хромосома как носитель наследственной информации
Содержание
. Хромосомная теория наследственности
. Хромосомный уровень определения пола
3. Поведение хромосом в митозе и мейозе
4. Классификация хромосом
5. Методы дифференциальной окраски хромосом
. Структура хромосом
7. Хромосомные мутации
. Хромосомная теория наследственности
В 1902-1903 гг. Т.Бовери (Германия) и У.Сэттон (США) независимо друг от друга пришли к заключению, что в клетке носителями генетической информации являются хромосомы. На основе этих представлений в 1910 г. были сформулированы основные положения хромосомной теории наследственности - одного из фундаментальных обобщений классической генетики.
Термин «хромосома» предложен В.Вальдеером еще в 1888г. (от греческих слов «хрома» - цвет и «сома» - тело). Первое упоминание о хромосомах принадлежит В.Флеммингу (1880), изучавшему митоз клеток роговицы г лаза человека и обнаружившему в их ядрах хроматиновые тельца.
В 1933 г. за научную разработку хромосомной теории американскому ученому Т.Моргану была присуждена Нобелевская премия. Суть хромосомной теории сводилась к следующему:
. гены локализированы в хромосомах в определенной линейной последовательности, т.е. каждый ген имеет определенное местоположение, или локус, на хромосоме;
. гены дискретны и стабильны;
. стабильность генов не абсолютна, они могут изменяться мутировать;
. гены, локализованные на одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления;
. число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида;
. признаки, контролируемые сцепленными генами, наследуются совместно;
. сцепление генов не абсолютно и может нарушаться в результате кроссинговера с образованием рекомбинантных, или кроссоверных, хромосам;
. частота кроссинговера обратно пропорциональна силе сцепления между генами;
. вероятность кроссинговера тем выше, чем больше расстояние между генами, т.е. чем меньше сцепление между ними;
. кроссинговер, нарушающий сцепление между генами, позволяет измерять расстояние между ними в % кроссоверных особей и производить картирование хромосом;
. единицей расстояния между генами является морганида (1% кроссоверных особей).
2. Хромосомный уровень определения пола
В 1949 г. М.Барр обнаружил различие в строении интерфазных ядер женских и мужских соматических клеток. В женских клетках под оболочкой ядра была обнаружена хроматиновая глыбка, получившая впоследствии название «тельце Барра», или половой хроматин. Это открытие, а также результаты изучения случаев нарушения половой дифференциации лежат в основе современных представлений о генетическом механизме определения пола у человека.
Карта сцепления участка хромосомы 17, содержащего НФ-1 (геннейрофиброматоза, тип 1), представлена на рис. 4. На положение центромеры указывает альфа-сателлитный маркер Д1721. Генетические расстояния в сантиморганидах (сМ) являются усредненными для двух полов, т.к. для большей части генома человека генетические расстояния, определяемые по частоте кроссинговера, при изучении женских мейозов в 2-3 раза превышают аналогичные показатели при изучении мужских мейозов (по Дэвиду Голдгару, 1989).
Благодаря наличию маркеров на расстоянии, не превышающем 5 сМ по обе стороны от гена НФ-1, в настоящее время возможна не только пренатальная диагностика, но и преклиническая диагностика НФ-1 посредством ДНК-диагностики.
В соматических клетках женщины содержатся 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (гоносом), представленная двумя К-хромосомами (ХХ). Все зрелые яйцеклетки женщины содержат одну К-хромосому и в этом отношении являются однотипными.
В соматических клетках мужчины, помимо 22 пар аутосом, содержится одна пара половых хромосом, представленная двумя различными хромосомами - Х и У (ХУ). Таким образом, у мужчины созревают сперматозоиды двух типов: с хромосомой Х и хромосомой У.
Определение пола у человека происходит во время оплодотворения и зависит от половой хромосомы, содержащейся в сперматозоиде. Если это - К-хромосома, то из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) разовьется женский организм, если У мужской организм.
Помимо хромосомного уровня, определение пола проводят на уровне гонад, фенотипа (вторичных половых признаков), а также с помощью психологического и социального уровней.
Описано около 19 различных генных мутаций с аутосомно рецессивным и рецессивным Х - сцепленным типом наследования, определяющих нарушение дифференцировки внешних и внутренних половых признаков. Это может происходить вследствие нарушения синтеза андрогенов, хорионического гонадотропина матери, отсутствия рецепторов на поверхности клеток Лейдига в семенниках, дефектов ферментов, участвующих в синтезе тестостерона, вырабатываемого семенниками, нечувствительности клеток вольфовых протоков к тестостерону и др. Даже незначительные отклонения на различных уровнях развития вторичных половых признаков приводят к нарушению формирования мужского фенотипа при кариотипе 46 ХУ т.е. мужскому псевдогермафродитизму.
. Поведение хромосом в митозе и мейозе
Клеточный цикл, включающий интерфазу и клеточное деление, был тщательно изучен у растений и животных в конце XIX - начале ХХ в. Интерфаза обычно занимает около 90% продолжительности клеточного цикла (от конца одного до конца следующего деления). Продолжительность клеточного цикла у различных клеток неодинакова: от 8-12 ч у клеток костного мозга и 2-3 суток у эпителиальных клеток роговицы глаза до20-25 суток для эпителия кожи. Исключение представляют нервные клетки, которые никогда не завершают клеточный цикл и поэтому не делятся, постоянно находясь в фазе а.
Митоз. Главной характеристикой митоза, как и мейоза, является упорядоченная редукция генетического материала, удвоенного в синтетической фазе за счет механизма его равномерного распределения между клетками.
В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние, идентичные материнской и друг другу. Материнская и дочерние клетки имеют двойной диплоидный набор хромосом 2п и двойное количество ДНК - 2с. Выделяют четыре фазы митоза:
.Профаза. Это самая продолжительная фаза митоза. Хромосомы конденсируются (спирализуются), исчезают ядерная оболочка и ядрышко, ядерный сок (кариоплазма) смешивается с цитоплазмой и образует миксоплазму с меньшей вязкостью. Хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость и вступают во вторую фазу деления - метафазу.
.Метафаза. Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. По продолжительности это самая короткая фаза митоза, она продолжается до тех пор, пока все центромеры не окажутся строго по линии экватора. Число фигур в экваториальной плоскости соответствует диплоидному набору хромосом. Каждая хромосома представлена парой сестринских хроматид, удерживаемых вместе центромерой.
.Анафаза. Центромеры начинают делиться, сестринские хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к противоположным полюсам.
.Телофаза. Хромосомы собираются вокруг соответствующих клеточных центров и деспирализуются. Формируется оболочка ядра, образуется ядрышко, распределяются органоиды, образуется оболочка между дочерними клетками. В некоторых случаях образуются новые ядра, но не образуется мембрана между дочерними клетками. Это имеет место при дифференциации многоядерных клеток.
Митоз - один из механизмов роста и развития, способ регенерации клеток. Его основное назначение - точное распределение наследственной информации между дочерними клетками.
Мейоз. Подобный способ деления присущ половым клеткам и возник в филогенезе с появлением полового размножения. Мейоз - способ созревания и деления половых клеток. В отличие от митоза мейоз проходит в два этапа, т.е. состоит из двух последовательных делений, разделенных интеркинезом и включающих про-, мета -, ана- и телофазу в каждом делении. Интеркинез значительно короче, чем интерфаза, удвоения ДНК в нем не происходит.
Профаза- I является наиболее продолжительной и важной фазой. Она делится на пять стадий:
) пептотена, по-другому называемая стадией букета. Она характеризуется началом спирализации с образованием хромомер. Число фигур в ней составляет 2п, а количество молекул ДНК за счет репликации винтерфазе - 4с;
) зиготена, в которой наряду с продолжением конденсации начинается конъюгация гомологичных хромосом (синапс) с образованием бивалентов (тетрад) и синаптинемального комплекса;
) пахитена характеризуется завершением конъюгации с образованием синаптинемального комплекса. Продолжается процесс конденсации хромосом, происходит кроссинговер процесс обмена идентичными участками между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом;
) диплотена, в которой сестринские хроматиды остаются спаренными, а несестринские отталкиваются, оставаясь в некоторых точках соединенными, образуя хиазмы - фигуры, напоминающие букву «Х». Этот период длится у женщины от 10-13 лет до 50. Возможно, именно с этим связана большая частота нерасхождения хромосом в мейозе у женщин;
) диакuнез: число хиазм уменьшается, хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость; число фигур 1n, количество дик - 4с.
Метафаза 1. Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости. Число - выстроенных бивалентов гаплоидное (1n), количество дик - 4с.
Анафаза 1. На этой стадии деления происходит расхождение гомологичных хромосом к полюсам (1n; 2с).
Телофаза 1. Образуются дочерние ядра (1n; 2с). Интеркuнез: число фигур, 1n, количество дик - 2с.
Второе мейотическое деление не отличается по механизмам от обычного митотического деления, однако в анафазе 11 к полюсам деления расходится гаплоидное число сестринских хроматид (1n; 1с).
Значение мейоза
В отличие от митоза из одной материнской клетки образуются 4 дочерние, каждая - с гаплоидным набором хромосом.
В отличие от митоза в мейозе происходит редукция числа хромосом вдвое (ln; 1с), в связи, с чем мейоз называют редукционным делением.
Во время мейоза происходит случайное распределение негомологичных хромосом, что повышает разнообразие комбинаций хромосом в гаметах. Число комбинаций хромосом в одной гамете может быть 223, что составляет 8 388 608 вариантов. Число возможных комбинаций у одной родительской пары равно произведению вероятностей для каждой (223 х 223), т.е. 246.
В профазе первого мейотического деления на стадии зиготены происходит конъюгация гомологичных хромосом, а на стадии пахитены - кроссинговер (взаимный обмен гомологичных участков хроматид), проходящий в самом начале мейоза, когда гомологичные хромосомы конъюгируют между собой, что также повышает разнообразие комбинаций хромосом в гаметах, однако в меньшей степени, чем случайное распределение негомологичных хромосом.
В результате сперматогенеза образуются 4 функционально активные гаметы, способные к оплодотворению. Сперматогенез начинается в период полового созревания и завершается образованием зрелых сперматозоидов.
В результате овогенеза образуется одна зрелая яйцеклетка, унаследовавшая всю цитоплазму материнской. Овогенез начинается в раннем эмбриональном периоде развития, затем прерывается на длительный период и завершается только после оплодотворения.
Несмотря на то, что наиболее важная закономерность митотических и мейотических делений - упорядоченная редукция генетического материала установлена в конце XIX в., точное число хромосом в соматических клетках человека (46) удалось определить только в 19561'. Д.Тио и А.Левану. В учебниках, изданных до 1956 г., имеются данные о наличии 48 хромосом в кариотипе человека. Именно такое число хромосом содержат соматические клетки шимпанзе. У макаки -резус 42 хромосомы. Получить точные данные о числе хромосом у человека, а также выявить их аномалии, связанные с хромосомными синдромами, удалось благодаря методическим новациям, к числу которых относятся:
. культивирование клеток;
. обработка культуры клеток колхицином с накоплением
делящихся клеток на стадии метафазы, на которой их удобно изучать, т.к. хромосомы максимально сперализованы;
. обработка/гипотоническим раствором, вызывающим набухание клеток и «расправление» хромосом, что также облегчает их изучение.
Клетки для подобных исследований получают из костного мозга (например, путем пункции грудины), из биоптатов кожи или мышц либо из лимфоцитов периферической крови, полученной рутинным способом и культивируемой с фитогемагглютинином.