История открытия хромосомной теории. Сцепленное наследование

Закономерности, открытые школой Моргана, а затем подтвержденные на многочисленных объектах, известны под общим названием хромосомной теории наследственности. Основные положения хромосомной теории наследственности следующие:

1. Гены находятся в хромосомах. Каждая хромосома представляет собой

группу сцепления генов. Число групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом.

2. Каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус).

Гены в хромосомах расположены линейно.

3. Между гомологичными хромосомами может происходить обмен

аллельными генами.

4. Расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту

кроссинговера между ними.

Действие законов теории наследственности распространяется и на человека.

Наследование признаков, сцепленных с полом

Хромосомный набор клеток конкретной особи (кариотип) состоит из двух типов хромосом: аутосом (одинаковые у обоих полов хромосомы) и половых хромосом (Х- и Y-хромосомы, по которым отличаются самцы и самки). Сочетание половых хромосом определяет пол конкретной особи. У большинства организмов (в частности, у человека) женскому полу соответствует набор ХХ хромосом (т.е. все образующиеся яйцеклетки в норме содержат по одной Х-хромосоме), а мужскому - ХY хромосом (при сперматогенезе у них образуется 50% сперматозоидов, содержащих Х-хромосому и 50% сперматозоидов, содержащих У-хромосому). Пол, имеющий две Х-хромосомы называют гомогаметным , а ХY – гетерогаметным

Однако в природе есть ряд исключений по этому вопросу. Так, например, у некоторых насекомых, земноводных, птиц и др. мужской организм будет иметь две Х-хромосомы, а женский – ХY; у прямокрылых женский пол гомогаметен (ХХ), а мужской – гетерогаметен (Х0), т.е. лишен У-хромосомы. Обычно в указанных случаях Х-хромосома обозначается через Z, а У-хромосома обозначается через W.

Признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах, называются сцепленными с полом . Х- и Y-хромосомы имеют общие гомологичные участки. В них расположены гены, определяющие признаки, которые наследуются одинаково как у мужчин, так и у женщин.

Помимо гомологичных участков, Х- и Y-хромосомы имеют негомологичные участки, при этом, негомологичный участок Х-хромосомы содержит гены, имеющиеся только в Х-хромосоме, а негомологичный участок У-хромосомы содержит гены, имеющиеся только в У-хромосоме. Негомологичные участки Х-хромосомы содержат в своем составе целый ряд генов. Например, у человека через эти участки передаются такие заболевания как гемофилия, атрофия зрительного нерва, сахарный диабет, дальтонизм, а у мухи дрозофилы, например окраска тела и цвет глаз

Схема наследования гемофилии у человека:

Х Н - ген, обуславливающий нормальную свертываемость крови;

Х h - ген, обуславливающий несвертываемость крови (гемофилию).

Р Х Н Х h Ο  Х Н Y

носитель гена здоров

гемофилии

Г Х Н, Х h Х Н, Y

F 1 Х Н Х Н, Х Н Х h , Х Н Y, Х h Y

здоровая носитель- здоров болен

Ген, контролирующий свертываемость крови (H) доминантен, а его аллель-ген гемофилии (h) рецессивен, поэтому, если женщина гетерозиготна по этому гену (X Н X h) гемофилия у нее не проявится. У мужчин только одна X-хромосома и если она имеет ген гемофилии (h), то мужчина страдает гемофилией.

Девочка, страдающая гемофилией, может родиться лишь от брака женщины, гетерозиготной по гемофилии, с мужчиной, страдающим этим заболеванием, однако такие случаи редки.

У особей гетерогаметного пола (ХУ) ряд аллелей, локализованных в негомологичных участках, не образуют аллельных пар, т.е. несут только по одному аллелю пар. Такое состояние, когда данный участок хромосомы и локализованные в нем аллели представлены в единственном числе, называется гемизиготностью . Гемизиготнось имеется у небольшого числа алелей, локализованных в негомологичных участках У-хромосомы человека. Их передача идет исключительно по мужской линии, а сами признаки носят название голандрических. Так, например, наследуется развитие первичных и вторичных половых признаков мужского пола, оволосение ушной раковины (гипертрихоз) др.

§ 5. Т. Г. Морган и его хромосомная теория

Томас Гент Морган родился в 1866 г., в штате Кентукки (США). Окончив в двадцать лет университет, в двадцать четыре года Морган удостаивается звания доктора наук, а в двадцать пять лет становится профессором.

С 1890 г. Морган занимается экспериментальной эмбриологией. В первом десятилетии 20-го века увлекается вопросами наследственности.

Звучит парадоксально, но Морган вначале своей деятельности был ярым противником учения Менделя и собирался опровергать его законы на животных объектах - кроликах. Однако попечители Колумбийского университета сочли этот опыт слишком дорогостоящим. Так Морган начал свои исследования на более дешевом объекте - плодовой мушке дрозофиле и затем не только не пришел к отрицанию законов Менделя, но и стал достойным продолжателем его учения.

Исследователь в опытах с дрозофилой создает хромосомную теорию наследственности - крупнейшее открытие, занимающее, по выражению Н. К. Кольцова , "то же место в биологии, как молекулярная теория в химии и теория атомных структур в физике".

В 1909-1911 гг. Морган и его не менее прославленные ученики А. Стёртевант, Г. Меллер, К. Бриджес показали, что третий закон Менделя требует внесения существенных дополнений: наследственные задатки не всегда наследуются независимо; порой они передаются целыми группами - сцепленно друг с другом. Такие группы, расположенные в соответствующей хромосоме, могут перемещаться в другую гомологичную при конъюгации хромосом во время мейоза (профаза I).

Полностью хромосомная теория была сформулирована Т. Г. Морганом в период с 1911 по 1926 г. Своим появлением и дальнейшим развитием эта теория обязана не только Моргану и его школе, но и работам значительного числа ученых, как зарубежных, так и отечественных, среди которых в первую очередь следует назвать Н. К. Кольцова и А. С. Серебровского (1872-1940).

Согласно хромосомной теории, передача наследственной информации связана с хромосомами , в которых линейно , в определенном локусе (от лат. locus - место), лежат гены. Поскольку хромосомы парны, то каждому гену одной хромосомы соответствует парный ген другой хромосомы (гомолога), лежащий в том же локусе. Эти гены могут быть одинаковыми (у гомозигот) или разным (у гетерозигот). Различные формы генов, возникающие путем мутации из исходного, называются аллелями , или аллеломорфами (от греч. алло - разный, морфа - форма). Аллели по-разному влияют на проявление признака. Если ген существует более чем в двух аллельных состояниях, то такие аллели в популяции * образуют серию так называемых множественных аллелей. Каждая особь в популяции может содержать в своем генотипе любые два (но не более) аллеля, а каждая гамета - соответственно лишь один аллель. В то же время в популяции могут находиться индивидуумы с любыми аллелями этой серии. Примером множественных аллелей могут служить аллели гемоглобина (см. главу I, § 5).

* (Популяцией (от лат. popularus - население) называется группа особей одного вида, объединенных взаимным скрещиванием, в той или иной мере изолированная от других групп особей данного вида. )

Степень доминирования в сериях аллелей может возрастать от крайнего рецессивного гена до крайнего доминантного. Можно привести большое число примеров такого типа. Так, у кроликов рецессивным геном серии множественных аллелей является ген с, обусловливающий развитие альбинизма * . Доминантным по отношению к этому гену будет ген c h гималайской (горностаевой) окраски (розовые глаза, белое тело, темные кончики носа, ушей, хвоста и конечностей); над этим геном, а также над геном с доминирует ген светло-серой окраски (шиншилловой) c ch . Еще более доминантной ступенью оказывается ген агути - с а (доминирует над генами с, c h и c ch). Самый доминантный из всей серии ген черной окраски С доминирует над всеми "нижними ступенями аллелей" - генами c, c h , c ch , с а.

* (Отсутствие пигмента (см. главу VII, § 5). )

Доминантность, как и рецессивность аллелей,- не абсолютное, а относительное их свойство. Степени доминантности и рецессивности могут быть различны. Один и тот же признак может наследоваться по доминантному или рецессивному типу.

Так, например, складка над внутренним углом глаза (эпикантус) у монголоидов наследуется доминантно, а у негроидов (бушмены, готтентоты) - рецессивно.

Как правило, заново возникающие аллели рецессивны, наоборот, аллели старых сортов растений или пород животных (еще в большей степени диких видов) - доминантны.

Каждая пара хромосом характеризуется определенным набором генов, составляющих группу сцепления. Именно поэтому группы разных признаков иногда наследуются совместно друг с другом.

Так как соматические клетки дрозофилы содержат четыре пары хромосом (2n = 8), а половые - вдвое меньше (1n = 4), то у плодовой мушки насчитывается четыре группы сцепления; аналогично этому у человека число групп сцепления равно числу хромосом гаплоидного набора (23).

Для ряда организмов (дрозофила, кукуруза) и некоторых хромосом человека * составлены хромосомные, или генетические, карты, представляющие собой схематичное расположение генов в хромосомах.

* (К настоящему времени установить точную локализацию генов человека (если принять во внимание общее число генов) удалось лишь в отдельных и относительно редких случаях, например для признаков, сцепленных с половыми хромосомами. )

В качестве примера приведем хромосомную карту части Х-хромосомы дрозофилы (рис. 24). С большей или меньшей точностью в этой карте отражены последовательность генов и расстояние между ними. Определить расстояние между генами удалось при помощи генетических и цитологических анализов кроссинговера, который происходит при конъюгации гомологичных хромосом во время зигонемы профазы I мейоза (см. главу II, § 7).

Перемещение генов из одной хромосомы в другую происходит с определенной частотой, которая обратно пропорциональна расстоянию между генами: чем меньше расстояние, тем выше процент перекреста (единица расстояния между генами названа в честь Моргана морганидой и равна минимальному расстоянию в хромосоме, которое может быть измерено путем кроссинговера). Кроссинговер изображен на рис. 25.

В настоящее время известно тесное сцепление некоторых локусов генов и для них вычислен процент пере-креста. Сцепленные гены определяют, например, проявление резус-фактора и генов MN-системы крови (о наследовании свойств крови см. главу VII, § 3). В отдельных семьях удалось проследить сцепление резус-фактора с овалоцитозом (наличие примерно 80-90% эритроцитов овальной формы - аномалия протекает, как правило, без клинических проявлений), которые дают около 3% перекреста. До 9% кроссинговера наблюдается между генами, контролирующими проявления групп АВО крови и фактором Lu. Известно, что ген, влияющий на аномалию строения ногтей и колена, также сцеплен с локусами АВО-системы; процент перекреста между ними около 10. Значительно лучше изучены группы сцепления (а следовательно, и хромосомные карты) Х- и Y-хромосом человека (см. главу VII, § 6). Известно, например, что тесно связаны между собой гены, определяющие развитие дальтонизма (цветовой слепоты) и гемофилии (кровоточивости); процент перекреста между ними равен 10.

Правильность гипотезы Моргана была подтверждена в начале века Куртом Штерном (цитологические исследования) и сотрудниками Моргана Теофилусом Пайнтером (цитологом) и Кальвином Бриджесом (генетиком) на гигантских хромосомах слюнных желез личинок дрозофилы (подобных гигантским хромосомам других двукрылых). На рис. 26 показана часть гигантской хромосомы слюнной железы личинки хирономуса (мотыля).

При изучении гигантских хромосом с помощью обычного светового микроскопа хорошо заметна поперечная исчерченность, образованная чередованием светлых и более темных полос дисков - хромомеров ; они образованы сильно спирализованными, плотно лежащими рядом друг с другом участками.

Формирование таких гигантских хромосом называется политенией , т. е. редупликацией хромосом без увеличения их числа. При этом редуплицированные хроматиды остаются рядом, плотно прилегая друг к другу.

Если хромосома, состоящая из пары хроматид, будет девять раз последовательно удваиваться, то число нитей (хромонем) в такой политенной хромосоме будет 1024. Благодаря частичной деспирализации хромонем длина такой хромосомы увеличивается по сравнению с обычной в 150-200 раз.

В 1925 г. Стертевант показал наличие неравного кроссинговера: в одной из гомологичных хромосом может оказаться два одинаковых локуса, в которых располагаются, например, гены, влияющие на форму глаза дрозофилы - Ваr, а в другой - ни одного локуса. Так получились мухи с резко выраженным признаком узких полосковидных глаз (ген Ultra Bar) (см. рис. 31).

Кроме цитологических доказательств правильности хромосомной теории, были проделаны генетические эксперименты - скрещивание разных рас дрозофилы. Так, среди множества сцепленных генов в плодовой мушке имеются два рецессивных гена: ген черной окраски тела (bleack ) и ген зачаточных крыльев (vestigial ).

Назовем их условно генами а и б. Им соответствуют два доминантных аллеля: ген серого тела и нормально развитых крыльев (А и Б). При скрещивании чистолинейных мух аабб и ААББ все первое поколение гибридов будет иметь генотип АаБб. Рассуждая теоретически, во втором поколении (F 2) следует ожидать следующих результатов.

Однако в небольшом, но постоянном проценте случаев встречались необычные потомки из необычных гамет. Таких гамет в каждом скрещивании наблюдалось около 18% (9% Аб и 9% аБ).

Появление таких исключений хорошо объясняется процессом кроссинговера. Таким образом, и генетические исследования позволили установить, что нарушение сцепления - кроссинговер, приводящий к увеличению изменчивости форм, статистически постоянен.

В заключение отметим, что целый ряд положений классической генетики на сегодняшний день претерпел ряд изменений.

Мы многократно употребляли термины "доминантные" и "рецессивные" гены (аллели) и признаки. Однако исследования последних лет показали, что так называемые рецессивные гены могут фактически полностью ими не быть. Правильнее сказать, что рецессивные гены дают очень слабое видимое или невидимое проявление в фенотипе. Но и в последнем случае рецессивные аллели, внешне незаметны в фенотипе, могут быть обнаружены при помощи специальных биохимических методик. Кроме этого, один и тот же ген при одних условиях среды может вести себя как доминантный, при других - как рецессивный.

Так как развитие всех организмов происходит в зависимости и под воздействием внешней среды, то и на проявление генотипа в определенном фенотипе влияют факторы среды (температура, пища, влажность и газовый состав атмосферы, ее давление, наличие патогенных для данного организма форм, химический состав воды, почвы и пр., а для человека и явления социального порядка). В фенотипе никогда не проявляются все генотипические возможности. Поэтому в разных условиях фенотипические проявления близких генотипов могут сильно отличаться друг от друга. Таким образом, в проявлении признака участвуют (в большей или меньшей степени) как генотип, так и среда.

Почему дети похожи на своих родителей? Почему в некоторых семьях распространены определенные заболевания, такие как дальтонизм, полидактилия, гипермобильность суставов, муковисцидоз? Почему есть ряд болезней, которыми болеют только женщины, а другими - только мужчины? Сегодня все мы знаем, что ответы на эти вопросы нужно искать в наследственности, то есть хромосомах, которые ребенок получает от каждого из родителей. И этим знанием современная наука обязана - американскому генетику. Он описал процесс передачи генетической информации и разработал вместе с коллегами хромосомную теорию наследования (ее часто называют хромосомная теория Моргана), которая стала краеугольным камнем современной генетики.

История открытия

Неправильно было бы говорить, что Томас Морган был первым, кто заинтересовался вопросом передачи генетической информации. Первыми исследователями, которые пытались понять роль хромосом в наследовании, можно считать работы Чистякова, Бенедена, Рабля в 70-80-х годах XIX века.

Тогда не было микроскопов настолько мощных, чтобы можно было разглядеть хромосомные структуры. Да и самого термина "хромосома" тогда тоже не было. Его ввел немецкий ученый Генрих Вальдейр в 1888 году.

Немецкий биолог Теодор Бовери в результате своих экспериментов доказал, что для нормального развития организма ему необходимо нормальное для его вида количество хромосом, а их избыток или нехватка ведет к тяжелым порокам развития. Со временем его теория блестяще подтвердилась. Можно сказать, что хромосомная теория Т. Моргана получила свою отправную точку именно благодаря исследованиям Бовери.

Начало исследований

Обобщить существующие знания о теории наследственности, дополнить и развить их сумел Томас Морган. В качестве объекта для своих экспериментов он выбрал плодовую мушку, и не случайно. Это был идеальный объект для исследований передачи генетической информации - всего четыре хромосомы, плодовитость, небольшая продолжительность жизни. Морган начал проводить исследования, используя чистые линии мушек. Вскоре он обнаружил, что в половых клетках одинарный набор хромосом, то есть 2 вместо 4. Именно Морган обозначил женскую половую хромосому как Х, а мужскую - как Y.

Сцепленное с полом наследование

Хромосомная теория Моргана показала, что существуют определенные признаки, сцепленные с полом. Мушка, с которой ученый проводил свои опыты, в норме имеет красный цвет глаз, но в результате мутации этого гена в популяции появились белоглазые особи, причем среди них было гораздо больше самцов. Ген, который отвечает за цвет глаз мушки, локализуется на Х-хромосоме, на У-хромосоме его нет. То есть при скрещивании самки, на одной Х-хромосоме которой есть мутировавший ген, и белоглазого самца вероятность наличия этого признака у потомства будет связана с полом. Проще всего показать это на схеме:

• P: ХХ" х Х"У;
• F 1: ХХ", ХУ, Х"Х", Х"У.

Х - половая хромосома самки или самца без гена белых глаз; Х"- хромосома с геном белых глаз.

Расшифруем результаты скрещивания:

• ХХ" - красноглазая самка, носитель гена былых глаз. За счет наличия второй Х-хромосомы этот мутировавший ген "перекрывается" здоровым, и в фенотипе признак не проявляется.
• Х"У - белоглазый самец, который получил от матери Х-хромосому с мутировавшим геном. За счет наличия только одной Х-хромосомы мутантный признак нечем перекрыть, и он появляется в фенотипе.
• Х"Х" - белоглазая самка, унаследовавшая по хромосоме с мутантным геном от матери и отца. У самки только если обе Х-хромосомы несут в себе ген белых глаз, он проявится в фенотипе.

Томаса Моргана пояснила механизм наследования многих генетических заболеваний. Поскольку на Х-хромосоме гораздо больше генов, чем на У-хромосоме, понятно, что она отвечает за большинство признаков организма. Х-хромосома от матери передается как сыновьям, так и дочерям, вместе с генами, отвечающими за свойства организма, внешние признаки, заболевания. Наряду с Х-сцепленным существует У-сцепленное наследование. Но У-хромосома есть только у мужчин, потому если в ней происходит какая-либо мутация, она может передаться только потомком мужского пола.

Хромосомная теория наследственности Моргана помогла понять закономерности передачи генетических заболеваний, однако трудности, связанные с их лечением, не разрешены до сих пор.

Кроссинговер

В ходе исследований учеником Томаса Моргана Альфредом Стертевантом было открыто явление кроссинговера. Как показали дальнейшие опыты, благодаря кроссинговеру появляются новые комбинации генов. Именно он нарушает процесс сцепленного наследования.

Таким образом хромосомная теория Т. Моргана получила еще одно важное положение - между происходит кроссинговер, а его частота определяется расстоянием между генами.

Основные положения

Чтобы систематизировать результаты опытов ученого, приведем основные положения хромосомной теории Моргана:

1. Признаки организма зависят от генов, заложенных в хромосомах.
2. Гены одной хромосомы передаются потомству сцепленно. Сила такого сцепления тем больше, чем меньше расстояние между генами.
3. В гомологичных хромосомах наблюдается явление кроссинговера.
4. Зная частоту кроссинговера определенной хромосомы, можно вычислить расстояние между генами.

Второе положение хромосомной теории Моргана также называется правилом Моргана.

Признание

Результаты исследований были восприняты блестяще. Хромосомная теория Моргана стала прорывом в биологии ХХ века. В 1933 году за открытие роли хромосом в наследственности ученому была присуждена Нобелевская премия.

Еще через несколько лет Томас Морган получил медаль Копли за выдающиеся достижения в области генетики.

Сейчас хромосомная теория наследственности Моргана изучается в школах. Ей посвящено множество статей и книг.

Примеры сцепленного с полом наследования

Хромосомная теория Моргана показала, что свойства организма определяются заложенными в нем генами. Фундаментальные результаты, которые получил Томас Морган, дали ответ на вопрос о передаче таких заболеваний, как гемофилия, синдром Лоу, дальтонизм, болезнь Бруттона.

Оказалось, что гены всех этих болезней располагаются на Х-хромосоме, и у женщин эти заболевания проявляются гораздо реже, так как здоровая хромосома может перекрыть хромосому с геном болезни. Женщины, не зная об этом, могут быть носителями генетических болезней, которые потом проявляются у детей.

У мужчин Х-сцепленные заболевания, или фенотипические признаки, проявляются, поскольку нет здоровой Х-хромосомы.

Хромосомная теория наследственности Т. Моргана применяется при анализе семейных анамнезов на предмет генетических заболеваний.

На рубеже XIX и XX веков были изучены основные этапы деления клетки. Время жизни клетки с момента ее образования до деления составляет клеточный цикл . Клеточный цикл делится на стадии, ярчайшей из которых в морфологическом отношении является митоз или собственно деление клетки. Период между митозами называется интерфазой . Ключевая роль в митозе принадлежит хромосомам – таким структурам в ядрах клеток, которые в период деления отчетливо видны при световой микроскопии и использовании специфических методов окрашивания. Окрашивающееся вещество хромосом называется хроматином . Впервые существование хромосом было показано Флемингом в 1882 году. Термин хромосома впервые введен Валдеером в 1888 году (греч.: chroma — окраска; soma — тело).

Набор хромосом одной клетки называется кариотипом . Число и морфология хромосом относятся к видовым признакам. Различные виды организмов различаются по кариотипу, в то время как в пределах одного вида таких различий не наблюдается, и аномалии кариотипа чаще всего ассоциированы с тяжелыми патологическими состояниями. В каждой хромосоме есть важный функциональный участок, который называется центромерой . Центромера разделяет хромосому на два плеча: короткое (p ) и длинное (q ) . Хромосомы делят на группы в зависимости от их длины и локализации центромеры. В соматических клетках высших каждая хромосома представлена двумя копиями, то есть диплоидным набором . И только в половых клетках наблюдается одинарный или гаплоидный набор хромосом. Это обеспечивается за счет особой формы деления половых клеток – мейоза .

Первые обширные исследования, касающиеся структуры и морфологии хромосом, в нашей стране были проведены на растительных объектах в 20-е годы прошлого века выдающимся цитологом и эмбриологом С. Г. Навашиным и его талантливыми учениками – М. С. Навашиным, Г. А. Левитским, Л. Н. Делоне. В 1924 году Г. А. Левитский опубликовал первое в мире руководство по цитогенетике: «Материальные основы наследственности», в котором, в частности, он ввел понятие кариотипа в том значении, в котором этот термин употребляется и в настоящее время.

Рассмотрим более подробно основные стадии клеточного цикла – рис. 5, этапы митоза – рис. 6 и мейоза – рис. 7.

Рисунок 5. Клеточный цикл

Клетка, закончившая деление находится в стадии G 0 . Самой длительной стадией интерфазы является период относительного покоя клетки – G 1 , ее продолжительность может значительно варьировать. Примерно в середине стадии G 1 имеется контрольная точка, при достижении которой клетка неизбежно вступает в деление. После G 1 начинается очень важная синтетическая стадия S, в процессе которой происходит удвоение каждой хромосомы с образованием двух хроматид , соединенных между собой одной центромерой. Далее следует подготовка к митозу – стадия G 2 и сам митоз – стадия М.

Рисунок 6. Митоз

Митоз, в свою очередь, также делится на стадии. На стадии профазы происходит исчезновение ядерной мембраны, конденсация или уплотнение хромосом за счет их спирализации, миграция центриолей к противоположным полюсам, приводящая к поляризации клетки, и формирование веретена деления , состоящего из микротрубочек. Нити микротрубочек тянутся от одного полюса до другого и к ним прикрепляются центромеры хромосом. В период метафазы центромеры располагаются по экватору клетки перпендикулярно оси веретена деления. Именно в этот период хромосомы особенно отчетливо видны, так как они находятся в наиболее компактном состоянии. На стадии анафазы происходит разделение центромер, хроматиды превращаются в самостоятельные хромосомы и, увлекаемые центромерами, начинают двигаться к противоположным полюсам клетки по нитям веретена деления. На заключительной стадии – телофазе – происходит деспирализация хромосом, исчезает веретено деления, формируется ядерная мембрана и происходит разделение цитоплазмы. На стадии интерфазы при обычной световой микроскопии хромосомы как отдельные структуры не видны, окрашены только зерна хроматина, случайным образом распределенные по ядру.

Рисунок 7. Мейоз

Мейоз происходит только при образовании половых клеток, и он включает два клеточных деления: мейоз I или редукционное деление и мейоз II. Во время профазы мейоза I гомологичные хромосомы коньгируют (сливаются) друг с другом по всей длине, образуя бивалент . В это время может происходить обмен участками между несестринскими хроматидами – кроссинговер или гомологичная рекомбинация (рис. 8.)

Рисунок 8. Кроссинговер

В точке рекомбинации образуется видимая в световой микроскоп крестообразная структура – хиазма . Обмен происходит только между двумя из четырех хроматид. Хиазмы формируются случайно, и их число, в среднем, зависит от длины хромосомы: чем длиннее хромосома, тем больше хиазм. На стадии метафазы биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, при этом ценромеры случайно ориентируются относительно полюсов клетки. На стадии анафазы гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и начинают двигаться к противоположным полюсам. При этом расщепления центромеры не происходит, и сестринские хроматиды оказываются связанными. Однако они могут быть уже не идентичны друг другу из-за произошедшего кроссинговера. Таким образом, в процессе мейоза I из одной диплоидной клетки образуются две гаплоидные. Промежуток между первым и вторым делениями мейоза называется интеркинезом . Он может быть достаточно продолжительным, при этом хромосомы декомпактизируются и выглядят также как в интерфазе. Важно подчеркнуть, что на этой стадии не происходит удвоения хроматид.

В профазе мейоза II восстанавливается веретено деления, хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. В анафазе II происходит расщепление центромер, и хромосомы двигаются к противоположным полюсам. Таким образом, на один акт удвоения хромосом приходятся два последовательных цикла деления клетки. После завершения телофазы II диплоидная родительская клетка делится на четыре гаплоидные половые клетки, причем образовавшиеся гаметы не идентичны друг другу – фрагменты материнских и отцовских хромосом находятся в них в различных комбинациях.

Исследуя процессы митоза и мейоза У. Сэттон и Е. Бовери в 1902 г. пришли к заключению, что постулированные Менделем наследственные факторы или гены находятся в хромосомах, так как поведение хромосом соответствует поведению этих наследственных факторов. Действительно, Мендель предположил, что в соматических клетках содержатся две копии наследственного фактора, отвечающего за один и тот же признак или, как мы уже определили, два аллеля одного гена. Эти аллели могут быть идентичными – АА или аа , либо разными – Аа . Но в половые клетки попадает только один из аллелей – А или а. Вспомним, что гомологичные хромосомы в соматических клетках также содержатся в двух копиях, и только одна из них попадает в гаметы. При оплодотворении двойной набор хромосом и аллелей гена восстанавливается.

Прямые доказательства локализации генов в хромосомах были получены позднее Т. Морганом (1910) и К. Бриджесом (1916) в опытах на дрозофиле. Возвращаясь к законам Менделя, заметим, что независимое комбинирование справедливо только для тех признаков, гены которых находятся в разных хромосомах. Родительские аллели генов, локализованных в одной хромосоме, имеют большую вероятность совместного попадания в одну и ту же половую клетку. Таким образом, появилось представление о гене, как об участке хромосомы или хромосомном локусе , который отвечает за один признак и одновременно является единицей рекомбинации и мутации, ведущей к изменению фенотипа.

Хромосомы высших организмов состоят из эухроматина и гетерохроматина , сохраняющего свое компактное положение на протяжении всего клеточного цикла. Именно гетерохроматин виден в интерфазных ядрах в виде окрашенных гранул. Большое количество гетерохроматина локализовано в области центромеры и на концах хромосом, которые называются теломерами . Хотя функции гетерохроматина до конца не ясны, предполагается, что он играет важную роль в поддержании структурной целостности хромосом, в их правильном расхождении в процессе деления клетки, а также в регуляции работы генов. Эухроматин на препаратах имеет более светлую окраску, и, по-видимому, в этих районах локализована большая часть генов. Хромосомные перестройки чаще возникают в области гетерохроматина. Большая роль в изучении структуры и функций гетерохроматиновых и эухроматиновых районов хромосом принадлежит нашей выдающейся соотечественнице Александре Алексеевне Прокофьевой-Бельговской. Впервые детальное морфологическое описание десяти наиболее крупных хромосом человека и различных групп более мелких хромосом представлено в работах ведущих отечественных цитологов М. С. Навашина и А. Г. Андреса в середине 30-х годов прошлого века.

В 1956 году Тио и Леви, используя обработку гистологических препаратов колхицином, определили, что у человека 46 хромосом, состоящих из 23 различных пар. Колхицин задерживает деление клеток на стадии метафазы, когда хромосомы в наибольшей степени конденсированы и потому удобны для распознавания. На рис. 9 представлена схема дифференциального окрашивания хромосом человека.

Рисунок 9. Схема дифференциального окрашивания хромосом человека

У женщин обе хромосомы каждой пары полностью гомологичны друг другу по форме и рисунку окрашивания. У мужчин такая гомология сохраняется только для 22 пар хромосом, которые называются аутосомами . Оставшаяся пара у мужчин состоит из двух различных половых хромосом — X и Y . У женщин половые хромосомы представлены двумя гомологичными X-хромосомами. Таким образом, нормальный кариотип женщины записывается как (46, XX), а мужчины — (46, XY). В половые клетки, как мужчин, так и женщин попадает только один набор хромосом. Все яйцеклетки несут 22 аутосомы и X-хромосому, а вот сперматозоиды различаются – половина из них имеет такой же набор хромосом, как и яйцеклетки, а в другой половине вместо Х-хромосомы присутствует Y-хромосома. При оплодотворении двойной набор хромосом восстанавливается. При этом, кто родится – девочка или мальчик – зависит от того, какой сперматозоид принял участие в оплодотворении, тот, который несет Х- хромосому или тот, который несет Y-хромосому. Как правило, это случайный процесс, поэтому девочки и мальчики рождаются примерно с равной вероятностью.

На начальных этапах анализа кариотипа человека индивидуальная идентификация могла быть осуществлена только в отношении трех первых наиболее крупных хромосом. Остальные хромосомы делили на группы в зависимости от их размера, расположения центромеры и наличия спутников или сателлитов – небольших компактных фрагментов, отделенных от хромосомы тонкими перетяжками. На рис. 10 изображены типы хромосом: акроцентрики, метацентрики и субметацентрики при локализации центромеры соответственно на конце хромосомы, посредине и в промежуточном положении.

Рисунок 10. Типы хромосом

В соответствии с принятой классификацией у человека выделяют 7 групп хромосом: A, B, C, D, E, F и G или 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Для лучшей идентификации хромосом делают их раскладку по группам или кариограмму . На рис. 11 изображен женский кариотип и его кариограмма.

Рисунок 11. Женский кариотип и его кариограмма

В начале 70-х годов XX века были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом с использованием красителя Гимза (G-, R-, C-, Q-методы). При этом на хромосомах выявляется характерная поперечная исчерченность, так называемые диски или бэнды , расположение которых специфично для каждой пары хромосом. Методы дифференциального окрашивания хромосом позволяют идентифицировать не только каждую хромосому, но и отдельные районы хромосом, последовательно пронумерованные от центромеры к теломере, а также сегменты внутри районов. Например, запись Xp21.2 означает короткое плечо X-хромосомы, район 21, сегмент 2. Эта запись очень удобна для определения принадлежности генов или других элементов генома к определенным хромосомным локусам. В частности, в области Xp21.2 локализован ген миодистрофии Дюшенна – DMD . Таким образом, были созданы методические основы для изучения особенностей кариотипа у разных видов организмов, определения его индивидуальной изменчивости и аномалий при определенных патологических состояниях. Тот раздел генетики, который занимается изучением хромосом и их аномалий, называется цитогенетикой . Первые цитогенетические карты хромосом человека составлены К. Б. Бриджесом и Стертевантом.

В первой половине XX века хромосомная теория наследственности получила значительное развитие. Было показано, что гены расположены в хромосомах линейно. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и наследуются вместе. Новые сочетания аллелей генов одной хромосомы могут образовываться за счет кроссинговера, причем вероятность этого события возрастает с увеличением расстояния между генами. Были введены единицы измерения генетического расстояния – сантиморганы или морганиды , названные так в честь основоположника хромосомной теории наследственности – Томаса Моргана. Считается, что два гена одной хромосомы находятся на расстоянии 1сантиморган (сМ), если вероятность кроссинговера между ними в процессе мейоза составляет 1%. Конечно, сантиморганы не являются абсолютными единицами измерения расстояния в хромосомах. Они непосредственно зависят от кроссинговера, который с разной частотой может происходить в разных участках хромосом. В частности, в области гетерохроматина кроссинговер проходит менее интенсивно.

Заметим, что описанный выше характер деления соматических и половых клеток – митоз и мейоз, справедлив для эукариот , то есть таких организмов, в клетках которых имеются ядра. У бактерий, которые относятся к классу прокариот , ядер нет, но одна хромосома в клетке присутствует и, как правило, она имеет кольцевую форму. Наряду с хромосомой, в клетках прокариот в большом количестве копий могут содержаться гораздо более мелкие кольцевые структуры, которые называются плазмидами .

В 1961 году М. Лайон выдвинул гипотезу о том, что у особей женского пола одна из Х-хромосом инактивируется. Причем в разных клетках инактивации могут подвергаться Х-хромосомы как отцовского, так и материнского происхождения. При анализе женского кариотипа инактивированная Х-хромосома выглядит в виде компактной хорошо окрашенной структуры хроматина округлой формы, расположенной вблизи от ядерной мембраны. Это тельце Барра или половой гетерохроматин . Его идентификация является самым простым способом цитогенетической диагностики пола. Напомним, что в У-хромосоме практически нет гомологов генов Х-хромосомы, однако инактивация одной из Х-хромосом приводит к тому, что доза большинства генов, локализованных в половых хромосомах, у мужчин и женщин оказывается одинаковой, то есть инактивация Х-хромосомы у женщин является одним из механизмов компенсации дозы генов. Процесс инактивации Х-хромосомы называется лайонизацией , и он носит случайный характер. Поэтому в организме женщин соотношение клеток с инактивированной Х-хромосомой отцовского, либо материнского происхождения будет примерно одинаковым. Таким образом, женщины, гетерозиготные по мутации в гене, локализованном в Х-хромосоме, имеют мозаичный фенотип – одна часть клеток содержит нормальный аллель, а другая – мутантный.

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.