Biologie I

Genetische kaarten

Janssen had niet de technologie om het oversteken aan te tonen, dus het bleef een abstract idee dat niet algemeen werd aanvaard. Wetenschappers dachten dat chiasmata een variatie op synapsis was en konden niet begrijpen hoe chromosomen konden breken en weer samenkomen. Toch waren de gegevens duidelijk dat koppeling niet altijd plaatsvond. Uiteindelijk was er een jonge student en een all-nighter nodig om het probleem van koppeling en recombinatie wiskundig op te helderen.

In 1913 verzamelde Alfred Sturtevant, een student in het laboratorium van Morgan, resultaten van onderzoekers in de laboratorium, en nam ze op een avond mee naar huis om er over na te denken. De volgende ochtend had hij de eerste chromosoomkaart gemaakt, een lineaire weergave van genvolgorde en relatieve afstand op een chromosoom (figuur).

Zoals getoond in figuur, door recombinatiefrequentie te gebruiken om genetische afstand te voorspellen, relatieve volgorde van genen op chromosoom 2 zou kunnen worden afgeleid. De getoonde waarden vertegenwoordigen kaartafstanden in centimorgans (cM), die overeenkomen met recombinatiefrequenties (in procenten). Daarom lagen de genen voor lichaamskleur en vleugelgrootte 65,5 – 48,5 = 17 cM uit elkaar, wat aangeeft dat de allelen van moeder en vader voor deze genen gemiddeld recombineren bij 17 procent van de nakomelingen.

Om een chromosoom te construeren map, nam Sturtevant aan dat genen serieel waren gerangschikt op draadachtige chromosomen. Hij nam ook aan dat de incidentie van recombinatie tussen twee homologe chromosomen met gelijke waarschijnlijkheid overal langs de lengte van het chromosoom zou kunnen voorkomen. Opererend onder deze aannames, postuleerde Sturtevant dat allelen die ver uit elkaar lagen op een chromosoom, meer kans hadden om te dissociëren tijdens meiose, simpelweg omdat er een groter gebied was waarover recombinatie kon plaatsvinden. Omgekeerd werden allelen die dicht bij elkaar op het chromosoom lagen, waarschijnlijk samen overgeërfd. Het gemiddelde aantal cross-overs tussen twee allelen – dat wil zeggen hun recombinatiefrequentie – correleerde met hun genetische afstand tot elkaar, ten opzichte van de locaties van andere genen op dat chromosoom. Gezien de voorbeeldkruising tussen AaBb en aabb hierboven, zou de frequentie van recombinatie kunnen worden berekend als 50/1000 = 0,05. Dat wil zeggen, de kans op een kruising tussen genen A / a en B / b was 0,05 of 5 procent. Een dergelijk resultaat zou erop duiden dat de genen definitief met elkaar verbonden waren, maar dat ze ver genoeg van elkaar verwijderd waren om af en toe kruisingen te voorkomen. Sturtevant verdeelde zijn genetische kaart in kaarteenheden, of centimorgans (cM), waarin een recombinatiefrequentie van 0,01 overeenkomt met 1 cM.

Door allelen in een lineaire kaart weer te geven, suggereerde Sturtevant dat genen kunnen variëren van perfect gekoppeld (recombinatiefrequentie = 0) aan perfect ontkoppeld zijn (recombinatiefrequentie = 0,5) wanneer genen zich op verschillende chromosomen bevinden of genen ver uit elkaar op hetzelfde chromosoom zijn gescheiden. Perfect niet-gekoppelde genen komen overeen met de frequenties die door Mendel zijn voorspeld om onafhankelijk te sorteren in een dihybride kruising. Een recombinatiefrequentie van 0,5 geeft aan dat 50 procent van de nakomelingen recombinant is en de andere 50 procent ouderlijke typen. Dat wil zeggen, elk type allelcombinatie wordt met gelijke frequentie weergegeven. Dankzij deze weergave kon Sturtevant additief afstanden berekenen tussen verschillende genen op hetzelfde chromosoom. Toen de genetische afstanden echter 0,50 naderden, werden zijn voorspellingen minder nauwkeurig omdat het niet duidelijk was of de genen erg ver uit elkaar lagen op hetzelfde chromosoom of op verschillende chromosomen.

In 1931, Barbara McClintock en Harriet Creighton demonstreerden de kruising van homologe chromosomen in maïsplanten. Weken later werd homologe recombinatie in Drosophila microscopisch aangetoond door Curt Stern. Stern observeerde verschillende X-gekoppelde fenotypen die geassocieerd waren met een structureel ongebruikelijk en ongelijk X-chromosoompaar waarin één X een klein eindsegment miste en de andere X was gefuseerd aan een stuk van het Y-chromosoom.Door vliegen te kruisen, hun nakomelingen te observeren en vervolgens de chromosomen van de nakomelingen te visualiseren, toonde Stern aan dat elke keer dat de allelcombinatie van de nakomelingen afweek van een van de oudercombinaties, er een overeenkomstige uitwisseling was van een X-chromosoomsegment. Het gebruik van mutante vliegen met structureel verschillende X-chromosomen was de sleutel tot het observeren van de producten van recombinatie, omdat DNA-sequentiebepaling en andere moleculaire hulpmiddelen nog niet beschikbaar waren. Het is nu bekend dat homologe chromosomen tijdens de meiose regelmatig segmenten uitwisselen door hun DNA wederzijds te breken en weer samen te voegen op precieze locaties.