рекомбінація
Мутаційний процес і потік генів можуть створити в популяції мінливість за одиничними генам. Якщо в результаті таких первинних процесів виникає алельних мінливість за двома або більшій кількості генів, то створюється грунт для дії вторинного процесу # 151; рекомбінації, В результаті рекомбінації нові аллели, носіями яких спочатку, ймовірно, були різні особи, можуть поєднуватися в одному генотипі. За рахунок рекомбінації число розрізняються генотипів в популяції може збільшитися; цей процес перетворює невеликий початковий запас мінливості по множинних генам в набагато більш значна кількість генотипической мінливості.
процес рекомбінації
Припустимо, що в популяції диплоїдних організмів, що розмножуються статевим шляхом, в двох незалежно розподіляються генах А і В виникли нові мутації. Припустимо далі, що носіями мутантних алелів (а і b) спочатку були різні особи з генотипами аавв і АаВb відповідно. Тепер може початися процес рекомбінації, що складають з наступних етапів: 1) схрещування між носіями різних мутантних алелів: аавв × АаВb; 2) поява в F 1 гетерозигот по двом генам АаВb (крім інших типів); 3) незалежний розподіл гамет з утворенням чотирьох класів гамет # 151; АВ, Аb, аВ і ab; 4) освіту в F 2 дев'яти різних генотипів # 151; ААВВ, ..., aabb.
Більшу частину цих дев'яти генотипів складають нові генотипи. На початку процесу в популяції було три генотипу (ААВВ, аавв і АаВb); через два покоління вона містила дев'ять генотипів, в тому числі такі нові рекомбінантні типи, як АаВb і aabb,
Для того щоб відбулася рекомбінація, гени А і В необов'язково повинні бути незалежні. Гени A і B можуть рекомбінуватися, перебуваючи в різних хромосомах або ж в різних локусах однієї хромосоми. Зчеплення, якщо тільки воно не дуже тісне, знижує частоту рекомбінації, але не запобігає їх утворення.
Слід сказати кілька слів про термінологію. У рекомбінації генів беруть участь два процеси: незалежний розподіл хромосом і кросинговер між негомологічної хромосоми. Молекулярні біологи і мікробіологи, використовуючи термін рекомбінація, мають на увазі виключно другий процес. Біологи, які мають справу з організмами і популяціями, використовують цей термін в його класичному розумінні, тобто. Е. Маючи на увазі як зчеплені, так і несцепленние гени; саме в цьому сенсі ми користуємося їм в цій книзі.
Кількість генотипической мінливості
Припустимо, що число окремих генів, присутніх в двох алельних формах, зростає в арифметичній прогресії (2, 3, ..., n). Число диплоїдних генотипів зростає при цьому по експоненті (З 2. З 3. ..., З n). Загалом число можливих диплоїдних генотипів (g) дорівнює 3 n.
Як ми бачили вище, два окремих гена (A і B), кожен з яких представлений двома аллельними формами, можуть утворити 9 генотипів, т. Е. G = З 2. Згідно менделевской генетиці, трігібрідное схрещування за участю трьох генів (A, B і С) дає 27 генотипів (g = 3 3).
Зчеплення порушує частоти рекомбінантних типів, але не змінює загального числа можливих типів. Якщо окремі гени не зчеплені між собою, то гетерозиготи за двома або за багатьма генами дають різні рекомбінації з певними частотами. Якщо гени зчеплені, але можуть бути розділені в результаті кросинговеру, то рекомбінанти все ж утворюються, але з більш низькими частотами, пропорційними силі зчеплення.
Поліморфні гени зазвичай представлені в природних популяціях множинними алелями. У таких випадках для визначення числа можливих генотипів слід звести в n-ю ступінь не 3, а якесь більше число. Загальна формула для можливого числа диплоїдних генотипів (g), що виражається через n (число окремих генів) і r (число алелей кожного гена), має вигляд
Розглянемо застосування цієї формули для випадку всього двох окремих генів з різною кількістю алелей. Результати представлені графічно на рис. 8.1. Індивідуальна мінливість, обумовлена рекомбінацією, швидко зростає зі збільшенням в арифметичній прогресії числа алелей в цих двох локусах.
Розглянемо далі генотипическую мінливість, можливу при наявності множинних алелей більш ніж в двох локусах. Деякі приклади наведені в табл. 8.1. Як показує таблиця, в результаті рекомбінації між п'ятьма генами, кожен з яких має по 10 алелей, може виникнути півмільйона генотипів. Якщо вийти за межі цієї таблиці і розглянути випадок шести незчеплених локусів з 10 або більше алелями в кожному, то виявиться, що число диплоїдних рекомбинантов обчислюється в мільярдах.
Мал. 8.1. Зростання рекомбинационной генотипической мінливості зі збільшенням числа алелей в кожному з двох окремих локусів. (Grant, 1963. *)
При генетичному вивченні природних популяцій вищих тварин і рослин в більшості випадків виявляється, що вони поліморфні за різними генам. Допущення, що лежать в основі наведених вище чисельних прикладів, можна вважати нереалістичними; скоріше вони занадто занижені.
Очевидно, що рекомбінація є механізм, що створює величезні кількості індивідуальної генотипической мінливості. При наявності помірного поліморфізму всього з кількох незчеплених генам з цієї генної мінливості шляхом рекомбінації може виникнути астрономічне число генотипів. При помірній генної мінливості число рекомбинантов цілком може виявитися вище загального числа особин даного виду. Саме через рекомбінації у організмів з статевим розмноженням дві особини, що розвиваються з різних зигот, ніколи не бувають абсолютно однаковими в генотипическом відношенні.
Таблиця 8.1. Число диплоїдних генотипів, які можуть виникнути
в результаті рекомбінації між різною кількістю окремих генів,
кожен з яких має різне число алелей (Grant, 1963 *)
Рекомбінація і мутагенезу
Рекомбінація зчеплених генів відбувається в результаті кросинговеру. Якщо зчеплені гени займають локуси, що знаходяться дуже близько один від одного, то кроссинговер трапляється рідко. Поява рекомбинантов серед нащадків в цьому випадку також спостерігається рідко. Рекомбінанти поводяться так само, як і мутанти.
Подібність між рідкісними рекомбінантов і мутантами ілюструє наступна модель. Два тісно зчеплених гена, А і В, регулюють подібні процеси і можуть заміщати один одного.
Іншими словами, нормальний фенотип створюється або двома домінантними алелями Ab / aB. або одним з цих домінантних алелів (А або В). Гетерозиготи за двома генами Ab / aB мають нормальний фенотип і зазвичай розмножуються в чистоті. Зрідка між локусами А і В відбувається кросинговер, в результаті чого виникає певна кількість гамет ab. Ці гамети дають зиготи aabb, що мають «мутантний» фенотип і розмножуються в чистоті по відхиляється ознакою. Якщо кроссинговер між А і В відбувається з частотою, порівнянної з частотою мутацій, то відрізнити такий рідкісний рекомбінант від мутанта звичайними методами неможливо.
З цих даних випливає, що в будь-якій групі непроаналізовані мутантних форм, цілком ймовірно, міститься, крім справжніх генних мутантів, певна кількість рідкісних рекомбинантов.
адаптивна цінність
Серед великого числа виникають рекомбінацій деякі можуть перевершувати по адаптивної цінності вихідний тип. Це пояснюється тим, що на адаптивну цінність кожного алелі можуть впливати інші гени даного комплементу. Взаємодія між генами # 151; один з факторів, що визначають функцію кожного окремого гена.
Тимофєєв-Ресовський (1934a, b) * вимірював життєздатність різних мутантів Drosophila pseudoobscura при 25 ° С і висловлював її в процентах від життєздатності особин дикого типу. У всіх форм, мутантних по одному гену, життєздатність була знижена. Деякі рекомбінанти, що містять по два мутантних алелі, володіли в одних випадках більш низької, а в інших випадках більш високу життєздатність, ніж будь-яка з форм, мутантних по одному аллели. Форми, що виникли шляхом рекомбінації деяких мутантних типів, мали більш високу адаптивну цінність в порівнянні з мутантами по одному аллели і, як видно з наступних даних, майже відповідали дикого типу.
Рекомбінація і складність
Складні фенотипічні ознаки визначаються не поодинокими генами, а їх поєднаннями. Подібні поєднання генів складаються з алелей, які діють спільно і узгоджено. рекомбінація # 151; це той механізм, який об'єднує генні поєднання.
Рекомбінація грає важливу роль майже у всіх організмів. У всіх царствах живого світу існують ті чи інші способи обміну генетичним матеріалом. У еукаріот головним способом, що забезпечує рекомбінацію, служить статеве розмноження, а у прокаріот той же результат досягається за рахунок парасексуальних механізмів.
Хоча рекомбінація виявлена у всіх основних групах, її відносне значення у різних організмів досить по-різному. Роль рекомбінації найбільш велика у вищих тварин, у яких вона забезпечується облігатним статевим розмноженням, великим числом хромосом і іншими особливостями генетичної системи. Протилежна ситуація має місце у бактерій і вірусів, які благополучно існують при мінімальному ступені рекомбінації. Проміжне становище за звичайним рівнем комбінатівіой мінливості займають вищі рослини.
Ці широкі відмінності корелюють зі складністю організмів. бактерії # 151; найбільш прості організми з простим генотипом. Важливі життєві функції, як, наприклад, здатність синтезувати деякі необхідні метаболіти, можуть визначатися у них одиничними генами; нові прості функції такого роду нерідко, мабуть, виникають в результаті генної мутації і природного добору.
В неймовірно складному генотипі того чи іншого вищого тваринного роль кожного одиничного гена відносно менше. Тут фенотипічні ознаки, що володіють адаптивної цінністю, в більшості випадків визначаються поєднаннями генів, причому зазвичай дуже складними поєднаннями. Тому механізми виникнення рекомбінації генів мають у них істотне значення.
Роль рекомбінації в еволюції
Еволюційні зміни ознак, детермініруемих одним геном, можуть виникнути в результаті поєднання мутаційного процесу і відбору. Це поєднання грає найбільшу роль в еволюції бактерій. Воно впливає також на прості ознаки багатоклітинних організмів, виступаючи тут, однак, лише на других ролях в загальному процесі зміни.
Еволюція нових складних ознак у багатоклітинних організмів починається з виникнення мінливості по множинних генам і завершується закріпленням в популяції нової адаптивної комбінації генів. рекомбінація # 151; важливий проміжний етап у цьому процесі.
Процес починається з мутацій в двох або декількох генах. Мутантні аллели, в разі якщо вони рецесивні, можуть залишатися протягом багатьох поколінь в диплоидном стані, не експрессіруясь. Диплоидное стан являє собою сховище для мутаційної і полігенною мінливості, а ключем до нього служить статеве розмноження; воно створює всіляких рекомбинантов з наявного в генофонді «сировини» *.
Біологічна функція статі полягає у виробництві безлічі рекомбінантних типів. Імовірність того, що будь-яка певна комбінація генів може бути зібрана в одному ряду поколінь за рахунок одного лише мутаційного процесу і без статевого розмноження, практично дорівнює нулю. Розглянемо виникнення похідного генотипу abc від предкового генотипу ABC у гаплоидного організму. Якби це перетворення залежало від ряду мутацій в безстатевих лініях, то воно протікало б вкрай повільно. Однак в популяції організму з статевим розмноженням новий генотип abc може утворитися всього за два покоління в результаті схрещування між трьома лініями, кожна з яких несе по одному аллели # 151; a, b або с (Wright, 1931; Miller, 1932 *).
Процес рекомбінації сліпий щодо адаптивної цінності утворюються рекомбинантов. Він механічно створює як негідні, так і корисні в адаптивному сенсі типи рекомбинантов. Цілком очевидно, що бажано звести частку перших до мінімуму. У будь-якому складному організмі чужі гени з віддалено спорідненою популяції навряд чи можуть гармонійно поєднуватися з коадаптіровани генами нативной популяції. Один із шляхів зниження частки погано адаптованих рекомбинантов складається тому в зведенні перешкод, що перешкоджають широкому гібридизації.
Організація популяцій в нескрещівающіеся між собою біологічні види, кожен з яких підтримує свій особливий коадаптіровани генофонд, являє собою, таким чином, природний наслідок статевого розмноження. біологічні види # 151; практичне наслідок статевого розмноження. Для рекомбінації необхідний статевої механізм, а підлогу в свою чергу вимагає видовий організації (Dobzhansky, 1937b *). Питання це розглянуто також в роботі Grant, 1981a *.
Процес рекомбінації, діючи в межах виду, дає широке розмаїття рекомбинантов. Деякі з них можуть виявитися більш досконалими за ступенем адаптації. Проблема переміщається тепер зі створення численних рекомбінантних типів на збереження деяких кращих з них. Статевий механізм, що створює в одному поколінні цінне поєднання генів, в наступному поколінні невблаганно знову роз'єднає їх. Тепер вирішальний момент полягає в тому, щоб закріпити нові, досконаліші рекомбінанти.
Відбір міг би в принципі поступово замінити предковое поєднання генів будь-яким новим їх поєднанням. але відбір # 151; це занадто неефективний і повільний спосіб закріплення нової генної комбінації в обширній вільно скрещивающейся популяції.
Більш сприятливі умови для закріплення нової адаптивної генної комбінації створює інбридинг, що супроводжується відбором серед продуктів останнього (Grant, 1963; Shields, 1982 **).
Інбридинг може викликатися різними причинами. Малі розміри популяції змушують вільно скрещивающийся організм до інбридингу. Локалізовані типи розселення в обширній популяції також сприяють інбридингу (Bateman, 1950; Shields, 1982 *). Система схрещування, що сприяє родинним схрещуванням або самооплодотворению, призведе до інбридингу незалежно від величини популяції. Два важливих особливих випадки закріплення генних комбінацій за допомогою інбридингу і відбору обговорюються в подальшому при розгляді дрейфу генів (гл. 16) і квантового видоутворення (гл. 24 і 25).
Формування і закріплення рекомбінантних типів вимагає різних, і по суті несумісних, умов: вільного схрещування в одних випадках і інбридингу # 151; в інших. Ця несумісність може бути подолана чергуванням циклів широкого вільного схрещування і інбридингу. Так, популяція, яка зазвичай буває численної, може проходити через «вузьке горло» низької чисельності. У переважно самозапліднюються групі рослин або тварин можуть час від часу наступати періоди вільного схрещування.
У підсумку ми маємо в своєму розпорядженні одним набором еволюційних сил # 151; поєднанням мутаційного процесу і відбору, що дозволяє дати адекватне пояснення початковим стадіям еволюції і змін простих ознак у вищих організмів, Дослідники молекулярної еволюції іноді схильні підкреслювати загальне значення системи «мутаційний процес # 151; відбір »(наприклад, Beadle, 1963; Jukes, 1966 *). Вони намагаються також пояснювати в цих термінах органічну еволюцію взагалі (Beadle, 1963 *).
Однак еволюцію багатоклітинних організмів можна задовільно пояснити за допомогою системи «мутаційний процес # 151; відбір». Складність структури і функцій таких організмів вимагає настільки ж складних генних комбінацій. Ця вимога висуває рекомбінацію "на перший план. Потім розвивається ряд генетичних систем, які сприяють рекомбінації і регулюючих її: стать, вид, інбридинг і вторинна асексуальність.