Сущность хромосомной теории наследственности. В 1902–1903 гг. американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга высказали предположение, что гены расположены в хромосомах. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911 – 1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности локализованы гены. Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.

Сцепленное наследование. Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено числом хромосом. Однако в организме число генов, как правило, значительно превышает количество хромосом. Например, у кукурузы изучено более 500, у мухи дрозофилы – более 1000, а у человека – около 2000 генов, тогда как хромосом у них 10, 4 и 23 пары соответственно. Это дало основание предположить, что в каждой хромосоме локализовано множество генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе.

Совместное наследование генов Т. Морган предложил назвать сцепленным наследованием. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом, поскольку каждую группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены .

Наследование сцепленных генов отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Так, если при независимом комбинировании дигибрид образует четыре типа гамет (AВ , Ав , а В , ав ) в равных количествах, то такой же дигибрид образует только два типа гамет: АВ и ав тоже в равных количествах. Последние повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.

Было установлено, однако, что кроме этих гамет (АВ и ав) возникают и другие – Ав и аВ – с новыми комбинациями генов. Причиной возникновения новых гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер.

Кроссинговер происходит в профазе I мейоза во время конъюгации гомологичных хромосом (рис.). В это время части двух хромосом могут перекрещиваться и обмениваться своими участками (генами), в результате чего возникают хромосомы с иными комбинациями генов. Особи, которые получаются из таких гамет с новым сочетанием аллелей, получили название кроссинговерных, или рекомбинантных.

Рассмотрим один из первых экспериментов Т. Моргана по изучению сцепленного наследования. При скрещивании дрозофил, различающихся по двум парам альтернативных признаков (серых с нормальными крыльями и черных с зачаточными крыльями), были получены дигетерозиготные по этим генам особи. Все мухи в соответствии с законом единообразия гибридов первого поколения были серыми с нормальными крыльями.

Далее было проведено анализирующее скрещивание – дигетерозиготную самку скрестили с гомозиготным по обоим рецессивным генам самцом (черное тело и зачаточные крылья). Если бы две пары аллельных генов, определяющих указанные альтернативные признаки, располагались в разных хромосомах, то во втором поколении при анализирующем скрещивании можно было бы ожидать четыре разных фенотипа в равном соотношении: серое тело, нормальные крылья; серое тело, зачаточные крылья; черное тело, нормальные крылья; черное тело, зачаточные крылья.

На самом же деле в результате такого скрещивания наблюдается преимущественно два класса: серые мухи с нормальными крыльями и черные мухи с зачаточными крыльями (на их долю приходится 83%); два других класса – серые мухи с зачаточными крыльями и черные мухи с нормальными крыльями были в небольшом количестве (17%).

Полученный результат свидетельствует о тесной связи между генами, определяющими окраску тела и длину крыльев, что может быть только при нахождении обоих этих генов в одной хромосоме.

Причиной появления небольшого количества мух с новыми сочетаниями признаков является кроссинговер, который приводит к новому рекомбинантному сочетанию аллелей генов в гомологичных хромосомах. Эти обмены происходят с вероятностью 17% и в итоге дают два класса рекомбинантов с равной вероятностью – по 8,5% .

Частота (процент) перекреста между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, зависит от расстояния между ними. Кроссинговер между двумя генами происходит тем реже, чем ближе друг к другу они расположены.

Расстояние между генами характеризует силу сцепления и выражается в морганидах (в честь Т. Моргана) или в процентах рекомбинации (кроссинговера). Морганида – это генетическое расстояние, на котором кроссинговер происходит с вероятностью 1%.

Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико. Генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повысить наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организмов в различных условиях среды. Человек специально проводит гибридизацию с целью получения необходимых вариантов комбинаций для использования в селекционной работе.

Генетические карты. Сцепление генов, локализованных в одной хромосоме, не бывает абсолютным. Кроссинговер, происходящий в процессе мейоза между гомологичными хромосомами, приводит к рекомбинации (перераспределению) генов. Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес, А. Стертевант и Г. Меллер экспериментально показали, что знание явлений сцепления и кроссинговера позволяет не только установить группу сцепления генов, но и построить генетические карты хромосом, на которых указаны порядок расположения генов в хромосоме и относительные расстояния между ними.

Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Генетические карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом.

Возможность такого картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами. Если известно взаимное расположение генов на в хромосоме (их порядок и расстояние между ними), то его можно изобразить в виде схемы (рис.).

Генетические карты хромосом составлены для многих организмов: насекомых (дрозофила, комар, таракан и др.), грибов (дрожжи, аспергилл), многих протистов, бактерий и вирусов.

Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности того или иного вида организма и представляет большой научный интерес. Такой организм является прекрасным объектом для проведения дальнейших экспериментальных работ, имеющих не только научное, но и практическое значение. В частности, знание генетических карт позволяет планировать работы по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что теперь широко используется в селекционной практике. Так, создание штаммов микроорганизмов , способных синтезировать необходимые для фармакологии и сельского хозяйства белки, гормоны и другие сложные органические вещества, возможно только на основе методов генной инженерии, которые, в свою очередь, базируются на знании генетических карт соответствующих микроорганизмов.

Генетические карты человека также могут оказаться полезными в развитии здравоохранения и медицины. Знания о локализации гена на определенной хромосоме используются при диагностике ряда тяжелых наследственных заболеваний человека.

Основные положения хромосомной теории наследственности. Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности:

1. Гены локализованы в хромосомах.

2. Гены расположены в хромосоме линейно.

3. Гены локализованы в одной хромосоме, наследуются вместе и образуют группу сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом.

4. Сцепление между генами, локализованными в одной хромосоме, неполное, между ними может происходить кроссинговер. Частота кроссинговера служит мерой расстояния между генами, расположенными в одной хромосоме.

1. Что такое группа сцепления? Чему равно количество групп сцепления в клетках разных организмов? 2. Какие факты, полученные при изучении сцепления и кроссинговера между генами, подтверждают хромосомную теорию наследственности? 3. Что такое генетические карты хромосом и каковы перспективы их использования? 4. Каковы основные положения хромосом ной теории наследственности?

Механизм наследования сцепленных генов, а также местоположение некоторых сцепленных генов установил американский генетик и эмбриолог Т. Морган. Он показал, что закон независимого наследования, сформулированный Менделем, действителен только в тех случаях, когда гены, несущие независимые признаки, локализованы в разных негомологичных хромосомах. Если же гены находятся в одной и той же хромосоме, то наследование признаков происходит совместно, т. е. сцепленно. Это явление стали называть сцепленным наследованием, а также законом сцепления или законом Моргана.

Закон сцепления гласит : сцепленные гены, расположеные в одной хромосоме, наследуются совместно (сцепленно).Группа сцепления - все гены одной хромосомы. Число групп сцепления равно количеству хромосом в гаплоидном наборе. Например, у человека 46 хромосом - 23 группы сцепления, у гороха 14 хромосом - 7 групп сцепления, у плодовой мушки дрозофилы 8 хромосом - 4 группы сцепления.Неполное сцепление генов - результат кроссинговера между сцепленными генами , поэтому полное сцепление генов возможно у организмов, в клетках которых кроссинговер в норме не происходит.

ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ МОРГАНА. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Результатом исследований Т. Моргана стало создание им хромосомной теории наследственности:

1)гены располагаются в хромосомах; различные хромосомы содержат неодинаковое число генов; набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален;

2)каждый ген имеет определенное место (локус) в хромосоме; в идентичных локусах гомологичных хромосом находятся аллельные гены;

3)гены расположены в хромосомах в определенной линейной последовательности;

4)гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления; число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида организмов;

5)сцепление генов может нарушаться в процессе кроссинговера, что приводит к образованию рекомбинантных хромосом; частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем больше расстояние, тем больше величина кроссинговера;

6)каждый вид имеет характерный только для него набор хромосом - кариотип.

Наследование, сцепленное с полом - это наследование какого-либо гена, находящегося в половых хромосомах. При наследственности, связанной с Y-хромосомой, признак или болезнь проявляется исключительно у мужчины, поскольку эта половая хромосома отсутствует в хромосомном наборе женщины. Наследственность, связанная с Х-хромосомой, может быть доминантной или рецессивной в женском организме, но она всегда присутствует в мужском, поскольку в нем насчитывается только одна Х-хромосома. Наследование болезни сцепленное с полом, связанно, главным образом, с половой Х-хромосомой. Большинство наследственных болезней (тех или иных патологических признаков), связанных с полом, передаются рецессивно. Таких болезней насчитывается около 100. Женщина-носительница патологического признака сама не страдает, так как здоровая Х-хромосома доминирует и подавляет Х-хромосому с патологическим признаком, т.е. компенсирует неполноценность данной хромосомы. При этом болезнь проявляется только у лиц мужского пола. По рецессивному сцепленному с Х-хромосомой типу, передаются: дальтонизм (красно-зелёная слепота), атрофия зрительных нервов, куриная слепота, миопия Дюшена, синдром «курчавых волос» (возникает в результате нарушения обмена меди, повышения её содержания в тканях, проявляется слабоокрашенными, редкими и выпадающими волосами, умственной отсталостью и т.д.), дефект ферментов переводящих пуриновые основания в нуклеотиды (сопровождается нарушением синтеза ДНК в виде синдрома Леша-Найена, проявляющегося умственной отсталостью, агрессивным поведением, членовредительством), гемофилия А (в результате недостатка антигемофильного глобулина - фактора VIII), гемофилия В (в результате дефицита фактора Кристмаса - фактора IX) и т.д. По доминантному сцепленному с Х-хромосомой типу передаются гипофосфатемический рахит (не поддающийся лечению витаминами D2 и D3), коричневая эмаль зубов и др. Данные заболевания развиваются у лиц и мужского, и женского пола.

Полное и неполное сцепление генов.

Гены в хромосомах имеют разную силу сцепления. Сцепление генов может быть: полным, если между генами, относящимися к одной группе сцепления, рекомбинация невозможна и неполным, если между генами, относящимися к одной группе сцепления, возможна рекомбинация.

Генетические карты хромосом.

Это схемы относительного расположения сцепленных между собой

наследственных факторов - генов. Г. к. х. отображают реально

существующий линейный порядок размещения генов в хромосомах (см. Цитологические карты хромосом) и важны как в теоретических исследованиях, так и при проведении селекционной работы, т.к. позволяют сознательно подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых организмов. Имея Г. к. х., можно по наследованию «сигнального» гена, тесно сцепленного с изучаемым, контролировать передачу потомству генов, обусловливающих развитие трудно анализируемых признаков; например, ген, определяющий эндосперм у кукурузы и находящийся в 9-й хромосоме, сцеплен с геном, определяющим пониженную жизнеспособность растения.

85. Хромосомный механизм наследования пола. Цитогенетические методы определения пола.

Пол характеризуется комплексом признаков, определяемых генами, расположенными в хромосомах. У видов с раздельнополыми особями хромосомный комплекс самцов и самок неодинаков, цитологически они отличаются по одной паре хромосом, ее назвали половыми хромосомами . Одинаковые хромосомы этой пары назвали X(икс)- хромосомами . Непарную, отсутствующую у другого пола- Y (игрек)- хромосомой ; остальные, по которым нет различий аутосомами (А). У человека 23 пары хромосом. Из них 22 пары аутосом и 1 пара половых хромосом. Пол с одинаковыми хромосомами XX, образующий один тип гамет (с X- хромосомой), называют гомогаметным, другой пол, с разными хромосомами XY, образующий два типа гамет (с X-хромосомой и с Y-хромосомой), - гетерогаметным . У человека, млекопитающих и других организмов гетерогаметный пол мужской ; у птиц, бабочек - женский.

X- хромосомы, помимо генов, определяющих женский пол, содержат гены, не имеющие отношения к полу. Признаки, определяемые хромосомами, называются признаками, сцепленными с полом. У человека такими признаками являются дальтонизм (цветная слепота) и гемофилия (несвертываемость крови). Эти аномалии рецессивны, у женщин такие признаки не проявляются, если даже эти гены несет одна из X- хромосом; такая женщина является носительницей и передает их с Х - хромосомой своим сыновьям.

Цитогенетический метод определения пола. Он основан на микроскопическом изучении хромосом в клетках человека. Применение цито генетического метода позволяет не только изучать нормальную морфологию хромосом и кариотипа в целом, определять генетический пол организма, но, главное, диагностировать различные хромосомные болезни, связанные с изменением числа хромосом или с нарушением их структуры. В качестве экспресс- метода, выявляющего изменение числа половых хромосом, используют метод определения полового хроматина в неделящихся клетках слизистой оболочки щеки. Половой хроматин, или тельце Барра, образуется в клетках женского организма одной из двух Х- хромосом. При увеличении количества Х - хромосом в кариотипе организма в его клетках образуются тельца Барра в количестве на единицу меньше числа хромосом. При уменьшении числа хромосом тельце отсутствует. В мужском кариотипе Y- хромосома может быть обнаружена по более интенсивной люмисценции по сравнению с другими хромосомами при обработке их акрихинипритом и изучении в ультрафиолетовом свете.

Особенности строения хромосом. Уровни организации наследственного материала. Гетеро- и эухроматин.

Морфология хромосом

При микроскопическом анализе хромосом, прежде всего, видны различия их по форме и величине. Строение каждой хромосомы сугубо индивидуальное. Можно заметить также, что хромосомы обладают общими морфологическими признаками. Они состоят из двух нитей - хроматид, расположенных параллельно и соединенных между собой в одной точке, названной центромерой или первичной перетяжкой. На некоторых хромосомах можно видеть и вторичную перетяжку. Она является характерным признаком, позволяющим идентифицировать отдельные хромосомы в клетке. Если вторичная перетяжка расположена близко к концу хромосомы, то дистальный участок, ограниченный ею, называют спутником. Хромосомы, содержащие спутник, обозначаются как АТ-хромосомы. На некоторых из них в телофазе происходит образование ядрышек.
Концевые участки хромосом имеют особую структуру и называются теломерами. Теломерные районы обладают определенной полярностью, препятствующей их соединению друг с другом при разрывах или со свободными концами хромосом.

Участок хроматиды (хромосомы) от теломеры до центромеры называют плечом хромосомы. Каждая хромосома имеет два плеча. В зависимости от соотношения длин плеч выделяют три типа хромосом: 1) метацентрические (равноплечие); 2) субметацентрические (неравноплечие); 3) акроцентрические, у которых одно плечо очень короткое и не всегда четко различимо. (р - короткое плечо, q - длинное плечо). Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков: гистонов и протомите (в половых клетках), которые образуют нуклеопротеиновый комплекс-хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями. Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны и негистоновые белки.
Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

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.

Хромосомная теория наследственности

Формирование хромосомной теории

В 1902—1903 гг. американский цитолог У. Сеттон и немецкий цитолог и эмбриолог Т. Бовери независимо друг от друга выявили параллелизм в поведении генов и хромосом в ходе формирования гамет и оплодотворения. Эти наблюдения послужили основой для предположения, что гены расположены в хромосомах. Однако экспериментальное доказательство локализации конкретных генов в конкретных хромосомах было получено только в 1910 г. американским генетиком Т. Морганом, который в последующие годы (1911—1926) обосновал хромосомную теорию наследственности. Согласно этой теории, передача наследственной информации связана с хромосомами, в которых линейно, в определенной последовательности, локализованы гены.

Морган и его ученики установили следующее:

1. Гены, расположенные в одной хромосоме, наследуются совместно или сцепленно.

2. Группы генов, расположенных в одной хромосоме, образуют группы сцепления. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом у гомогаметных особей и п+1 у гетерогаметных особей.

3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен участками (кроссинговер); в результате кроссин-говера возникают гаметы, хромосомы которых содержат новые комбинации генов.

4. Частота кроссинговера между гомологичными хромосомами зависит от расстояния между генами, локализованными в одной хромосоме. Чем это расстояние больше, тем выше частота кроссинговера. За единицу расстояния между генами принимают 1 морганиду (1% кроссинговера) или процент появления кроссоверных особей. При значении этой величины в 10 морганид можно утверждать, что частота перекреста хромосом в точках расположения данных генов равна 10% и что в 10% потомства будут выявлены новые генетические комбинации.

5. Для выяснения характера расположения генов в хромосомах и определения частоты кроссинговера между ними строят генетические карты. Карта отражает порядок расположения генов в хромосоме и расстояние между генами одной хромосомы. Эти выводы Моргана и его сотрудников получили название хромосомной теории наследственности. Важнейшими следствиями этой теории являются современные представления о гене как о функциональной единице наследственности, его делимости и способности к взаимодействию с другими генами.

Таким образом, именно хромосомы представляют собой материальную основу наследственности.

Формированию хромосомной теории способствовали данные, полученные при изучении генетики пола, когда были установлены различия в наборе хромосом у организмов различных полов.

Генетика пола

Пол, как и любой другой признак организма, наследственно детерминирован. Важнейшая роль в генетической детерминации пола и в поддержании закономерного соотношения полов принадлежит хромосомному аппарату.

Рассмотрим хромосомное определение пола. Известно, что у раздельнополых организмов соотношение полов обычно составляет 1:1, т. е. мужские и женские особи встречаются одинаково часто. Это соотношение совпадает с расщеплением в анализирующем скрещивании, когда одна из скрещиваемых форм является гетерозиготной (Аа), а другая — гомозиготной по рецессивным аллелям (аа). В потомстве в этом случае наблюдается расщепление в отношении 1Аа:1аа. Если пол наследуется по такому же принципу, то вполне логично было бы предположить, что один пол должен быть гомозиготным, а другой — гетерозиготным. Тогда расщепление по полу должно быть в каждом поколении равным 1.1, что и наблюдается в действительности.

При изучении хромосомных наборов самцов и самок ряда животных между ними были обнаружены некоторые различия. Как у мужских, так и у женских особей во всех клетках имеются пары одинаковых (гомологичных) хромосом, но по одной паре хромосом они различаются. Такие хромосомы, по которым самцы и самки отличаются друг от друга, называют половыми хромосомами. Те из них, которые являются парными у одного из полов, называют X-хромосомами. Непарная половая хромосома, имеющаяся у особей только одного пола, была названа У-хромосомой. Хромосомы, в отношении которых между самцами и самками нет различий, называют аутосомами.

У птиц, бабочек и пресмыкающихся самцы являются гомога-метным полом, а самки —- гетерогаметным (типа XY или типа ХО). Половые хромосомы у этих видов иногда обозначают буквами Z и W, чтобы выделить таким образом данный способ определения пола; при этом самцы обозначаются символом ZZ, а самки — символом ZW или Z0.

Наследование признаков, сцепленных с полом

В том случае, когда гены, контролирующие формирование того или иного признака, локализованы в аутосомах, наследование осуществляется независимо от того, кто из родителей (мать или отец) является носителем изучаемого признака. Если же гены находятся в половых хромосомах, характер наследования признаков резко изменяется.

Признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах, называются признаками, сцепленными с полом. Это явление было открыто Т. Морганом.

Хромосомные наборы разных полов отличаются по строению половых хромосом. Признаки, определяемые генами половых хромосом, называют сцепленными с полом. Характер наследования зависит от распределения хромосом в мейозе. У гетерогаметных полов признаки, сцепленные с Х-хромосомой и не имеющие аллеля в У-хромосоме, проявляются даже в том случае, когда ген, определяющий развитие этих признаков, — рецессивен.Пол организма определяется в момент оплодотворения и зависит от хромосомного набора образовавшейся зиготы. У птиц гетерогаметными являются самки, а гомогаметными — самцы.

Сцепленное наследование

Независимое комбинирование признаков (третий закон Менделя) осуществляется при условии, что гены, определяющие эти признаки, находятся в разных парах гомологичных хромосом. Следовательно, у каждого организма число генов, способных независимо комбинироваться в мейозе, ограничено числом хромосом. Однако в организме число генов значительно превышает количество хромосом.
В каждой хромосоме локализовано множество генов. Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе.

Совместное наследование генов X Морган предложил назвать сцепленным наследованием. Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом, поскольку группу сцепления составляют две гомологичные хромосомы, в которых локализованы одинаковые гены.

Способ наследования сцепленных генов отличается от наследования генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Так, если при независимом комбинировании дигибрид образует четыре типа гамет (АВ, Аb, аВ и аb) в равных количествах, то такой же дигибрид образует только два типа гамет: (АВ и аb) тоже в равных количествах. Последние повторяют комбинацию генов в хромосоме родителя.

Было установлено, однако, что кроме обычных гамет возникают и другие —Аb и аВ — с новыми комбинациями генов, отличающимися от родительской гаметы. Причиной возникновения новых гамет является обмен участками гомологичных хромосом, или кроссинговер.

Кроссинговер происходит в профазе I мейоза во время конъюгации гомологичных хромосом. В это время части двух хромосом могут перекрещиваться и обмениваться своими участками. В результате возникают качественно новые хромосомы, содержащие участки (гены) как материнских, так и отцовских хромосом. Особи, которые получаются из таких гамет с новым сочетанием аллелей, получили название кроссинговерных или рекомбинантных.

Частота (процент) перекреста между двумя генами, расположенными в одной хромосоме, пропорциональна расстоянию между ними. Кроссинговер между двумя генами происходит тем реже, чем ближе друг к другу они расположены. По мере увеличения расстояния между генами все более возрастает вероятность того, что кроссинговер разведет их по двум разным гомологичным хромосомам.

Расстояние между генами характеризует силу их сцепления. Имеются гены с высоким процентом сцепления и такие, где сцепление почти не обнаруживается. Однако при сцепленном наследовании максимальная величина кроссинговера не превышает 50%. Если же она выше, то наблюдается свободное комбинирование между парами аллелей, не отличимое от независимого наследования.

Биологическое значение кроссинговера чрезвычайно велико, поскольку генетическая рекомбинация позволяет создавать новые, ранее не существовавшие комбинации генов и тем самым повышать наследственную изменчивость, которая дает широкие возможности адаптации организма в различных условиях среды. Человек специально проводит гибридизацию с целью получения необходимых вариантов комбинаций для использования в селекционной работе.

Понятие о генетической карте

Т. Морган и его сотрудники К. Бриджес, А. Стертеванти Г. Меллер экспериментально показали, что знание явлений сцепления и кроссинговера позволяет не только установить группу сцепления генов, но и построить генетические карты хромосом, на которых указаны порядок расположения генов в хромосоме и относительные расстояния между ними.

Генетической картой хромосом называют схему взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Такие карты составляются для каждой пары гомологичных хромосом.

Возможность подобного картирования основана на постоянстве процента кроссинговера между определенными генами. Генетические карты хромосом составлены для многих видов организмов.

Наличие генетической карты свидетельствует о высокой степени изученности того или иного вида организма и представляет большой научный интерес. Такой организм является прекрасным объектом для проведения дальнейших экспериментальных работ, имеющих не только научное, но и практическое значение. В частности, знание генетических карт позволяет планировать работы по получению организмов с определенными сочетаниями признаков, что теперь широко используется в селекционной практике.

Сравнение генетических карт разных видов живых организмов способствует также пониманию эволюционного процесса.

Основные положения хромосомной теории наследственности

Гены локализованы в хромосомах. При этом различные хромосомы содержат неодинаковое число генов. Кроме того, набор генов каждой из негомологичных хромосом уникален.

Аллельные гены занимают одинаковые локусы в гомологичных хромосомах.

Гены расположены в хромосоме в линейной последовательности.

Гены одной хромосомы образуют группу сцепления, благодаря нему происходит сцепленное наследование некоторых признаков. При этом сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами.

Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом — кариотипом.

В 1902 г., вскоре после вторичного открытия законов Менделя, "два генетика - А. Сэттон и Т. Бовери независимо друг от друга обнаружили удивительное сходство между поведением хромосом во время образования половых клеток и оплодотворения и насле-: дованием признаков организма. Они высказали ряд предположений, согласно которым: 1) хромосомы являются носителями наследственных факторов (термин «ген» был введен в обиход только в 1909 г. В.Иогансеном), 2) каждая пара факторов локализована в паре гомологичных хромосом, 3) каждая хромосома несет только по одному специфическому, уникальному фактору, 4) каждая хромосома содержит множество различающихся факторов, посколъку число признаков у любого организма гораздо больше числа его хромосом. Эти идеи заложили основу «хромосомной теории наследственности».

Менделевский закон расщепления можно объяснить особенностями поведения хромосом во время мейоза. При образовании гамет распределение аллелей одной пары гомологичных хромосом происходит независимо от распределения других пар аллелей. Поскольку гаплоидное число хромосом в клетках человека равно 23, возможное число комбинаций в мужских или женских гаметах составляет 223.

Сцепление генов

В 1906 г. В. Бэтсон и Р. Пеннет, скрещивая две расы душистого горошка, различавшихся по двум парам признаков, не обнаружили в F2 расщепления в отношении 9:3:3:1. Признаки оставались в исходных родительских комбинациях. Они назвали это явление притяжением. Генетический анализ, проведенный на плодовой мушке дрозофиле Т. Г. Морганом и его учениками, показал, что основой притяжения генов являются хромосомы. Все гены, находящиеся в одной хромосоме, связаны между собой материальным субстратом хромосомы и в силу этого попадают в одну гамету. Гены, расположенные в одной хромосоме и наследующиеся целой группой, получили название группы сцепления. Явление совместного наследования генов, ограничивающее их свободное комбинирование в мейозе, назвали сцеплением генов.

В одном из экспериментов Т. Г. Морган провел несколько серий возвратного скрещивания между дрозофилой с серым телом и длинными крыльями и дрозофилой, у которой были черное тело и короткие крылья. Серое тело и длинные крылья доминируют. Во рсех сериях Морган получал одни и те же результаты: 41,5% потомков имели серое тело, длинные крылья; 41,5% - черное тело, короткие крылья; 8,5% - серое тело, короткие крылья и 8,5% - черное тело, длинные крылья. Если бы аллели, контролирующие развитие этих признаков, находились в одной и той же паре хромосом (т.е. были полностью сцеплены), в потомстве было бы 50 % мух с серым телом, длинными крыльями и 50% - с черным телом, короткими крыльями. Если бы гены, контролирующие эти признаки, лежали в разных хромосомах (т.е. не были сцеплены), они должны были бы распределяться независимо и давать 25% потомков с серым телом, длинными крыльями; 25% - с серым телом, короткими крыльями; 25% - с черным телом, длинными крыльями и 25% - с черным телом, короткими крыльями. Большинство потомков (83%) повторило исходные родительские фенотипы, что говорило о сцеплении изученных генов. Однако, помимо мух с родительскими фенотипами, появились 17% особей с новыми сочетаниями признаков, свидетельствовавшими о неполном сцеплении. Эти новые фенотипы были названы рекомбинантными, а потомки - рекомбинантами. Появление рекомбинантных сочетаний аллелей у 17% потомков объясняется обменом между гомологичными хромосомами во время мейоза. Это явление получило название кроссинговера. Морган предположил, что кроссинговер (обмен аллелями) происходит в результате разрыва и обмена участками гомологичных хромосом во время образования хиазм. Образование хиазм, которые можно непосредственно наблюдать под микроскопом, является цитологическим подтверждением кроссинговера (как генетического явления).

Процент рекомбинантных потомков, от опыта к опыту, для исследованных признаков оставался постоянной величиной. На этом основании А. Стертевант (ученик и сотрудник Моргана) высказал предположение о линейном расположении генов по хромосоме и показал, что величина кроссинговера (выражаемая в процентах) является функцией расстояния между генами. Чем больше расстояние, тем чаще образуются хиазмы, а следовательно, выше процент рекомбинантов, и, наоборот, чем меньше расстояние между генами, тем меньше процент рекомбинантных потомков.

Таким образом, относительные расстояния между генами можно измерять в процентах кроссинговера между ними. Принято считать, что 1% кроссинговера равен 1 сантиморганиде (в честь Т.Г.Моргана).

Хромосомные карты

Т.Г.Морган и его сотрудники были первыми, кто использовал явление кроссинговера для составления генетических карт хромосом. Генетическая карта - это схема линейного расположения генов, локализованных в одной группе сцепления. Карта хромосомы строится путем перевода частоты рекомбинаций между генами в относительные расстояния на хромосоме, выраженные в морганидах. Например, если частота рекомбинаций между генами А и Б равна2,4%, то это свидетельствует, что они расположены на одной и той же хромосоме на расстоянии 2,4 сантиморганиды друг от друга. Если частота рекомбинаций между генами Б и В составляет 6,6%, то они разделены расстоянием 6,6 сантиморганид. Однако приведенные данные не позволяют определить точную последовательность расположения генов на хромосоме (рис. III.10), и только оценив расстояние между генами А и В (в данном случае 9%), можно уверенно сказать, что ген Б должен находиться между генами А и В.

Рис. III. 10.

Таким образом, с помощью кроссинговера можно определить группу сцепления и места расположения генов относительно друг друга. Факт сцепления свидетельствует, что гены находятся в одной хромосоме. Однако свободное их сочетание еще не доказывает, что они расположены в разных хромосомах. Если частота рекомбинаций составляет 50%, то результаты анализа фенотипа потомков не будут отличаться от результатов анализа расщепления при независимом наследовании генов (см. гл. V). Это может происходить, если исследованные гены расположены на значительном расстоянии друг от друга. Для обозначения генов, находящихся в одной и той же хромосоме, но, возможно, и не сцепленных между собой, используется понятие синтеиии (от греч. syn - вместе + tainia - лента). Понятие синтении отражает, таким образом, материальную непрерывность хромосомы как реального материального объекта и не несет сегрегационного смысла.

Долгое время полагали, что число групп сцеплений у человека равно гаплоидному набору хромосом и составляет 23 группы. В настоящее время доказано, что у человека имеется 25 групп сцепления. 22 группы отождествляют с числом пар аутосомных хромосом (22 пары), Х-хромосома и Y-хромосома рассматриваются как две независимые группы сцепления, и гены, локализованные в ДНК митохондрий, формируют 25-ю группу сцепления.

К настоящему времени для человека получены подробные цитологические карты всех хромосом, включая хромосому митохондрий. В качестве примера приведена карта 1-й (рис. III.11) и X-хромосомы (рис. III.12) человека. Установлена (картирована) точная хромосомная локализация более чем для 6 тысяч генов, что составляет только около 15 % от общего числа генов в геноме. В настоящее время хромосомная теория наследственности, сохраняя и дополняя основные классические представления, отражает современные знания о молекулярной организации хромосом, их функционировании как единой материальной структуры в системе целостного генотипа.