5. ГЕНЕТИЧНА РЕКОМБИНАЦИЯ

Скаченост на гените и кросинговър

При много от опитите си Грегор Мендел не получавал независимо разпределение на наследствените фактори като наред с индивидите, при които настъпвало разпадане на признаците се откривали и индивиди, при които това не се случвало. Както вече описахме броят на хромозомите за всеки отделен вид е строго индивидуален и не може да бъде използван за преценка на еволюционното ниво на вида. Половите клетки съдържат хаплоиден хромозомен набор, а соматичните – диплоиден. Изхождайки от факта,че броят на хромозомите рядко надхвърля 80, а броят на гените при повечето висши организми е между 25 и 30000 трябва да отбележим, че всяка хромозома съдържа огромен брой гени в себе си. При деленето на клетката хромозомният набор се удвоява и така във всяка дъщерна клетка попадат равен брой хромозоми идентични с тези на изходната клетка. Гените се разполагат по дължината на хромозомите като гените разположени в една хромозома се предават заедно от едно поколение клетки на друго. Този феномен в биологията е познат като скаченост на гените и е пречката за независимото комбиниране на гените в гаметите. Така признаците, които са кодирани от гените разположени в една хромозома се унаследяват заедно като пакет. Доказателства за скачеността на гените в една хромозома са представени за първи път от Томас Морган при опитите му с винена мушица. Авторът решава да кръстоса мухи със сив цвят на тялото и нормално развити крила с мухи с черни тела и недоразвити крила. Както повелява първият закон на Мендел за еднообразието в F1 – всички мухи от първо поколение били със сиво тяло и нормално развити крила, т.е. проявяват се двата доминантни признака. В последствие Морган направил анализиращо кръстосване на мъжките индивидите от F1, като ги кръстосал с женска муха хомозиготна по рецисивните белези. При полученото поколение били установени два фенотипни класа – 50% от индивидите били със сиво тяло и нормални крилца (двата доминантни белега), а останалите 50% били с черно тяло и недоразвити крила (двата рецесивни белега). Полученият резултат противоречи на менделовите закони и се дължи на скачеността на гените във всяка хромозома.

В търсене на отговор за полученият резултат, изследователя продължава своите опити. При един от поредните свои експерименти авторът повтаря представеният по-горе пример и установява, че 41,5% от индивидите са с черен цвят на тялото и недоразвити крила (двата рецесивни белега); 41,5% са със сиво тяло и нормални крилца (двата доминантни белега); 8,5% - със сиво тяло и недобре развити крила (един рецесивен и един доминантен признак); 8,5% с черно тяло и нормални крила (един рецесивен и един доминантен признак). Получените резултати показали, че въпреки скачеността на гените, все пак при малка част от индивидите, гените се комбинират независимо. Авторът обяснил това явление с процеса кросинговър (crossing over). Процесът кросинговър доказва, че скачеността на гените никога не е 100%. През профазата на първото делене на мейозата хомоложните хромозоми се подреждат по двойки една до друга след което всяка се разделя на две хроматиди свързани посредством центромер. Веднага след обособяването на хромозомите в този им вид се извършва спирализация при която хроматидите се увиват една около друга. Спиралното увиване на несестрински хроматиди се нарича хиазма. По време на този процес част от едната хроматида (произхождаща от бащата) се разкъсва и се заменя с хомоложна част от другата хроматида (произхождаща от майката). Предполага се, че майчините и бащини хроматиди се разкъсват на приблизително еднакви места, при което се обменят хомоложни участъци, съдържащи алели на един ген. Така описаният процес кросинговър позволява свободно рекомбиниране на гените разположени в една хромозома. Поради факта, че гените в една и съща хромозома се рекомбинират с различна честота се смята, че те имат различна сила на скачване. Обикновено честотата на рекомбинацията зависи от разстоянието между гените. Колкото по-отдалечени са два гена по дължината на хромозомата, толкова по-често настъпва кросинговър и обратно, колкото по-близко стоят два гена в хромозомата, толкова по-рядко настъпва рекомбиниране. Въз основа на тези особености е разработен метод за съставяне на хромозомни карти, показващи приблизителното местоположение (локус) на даден ген по дължината на хромозомата.

Генетична рекомбинация при прокариотите

Рекомбинацията на наследствената информация при прокариотите се осъществява по разрличен начин в сравнение с описаните механизми при прокариотите. Характерно за този процес при прокариотите е участието на цялата молекула ДНК (нуклеоид) на реципиентната клетка и само част от хромозомата на клетката донор. Съществуват три основни начина за генетична рекомбинация при бактериите:

• Трансдукция – при този процес част от хромозомата на една бактерия се пренася и интегрира в хромозомата на друга бактерия, посредством вектор – вирус или бактериофаг. Обикновено бактериофага навлиза в определена бактериална клетката и интегрира собствената си ДНК молекула в реципиентната хромозома. В последствие клетката започва да продуцира зрели фагови частици, които разкъсват клетъчната мембрана и нападат други бактерии. Освен собствената си ДНК тези дъщерни бактериофаги носят и отделни фрагменти от ДНК на бактерията. Така при нападането на нови бактериални колонии освен фаговата ДНК се пренася и ДНК фрагмент от предходната бактерия. Посредством този механизъм за рекомбинация, бактериите разменят определени участъци от хромозомите си и така придобиват нови свойства. В зависимост от това дали пренесеният фрагмент може да се включи на всяко място от бактериалната хромозома или само в специфичен участък, трансдукцията бива специфична и неспецифична. Ако пренесеният фрагмент не се инкорпорира в ДНК на реципиентната клетка, трансдукцията се означава като абортивна.
• Трансформация – определен участък от хромозомата на клетката донор се пренася и интегрира в хромозомата на клетката реципиент. Пренесеният участък е напълно функционален и кодира синтезата на специфичен белтък. При деленето на клетката, пренесеният фрагмент се реплицира заедно с реципиентната хромозома и се предава на дъщерните клетки. Посредством този механизъм бактериите придобиват свойства като вирулентност, резистентност към антибиотици и др.
• Конюгация – представлява парасексуален процес, при който бактериите разменят участъци от хромозомите си посредством специфичен полов фактор – F. Бактериите, които притежават такъв полов фактор се означават като F⁺ бактерии, а тези при които този фактор липсва се означават като F^-. Процесът се извършва посредством пряк контакт между бактериите, като информацията се предава от F⁺ към F^- бактериите.

При трансформацията и конюгацията проникването на генетичната информация се извършва посредством временно обединяване на донорната и реципиентната клетка. Това води до образуването на частично диплоидна клетка означавана като хетерогенота. След протичането на рекомбинацията (от няколко минути до 12 часа) двете клетки се разделят и отново се превръщат в хаплидни.