1) Гены находятся в хромосомах.
2) Гены в хромосомах расположены линейно друг за другом и не перекрываются.
3) Гены, расположенные в одной хромосоме, называются сцепленными и составляют группу сцепления. Поскольку в гомологичные хромосомы входят аллельные гены, отвечающие за развитие одних и тех же признаков, в группу сцепления включают обе гомологичные хромосомы; таким образом, количество групп сцепления соответствует числу хромосом в гаплоидном наборе. В пределах каждой группы сцепления вследствие кроссинговера происходит перекомбинирование генов.
4) Закон Моргана – «Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно».
Полное сцепление генов. Если гены расположены в хромосоме непосредственно друг за другом, то кроссинговер между ними практически невероятен. Они почти всегда наследуются вместе, и при анализирующем скрещивании наблюдается расщепление в соотношении 1:1
Неполное сцепление генов. Если гены в хромосомах расположены на некотором расстоянии друг от друга, то частота кроссинговера между ними возрастает и, следовательно, появляются кроссоверные хромосомы, несущие новые комбинации генов: Аb и аВ
Их количество прямо пропорционально расстоянию между генами. При неполном сцеплении в потомстве появляется некоторое количество кроссоверных форм, причем их количество зависит от расстояния между генами. Процент кроссоверных форм указывает на расстояние между генами, расположенными в одной хромосоме.
Взаимодействия неаллельных генов
Комплементарность – явление при котором ген одной аллельной пары способствует проявлению генов другой аллельной пары.
1) У душистого горошка есть ген А, обусловливающий синтез бесцветного предшественника пигмента – пропигмента. Ген В определяет синтез фермента, под действием которогo из пропигмента образуется пигмент. Цветки душистого горошка с генотипом ааВВ и АаЬЬ имеют белый цвет: в первом случае есть фермент, но нет пропигмента, во втором – есть пропигмент. но нет фермента, переводящего пропигмент в пигмент:
2) Новообразование признака – наследование формы гребня у кур некоторых пород. В результате различных комбинаций генов возникают четыре варианта формы гребня:
Pиc. Форма гребня у петухов: А – простой (aabb); Б – гороховидный (ааВВ или ааВВ); В – ореховидный (ААВВ или АаВЬ); Г – розовидный (ААЬЬ или Aabb)
Эпистаз – явление, при котором ген одной аллельной пары препятствует проявлению генов из другой аллельной пары, например развитие окраски плодов у тыквы. Окрашенными плоды тыквы будут только в том случае, если в генотипе-растении отсутствует доминантный ген В из другой аллельной пары. Этот ген подавляет развитие окраски, у плодов тыквы, а его рецессивная аллель b не мешает окраске развиваться (Aabb – желтые плоды; aabb – зеленые плоды; ААВВ и ааВВ – белые плоды).
Полимерия – явление, при котором степень выраженности признака зависим от действия нескольких различных пар аллельных генов причем чем больше в генотипе доминантных генов каждой пары, тем ярче выражен признак. У пшеницы красный цвет зерен определяется двумя генами: a1, a2;. Неаллельные гены обозначены здесь одной буквой А(а) потому, что определяют развитие одного признака. При генотипе А1А1А2А2 окраска зерен наиболее интенсивная, при генотипе а1а1а2а2 они имеют белый цвет. В зависимости от числа доминантных генов в генотипе можно получить все переходы между интенсивно красной и белой окраской:
Рис. 26. Наследование окраски зерен пшеницы (полимерия)
Тема 32. Хромосомная теория наследственности. Закон Моргана
Введение
1. Т. Г. Морган - крупнейший генетик XX в.
2. Притяжение и отталкивание
3. Хромосомная теория наследственности
4. Взаимное расположение генов
5. Карты групп сцепления, локализация генов в хромосомах
6. Цитологические карты хромосом
7. Заключение
Список литературы
1. ВВЕДЕНИЕ
Третий закон Менделя - правило независимого наследования признаков - имеет существенные ограничения.
В опытах самого Менделя и в первых опытах, проведенных после вторичного открытия законов Менделя, в изучение были включены гены, расположенные в разных хромосомах, и вследствие этого не было обнаружено никаких расхождений с третьим законом Менделя. Несколько позднее найдены факты, противоречащие этому закону. Постепенное накопление и изучение их привело к установлению четвертого закона наследственности, получившего название закона Моргана (в честь американского генетика Томаса Гента Моргана, который первым сформулировал и обосновал его), или правила сцепления.
В 1911 г. в статье «Свободное расщепление в противоположность притяжению в менделевской наследственности» Морган писал: «Вместо свободного расщепления в менделевском смысле мы нашли «ассоциацию факторов», локализованных в хромосомах близко друг от друга. Цитология дала механизм, требуемый экспериментальными данными.
В этих словах кратко сформулированы основные положения хромосомной теории наследственности, разработанной Т. Г. Морганом.
1. Т. Г. МОРГАН - КРУПНЕЙШИЙ ГЕНЕТИК ХХ в.
Томас Гент Морган родился 25 сентября 1866 г. в штате Кентукки (США). В 1886 г. он окончил университет этого штата. В 1890 г. Т. Морган получил степень доктора философии, а в следующем году стал профессором женского колледжа в Пенсильвании. Главный период его жизни связан с Колумбийским университетом, где он с 1904 г. в течение 25 лет занимал пост заведующего кафедрой экспериментальной зоологии. В 1928 г. его пригласили руководить специально для него построенной биологической лабораторией в Калифорнийском технологическом институте, в городке близ Лос-Анджелеса, где он работал до самой смерти.
Первые исследования Т. Моргана посвящены вопросам экспериментальной эмбриологии.
В 1902 г. молодой американский цитолог Уолтер Сеттон (1877-1916), работавший в лаборатории Э. Вильсона (1856-1939), высказал предположение, что своеобразные явления, характеризующие поведение хромосом при оплодотворении, представляют собой, по всей вероятности, механизм менделевских закономерностей. Т. Морган был хорошо знаком и с самим Э. Вильсоном, и с работами его лаборатории, и поэтому, когда в 1908 г. он установил у самцов филоксеры наличие двух сортов сперматозоидов, один из которых обладал дополнительной хромосомой, сразу же возникло предположение о связи признаков пола с привнесением соответствующих хромосом. Так Т. Морган перешел к проблемам генетики. У него возникло предположение, что не только пол связан с хромосомами, но, быть может, и другие наследственные задатки локализованы в них.
Скромный бюджет университетской лаборатории заставил Т. Моргана заняться поисками более подходящего объекта для опытов по изучению наследственности. От мышей и крыс он переходит к плодовой мушке дрозофиле, выбор которой оказался чрезвычайно удачным. На этом объекте сосредоточилась работа школы Т. Моргана, а затем большинства других генетических научных учреждений. Крупнейшие открытия в генетике 20-30-х гг. ХХ в. связаны с дрозофилой.
В 1910 г. была опубликована первая генетическая работа Т. Моргана «Ограниченная полом наследственность у дрозофилы», посвященная описанию мутации белоглазости. Последующая, поистине гигантская работа Т. Моргана и его сотрудников позволила увязать в единое целое данные цитологии и генетики и завершилась созданием хромосомной теории наследственности. Капитальные труды Т. Моргана «Структурные основы наследственности», «Теория гена», «Экспериментальные основы эволюции» и другие знаменуют собой поступательное развитие генетической науки.
Среди биологов ХХ в. Т. Морган выделяется как блестящий генетик-экспериментатор и как исследователь широкого круга вопросов.
В 1931 г. Т. Морган был избран почетным членом Академии наук СССР, в 1933 г. ему была присуждена Нобелевская премия.
2. ПРИТЯЖЕНИЕ И ОТТАЛКИВАНИЕ
Впервые отклонение от правила независимого наследования признаков было замечено Бэтсоном и Пеннетом в 1906 г. при изучении характера наследования окраски цветков и формы пыльцы у душистого горошка. У душистого горошка фиолетовая окраска цветков (контролируемая геном В) доминирует над красной (зависящей от гена в), а продолговатая форма зрелой пыльцы («длинная пыльца»), связанная с наличием 3 пор, которую контролирует ген L, доминирует над «округлой» пыльцой с 2 порами, образование которой контролирует ген l.
При скрещивании пурпурного душистого горошка с длинной пыльцой и красного с округлой пыльцой все растения первого поколения имеют пурпуровые цветки и длинную пыльцу.
Во втором поколении среди 6952 изученных растений было найдено 4831 растение с пурпуровыми цветками и длинной пыльцой, 390 с пурпуровыми цветками и округлой пыльцой, 393 с красными цветками и длинной пыльцой и 1338 с красными цветками и круглой пыльцой.
Это соотношение хорошо соответствует расщеплению, которое ожидается в том случае, если при образовании гамет первого поколения гены В и L встречаются в 7 раз чаще в тех сочетаниях, в которых они находились у родительских форм (ВL и bl), чем в новых сочетаниях (Вl и bL) (табл. 1).
Создается впечатление, что гены В и L, а также b и l притягиваются друг к другу и только с трудом могут быть отделены один от другого. Такое поведение генов было названо притяжением генов. Предположение о том, что гаметы с генами В и L в таких сочетаниях, в каких они были представлены у родительских форм, встречаются в 7 раз чаще, чем гаметы с новым сочетанием (в данном случае Вl и bL), получило прямое подтверждение в результатах так называемых анализирующих скрещиваний.
При скрещивании гибридов первого поколения (F1) (генотип BbLl) c рецессивным родителем (bbll) было получено расщепление: 50 растений с пурпуровыми цветами и длинной пыльцой, 7 растений с пурпуровыми цветками и округлой пыльцой, 8 растений с красными цветками и длинной пыльцой и 47 растений с красными цветками и округлой пыльцой, что очень хорошо соответствует ожидаемому соотношению: 7 гамет со старыми сочетаниями генов к 1 гамете с новыми сочетаниями.
В тех скрещиваниях, где один из родителей имел генотип BBll, а второй генотип bbLL, расщепление во втором поколении имело совсем другой характер. В одном из таких скрещиваний в F2 было найдено 226 растений с пурпуровыми цветками и длинной пыльцой, 95 с пурпуровыми цветками и округлой пыльцой, 97 с красными цветками и длинной пыльцой и одно растение с красными цветками и округлой пыльцой. В этом случае создается впечатление, что гены B и L отталкиваются друг от друга. Такое поведение наследственных факторов было названо отталкиванием генов.
Поскольку притяжение и отталкивание генов встречалось очень редко, то оно считалось какой-то аномалией и своеобразным генетическим курьезом.
Несколько позднее у душистого горошка было обнаружено еще несколько случаев притяжения и отталкивания (форма цветка и окраска листовой пазухи, окраска цветка и форма паруса цветка и некоторые другие пары признаков), но это не изменило общей оценки явления притяжения и отталкивания как аномалии.
Однако оценка этого явления резко изменилась после того, как в 1910-1911 гг. Т. Морган и его ученики обнаружили многочисленные случаи притяжения и отталкивания у плодовой мушки дрозофилы, очень благоприятного объекта для генетических исследований: культивирование ее стоит дешево и может осуществляться в лабораторных условиях в очень широких масштабах, срок жизни невелик и за один год можно получить несколько десятков поколений, контролируемые скрещивания легко осуществимы, имеется всего 4 пары хромосом, в том числе пара хорошо отличимых друг от друга половых.
Благодаря этому Морган и его сотрудники довольно скоро обнаружили большое количество мутаций наследственных факторов, определяющих хорошо заметные и удобные для изучения признаки, и смогли провести многочисленные скрещивания для изучения характера наследования этих признаков. При этом выяснилось, что многие гены у мушки дрозофилы наследуются не независимо друг от друга, а взаимно притягиваются или отталкиваются, причем гены, показывающие такое взаимодействие, оказалось возможным подразделить на несколько групп, в пределах которых все гены показывали более или менее сильно выраженное взаимное притяжение или отталкивание.
На основании анализа результатов этих исследований Т. Г. Морган высказал предположение, что притяжение имеет место между неаллеломорфными генами, расположенными в одной хромосоме, и сохраняется до тех пор, пока эти гены не будут отделены друг от друга в результате разрыва хромосом во время редукционного деления, а отталкивание имеет место в тех случаях, когда изучаемые гены расположены в разных хромосомах одной и той же пары гомологичных хромосом
Отсюда следует, что притяжение и отталкивание генов - различные стороны одного процесса, материальной основой которого является различное расположение генов в хромосомах. Поэтому Морган предложил отказаться от двух отдельных понятий «притяжение» и «отталкивание» генов и заменить его одним общим понятием «сцепление генов», считая, что оно зависит от их расположения в пределах одной хромосомы в линейном порядке.
3. ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
При дальнейшем изучении сцепления генов вскоре было установлено, что число групп сцепления у дрозофилы (4 группы) соответствует гаплоидному числу хромосом у этой мухи, и все достаточно подробно изученные гены были распределены по этим 4 группам сцепления. Первоначально взаимное расположение генов в пределах хромосомы оставалось неизвестным, но позднее была разработана методика для определения порядка расположения генов, входящих в одну группу сцепления, основанная на количественном определении силы сцепления между ними.
Количественное определение силы сцепления генов основано на следующих теоретических предпосылках. Если два гена А и В у диплоидного организма расположены в одной хромосоме, а в гомологичной ей другой хромосоме расположены рецессивные аллеломорфы этих генов а и в, то отделиться друг от друга и вступить в новые сочетания со своими рецессивными аллеломорфами гены А и В могут только в том случае, если хромосома, в которой они расположены, будет разорвана на участке между этими генами и в месте разрыва произойдет соединение между участками этой хромосомы и ее гомолога.
Такие разрывы и новые сочетания участков хромосом действительно происходят при конъюгации гомологичных хромосом во время редукционного деления. Но при этом обмены участками обычно происходят не между всеми 4 хроматидами, из которых состоят хромосомы бивалентов, а только между двумя из этих 4 хроматид. Поэтому хромосомы, образующиеся в результате I деления мейоза, при таких обменах состоят из двух неодинаковых хроматид - неизмененной и реконструированной в результате обмена. Во II делении мейоза эти неодинаковые хроматиды расходятся к противоположным полюсам, и благодаря этому гаплоидные клетки, возникающие в результате редукционного деления (споры или гаметы), получают хромосомы, состоящие из одинаковых хроматид, но при этом только половине гаплоидных клеток достаются реконструированные хромосомы, а вторая половина получает неизмененные.
Такой обмен участками хромосом называется кроссинговером. При прочих равных условиях кроссинговер между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, происходит тем реже, чем ближе друг к другу они расположены. Частота кроссинговера между генами пропорциональна расстоянию между ними.
Определение частоты кроссинговера обычно производится при помощи так называемых анализирующих скрещиваний (скрещивание гибридов F1 с рецессивным родителем), хотя для этой цели можно использовать и F2, получаемое от самоопыления гибридов F1 или скрещивания гибридов F1 между собой.
Можно рассмотреть такое определение частоты кроссинговера на примере силы сцепления между генами С и S у кукурузы. Ген С определяет образование окрашенного эндосперма (окрашенных семян), а его рецессивный аллель с обусловливает неокрашенный эндосперм. Ген S вызывает образование гладкого эндосперма, а его рецессивный аллель s определяет образование морщинистого эндосперма. Гены С и S расположены в одной хромосоме и довольно сильно сцеплены друг с другом. В одном из опытов, проведенных для количественного определения силы сцепления этих генов, были получены следующие результаты.
Растение с окрашенными гладкими семенами, гомозиготное по генам С и S и имевшее генотип ССSS (доминантный родитель), было скрещено с растением с неокрашенными морщинистыми семенами с генотипом ссss (рецессивный родитель). Гибриды первого поколения F1 были вновь скрещены с рецессивным родителем (анализирующее скрещивание). Таким образом было получено 8368 семян F2, у которых по окраске и морщинистости было обнаружено следующее расщепление: 4032 окрашенных гладких семени; 149 окрашенных морщинистых; 152 неокрашенных гладких; 4035 неокрашенных морщинистых.
Если бы при образовании макро- и микроспор у гибридов F1 гены С и S распределялись независимо друг от друга, то в анализирующем скрещивании все эти четыре группы семян должны быть представлены в одинаковом количестве. Но этого нет, т. к. гены С и S расположены в одной хромосоме, сцеплены друг с другом, и вследствие этого споры с рекомбинированными хромосомами, заключающими гены Сs и сS, образуются только при наличии кроссинговера между генами С и S, что имеет место сравнительно редко.
Процент кроссинговера между генами С и S можно вычислить по формуле:
Х = а + в / n х 100 %,
Где а - количество кроссинговерных зерен одного класса (зерен с генотипом Сscs, происходящих от соединения гамет Сs гибрида F1 с гаметами cs рецессивного родителя); в - количество кроссинговерных зерен второго класса (сScs); n - общее число зерен, полученных в результате анализирующего скрещивания.
Схема, показывающая наследование хромосом, содержащих сцепленные гены у кукурузы (по Гетчинсону). Указано наследственное поведение генов окрашенного (С) и бесцветного (с) алейрона, полного (S) и морщинистого (s) эндосперма, а также несущих эти гены хромосом при скрещивании двух чистых типов между собой и при возвратном скрещивании F1 с двойным рецессивом.
Подставляя количество зерен различных классов, полученное в этом опыте, в формулу, получаем:
Х = а + в / n х 100 % = 149 + 152 / 8368 х 100 % = 3,6 %
Расстояние между генами в группах сцепления обычно выражается в процентах кроссинговера, или в морганидах (морганида - единица, выражающая силу сцепления, названная по предложению А. С. Серебровского в честь Т. Г. Моргана, равна 1 % кроссинговера). В данном случае можно сказать, что ген С находится на расстоянии 3,6 морганиды от гена S.
Теперь можно определить при помощи этой формулы расстояние между В и L у душистого горошка. Подставляя числа, полученные при анализирующем скрещивании и приведенные выше, в формулу, получаем:
Х = а + в / n х 100 % = 7 + 8 / 112 х 100 % = 11,6 %
У душистого горошка гены В и L находятся в одной хромосоме на расстоянии 11,6 морганиды друг от друга.
Таким же путем Т. Г. Морган его ученики определили процент кроссинговера между многими генами, входящими в одну и ту же группу сцепления, для всех четырех групп сцепления дрозофилы. При этом выяснилось, что процент кроссинговера (или расстояние в морганидах) между различными генами, входящими в состав одной группы сцепления, оказался резко различным. Наряду с генами, между которыми кроссинговер происходил очень редко (около 0,1 %), имелись и такие гены, между которыми совсем не было обнаружено сцепления, что говорило о том, что одни гены расположены очень близко друг от друга, а другие - очень далеко.
4. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЕНОВ
Чтобы выяснить расположение генов, было предположено, что в хромосомах они расположены в линейном порядке и что истинное расстояние между двумя генами пропорционально частоте кроссинговера между ними. Эти предположения открыли возможность для определения взаимного расположения генов в пределах групп сцепления.
Предположим, известны расстояния (% кроссинговера) между тремя генами А, В и С и что они равны 5 % между генами А и В, 3 % между В и С и 8 % между генами А и С.
Допустим, что ген В расположен справа от гена А. В какую сторону от гена В при этом должен быть расположен ген С?
Если предположить, что ген С расположен слева от гена В, то в этом случае расстояние между геном А и С должно быть равно разности расстояний между генами А - В и В - С, т. е. 5 % - 3 % = 2 %. Но в действительности расстояние между генами А и С совсем другое и равно 8 %. Следовательно, предположение неправильно.
Если предположить теперь, что ген С расположен справа от гена В, то в этом случае расстояние между генами А и С должно быть равно сумме расстояний между генами А - В и генами В - С, т. е. 5 % + 3 % = 8 %, что полностью соответствует расстоянию, установленному опытным путем. Следовательно, это предположение правильное, и расположение генов А, В и С в хромосоме схематически можно изобразить следующим образом: А - 5 %, B - 3 %, C - 8 %.
После установления взаимного расположения 3 генов расположение четвертого гена по отношению к этим трем можно определить, зная его расстояние только от 2 из этих генов. Можно предположить, что известно расстояние гена Д от двух генов - В и С из числа 3 выше рассмотренных генов А, В и С и что оно равно 2 % между генами С и Д и 5 % между В и Д. Попытка поместить ген Д слева от гена С оказывается неудачной из-за явного несоответствия разности расстояний между генами В - С и С - Д (3 % - 2 % = 1 %) заданному расстоянию между генами В и Д (5 %). И, напротив, размещение гена Д справа от гена С дает полное соответствие между суммой расстояний между генами В - С и генами С - Д (3 % + 2 % = 5 %) заданному расстоянию между генами В и Д (5 %). Как только расположение гена Д относительно генов В и С нами установлено, без дополнительных опытов можно высчитать и расстояние между генами А и Д, т. к. оно должно быть равно сумме расстояний между генами А - В и В -Д (5 % + 5 % = 10 %).
При изучении сцепления между генами, входящими в одну группу сцепления, неоднократно была проведена опытная проверка расстояний между ними, предварительно вычисленных таким путем, как это сделано выше для генов А и Д, и во всех случаях получено очень хорошее соответствие.
Если известно расположение 4 генов, скажем А, В, С, Д, то «привязать» к ним пятый ген можно, если известны расстояния между геном Е и какими-то двумя из этих 4 генов, причем расстояния между геном Е и двумя остальными генами четверки могут быть вычислены так, как это сделано для генов А и Д в предыдущем примере.
5. КАРТЫ ГРУПП СЦЕПЛЕНИЯ, ЛОКАЛИЗАЦИЯ ГЕНОВ В ХРОМОСОМАХ
Путем постепенного привязывания все новых и новых генов к исходной тройке или четверке сцепленных генов, для которых ранее установлено их взаимное расположение, были составлены карты групп сцепления.
При составлении карт групп сцепления важно учитывать ряд особенностей. У бивалента может возникнуть не одна, а две, три и даже еще больше хиазм и связанных с хиазмами кроссоверов. Если гены расположены очень близко друг от друга, то вероятность, что на хромосоме между такими генами возникнут две хиазмы и произойдут два обмена нитями (два кроссовера), ничтожна мала. Если гены расположены сравнительно далеко друг от друга, вероятность двойного кроссинговера на участке хромосомы между этими генами у одной и той же пары хроматид значительно увеличивается. А между тем второй кроссовер в той же паре хроматид между изучаемыми генами, по сути дела, аннулирует первый кроссовер и устраняет обмен этими генами между гомологичными хромосомами. Поэтому количество кроссоверных гамет уменьшается и создается впечатление, что эти гены расположены ближе друг к другу, чем это есть на самом деле.
Схема двойного кроссинговера в одной паре хроматид между генами А и В и генами В и С. I - момент кроссинговера; II - рекомбинированные хроматиды АсВ и аСb.
При этом чем дальше расположены друг от друга изучаемые гены, тем чаще между ними происходит двойной кроссинговер и тем больше оказывается искажение истинного расстояния между этими генами, вызываемое двойными кроссинговерами.
Если расстояние между изучаемыми генами превосходит 50 морганид, то обнаружить сцепление между ними путем непосредственного определения количества кроссоверных гамет вообще невозможно. У них, как и у генов в гомологичных хромосомах, не сцепленных друг с другом, при анализирующем скрещивании только 50 % гамет заключают сочетание генов, отличных от тех, которые имелись у гибридов первого поколения.
Поэтому при составлении карт групп сцепления расстояния между далеко расположенными генами определяются не путем непосредственного определения количества кроссоверных гамет в анализирующих скрещиваниях, включающих эти гены, а путем сложения расстояний между многими близко расположенными друг от друга генами, находящимися между ними.
Такой способ составления карт групп сцепления позволяет точнее определить расстояние между сравнительно далеко (не более 50 морганид) расположенными генами и выявить сцепление между ними, если расстояние больше 50 морганид. В этом случае сцепление между далеко расположенными генами было установлено благодаря тому, что они сцеплены с промежуточно расположенными генами, которые, в свою очередь, сцеплены между собой.
Так, для генов, находящихся на противоположных концах II и III хромосом дрозофилы - на расстоянии друг от друга более 100 морганид, установить факт их расположения в одной и той же группе сцепления оказалось возможным благодаря выявлению их сцепления с промежуточными генами и сцепления этих промежуточных генов между собой.
Расстояния между далеко расположенными генами определены путем сложения расстояний между многими промежуточными генами, и только благодаря этому они установлены сравнительно точно.
У организмов, пол которых контролируется половыми хромосомами, кроссинговер происходит только у гомогаметного пола и отсутствует у гетерогаметного. Так, у дрозофилы кроссинговер происходит только у самок и отсутствует (точнее, происходит в тысячу раз реже) у самцов. В связи с этим гены самцов этой мухи, расположенные в одной хромосоме, показывают полное сцепление независимо от их расстояния друг от друга, что облегчает выявление их расположения в одной группе сцепления, но делает невозможным определение расстояния между ними.
У дрозофилы установлены 4 группы сцепления. Одна из этих групп имеет длину около 70 морганид, и гены, входящие в эту группу сцепления, явно связаны с наследованием пола. Поэтому можно считать несомненным, что гены, входящие в эту группу сцепления, расположены в половой Х-хромосоме (в 1 паре хромосом).
Другая группа сцепления очень мала, и длина ее равна всего 3 морганидам. Не вызывает сомнений, что гены, входящие в эту группу сцепления, расположены в микрохромосомах (IХ пара хромосом). Но две остальные группы сцепления имеют примерно одинаковую величину (107,5 морганиды и 106,2 морганиды) и решить, какой из пар аутосом (II и III пары хромосом) каждая из этих групп сцепления соответствует, довольно трудно.
Для решения вопроса о расположении групп сцепления в больших хромосомах пришлось использовать цитогенетическое изучение ряда перестроек хромосом. Таким путем удалось установить, что несколько большая группа сцепления (107,5 морганиды) соответствует II паре хромосом, а несколько меньшая группа сцепления (106,2 морганиды) расположена в III паре хромосом.
Благодаря этому было установлено, каким хромосомам соответствует каждая из групп сцепления у дрозофилы. Но и после этого оставалось неизвестным, каким образом группы сцепления генов располагаются в соответствующих им хромосомах. Располагается ли, например, правый конец первой группы сцепления у дрозофилы вблизи кинетической перетяжки Х-хромосомы или на противоположном конце этой хромосомы? То же относится и ко всем остальным группам сцепления.
Открытым оставался и вопрос о том, в какой мере расстояния между генами, выраженные в морганидах (в % кроссинговера), соответствуют истинным физическим расстояниям между ними в хромосомах.
Чтобы выяснить все это, нужно было, по крайней мере для некоторых генов, установить не только взаимное расположение в группах сцепления, но и их физическое положение в соответствующих хромосомах.
Осуществить это оказалось возможным только после того, как в результате совместных исследований генетика Г. Меллера и цитолога Г. Пайнтера было установлено, что под влиянием Х-лучей у дрозофилы (как и у всех живых организмов) происходит перенос (транслокация) участков одной хромосомы на другую. При переносе определенного участка одной хромосомы на другую все гены, расположенные в этом участке, утрачивают сцепление с генами, расположенными в остальной части хромосомы-донора, и приобретают сцепление с генами в хромосоме-реципиенте. (Позднее было установлено, что при таких перестройках хромосом происходит не просто перенос участка с одной хромосомы на другую, а взаимный перенос участка первой хромосомы на вторую, а с нее на место отделенного участка в первой переносится участок второй хромосомы).
В тех случаях, когда разрыв хромосомы при отделении участка, переносимого на другую хромосому, происходит между двумя генами, расположенными близко друг от друга, место этого разрыва может быть определено довольно точно как на карте группы сцепления, так и на хромосоме. На карте сцепления место разрыва находится на участке между крайними генами, из которых один остается в прежней группе сцепления, а другой включается в новую. На хромосоме место разрыва определяется путем цитологических наблюдений по уменьшению размеров хромосомы-донора и по увеличению - хромосомы-реципиента.
Транслокация участков с хромосомы 2 на хромосому 4 (по Моргану). В верхней части рисунка показаны группы сцепления, на средней - соответствующие этим группам сцепления хромосомы и внизу - метафазные пластинки соматического митоза. Цифры обозначают номера групп сцепления и хромосом. А и Б - «нижняя» часть хромосомы переместилась в хромосому 4; В - «верхняя» часть хромосомы 2 переместилась в хромосому 4. Генетические карты и пластинки хромосом гетерозиготны по транслокациям.
В результате изучения большого количества различных транслокаций, проведенного многими генетиками, были составлены так называемые цитологические карты хромосом. На хромосомы нанесены места расположения всех изученных разрывов, и благодаря этому установлено для каждого разрыва расположение двух соседних генов справа и слева от него.
Цитологические карты хромосом прежде всего позволили установить, каким концам хромосом соответствуют «правый» и «левый» концы соответствующих групп сцепления.
Сопоставление «цитологических» карт хромосом с «генетическими» (группами сцепления) дает существенный материал и для выяснения отношения расстояний между соседними генами, выраженными в морганидах, и физическими расстояниями между теми же генами в хромосомах при изучении этих хромосом под микроскопом.
Сравнение «генетических карт» I, II и III хромосом Drosophila melanogaster с «цитологическими картами» этих хромосом в метафазе на основе данных по транслокациям (по Левитскому). Sp - место прикрепления нитей веретена. Остальными обозначены различные гены.
Несколько позднее было выполнено тройное сопоставление расположения генов на «генетических картах» сцепления, «цитологических картах» обычных соматических хромосом и «цитологических картах» гигантских слюнных желез.
Кроме дрозофилы, довольно подробные «генетические карты» групп сцепления были составлены и для некоторых других видов рода Дрозофила. При этом оказалось, что у всех достаточно подробно изученных видов число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом. Так, у дрозофилы, имеющей три пары хромосом, обнаружено 3 группы сцепления, у дрозофилы с пятью парами хромосом - 5, а у дрозофилы с шестью парами хромосом - 6 групп сцепления.
Среди позвоночных животных лучше других изучена домовая мышь, у которой уже установлено 18 групп сцепления, в то время как пар хромосом 20. У человека, имеющего 23 пары хромосом, известно 10 групп сцепления. У курицы с 39 парами хромосом всего 8 групп сцепления. Несомненно, что при дальнейшем генетическом изучении этих объектов число выявленных групп сцепления у них увеличится и, вероятно, будет соответствовать числу пар хромосом.
Среди высших растений генетически наиболее хорошо изучена кукуруза. У нее 10 пар хромосом и обнаружено 10 довольно больших групп сцепления. При помощи экспериментально полученных транслокаций и некоторых других хромосомных перестроек все эти группы сцепления приурочены к строго определенным хромосомам.
У некоторых высших растений, изученных достаточно подробно, также было установлено полное соответствие между числом групп сцепления и числом пар хромосом. Так, ячмень имеет 7 пар хромосом и 7 групп сцепления, томат - 12 пар хромосом и 12 групп сцепления, львиный зев - гаплоидное число хромосом 8 и установлено 8 групп сцепления.
Среди низших растений генетически наиболее подробно изучен сумчатый гриб. У него гаплоидное число хромосом равно 7 и установлено 7 групп сцепления.
В настоящее время считается общепризнанным, что число групп сцепления у всех организмов равно их гаплоидному числу хромосом, и если у многих животных и растений число известных групп сцепления меньше, чем их гаплоидное число хромосом, то это зависит только от того, что они генетически изучены еще недостаточно и, вследствие этого, у них выявлена только часть имеющихся групп сцепления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как итог можно привести отрывки из трудов Т. Моргана:
»… Поскольку сцепление имеет место, оказывается, что разделение наследственного вещества является до некоторой степени ограниченным. Например, у плодовой мухи дрозофилы известно около 400 новых типов мутантов, особенности которых составляют всего лишь четыре группы сцепления…
… Члены группы сцепления могут иногда оказаться не так полно сцепленными друг с другом,… некоторые из рецессивных признаков одной серии могут оказаться замененными признаками дикого типа из другой серии. Однако даже и в этом случае они все-таки считаются сцепленными, потому что соединенными вместе они остаются чаще, чем наблюдается такой обмен между сериями. Этот обмен называется перекрестом (CROSS-ING-OVER) - кроссинговером. Термин этот обозначает, что между двумя соответственными сериями сцепления может происходить правильный обмен их частями, в котором участвует большое число генов…
Теория гена устанавливает, что признаки или свойства особи являются функцией соединенных в пары элементов (генов), заложенных в наследственном веществе в виде определенного числа групп сцепления; она устанавливает затем, что члены каждой пары генов, когда половые клетки созревают, разделяются в соответствии с первым законом Менделя и, следовательно, каждая зрелая половая клетка содержит только один ассортимент их; она устанавливает также, что члены, принадлежащие к различным группам сцепления, распределяются при наследовании независимо, соответственно второму закону Менделя; равным образом она устанавливает, что иногда имеет место закономерный взаимообмен-перекрест - между соответственными друг другу элементами двух групп сцепления; наконец, она устанавливает, что частота перекреста доставляет данные, доказывающие линейное расположение элементов по отношению друг к другу...»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Общая генетика. М.: Высшая школа, 1985.
2. Хрестоматия по генетике. Изд-во Казанского ун-та, 1988.
3. Петров Д. Ф. Генетика с основами селекции, М.: Высшая школа, 1971.
4. Биология. М.: Мир, 1974.
Хромосомная теория наследственности сформулирована в 1911-1926 гг. Т. Х. Морганом по результатам своих исследований. С ее помощью выяснено материальную основу законов наследственности, установленных Г. Менделем, и то, почему в определенных случаях наследования тех или иных признаков от них отклоняется.
Основные положения
Основные положения хромосомной теории наследственности такие:
- гены расположены в хромосомах в линейном порядке;
- различные хромосомы имеют неодинаковые наборы генов, т.е. каждая из негомологичных хромосом имеет свой уникальный набор генов;
- каждый ген занимает в хромосоме определенный участок; аллельные гены занимают в гомологичных хромосомах одинаковые участки;
- все гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря чему некоторые признаки наследуются сцеплено; сила сцепления между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, обратно пропорциональна расстоянию между ними;
- сцепления между генами одной группы нарушается вследствие обмена участками гомологичных хромосом в профазе первого мейотического деления (процесс кроссинговера)
- каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом (кариотипа) — количеством и особенностями строения отдельных хромосом.
Хромосомная теория наследственности, теория, согласно которой хромосомы, заключенные в ядре клетки, являются носителями генов и является материальной основой наследственности, то есть преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом.
История
Хромосомная теория наследственности возникла в начале 20 века на основе клеточной теории и использования для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.
В 1902 году В. Сэттон в США, обратил внимание на параллелизм в поведении хромосом и Менделю т.н. «Наследственных факторов», и Т. Бовери в Германии выдвинули хромосомную гипотезу наследственности, согласно которой наследственные факторы (название впоследствии генами) Менделя локализованы в хромосомах. Первые подтверждения этой гипотезы были получены при изучении генетического механизма определения пола у животных, когда было выяснено, что в основе этого механизма лежит распределение половых хромосом среди потомков. Дальнейшее обоснование Х. т принадлежит американскому генетику Т. Х. Моргану, который отметил, что передача некоторых генов (например, гена, обусловливающего белоглазие у самок дрозофилы при скрещивании с красноглазыми самцами) связана с передачей половой Х-хромосомы, то есть наследуются признаки, сцепленные с полом (у человека известно несколько десятков таких признаков, в том числе некоторые наследственные дефекты — дальтонизм, гемофилия и др.).
Доказательство теории было получено в 1913 американским генетиком К.. Бриджесом, открывший нерасхождения хромосом в процессе мейоза у самок дрозофилы и отметил, что нарушения в распределении половых хромосом сопровождается изменениями в наследовании признаков, сцепленных с полом.
С развитием теории было установлено, что гены, расположенные в одной хромосоме, составляют одну группу сцепления и должны наследоваться совместно; число групп сцепления равно числу пар хромосом, постоянному для каждого вида организмов; признаки, зависящие от сцепленных генов, также наследуются совместно. Вследствие этого закон независимого комбинирования признаков должен иметь ограниченное применение; независимо должны наследоваться признаки, гены которых расположены в разных (негомологичных) хромосомах. Явление неполного сцепления генов (когда наряду с родительскими сочетаниями признаков в потомстве от скрещиваний обнаруживаются и новые рекомбинантные, их сочетание) было подробно исследовано Морганом и его сотрудниками (А. Г. Стертевантом и др.) И послужило обоснованием линейного расположения генов в хромосомах. Морган предположил, что сцепленные гены гомологичных хромосом, находящихся у родителей в сочетаниях и, в мейозе в гетерозиготной формы ® могут меняться местами, в результате чего рядом с гаметами АВ и ab образуются гаметы Ab и аВ. Подобные перекомбинации происходят благодаря разрывам гомологичных хромосом на участке между генами и дальнейшем соединению разорванных концов в новом сочетании: Реальность этого процесса, названного пересечением хромосом, или кроссинговером, была доказана в 1933 ему, ученым К. Штерномв опытах с дрозофилой и американскими учеными Х. Крейтономи Б. Мак-Клинток — с кукурузой. Чем дальше друг от друга расположены сцепленные гены, тем больше вероятность кроссинговера между ними. Зависимость частоты кроссинговера от расстояний между сцепленными генами была использована для построения генетических карт хромосом. В 30-х гг. 20 в Ф. Добржанский показал, что порядок размещения генов на генетических и цитологических картах хромосом совпадает.
Согласно представлениям школы Моргана, гены являются дискретными и далее неделимыми носителями наследственной информации. Однако открытие в 1925 советскими учёными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым, а в 1927 американским ученым Р.Меллером влияния рентгеновских лучей на возникновение наследственных изменений (мутаций) у дрозофилы, а также применение рентгеновских лучей для ускорения мутационного процесса у дрозофилы позволили советским ученым А. С. Серебровскому, Н. П. Дубинину и др. сформулировать 1928-30 представлений о делимости гена на более мелкие единицы, расположенные в линейной последовательности и способные к мутационных изменений. В 1957 этих представлений были доведены работой американского ученого С. Бензера с бактериофагом Т4. Использование рентгеновских лучей для стимулирования хромосомных перестроек позволило Н. П. Дубинину и Б. Н. Сидорову обнаружить в 1934 эффект положения гена (открыт в 1925 Стертевантом), то есть зависимость проявления гена от места расположения его на хромосоме. Возникло представление о единстве дискретности и непрерывности в строении хромосомы.
Хромосомная теория наследственности развивается в направлении углубления знаний о универсальных носителей наследственной информации — молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Установлено, что непрерывная последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований вдоль цепи ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) образует гены, межгенных интервалы, знаки начала и конца считывания информации в пределах гена; определяет наследственный характер синтеза специфических белков клетки и, следовательно, наследственный характер обмена веществ. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет материальную основу группы сцепления у бактерий и многих вирусов (у некоторых вирусов носителем наследственной информации является рибонуклеиновая кислота) молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), входящий в состав митохондрий, пластид и др. органоидов клетки, служат материальными носителями цитоплазматической наследственности.
Х. т. Н., Объясняя закономерности наследования признаков у животных и растительных организмов, играет важную роль в с.-х. (сельскохозяйственный) науке и практике. Она вооружает селекционеров методами выведения пород животных и сортов растений с заданными свойствами. Некоторые положения Х. т позволяют более рационально вести с.-х. (сельскохозяйственный) производство. Так, явление сцепленного с полом наследования ряда признаков в с.-х. (сельскохозяйственный) животных позволило до изобретения методов искусственного регулирования пола у тутового шелкопряда выбраковывать коконы менее производительной пола, к разработке способа разделения цыплят по полу исследованием клоаки — отбраковывать петушков и т. п. Важнейшее значение для повышения урожайности многих с.-х. (сельскохозяйственный) культур имеет использование полиплоидии. На знании закономерностей хромосомных перестроек основывается изучение наследственных заболеваний человека.
Видео по теме
Хромосомная теория наследственности базируется на знаниях ученых о строении генов и их передаче следующим поколениям. Это дает возможность ответить на некоторые вопросы, связанные с нашим происхождением, внешними данными, поведением, болезнями и т. д. Хромосомная теория наследственности заключается в порядке передачи от родителей к детям информации, находящейся в генах, которые в сумме дают нового человека.
Наследственность
Информация передается по наследству посредством тысячи генов, которые находятся в ядрах яйцеклетки и сперматозоида, образующих новый организм. Каждый ген имеет код, который синтезирует один определенный вид белка. Данный процесс упорядочен, что дает возможность предсказать особенности будущего поколения. Это объясняется тем, что гены (единицы наследования) объединены в определенном порядке. Интересным остается тот факт, что каждая клетка содержит пару хромосом, отвечающих за один белок. Таким образом, каждый ген - парный (аллельный). Один из них доминирует, другой находится в «спящем» состоянии. Это присуще всем клеткам организма, кроме половых (те имеют только по одной цепи ДНК, чтобы во время слития в зиготу образовать полноценное ядро с полным набором хромосом). Эти простые истины и называются «хромосомная теория наследственности», или генетика Менделя.
Потомство
Во время образования гамет пары генов расходятся, но во время оплодотворения происходит другое: гены яйцеклетки и сперматозоида объединяются. Новое сочетание дает возможность выявить развитие определенных признаков у потомства. Так как у каждого родителя гены аллельные, они не могут предсказать, какие передадутся ребенку. Конечно, согласно одному из законов Менделя доминантные гены более сильные, и поэтому велика вероятность, что у ребенка они проявятся, однако все зависит от случая.
Болезни
Хромосомы человека составляют 23 пары. Иногда набор может быть неправильным в результате прикрепления лишнего гена. Тогда способны возникнуть различного рода мутации. Также это называется «хромосомный синдром» - изменение структуры цепи ДНК: инверсия хромосомы, ее выпадение, дупликация, перестановка в определенном участке. Еще возможны обмен участками непохожих хромосом, перестановка определенного участка или перенесение гена из одной хромосомы на другую. Яркими примерами подобных проявлений выступают следующие болезни.
1. Синдром «кошачьего крика»
Хромосомная теория наследственности подтверждает, что подобное нарушение вызвано посредством выпадения короткого плеча пятой хромосомы. Данный недуг проявляется в первые минуты жизни в виде плача, похожего на кошачье «мяу». После нескольких недель такой симптом пропадает. Чем старше ребенок, тем сильнее видно аномальное развитие: сначала он отличается малым весом, затем все четче заметна асимметрия лица, проявляется микроцефалия, глаза раскосые, переносица - широкая, аномальные уши с внешним слуховым проходом, возможен порок сердца. Физическое и умственное отставание - неотъемлемая часть болезни.
- Анеуплоидия (не кратное гаплоидному набору количество хромосом). Яркий пример - синдром Эдвардса. Проявляется родами на ранних сроках, плод имеет гипоплазию мышц скелета, малый вес, микроцефалию. Определяются наличие «заячьей губы», отсутствие большого пальца на ногах, дефекты внутренних органов, их аномальное развитие. Выживают только единицы и остаются умственно отсталыми на протяжении всей жизни.
- Полиплоидия (кратное количество хромосом). Синдром Патау проявляется внешними и умственными аномалиями. Дети рождаются глухими, отстают в умственном развитии. Хромосомная теория наследственности подтверждается всегда, что позволяет предсказывать развитие плода еще в утробе матери и при необходимости прерывать беременность.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В 2015 году исполняется 100 лет хромосомной теории наследственности . Ее основные положения были сформулированы Т. Морганом, А. Стёртевантом, Г. Мёллером и К. Бриджесом в книге «Механизм менделевской наследственности», вышедшей в Нью-Йорке в 1915 году. А позднее Томас Морган получил первую «генетическую» Нобелевскую премию - за открытие роли хромосом в наследственности. Юбилею хромосомной теории была посвящена международная конференция «Хромосома 2015», прошедшая в августе 2015 года в Новосибирском Академгородке. Нижеизложенный текст - это авторские комментарии к постеру об истории исследований хромосом , представленному на конференции, а теперь и на «Биомолекуле» - в самой «живой» конкурсной номинации «Наглядно о ненаглядном ».
Обратите внимание!
Более полную информацию можно найти в книге - Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. . Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. - 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни ». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon .
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science .
Нижеизложенный текст - это краткие комментарии к постеру, а более полную информацию можно найти в книге: Коряков Д.Е., Жимулев И.Ф. Хромосомы. Структура и функции . Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009 г. - 258 с., ISBN 978-5-7692-1045-7.
Нажмите на изображение, чтобы увеличить (откроется в отдельном окне).
Генетическая роль хромосом
Каждый организм воспроизводит лишь себе подобных, и даже в мелких чертах внешности и поведения детей можно увидеть сходство с их родителями. Первый шаг на пути к пониманию, почему так происходит, сделал монах из австрийского города Брюнн (сейчас это чешский Брно) Г. Мендель (G. Mendel ). В 1865 году на заседании Брюннского общества испытателей природы он сделал доклад под названием «Опыты над растительными гибридами » (Versuche über Pflanzen-Hybriden ), а в 1866 году опубликовал его в сборнике трудов этого общества. Монах-естествоиспытатель описал результаты скрещиваний разных форм гороха и предположил наличие особых факторов, от которых зависят внешние признаки растения. Закономерности наследования этих факторов позднее были названы законами Менделя . Однако современники не поняли значения этого открытия и забыли про него, и лишь в 1900 году Г. де Фриз (H. de Vries , Нидерланды), К. Корренс (C. Correns , Германия) и Э. Чермак (E. Tschermak , Австрия) независимо друг от друга переоткрыли законы Менделя.
Задолго до всех этих исследований, которые сейчас бы назвали генетическим анализом, ученые, занимавшиеся ботаникой, зоологией, эмбриологией, гистологией и физиологией, заложили основу цитогенетики - науки о хромосомах. В разных статьях и книгах приоритет открытия хромосом отдан разным людям, но чаще всего годом их открытия называют 1882, а их первооткрывателем - немецкого анатома В. Флемминга (W. Flemming ). Однако справедливее было бы сказать, что он не открыл хромосомы, а лишь собрал и упорядочил в своей фундаментальной книге «Клеточное вещество, ядро и деление клетки » (Zellsubstanz, Kern und Zellteilung ) всё, что было известно о них на тот момент. Сам же термин «хромосома» ввел в науку немецкий гистолог Х. Вальдейер (H. Waldeyer ) в 1888 году, и в буквальном переводе термин означает «окрашенное тело».
Сейчас сложно сказать, кто сделал первое описание хромосом. В 1842 году швейцарский ботаник К. Нэгели (C. Nägeli ) опубликовал работу, в которой изобразил некие тельца, возникающие на месте ядра во время деления клетки при образовании пыльцы у лилии и традесканции. Возможно, это и были первые рисунки хромосом. Первое (1873 год) подробное описание митоза у плоского червя Mesostoma ehrenbergii принадлежит, как считают, немецкому зоологу А. Шнайдеру (F.A. Schneider ). Он описал не просто отдельные стадии митоза, которые видели и до него, а всю последовательность сложных изменений ядра: возникновение на его месте нитевидных телец, их расхождение в противоположные стороны и формирование новых ядер в дочерних клетках. Другой тип деления - мейоз - впервые подробно описал Э. ван Бенеден (E. van Beneden , Бельгия) в 1883 году, наблюдая за образованием гамет у аскариды. Он обнаружил, что в мейозе число хромосом уменьшается вдвое, а при оплодотворении восстанавливается, и, несмотря на различие в размерах, мужская и женская гаметы привносят в зиготу равное число хромосом.
* - Немного о месте и предназначении мобильных генетических элементов в про- и эукариотических геномах: «Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация „общества“ бродяжек и домоседов », «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал? », «„Мусорная“ ДНК управляет эволюцией млекопитающих? » - Ред.
Еще одним вариантом обмена участками является сестринский хроматидный обмен (СХО). Если при кроссинговере обмениваются хроматиды разных хромосом, то в случае СХО обмениваются хроматиды внутри одной хромосомы. Впервые СХО увидел американский генетик Д. Тейлор (J. Taylor ) в 1958 году.
С кроссинговером, хоть и неоднозначно, но связано формирование в профазе мейоза особой структуры из пары гомологичных хромосом - синаптонемного комплекса . Он был открыт в 1956 году независимо двумя американскими цитологами: М. Мозесом (M. Moses ) у речного рака и Д. Фоцеттом (D. Fawcett ) у мыши.
Многообразие хромосом
Если понимать под хромосомами любые носители наследственной информации, то они исключительно разнообразны по размеру, форме, внешнему виду, составу и числу. Хромосомы вирусов и бактерий могут быть кольцевыми и линейными. Хромосомы хлоропластов и митохондрий имеют кольцевую форму. Ядерные хромосомы эукариот имеют линейную форму, и именно они в виде телец X- и V-образной формы обычно приходят на ум при упоминании хромосом. Их называют митотическими или метафазными , поскольку такой вид они имеют во время деления - митоза (а метафаза - это одна из его стадий).
В 1912 году российский ботаник и цитолог С.Г. Навашин показал, что метафазные хромосомы обладают индивидуальным набором признаков, включающим размер, соотношение длин плеч, наличие спутников и перетяжек. Используя положение центромеры или соотношение длин плеч, С.Г. Навашин предложил классификацию митотических хромосом, которую используют и по сей день: метацентрики, субметацентрики, акроцентрики и телоцентрики.
Число хромосом у разных видов организмов может варьировать в самых широких пределах: от двух (у пары видов растений и одного из австралийских муравьев) до 1440 у папоротника Ophioglossum reticulatum и даже 1600 у морской радиолярии Aulacantha scolymantha . У человека число хромосом составляет 46, и оно было определено только в 1955 году, а опубликовано в 1956 цитогенетиком китайского происхождения Д. Чио (J. Tjio ) в соавторстве со своим руководителем А. Леваном (A. Levan ) в Швеции. Несколькими месяцами позже число подтвердили британцы Ч. Форд (C. Ford ) и Д. Хамертон (J. Hamerton ). Количество хромосом человека пытались определить еще с конца XIX века. В разных случаях получались разные значения: 18, 24, 47 или 48, - и только в 1955 году убедились, что хромосом у человека 46. В честь этого события на здании Института генетики Университета шведского города Лунда (где это событие и случилось) в 2003 году была открыта мемориальная доска с изображением той самой метафазной пластинки, по которой и были посчитаны хромосомы. Любопытно, что число хромосом шимпанзе (48) было выяснено на 15 лет раньше.
Общепринято, что число хромосом у каждого вида живых организмов постоянно, и в подавляющем большинстве случаев так и есть. Однако у некоторых животных и растений существуют так называемые сверхчисленные , или добавочные , хромосомы. Все хромосомы основного набора называют A-хромосомами . Они присутствуют всегда, и потеря или добавление хотя бы одной из них ведет к серьезным последствиям. Добавочные же хромосомы называют B-хромосомами , и их главные особенности - необязательность наличия и непостоянство числа. Впервые сверхчисленные хромосомы были найдены Э. Уилсоном (E. Wilson , США) в 1906 году у клопа Metapodius terminalis .
Своеобразный тип хромосом, названный хромосомами типа «ламповых щеток » , можно видеть в профазе первого деления мейоза при формировании ооцитов у птиц, рыб, рептилий и земноводных. Впервые их упоминает в своей фундаментальной книге (1882) В. Флеминг, который обнаружил эти хромосомы у аксолотля . Название они получили за сходство с ершиком для чистки керосиновых ламп.
Совершенно особое место среди всех типов хромосом занимают политенные хромосомы , которые имеют вид длинных толстых шнуров с поперечными полосками. Их открыл французский эмбриолог Э. Бальбиани (E. Balbiani ) в 1881 году в ядрах клеток слюнных желез личинок комара Chironomus plumosus . Политенные хромосомы сыграли выдающуюся роль в развитии генетики, цитогенетики и молекулярной биологии. С их помощью была показана линейность расположения генов и однозначно доказана генетическая роль хромосом. На политенных хромосомах дрозофил был впервые описан хромосомный полиморфизм диких популяций. Именно на политенных хромосомах были открыты гены белков теплового шока - компонентов системы, охраняющей клетки всех организмов от стрессорных воздействий. Политенные хромосомы сыграли ключевую роль в исследовании системы дозовой компенсации у дрозофилы.
Эволюция хромосом и геномов
В современных цитогенетических исследованиях важную роль играет дифференциальная окраска . Впервые способность хромосом окрашиваться дифференциально (то есть неодинаково по длине) продемонстрировали англичане С. Дарлингтон (C. Darlington ) и Л. Ла Кур (L. La Cour ) в 1938 году. Другой важный метод исследования - это гибридизация in situ , которая позволяет определить положение любого фрагмента ДНК на хромосоме. В основе метода лежит способность нуклеиновых кислот образовывать двуцепочечные молекулы, как ДНК-ДНК, так и РНК-ДНК. Придумали этот метод в 1969 году Д. Голл (J. Gall ) и М. Пардью (M. Pardue ) из США и Х. Джон (H. John ), М. Бирнстил (M. Birnstiel ) и К. Джонс (K. Jones ) из Великобритании .
Комбинация этих методов дает возможность подробно исследовать эволюцию хромосом и геномов*, а неизменным спутником эволюционного процесса являются хромосомные перестройки . По мере эволюции вида в его хромосомах неизбежно возникают перестройки, которые меняют порядок генов по сравнению с предковым видом. Чем дальше виды уходят друг от друга, тем больше хромосомных перестроек их отличает, и тем больше меняется порядок генов. Известны разные типы перестроек: делеции (потеря), дупликации (удвоение) и транслокации (перемещение) участков хромосом, которые обнаружил К. Бриджес в 1916, 1919 и 1923 годах соответственно. Еще один тип - это инверсии (поворот участка хромосомы на 180°), описанные А. Стёртевантом в 1921 году. Кроме того, существует особый тип перестроек, называемый Робертсоновской транслокацией (или центрическим слиянием). Первым ее описал американец У. Робертсон (W. Robertson ) в 1916 году, сравнивая хромосомные наборы близких видов саранчи. Суть этой перестройки сводится к слиянию двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую или субметацентрическую. Существует и обратный процесс - центрическое разделение. В этом случае мета- или субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрических.
* - На биомолекуле можно найти внушительную подборку статей, так или иначе затрагивающих эволюцию геномов и изменения генетического кода: «Вирусные геномы в системе эволюции », «Под „генную гармошку“ », «Аллополиплоидия, или как разные геномы научились жить под одной крышей », «Полные геномы галапагосских вьюрков наконец-то раскрыли механизмы их эволюции », «Как составлялся геном эукариот: эндосимбиоз VS. непрерывный горизонтальный перенос »; «Таинственный код нашего генома », «Эволюция генетического кода », «У истоков генетического кода: родственные души », «Такие разные синонимы » и др. - Ред.
Положение хромосом в ядре
В конце XIX века Т. Бовери выдвинул идею о том, что хромосомы в интерфазном ядре не перемешаны случайным образом, а каждая из них занимает свое пространство. В 1909 году для обозначения этого пространства он ввел термин «хромосомная территория ». Первые доказательства существования хромосомных территорий были получены лишь в 1982 году немецким исследователем Т. Кремером (T. Cremer ) с соавторами. Позднее они визуализировали эти территории с помощью флуоресцентных красителей разного цвета. Оказалось, что хромосомы крупного размера с гораздо большей вероятностью можно найти в периферической части ядра, тогда как мелкие сосредоточены в основном в центральной. Кроме этого, на периферии ядра расположены районы хромосом, обедненные генами. Районы же, обогащенные генами, наоборот, расположены ближе к центру ядра.
Состав хромосом. ДНК
Хромосомы представляют собой структуры, состоящие из сложного комплекса ДНК, РНК и белков. Такой комплекс называется хроматином .
ДНК как химическое вещество открыл и выделил в чистом виде молодой швейцарский исследователь Ф. Мишер (F. Miescher ), работая в 1868–1869 годах в университете немецкого города Тюбингена. Он изучал химический состав лейкоцитов, источником которых служил гной с бинтов из местной хирургической клиники. Ф. Мишер разработал метод разделения ядер и цитоплазмы клеток и анализировал состав ядер. Помимо белков и липидов он обнаружил вещество, которое назвал нуклеином (от слова nucleus - ядро), а сейчас оно известно как ДНК. То, что именно ДНК является носителем наследственной информации, первыми установили в 1944 году американцы О. Эйвери (O. Avery ), К. МакЛауд (C. MacLeod ) и М. МакКарти (M. McCarty ) в экспериментах по заражению мышей пневмококками.
Структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали расшифровали в 1953 году Ф. Крик (F. Crick ), Д. Уотсон (J. Watson ), М. Уилкинс (M. Wilkins ) и Р. Франклин (R. Franklin ), работавшие в Великобритании. За это открытие первые три исследователя получили Нобелевскую премию в 1962 году (историю открытия увлекательно описал в книге «Двойная спираль » Джеймс Уотсон, очень рекомендуем - Ред. ). Среди лауреатов нет Розалинды Франклин, поскольку она умерла от рака за четыре года до этого. Известно, что молекула ДНК состоит из последовательности четырех типов нуклеотидов : аденина, тимина, гуанина и цитозина*. За разработку метода определения их последовательности (секвенирования ) в 1980 году Нобелевской премии были удостоены П. Берг (P. Berg , США), У. Гилберт (W. Gilbert , США) и Ф. Сэнгер (F. Sanger , Великобритания).
* - Помимо четырех «классических» нуклеотидов в ДНК находят и их эпигенетически модифицированные варианты: метилцитозин и метиладенин («Шестое ДНК-основание: от открытия до признания »). А для некоторых бактериофагов Bacillus subtilis описано включение в ДНК «РНК-ового» урацила - Ред .
Если вначале секвенирование было трудоемким процессом, который позволял за раз «прочитать» лишь небольшой фрагмент, то по мере развития технологии стало возможным определить, например, полную последовательность митохондриальной ДНК человека (1981 год). В 1990 году был запущен амбициозный проект с целью полного секвенирования человеческого генома, а первый результат был представлен в 2001 году (биомолекула: «Геном человека: как это было и как это будет »). При этом секвенирование одного генома обошлось в колоссальную сумму - сотни миллионов долларов. Но технологии не стоят на месте, и появление новых методов позволило снизить затраты в тысячи раз*. Теперь секвенирование целого генома стало рядовым событием, и в 2009 году был запущен проект «Genome 10K». Его цель - это секвенирование и полная «сборка» в хромосомы 10 тысяч геномов животных.
* - «Закон» Мура прямо таки обречен на достижение конечных точек в разных науках (куда только его удалось притянуть). Биология даже обогнала электронику: постепенное падение стоимости секвенирования в 2007-м ушло в крутое пике, приближая эру рутинного чтения геномов в сельских фельдшерских пунктах по полисам ОМС. Правда, в обозримой перспективе всё же придется раскошелиться - долларов на 1000 плюс транспортные расходы: «Технология: 1,000 $ за геном ». Но и о таком могли лишь мечтать до появления новых методов секвенирования ДНК: «454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК) ». И для понимания базовых (на уровне клетки) процессов развития организма и победы над онкозаболеваниями мечтать есть еще о чём: «Секвенирование единичных клеток (версия - Metazoa) » - Ред.
Новые технологии позволили развиться такому направлению, как исследование древней ДНК (биомолекула: «Древняя ДНК: Привет из прошлого »). Стало возможным выделять ДНК из костей возрастом десятки тысяч лет, и в 2008 году, например, был секвенирован митохондриальный геном неандертальца. Исследование древней ДНК, да и всю современную молекулярную биологию невозможно представить без использования ПЦР - полимеразной цепной реакции . За ее открытие американец К. Муллис (K. Mullis ) получил в 1993 году Нобелевскую премию .
Состав хромосом. Белки́
ДНК в хромосомах претерпевает несколько последовательных уровней упаковки, и на самом первом уровне двойная спираль ДНК оборачивается вокруг белковой глобулы, образуя нуклеосому (биомолекула: «Катится, катится к ДНК гистон »). В состав глобулы входят четыре типа белков, называемых гистонами . В 1982 году английский молекулярный биолог А. Клюг (A. Klug ) получил Нобелевскую премию за расшифровку трехмерной структуры нуклеосом. Косвенно нуклеосомы отмечены еще одной Нобелевской премией - в 1910 году ее получил немецкий биохимик А. Коссель (A. Kossel ) за изучение химического состава веществ, образующих ядро клетки, и в том числе за открытие гистонов.
C-концевые части молекул гистонов плотно свернуты, а N-концевые не имеют определенной структуры и свободно расходятся в стороны. В 1963–1964 годах было обнаружено, что некоторые аминокислотные остатки в гистонах могут быть ковалентно модифицированы, то есть ацетилированы или метилированы. Сейчас список модификаций значительно расширился, к остаткам аминокислот могут быть присоединены как относительно простые группы - метильная, ацетильная, фосфатная, - так и сложные крупные молекулы: биотин, олигопептиды или цепочки ADP-рибозы. Модификации появляются в основном на N- и, в гораздо меньшей степени, на С-концевой частях молекул гистонов.
Согласно теории гистонового кода , модификации, которые присутствуют на нуклеосомах в данном участке хроматина, не случайны, а «кодируют» какой-либо процесс. Такую точку зрения сформулировали в 2000–2001 годах Б. Штраль (B. Strahl , США), С. Эллис (C. Allis , США) и Т. Йенувайн (T. Jenuwein , Австрия). Схематично процесс работы гистонового кода можно составить из трех этапов. На первом этапе работают ферменты, которые производят модификацию определенных остатков в гистонах. На втором этапе с модифицированными аминокислотами связываются белки, имеющие для этой цели специальные домены. Каждый из доменов подходит только к «своей» модификации. На последнем же этапе эти связавшиеся белки привлекают другие белковые комплексы, запуская тем самым какой-то процесс.
* - О блестящих перспективах и отрезвляющих сомнениях в области применения ИПСК: «Французским исследователям удалось омолодить клетки столетних людей », «Снежный ком проблем с плюрипотентностью ». - Ред.
Гетерохроматин
Одним из объектов исследования многообразных эпигенетических процессов является гетерохроматин . Его как более темные участки хромосом открыл в 1907 году немецкий цитолог С. Гутхерц (S. Gutherz ), а термины «гетерохроматин» и «эухроматин» ввел в 1928 году другой немецкий цитолог Э. Хайц (E. Heitz ). Если совсем кратко, то эухроматин - это части хромосом, в которых расположено подавляющее большинство генов, тогда как гетерохроматин - это в основном районы с некодирующей ДНК, состоящей из коротких многократно повторенных последовательностей. Кроме этого, эу- и гетерохроматин различаются временем репликации в течение S-фазы клеточного цикла. Первым это отличие описал в 1959 году А. Лима-де-Фария (A. Lima-de-Faria , США), исследуя процесс репликации ДНК в семенниках у саранчи Melanoplus differentialis . Он показал, что гетерохроматин и начинает, и заканчивает репликацию своей ДНК позже эухроматина.
Важным свойством гетерохроматина является способность инактивировать помещенные в него эухроматиновые гены. Это явление называется эффектом положения мозаичного типа . Оно было обнаружено в 1930 году Г. Мёллером у дрозофилы. В результате хромосомной перестройки ген white попал в гетерохроматин. Этот ген отвечает за красный цвет глаз, а если он не работает, то глаза становятся белыми. У Г. Мёллера же получились мухи, глаза которых были ни красными, ни белыми, а пятнистыми, и у разных мух пятна были разной формы и размера. Это объясняется тем, что сам ген остается неповрежденным, а лишь случайным образом инактивируется в одних клетках глаза и работает в других.
Несмотря на многолетние исследования, процесс формирования гетерохроматина во многом до сих пор не ясен, особенно его самый первый этап. Предполагают, что ключевую роль в нём играет процесс, схожий с интерференцией РНК (биомолекула: «Обо всех РНК на свете, больших и малых »). За открытие этого явления два американца Э. Файр (A. Fire ) и К. Мелло (C. Mello ) получили Нобелевскую премию в 2006 году. Процесс интерференции сложен и многостадиен, но если не вдаваться в детали, то введение в клетку двухцепочечной РНК, гомологичной какому-либо гену, приводит к инактивации этого гена.
Теломеры
Интенсивное исследование теломер началось после того, как в 1978 году американцы Э. Блэкберн (E. Blackburn ) и Д. Голл секвенировали теломеру у инфузории Tetrahymena thermophila . Оказалось, что теломеры содержат последовательность из шести нуклеотидов, повторенную от 20 до 70 раз. В 1985 году К. Грейдер (C. Greider ) и Э. Блэкберн всё у той же инфузории открыли фермент, названный теломеразой , задачей которого является достраивание теломер. В 2009 году Э. Блэкберн , К. Грейдер и Д. Шостак (J. Szostak , США) получили Нобелевскую премию за исследование теломер и открытие фермента теломеразы (биомолекула: «„Нестареющая“ Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе », «Старение - плата за подавление раковых опухолей? »).
Дозовая компенсация
Огромное число видов живых организмов, и человек в их числе, имеет негомологичные половые хромосомы, например, X и Y. При этом возникает необходимость в процессе, который называется дозовой компенсацией . Суть его заключается в следующем: поскольку число аутосом одинаково и у самцов, и у самок, то число аутосомных генов, а следовательно, и количество их продуктов, также будет одинаковым. А вот количество продуктов, синтезированных с генов, расположенных в половой хромосоме, у одного пола будет в 2 раза больше, чем у другого. Получается диспропорция, которую надо как-то регулировать, то есть уравнять «дозу генов». Решить эту проблему призвана система дозовой компенсации (биомолекула: «, США) выдвинули гипотезу, согласно которой у самок млекопитающих одна из двух X-хромосом инактивируется, и выбор ее случаен. Таким способом система дозовой компенсации млекопитающих уравнивает число работающих X-хромосом у разных полов: у самцов Х-хромосома всего одна, а у самок из двух только одна работает.
У дрозофилы природа изобрела другой механизм, противоположный по сути механизму млекопитающих: единственная X-хромосома самцов гиперактивируется и работает как две X-хромосомы самок. То, что суммарная активность двух копий какого-либо гена из X-хромосомы у самок и одной копии у самцов дрозофилы одинакова, было обнаружено еще на заре развития генетики. Это сделали К. Штерн в 1929 году и Г. Мёллер в 1931 году, так что дрозофила - это первый организм, у которого нашли дозовую компенсацию.
Ну и наконец...
Пара слов об открытии, которое не связано напрямую с хромосомами, но его очень активно используют, в том числе и для исследования разных сторон жизни хромосом. В 2008 году О. Шимомура (O. Shimomura ), М. Чалфи (M. Chalfie ) и Р. Циен (R. Tsien ) из США получили Нобелевскую премию за открытие, выделение и применение зеленого флуоресцирующего белка (GFP) медузы Aequorea victoria . С помощью молекулярных манипуляций можно соединить ген белка GFP с геном любого другого белка и получить химерный белок, который будет выполнять как свою исходную функцию, так и светиться зеленым цветом. Это дает возможность видеть, в каких клетках работает белок, в ядре или цитоплазме, в каких частях хромосом. Кроме зеленого (GFP) сейчас известны красный (RFP) и желтый (YFP) флуоресцирующие белки*.
* - О многообразии флуоресцентных белков и их применении в биологических исследованиях рассказывают материалы: «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии », «Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали! », «„Нарисуем“ живую клетку ». А о биолюминесценции у наземных и морских организмов и работе люциферин-люциферазной системы - статьи: «Биолюминесценция: возрождение », «Микроскопическое свечение космического масштаба ». - Ред.
Загрузка...