Факультет

Студентам

Посетителям

Генетический контроль частоты и распределения кроссоверных обменов

Тема: Генетика  

При переходе от низших организмов к высшим наблюдается значительное (примерно в 104 раз) уменьшение частоты кроссинговера на единицу физической длины ДНК.

Однако, поскольку частоту рекомбинаций следует рассматривать с учетом количества нуклеотидных пар, суммарное число рекомбинаций в геноме эукариот оказывается намного большим, чем у прокариот.

Мейотическая рекомбинация слагается из нескольких событий, которыми управляют серии различных генов, контролирующих мейоз. Наряду с обшей регуляцией кроссинговера в ядре существуют специфические регуляторы для каждой хромосомы и даже каждого сегмента. Обычно выделяют семь ключевых цитогенетических этапов мейоза, в отношении которых установлен специальный генный контроль: вступление в мейоз, конъюгация гомологичных хромосом, мейотическая рекомбинация, хиазмообразование, расхождение гомологов, цитокинез, второе деление мейоза. Причем система контроля мейоза — это одновременно и объект регуляции, а геном и хромосома оказываются как регулирующей, так и реагируемой единицей. Примером изменения в контролирующей системе служат мутации генов, влияющие на межхромосомный эффект гетерозиготных инверсий (гетерозиготность по инверсии в одной части генома вызывает увеличение числа рекомбинаций в других частях). Генетические системы, контролирующие уровень и спектр рекомбинационной изменчивости, могут быть отобраны, например, по разной величине контролируемых ими значений частоты (rf), а также распределению кроссоверных обменов.

Степень влияния генетических факторов на частоту рекомбинаций варьирует в довольно широком диапазоне. Например, десинаптические мутации у ячменя приводят к полному подавлению процесса рекомбинации. Частичное подавление рекомбинации за счет генетических факторов описано у лимской фасоли, томата и других культур. Различные частота и типы распределения хиазм, наблюдающиеся в популяциях, расах или видах, непосредственно связаны с межгенной рекомбинацией и, следовательно, могут иметь адаптивное значение. Во всяком случае различия по частоте хиазм вполне можно ожидать для любых двух популяций, которые занимают разные экологические ниши. Существенное влияние на характер распределения и частоту хиазм оказывают также структурные изменения хромосом.

Наряду с гипотезой об общем генетическом контроле кроссинговера высказываются предположения о двухуровневом контроле образования и распределения хиазм. Показано, что процесс мейотической рекомбинации может находиться как под моногенным, так и пол и генным контролем. Полигенный контроль мейотической рекомбинации обнаружен, например, у томата. И все же большинство исследователей считают, что частота рекомбинаций регулируется сбалансированной генетической системой, а значительная часть изменчивости по частоте кроссинговера является аддитивной.

Установлено влияние цитоплазмы на частоту кроссинговера, в том числе и при межвидовой гибридизации. Отбор на количественные признаки приводит к изменению частоты кроссинговера, которое, в свою очередь, обусловлено взаимодействием ядерных и цитоплазматических детерминантов. Получены доказательства генетической обусловленности неслучайного распределения обменов и выявлены соответствующие факторы. Причем частота кроссинговера в разных зонах одной и той же хромосомы изменяется под действием экзогенных и эндогенных факторов неодинаково. В то же время отмечаются изменения частоты кроссинговера в разных направлениях (плюс и минус) в проксимальной и дистальной зонах хромосомы.

Регуляция конъюгации хромосом. Выяснение механизма, посредством которого две гомологичные хромосомы конъюгируют в мейозе — один из наиболее важных этапов в понимании механизма рекомбинационного процесса в целом, поскольку конъюгация между гомологами должна предшествовать обмену генетической информацией (кроссинговеру и конверсии). Считается, что синапсис начинается в мейотической профазе. Однако процессы конъюгации могут происходить и неодновременно во всех частях генома.

Большинство мейотических мутантных генов подавляют конъюгацию гомологичных хромосом и (или) образование хиазм, т. е. изменяют уровень и, вероятно, спектр рекомбинационной изменчивости. Наиболее полно изучены мутантные гены, влияющие на мейоз и вызывающие мужскую стерильность (ms-гены), а также ингибирующие синапсис и образование хиазм (синаптические гены) и приводящие к гамстной стерильности.

Показано, что генетическая система 5В и локализованные в ней мейотические гены обусловливают мейотическую изоляцию гомеологичных хромосом у обычной пшеницы (Triticum aestivum), а также у ее гибридов с различными видами эгилопса и ржи. Аналогичные факты отмечены и у гибридов пшеницы с другими видами. Расшифровка механизмов олигогенной регуляции конъюгации хромосом пшеницы практически открыла путь к индуцированной конъюгации гомеологичных хромосом разных геномов и обмену генетическим материалом между ними. Установлено, например, что блокирование гомеологичной конъюгации обусловлено геном Ph, расположенным на длинном плече хромосомы 5В. Достаточно было удалить хромосому SB или подавить ее действие, как появлялась возможность конъюгации не только с гомологами, но и с хромосомами родственных видов и родов. Получена серия мутантных mei-генов, в том числе и рецессивный ген ph-I, эффективно снимающий запрет на конъюгацию пшеничных хромосом с гомеологами и способствующий рекомбиногенезу. Предлагают вводить ген ph-I в неполные пшенично пырейные амфидиплоиды, у которых к 42 хромосомам мягкой пшеницы добавлено 14 хромосом пырея.

Межхромосомное влияние перестроек. Наличие гетерозиготной инверсии в одном плече или в одной паре хромосом вызывает увеличение частоты кроссинговера в некоторых участках другого плеча и в других хромосомах. При этом различные сегменты ведут себя неодинаково и наибольшее повышение уровня кроссинговера наблюдается обычно в центромерной зоне хромосомы, тогда как в дистальной зоне оно слабее. Реакция на инверсию в значительной мере зависит от генотипической среды, а эффект интерференции особенно заметен при множественных обменах. Транслокации, локализованные дистально в плече хромосомы, являются более эффективными ингибиторами кроссоверов, чем локализованные проксимально. Под влиянием инверсии частота кроссинговера возрастает в других хромосомах генома, тогда как в пределах самой инверсии отмечают снижение частоты кроссинговера и повышение ее за пределами инверсии в той же хромосоме. Транслокации обычно уменьшают не только одиночные, но и множественные обмены в геноме.

Существует несколько гипотез относительно механизмов межхромосомных влияний на кроссинговер. Считается, например, что межхромосомное влияние связано с факторами, обусловливающими скорее предпосылки возникновения кроссинговера, чем сам кроссинговер. К их числу относятся инверсии и транслокации в гомо — и гетерозиготах, анеуплоидные изменения, мутации нескольких основных генов и т. д. Влиянию этих же факторов подвержены и внутрихромосомные эффекты. Для объяснения межхромосомного влияния перестроек используют гипотезы «эффекта положения», селективной элиминации рекомбинантных гамет и зигот, подавления «центромерного эффекта» (преждевременное отталкивание центромер), конкуренции бивалентов (конкуренция за хиазмы между бивалентами в пределах ядра), задержанной конъюгации.

Влияние добавочных хромосом (B-хромосом), размера генома, полиплоидии, анеуплоидии и мобильных элементов. Добавочные хромосомы обнаружены у нескольких сотен видов растений и у многих животных. Большее число B-хромосом в диплоидном гибриде обычно увеличивает общую частоту хиазм и, что особенно важно, в эухроматиновых зонах хромосом. Модификации конъюгации хромосом, обусловленные добавочными хромосомами, описаны для пшеницы, кукурузы и других культур. Так, у ржи с увеличением числа дополнительных хромосом повышается изменчивость частоты хиазм.

Однако наряду с индуцирующим мейотическую рекомбинацию действием B-хромосом у некоторых культур (райграса, пшеницы и др.) был выявлен и противоположный эффект в образовании хиазм. Увеличение содержания гетерохроматина за счет добавочных хромосом влияет не только на вегетативное развитие организмов, но и на характер конъюгации хромосом, частоту и распределение хиазм в мейозе, фертильность пыльцы, завязываемость семян и т. д. Следовательно, добавочные хромосомы, имеющие, как правило, незначительное фенотипическое влияние, могут быть использованы для стабилизации мейоза, например, в межвидовых гибридах.

Выявлена зависимость уровня кроссинговера от плоидности: в одних сегментах у триплоидов частота кроссинговера вдвое выше, а в других — вдвое ниже, чем у диплоидов. У трисомных растений кукурузы наблюдается повышенная частота одиночных и двойных обменов. Возможно также увеличение частоты кроссоверов в тетраплоидных организмах. Показано, что компенсирующие трисомики томата можно успешно использовать для переноса отдельных хромосом из диких видов растений в культурные. У растений кукурузы, трисомных по короткому плечу 5-й хромосомы, обнаружено повышение частоты хиазм, а моносомия по разным хромосомам приводит к изменению уровня рекомбинаций в локусе waxy гетерозиготы wx-C/wx-90.

Имеются данные, свидетельствующие о влиянии на частоту кроссинговера мобильных элементов генома. Так, у кукурузы инсерция модулятора Мр приводит почти к двукратному увеличению rf в соседнем маркированном сегменте у гетерозигот по реципрокной транслокации Т1-2. В то же время влияние мобильных элементов на rf характеризуется высокой вариабельностью вплоть до полного отсутствия эффекта.

Различия по частоте кроссинговера в зависимости от пола и возраста. Частота кроссинговера зависит от пола и возраста. Показаны существенные сегментоспецифичные количественные различия по частоте кроссинговера при формировании мужских и женских гамет у гороха, кукурузы, ячменя, томата, лука и других культур. Отмечается и реципрокный эффект по рекомбинации, когда частота и распределение кроссоверных обменов у гибрида зависят от выбора направления скрещивания исходных форм. Если у гороха более высокая частота обменов по изученным сегментам оказалась в микроспорогенезе, то у ячменя величина rf выше в макроспорогенезе. Существенное изменение уровня кроссинговера у разных по возрасту початков, кистей и других репродуктивных органов указывает на целесообразность раздельного использования в селекции соответствующих семян.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: