Глава 3. Хромосома как носитель наследственной информации

Хромосомная теория наследственности

Основные положения хромосомной теории наследственности были сформулированы Т.Бовери и У.Сэттоном в 1910 г.

Основными положениями теории являются:

1.В возникающих из зиготы соматических клетках набор хромосом состоит их двух сходных групп: материнской – из яйцеклетки и отцовской – из сперматозоида.

2.Хромосомы сохраняют свою структурную и генетическую индивидуальность в течение всего жизненного цикла организма.

3.В мейозе гомологичные хромосомы попарно конъюгируют, а в дальнейшем расходятся, попадая в разные зародышевые клетки.

4.Каждая хромосома или пара хромосом играет определенную роль в развитии особи

Суть хромосомной теории сводится к следующему:

- гены локализованы в хромосомах в определенной линейной последовательности, т.е. каждый ген имеет определенное местоположение, или локус, на хромосоме;

- гены дискретны и стабильны;

- стабильность генов не абсолютна, они могут изменяться – мутировать;

- гены, локализованные на одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления;

- число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида;

- признаки, контролируемые сцепленными генами, наследуются совместно;

- сцепление генов не абсолютно и может нарушаться в результате кроссинговера с образованием рекомбинантных, или кроссоверных хромосом;

- частота кроссинговера обратно пропорциональна силе сцепления между генами;

- вероятность кроссинговера тем выше, чем больше расстояние между генами;

- кроссинговер, нарушающий сцепление между генами, позволяет измерять расстояние между ними в процентах кроссоверных особей и производить картирование хромосом;

- единицей расстояния между генами является морганида.

 

Морфология, структура и классификация хромосом

 

 

Понятие «хромосома» было введено в науку Валдеймером в 1888г. Хромосома – это составная часть клеточного ядра, с помощью которой осуществляется регуляция синтеза белков в клетке, т.е. передача наследственной информации. Хромосомы представлены комплексами нуклеиновых кислот и белка. Функционально хромосома представляет собой нить ДНК с огромной функциональной поверхностью. Количество хромосом постоянно для каждого конкретного вида.

Каждая хромосома образована двумя морфологически идентичными взаимоперевитыми нитями одинакового диаметра – хроматидами. Они тесно соединены центромерой – специальной структурой, управляющей передвижениями хромосом при делении клетки.

В зависимости от положения хромосомы тело хромосомы делится на 2 плеча. Это в свою очередь и определяет 3 основных типа хромосом.

1 тип – Акроцентрическая хромосома.

Ее центромера расположена ближе к концу хромосомы и одно плечо при этом длинное, а другое очень короткое.

2 тип – Субметацентрическая хромосома.

Ее центромера находится ближе к середине хромосомы и делит ее на неравные плечи: короткое и длинное.

3 тип – Метацентрическая хромосома.

Ее центромера находится в самом центре тела хромосомы и делит на равные плечи.

Длина хромосом варьирует в разных клетках от 0,2 до 50 мкм, диаметр – от 0,2 до 2 мкм. Наиболее крупные хромосомы у растений имеют представители семейства лилейных, у животных – некоторые амфибии. Длина большинства хромосом человека составляет 2-6 мкм.

Химический состав хромосом определяется в основном ДНК, а также белками – 5 видами гистоновых и 2 видами негистоновых, а также РНК. Особенности этих химических веществ обуславливают важные функции хромосом:

1.редупликация и передача генетического материала из поколения в поколение;

2.синтез белка и контроль всех биохимических процессов, составляющих основу специфичности развития и дифференциации клеточных систем организма. Кроме того, в составе хромосом обнаружены: сложный остаточный белок, липиды, кальций, магний, железо.

Структурной основой хромосом служит комплекс ДНК – гистон. В хромосоме нить ДНК посредством гистонов упакована в регулярно повторяющиеся структуры с диаметром около 10 нм, называемые нуклеосомами. Поверхность молекул гистонов заряжена положительно, спираль ДНК – отрицательно. Нуклеосомы упакованы в нитевидные структуры, получившие названия фибрилл. Из них построена хроматида.

Главным субстратом, в котором записана генетическая информация организма, являются эухроматиновые районы хромосом. В противоположность ему существует инертный гетерохроматин. В отличие от эухроматина, содержащего уникальные гены, дисбаланс по которым отрицательно отражается на фенотипе организма, изменение в количестве гетерохроматина значительно меньше влияет или совсем не влияет на развитие признаков организма.

Для того, чтобы легче было разобраться в сложном комплексе хромосом, составляющих кариотип, их можно расположить в виде идиограммы, составленной С.Г.Новашиным. В идиограмме хромосомы (кроме половых) располагаются в порядке убывания величины. Однако идентификация только по величине трудна, поскольку ряд хромосом имеет сходные размеры. Величина хромосом измеряется их абсолютной или относительной длиной по отношению к суммарной длине всех хромосом гаплоидного набора. Самые крупные хромосомы человека в 4-5 раз длиннее самых мелких хромосом. В 1960 г. была предложена классификация хромосом человека в зависимости от морфологических характеристик: величины, формы, положения центромеры – в порядке уменьшения общей длины. Согласно этой классификации 22 пары хромосом объеденены в 7 групп:

1гр.1-3 пара хромосом – крупные, метацентрические.

2 гр.4-5 пара хромосом – крупные, субметацентрические.

3 гр.6-12 пара хромосом – средних размеров, субметацентрические.

4 гр.13-15 пара хромосм- средних размеров, акроцентрические.

5 гр.16-18 пара хромосом – короткие, из них 16- метацентрическая, 17 – субметацентрическая, 18 – акроцентрическая.

6 гр.19-20 пара хромосом – короткие, метацентрические.

7 гр.21-22 пара хромосом – очень короткие, акроентрические.

 

 

Хромосомные мутации

Генетикой установлено, что устойчивость хромосом относительна т.к. время от времени гены меняются, не теряя способности к самовоспроизведению. Процесс изменения наследственных структур называется мутация. Иными словами мутация – это способность переходить из одного относительно устойчивого состояния в другое.

В целом мутации возникают спонтанно в природных растительных и животных популяциях или индуцируются мутагенными факторами. В результате мутационного процесса может изменяться программа развития живых организмов. В генетике рассматривают следующие виды мутаций:

- видимые мутации, изменяющие видимые морфологические или физиологические свойства организмов;

- биохимические мутации, изменяющие течение биосинтеза в клетках;

- летальные, полулетальные, субвитальные мутации, нарушающие жизнеспособность особей и обуславливающие гибель зиготы).

Мутации м.б. быть генные и хромосомные. При генных мутациях весь ген или отдельный его участок претерпевает изменение химического характера, т.е.изменяется молекулярная структура ДНК (причем ни световой ни электронный микроскоп не выявляет изменений хромосом, несущей этот ген). Варианты генных мутаций связаны с выпадением, перестановкой, заменой и вставкой нуклеотидов, что приводит к нарушению наследственной информации гена и служит источником появления новых свойств организмов. В среднем один ген 1 раз в 100 000 поколений создает копию, непохожую на него самого.

У каждого человека в течение жизни возникают новые мутации в зародышевых клетках, которые добавляются к уже унаследованным от родителей. Это так называемый мутационный груз, который может приводить к различным нарушениям в развитии человека.

В любом периоде жизни могут возникнуть мутации под влиянием внешних и внутренних факторов, например, ультрафиолетовых лучей, ионизирующих излучений, азотистых кислот, формальдегидов и т.д. В результате в соматических и половых клетках наблюдается уменьшение или увеличение хромосом или изменение их структуры. Такие хромосомные мутации могут выражаться в виде полиплоидии, гетероплоидии и хромосомных аберраций.

Полиплоидия – кратное изменение (увеличение) числа хромосом.

Если обозначить гаплоидный набор хромосом буквой N, то в соматических клетках будет содержаться диплоидный набор – 2N. При полиплоидии новая генетическая система отличается более интенсивным синтезом ДНк и белка. Поэтому набор хромосом м.б. 3N, 4N….8N и т.д. В результате таких изменений у растений увеличиваются размеры клеток, улучшаются свойства растительного организма и этот факт используется в селекционных процессах злаковых, цитрусовых, ягодные, технических культур. Полиплоидию часто находят у абортированных плодов человека и редко у новорожденных.

Гетероплоидия - увеличение или уменьшение числа хромосом (на 1-2) в кариотипе.

Если диплоидный набор хромосом увеличен на 1 хромосому (2n+1), то особи с таким кариотипом называются трисомиками, а сама мутация трисомией. Если кариотип содержит на 1 хромосому меньше (2n-1), то особи называются моносомиками, а сама мутация моносомией.

Причина гетероплоидии у человека связана с нарушением деления при образовании половых клеток, когда в одну дочернюю клетку входят обе хромосомы какой-либо пары, а в другую – ни одной. После оплодотворения таких клеток возникают зиготы с трисомией. Изменения числа хромосом нарушает соотношение синтезируемых веществ, необходимых для норм ального развития организма, проявляется в виде уродств, снижения умственных способностей. Примерами гетероплоидии являются: трисомия по 21 паре хромосом – с.Дауна, по 23 паре – с.Кляйнфельтера, по 22 паре – шизофрения, по 13 паре – задержка психического развития, по 14 паре – дефекты зрения; моносомия по 23 паре – с.Шерешевского-Тернера, по 22 паре – психопатия.

Хромосомные аберрации (перестройки) – нарушение структуры хромосом.

Они м.б.в виде:

- делеции;

- дупликации;

- инверсии;

- транслокации;

- фрагментации.

Простая делеция – это утрата части одной хромосомы. Она обычно приводит к эмбриональной смерти или пороку развития. Примером делеции может служить с.»кошачьего крика».

Дупликация – удвоение какого-либо одного участка хромосомы, которое приводит к изменению генного баланса и, следовательно, к нарушениям синтеза белка и изменению признаков организма. Дупликация может возникнуть при неравном кроссинговере между сестринскими хроматидами. Дупликация является летальной.

Инверсия - изменение порядка расположения генов в хромосоме посредством разрывов. Для образования инверсии необходимо наличие 2х разрывов. В целом индивидуумы, несущие инверсию фенотипически нормальные, но если в хромосоме с инверсией произойдет кроссинговер, это приведет к гибели гамет или плода.

Траснлокация (перемещение) – обмен материалов между двумя или несколькими хромосомами. Эта мутация приводит к развитию вегетативных нарушений.

Фрагментация – распад хромосом на части, фрагменты, что нарушает генный баланс, вызывая изменения синтеза белка, нарушение биохимических реакций в организме, врожденные пороки в развитии.

Характерной чертой врожденных пороков развития, обусловленных хромосомным дисбалансом, является их множественность и системность: черепно-лицевые дистрофии, пороки развития скелета, конечностей, пороки внутренних органов, сердца, конечностей, пороки внутренних органов, сердца, мочеполовой и пищеварительной систем, нервной системы, отставание в росте и общем психическом развитии.

Нарушения числа и структуры хромосом в клетке можно выявить при использовании цитологических методов, понять общие вопросы наследственности, изменчивости и установить причину наследственных болезней.