i,93-юб ггисло возможных последовательностей в молекуле ДНК человека, очевидно, много больше этого огромного числа. Содержание ДНК в гаплоидном геноме некоторых эукариотических организмов представлено на рис. 5.1. Числа на шкале показывают, во сколько раз количество ДНК превышает количество ДНК в геноме Е. coli.

Из сказанного выше становится ясно, почему большая часть современных знаний о генетической организации ДНК основана на генетическом анализе,, а не на химическом анализе последовательностей нуклеотидов в ДНК. Генетический анализ позволяет составлять подробные модели (карты) генетической организации хромосом. Для многих организмов оказалось возможным очень точное сопоставление таких генеРис. 5.1. Относительное количество ДНК в гаплоидном наборе клеток различных организмов. За единицу принято содержание ДНК в геноме Е. coli (3,2-106 нуклеотидных пар). (J. D. Watson, Molecular Biology of the Gene, 3rd ed., W. A. Benjamin, Menlo Park, Calif., 1976.)

тических карт с физической организацией ДНК в соответствующих хромосомах. Основы такого генетического анализа были заложены Менделем (гл. 2). Наблюдавшееся Менделем независимое распределение аллелей отвечает расположению соответствующих генов в разных хромосомах и, следовательно, в разных молекулах ДНК. В этой главе описывается применение генетического анализа к изучению генетической организации ДНК отдельных хромосом.

Методы генетического анализа развивались применительно к генетике диплоидных эукариотических организмов. Поскольку эти методы разработаны исходно для организмов, жизненный цикл которых включает мейоз, то именно для таких организмов они и излагаются в этой главе. В последующих главах мы увидим, как методология анализа используется при изучении генетической организации бактерий и вирусов, у которых мейоза нет.

Для того чтобы достичь максимального понимания генетической организации, генетики сосредоточили свое внимание на изучении сравнительно небольшого числа организмов, наиболее удобных для генетического анализа. Из эукариотических организмов в качестве объекта была выбрана плодовая мушка Drosophila melanogaster. Среди бактерий таким организмом послужила Е. coli, а среди вирусов-бактериофаги Т2, Т4, лямбда и фХ174. Изучение этих геномов послужило парадигмой при изучении генетической организации других организмов.

Дополнение 5.1. Линии, гомозиготные по двум

рецессивным мутациям

В природе линии, гомозиготные по двум рецессивным мутациям, почти не встречаются: генетики вынуждены специально конструировать их для постановки анализирующих скрещиваний. Используемый для этого метод схематически изображен на рис. 5.2: дигомозиготные особи возникают в результате рекомбиРис. 5.2. Генотипы потомства в поколении F2 полученном от скрещивания двух линий, каждая из которых гомозиготна по одному рецессивному гену. Гомозигота по двум рецессивным аллелям представлена в правом нижнем углу.

нации в поколении F2 от скрещивания

особей, гомозиготных по разным рецессивным мутациям.

^ /т>\ я Ь+ , а+Ь

Скрещивание (Р) —х

Рекомбинация сцепленных генов

Объединение множества генов в одной хромосоме определяет характер наследования признаков, контролируемых этими генами. Гены, находящиеся в одной хромосоме, часто не расходятся независимо и потому представляют собой второе исключение из законов Менделя (первым было рассмотренное нами ранее наследование, сцепленное с полом). Гены, характер наследования которых отличается от независимого расщепления, называются сцепленными.

Во второй главе мы видели, что Мендель постулировал два возможных исхода скрещивания двух чистых линий гороха, одна из которых имеет гладкие желтые семена (КЯУУ), а другая-морщинистые и зеленые (ггуу). Если при формировании гамет в поколении F1 распределение аллелей независимо, то следует ожидать возникновения в равных долях четырех типов гамет (RY,Ry,rY и гу), что ведет к появлению в поколении четырех фенотипов в отношении 9:3:3:1. Если же аллели каждого родителя оставались при формировании гамет в поколении Fj вместе, то возникли бы лишь два типа гамет: RY и гу. Другими словами, гены, определяющие форму семян и их цвет, были бы полностью сцеплены. Результат такого полного сцепления проявлялся бы в поколении F2. Оно было бы представлено лишь растениями двух типов с гладкими желтыми семенами и с морщинистыми зелеными в отношении 3:1. Если бы эти гены были полностью сцеплены, то каждая

Рис. 5.3. Генотипы потомства от анализирующего скрещивания по двум генетическим локусам. Выписанные справа числа означают долю (в %) соответствующего генотипа в потомстве, если 1) локусы а и Ъ расходятся в мейозе независимо и 2) если они полностью сцеплены.

Родительское скрещивание

Анализирующее скрещивание

(1)

Независимое расщепление

а Ь

а Ь

а Ь а Ь

а Ь

а Ь+ а Ъ

> Родительские типы

„ Рекомбинантные типы

Ожидаемое количество (%)

(2)

Полное сцепление

Типы потомства

я Ь

я Ь я Ь

а+Ь

Родительские типы

50

50

рекомбинантные типы

пара признаков (гладкие и желтые, а также морщинистые и зеленые) наследовалась бы как один признак.

Генетики предпочитают изучать сцепление посредством анализирующего скрещивания, т. е. скрещивания с родительской линией, гомозиготной по рецессивным генам (рис. 5.2). При анализирующем скрещивании фенотип потомства прямо отражает типы гамет, формируемые гетерозиготным родителем, как это показано для случаев независимого расщепления и полного сцепления на рис. 5.3. В первом из представленных на рис. 5.3 случаев при независимом расщеплении аллелей двух генов следует ожидать, что в равном отношении образуются четыре генотипа. Два из них содержат те же сочетания аллелей, что и у родителей (а + Ь + и ab), а два-новые рекомбинантные сочетания аллелей [а + Ь и ah +). Если в потомстве родительские типы и рекомбинантные типы представлены в равном отношении, то, значит, гены а и 6 в мейозе гетерозиготного родителя расходятся независимо и могут быть названы несцеп-ленными. Частота рекомбинации между двумя генами определяется как доля обоих рекомбинантных типов в потомстве (в примере, представленном на рис. 5.3, 50/100 = 0,5, или 50%). Если гены находятся в независимо расходящихся разных хромосомах, то частота рекомбинации равна 50%. Обратное, как мы вскоре увидим, вообще говоря, не всегда справедливо.

Во втором из представленных на рис. 5.3 случаев абсолютная связь между двумя генами ведет к тому, что в потомстве от анализирующего скрещивания следует ожидать появления лишь двух генотипов. Такое полное сцепление может служить веским, хотя и не исчерпывающим свидетельством в пользу того, что оба гена расположены в одной хромосоме.

На рис. 5.3 приведен пример анализирующего скрещивания, выявляющего полное сцепление двух рецессивных аутосомных признаков

Скрещивание родителей

Рис. 5.4. Полное сцепление, наблюдаемое

в анализирующем

скрещивании у дрозофилы, когда самец гетерозиготен ПО обоим Анализирующее

локусам. скрещивание:

Ъ

Рг

РГ

b Рг

Фенотип

Наблюдаемое количество

Ожидаемое при независимом расщеплении

Потомство;

Ь рг Черное тело

374

193

Родительские типы

Ь рг Пурпурные глаза + +

Дикий тип

398

193

Черное тело

193

Рг

Пурпурные глаза О

193

Всего: 772

772

дрозофилы: черный цвет тела (Ь) и пурпурные глаза [рг). Если самец гетерозиготен по обоим генам, то комбинации аллелей в спермиях тождественны их комбинации в родительском генотипе, в результате чего в потомстве у половины мух тело черное и глаза пурпурные, а вторая половина потомства принадлежит дикому типу. Рекомбинантных сочетаний родительских аллелей не наблюдается: ни черных мух с нормальными глазами, ни мух с нормальным цветом тела и пурпурными глазами в потомстве нет. Представленные на рис. 5.4 данные указывают на полное сцепление генов, изучавшихся в этом скрещивании, из чего следует, что оба гена расположены в одной и той же хромосоме.

Полного сцепления между аллелями двух различных генов обычно не наблюдается. Действительно, если признаки «черное тело и пурпурные глаза» всегда полностью сцеплены, т.е. всегда в мейозе расщепляются вместе, то мы вправе предположить, что оба признака являются проявлениями одного мутантного гена. Причину, по которой эти два гена ведут себя при скрещивании, представленном на рис. 5.4, как полностью сцепленные, мы обсудим после того, как рассмотрим результаты аналогичного скрещивания, в котором самка гетерозиготна по обоим генам.

В этом случае, как показано на рис. 5.5, в потомстве представлены четыре типа: два родительских (черное тело, пурпурные глаза и дикий тип) и два рекомбинантных (черное тело, нормальные глаза и нормальное тело, пурпурные глаза). Это те четыре типа, которых следует ожиРис. 5.5. Частичное сцепление, наблюдаемое при анализирующем скрещивании у дрозофилы, когда гетерозиготна по обоим локусам самка.

Родительское скрещивание :

Анализирующее скрещивание ;

Ж

Hill

pr

pf

Фенотип

Наблюдаемое количество

Ожидаемое при независимом расщеплении

Потомство :

рг Черное тело

210

120

Родительские типы рГ Пурпурные глаза

Дикий тип

240

120

рг

Черное тело

14

120

Рекомбинантные типы

рг

Пурпурные

16

120

I'-рг:. глаза

Всего: 480

480

дать, если анализируемые гены расходятся независимо. Однако мух ре-комбинантных типов много меньше, чем мух, имеющих родительский генотип (30/450), тогда как при независимом расхождении их число должно было бы быть примерно одинаковым (240/240). Такое отклонение от ожидаемого при независимом расщеплении свидетельствует о наличии сцепления. Генетики оценивают степень сцепления в таком скрещивании частотой рекомбинантных типов в потомстве: частота рекомбинаций в этом случае равна 30/480 = 0,0625, или 6,25%. Частота рекомбинаций для несцепленных генов равна 50% (240/480 = 0,50).

Рекомбинантные типы при таком скрещивании (рис. 5.5) возникают из рекомбинантных гамет, образующихся у самки в процессе кроссинго-вера при мейозе. Кроссинговер обычно происходи