Что такое "кроссинговер" хромосом и для чего он нужен

Кроссинговер хромосом - это удивительный процесс, лежащий в основе генетического разнообразия и являющийся двигателем эволюции. Давайте разберемся, что это такое, как он происходит и для чего нужен.

Открытие явления кроссинговера

В 1911 году американский генетик Томас Морган в ходе опытов по скрещиванию плодовых мушек-дрозофил обнаружил, что у их потомства иногда появляются новые, неожиданные сочетания признаков. Он предположил, что это связано с обменом участками между гомологичными хромосомами, и назвал этот процесс "кроссинговером".

Кроссинго́вер (от англ. crossing over — пересечение) — процесс обмена участками гомологичных хромосом во время конъюгации в профазе первого деления мейоза, которое происходит, например, при образовании гамет или спор.

Ученик Моргана Альфред Стертевант на основании частоты кроссинговера между разными генами впервые составил генетическую карту хромосомы дрозофилы. Это позволило определить порядок расположения генов на хромосоме и расстояние между ними - чем реже происходит кроссинговер между двумя генами, тем ближе они расположены.

В 1931 году в опытах на кукурузе и дрозофиле были получены первые доказательства реального обмена участками хромосом. С помощью цитологических методов удалось зафиксировать структурные изменения хромосом после кроссинговера.

Как происходит кроссинговер

Кроссинговер обычно происходит на стадии профазы I деления мейоза, когда хромосомы состоят из двух хроматид. Специальный фермент делает в молекуле ДНК двуцепочечные разрывы, запуская процессы гомологичной рекомбинации. В результате между гомологичными хромосомами образуется структура, называемая двойной петлей Холлидея. Далее эта структура может "разрешиться" двумя способами:

• с кроссинговером - хромосомы обмениваются фрагментами;
• без кроссинговера - каждая хромосома восстанавливает свою первоначальную структуру.

Таким образом, в результате кроссинговера происходит рекомбинация генетического материала между гомологичными хромосомами.

Зачем нужен кроссинговер

Кроссинговер играет очень важную роль в повышении генетического разнообразия потомства. Благодаря ему создаются новые комбинации генов, что увеличивает приспособляемость видов к изменяющимся условиям среды.

Кроме того, данные о частоте кроссинговера между разными участками хромосом активно используются в генетическом картировании для определения порядка расположения генов.

Как контролируется кроссинговер

Частота кроссинговера может регулироваться различными факторами. Во-первых, на нее влияют условия окружающей среды. Например, облучение и воздействие мутагенных веществ увеличивают количество двуцепочечных разрывов в ДНК, что стимулирует рекомбинационные процессы.

Во-вторых, существует генетический контроль частоты кроссинговера. У самцов дрозофилы он отсутствует, а у самок тутового шелкопряда происходит крайне редко. Определенные хромосомные перестройки и мутации также могут влиять на вероятность кроссинговера.

В-третьих, существует явление интерференции - подавления кроссинговера между соседними участками хромосом при наличии перекреста в каком-то одном локусе. Чем ближе расположены гены, тем сильнее интерференция.

Что такое митотический кроссинговер

Хотя обычно кроссинговер связывают с мейозом, описаны случаи перекреста между гомологичными хромосомами и при митотических делениях клеток. Это явление получило название митотического кроссинговера.

У одноклеточных организмов, размножающихся бесполым путем, он является единственным источником рекомбинации генетического материала. Кроме того, митотический кроссинговер в соматических клетках многоклеточных организмов приводит к появлению клеток с мозаичной экспрессией генов.

Какие задачи решает кроссинговер

Итак, основные задачи, которые решает кроссинговер:

1. Повышение генетического разнообразия потомства за счет новых комбинаций генов
2. Увеличение приспособленности видов к меняющимся условиям среды
3. Создание предпосылок для эволюционных изменений популяций
4. Определение порядка расположения и расстояния между генами с помощью генетического картирования

Таким образом, кроссинговер является одним из ключевых механизмов поддержания и увеличения биологического разнообразия нашей планеты.

Практическое использование явления кроссинговера

Знания о кроссинговере активно применяются человеком в различных областях.

Во-первых, этот процесс широко используется в селекции растений и животных для получения организмов с нужными признаками. Кроссинговер позволяет комбинировать в одном организме полезные гены, локализованные в разных частях хромосом.

Во-вторых, изучение особенностей рекомбинации у человека помогает в выявлении и лечении некоторых наследственных заболеваний. Например, болезнь Дауна часто связана с повышенным кроссинговером.

Практическое использование явления кроссинговера

В-третьих, знания о молекулярных механизмах кроссинговера помогли в разработке методов генной инженерии. Ученые научились направленно вносить изменения в геномы различных организмов, используя естественные процессы рекомбинации.

Применение в селекции

Благодаря кроссинговеру стало возможным получение новых сортов растений и пород животных с комплексом ценных качеств. Например, если в одном сорте пшеницы высокая урожайность, а в другом - устойчивость к заболеваниям, можно скрестить эти растения и отобрать в потомстве гибриды, объединяющие оба признака.

Использование в медицине

Исследование частоты и локализации кроссинговера позволяет выявлять и картировать гены, ответственные за наследственные заболевания у человека. Это открывает возможности для диагностики и прогнозирования развития болезней, а также для разработки методов генной терапии.

Создание ГМО

С помощью методов генной инженерии, основанных на механизмах кроссинговера, ученые научились встраивать чужеродные гены в геномы различных организмов. Это позволило создать трансгенные растения и животных с нужными свойствами.

Развитие фундаментальной науки

Изучение молекулярных основ кроссинговера вносит большой вклад в понимание фундаментальных процессов передачи генетической информации и эволюции органического мира. Эти знания продвигают такие области как генетика, молекулярная биология, эволюционная теория.