Независимое распределение и гомологичная рекомбинация хромосом, генов в мейозе
Фундаментальный факт человеческой биологии — то, что каждое поколение воспроизводится объединением гаплоидных гамет, сформированных при независимом распределении хромосом из каждой пары, и рекомбинации гомологов в мейозе. Чтобы полностью разобраться с понятиями, лежащими в основе генетического анализа сцепления и тестов ассоциаций, необходимо кратко ознакомиться с поведением хромосом и генов в мейозе.
Независимое распределение и гомологичная рекомбинация в мейозе
В первом делении мейоза гомологичные хромосомы спариваются и выравниваются вдоль мейотического веретена. Отцовский и материнский гомологи обмениваются гомологичными сегментами (кроссинговер), создавая новые хромосомы, представляющие «смесь» из различных частей хромосом бабушки и деда. Показано также, что ребенок в поколении III наследует материнскую хромосому, содержащую сегменты, производные от всех четырех его предков по матери.
Создание таких хромосом подчеркивает понятие генетической индивидуальности у человека: каждая хромосома, унаследованная ребенком, никогда не будет точно такой же, как любая из двух копий этой хромосомы у родителя. В основном каждая хромосома содержит некоторые сегменты, производные от отца родителя и другие сегменты от его матери (деда и бабушки ребенка).
Поскольку гомологичные хромосомы под микроскопом обычно выглядят идентично, необходим метод их дифференциации; только тогда мы сможем проследить происхождение каждого сегмента хромосомы, унаследованной конкретным ребенком, чтобы определить происходили ли и, если да, то где, события рекомбинации в гомологичных хромосомах. С этой целью используют генетические маркеры, т.е. любые характеристики, располагающиеся в одной позиции в паре гомологичных хромосом, позволяющие отличать одну гомологичную хромосому от другой.
Благодаря проекту «Геном человека» стали доступными миллионы генетических маркеров, легко выявляемых при ПЦР-анализе.
Независимо распределяющиеся аллели в локусах на разных хромосомах
Предположим, есть два полиморфных локуса, 1 и 2, в разных хромосомах, с аллелями D и d в локусе 1 и аллелями М и n в локусе 2. Если конкретный генотип в этих локусах Dd и Mm, т.е. он гетерозиготен по обоим локусам с аллелями D и М, унаследованными от отца, и аллелями d и т, унаследованными от матери. Две разные хромосомы выстраиваются в метафазной пластинке в мейозе I с равной вероятностью в одной из двух ориентации.
После завершения мейоза в гамете возможны четыре комбинации аллелей, DM, dm, Dm, и dM, причем каждая комбинация равновероятна, — феномен, известный как независимое распределение. Поскольку гаметы DM содержат только отцовские аллели, а гаметы dm — только материнские, эти гаметы называются родительскими, а гаметы Dm или dM, содержащие один отцовский и один материнский аллель, — неродительскими гаметами. Половина (50%) гамет будут родительскими (DM или dm) и 50% — неродительскими (Dm или dM).
Аллели в локусах одной хромосомы распределяются независимо, если между ними в каждом мейозе происходит по крайней мере один кроссинговер
Предположим, что имеется гетерозигота по двум локусам 1 и 2 с аллелями D и M отцовского и d и m материнского происхождения, но локусы находятся в одной и той же хромосоме. Гены, находящиеся в одной хромосоме, называются синтенными (буквально, «в той же нити») независимо от того, насколько близко они расположены в данной хромосоме. Как эти аллели будут вести себя в течение мейоза? Мы знаем, что в каждой хромосоме в мейозе происходит от одного до четырех кроссинговеров на этапе четырех нитей, когда есть четыре хроматиды в каждой паре хромосом.
Если в пределах сегмента хроматид между локусами не происходит ни одного кроссинговера (игнорируя все, что происходит в сегментах за пределами интервала между локусами), мы увидим в гаметах генотипы DM и dm, совпадающие с исходными родительскими хромосомами; следовательно, родительская хромосома является нерекомбинантной хромосомой. Если по крайней мере один кроссинговер происходит в участке между локусами, результирующие хроматиды могут быть как нерекомбинантными, так и отличающимися от родительских хромосом; такая хромосома будет рекомбинантной.
Одна, две или больше рекомбинаций, происходящих между двумя локусами на этапе четырех хроматид, приводят к образованию 50% нерекомбинантных (родительских) и 50% рекомбинантных (неродительских) гамет, т.е. к той же пропорции, как если бы локусы находились в разных хромосомах. Таким образом, если два синтенных локуса достаточно далеко расположены в хромосоме, между ними в каждом мейозе происходит, по крайней мере, один кроссинговер. В результате, соотношение рекомбинантных и нерекомбинантных генотипов будет в среднем 1:1, подобно тому, как если бы локусы находились в разных хромосомах и распределялись независимо.
