Функции хромосом и их роль в наследственных свойствах организмов

Размещено на http://allbest.ru

Оглавление

Введение

1. История открытия хромосом

1.1 Структурно- функциональная организация хромосом

1.2 Понятие хромосомы. Основные сведения

1.3 Кариотип

2. Хромосомная теория наследственности

2.1 Генетика пола

2.2 Наследование признаков, сцепленных с полом

2.3 Основные положения хромосомной теории наследственности

3. Хромосомные болезни

3.1 Нарушения структуры хромосом

3.2 Хромосомные перестройки

3.3 В-хромосомы

3.4 Общая морфология митотических хромосом

Заключение

Список литературы



Введение

Хромосомы - это нуклеопротеиновые тела, в которых хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация. По иронии судьбы сначала были открыты ядерные структуры, которые в течение многих последующих лет никто не считал хромосомами. В 1881 году Э. Бальбиани описал в клетках слюнных желез хирономуса поперечно-исчерченные ленты. Их назвали “структурами Бальбиани”. Только в 1912 году чешский ученый Ф. Рамбоусек предположил, что это специализированные хромосомы. А окончательно это название утвердилось в 1930-1935 гг. (D. Kostoff, T. Painter, H. Muller). Хромосомы, как “окрашивающиеся тела” были открыты в митотически и мейотически делящихся клетках классиками цитологии Флеммингом и Страсбургером (W. Flemming, 1882; E. Strasburger, 1884). Свое название хромосомы получили благодаря способности интенсивно окрашиваться основными красителями. Сам термин “хромосома” предложил в 1888 году W. Waldeyer.

Огромное значение факта продольного расщепления каждой хромосомы - образование хроматиды - в процессе деления клетки отметил в тот же период В. Ру (W. Roux, 1883). С удивительной интуицией он указал, что подобный способ деления хромосом свидетельствует о присутствии в них жизненно важных для клетки элементов и о расположении этих элементов в линейном порядке. А. Вейсман предположил, что наследственность сосредоточена в хромосомах, а доказали это Т.Х. Морган, К. Бриджес, Г. Меллер и А. Стертевант, завершившие к середине 1930-х годов разработку хромосомной теории наследственности. (Жимулев И.Ф. «Общая и молекулярная генетика», 1998)



1. История изучения хромосом

В ряде экспериментов, начатых в середине 1880-х, Теодор Бовери определенно продемонстрировал, что хромосомы являются векторами наследственности. Его двумя принципами были последовательность хромосом и индивидуальность хромосом. Второй принцип был очень оригинальным. Вильгельм Ру предположил, что каждая хромосома несет разную генетическую нагрузку. Бовери смог протестировать и подтвердить эту гипотезу. При помощи повторного открытия, сделанного в ранней работе Грегора Менделя, в начале 1900-х, Бовери смог отметить связь между правилами наследования и поведением хромосом. Бовери повлиял на два поколения американских цитологов: среди них Эдмунд Бичер Уилсон, Уолтер Саттон и Теофилус Пейнтер (в действительности Уилсон и Пейнтер работали с ним). В своей знаменитой книге «Клетка в развитии и наследственности» Уилсон связал вместе независимую работу Бовери и Саттона (около 1902 г.), назвав хромосомную теорию наследственности «Теорией Саттона-Бовери» (имена иногда переставляются местами). Эрнст Мэйр отмечает, что теория была горячо оспорена некоторыми знаменитыми генетиками, например, Уильямом Бэйтсоном, Вильгельмом Йохансеном, Ричардом Гольдшмидтом и Т.Х. Морганом, все они обладали довольно догматичным складом ума. В итоге полное доказательство было получено от хромосомных карт в собственной лаборатории Моргана.

1.1 Структурно-функциональная организация хромосом

Функциями хромосом являются: хранение генов - носителей генетической информации, заключенной в молекулярной структуре ДНК; самовоспроизведение генетической информации; передача генетической информации для реализации в признак; рекомбинация сцепленных генов между гомологичными хромосомами в гаметогенезе, обеспечивающая рекомбинацию признаков родителей в потомстве; обратимое изменение структур хромосом (конденсация -- деконденсация), необходимое для дифференциальной активности генов и правильного распределения хромосом в дочерних клетках во время деления изменение числа групп сцепленных генов и порядка их сцепления как важный фактор изменчивости биологических видов в их эволюции. Функционирование хромосом тесно связано с преобразованиями их структуры. Взаимодействие структуры и функции имеет свои особенности на разных уровнях организации хромосом.

На светооптическом микроскопическом уровне морфология хромосом различна в отдельные моменты их преобразований, которые являются частью клеточного цикла и состоят главным образом в конденсации хромосом на пути к митозу или мейозу и деконденсации при переходе к интерфазе.

Одна из основных функций хромосом -- считывание генетической информации -- также осуществляется в интерфазе. Особенности морфологии хромосом в этот момент недоступны для исследования на интерфазных ядрах диплоидных клеток, но их удалось исследовать на политенных хромосомах (греч. poly много + tainia лента, полоса) -- интерфазных X., обнаруженных главным образом в клетках слюнных желез личинок некоторых видов отряда двукрылых насекомых и состоящих из многократно редуплицированных и неразошедшихся исходных хроматид, тесно прилегающих друг к другу. В световом микроскопе они выглядят в виде лент, поперечно исчерченных из-за чередования по всей длине интенсивно окрашенных участков (дисков) и светлых (междисковых) пространств (рис. 1,а).

Диск представляет собой участок плотно сложенной хроматиновой нити (хромомера). Наблюдается попеременное набухание и разрыхление дисков -- образование так называемых пуфов (рис. 1,б). Гигантские пуфы некоторых специфических дисков названы кольцами Бальбиани.

Процесс образования пуфов представляет собой деконденсацию хроматиновых нитей, упакованных в диске (рис. 1,в) и является обратимым. В цитогенетике появление пуфов рассматривается в качестве морфологического выражения транскрипционной активности генов.

Рисунок №1 Участок политенной хромосомы с дисковой структурой(а) и образованием пуфа (б). Схема иллюстрирует возникновение пуфа путем деконденденсации четырех хроматиновых нитей, уложенных в хромомере (в).

Индивидуально различимые хромосомы формируются ко времени клеточного деления, митоза или мейоза, в результате прогрессивно нарастающей конденсации хромосом.

В профазе митотического деления хромосомы видны в световом микроскопе в виде длинных и переплетенных нитей, поэтому индивидуальные хромосомы на всем протяжении неразличимы.

В профазе первого мейотического деления хромосомы претерпевают сложные специфические морфологические преобразования, связанные главным образом с конъюгацией гомологичных хромосом и генетической рекомбинацией (обменом участками) между ними.

В пахитене (когда заканчивается конъюгация) особенно показательно чередование хромомер по длине хромосом, причем хромомерный рисунок специфичен для каждой хромосомы и меняется по мере конденсации. Многие хромосомы в оогенезе и Y-хромосома в сперматогенезе обладают высокой транскрипционной активностью.

У некоторых видов организмов такие хромосомы получили название «ламповых щеток». Они состоят из оси, построенной из хромомер и межхромомерных участков, и многочисленных боковых петель -- деконденсированных хромомер, находящихся в состоянии генетического функционирования (транскрипции).

В метафазе деления клетки хромосомы имеют наименьшую длину и их легко исследовать, поэтому описание индивидуальных хромосом, как и всего их набора в клетке, дают применительно к их состоянию в этой фазе.

Размеры метафазных хромосом у одного и того же вида организмов сильно различаются: хромосомы размерами в доли микрона имеют точечный вид, при длине более 1 мкм они выглядят как палочковидные тела. Обычно это раздвоенные по длине образования, состоящие из двух сестринских хроматид (рис. 2, 3), поскольку в метафазе хромосомы редуплицированы.



Рисунок №2 Схема хромосомы в метафазе деления клетки: 1 - спутник; 2 - вторичная спутничная перетяжка; 3 - первичная (центромерная) перетяжка; 4 - вторичная неспутничная перетяжка; 5 - сестринские хроматиды.

Рисунок №3 Хромосомный набор человека в метафазе деления клетки: 1 - акроцентрическая хромосома со спутником в коротком плече; 2 - метацентрическая хромосома; 3 - субметацентрическая хромосома с вторичной перетяжкой в околоцентромерном районе длинного плеча.



Индивидуальные хромосомы набора различаются между собой по длине и другим морфологическим признакам. Методы, применявшиеся до 70-х гг., обеспечивали равномерное окрашивание хромосомы по ее длине. Тем не менее такая хромосома в качестве обязательного элемента структуры имеет первичную перетяжку -- участок, где обе хроматиды сужаются, видимо не отделяясь одна от другой, и плохо окрашиваются.

Этот район хромосомы называется центромерой, он содержит специализированную структуру -- кинетохор, который участвует в формировании нитей веретена деления хромосом. По соотношению размеров лежащих по обе стороны от первичной перетяжки хромосомных плеч хромосомы подразделяются на три типа: метацентрические (со срединно расположенной перетяжкой), субметацентрические (перетяжка смещена от середины), акроцентрические (центромера расположена близко к концу хромосомы, рис. 3).

У человека имеются все три типа хромосом. Концы хромосом называют теломерами. По длине хромосом с той или иной степенью постоянства могут встречаться не имеющие отношения к центромере, так называемые вторичные перетяжки. Если они располагаются близко к теломере, отделяемый перетяжкой дистальный участок хромосомы называют спутником, а перетяжку -- спутничной (рис. 2).

У человека десять со вторичной перетяжкой хромосом, все они являются акроцентрическими, спутники локализованы в коротком плече. Некоторые вторичные перетяжки содержат рибосомные гены и называются ядрышкообразующими, поскольку благодаря их функционированию в продукции РНК в интерфазном ядре формируется ядрышко. Другие вторичные перетяжки образуются гетерохроматиновыми районами хромосом; у человека из таких перетяжек наиболее выражены околоцентромерные перетяжки в 1, 9 и 16-й хромосомах.

Первоначальный метод использования красителя Гимзы и других хромосомных красителей давал равномерную окраску по всей длине хромосомы.

С начала 70-х гг. разработан ряд методов окраски и обработки метафазных хромосом, которые позволили обнаружить дифференцированность (деление на светлые и темные полосы) линейной структуры каждой хромосомы по всей ее длине: Q-окраска (Q -- от англ. quinacrine акрихин), получаемая с помощью акрихина, акрихин-иприта и других флюорохромов;G-окраска (G -- от фамилии Giemsa), получаемая с помощью красителя

Гимзы после инкубации препаратов хромосом в специальных условиях; R-окраска (R -- от англ. reverse обратный; хромосомы окрашиваются обратно G-окраске). Тело хромосомы оказывается подразделенным на сегменты разной интенсивности окрашивания или флюоресценции. Число, положение и размер таких сегментов специфичны для каждой хромосомы, поэтому любой хромосомный набор может быть идентифицирован.

Другие методы позволяют дифференциально окрашивать отдельные специфические районы хромосом. Гимзы гетерохроматиновых районов хромосомы (С-окраска; С -- от centromere центромера), располагающихся рядом с центромерой -- С-сегментов (рис. 4). У человека С-сегменты обнаружены в околоцентромерном районе всех аутосом и длинном плече Y-хромосомы. Гетерохроматиновые районы варьируют по величине у разных индивидуумов, обусловливая полиморфизм хромосом.

Специфические окраски позволяют выявить в метафазных хромосомах функционировавшие в интерфазе ядрышкообразующие районы, а также кинетохоры.



Рисунок №4 Хромосома 1 человека при разных способах окраски: а - сплошная окраска; б - Q-окраска; в - G-окраска; г - R-окраска; д - рисунок последовательности репликации ДНК, выявляемый с помощью 5-бромдезоксиуридина; е - С-окраска; ж - схема дифференцированности хромосомы по длине.

На электронно-микроскопическом уровне основной ультраструктурной единицей интерфазного хроматина при просвечивающей электронной микроскопии является нить диаметром 20--30 нм. Плотность упаковки нитей различна в участках плотного и диффузного хроматина.

При электронной микроскопии поверхность метафазной хромосомы представлена хаотично уложенными многочисленными фибриллами разного диаметра, видимыми, как правило, на коротком отрезке (рис. 5). Преобладают нити диаметром 30--60 нм. Изменчивость хромосом в онтогенезе и эволюции. Постоянство числа хромосом в хромосомном наборе и структуры каждой хромосомы -- непременное условие нормального развития в онтогенезе и сохранения биологического вида.

В течение жизни организма могут происходить изменения числа отдельных хромосом и даже их гаплоидных наборов (геномные мутации) или структуры хромосом (хромосомные мутации).

Необычные варианты хромосом, обусловливающие уникальность хромосомного набора индивидуума, применяются в качестве генетических маркеров (маркерных хромосом). Геномные и хромосомные мутации играют важную роль в эволюции биологических видов. Данные, полученные при изучении хромосом, вносят большой вклад в систематику видов (кариосистематику).

У животных одним из главных механизмов эволюционной изменчивости является изменение числа и структуры отдельных хромосом. Важное значение имеет также изменение содержания гетерохрома-тина в отдельных или нескольких хромосомах. Сравнительное изучение хромосом человека и современных человекообразных обезьян позволило на основании сходства и различия индивидуальных хромосом установить степень филогенетического родства этих видов и смоделировать кариотип их общего ближайшего предка.

Рисунок №5 Электронограмма изолированнной метафазной хромосомы в физиологически условиях; (увеличение 10.000 раз).

1.2 Понятие хромосомы. Основные сведения

Хромосоммы -- нуклеопротеидные структуры в ядре эукариотической клетки (клетки, содержащей ядро), которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза).

Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия всё чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.

В ядре каждой соматической клетки организма человека содержится 46 хромосом. Набор хромосом каждого индивидуума, как нормальный, так и патологический, называется кариотипом.

Из 46 хромосом, составляющих хромосомный набор человека, 44 или 22 пары представляют аутосомные хромосомы, последняя пара -- половые хромосомы. У женщин конституция половых хромосом в норме представлена двумя хромосомами X, а у мужчин -- хромосомами X и У.

Во всех парах хромосом как аутосомных, так и половых одна из хромосом получена от отца, а вторая -- от матери. Хромосомы одной пары называются гомологами, или гомологичными хромосомами. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) содержится гаплоидный набор хромосом, т.е. 23 хромосомы.

У живых организмов с хромосомным определением пола половыми хромосомами называют хромосомы, различно устроенные у мужских и женских организмов.

Половые хромосомы. По традиции половые хромосомы, в отличие от аутосом, обозначаются не порядковыми номерами, а буквами X, Y, Z или W, причём отсутствие хромосомы обозначается цифрой 0 (ноль (zero [зеро])). Как правило, при этом один из полов определяется наличием пары одинаковых половых хромосом (гомогаметный пол, XX или ZZ), а другой -- комбинацией двух непарных хромосом или наличием только одной половой хромосомы (гетерогаметный пол, XY, ZW, X0, Z0). У человека, как и у большинства млекопитающих, гомогаметный пол -- женский (XX), гетерогаметный пол -- мужской (XY).

Каждая клетка тела человека содержит в точности 46 хромосом. Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по 2 хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. В большинстве случаев хромосомы достаточно разнятся, чтобы цитолог мог отличить пары хромосом (всего 23 пары). Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме, расположению центромер, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин не одинаковые (ХУ), а у женщин одинаковые (ХХ).

Хромосомы в клетке под микроскопом можно увидеть только во время деления - митоза, во время стадии метафазы. Такие хромосомы называются метафазными. Когда клетка не делится хромосомы имеют вид тонких, темноокрашенных нитей, называемых хроматином.

Хроматин представляет собой дезоксирибонуклеопротеид, выявляемый под световым микроскопом в виде тонких нитей и гранул. В процессе митоза (деления клетки) хроматин путем спирализации образует хорошо видимые (особенно в метафазе) интенсивно окрашивающиеся структуры - хромосомы.

Метафазная хромосома состоит из двух продольных нитей дезоксирибонуклеопротеида - хроматид, соединенных друг с другом в области первичной перетяжки - центромеры. Центромера - особым образом организованный участок хромосомы, общий для обеих сестринских хроматид. Центромера делит тело хромосомы на два плеча. В зависимости от расположения первичной перетяжки различают следующие типы хромосом: равноплечие (метацентрические), когда центромера расположена посередине, а плечи примерно равной длины; неравноплечие (субметацентрические), когда центромера смещена от середины хромосомы, а плечи неравной длины; палочковидные (акроцентрические), когда центромера смещена к одному концу хромосомы и одно плечо очень короткое. Существуют еще точковые (телоцентрические) хромосомы, у них одно плечо отсутствует, но в кариотипе (хромосомном наборе) человека их нет. В некоторых хромосомах могут быть вторичные перетяжки, отделяющие от тела хромосомы участок, называемый спутником.

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков. Как было доказано многочисленными исследованиями, ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию - программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Белки составляют значительную часть вещества хромосом (около 65% массы этих структур).

Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования.

Изменение числа хромосом в кариотипе человека может привести к различным заболеваниям. Наиболее частым хромосомным заболеванием у человека является синдром Дауна, обусловленный трисомией (к паре нормальных хромосом прибавляется еще одна такая же, лишняя) по 21-й хромосоме. Встречается этот синдром с частотой 1-2 на 1000.

Нередко трисомия по 21 паре хромосом является причиной гибели плода, однако иногда люди с синдромом Дауна доживают до значительного возраста, хотя в целом продолжительность их жизни сокращена. Известны трисомии по 13-й хромосоме - Синдром Патау, а также по 18-й хромосоме - синдром Эдвардса, при которых жизнеспособность новорожденных резко снижена. Они гибнут в первые месяцы жизни из-за множественных пороков развития.

Достаточно часто у человека встречается изменение числа половых хромосом. Среди них известна моносомия Х (из пары хромосом присутствует только одна (Х0)) - это синдром Шерешевского-Тернера. Реже встречается трисомия Х и синдром Клайнфельтера (ХХУ, ХХХУ, ХУУ и т.д.). Люди с изменением числа половых хромосом при наличии У-хромосомы развиваются по мужскому типу. Это является следствием того, что факторы, определяющие мужской тип развития, находятся в У-хромосоме. В отличии от мутаций аутосом (все хромосомы, кроме половых), дефекты умственного развития у больных выражены не столь отчетливо, у многих оно в пределах нормы, а иногда даже выше среднего. Вместе с тем у них постоянно наблюдается нарушения развития половых органов и роста. Реже встречаются пороки развития других систем.

1.3 Кариотип

Кариотимп -- совокупность признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом, присущая клеткам данного биологического вида (видовой кариотип), данного организма (индивидуальный кариотип) или линии (клона) клеток. Кариотипом иногда также называют и визуальное представление полного хромосомного набора (кариограммы).

Внешний вид хромосом существенно меняется в течение клеточного цикла: в течение интерфазы хромосомы локализованы в ядре, как правило, деспирализованы и труднодоступны для наблюдения, поэтому для определения кариотипа используются клетки в одной из стадий их деления -- метафазе митоза.

Для процедуры определения кариотипа могут быть использованы любые популяции делящихся клеток, для определения человеческого кариотипа используется либо одноядерные лейкоциты, извлечённые из пробы крови, деление которых провоцируется добавлением митогенов, либо культуры клеток, интенсивно делящихся в норме (фибробласты кожи, клетки костного мозга).

Обогащение популяции клеточной культуры производится остановкой деления клеток на стадии метафазы митоза добавлением колхицина -- алкалоида, блокирующего образование микротрубочек и «растягивание» хромосом к полюсам деления клетки и препятствующего тем самым завершению митоза.

Полученные клетки в стадии метафазы фиксируются, окрашиваются и фотографируются под микроскопом; из набора получившихся фотографий формируются т. н. систематизированный кариотип -- нумерованный набор пар гомологичных хромосом (аутосом), изображения хромосом при этом ориентируются вертикально короткими плечами вверх, их нумерация производится в порядке убывания размеров, пара половых хромосом помещается в конец набора



2. Хромосомная теория наследственности

Хромосомная теория наследственности -- теория, согласно которой хромосомы, заключённые в ядре клетки, являются носителями генов и представляют собой материальную основу наследственности, то есть преемственность свойств организмов в ряду поколений определяется преемственностью их хромосом. Хромосомная теория наследственности возникла в начале 20 в. на основе клеточной теории и использовалась для изучения наследственных свойств организмов гибридологического анализа.

2.1 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.

У раздельнополых организмов (животных и двудомных растении) соотношение полов обычно составляет 1:1, то есть 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.

Так, у самки дрозофилы имеются две палочковидные хромосомы, а у самца -- одна такая же палочковидная, а вторая, парная первой, -- изогнутая. 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 (например, у дрозофилы и млекопитающих) или Z-хромосомами (например, у птиц). Непарная половая хромосома, имеющаяся у особей только одного пола, была названа У-хромосомой (у дрозофилы и млекопитающих) или W-хромосомой (у птиц). Хромосомы, в отношении которых между самцами и самками нет различий, называют аутосомами. Следовательно, у дрозофилы особи обоих полов имеют по шесть одинаковых аутосом плюс две половые хромосомы (ХХ у самок и XY у самцов).

Пол, имеющий различные половые хромосомы (X и У), образует гаметы двух типов (половина с X-хромосомой и половина с У-хромосомой), то есть, является гетерогаметным, а пол, содержащий в каждой клетке одинаковые половые хромосомы (X-хромосомы), -- гомогаметным.

Открытие половых хромосом и установление их роли в определении пола послужило важным доводом в пользу того, что хромосомы определяют признаки организма.

От чего же зависит рождение мужских и женских особей? Рассмотрим это на примере определения пола у дрозофилы. В ходе гаметогенеза у самок образуется один тип гамет, содержащий гаплоидный набор аутосом и одну X-хромосому.

Самцы образуют два типа гамет, половина из которых содержит три аутосомы и одну X-хромосому (ЗА+Х), а половина -- три аутосомы и одну У-хромосому (ЗА+У). При оплодотворении яйцеклеток (ЗА+Х) сперматозоидами с X-хромосомами будут формироваться самки (6А+ХХ), а от слияния яйцеклеток со сперматозоидами, несущими У-хромосому, -- самцы (6A+XY). Поскольку число мужских гамет с X- и У-хромосомами одинаково, то и количество самцов и самок тоже одинаково. В данном случае пол организма определяется в момент оплодотворения и зависит от хромосомного набора зиготы.

Сходный способ определения пола (XY-тип) присущ всем млекопитающим, в том числе и человеку, клетки которого содержат 44 аутосомы и две X-хромосомы у женщин либо XY-хромосомы у мужчин.

Таким образом, XY-тип определения пола, или тип дрозофилы и человека, -- самый распространенный способ определения пола, характерный для большинства позвоночных и некоторых беспозвоночных. Х0-тип встречается у большинства прямокрылых, клопов, жуков, пауков, у которых Y-хромосомы нет вовсе, так что самец имеет генотип Х0, а самка -- XX.

У всех птиц, большинства бабочек и некоторых пресмыкающихся самцы являются гомогаметным полом, а самки --- гетерогаметным (типа XY или типа ХО). Половые хромосомы у этих видов обозначают буквами Z и W, чтобы выделить таким образом данный способ определения пола; при этом набор хромосом самцов обозначают символом ZZ, а самки -- символом ZW или Z0. хромосома наследственность мутация геномный

Доказательства того, что половые хромосомы определяют пол организма, были получены при изучении нерасхождения половых хромосом у дрозофилы.

Если в одну из гамет попадут обе половые хромосом, а в другую -- ни одной, то при слиянии таких гамет с нормальными могут получиться особи с набором половых хромосом ХХХ, ХО, ХХУ и др.

Выяснилось, что у дрозофилы особи с набором ХО -- самцы, а с набором ХХУ -- самки (у человека -- наоборот). Особи с набором ХХХ имеют гипертрофированные признаки женского пола (сверхсамки). (Особи со всеми этими хромосомными аберрациями у дрозофилы стерильны). В дальнейшем было доказано, что у дрозофилы пол определяется соотношением (балансом) между числом X-хромосом и числом наборов аутосом.

2.2 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. Например, у дрозофилы гены, локализованные в X-хромосоме, как правило, не имеют аллелей в У-хромосоме. По этой причине рецессивные гены в X-хромосоме гетерогаметного пола практически всегда проявляются, будучи в единственном числе.

Признаки, гены которых локализованы в половых хромосомах, называются признаками, сцепленными с полом. Явление наследования, сцепленного с полом, было открыто Т. Морганом у дрозофилы.

Х- и У-хромосомы у человека имеют гомологичный (псевдоаутосомный) участок, где локализованы гены, наследование которых не отличается от наследования аутосомных генов.

Помимо гомологичных участков, X- и У-хромосомы имеют негомологичные участки. Негомологичный участок У-хромосомы, кроме генов, определяющих мужской пол, содержит гены перепонок между пальцами ног и волосатых ушей у человека. Патологические признаки, сцепленные с негомологичным участком У-хромосомы, передаются всем сыновьям, поскольку они получают от отца У-хромосому.

Негомологичный участок X-хромосомы содержит в своем составе ряд важных для жизнедеятельности организмов генов. Поскольку у гетерогаметного пола (ХУ) X-хромосома представлена в единственном числе, то признаки, определяемые генами негомологичного участка X-хромосомы, будут проявляться даже в том случае, если они рецессивны. Такое состояние генов называется гемизиготным. Примером такого рода X-сцепленных рецессивных признаков у человека являются гемофилия, мышечная дистрофия Дюшена, атрофия зрительного нерва, дальтонизм (цветовая слепота) и др.

Гемофилия -- это наследственная болезнь, при которой кровь теряет способность свертываться. Ранение, даже царапина или ушиб, могут вызвать обильные наружные или внутренние кровотечения, которые нередко заканчиваются смертью.

Это заболевание встречается, за редким исключением, только у мужчин. Было установлено, что обе наиболее распространенные формы гемофилии (гемофилия А и гемофилия В) обусловлена рецессивными генами, локализованными в X-хромосоме. Гетерозиготные по данным генам женщины (носительницы) обладают нормальной или несколько пониженной свертываемостью крови.

Фенотипическое проявление гемофилии у девочек будет наблюдаться в том случае, если мать девочки является носительницей гена гемофилии, а отец -- гемофиликом. Подобная закономерность наследования характерна и для других рецессивных, сцепленных с полом признаков.



2.3 Основные положения хромосомной теории наследственности

Анализ явлений сцепленного наследования, кроссинговера, сравнение генетической и цитологической карт позволяют сформулировать 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, то есть наследуются преимущественно сцепленно (совместно), благодаря чему происходит сцепленное наследование некоторых признаков.

Число групп сцепления равно гаплоидному числу хромосом данного вида (у гомогаметного пола) или больше на 1 (у гетерогаметного пола).

- Сцепление нарушается в результате кроссинговера, частота которого прямо пропорциональна расстоянию между генами в хромосоме (поэтому сила сцепления находится в обратной зависимости от расстояния между генами).

- Каждый биологический вид характеризуется определенным набором хромосом -- кариотипом.



3. Хромосомные болезни

К хромосомным относятся болезни, обусловленные геномными мутациями или структурными изменениями отдельных хромосом. Хромосомные болезни возникают в результате мутаций в половых клетках одного из родителей. Из поколения в поколение передаются не более 3--5 % из них. Хромосомными нарушениями обусловлены примерно 50 % спонтанных абортов и 7 % всех мёртворождений.

Все хромосомные болезни принято делить на две группы: аномалии числа хромосом и нарушения структуры хромосом.

Болезни, обусловленные нарушением числа аутосом (неполовых) хромосом:

синдром Дауна -- трисомия по 21 хромосоме, к признакам относятся: слабоумие, задержка роста, характерная внешность, изменения дерматоглифики;

синдром Патау -- трисомия по 13 хромосоме, характеризуется множественными пороками развития, идиотией, часто -- полидактилия, нарушения строения половых органов, глухота; практически все больные не доживают до одного года;

синдром Эдвардса -- трисомия по 18 хромосоме.

Болезни, связанные с нарушением числа половых хромосом:

синдром Шерешевского-Тернера -- отсутствие одной Х-хромосомы у женщин (45 ХО) вследствие нарушения расхождения половых хромосом; к признакам относится низкорослость, половой инфантилизм и бесплодие, различные соматические нарушения (микрогнатия, короткая шея и др.);

полисомия по Х-хромосоме -- включает трисомию (кариотии 47, XXX), тетрасомию (48, ХХХХ), пентасомию (49, ХХХХХ), отмечается незначительное снижение интеллекта, повышенная вероятность развития психозов и шизофрении с неблагоприятным типом течения;

полисомия по Y-хромосоме -- как и полисомия по X-хромосоме, включает трисомию (кариотии 47, XYY), тетрасомию (48, ХYYY), пентасомию (49, ХYYYY), клинические проявления также схожи с полисомией X-хромосомы;

синдром Кляйнфельтера -- полисомия по X- и Y-хромосомам у мальчиков (47, XXY; 48, XXYY и др.), признаки: евнухоидный тип сложения, гинекомастия, слабый рост волос на лице, в подмышечных впадинах и на лобке, половой инфантилизм, бесплодие; умственное развитие отстает, однако иногда интеллект нормальный.

Болезни, причиной которых является полиплоидия:

триплоидии, тетраплоидии и т. д.; причина -- нарушение процесса мейоза вследствие мутации, в результате чего дочерняя половая клетка получает вместо гаплоидного (23) диплоидный (46) набор хромосом, то есть 69 хромосом (у мужчин кариотип 69, XYY, у женщин -- 69, XXX); почти всегда летальны до рождения.

3.1 Нарушения структуры хромосом

Транслокации -- обменные перестройки между негомологичными хромосомами.

Делеции -- потери участка хромосомы. Например, синдром «кошачьего крика» связан с делецией короткого плеча 5-ой хромосомы. Признаком его служит необычный плач детей, напоминающий мяуканье или крик кошки. Это связано с патологией гортани или голосовых связок. Наиболее типичным, помимо «кошачьего крика», является умственное и физическое недоразвитие, микроцефалия (аномально уменьшенная голова).

Инверсии -- повороты участка хромосомы на 180 градусов.

Дупликации -- удвоения участка хромосомы.

Изохромосомия -- хромосомы с повторяющимся генетическим материалом в обоих плечах.

Возникновение кольцевых хромосом -- соединение двух концевых делеций в обоих плечах хромосомы.

Спиноцеребеллярная атаксия -- Некоторые типы этой болезни, обуславливается увеличением тринуклеотидных GAG повторов в генах, располагающихся в хромосомах.

В настоящее время у человека известно более 700 заболеваний, вызванных изменением числа или структуры хромосом. Около 25 % приходится на аутосомные трисомии, 46 % -- на патологию половых хромосом. Структурные перестройки составляют 10,4 %. Среди хромосомных перестроек наиболее часто встречаются транслокации и делеции.

3.2 Хромосомные перестройки

Хромосомные аберрации (хромосомные мутации, хромосомные перестройки) -- изменения структуры хромосом. Классифицируют делеции (удаление участка хромосомы), инверсии (изменение порядка генов участка хромосомы на обратный), дупликации (повторение участка хромосомы), транслокации (перенос участка хромосомы на другую). Хромосомные перестройки носят, как правило, патологический характер и нередко приводят к гибели организма. Показано значение хромосомных перестроек в видообразовании и эволюции.

В ходе кроссинговера образуются разрывы хромосом, которые затем репарируются. Нарушения процесса репарации могут привести к появлению хромосомных перестроек. Разрывы хромосом и, как следствие, образование перестроек происходят под действием различных мутагенных факторов: физической (ионизирующее излучение), химической или биологической (транспозоны, вирусы) природы. Также некоторые хромосомные перестройки (аберрации) характерны для носителей специфических сайтов ломкости.

Хромосомные аберрации (ХА) изучаются на стадии метафазы (метафазный метод), а так же на стадиях анафазы и телофазы (ана-телофазный метод). Эти методы позволяют выявлять мутагенную активность того или иного фактора, оценить степень мутагенной активности фактора, силу воздействия разных его доз, определять минимальную действующую дозу, определять зависимость доза-эффект.

Метафазный метод является наиболее точным, так как он позволяет регистрировать большое количество типов аберраций, определяет тип перестройки и в какой именно хромосоме она произошла. Но этот метод пригоден только для объектов, для которых уже идентифицированы все хромосомы, определен кариотип. Метафазный анализ более сложный и требует высокой квалификации исследователя. Этот метод используется, например, для диагностики хромосомных болезней человека.

Ана-телофазный анализ простой, экономичный, не требует знания кариотипа и идентификации типов повреждений хромосом. Он позволяет регистрировать меньшее типов аберраций, но его чувствительность вполне достаточна для заключения "мутагенен" или "не мутагенен" фактор.

3.3 В-хромосомы

Добавочными, или В- хромосомами, называют группу хромосом, различных по структурным и функциональным особенностям и сверхчисленных по отношению к хромосомам основного (А) набора.

В- хромосомы встречаются как в клетках полового пути, так и в соматических. B-хромосомы обнаружены у 510 видов двудольных растений (2.6% от числа видов, у которых описаны кариотипы) и у 1007 видов однодольных (3.6%).

Число В-хромосом у разных особей сильно варьирует, в подавляющем большинстве случаев встречается 1-2 В- хромосомы, редко до 6, иногда их число доходит до 12. Авторы большинства обзоров полагают, что В-хромосомы состоят в основном из гетерохроматина.

У видов, имеющих политенные хромосомы, В- хромосомы часто тоже политенизируются. Выявлено большое разнообразие морфологии В-хромосом. Это могут быть бесструктурные глыбы рыхлого или компактного хроматина. В некоторых случаях это небольшие округлые или вытянутые сильно гетеропикнотичные тельца. Иногда В-хромосомы имеют характерный для политенных хромосом рисунок дисков, пуфы и очень часто ядрышки.

В В-хромосомах с дисковым рисунком часто наблюдают 1-2 очень крупных блока компактного материала, очень напоминающего гетерохроматин.

Об обогащенности В-хромосом гетерохроматином свидетельствуют следующие факты: в клеточном ядре они расположены на внутренней стороне ядерной оболочки, участвуют в эктопических контактах, часто они не политенизируются (свойство, характерное для гетерохроматина), окрашиваются на С-гетерохроматин, фрагменты В- хромосом обнаруживают позднюю репликацию (Из: Жимулёв, 1993, стр. 244- 261).

Очень часто В-хромосомы обогащены сателлитными ДНК. Семейства этих повторов могут быть специфичными только для В-хромосом, или же встречаются как в В-хромосомах, так и в других хромосомах.

По мнению многих учёных В- хромосомы возникли из А-хромосом:

- в результате гибридизации разных видов,

- в результате нерасхождения некоторых А-хромосом и возникновения трисомии.

После того как прото-В-хромосома возникла, начинается инактивация расположенных там генов и потеря материала в результате делеций, фиксация в этих хромосомах сателлитных ДНК и мобильных элементов (Из: Hackstein et al., 1996).

3.4 Общая морфология митотических хромосом

На стадии метофазы хромосомы наиболее сконденсированы и образуют дискретные структуры. Каждая метафазная хромосома состоит из двух идентичных частей, называемых сестринскими хроматидами. В метафазных хромосомах выделяют такие образования, как: центромера, теломеры и два плеча хромосомы. (М. Сингер, П. Берг «Гены и геномы», т.1 1998)

Центромера - специфическая область эукариотической хромосомы, которая играет фундаментальную роль в движении хромосом к полюсам деления и точного распределения вновь реплицировавшихся хроматид по дочерним клеткам во время митоза и мейоза. На ранних этапах подготовки хромосом к митозу центромера становится видимой как отчетливая морфологическая структура и выглядит как перетяжка хромосомы. Функция центромеры, по крайней мере частично, заключается в обеспечении прикрепления к хромосоме нитей веретена.

Центромера имеет свой цикл поведения в митозе и мейозе. В митозе и во втором делении мейоза у сестринских хроматид центромеры сохраняют тесную связь друг с другом дольше других участков хромосомы и разделяются только в начале анафазы.

В первом делении мейоза, напротив, центромеры гомологичных хромосом в каждом биваленте начинают отталкиваться первыми с началом анафазы I, при этом центромеры сестринских хроматид ведут себя как единое целое. Участок центромеры содержит кинетохор - обособленную структуру, контактирующую с центромерным районом, к которому прикрепляются микротрубочки-нити митотического веретена.

Сформированный кинетохор метафазных хромосом представляет собой трёхслойную пластину, состоящую из внутреннего слоя толщиной 40-60 нм, светлоокрашенного среднего слоя приблизительно 25-30 нм толщиной и внешнего слоя 40-60 нм. Внутренние слои кинетохорной пластины располагаются рядом с хроматиновыми тяжами и его внутренняя поверхность взаимодействует с центромерным хроматином.

Тонкие хроматиновые нити проходят сквозь средние слои и, оказывается, связаны с внутренним и внешним слоями (Rattner, 1987). Микротрубочки, связанные с кинетохором, заканчиваются во внешнем слое, и редко протягиваются до среднего и внутреннего слоёв. Помимо микротрубочек, внешние слои содержат “пушистую поверхность” или корону, состоящую из фибрилл, которые формируют петли наподобие ламповых щеток (Brinkley et al., 1986).

В конце митоза кинетохор как специализированная структура исчезает. С молекулярно-биологической стороны организация кинетохора изучена очень слабо. Однако известно, что кинетохор содержит ДНК, ДНК-связывающие белки, возможно РНК и тубулин (Brinkley et al., 1986). Показано, что обработка ДНКазой хромосом млекопитающих специфично конденсирует структуру пластинки кинетохора, тогда как обработка РНКазой не влияет на неё. (Жимулев И.Ф. «Общая и молекулярная генетика», 1998)

Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник.

Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК. В хромосомах человека ядрышковые организаторы расположены в коротких плечах вблизи центромер. (Ю.С. Ченцов «Общая цитология», 1995)

В зависимости от расположения центромеры различают:

· Акроцентрические - хромосомы у которых центромера находится на конце или второе плечо настолько мало, что его не различают на цитологических препаратах;

· Субметацентрические - хромосомы с плечами разной длины;

· Метацентрические - хромосомы, у которых центромера расположена посередине или почти посередине.

Теломеры - концевые участки хромосом, в значительной степени ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований. Концы разорванных хромосом могут сливаться между собой, но никогда не сливаются с теломерами. Следовательно, именно теломеры препятствуют слипанию хромосом. (С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции», 1989)

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов, водорослей, очень мелкие хромосомы - у льна и морского камыша; они настолько малы, что с трудом видны в световой микроскоп. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных и растений. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600.

Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева, у речного рака 196 хромосом. Наименьшее количество хромосом (1 хромосома на гаплоидный набор) наблюдается у одной из рас аскариды, у сложноцветного Haplopappus gracilis всего 4 хромосомы (2 пары).

Совокупность числа, величины и морфологии хромосом называется кариотипом данного вида. Кариотип - это как бы лицо вида. Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом, или по форме хромосом и по их структуре.

Все клетки индивидуумов одного вида имеют идентичные наборы хромосом. Простой морфологический анализ может убедительно показать различия в кариотипах даже у близких видов. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим (систематическим) признаком, который все чаще используется в систематике животных и растений. (Ю.С. Ченцов «Общая цитология»,1995)



Список литературы

1. Жимулев И.Ф. «Общая и молекулярная генетика», 1998

2. З.М. Шелест, В.А. Гайченко «Биология», «Кондор», 2007; 758 стр

3. Алиханян С.И. Акифьев И.П., «Генетика человека, с основами общей генетики» Санкт-Петербург, 2006; 175 стр

4. С.Г. Инге-Вечтомов «Генетика с основами селекции», 1989

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Хромосома

6. Жимулев И.Ф. «Общая и молекулярная генетика», 1998 стр. 244- 261

7. М. Сингер, П. Берг «Гены и геномы», т.1 1998

8. Ю.С. Ченцов «Общая цитология»,1995

9. Захаров А.Ф. Хромосомы человека. М: «Медицина», 1997

10. Генетика человека: история хромосомы человека, формальная генетика. Фогель Ф. Мотульски А. с.23-31

11. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. - Новосибирск, 2002

12. Мезина С. И. Хромосомы: Учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГПИ, 1990.

13. Ченцов Ю. С. Общая цитология. - М.: Изд-во МГУ

14. Билич Г. Л., Катинас Г. С., Назарова Л. В. Цитология. Учебник. - СПб: Издательство "Деан", 1999.

Размещено на Allbest.ru

...