Хромосомна теорія спадковості (Т. X. Морган і ін.)
Доведено, що кількість спадкових ознак організму значно перевищує число хромосом гаплоїдного набору. Так, в гаплоидном наборі класичного об'єкта генетичних досліджень - мухи-дрозофіли - є тільки чотири хромосоми, але число спадкових ознак і, відповідно, генів які їх визначають, безсумнівно, значно більше. Це означає, що в кожній хромосомі знаходиться багато генів. Тому разом з ознаками, які успадковуються незалежно, повинні існувати і такі, які успадковуються зчеплене один з одним, так як вони визначаються генами, розташованими в одній хромосомі. Такі гени утворюють групу зчеплення. Кількість груп зчеплення в організмах певного виду дорівнює кількості хромосом в гаплоидном наборі (наприклад, у дрозофіли 1пара = 4, у людини 1пара = 23).
Експериментальні дослідження явища зчепленого успадкування провів видатний американський генетик Т. X. Морган зі своїми співробітниками. Їх результати обгрунтували запропоновану вченими хромосомну теорію спадковості.
Слід зазначити, що Т. X. Морган, як свого часу Г. Мендель, вдало обрав для досліджень муху-дрозофілу, яка згодом стала класичним об'єктом для генетичних експериментів. Дрозофіл легко містити в лабораторіях, у них висока плодючість, швидка зміна поколінь (при оптимальних умовах утримання нове покоління виникає кожні півтори-два тижні), невелике число хромосом, що спрощує спостереження.
Явище зчепленого успадкування Т. X. Морган встановив в процесі наступного досвіду. Самців дрозофіли, гомозиготних за домінантними алелями забарвлення тіла (сіре) та формою крил (нормальні), схрестили з самками, гомозиготними за відповідними рецесивними алелями (чорне тіло - недорозвинені крила). Генотипи цих особин позначили відповідно ЕЕУУ і ееуу. Всі гібриди першого покоління мали сіре тіло і нормальні крила, тобто були гетерозиготними за обома парами алелей (генотип - ЕЕУУ). Потім гібридів схрестили з особинами, гомозиготними за відповідними рецесивними алелями (аналізує схрещування).
Теоретично можна було очікувати два варіанти розщеплення. Якби гени, що обумовлюють забарвлення тіла і форму крил, містилися в негомологічних хромосомах, тобто успадковувалися незалежно, розщеплення має бути таким: 25% особин з сірим тілом і нормальними крилами, 25% - з сірим тілом і недорозвиненими крилами, ще 25% - з чорним тілом і нормальними крилами і 25% - з чорним тілом і недорозвиненими крилами (тобто в співвідношенні - 1: 1: 1: 1). Якби ці гени розміщувалися в одній хромосомі і дісталися у спадок зчеплене, то було б отримано 50% особин з сірим тілом і нормальними крилами і 50% - з чорним тілом і недорозвиненими крилами (тобто 1: 1).
Насправді 41,5% особин мали сіре тіло і нормальні крила, 41,5% - чорне тіло і недорозвинені крила, 8,5% - сіре тіло і недорозвинені крила і 8,5% Чорне тіло і нормальні крила, тобто розщеплення наближалося до співвідношення фенотипів 1: 1 (як у випадку зчепленого успадкування), але разом з тим проявилися всі чотири варіанти фенотипу (як у випадку незалежного успадкування). На підставі цих даних Т. X. Морган припустив, що гени, що визначають забарвлення тіла і форму крил, розташовані в одній хромосомі, але в процесі мейозу при утворенні гамет гомологічні хромосоми можуть обмінюватися ділянками, тобто має місце явище, що отримало назву перехрест хромосом, або кросинговер.
Кросинговер - обмін ділянками гомологічних хромосом в процесі клітинного ділення, переважно в профазі першого мейотичного поділу, іноді в мітозі. Дослідами Т. Моргана, К. Бріджеса і А. Стертеванта було показано, що немає абсолютно повного зчеплення генів, при якому гени передавалися б завжди разом. Імовірність того, що два гени, локалізовані в одній хромосомі, не розійдуться в процесі мейозу, коливається в межах 1-0,5. У природі переважає неповне зчеплення, обумовлене перехрестям гомологічниххромосом і рекомбінацією генів. Цитологічна картина кросинговеру була вперше описана датським вченим Ф. Янсенс.
Кроссинговер проявляється тільки тоді, коли гени знаходяться в гетерозиготному стані (АВ / ав). Якщо гени знаходяться в гомозиготному стані (АВ / АВ або аВ / аВ), обмін ідентичними ділянками не дає нових комбінацій генів у гаметах і в поколінні. Частота (відсоток) перехрестя між генами залежить від відстані між ними: чим далі вони розташовуються один від одного, тим частіше відбувається кросинговер. Т. Морган запропонував відстань між генами вимірювати кросинговером у відсотках, за формулою:
N1 / N2 X 100 =% кросинговеру,
де N1 - загальне число особин в F;
N2 - сумарне число кроссоверних особин.
Відрізок хромосоми, на якому здійснюється 1% кросинговеру, дорівнює одній морганід (умовна міра відстані між генами). Частоту кросинговеру використовують для того, щоб визначити взаємне розташування генів і відстань між ними. Для побудови генетичної карти людини користуються новими технологіями, крім того побудовані цитогенетичні карти хромосом.
Розрізняють декілька типів кросинговеру: подвійний, множинний (складний), неправильний, нерівний.
Кроссинговер призводить до нового поєднанню генів, викликає зміна фенотипу. Крім того, він поряд з мутаціями є важливим фактором еволюції організмів.
Зазначені докази були покладені в основу хромосомної теорії спадковості:
1. Гени розташовуються в хромосомах по довжині в лінійному порядку; різні хромосоми містять неоднакове число генів; набір генів кожної з хромосом - унікальний.
2. Алельні гени займають певні й ідентичні локуси (місця) гомологічних хромосом.
3. Гени, розташовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення, завдяки чому має місце зчеплення деякими ознаками, які разом (зчеплені) передаються нащадкам. Кількість груп зчеплення дорівнює гаплоидному набору хромосом. Зчеплення не абсолютне.
4. Під час мейозу, яке відбувається тільки при утворенні гамет, диплоїдні число хромосом зменшується вдвічі (гаплоїдні число). Це відповідає закону розщеплення, згідно з яким генетичний матеріал обох батьків по-різному комбінується в гаметах.
5. Відповідно до закону незалежного розподілу батьківські і материнські набору не зчеплених генів розщеплюються незалежно один від одного. Якщо не зчеплені гени розташовані в різних хромосомах, то під час мейозу материнські і батьківські хромосоми повинні розподілитися між гамети випадково.
6. Між генами гомологічних батьківських і материнських груп зчеплення можуть відбуватися, завдяки кросинговеру, реципрокні рекомбінації. Цьому відповідає утворення хіазм при кон'югації гомологічних хромосом в мейозі (генетичний кросинговер).
7. Сила зчеплення між генами обернено пропорційна відстані між ними. Чим ближче розташовані гени в одній хромосомі, тим сильніше їх зчеплення, тим менше буде виникати рекомбінації між ними, і навпаки. Відстань між генами вимірюється у відсотках кросинговеру. Один відсоток кросинговеру відповідає одній морганід.
8. Кожен біологічний вид характеризується специфічним набором хромосом - каріотипом.