Опыты Менделя оставались безвестными вплоть до девятисотых годов, когда они были «вновь открыты» тремя биологами в трех разных европейских странах. Эти ученые обнаружили, что полученные Менделем результаты превосходным образом согласуются с поведением хромосом в процессе мейоза, который был изучен спустя 34 года после опубликования работ Менделя. Исследователи быстро пришли к убеждению, что изучавшиеся Менделем гены находятся в хромосомах. 


Занявшись проверкой менделевских представлений на разных организмах, генетики обнаружили, что существуют такие пары генов, наследование которых не подчиняется соотношениям, установленным Менделем. Мендель нашел, что у индивидуумов, гетерозиготных по двум парам генов (например, АаВb), четыре типа гамет - АВ, Аb, аВ и аb - образуются с равной частотой. Это и позволило ему сформулировать закон, который мы теперь называем законом независимого распределения разных пар генов (см. главу. 4). Позже, однако, исследователи обнаружили много пар генов, не подчиняющихся этому закону: у потомков две из этих комбинаций встречались гораздо чаще, нежели две другие. 


Как это можно объяснить? Если мы обратимся вновь к рис. 14, то увидим, что гены А и а распределяются независимо от генов В и b, потому что эти две пары генов лежат в двух разных парах гомологичных хромосом. Однако мы знаем (см. рис. 10), что каждая хромосома несет много генов. Каков будет результат, если в скрещивании участвуют две пары генов, находящихся в одной и той же паре хромосом? 


Если два гена находятся в одной и той же хромосоме, то следует ожидать, что в процессе мейоза они не будут распределяться независимо, как это делают гены, лежащие в разных парах хромосом, а будут все время оставаться вместе и в конце концов попадут в одно и то же гаплоидное ядро. Иными словами, они будут вести себя так, как если бы они были сцеплены. Мендель был очень удачлив (или очень предусмотрителен) в выборе тех семи пар признаков, с которыми он работал: определяющие их факторы находятся в шести парах хромосом (всего у гороха семь пар хромосом). 


Рассмотрим один из примеров генетического сцепления. Представим себе, что гены А и В локализованы в одной и той же паре гомологичных хромосом (рис. 15). Скрестим индивидуум, гомозиготный по доминантным генам для обоих признаков (ААВВ), с индивидуумом, гомозиготным по рецессивным их генам (ааbb). Гибриды от этого скрещивания все будут иметь генотип АаВb, поскольку гаметы одной родительской особи несут гены АВ, а гаметы другой - гены аb. Скрестив эти гибриды между собой, мы получим следующее отношение (фенотипов): 


    3/4 с признаками А и В

    1/4 с признаками а и b


Таким образом, вместо отношения 9:3:3:1, характерного для дигибридного скрещивания (см. главу 4), мы получили отношение 3:1, типичное для моногибридных скрещиваний (см. главу 3). Если мы обратимся к гаметам, образующимся у гибридных индивидуумов F2, то увидим, что, поскольку гены А и В сцеплены (т. е. находятся в одной хромосоме) и точно так же сцеплены гены а и b, независимое распределение пар Аа и Вb невозможно. Гены А и В вместе с несущей их хромосомой попадут в одну гамету, а гены а и b вместе с гомологом этой хромосомы-в другую гамету (рис. 15). 



Рис. 15. Скрещивание с участием двух сцепленных пар генов, т.е. генов, находящихся в одной хромосоме. Гены, лежащие в одной хромосоме, не могут распределяться независимо; они передаются как единое целое (ср. с парами Аа и Вb на рис. 14). Поэтому отношения фенотипов и генотипов в F2 здесь не такое, как при дигибридном скрещивании с двумя несцепленными парами генов, а такое, как при моногибридном скрещивании.


Таким образом, сцепленные гены можно выявлять по отношению фенотипов в F2. Если оно совпадает с менделевским отношением для дигибридного скрещивания, 9:3:3:1, то это означает, что данные гены распределяются независимо один от другого и, по всей вероятности, лежат в разных хромосомах. (Исключения возникают вследствие кроссинговера; см. ниже.) Если же вместо этого мы находим отношение 3:1, то гены, очевидно, сцеплены. 


В процессе мейоза гомологичные хромосомы, прежде чем разойтись по разным ядрам, выстраиваются друг против друга. В это время части двух гомологичных хромосом могут перекрещиваться, отрываться и вновь присоединяться, но уже не к своей, а к другой хромосоме. Иными словами, хромосомы могут обмениваться фрагментами ДНК. Это явление называется кроссинговером. Кроссинговер ведет к перегруппировке генов, так что гены, которые ранее были сцеплены, оказываются теперь в разных хромосомах (рис. 16). 


Рис. 16. Кроссинговер происходит в начале мейоза, когда реплицировавшиеся гомологичные хромосомы выстраиваются друг против друга. При этом участки гомологичных хромосом перекрещиваются, отрываются, а затем вновь присоединяются, но уже к другой хромосоме. В конечном итоге образуются четыре хромосомы с разными комбинациями генов. Хромосомы, названные здесь «рекомбинантами», несут новые комбинации генов (Аb и аВ), отсутствовавшие в исходных хромосомах (АВ и аb).


Насколько известно, кроссинговер с равной вероятностью может происходить в любой точке любой хромосомы. Следовательно, чем ближе друг к другу находятся в данной хромосоме два гена, тем меньше между ними возможных точек кроссинговера и тем реже будет кроссинговер между ними. Если гены близки друг к другу, то они будут оставаться в одной хромосоме и чаще передаваться по наследству вместе, чем порознь. По мере увеличения расстояния между генами все больше возрастает вероятность того, что кроссинговер разведет их по двум разным гомологичным хромосомам. 


Относительное расстояние между двумя генами, лежащими в одной паре хромосом, можно определить, проведя большое число скрещиваний, сосчитав число потомков с каждым фенотипом и вычислив процент потомков с новыми, «кроссоверными» комбинациями генов. (В рассмотренном выше примере нам потребовалось бы для этого вычислить процент потомков, фенотипы которых свидетельствуют о том, что через гаметы родительских особей они получили хромосомы Аb или аВ вместо хромосом АВ и аb, имевшихся в соматических клетках этих особей.) 


Накапливая данные от большого числа таких скрещиваний с разными комбинациями генных пар, генетики получают возможность строить хромосомные карты для различных организмов. Иными словами, они получают возможность определять, какие гены объединены в каких хромосомах и на каком относительном расстоянии друг от друга эти гены находятся (рис. 17). Подробные карты хромосом составлены для таких организмов, как плодовая мушка (Drosophila), лабораторные мыши, хлебная плесень (Neurospora), а также для некоторых бактерий и вирусов, т. е. для наиболее популярных объектов генетических исследований. (Хромосомная карта, представленная на рис. 17, имеет вид прямой линии, поскольку у эукариот линейны сами хромосомы. Напомним, что в бактериальных клетках содержатся кольцевые молекулы ДНК (см. рис. 12), а поэтому их генетические карты имеют форму кольца.) 


Рис. 17. Генетическая карта одной из хромосом плодовой мушки Drosophila melanogaster. Показано расположение мутантных генов, идентифицированных в каждой из указанных точек. Две из этих мутаций, а именно star eye и jammed wing, доминантны, но большая их часть принадлежит к числу рецессивных. Расположение генов на карте никак не связано с расположением в организме мухи соответствующих морфологических структур, хотя для большей наглядности линии, ведущие к этим структурам, проведены так, чтобы они не пересекались.