Хромосомна теорія спадковості

Мендель опублікував результати своїх досліджень і свої гіпотези в 1866 р. в журналі «Труди Брюнського суспільства природодослідників», який розсилався в наукові суспільства багатьох країн. Проте учені не зуміли оцінити значення його відкриттів; можливо, це пояснювалося тим, що у той час не можна було пов'язати дані Менделя з якимись конкретними структурами в гаметах, за допомогою яких спадкові чинники могли б передаватися від батьків нащадкам.

До кінця XIX сторіччя в результаті підвищення оптичних якостей мікроскопів і вдосконалення цитологічних методів стало можливим спостерігати поведінку хромосом в гаметах і зіготах. Ще в 1875 р. Гертвіг звернув увагу на те, що при заплідненні яєць морського їжака відбувається злиття двох ядер - ядра спермію і ядра яйцеклітини. У 1902 р. Вовері продемонстрував важливу роль ядра в регуляції розвитку ознак організму, а в 1882 р. Флеммінг описав поведінку хромосом під час мітозу.

У 1900 р. закони Менделя були повторно відкриті та належним чином оцінені майже одночасно і незалежно один від одного трьома ученими - де Фризом, Корренсом і Чермаком. Корренс сформулював висновки Менделя в звичній нам формі двох законів і ввів термін «чинник», тоді як Мендель для опису одиниці спадковості користувався словом «елемент». Пізніше американець Уїльям Сеттон відмітив дивовижну схожість між поведінкою хромосом під час утворення гамет і запліднення і передачею спадкових чинників Менделя.

Сеттон і Бовері висловили думку, що хромосоми є носіями чинників Менделя, і сформулювали так звану хромосомну теорію спадковості. Згідно цієї теорії, кожна пара чинників локалізована в парі гомологічних хромосом, причому кожна хромосома несе по одному чиннику. Оскільки число ознак у будь-якого організму у багато разів більше числа його хромосом, видимих в мікроскоп, кожна хромосома повинна містити безліч чинників.

У 1909 р. Іогансен замінив термін чинник, що означав основну одиницю спадковості, терміном ген. Альтернативні форми гена, що визначають його прояв у фенотипі, назвали алелями. Алелі - це конкретні форми, якими може бути представлений ген, і вони займають одне і те ж місце – локус в гомологічних хромосомах.

Закон розщеплювання Менделя можна тепер пояснити розбіжністю гомологічних хромосом, що відбувається в анафазі I мейозу і випадковим розподілом алелей між гаметами. Ці події схематично представлені на рисунку 12.1.

 

 

Рисунок 12.1 – Пояснення закону Менделя про розщеплення факторів (алелей) А та а розходженням гомологічних хромосом, яке відбувається в мейозі

 

Поведінка хромосом як основа незалежного розподілу

Принцип Менделя незалежного розподілу теж можна пояснити особливостями пересування хромосом під час мейозу. При утворенні гамет розподіл між ними алелей, що знаходяться в даній парі гомологічних хромосом, відбувається абсолютно незалежно від розподілу алелей з інших пар (рисунок 12.2). Саме випадкове розташування пар гомологічних хромосом на екваторі веретена в метафазі I мейозу та їх подальше розділення в анафазі I веде до різноманітності поєднань алелей в гаметах. Число можливих комбінацій алелей в чоловічих або жіночих гаметах можна визначити по загальній формулі 2 п^, де п -гаплоїдне число хромосом. У людини п = 23, а можливе число різних комбінацій рівне
2²³ = 8 388 609

 

Рисунок 12.2 – Пояснення закону Менделя про незалежний розподіл факторів (алелей) А, а, В, b незалежним розходженням різних пар гомологічних хромосом в мейозі

 

Зчеплення спадкових прикмет

Всі ситуації і приклади, що обговорювалися до цього часу, відносилися до спадкоємства генів, що знаходяться в різних хромосомах. Як з'ясували цитологи, у людини всі соматичні клітини містять по 46 хромосом. Оскільки людина володіє тисячами різних ознак - таких, наприклад, як група крові, колір очей, здатність секретувати інсулін, в кожній хромосомі повинне знаходитися велике число генів.

Гени, які лежать в одній і тій же хромосомі, називають зчепленими. Всі гени будь-якої однієї хромосоми утворюють групу зчеплення; вони зазвичай потрапляють в одну гамету і успадковуються разом.

Таким чином, гени, що належать до однієї групи зчеплення, зазвичай не підкоряються принципу Менделя незалежного розподілу. Тому при дігибридному схрещуванні вони не дають очікуваного співвідношення ознак 9:3:3:1. У таких випадках виходять найрізноманітніші співвідношення, які тепер, коли нам відома цитологічна основа закономірностей, відкритих Менделем, можна досить легко пояснити. (Тут слід ще раз підкреслити, що Менделю пощастило вибрати для вивчення спадковість пари ознак, які визначалися генами різних хромосом.)

Якщо розглянути цю ситуацію на прикладі мушки-дрозофіли, то матимете, що у дрозофіли гени, які контролюють забарвлення тіла і довжину крила, представлені наступними парами алелей (назвемо відповідні ознаки): сіре тіло - чорне тіло, довгі крила - зачаткові (короткі) крила. Сіре тіло і довгі крила домінують. Очікуване відношення фенотипов в F2 від схрещування між гомозіготою з сірим тілом і довгими крилами і гомозіготою з чорним тілом і зачатковими крилами повинно скласти 9:3:3:1. Це указувало б на звичайний закон спадковості Менделя при дігибридному схрещуванні, який обумовлений випадковим розподілом генів, що знаходяться в різних, негомологічних хромосомах. Проте натомість в F2 були отримані в основному батьківські фенотипи відносно зразкового 3:1. Це можна було б пояснити тим, що гени забарвлення тіла і довжини крила локалізовані в одній і тій же хромосомі, тобто припустити, що вони є зчепленими.

Проте на практиці співвідношення 3:1 ніколи не спостерігається, а виникають всі чотири фенотипи. Це пояснюється тим, що повне зчеплення зустрічається рідко. У більшості експериментів по схрещуванню за наявності зчеплення, крім мух з батьківськими фенотипами, виявляються особи з новими поєднаннями ознак. Ці нові фенотипи називають рекомбінантними. Все це дозволяє дати наступне визначення зчеплення: два або більше генів називають зчепленими, якщо нащадки з новими генними комбінаціями (рекомбвнанти) зустрічаються рідше, ніж батьківські фенотипи.

Події, що привели американського генетика Томаса X. Моргана до відкриття зчеплення, можна проілюструвати одним з його експериментів на дрозофілі, в якому він передбачав результати поворотного схрещування між сірою довгокрилою гетерозіготою і рецесивною гомозіготою з чорним тілом і зачатковими крилами.

Було передбачено два можливі результати:

1. Якщо дві пари алелей, що визначають сіре або чорне забарвлення тіла і довгі або зачаткові крила, лежать в різних парах хромосом (тобто не зчеплені), то вони повинні розподілятися незалежно і давати наступне відношення фенотипов:

- 1 сіре тіло, довгі крила

- 1 сіре тіло, зачаткові крила

- 1 чорне тіло, довгі крила

- 1 чорне тіло, зачаткові крила

2. Якщо алелі, що визначають забарвлення тіла і довжину крил, лежать в одній і тій же парі хромосом (тобто зчеплені), то відношення фенотипів буде іншим:

- 1 сіре тіло, довгі крила

- 1 чорне тіло, зачаткові крила

Морган провів таке поворотне схрещування кілька разів і жодного разу не отримав жоден з передбачених результатів. Всякий раз він отримував наступні результати:

- 41,5%-сіре тіло, довгі крила

- 41,5%-чорне тіло, зачаткові крила

- 8,5%-сіре тіло, зачаткові крила

- 8,5%-чорне тіло, довгі крила

Надалі зіставлення цитологічних даних з даними про співвідношення рекомбінантних фенотипів підтвердило, що обмін генетичним матеріалом в мейозі відбувається майже буквально між всіма гомологічними хромосомами. Алелі, що входять до груп зчеплення у батьківських осіб, розділяються і утворюють нові поєднання, які потрапляють в гамети, цей процес називають генетичною рекомбінацією. Нащадків, які виходять з таких гамет з «новими» поєднаннями алелей, називають рекомбінантами. Таким чином, кросинговер є важливим джерелом генетичної мінливості, яка спостерігається в популяціях.

Для ілюстрації принципу кросинговера можна розглянути поведінку пари гомологічних хромосом дрозофіли, що несуть алелі сірого забарвлення тіла і довгих крил (обидва алеля домінантні) і чорного забарвлення тіла і зачаткових крил (обидва алеля рецесивні), під час утворення хіазм. Схрещування між гомозіготним сірим довгокрилим самцем і гомозіготною чорною самкою із зачатковими крилами дало bF, гетерозіготних нащадків з сірим тілом і довгими крилами (рисунок 12.3).

 

 

Рисунок 12.3 – Генетичне пояснення процесу кросинговера та появи рекомбінантних генотипів

 

Підрахувавши кількість осіб, у яких виявляється рекомбінація (х), та загальну кількість осіб (y), можна обчислити частоту рекомбінацій за формулою:

 

 

При зворотному схрещуванні мух з покоління F, з гомозіготними подвійними рецесивами були отримані наступні результати:

 

Батьківські фенотипи	сіре тіло, довгі крила – 965
чорне тіло, зачаткові крила – 944
Рекомбінантні фенотипи	чорне тіло, довгі крила – 206
сіре тіло, зачаткові крила – 185

 

Як показують ці результати, гени, що визначають забарвлення тіла і довжину крил, зчеплені. (Пригадаєте, що якби ці гени знаходилися в різних хромосомах і тому розподілялися випадковим чином, то при дігибридному схрещуванні гетерозіготи F2 з гомозіготою за двома рецесивними ознаками вийшло б співвідношення фенотипів 1:1:1:1.) З приведених цифр можна обчислити частоту рекомбінації генів, що визначають забарвлення тіла і довжину крил.

Частота рекомбінацій обчислюється за формулою:

 

Число рекомбінантів	´ 100
Загальне число нащадків

 

У нашому прикладі частота рекомбінації рівна:

 

 

Це значення відповідає числу рекомбінацій, що відбуваються при утворенні гамет. Один з учнів Моргана, А. X. Стертевант, висловив думку, що частоти рекомбінацій свідчать про лінійне розташування генів уздовж хромосоми. Ще важливіше припущення Стертеванта полягало в тому, що частота рекомбінацій відображає відносне розташування генів в хромосомі: чим далі один від одного знаходяться зчеплені гени, тим більше вірогідність того, що між ними відбудеться кросинговер, тобто тим вище частота рекомбінантів.

Генетичні карти

Дані про частоти рекомбінацій важливі перш за все тому, що дають генетикам можливість складати карти відносного розташування генів в хромосомах. Хромосомні карти будуються шляхом прямого перекладу частоти рекомбінацій між генами в передбачувані відстані на хромосомі. Якщо частота рекомбінації між генами А і В рівна 4%, то це означає, що вони розташовані в одній і тій же хромосомі на відстані 4 морганід один від одного (морганіда - одиниця відстані на генетичній карті); якщо частота рекомбінації між генами А і С рівна 9%, то вони розділені відстанню 9 морганід. Проте ці дані ще не дозволяють сказати, в якому порядку розташовані гени А, В і С (рисунок 12.4).

 

 

Рисунок 12.4 - Визначення можливого положення генів А, В і С в хромосомі

 

На практиці зазвичай визначають частоту рекомбінації щонайменше для трьох генів одночасно. Цей метод, що отримав назву тріангуляцієї, дозволяє визначити не тільки відстані між генами, але і їх послідовність. Розглянемо, наприклад, частоти рекомбінації, встановлені в результаті ряду експериментальних схрещувань за участю чотирьох генів:

р – Q = 24%

R – Р = 14%

R – S = 8%

S – Р = 6%

Для того, щоб встановити послідовність генів та відстані між ними, викреслюють лінію, що зображає хромосому, і проводять наступні дії.

1. У середину хромосоми поміщають гени з найменшою частотою рекомбінації, тобто S – Р= 6% (рисунок 12.5, І).

2. Вибирають наступну за величиною частоту рекомбінації, тобто R – S = 8%, і указують два можливі положення R в хромосомі по відношенню до S (рисунок 12.5, ІІ).

3. Проробляють те ж саме з наступною частотою рекомбінації, тобто
R – Р = 14%. При цьому з'ясовується, що R не може знаходитися вправо від Р
(рисунок 12.5, III).

4. Проробляють те ж саме для Р – Q = 24% (рисунок 12.5, ІV). Положення Q не може бути встановлене без додаткової інформації.

Якщо, наприклад, з’ясується, що частота рекомбінації Q – R = 10%, то це підтвердить розташування гена Q в лівому кінці хромосоми.

 

 

Рисунок 12.5 - Встановлення положень генів Р, Q, R і S в хромосомі за допомогою методу тріангуляції

 

При побудові хромосомних карт можуть виникнути певні труднощі, що створюються подвійним кросинговером; особливо це стосується тих випадків, коли гени, що вивчаються, розділені великими відстанями, оскільки число виявлених рекомбінантов буває при цьому менше фактичного числа перехрестів. Якщо, наприклад, відбудеться кросинговер в двох місцях - між А і В та між В і С, то А і С зовні проявлять себе як зчеплені, але хромосома нестиме тепер рецесивний алель b.

Групи зчеплення і хромосоми

Генетичні дослідження, що проводилися на початку нашого століття, в основному були спрямовані на з'ясування ролі генів в передачі ознак. Роботи Моргана з плодовою мушкою Drosophila melanogaster показали, що більшість фенотипічних ознак об'єднана у неї в чотири групи зчеплення і ознаки кожної групи успадковуються спільно. Було відмічено, що число груп зчеплення відповідає числу пар хромосом.

Вивчення інших організмів привело до схожих результатів. При експериментальному схрещуванні різноманітних організмів виявилося, що деякі групи зчеплення більше інших (тобто у них більше генів). Вивчення хромосом цих організмів показало, що вони мають різну довжину. Морган довів наявність чіткого зв'язку між цими спостереженнями. Вони послужили додатковими підтвердженнями локалізації генів в хромосомах.

Гігантські хромосоми і гени

У 1913 р. Стертевант почав свою роботу щодо картирування положення генів в хромосомах дрозофіл, але це було за 21 рік до того, як з'явилася можливість пов'язати помітні в хромосомах структури з генами. У 1934 р. було відмічено, що в клітинах слинних залоз дрозофіл хромосоми приблизно в 100 разів більші, ніж в інших соматичних клітинах. З якихось причин ці хромосоми багато разів подвоюються, але не відділяються одна від одної до того часу, поки не набереться декілька тисяч хромосом, що лежать пліч-о-пліч. Зафарбувавши хромосоми і вивчаючи їх за допомогою світлового мікроскопа, можна побачити, що вони складаються з світлих і темних поперечних смуг, що чергуються. Для кожної хромосоми характерний свій особливий малюнок смуг. Спочатку припускали, або скоріше сподівалися, що ці смуги є гени, але виявилось, що справа йде не так просто. У дрозофіл можна штучним шляхом викликати різні фенотипічні аномалії, які супроводжуються певними змінами в малюнку поперечних смуг, видимих під мікроскопом. Ці фенотипічні і хромосомні аномалії корелюють у свою чергу з генними локусами, позначеними на хромосомних картах, які були побудовані по даним про частоту рекомбінацій в експериментальних схрещуваннях. Це дозволяє зробити висновок, що смуги на хромосомах дійсно якось пов'язані з генами, але взаємини між тими і іншими залишаються поки неясними.

Визначення статі

Особливо чітким прикладом описаного вище методу встановлення залежності між фенотипічними ознаками організмів і будовою їх хромосом служить визначення статі. У дрозофіл фенотипічні відмінності між двома статями явно пов'язані з відмінностями в хромосомах (рисунок 12.6).

 

Рисунок 12.6 – Хромосомні набори самця та самки дрозофіли, що складаються з чотирьох пар хромосом (пара І – статеві хромосоми)

 

При вивченні хромосом у самців і самок ряду тварин між ними були виявлені деякі відмінності. Як у чоловічих, так і у жіночих осіб у всіх клітинах є пари однакових (гомологічних) хромосом, але однією парою хромосом вони розрізняються. Це статеві хромосоми (гетеросоми). Решта всіх хромосом називаються аутосомами. Як можна бачити на рисунку 12.6, у дрозофіли чотири пари хромосом. Три пари (II, III і IV) ідентичні у обох статей, але пара I, що складається з ідентичних хромосом у самки, розрізняється у самця. Ці хромосоми називають Х- і Y-хромосомами; генотип самки XX, а самця - XY. Такі відмінності по статевих хромосомах характерні для більшості тварин, зокрема для людини (рисунок 12.7), але у птахів (включаючи кур) і у метеликів спостерігається зворотна картина: у самок є хромосоми XY, а у самців - XX. У деяких комах, наприклад у прямокрилих, Y-хромосоми немає взагалі, тому самець має генотип ХО.

 

 

Рисунок 12.7 – Вид статевих хромосом людини у метафазі мейозу

 

При гаметогенезі спостерігається типове розщеплювання Менделя по статевих хромосомах. Наприклад, у ссавців кожне яйце містить одну Х-хромосому, половина сперміїв - одну X-хромосому, а інша половина - одну Y-хромосому (рисунок 12.8). Стать нащадка залежить від того, який спермій запліднить яйцеклітину. Стать з генотипом XX називають гомогаметною, оскільки у неї утворюються однакові гамети, що містять тільки Х-хромосоми, а стать з генотипом XY- гeтepoгаметною, оскільки половина гамет містить Х-, а половина - Y-хромосому. У людини генотипічну стать даного індивідуума визначають, вивчаючи клітини, що не діляться. Одна Х-хромосома завжди опиняється в активному стані і має звичайний вигляд. Інша, якщо вона є, буває в стані спокою, у вигляді щільного темно-забарвленого тельця, названого тільцем Барра. Число тілець Барра завжди на одиницю менше числа наявних Х-хромосом, тобто у самця (XY) їх немає зовсім, а у самки (XX) - тільки одне. Функція Y-хромосоми, очевидно, варіює залежно від вигляду. У людини Y-хромосома контролює диференціювання сім’яних залоз, які надалі впливають на розвиток статевих органів і чоловічих ознак. У більшості організмів, проте, Y-хромосома не містить генів, що мають відношення до статі. Її навіть називають генетично інертною або генетично порожньою, оскільки в ній дуже мало генів. Як вважають, у дрозофіли гени, що визначають чоловічі ознаки, знаходяться в аутосомах, і їх фенотипічні ефекти маскуються наявністю пари Х-хромосом; у присутності однієї Х-хромосоми чоловічі ознаки виявляються. Це приклад спадкоємства, обмеженого статтю (на відміну від спадкоємства, зчепленого зі статтю), при якому, наприклад, у жінок пригнічуються гени, що детермінують зростання бороди.

Рисунок 12.8 – Генетичне пояснення співвідношення статей у людини

Морган і його співробітники відмітили, що наслідування кольору очей у дрозофіли залежить від статі батьківських осіб, що несуть альтернативні алелі. Червоне забарвлення очей домінує над білим. При схрещуванні червоноокого самця з білоокою самкою в F2 отримували рівне число червонооких самок і білооких самців.

Проте при схрещуванні білоокого самця з червоноокою самкою в F2 були отримані в рівному числі червоноокі самці і самки. При схрещуванні цих мух F1 між собою були отримані червоноокі самки, червоноокі і білоокі самці, але не було жодної білоокої самки. Той факт, що у самців частота прояву рецесивної ознаки була вища, ніж у самок, наводив на думку, що рецесивний алель, який визначав білоокість, знаходиться в Х-хромосомі, а Y-хромосома позбавлена гена кольору очей. Щоб перевірити цю гіпотезу, Морган схрестив початкового білоокого самця з червоноокою самкою з Fx. У потомстві були отримані червоноокі та білоокі самці та самки. З цього Морган справедливо зробив висновок, що тільки Х-хромосома несе ген кольору очей. У Y-хромосомі відповідного локуса взагалі немає. Це явище відоме під назвою спадковість, зчеплена зі статтю.