Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ рекомбинации у эукариот: общие закономерности

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Анализ рекомбинации у эукариот: общие закономерности"

РГО од

: Р о 0: ЯИНОК АЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение Институт цитологии и генетики

ГОРЛОВ Иван Петрович

АНАЛИЗ РЕКОМБИНАЦИИ У ЭУКАРИОТ: . ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Генетика - 03.00.15

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

На правах рукописи УДК 576.312.32:599.3

Новосибирск, 1993

Работа выполнена в Институте цитологии и генетики СО РАН,

г.Новосибирск

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Богданов Ю.Ф. Институт общей генетики РАН, г. Москва

доктор биологических наук Евсиков В.И.

Биологический институт СО РАН, г. Новосибирск

доктор биологических наук Чадов Б.Ф.

Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Ведущее учреждение:

Кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского университета, г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится " -/"Г" Эё/^Ягргг? 1993 г. на ЯыЬХкШ'М заседании специализированного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д-002.11.01 при Институте цитологии и генетики СО РАН в конференц-зале Института по адресу: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, ю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии и генетики СО РАН

Автореферат разослан " 40 " НО*и\пл$ 1993 г. Ученый секретарь

специализированного совета

доктор.биологических наук А.Д.Груздев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем. Генетика началась с классической работы Менделя и получила мощное развитие в исследованиях школы Моргана. Было продемонстрировано, что наследование можно описывать как процесс передачи из поколения в поколение дискретных наследственных факторов - генов. То, какие именно комбинации генов будут переданы потомству, зависит от сегрегации хромосом в мейозе и мейотического кроссинговера. Два этих процесса лежат в основе формальных законов наследования, найденных Менделем и Морганом. Это тот фундамент, на котором строится здание современной генетики. Однако, как это ни парадоксально, нам удивительно кало известно об этих процессах.

Мы сосредоточили свои усилия на исследовании генетической рекомбинации. Несмотря на то, что рекомбинация изучается почти ао лет, в этой области есть целый ряд нерешенных проблем, имеющих принципиальное значение для понимания сущности рекомбинационного процесса, генетического картирования, а такяе для выяснения эволюционной роли рекомбинации.

Известно, что кроссоверные обмены распределены вдоль мейотического бивалента неравномерно. В связи с этим возникает следующий вопрос: насколько распределения обменов вдоль бивалентов уникальны? Существуют ли (хотя бы для некоторых классов хромосом) эволюционно консервативные паттерны распределений кроссовершх обменов? .

Как известно, расстояния на генетических картах определяются числом и распределением кроссоверных обменов вдоль хромосом. Число и распределение обменов, в свою очередь, зависят от интерференции хиазм. Поэтому важно иметь максимально полную информацию об интерференционной структуре бивалента. Под последней мы понимаем величину и знак интерференции в разных районах бивалента.

Показано, что многие природные популяции растений и животных полиморфны по хромосомным перестройкам (FergusonSmith, 1973î Giraud et al., 1979; Kilcnadse, 1987), которые оказывают влияние на число и распределение кроссоверных

- 1 -

обманов (Greenbaum, Reed, 1984; Горлов, 1990; Gorlov et al., 1991). Рекомбинавдонные эффекты хромосомных перестроек, в свою очередь, могут приводить к изменениям в сегрегации гоиологов в мейозе, увеличивать вероятность появления генетически несбалансированных гамет (Adler et al., 1989). Поэтому весьма актуален поиск общих закономерностей, проявляющихся в изменении кроссинговера под действием хромосомных перестроек.

Особенно важной проблемой рекомбинологш является проблема эволюционной роли процесса перекомбинирования генов. Действительно, выяснение конкретных механизмов рекомбинацнонного процесса приобретает смысл лишь при условии, что мы знаем ответ на главный вопрос: зачем нужна рекомбинация? Крупнейшие эволюционисты (см., например: Мэйнард СМИТ, 1981; Bernstein et al., 1985) считают проблему поиска биологического значения рекомбинации одной из наиболее актуальных задач современной эволюционной теории.

Цели и задачи исследования. Общая цель данного исследования состояла в детальном, всестороннем анализе феноменологии рекомбинации. Для достижения этой цели были поставлены следущиэ задачи:

1. Выяснить, насколько жестко определяется частота рекомбинации в данном районе бивалента его генетическим содержанием.

2. Определить, есть ли какая-либо зависимость меаду характером распределения хиазм вдоль бивалента и средним числом хиазы на бивалент; оценить эту зависимость у филогенетически далеких видов.

3. Исследовать факторы, влияющие на число и распределение хиазм. Оценить роль этих факторов в контроле числа и распределения хиазм.

4. Провести детальный анализ интерференционной структуры бивалента. Выяснить, как зависит интерференция от физического расстояния между обменами и от локализации обменов в биваленте.

5. Используя цитогенетические методы, выяснить, существует ли хроматидная интерференция у мышей.

6. Изучить влияние разнообразных хромосомных перестроек

на число и распределение хиазм и попытаться найти общие закономерности в рекомбинационных эффектах хромосомных перестроек.

7. В качестве прикладной задачи проанализировать возможность использования распределений хиазм для генетического и цитологического картирования.

8. Критически проанализировать существующие гипотезы об эволюционной роли рекомбинации. Разработать математическую модель, позволяющую оценивать селективные преимущества рекомбинации в разных условиях.

Научная новизна. В результате данного исследования впервые продемонстрировано, что главным фактором, определящим частоту кроссинговера в конкретном районе, является не его генетическое содержание, а локализация относительно центромеры и теломеры в пределах хромосомного плеча (йог1о7 et а1., 1991). Показано существование эволюционно консервативных паттернов хиазменных распределений. Это позволило по-новому осмыслить гипотезу коадаптированных генных комплексов.

С использованием оригинального подхода впервые проведен детальный анализ интерференционной структуры мейотическйх бивалентов. Это позволило обнаружить ряд неожиданных свойств хиазменной интерференции, таких как сложная нелинейная зависимость силы интерференции от физического расстояния между обменами, полярность интерференции, район-специфичные интерференционные взаимодействия через центромеру (Горлов и др., 1993а). Показано, что интерференционная структура, мейотических бивалентов эволюционно консервативна.

В исследованиях на транс-дигетерозиготах по перекрывающимся парацентрическим инверсиям показано, что хиазменная интерференция между обменами, локализованными в рядом расположенных инвертированных участках, отсутствует. На этой же модели впервые получены экспериментальные доказательства положительной хроматидной интерференции. Это позволяет оспаривать вошедшее в учебники утверждение, что хроматидной интерференции не существует (см., например: Смирнов, 1991).

Цитогенетический анализ большого числа разнообразных - 3 -

хромосомных перестроек продемонстрировал их сложное, часто непредсказуемое влияние на характер изменения частот кроссинговера (Горлов, 1990; Borodin et al., 1991; Gorlov et al., 1993).

Сформулирована гипотеза, по-новому объясняющая связь между синапсисом, кроссинговером и интерференцией. В рамках этой гипотезы синаптонемный комплекс является не условием, а следствием мейотического кроссинговера. Основная функция синаптонемного комплекса состоит в создании прочных связей между гомологами, что обеспечивает стабилизацию кроссоверного обмена. Распространение синапсиса от сайтов кроссинговера блокирует кроссинговер в окрестности кроссоверного обмена и является физическим процессом, который лежит в основе генетической интерференции.

Предложен оригинальный способ генетического и цитологического картирования на основе распределения хиазм вдоль мейотических бивалентов (Горлов и др., 1987).

Сформулирована гипотеза о гетерогенном происхождении рекомбинантов у человека (Горлов и др., 1993b). Согласно этой гипотезе, регистрируемые в генетическом анализе рекомбинанты возникают вследствие нескольких процессов, различающихся по времени реализации и механизмам. Это позволяет объяснить случаи нарушений принципов генетического картирования - например, несовпадение порядка генов на цитологической и генетической карте.

Предлагается новое объяснение эволюционной роли процесса перекомбинирования генов: рекомбинационный процесс обеспечивает возможность популяции с ограниченной численностью длительное время поддерживать • жизнеспособность в условиях постоянно действующего мутационного давления (Горлов, 1991). Разработана аналитическая математическая модель, позволяющая количественно оценить влияние рекомбинации на численность и жизнеспособность популяции (Калинина, Горлов, 1993).

Теоретическая и практическая значимость. Значение

полученных в настоящей работе результатов состоит в следующем:

1. Продемонстрированный в работе позиционный контроль - Л -

кроссинговера заставляет отвергнуть целый класс гипотез, которые объясняют различную частоту рекомбинации в разных районах хромосомы различиями в их генетическом содержании (см. Король, 1990).

2. Найденные нами особенности интерференционных взаимодействий в пределах мейотического бивалента, включающие в себя нелинейную немонотонную зависимость между коэффициентом коинциденции и физическим расстоянием между обменами, интерференцию через центромеру, полярность и район-специфичность интерференции, показывают, насколько сложным феноменом является интерференция.

3. Наличие хроматидной интерференции позволяет по-новому объяснить более высокий . уровень генетической интерференции, найденный у мышей по сравнению с другими видами (Parsons, 1958; Robinson, 1972).

4. Сложный характер хиазменной интерференции, а также наличие хроматидной интерференции приводят к заключению, что вряд ли окажется возможным построить универсальные картирующие функции.

5. В генетической практике уже давно инверсии используются в качестве запирателей кроссинговера. Однако в настоящей работе показано, что в некоторых случаях инверсии могут служить индукторами кроссинговера в инвертированных участках. Это заставляет осторожно подходить к трактовке результатов работ с использованием мейотических бивалентов, содержащих инверсии.

6. Предложенный в настоящей работе способ цитологического и генетического картирования с использованием распределений хиазм может быть применен для разных видов, включая человека (Горлов и др., 1987; Горлов и др., 1993b).

7. Предложенная гипотеза эволюционного значения процесса перекомбинирования генов позволяет предсказывать направление изменения рекомбинации при усилении мутационного давления и при селекции на плодовитость (Gorlov et al., 1992).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на у съезде ВОГиС им. Н.М.Вавилова (Москва, 1987), VII и

- 5 -

VIII Международных конференциях по генетике мыши (Кембридж, 1988; Прага, 1990), II и ill Школах-семинарах по генетике и селекции животных (Новосибирск, 1985; Горноалтайск, 1989), Третьей конференции "Геном человека - 93" (Черноголовка, 1993)» семинарах Эдинбургского университета, Института Цитологии и Генетики СО РАН.

Объем и структура работы . Диссертация изложена на 271 странице машинописного текста и состоит из пяти частей, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 50 рисунками и 12 таблицами. Указатель цитированной литературы содержит 227 ссылок, в том числе 43 на русском языке.

Фактический материал диссертации включает в себя результаты анализа кроссинговера у представителей разных видов. Все результаты, касающиеся кроссинговера у мышей, получены автором. В работе были использованы литературные данные о частоте и распределении кроссоверных обменов у человека и саранчи, а также полученные Л.В.Высоцкой данные о числе и распределении хиазм у непарного зеленчука Chrysoohraon dispar И изменчивого конька Chorthippus biguttulus. Данные о синапсисе гомологов у гетерозигот по хромосомным перестройкам получены П.М.Бородиным.

Автор благодарен П.М.Бородину и Л.В.Высоцкой за чрезвычайно полезное обсуждение результатов работы. Автор также благодарит Т.Ю.Ладыгину и М.И.Родионову за неоценимую помощь в проведении экспериментов. Считаю своим приятным долгом выразить благодарность И.Л.Чепкасову за. сотрудничество и участие в обсуждении результатов. Автор признателен О.Ю.Калининой за разработку математической модели рэкомбинационного процесса.

На тему диссертации опубликовано 35 статей в журналах "Генетика", "Цитология", "Доклады Академии Наук", "Успехи современной биологии", "Известия СО АН СССР", "Сельскохозяйственная биология", "Chromosoma", "Heredity", "Journal of Heredity", "Cytogenetics and Cell Genetics", "Theoretical and. Applied Genetics".

Работа выполнена в секторе генетики мейоза лаборатории эволюционной генетики Института Цитологии и Генетики СО РАН.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основным методом, с помощью которого ш изучали рекомбинацию, был цитогенетический анализ хиазм на стадии диаюшеза.

Сегодня убедительно показано, что хиазмы являются цитологической манифестацией кроссоверных обменов - число и локализация хиазм на биваленте совпадает с числом и локализацией кроссоверных обменов (Kanda, Kato, 198О). Поэтому при изложении результатов нами используются оба термина: "хиазма" и "кроссоверный обмен".

Основной экспериментальный материал составили мыши разных линий и стоков, большинство которых поддерживается в виварии Института Цитологии и Генетики. В работе были использованы мыши следующих генотипов:

Hb(8;17)1Iem/Rb(8;17)1Iem, Rb(8;17)1Iem/+,

Rb(2;6)4Iem/Rb(2;6)4Iem, Rb(2;6)4Iem/+, Rb(l6;17)7Bnr/+, T(16;17)43H/+, T(14;15)6Ca/+, Rb(l6;17)7Bnr/T(16;17)43H, Rb(16;17)7Bnr/T(l6;17)43HA, In(1)1RV+, In(1)12Rk/+, In(1 )1Rk/In(1 )12Rk, PZt:DU, DU:6, DU:C, а также мыши, гомо-и гетерозиготные no двум сцепленным инсерциям Is(HSR;1C5)ileg и ls(HSR;3E)2Icg. Некоторые из перечисленных хромосомных перестроек найдены нами впервые (Агульник, Горлов и др., 1988).

Препараты мейотических хромосом готовили по методу, предложенному Ивенсом и др. (Evans et al., 1972). Для идентификации мейотических бивалентов в большинстве случаев было использовано С-окраишвание прицентромерного гетерохроматина (рис. 1) (Sumner, 1964), реже относительные размеры бивалентов.

Анализ хиазм проводили не менее чем у 5 мышей каздого генотипа, исследовали не менее 50 мейотических клеток от каждой мыши. Всего цитогенетическому анализу было подвергнуто около 200 животных и проанализировано более 10 тыс. мейотических клеток.

При анализе рекомбинации у человека мы воспользовались множественной линейной регрессией (ДрейПер, Смит, 1987). Для моделирования рекомбинационого процесса был разработан пакет

программ на языке су/вабю (Калинина, Горлов, 1993).

Рис. 1. Ыейотичесте хролюсоли на стадии диакинеза у ссищов гетерозигст от

скрещивания мшей лишй СВА/1ас и 1п(1)12ЕЬ. С-окрашивание. Ошаечены 1-й и 14-й Ои&иент, маркированные лплим блоком прицентромерного гетерохромшиш.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Распределение хиазм в нормальном кариотшю

1.1. Цитогенетический анализ кроссинговера .у самцов линии СВА/ьас Нас интересовало, как меняется распределение хиазм при изменении размера хромосомы. Чтобы получить соответствующие зависимости, мы разбили 19 аутосомных бивалентов мыши на 6 групп по их относительным размерам. В первую группу вошли 4 самые длинные аутосомы; во вторую и последующие - по три хромосомы. В последнюю, шестую грушу вошли три самые короткие аутосомы. Для всех груш были построены распределения хиазм. Они представлены на рисунке г.

Вопрос состоит в следующем: есть ли связь между средним числом хиазм на бивалент и характером распределения хиазм? Можно ли предсказать распределение хиазм вдоль бивалентов по среднему числу хиазм на бивалент?

Для сравнения распределений хиазм мы использовали следующую процедуру: площади гистограмм, описывающих распределения хиазм, приравнивались к единице; далее две гистограммы совмещались и вычислялась площадь их

р

<Г

в <

? V

{у!- ^ к

1 & «г*

в в. й

Рис. 2. Распределение хиазл вдоль хролооол 1- 6 групп °> (а)- е))

нормального кариошипа домовой лыт. По оси ординат отложена, частота хиазя в г) соответствующей хрояосохноя районе. Нумерация районов начинается с

центролеры.

о)

несовпадений s. Таким образом, каждая пара усредненных бивалентов описывалась двумя параметрами: s - степенью различий распределений хиазм и d - различием в средних числах хиазм на бивалент. Пирсоновский коэффициент корреляции между s и d равен 0.76 при п=15 (р < 0.001). Таким образом, чем .сильнее различаются мейотические биваленты по среднему числу хиазм, тем сильнее у них различаются распределения хиазм.

Можно ли обнаружить аналогичную зависимость у других видов? Идеальным объектом для исследования связи между числом и распределением хиазм является пустынная саранча Sohistooeroa gregaria. Данные о распределении хиазм у Sohiatooeroa gregaria мы взяли из статьи Хендерсона (Henderson, 1963).

Для бивалентов пустынной саранчи также обнаруживается высокодостоверная корреляция между величиной различий в среднем числе хиазм на бивалент - а - и степенью различий соответствующих распределений хиазм - S. Коэффициент корреляции в этом случае равен 0.72 для п=15 (р < 0.002).

Итак, распределение хиазм вдоль акроцентрических

0.7 О.в О. 5 0.4 0.3

о. в 0.1 о.о

о.в

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

0.8 0.4 0.3 0.2 0.1

1 2 3 4 5

12 3 4 5

1 г s 4 г

12 3 4 5

dd

1 2 3 4 5

12 3 4 5

Э)

• 0.0

хромосом зависит от среднего числа хиазм на бивалент. Возникает вопрос: одинаковы ли эти зависимости для мыши и саранчи? Если да, то после объединения бивалентов мыши и саранчи в некий условный кариотип корреляция между S и d должна сохраняться. Именно этот результат мы и получили: после объединения в одну группу бивалентов мыши и саранчи пнрсоновский коэффициент корреляции составил 0.4 для п=66 (р < 0.001 ).

1.2. Позиционный контроль кроссинговера.

Эксперимент с гомозиготами по инверсии

Результаты, представленные в предыдущем разделе, позволяют предположить, что частота кроссинговера в конкретном районе хромосомы зависит от его локализации в пределах хромосомного плеча. Действительно, акроцентрические хромосомы, имеющие сходную рекомбинационную длину (т.е. сходное число хиазм), имеют и сходное распределение хиазм. Это означает, что в районах с одинаковой локализацией относительно центромеры, и теломеры обмены возникают со сходной частотой.

Гипотеза позиционного контроля предсказывает, что инверсия участка хромосомы не должна изменить характер распределения хиазм. Если же уровень обменов в данном районе хромосомы однозначно определяется первичной

последовательностью ДНК в нем, то инверсия участка хромосомы должна сопровождаться инверсией соответствующего участка гистограммы, описывающей распределение зиазм.

На рис. з приведены распределения хиазм у гомозигот по нормальной и инвертированной последовательности ДНК в хромосоме 1. Распределение хиазм у гомозигот по нормальной последовательности (рис. з а) не отличается от распределения хиазм у гомозигот по инверсии (рис.з б) (%2 = 3.6, р < 0.05). Иными словами, инверсия хромосомного «материала не приводит к инверсии распределения хиазм (Goriov et al., 1991).

Итак, частота хиазм в данном районе зависит, в основном, от его положения на хромосоме, а не от его генетического содержания.

- ю -

Рас. 3. Распределение хиазя '¿Ооль 1 -го бивсиеняа у нариатшичест норгалшиг ("а; и у га/зовигсг. по 1п(1)1?Яй/

1п(1)12Г& (0). ПсЗ гисяюзраляшги прадагаВлеш цитологические ксрт* норсалыюй и шбергахро банной хромое о.:.. Стрелочками обозначен рсхОт инверсии.

1.3. Позиционный контроль ;сроссинтовэра и проблема коадапткрованных гежшх комплексов

Одним из наиболее популярных объяснений рекомбинационной неоднородности генома является гипотеза коадаптированных генных комплексов, или супергенов («аНапов, 1953). Под. супвргеном ш будем понимать достаточно протяженный (включающий в себя, как минимум, несколько генов) участок хромосомы, который в генетическом анализе ведет себя как одна сегрегирующая единица.

Какими свойствами долшы обладать аллели, чтобы рекомбинация между ними была селективно вредной? Очевидно, что эти локусы должны быть взаимно подогнаны коадаптированы. Коадаптация локусов, составляющих суперген, предполагает, что эти локусы взаимодействуют. В самом деле, если селективная ценность данного аллеля не зависит от его сцепления с аллелями соседних локусов, то в этом случае рекомбинация в целом - нейтральный признак, так как кроссинговер в • районе супергена не может изменить среднепопуляционную приспособленность.

- 11 -

л г 40

- 30 !

- 20 \ 1

- 10

- 0 1

3 4 5 6 7 В 9 10

ЕХ

ЗШ

40 30 20 10 О

123450789 10

^ " II •■■ - 13 - НИЗ

а

1

I

5

-

В конечном счете, адаптивная комбинация аллелей зафиксируется в популяции и все особи будут гомозиготными по ней. После этого рекомбинация становится селективно нойтральной. Таким образом, супрессия кроссинговера в супергене оказывается выгодной в момент возникновения супергена и нейтральной после его фиксации. Очевидно, что если нет обратной тенденции, направленной на увеличение частоты кроссинговера, то уровень кроссинговера должен постепенно снижаться во всех районах хромосомы и геном будет "застывать" (Тигпег, 1967). Этот процесс должен идти независимо в разных районах хромосомы и в разных хромосомах, что долгою создавать уникальную для каадой хромосомы картину распределения рекомбинационно инертных и рекомбинационно горячих районов. Этот вывод противоречит результатам, пзлогэнным в предыдущем разделе автореферата: частота обменов в данном районе хромосомы не зависит от того, какие гены в этом районе содержатся. Распределение обменов может быть предсказано на основе параметров, не имеющих никакого отношения к генетическому содержанию хромосомы.

1.4. Факторы, влияющие на число и распределение хиазм 1.4.1. Фактор, обеспечивающий минимум один кроссоверный обмен на бивалент

Реальность существования в мейотической клетке механизма, обеспечивающего минимум один кроссоверный обмен, следует из того факта, что для коротких хромосом отсутствует зависимость между размером хромосомы и средним числом хиазм. В качестве примера можно привести результаты, полученные Хендерсоном (Непйегзоп, 1963) на пустынной саранче. Мы получили аналогичную кривую для бивалентов мыши.

Особенно показательно в этом смысле то, что аномально короткие хромосомы птиц (так называемые микрохромосомы) всегда формируют одну хиазму. При этом размеры микрохромосом на 1-2 порядка меньше размера макрохромосом, тогда как среднее число хиазм в макрохромосомах варьирует в пределах

1.0-5.0 (Родионов и др., 1992).

1.4.2. Интерференция хиазм ■ Для изучения интерференции удобно использовать хиазмы: во-первых, легко учесть все кроссоверные обмены, во-вторых, можно оценить плотность обменов в любом участке мейотического бивалента и, в-третьих, можно одновременно оценить рекомбинационные и физические расстояния между любыми участками бивалента (Горлов и др., 1993а).

Для анализа хиазменной интерференции мы использовала данные о числе и локализации хиазм в хромосомах домовой мысл Mus (визcuius L. ЛИНИИ СВА/Ьао и линии з, гомозиготной по робертсоновской транслокации Rb(2,6)4Iem, а также двух видов саранчовых: изменчивого конька Ghorthippua biguttulus (Ь.) и непарного зеленчука Chrysoohraon dispar (Germ.).

Хромосома условно разделялась на пять равных частей. Оценивали частоту хиазм в каждой части. Пусть р4, р2,..., рв -вероятности образования хиазмы в участках 1, 2,...5, соответственно, для любой пары участков мы (ложем подсчитать вероятность одновременного образования хиазм в этих участках, предполагая, что появление хиазмы в одном участке не влияет на появление хиазмы в другом. Как и в классическом рекомбинационном анализе, для количественных сравнений интерференции мы использовали коэффициент коинциденции с, который в нашем случае определяется как отношение реальной частоты двойных хиазм к ожидаемой.

Для количественных оценок полярности рекомбинационных взаимодействий мы оценили симметричность распределения коэффициента коинциденции с в хромосомном плече. Коэффициент асимметрии КА определяли по формуле:

к = С -(-С с +с -с -с -о -с

А 1.2 1,3 1 1.5 3,1 5 ,2 S , Э S.*

Достоверные отличия коэффициента' асимметрии от о указывают ' на полярность рекомбинационных взаимодействий. При этом, если ка > о, взаимодействие между обменами выше в дистальной части хромосомного плеча, а если Кд < о, - в проксимальной части.

Мы обнаружили, что. хиазма ' практически полностью подавляет кроссинговер в соседних участках хромосомного

плеча. Оказалось, что уровень и характер интерференции при удалении от хиазмы меняется нелинейно. В некоторые случаях обшнк, локализованные в более удаленных участках хромосом, взаимодействуют сильнее, чем в менее удаленных (рис. 4).

1.2 1.0 О.в О.в

0.4 0.2 0.0

1.8

1.« 1.4 1.2 1.0 0.« 0.« 0.4

о.г 0.0

0.4

о.г

Г" >

I . ! -

1 .а 1.6 1 .4

1 .2 1 .0 0.8 о .6 О . 4

о.г о.о

1. г 1 .о о. о и. ь

0.4 О. 2 О.и

• 1 , ! .

Рис. 4. Влияние реализованного кроссоверного облет (обозначен треугольником) на вероятность появления других обменов б 1-я биваленте домовой лыш. По оси ординат -отношение условной вероятности хиазм к безусловной. Единица соответствует отсутствию взаимодействия. Звездочкахи отмечены достоверные отклонения отношения от 1.

Коэффициент асимметрии Кл оказался практически для всех хромосом отрицательным. Это означает, что рекомбинационные взаимодействия распределены в хромосомном плече полярно, а именно: интерстициально локализованная хиазма сильнее подавляет кроссинговер в проксимальном, чем в дастальном направлении.

Оказалось, что обмены, локализованные в некоторых районах метацентрической хромосомы, способны к рекомбинационшм взаимодействиям через центромеру (рис. 5).

С = 0.в1»0.12 Хроиосоы* в | | Хромосома 2

^ « «'■ « > 1 Ч t м!

54321 1 2 3 4 5

I_I

С = 0.40»0.18

Рис. 5. Схема реколбимационкых взаимодействий через центромеру в хромосоме Rb(2,6)4Iem. Черным прямоугольником отмечена центромера. Указан коэффициент коищиОенции лехОу итерферирущими участками.

В то же время, рядом расположенные участки (в том числе и более близко расположенные участки) не взаимодействуют, то есть интерференция является сайт-специфгееской. Найденные свойства хиазменной интерференции оказались не просто сходными, а практически идентичными у филогенетически далеких видов, таких как домовая мышь, изменчивый конек и непарный зеленчук.

1.4.3. О межхромосомных взаимодействиях

В 1951 году Шульц и Редфилд опубликовали результаты исследования кроссинговера у дрозофил, гетерозиготных по хромосомным перестройкам (Sohultz, Rediield, 1951). Оказалось, что при подавлении кроссинговера в районе хромосомной перестройки частота кроссинговера 'в других хромосомах кариотила компенсаторно возрастает.

Результаты экспериментов, выполненных на кариотипически нормальных дрозофилах, показали, что в норме межхромосомные взаимодействия отсутствуют: обмены на разных хромосомах возникают независимо (Kramer, Levis, 1956).

Мы изучили распределение кроссоверных обменов по маркированным хромосомам домовой мыши и также не обнаружили меххромосомных рекомбинационных взаимодействий (Горлов, Бородин, 1991).

Таким образом, в норме кроссоверные обмены возникают независимо на каждом биваленте.

- 15 -

1.4.4. Хроматидная интерференция

Мейотический кроосинговер происходит на стадии четырех хроматид. При этом всего две хроматиды участвуют в кроссоверном обмене.

Если хроматвды вовлекаются в кроссинговер независимо и случайно, т.е. хроматидная интерференция отсутствует, то соотношение между двух-, трех- и четыреххроматидными двойными обменами должно быть 1:2и. Именно такое соотношение было найдено в достаточно многочисленных исследованиях, выполненных на сумчатых грибах (Мог«пег, 1985).

До сих пор мы не располагали фактами, которые указывали Оы на существование хроматидной интерференции (Смирнов, 1991). Возможно, это было связано с отсутствием адекватных моделей. Между тем, для изучения хроматидной интерференции можно использовать дигетероэигот по инверсиям.

Кроссинговер в инверсии сопровождается образованием дицентрика и ацентрического фрагмента. Если в биваленте имеется не одна, а две парацентрические инверсии - один гомолог содержит одну инверсию, а другой другую, тогда можно различить типы хромагидных обменов по хромосомным конфигурациям в анафазе 1 (рис. 6).

Тип обмена Распределение обменов в диакине-гическом биваленте Хромосомная конфигурация в ранней анафазе1

Двуххроыагидт ный двойной Треххроыагид-ный двойной Четыреххрома-тидный двойной —5-1— —«—и

Рис. 6. Типы двойных обменов в инверсиях у Оигетврозигоп 1п(1)1Нк/1п(1)12Пк и соответствующие им хромосомные конфигурации в ранней анафазе.

Нулевая гипотеза, предполагающая отсутствие хроматидной интерференции, была отвергнута: мы обнаружили достоверный избыток четыреххроматидаых обменов по сравнению с двуххроматидными. (х* = 25.8 при <1Г=2, р < 0.001).

Хроматидная интерференция может существенно изменить зависимость между частотой рекомбинантов и числом кроссоверных обменов. В этом случае картирующие функции будут давать искаженный результат на больших рекомбинационных расстояниях. Поэтому дальнейшее исследование в области хроматидной интерференции представляется весьма актуальным.

2. Влияние хромосомных перестроек на число и распределение хиазм вдоль бивалентов

Мы исследовали число и распределение хиазм у мышей, гетерозиготных и дигетерозиготных по разнообразным хромосомным перестройкам: робертсоновским и реципрокным транслокациям, парацентрическим инверсиям и инс^рциям.

В качестве иллюстрации некоторых выводов, сделанных в ходе выполнения работы, приведем результаты изучения кроссинговера в у гетерозигот по различным перестройкам хромосомы 17 и хромосомы 1.

2.1. Число и распределение хиазм вдоль хромосомы 17 у гетерозигот по реципрокНой транслокации Т(16,17)43Н

Все хромосомы, участвующие в реципрокной транслокации Т(1б,17)43Н (Т43), можно точно идентифицировать в мейозе.

У гетерозигот общее число хиазм в .хромосоме 17 значительно возросло по сравнению с контролем и составило 1.7240.07 (р<о.оо1). На рис. 7 (а) показано распределение хиазм вдоль хромосомы 17. Обращает на себя внимание аномально высокая частота хиазм в проксимальном по отношению к точке разрыва участке. Частота хиазм в этом участке возросла по сравнению с контролем почти на порядок - с 0.11 до 0.7. Хиазмы в дистальном по отношению к точке разрыва участке хромосомы по сравнению с контролем несколько смещены к тэломере.

2.2. Распределение хиазм вдоль хромосом 16 и 17 у дигететюзигот RM16.17)7Bnr/?P(16.17H3H

Прицентромерный район вовлеченной в робертсоновскую транслокацию хромосомы 17 обычно асинаптирован. (Borodin et al., 1991). Это коррелирует с перераспределением хиазм к теломере хромосомы 17 (рис. 7 0).

2.3. Анализ хиазм у частичных трисомиков Т (16,17 )43H/Rb(16,17 )7Bnr/+ На данной модели можно продемонстрировать одну интересную особенность мейотического кроссинговера. У мышей T(i6,i7)43H/Rb(i6,i7)7Bnr/+, как и у мышей других линий, есть две хромосомы 17, но одна из них обычная, акроцентрическая (А17), а другая вовлечена в робертсоновское слияние (RM7). Эти хромосомы резко различаются по среднему

число хиазм в

Рис. 7. Распределения хиазм вдоль хромосомы. 17 у хшей с разными хромосомными пере-стройкат: (а.)

1( 16, 77.МЗЙ/+ (б)

1(16,17)43И/ Rb(16,17)7Впг; (в)

ЕЬ(16,17)7Впг/ 1(16,17J43R/+, хромосома КЫ7; is)

№( 16,1.7 )7Впг/ 1(16,17)43Н/+, акроцентрическая хромосома 17.

числу хиазм и их распределению. Среднее

t

7 >

OB

1 г г 4 s

Rb7 I 2 з 4 J

"Лг. »" а »3 ^

¿1

1 I 3 4 i

1 2 3 4 5

"В

1 в

I •

I •

хромосоме Rbi7 равно 1.01+0.01, а в гомологичном акроцентрике А17 - 1.76+0.03 (t = 23.72, р < 0.001). На рис. 7 (в) показано распределение хиазм вдоль RM7, а на рис:7(г) - вдоль А17. Для последней характерна аномально высокая частота обменов в участке, ограниченном центромерой и точкой разрыва. Различия в частотах кроссинговера между Rb17 и А17 объясняются тем, что прицентромерный район хромосомы 17 У мыши генотипа T(i6,i7)43H/Rb(l6,l7)7Bnr/+ представлен тремя вариантами, и хромосома А17 своей проксимальной частью рекомбинирует с хромосомой I7i<s, а дистальной частью с ХРОМОСОМОЙ Rb17.

2.4. Цитогеяетический анализ кроссинговера в инверсиях

В качестве примера использования цитогенетического анализа для изучения кроссинговера в инверсиях приведем результаты, . полученные . наш на дигетерозиготных по парацентрическим инверсиям мышах кариотипа

1п(1 )iRk/ln(l )12йк.

Инверсии ind )iric и in(1 )12er частично перекрываются. Это приводит к тому, что в профазе мейоза у дигетерозигот формируется сложная синаптическая конфигурация с пятью независимыми синаптическими районами (рис. 8): проксимальным неперстроенным районом (р), проксимальным районом инверсии in(i)iRk (im), прямо ориентированным участком перекрывания инверсий (О), дистальным участком 1п(1)i2rk (1п12) и дистальным неперестроенным участком 1-го бивалента (4).

Выло показано, что у мыпей генотипа 1а(1 )iRk/ln(i )12Юс общее число обменов в 1-м биваленте выше, чем в контроле (t=8.7, р<0.001). Это происходит за счет высокой частоты обменов в участках im, о и irna. В участках d, р частоты хиазм у дигетерозигот и нормальных мышей не различаются (Табл. 3.2). В трех перестроенных районах число хиазм возросло С 1.15+0.02 ДО 1.56+0.04 (t = 9.2, р < 0.001).

Это нетривиальный результат, ведь у одиночных гетерозигот по инверсиям обычно . наблюдается супрессия кроссинговера в районе инверсии. (Novitski, Braver, 1954; Roderick, Hawes, 1978; Moses et al., 1982). Мы получили

1П12 О =| С)

р

о

Рис. в. Схема синсшической конфигурации, у мышей 1п(1 )1Кк/1п(1 )12Ю1 (а), а также локализация 5 дискретных синоптических районов в хромосоме, содержащей инверсию 1п(1)Ш (0) и инверсию 1п(1)12Юа (3).

аналогичные данные для гетерозигот 1п1/+ и 1п12/+. В чем же причина высокой частоты кроссинговера в инверсиях у дигетерозигот? Почему насыщение бивалента хромосомными перестройками не уменьшает, а увеличивает уровень кроссинговера?

Вероятно, вакную роль в этом играет снижение хиазменной интерференции. Мы не нашли хиазменной интерференции между обменами, локализованными в инверсиях и районе их перекрывания - обмены в перестроенных районах возникают независимо друг от друга.

Практически у всех изученных наш гетерозигот по хромосомным перестройкам распределение хиазм меняется по сравнению с контролем.

Мы оценили степень изменений в уровне рекомбинации при удалении от точки разрыва. Оказалось, что частота кроссинговера меняется во всех районах хромосомного плеча, а

не только вблизи точки разрыва.

Эти данные еще раз демонстрируют взаимосвязь рекомбинационных событий в пределах хромосомного плеча: мы не можем изменить частоту кроссинговера в одном участке хромосомы, не меняя ее в другом.

3. Кроссинговер, синаптонемный комплекс и интерференция: анализ взаимосвязей 3.1. Связь между синаптонемным комплексом (СК) и интерференцией

В работе Моэнса (Моепв, 1985) было высказано предположение, что хиазменная интерференция каким-то образом связана с распространением синапсиса осевых элементов синаптонемного комплекса в обе стороны от кроссоверного обмена. Наши данные подтверждают эту идею. У дигетерозигот синапсис осевых элементов редко распространяется из одного перестроенного района в другой, и это соответствует тому, что обмены, локализованные в перестроенных районах, не интерферируют. Однако, хиазменная интерференция была найдена между обменами, локализованными в "р" и "1п1", а также "d" и "1п12". Этот результат хорошо согласуется с тем, что синапсис из участка "р" распространяется в "ini", а из участка "d" В "In12" (Borodin et al., 1992).

Эти данные можно интерпретировать как указание на важную роль СК в передаче интерференционных влияний.

3.2. Гипотеза о взаимосвязи кроссинговера, синапсиса и интерференции

Этот раздел посвящен изложению и обсуждению предложенной нами гипотезы, объясняющей связи между кроссинговером, СК-зависимым синапсисом и интерференцией. Отдельные элементы этой гипотезы можно найти в литературе (Pritohard, 1960; Egel-Mittani et al., 1982; Moens, 1985). Однако в целом она еще не была никем сформулирована и является оригинальной. Поэтому мы считаем необходимым привести здесь ее достаточно подробно.

Мы считаем, что до образования СК гомологичные хромосомы уже спарены хотя бы в некоторых районах, причем

это спаривание точное и гомологичное. Недавно была опубликована работа, в которой при использовании метода раскрашивания (painting) хромосом было изучено поведение гомологов в профазе мейоза у дрожкей (Soherthan et al., 1992). Оказалось, что, действительно, спаривание гомологов начинается у этого вида раньше образования СК.

Если спуститься . с цитологического уровня на молекулярно-генетический, то в начале профазы мейоза и, как мы полагаем, до формирования СК происходит образование промежуточных структур - гетэродуплекса и полухиазмы (о молекулярных механизмах кроссинговэра см.: Holliday, 1964; Orr-Weaver, Szoetok, 1985). На этой же стадии идет и конверсия.

Кроссоверный обмен, который формируется между гомологами, является структурой, на несколько порядков меньшей по размерам, чем бивалент. Хромосомы в ранней профазе мейоза активно перемещаются, и поэтому хиа'зма легко может быть разрушена. Чтобы этого не произошло, гомологи не должны смещаться друг относительно друга. Мы предполагаем, что объединение гомологов в жесткую структуру осуществляется с помощью синаптонемного комплекса.

Напомню в связи с вышесказанным, что мейотические мутации, индуцирующие кроссинговер у самцов Drosophila melanogaster, одновременно приводят к появлению в мейозе многочисленных разрывов хромосом (Sved, 1974). Вероятно, что эти разрывы являются результатом кроссинговера в отсутствие синаптонемного комплекса.

СК начинает формироваться вблизи реализованнго кроссоверного обмена - это связано с тем, что в этом месте гомологи наиболее тесно сближены. После инициации синапсис распространяется в обе стороны по типу застежки "молния".

Распространяющийся СК, кроме функции сшивки между гомологами, выполняет роль ■ физического носителя интерференции хиазм, что кроссоверные обмены возникают в профазе мейоза неодновременно. В этом случае синапсис, распространяющийся от уже реализованного кроссоверного обмена, блокирует кроссинговер в соседних районах бивалента - этим и объясняется явление положительной хиазменной

интерференции. Эту точку зрения подтверждает факт, что у 'плесени Aspergillus nidulan3 И дрокзеЯ Schizosaccharornyces pombe об:',ош не интерферируют и СК не образуется (Strickland, 1958; Sncv?, 1979). В пользу этого ке говорит и то, что у гетерозигот по хромосомным перестройкам, у которых з точке разрыва нарушена непрерывность центрального элемента СК, интерференционные влияния ослаблена между обменами в участках хромосом, разделении: точкой разрыва хромосомной перестройки (Горлов, 1990).

Очз-Го слспно строго доказать или опровергнуть предложенную гипотезу, как, впрочем, и классические представления о связи г.'.эзэду сшапсисом и кроссннговвром. Однако предлагаемая тапотеза позволяет объяснить нногие факта, трудно оОъяснжае в рамках классических представлений, такие как

1) точное гомологичное узнавание в кор:,:е, поскольку для инициация синапсиса посредством :<росссвврного обмена необходима истинная гомология синаптирущих последовательностей;

2) многочисленные факты негомологичного синапсиса распространение синапсиса происходит независимо от гомологии синаптирущих последовательностей ;

3) генетическая интерференция. В основе генетической интерференции лежит процесс распространения СК-зависимого синапсиса из сайта инициации синапсиса - сайта, в котором возможен кроссоверный обмен. Кроссзшговер в участках распространяющегося синапсиса невозможен.

4. Анализ генетических карт человека

Нагм была выполнена работа, в которой изучалась возможность использования хиазменвдх частот для предсказания генетических дистанций мезду маркерами (Горлов и др., 1993b).

Мы использовали данные о цитологической локализации маркеров и рекомбинационные расстояния, приведенные в Genetio Maps.

Данные о распределении хиазм по бивалентам в мейозе у мужчин взяты из работы Hulten с соавторами (Hulten, 1974;

Laurie et al., 1981; Laurie, Hulten, 1985).

Если ш знаем распределение хиазм вдоль хромосомы и расположение генов на хромосоме, то в этом случае молено оценить частоту, с которой возникают хиазмы в районе хромосомы, ограниченном данными генами. Умножив частоту хиазм на 50, можно получить генетические расстояния в сантиыорганвх и затем сравнить их с генетическими расстояниями, полученными в прямом рекомбинационнон эксперименте. Последние приводятся в работе Donnis-Keller, Helms (1990).

Практически для всех изученных нами участков хромосом оценки генетических длин, сделанные в рекомбинационном анализе (GLe), превышают оценки, полученные с использованием хиазм (GLC).

Можно предположить, что анализ хиазм не позволяет выявлять все типы рекомбинационных событий: возможно, избыток рекомбинантов обусловлен тем, что существуют их дополнительные (кроме мейотического кроссинговера) источники.

Какие процессы могут приводить к избытку рекомбинантов? Ряд излагаемых ниже фактов и соображений позволяет допустить, что этими процессами могут являться митотический кроссинговер, генная конверсия, спонтанный мутационный процесс, а также ошибки типирования, на которые указывал Morton (1991).

Поскольку частота митотического кроссинговера пропорциональна цитологическому расстоянию между маркерами (CD) (Slatko, Hiraizumi, 1975), то этот последний параметр может оказаться полезным для предсказания генетических дистанций, сделать его более точным.

Источниками наблюдаемых рекомбинантов могут служить также генетическая конверсия (репарация у гетерозигот одного из аллелей с использованием в качестве матрицы аллеля гомологичной хромосомы), спонтанные мутации и неточности в идентификации генотипов. Псевдорекомбинанты, возникшие в результате этих процессов, будут восприниматься исследователем как истинные рекомбинанты.

Поскольку не только конверсия, но и мутирование и

надежность идентификации аллелей - это свойства локуса, их "рекомбинациошше" эффекта будут тем больше, чем больше число маркеров (Ш) было использовано при построении карты.

Построенное наш уравнение множественной линейной регрессии, предсказывающее рекомбинационное расстояние в сантиморганах по трем перечисленным выше параметрам, имеет

вид:

= -3.12 + 2.68 ш 4- 7.71 сп + 0.73 бь,

В этом уравнении первое слагаемое отражает рекомбинационные эффекты конверсии, спонтанного мутирования и ошибок тширования, второе - митотического кроссинговера а третье - мейотического кроссинговера. Все коэффициенты уравнения, кроме свободного члена, значило отличаются от нуля.

3-3• 0 сложностях использования принципа аддитивности для детального генетического картирования

Если локусы расположены на хромосоме рядил, то мейотический и митотический кроссинговер мегтсду ними будет очень редким. Основная доля "рекомбинантов" в этом случае будет возникать благодаря конверсии, мутированию и ошибкам типирования. Частота этих событий является параметром локуса и не зависит от второго маркера, используемого в рекомбинационном анализе. Поэтому частота рекомбинантов будет слабо зависеть от цитологического расстоянйя мезду' маркерами. Именно это и наблюдается в эксперименте (Вие1;о*? е1 а1., 1991 ).

Для адекватного генетического картирования близко расположенных локусов необходимо принимать во внимание тот факт, что основным источником "рекомбинантов" для близко расположенных маркеров служат конверсия, мутирование, ошибки идентификации, а не мейотический кроссинговер. При этом рекомбинация (понимаемая как процесс образования рекомбинантвдх потомков) определяется в большей мере свойствами локуса, чем расстоянием между локусами. Поэтому построение генетических карт для коротких сегментов хромосом на основе принципа аддитивности может оказаться

затруднительным.

5. Биологический с?лысл перекомбккдрования генов

Рекомбянацкошщй процесс, в той ara iraoií степени, в toí; eje иной фэргге, представлен в жизненном цикле есэх су^эствущкх на Захаю вэдов. Здесь и далее ракомбинациошпй процесс кы будем понимать шроко, т.е. как процесс перш:о?.:бшшрэвашш 1п,:зкдкхся в популяции аллелей, при этом uoxsmis:2i паракшзинирования могут быть самыми разными. У большзшства многоклеточных в жизненном цикле можно выделить три основных источник генетических рекомбинаций:

1) кейотический кроссинговер;

2) независимую сегрегацию негомологичных хромосом в

нэйозе;

3) кроссбридинг.

Обязательность рекомбинации в системах размножения невозможно объяснить, исходя из селективной нейтральности рекомбинаций, поэтому'закономерен вопрос: благодаря каким селективным преимуществам сохраняется процесс перекомбинирования генов?

5.1.Половая и бесполая популяция: мутирование, дрейф, отбор.

Математическое моделирование рекомбинации

Для выявления селективных преимуществ рекомбинации активно применяется математическое моделирование. Обычно в моделях . рекомбинационного процесса (Feldman, 1972; Kondraahov, 1984; Король и др., 1990) в качестве • изучаемых параметров использовались среднепопуляционная приспособленность и динамика частоты кроссинговера.

Наша задача ставилась несколько по-другому (Горлов, 1991; Калинина, Горлов, 1993). Мы не пытались выяснить, как различные факторы влияют на частоту рекомбинации, а предполагали, что частота рекомбинации постоянна. Нас интересовало,' какие преимущества при определенном темпе мутирования дает рекомбинационный процесс модельной популяции по сравнению с точно такой же популяцией, но лишенной перекомбинирования генов.

Модельная популяция состояла из гаплоидных организмов,

у каждого из которых ш локусов. В начальный момент все особи были немутантны. Жизненный цикл начинался со стадии мутирования: в каждом поколении любой локус с вероятностью р независимо от других локусов мог переходить в мутантное состояние. В результате мутирования в первом же поколении особи популяции разбивались на т+1 класс: особи нулевого класса не имели мутаций, особи первого класса - одну мутацию, и т.д. Частоты каждого класса (т.е. частоты возникновения заданного числа мутаций к, от о до т) вычислялись с помощью биномиального распределения В(ш,р):

Р(Ю= с* р^-рГ-"

Мутации предполагались вредными, а их эффекты одинаковым? для всех локусов и аддитивными. В модель была включена стадия отбора: вероятность выживания особи приравнивалась к ее жизнеспособности.

В бесполой популяции под действием мутационного процесса в каждом цикле размножения генотипы воспроизводятся со смещенными частотами, поскольку часть потомков каждого класса окажется мутангной и перейдет в менее приспособленные классы: будет наблюдаться поток генотипов ' из левой части распределения классов по приспособленности в правую.

В каждой из моделей была предусмотрена возможность имитации дрейфа генов, состоящая в утере по случайным причинам всех особей определенного генотипа (класса).

Кардинальные различия между рекомбинационной и нерекомбинационной моделью наблюдаются в случае потери генотипа, не содержащего вредных мутаций (нулевой класс). После потери нулевого класса численность бесполой популяции необратимо снижается (рис. 9 (а)). Приспособленность также скачкообразно снижается, а затем стабилизируется (рис. . 9 (б)).

В рекомбинационной модели после потери нулевого класса численность популяции также какое-то время падает, затем стабилизируется (рис. 9 (а)). Такая динамика численности является следствием того, что перекомбинирование генов позволяет восстановить нулевой (не содержащий мутаций) класс и тем самым вернуть к прежнему уровню популяционные потери.

На рис. 9 (а) ось ординат не масштабирована, так как динамика не зависит от исходной численности, а определяется темпом мутирования, отбором и рекомбинацией.

Рис. 9. Динамика численносш N (а) и среднепопуляционной жизнеспособности Р (О) 6 рекомбиш-ционной (толстая линия ) и нерекохбинп-ционной (тонкая линия ) популяциях при потере геношпа, не содержащего мутациЛ. На обоих графинах по оси абсцисс отложен номер поколения ст О до 200. Немуташошй класс был утерян в 100 поколении.

200 б

Анализ моделей при разных параметрах показывает, что рекомбинация оказывается выгодной и в модели с бесконечно большой численностью. Рекомбинация позволяет такой популяции иметь более низкую плодовитость - плодовитость, при которой нерекомбинационная популяция неизбежно вымирает вследствие давления мутационного процесса. Интересно в связи с этим отметить, что в экспериментах обнаруживается связь между частотой кроссинговера и плодовитостью: • чем выше кроссинговер, тем ниже плодовитость (Sharp, Hayman, 1988; Gorlov et al., 1992).

Таким образом, результаты моделирования позволяют утверждать, что основное преимущество, обеспечиваемое рекомбинацией, состоит в следующем: рекомбинация позволяет популяции с ограниченной численностью устойчиво поддерживать свою приспособленность, несмотря на постоянное мутационное давление и дрейф генов.

выводы

1. Основные характеристики процесса кроссинговера сходны, а в некоторых случаях даже идентичны у филогенетически далеких видов.

2. Распределение хиазм вдоль мейотического бивалента контролируется позиционно. Частота хиазм в данном хромосомном районе зависит, главным образом, от его локализации относительно центромеры и теломеры, а не от его генетического содержания. Изменение позиции участка хромосомы сопровождается изменением в уровне кроссинговера в этом участке.

3- Распределение хиазм вдоль акроцентрических хромосом зависит от среднего числа хиазм на бивалент; при этом акроцентрики со сходным средним числом хиазм на бивалент тлеют и сходное распределение хиазм.

Зависимость между средним числом и распределением хиазм одинакова у таких филогенетически далеких видов, как мышь и саранча.

4. В нормальном, не содержащем хромосомных перестроек кариотипе обмены в разных бивалентах возникают взаимонезависимо, т.е. обмен в одном биваленте не влияет на вероятность обмена в других. Иными словами, интерхромосомный эффект, или эффект Шульца-Редфилд, в нормальном кариотипе не наблюдается.

5. Обмены, локализованные в одном плече . хромосомы, практически всегда взаимодействуют друг с другом интерферируют. Величина и знак хиазменной интерференции при увеличении физического расстояния между обменами меняется нелинейно: в некоторых случаях более удаленные обмены интерферируют сильнее, чем менее удаленные.

Показано также, что хиазма, локализованная в середине хромосомного плеча, сильнее супрессирует кроссинговер в направлении к центромере, чем к теломере.

В прицентромерной области субметацентрических хромосом есть участки, кроссоверные обмены в которых демонстрируют, положительную интерференцию. Однако в большинстве случаев обмены, разделенные центромерой, не интерферируют.

Перечисленные свойства хиазменной интерференции практически идентичны у мыши и саранчовых.

6. Анализ кроссинговера у дигетерозиготных по протяженным парацентрическим инверсиям мышей показал, что кроссинговер в инвертированных районах не только не супрессирован, но даже усилен, по сравнению с соответствующими районами неперестроенного бивалента. При этом хиазменная интерференция между обменами, локализованными в двух рядом расположенных инверсиях, нэ выявляется.

На этой же модели впервые получены доказательства существования хроматидной интерференции: обнаружен достоверный избыток четыреххроматидных двойных обменов -положительная хроматидная интерференция.

Наличие хроматидной интерференции при отсутствии интерференции хиазм означает, что их механизмы различны.

7. Анализ большого числа гетерозигот по хромосомным перестройкам показал, что частота кроссинговера у них меняется непредсказуемо: частота обменов в перестроенных районах может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной. При этом хромосомная перестройка практически всегда влияет на распределение обменов в биваленте; не обнаруживается градиента влияния хромосомной перестройки на распределение хиазм при удалении от точки разрыва. Если частота хиазм меняется в одном районе бивалента, она неизбежно меняется и в других.

8. Предложена новая гипотеза взаимосвязи кроссинговера, синапсиса и интерференции. Согласно этой гипотезе, синаптонемный комплекс не является необходимым условием мейотического кроссинговера. Основная функция СК

.стабилизация кроссоверного обмена посредством создания прочных связей между гомологами. Кроме того, СК-опосредованный синапсис, распространяясь из сайта кроссинговера, играет определяющую роль в реализации хиазменной интерференции.

9. Показано, что длина генетических карт человека превышает таковую, вычисленную на основе распределения хиазм вдоль мейотических бивалентов. Это обусловлено гетерогенным

происхождением регистрируемых в генетическом анализе рекомбинантов. Кроме мейотического кроссинговера, источниками "рекомбинантов" могут быть митотический кроссинговер на ранних стадиях сперматогенеза, генетическая конверсия, спонтанный мутационный процесс, а также ошибки при идентификации генотипов.

Предложен подход к построению цитологических и генетических карт с помощью распределений хиазм. Этот подход может быть использован для картирования самых разных видов.

10. Проведен критический анализ существующих объяснений роли процесса перекомбинирования генов в эволюции. Предложена гипотеза, связывающая селективные преимущества, которые дает процесс перекомбинирования генов, с элиминацией из популяционного генофонда вредных мутаций. Эта гипотеза утверждает, что рекомбинационный процесс дает возможность популяции длительное время поддерживать достигнутый уровень приспособленности, несмотря на постоянное мутационное давление и дрейф генов. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние рекомбинации на жизнеспособность в популяциях с ограниченной или бесконечно большой численностью.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Агульник А.И., Бородин П.М., Горлов И.П., Ладыгина Т.Ю., Пак С.Д. Причины возникновения двойной инсерции гомогенно окрашиваемых районов в 1-й хромосоме домовой мыши (Mus musoulus musculus) // Генетика. 1990. Т.26. С.570-572.

2. Агульник С.И., Горлов И.П., Агульник А.И. Новый вариант хромосомы 1 домовой мыши // Цитология. 1983. Т.30. С.773-775. •

3. Бородин П.М., Горлов И.П. Цитогенетические последствия гибридизации между дикими и лабораторными мышами // Генетика. 1986. Т.22. С.855-860.

4. Бородин П.М., Горлов И.П. Электронно-микроскопическое исследование особенностей синапсиса половых хромосом у'американской норки // Изв. СО АН ССР. Сер. Биол. Наук. 1990. Вып. 1. С.10-13.

5. Бородин П.М., Горлов И.П., Агульник А.И., Агульник С.И., Рувинский А.О. Синапсис и распределение хиазм у мышей гетерозиготных по транслокациям 16-й и 17-й хромосом // Генетика. 1991. Т.27. С.252-262.

6. Бородин П.М., Горлов И.П., Ладыгина Т.Ю. Синапсис у одиночных и двойных гетерозигот по частично перекрывающимся инверсиям в первой хромосоме домовой мыши // Генетика. 1990. Т.26. С.1279-1288.

7. Бородин П.М., Горлов И.П.,'Родионова М.И., Ладыгина Т.Ю. Синаптическое взаимодействие отдельных сегментов гетероморфного бивалента у двойных гетерозигот по частично перекрывающимся инверсиям в первой хромосоме домовой мыши // Генетика. 1993- Т.29. No 1. С.54-62.

8. Бородин Ü.M., Ладыгина Т.Ю., Горлов И.П. Влияние гетерозиготности по инсерциям гомогенно окрашиваемых районов в 1-й хромосоме домовой мыши на синапсис в профазе мейоза // Генетика. 1989. Г.25. С. ¿14-219.

9. Бородин П. Ы-, Родионова, Саблина О.В., Горлов И.П. Необычный гетероморфный бивалент у обыкновенных полевок (Miorotus arvalis) из Белоруссии // Генетика, 1993, Т.29, No 4, С. 613-619.

10. Горлов И.П. Простой метод дифференциального окрашивания сестринских хроматид in vivo // Изв. СО АН СССР. Сер. Биол. Наук. 1985. Вып.з. С.124-126.

11. Горлов И.П.. Влияние перестроек робертсоновского типа на частоту и распределение хиазм у самцов мышей// В кн. Рекомбиногенез: его значение в эволюции и селекции. Кишинев. "Штиинца". 1986. С.61-65.

12. Горлов И.П. Анализ распределений хиазм у самцов мышей по 2-й и 6-й хромосомам, вовлеченным в робертсоноские слияния // Генетика. 1988. Т.24. С.641-647.

13- Горлов И.П. Цитогенетическое исследование синапсиса и кроссинговера у самцов мышей, гетерозиготных по реципрокной транслокащш Т(14;15)6Са // Генетика. 1990. Т.26. С.1178-1186.

. 14- Горлов И.П. Биологический смысл перекомбинирования генов // Успехи современной биологии, т.111. вып. 4- с. 532546. 1991.

15. Горлов И.П., Агульник А.И, Агульник С.И. Определение положения генов на хромосомах домовой мыши посредством сравнения генетической карты и картины распределения хиазм // Генетика. 1987. Т.23. С.63-70.

16. Горлов И.П., Бородин n.M. Влияние эмоционального стресса на частоту мейотических нарушений у самцов мышей // Генетика. 1988. Т.22. С.1019-1024.

17. Горлов И.П., Бородин П.М. Распределение хиазм в нормальном кариотипе мыши // Генетика. 1991. Т.27. С.247-251.

18. Горлов И.П., Гусаченко А.М., Высоцкая Л.В. Цитогенетический анализ рекомбинационных взаимодействий // Генетика. 1993. Т.29. Мо 2. С.288-295-

19. Горлов И.П., Ладыгина Т.Ю., Бородин П.М. Синапсис и рекомбинация хромосом у гомозигот по двойной инсерции гомогенно окрашиваемых районов в 1-й хромосоме домовой мыши // Генетика. 1990. Т.26. С.657-663.

20. Горлов И.П., Ладыгина Т.Ю., Серов О.Л., Бородин П.М. Хромосомный контроль распределения хиазм у домовой мыши. Анализ распределения хиазм у гомо- и гетерозигот по инверсии в 1-й хромосоме // Генетика. 1991. Т.27. С.820-827.

21. Горлов И.П., Чепкасов И.Л., Калинина О.Ю., Бородин П.М. Мейотический кроссинговер - не единственный источник рекомбинантов у человека // Генетика. 1994 (в печати).

22. Горлов И.П., Шюлер Л., Бюнгер Л., Бородин П.М. Изменение частоты кроссинговера в линиях мышей, селектированных на увеличение плодовитости и массы тела // Генетика. 1993. Т.29. С.63-67

23. Калинина О.Ю., Горлов И.П. Влияние рекомбинации на численность и жизнеспособность популяции: сравнение моделей со свободной рекомбинацией и отсутствием рекомбинации // Доклады Академии Наук. 1993. Г.332. No 4.

24. Ладыгина Т.Ю., Горлов И.П., Бородин П.М. Влияние ■ двойной инсерции гомогенно окрашиваемых районов в 1-й хромосоме домовой мыши на частоту рекомбинации // Генетика. 1989- Т.25. С.220-225.

25. Ладыгина Т.Ю., Горлов И.П., Бородин П.М. Позиционный'контроль распределения спонтанных сестринских

хроматидных обменов по хромосомам мши // Генетика. 1991. Т.27. С.1Э66-1Э71.

26. Стекленев Е.П.Ладыгина Т.Ю., Елистратова Т.М., Горлов И.П., Бородин П.М. Цитогенетический анализ нарушения мейоза у самцов - гибридов бантенга и домашней коровы // Сельскохозяйственная биология. 1992. No 2. с.3-7

27. Agulnik S.I., Borodin P.M., Gorlov I.P., Ladygina T.Yu. and Pak S.D. The orirgin of a double insertion of homogeneously staining regions in the house mouse (Mus musoulus musoulus)- // Heredity. 1990. V.65. P.265-267.

28. Borodin P.M., Gorlov I.P., Agulnik A.I., Agulnik S.I., Ruvinsky A.O Chromosome pairing and ohiasma distribution in mice heterozygous for translocations in chromosomes 16 and 17 // Chromosoma. 1991. V. 101. P.252-258

29. Borodin P.M., Gorlov I.P., Ladygina T.Yu. The effeot oi double heterozygosity for Is(H3R,1E5)1Icg and ls(HSR,1E3)2Iog on synapsis and recombination in chr. 1 // Mouse News Letter. 1998. Wo 75. P.18.

30. Borodin P.M., Gorlov I.P., Ladygina T.Yu. Synapsis in single and double heterozygotes for partially overlapping inversions in'chromosome 1 of the house mouse // Chromosoma. 1990. V.99. P.365-370

31. Borodin P.M., Gorlov I.P., Ladygina T.Yu. Double insertion of homogeneously staining regions in Chromosome 1 of wild Mus musoulus musoulus: effects on chromosome pairing and recombination. // J.Hered. 1990. Y.81. P.91-95

32. Borodin P.M., Gorlov I.P., Ladygina T.Yu. Synaptic interrelationships between the segments of the heteromorphio bivalent in double heterozygotes for paracentric inversions in chromosome 1 of the house mouse // Chromosoma. 1992. Y.101. P.252-258

33- Borodin P.M., Rodionova M.I., Sablina O.V., Gorlov I.P. Unusual heteromorphio bivalent in the common vole (Microtus arvalis) from Belorussia // Cytogenet. Cell Genet. 1992. V.60. No 2. P.123-127.

34. Gorlov I.P., Ladygina T.Yu., Borodin P.M. ChiaBma distribution in the first bivalent of mice carrying a double insertion oi homogeneously-staining regions in homo- and heterozygous 3tates // Heredity. 1993- V. 70. P. 642-647.

35. Gorlov I.P., Ladygina T.Yu., Serov O.L., Borodin P.M. Positional control oi ohiasma distribution in the house mouse. Ohiasma distribution in mioe homozygous and heterozygous for an inversion in chromosome 1 // Heredity. 1991. V.66 P.453-458

36. Gorlov I., Schuler L., Bunger 1., and Borodin P. Chiasma frequenoy in strains oi mioe selected for litter size and for high body weight // Theor.Appl.Genet. 1992. V.34. P.640-642

Подписано к печати 21-10-1993

Формат бумаги 60 х 90 1/16. Печ. д. 3. Уч.-изд. л. 2,2 Тираж 120 экз. Заказ 126

Ротапринт Института цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, проспект академика Лаврентьева, 10