Анализ на механизма на кръстосване на хромозомите
За да се осъществи кръстосването на хомоложни хромозоми, е необходима тяхната предварителна връзка по двойки - синапсис.
Обикновено това се случва само в профаза I.
Причините и механизмът на синапсиса остават неясни. Предполага се, че гените, разположени в идентични локуси на хромозоми, придобиват свойството на взаимно привличане като противоположно заредени частици или че отделят специални вещества, които осигуряват един вид положително "такси" на хромозомите.
Хромозомните нишки на всяка от хомоложните хромозоми на етапа на профаза I имат определена локализация на хромомерите, които са вид морфологични маркери за всяка двойка хомоложни хромозоми: в идентични части на хромозомите те се оказват сходни по размер и морфология. Не можем да си представим, че хромомерите са подобни на гените, но постоянството им във формата и техния брой във всяка хромозома дава основание да се смята, че тяхното образуване е наследствено обусловено. Те могат да се използват за разпознаване на всяка хромозома в комплекта на всеки вид в стадия на лептотен на профаза I. В стадия на зиготата подобни хромомери се привличат един към друг и са подредени по двойки. В резултат на синапсиса се образуват двувалентни. В следващия, диплоиден стадий, хроматидите се усукват, в резултат на което хиазмите се обръщат. На същия етап центромерите започват да се делят и разминават и сега само хиазмата поддържа двувалентните хроматиди в един комплекс.
Тъй като центромерите се отклоняват към противоположните полюси, хиазмата се терминализира. Поради терминализацията на хиазмата и продължаващата спирализация на хроматидите се образуват различни фигури на бивалентите или тетрадите (етап на диакинеза).
В зависимост от това дали кръстосването е настъпило и ако е настъпило, дали е било единично или двойно, двувалентните фигурипроменят формата си.
Схема за терминализация на хиазма
При едно кръстосване в телоцентричните хромозоми (т.е., когато центромерата е в края на хромозомата), хиазмата се плъзга от центромерата към дисталните краища на хромозомите и при диакинезата се образуват пръчковидни двувалентни фигури. При двоен кръст в метацентричната хромозома (т.е., когато центромерът е разположен в средата на хромозомата), бивалентите образуват пръстени. Понякога тези фигури могат да бъдат по-сложни.
На първия етап от изучаването на кросоувър механизмът му изглеждаше доста прост. Първоначално се смяташе, че генната рекомбинация възниква поради прекъсвания в идентични региони на хомоложни хромозоми и последващия им обмен на равни сегменти. Моментът на пресичане беше насочен към етапа на профаза I, започвайки от синапсиса на етапа на зиготена, и се смяташе, че се случва между хомоложни единични хромозомни вериги или вече удвоени хромозоми. Последното произтича от факта, че при мейозата две деления на ядрото съответстват на едно възпроизвеждане на хромозоми. Сега е установено, че репликацията на ДНК се извършва в интерфаза. Следователно хромозомите, които вече са в стадия на лептотен, са двойни.
Въз основа на генетичен анализ е твърдо установено, че кросинговърът се извършва на четири хроматиден етап. Доказателство за това е получено в Drosophila, използвайки различни модели на кръстосване при соматично кръстосване, в тризомика на царевица и в невроспори и дрожди, използвайки тетраден анализ. Също така няма съмнение, че кросингоувърът е свързан с образуването на хиазма, въпреки че причинно-следствената връзка на това остава необяснена.
Честотата на мейозата, по време на която се обменят идентични региони между хомоложни хромозоми, зависи от разстоянието между изследваните гени.Колкото по-отдалечени са гените, толкова повече обмен е възможен. Въпреки това, процентът на кръстосването спрямо общия брой преброени потомци никога не надвишава 50%. Нека приемем, че е настъпил единичен кросинговър, т.е. една хиазма се е образувала в един двувалент и от четирите хроматиди на двувалентния само две несестрински хроматиди са разменили идентични участъци.
Другите две несестрински хроматиди на всяка хромозома остават незасегнати от кръстосването. Очевидно във всеки двувалентен 50% от хроматидите или бъдещите хромозоми са рекомбинантни и 50% са нерекомбинантни. В резултат на две мейотични деления се образуват две гамети с родителски тип разположение на гените и две с рекомбинантен тип.
Схема на образуване на гамети след еднократно кръстосване
Следователно, дори ако се случи едно кръстосване във всички клетки (т.е. 100%), които са претърпели мейоза, тогава в този случай само половината от гаметите (50%) ще носят кръстосани хромозоми.
Но колкото по-голямо е разстоянието между гените, толкова по-често ще се извършва обмен в мейозата и обратно. Например, ако от 1000 клетки, в които са извършени и двете разделения на мейозата, единичен кросинговър е настъпил само в 100 случая, тогава от 1000⋅4 образувани гамети 200 ще бъдат рекомбинантни, а 200 ще бъдат нерекомбинантни. Средният процент на рекомбинации за всички преброени гамети ще бъде 200/4000⋅100 = 5%.
Този процент показва честотата на кръстосване между двата преброени гена. Ако кръстосването се случи не в 100, а в 200 клетки, които са влезли в мейоза от 1000, тогава, въз основа на честотата на кръстосване, разстоянието между гените трябва да бъде два пъти по-голямо от 400/4000⋅100 = 10%.
Да предположим сега, че в един двувалентен не е имало един пресичане, а два или повече. В допълнение, всеки хроматид на хромозоматабивалентът може да бъде заменен независимо във всяка комбинация с хроматиди на друга хромозома от същия бивалент и след това се образуват няколко хиазми. Тъй като има четири хроматиди в двувалентната, очевидно е, че всяка от тях има еднаква вероятност да размени места с всяка друга. В този случай две, три или всичките четири хроматиди могат да участват в обмена, но на всяко място всеки хроматид се обменя с несестринския хроматид на другата хромозома само веднъж.
Схема на двойни хиазми и продукти на двоен обмен между тетрадните хроматиди
Схемата на такива обмени е дадена:
1) реципрочен двоен обмен между две не-сестрински хроматиди, който не дава генни рекомбинации, ако маркерните гени не са засегнати от обмена;
2) диагонален обмен, когато две сестрински хроматиди в два различни региона едновременно влизат в едно кръстосване със същия не-сестрински хроматид, а четвъртият хроматид не участва в обмена (в резултат на такъв двоен обмен възникват три рекомбинантни хромозоми и една остава нерекомбинантна);
3) допълнителен обмен, когато всичките четири хроматиди претърпяват единичен обмен в различни региони, две от четирите несестрински хроматиди по двойки претърпяват един обмен на едно място, а другите две на второ, в резултат на което възникват четири рекомбинантни хромозоми.
Двойни кросоувъри могат да възникнат в резултат на едновременен единичен обмен между хроматиди с участието на три двувалентни хроматиди в обмена. Ако вземем предвид общо всички комбинации от хроматиди в двоен обмен: некръстосани хроматиди, хроматиди с единичен обмен и хроматиди с двоен обмен, получаваме съотношение 4:8:4, или 1:2:1, където първият клас е некръстосани хроматиди, вторият е единичен и третият е двоен кръстосанхроматиди. Специални изследвания показват, че при редица организми кръстосването на едно място между две сестрински хроматиди не засяга кръстосването между две хроматиди на други места на същия двувалент. Това доказва, че в този случай няма хроматидна интерференция: кръстосването между някои хроматиди не засяга кръстосването между други хроматиди.
В случай, че маркерните гени не участват в двойното кръстосване, рекомбинантните хроматиди няма да бъдат открити и ще се появят само единични. Ако тази двойка хромозоми в двувалентната беше маркирана с три двойки гени в хетерозиготно състояние ABC / abc, тогава за двойката гени A C, разположени извън мястото на обмен, съотношението между не-кръстосване и кръстосване би било 2:2.
В горните изчисления ние изхождаме от факта, че кръстосването на хроматиди в хомоложни хромозоми се случва на случаен принцип и всеки обмен не засяга другия. Посочено е обаче наличието на феномена интерференция, когато се нарушава случайността на обмена. Тогава множество обмени могат да възникнат или по-рядко (положителна интерференция), т.е. един обмен потиска друг, или по-често (отрицателна интерференция), т.е. един обмен допринася за друг, в сравнение с честотата при липса на тяхното взаимно влияние.
Правете разлика между хроматидна интерференция и хиазматична интерференция. Хроматидната интерференция означава отклонение от случайното участие в обмена на всичките четири хроматиди на двувалентния, т.е. някои хроматиди влизат в обмена по-често или по-рядко, други. В този случай се наблюдават отклонения на резултатите от различните видове двойни обмени от съотношението 4 : 8 : 4 (или 1 : 2 : 1). Хроматидната интерференция може да бъде положителна или отрицателна. Положителна хроматидна интерференция възниква, когатокогато участието на един и същ хроматид в един обмен предотвратява участието му във втория обмен, отрицателно - когато същият хроматид преференциално включва и двата обмена.
Хиазматична интерференция се нарича положително или отрицателно взаимно влияние на обмените един върху друг по дължината на двувалентния, независимо от участващите хроматиди. И двата вида смущения зависят от структурата на хромозомите, мястото на обмен и други фактори. Отрицателна интерференция може да възникне в бивалентите на различни организми, но на практика се разкрива само чрез тетраден анализ, където проектите за мейоза се контролират директно.
Както посочихме, предполага се пряка връзка между кръстосването и образуването на хиазми; хиазмите са външна проява на текущ или минал обмен на секции между хроматиди на хомоложни хромозоми. Тъй като кросингоувърът може да бъде многократен, очевидно е, че броят на хиазмите може да бъде повече от един на бивалент. Тъй като всяка хиазма се формира чрез обмен между всеки две несестрински хроматиди от четири, броят на откритите клетки (мейози) с хиазми винаги е два пъти по-голям от честотата на открит кросингоувър.
Ако има съответствие между броя на хиазмите и честотата на пресичане, то може да се провери. За да направи това, К. Дарлингтън оцени максималния размер на дължината на генетичните карти на хромозомите на царевицата въз основа на преброяването на броя на хиазмите в профаза I. Той откри, че има средно 27 хиазми на 10 бивалентни в мейозата (клетките) в царевицата. Тъй като бивалентите имат различни дължини, той направи корекция за дължината на всеки бивалент. Дарлингтън изчислява, че 1 хиазма съответства на разстояние от 50 морганиди на генетичната карта. 2,0 хиазми на бивалент съответстват на разстояние от 100 морганиди, 3,5хиазма - в 175 морганиди и др.
Въпреки факта, че броят на локализираните гени в групите за свързване на царевица се е увеличил значително за 16 години на изследване и съответно генетичните карти на хромозомите са се „удължили“, въпреки това в никакъв случай не е открит излишък от изчислената дължина. Тъй като новите мутантни гени се локализират в царевицата, изчислените данни ще станат по-съгласувани с емпиричните данни.
Хиазмите обикновено се наблюдават в проксималните области на хромозомите. Паралелно с това беше установено, че кросинговърът също се извършва по-често в проксималните и по-рядко в дисталните области на хромозомите. Важно е да се отбележи, че при липса на хиазма обикновено не се получава кросингоувър.
Съществува определена връзка между броя на хиазмите и дължината на хромозомата. Много късите хромозоми имат само една хиазма на бивалент. С увеличаване на дължината на хромозомите броят на хиазмите се увеличава до 10. Все още обаче не е установена пряка връзка между дължината на хромозомите и броя на хиазмите на бивалент.
Досега сме обмисляли кръстосване между не-сестрински хроматиди. Естествен въпрос е дали може да има обмен на места, т.е. кръстосване, между сестрински хроматиди, които са заедно за дълго време в профаза I на мейозата и митозата. Такова предположение може да се направи по отношение на висшите организми, имащи диплоиден набор от хромозоми и сексуално размножаване. Много е вероятно за бактерии, където е установена пръстенната хромозома, като например при Escherichia coli.
Тук няма да представяме целия курс на експериментално доказателство за наличието на кръстосване между сестрински хроматиди поради неговата сложност. Само ще посочим, че върху специални хромозомни модели (пръстенови хромозоми) при царевица Б. Макклинток и Д. Шварц през 1953 г. показват, чеима и обмен на места между сестрински хроматиди. По-късно с помощта на радиоавтографски методи е доказано съществуването на такива обмени при различни растителни и животински видове и при човека.
Обменът в сестринските хроматиди не може да доведе до рекомбинация, тъй като те са генетично идентични и поради това няма биологично значение като механизъм на наследствена комбинативна вариабилност.