Введение
Понятие в классической генетике
В соответствии с законом доминирования в генетике, организм, проявляющий доминантный фенотип, может содержать либо две копии доминантного аллеля (гомозиготный доминантный), либо одну копию каждого доминантного и рецессивного аллеля (гетерозиготный доминантный). С помощью обратного скрещивания можно определить, является ли организм гетерозиготным или гомозиготным доминантным. Поскольку гомозиготный рецессивный организм может передавать только рецессивные аллели, аллель, передаваемый исследуемым организмом, определяет фенотип потомства. Таким образом, этот тест дает два возможных результата:
Если хотя бы у одного из полученного потомства проявляется рецессивный признак, то исследуемый организм является гетерозиготным по доминантному аллелю. Возрождение интереса к работам Менделя в начале 1900-х годов привело к резкому увеличению числа экспериментов, использующих принципы обратного скрещивания. С 1908 по 1911 год Томас Хант Морган проводил обратные скрещивания при изучении закономерностей наследования мутации, вызывающей белый цвет глаз у дрозофилы. Эти эксперименты стали ключевыми в открытии половых признаков.
Испытание перекрестных типов
Скрещивание с рецессивным тестером включает скрещивание организма с доминантным генотипом или фенотипом с организмом, имеющим рецессивный генотип или фенотип. Чтобы лучше понять суть скрещивания с рецессивным тестером, рассмотрим различные типы скрещиваний, включающие один или несколько интересующих генов.
Моногибридные кроссы (одногенные кроссы для испытаний)
Моногибридное скрещивание – это процесс оплодотворения, в котором участвуют два чистопородных родителя, различающихся только по одному признаку, в результате чего получается потомство – моногибриды. Оно используется для изучения только одного типа гена или фенотипа. Моногибридное скрещивание, также называемое «тест на один ген», позволяет наблюдать, как гомозиготное потомство проявляет гетерозиготные генотипы, унаследованные от родителей. При моногибридном скрещивании аллели обозначаются символами: рецессивный аллель обычно обозначается строчной буквой, а доминантный – прописной. Фиксируются фенотип и генотип обоих скрещиваемых родителей, включая генотип гамет родительского поколения. Прогнозирование комбинаций гамет осуществляется с помощью квадрата Пуннетта. Проводя моногибридное скрещивание, Мендель начал эксперимент с парой гороховых растений, демонстрирующих контрастные признаки: одно высокое, другое – карликовое. В результате перекрестного опыления полученное потомство проявляло признак высоты. Эти гибриды первого поколения были обозначены как F1, а их потомство – как Filial или F1-поколение. Мендель заметил, что признаки, отсутствовавшие в поколении F1, вновь появились в поколении F2. Он назвал подавленный признак рецессивным, а проявляющийся – доминантным.
Дигибридные кроссы (двухгенные кроссы)
Кроме того, Мендель решил исследовать исход скрещивания двух растений, являющихся гибридами по одному признаку. Это исследование было направлено на определение закономерностей наследования двух характеристик одновременно и на проверку гипотезы о том, что наследование одного признака остаётся независимым от другого. Этот эксперимент, называемый двугибридным скрещиванием или “тестом на два гена”, основывался на принципе расщепления. При проведении двугибридного скрещивания выбираются две доминантные фенотипические характеристики и скрещиваются с родителями, проявляющими двойные рецессивные признаки. Затем анализируются фенотипические характеристики поколения F1. В таком тесте, если исследуемый индивид гетерозиготен, обычно наблюдается фенотипическое соотношение 1:1:1:1. Чтобы проверить идею Менделя, он провёл сложные скрещивания с растениями, чистокровными по двум признакам: цвет семян (жёлтый и зелёный), форма семян (круглые и морщинистые). Он скрестил растения с морщинистыми и жёлтыми семенами и растения с круглыми и зелёными семенами. Основываясь на более ранних скрещиваниях с моногибридами, Мендель предполагал, что круглые и жёлтые семена доминируют при чистокровном скрещивании, и его наблюдения это подтвердили.
Применение в модельных организмах
Пробные скрещивания имеют разнообразные применения. Модельные организмы, такие как Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster, часто используются для пробных скрещиваний. Основные методики проведения пробных скрещиваний на этих организмах приведены ниже:
C. elegans
Для проведения кросс-тестирования с C. elegans поместите червей с известным рецессивным генотипом вместе с червями неизвестного генотипа на агарную пластинку. Дайте самцам и гермафродитам время для спаривания и получения потомства. Используя микроскоп, соотношение особей с рецессивным и доминантным фенотипами позволит определить генотип доминантного родителя.
D. меланогастер
Для проведения кросс-теста с D. melanogaster выберите признак с известным доминантным и рецессивным фенотипом. Красный цвет глаз доминантен, а белый – рецессивен. Получите девственных самок с белыми глазами и молодых самцов с красными глазами, и поместите их в одну пробирку. Как только у потомства начнут появляться личинки, удалите родительские линии и наблюдайте за фенотипом взрослых особей.
Ограничения
Существует множество ограничений для анализирующих скрещиваний. Это может быть трудоемким процессом, поскольку некоторым организмам требуется длительное время роста в каждом поколении, чтобы проявился необходимый фенотип. Для получения достоверных данных, вследствие статистической природы явления, также требуется большое количество потомства. Анализирующие скрещивания полезны только при полном доминировании. Неполное доминирование возникает, когда доминантный и рецессивный аллели объединяются, формируя промежуточный фенотип у потомства. Анализирующие скрещивания также неприменимы к кодоминантным генам, где оба фенотипа гетерозиготного признака будут экспрессироваться. Другое ограничение связано с эпистатическими мутациями, когда экспрессия одного гена подавляется экспрессией другого гена. Признак также может определяться множеством генов, что известно как полигенное наследование. Гены также обладают различной пенетрантностью, определяющей степень их проявления. Кроме того, окружающая среда влияет на экспрессию многих генов, что делает анализирующее скрещивание неприменимым во многих случаях. С появлением более совершенных методов определения генотипа, анализирующие скрещивания становятся менее распространенными в генетике. Генетическое тестирование и картирование генома – современные достижения, позволяющие получить более эффективную и детальную информацию о генотипе. Тем не менее, анализирующие скрещивания до сих пор используются и заложили прочную основу для разработки более сложных методов.