценки количества кроссоверных особей на основе анализа родословных. Такая оценка дает возможность установить расстояние между генами, участвующими в процессе кроссинговера.

В некоторых случаях сцепление генов может быть выявлено путем обзора обширных родословных. Статистический анализ большого количества родословных конкретизирует параметры сцепления, а компьютерные расчеты уточняют наиболее вероятные частоты рекомбинаций сцепленных генов. Установленные же частоты рекомбинаций в группах сцепления позволяют построить генные карты по группам сцепления.

Пары генов или группы сцепления аутосомных генов невозможно соотнести с конкретными хромосомами, используя только формально-генетический анализ родословных. Для установления конкретной локализации генов использовались морфологические маркеры хромосом. Например, на длинном плече первой хромосомы вблизи центромеры часто обнаруживается вторичная перетяжка. Морфология этой перетяжки бывает различной, а наследуемость определенной морфологии прослеживается в череде поколений. С присутствием слишком тонкой и длинной перетяжки связано наличие некоторых патологий. Анализ родословных в связи с морфологией первой хромосомы выявил группу сцепления из трех локусов: врожденной очаговой катаракты, группы крови Даффи и локуса Un – 1.

Маркерами при определении групп сцепления в конкретных хромосомах могут служить и достаточно крупные, выявляемые морфологически делеции.

Другой подход в поисках соответствия групп сцепления конкретным хромосомам связан с исследованием уровня активности метаболических ферментов. Так, у больного с синдромом Дауна, причиной которого стала трисомия по 21-й хромосоме, оказалась повышенной активность ряда ферментов, что может зависеть от увеличения дозы

122

генов за счет увеличения количества 21-х хромосом. Предположение, что эти ферменты кодируются генами, локализованными в 21-й хромосоме, позже подтвердилось. Однако проведение грубых аналогий всегда связано с некоторым риском, поскольку хромосомный дисбаланс может приводить к нарушениям регуляции активности генов, локализованных в разных хромосомах.

Накопление данных о группах сцепления генов у человека продвигалось очень медленно. Прорыв в этой области был достигнут с возникновением новых технологий, основанных на гибридизации соматических клеток в клеточных культурах, в частности, метода картирования.

В гибридных клетках человек-мышь, полученных в результате слияния анеуплоидных L-клеток мыши и диплоидных эмбриональных фибробластов человека, 75-95% человеческих хромосом утрачиваются в процессе культивирования, причем их утрата носит случайный характер. Среди множества разнообразных гибридов всегда найдется клетка, сохранившая ту или иную хромосому человека. После размножения этой клетки можно провести анализ ферментов, активность которых связана с наличием именно данной хромосомы. Использование методов дифференциального окрашивания хромосом позволяет связать гены с определенными локусами хромосом, так как в гибридных клетках довольно часты хромосомные разрывы, перестройки, присутствие не целых хромосом, а отдельных фрагментов.

Современные методы картирования развивались на основе молекулярной биологии, генной инженерии, гибридизации на препаратах хромосом с ДНК-зондами. Новые принципы картирования хромосом человека описаны в главе 3. Данные о сцеплении генов в хромосомах, полученные современными методами картирования, достаточно хорошо согласуются с первоначальными результатами, основанными на методах классической генетики. Так, подтверждено расположение в первой хромосоме генов группы крови Даффи, локуса Un-1, и врожденной очаговой катаракты, картированных ранее. К настоящему времени эта самая крупная хромосома человека является наиболее изученной. В ее составе обнаружены гены, кодирующие белки разных классов. Это и ферменты, и белки групп крови резус-фактор, и факторы свертываемости крови. В популяциях людей отмечен полиморфизм генов этой хромосомы. Мутации в некоторых из них вызывают характерные генетические заболевания, например, фенилкетонурию.

В последние годы достигнуты большие успехи в выявлении сцепления и локализации локусов сцепления в определенных хромосомах, изучены все 24 группы сцепления, построены цитологические карты генов хромосом человека, в которых для каждого сегмента дифференциально окрашенной хромосомы показано, какие гены на каком расстоянии друг от друга там находятся. Ожидается, что среднее количество генов, соответствующих одному сегменту, – несколько сотен. Сегодня генная карта человека достаточно насыщена: картировано около 8000 генов, и число это быстро растет. В рамках же международной программы “Геном человека” к 2005 г. будет картировано большинство генов.

Анализ групп сцепления человека показывает, что в ряде случаев локус сцепления объединяет родственные гены. Так, например, сцеплены локусы гемоглобинов человека: γ, δ и b. Иммуноглобулиновый район содержит несколько локусов, ответственных за синтез γ-глобулиновых полипептедных

123

цепей. В первой хромосоме локализовано не менее четырех генов, вовлеченных в контроль процесса гликолиза. Известны и другие функциональные группы сцепления.

Все тесные группы сцепления называются кластерами. Считается, что генные кластеры – результат эволюционного процесса. Их могут порождать генные дупликации, неравный кроссинговер, создавая основу для дальнейшей функциональной специализации генов в ходе эволюции. В отсутствие хромосомных перестроек, разбивающих кластер, гены остаются тесно сцепленными.

Порядок расположения генов в кластере может иметь функциональное значение. Так, в β-глобиновом кластере человека гены гемоглобина расположены в той последовательности, в какой они экспрессируются в онтогенезе человека: ε, γ β и σ.

Родственные гены не всегда сцеплены в один кластер. Гены α-глобиновой группы человека, очевидно, родственные генам β-глобиновой группы, не являются сцепленными. Возможно, причину этого явления следует искать в характере эволюционного процесса, хотя не исключается и функциональная значимость такой локализации.

Частота кроссинговера зависит не только от расстояния между генами. Известны и другие факторы, влияющие на рекомбинацию сцепленных генов. В свое время имела место дискуссия относительно влияния возраста родителей на уровень рекомбинации. Действительно, в ряде локусов частота кроссинговера в мейозе возрастает с возрастом, но для других локусов это утверждение неверно. Обсуждается предположение о том, что у гомогаметного пола (XX) кроссинговер происходит чаще.

До недавнего времени исследования по сцеплению представляли, в основном, теоретический интерес. Ныне же появилась возможность практически применять полученные знания. Например, если ген А вызывает редкое наследственное заболевание, проявляющееся в позднем возрасте, а ген В тесно сцеплен с геном А и является генетическим маркером, то появление в семье признака, определяемого геном В, заставляет ожидать наследственного заболевания, определяемого геном А. Кроме того, в раннем возрасте можно предсказать вероятность наследственной патологии и скорректировать образ жизни человека, чтобы уменьшить риск развития патологии.

Достоверная информация о группах сцепления важна для дородового генетического консультирования, поскольку точная дородовая диагностика по любой наследственной патологии осуществима только тогда, когда возможно определенное предсказание на основе анализа генотипа родителей.

124

Рубрики: Биология

Комментарии

No Комментарии

Leave a reply

Союз образовательных сайтов