1.Раскройте механизмы, обеспечивающие постоянство числа и формы хромосом во всех клетках организмов из поколения в поколение?
Элементы ответа:
1) благодаря мейозу образуются гаметы с гаплоидным набором хромосом;
2) при оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом, что обеспечивает постоянство хромосомного набора;
3) рост организма происходит за счёт митоза, обеспечивающего постоянство числа хромосом в соматических клетках
2.Известно, что аппарат Гольджи особенно хорошо развит в железистых клетках поджелудочной железы. Объясните почему.
Элементы ответа:
1) в клетках поджелудочной железы синтезируются ферменты, которые накапливаются в полостях аппарата Гольджи;
2) в аппарате Гольджи ферменты упаковываются в виде пузырьков;
3) из аппарата Гольджи ферменты выносятся в проток поджелудочной железы.
3.Общая масса митохондрий по отношению к массе клеток различных органов крысы составляет: в поджелудочной железе - 7,8%, в печени - 18,4%, в сердце - 35,8%. Почему в клетках этих органов различное содержание митохондрий?
Элементы ответа:
1) митохондрии являются энергетическими станциями клетки, в них синтезируются и накапливаются молекулы АТФ;
2) для интенсивной работы сердечной мышцы необходимо много энергии и поэтому содержание митохондрий в её клетках наиболее высокое;
3) в печени количество митохондрий по сравнению с поджелудочной железой выше, так как в ней идет более интенсивный обмен веществ.
4.Какое деление мейоза сходно с митозом? Объясните, в чём оно выражается и к какому набору хромосом в клетке приводит.
Элементы ответа:
1) сходство с митозом наблюдается во втором делений мейоза;
2) все фазы сходны, к полюсам клетки расходятся сестринские хромосомы (хроматиды);
3) образовавшиеся клетки имеют гаплоидный набор хромосом.
5. В каких случаях изменение последовательности нуклеотидов ДНК не влияет на структуру и функции соответствующего белка?
Элементы ответа:
1) если в результате замены нуклеотида возникает другой кодон, кодирующий ту же аминокислоту;
2) если кодон, образовавшийся в результате замены нуклеотида, кодирует другую аминокислоту, но со сходными химическими свойствами, не изменяющую структуру белка;
3) если изменения нуклеотидов произойдут в межгенных или нефункционирующих участках ДНК.
6. Какие особенности хромосом обеспечивают передачу наследственной информации?
Элементы ответа:
2) способны к самоудвоению за счёт репликации ДНК;
3) способны равномерно распределяться в клетках при делении, обеспечивая преемственность признаков.
7. Объясните, в чём заключается сходство и различие мутационной и комбинативной изменчивости.
Схема решения задачи включает:
1) сходство: мутационная и комбинативная изменчивости затрагивают генотипы организма и наследуются;
2) отличия: мутации - изменения генотипа обусловлены изменением наследственных структур (генов, хромосом, генома);
3) при комбинативной изменчивости возникают различные сочетания генов.
Хромосомные мутации (по-другому их называют аберрациями, перестройками) - это непредсказуемые изменения в структуре хромосом. Чаще всего они вызываются проблемами, возникающими в процессе деления клетки. Воздействие инициирующих факторов среды - это еще одна возможная причина хромосомных мутаций. Давайте же разберемся, какими могут быть проявления такого рода изменений в структуре хромосом и какие последствия они несут для клетки и всего организма.
Мутации. Общие положения
В биологии мутация определяется как стойкое изменение структуры генетического материала. Что значит «стойкое»? Оно передается по наследству потомкам организма, имеющего мутантную ДНК. Происходит это следующим образом. Одна клетка получает неправильную ДНК. Она делится, а две дочерние копируют ее строение полностью, то есть они тоже содержат измененный генетический материал. Далее таких клеток становится все больше, и, если организм переходит к размножению, его потомки получают сходный мутантный генотип.
Мутации обычно не проходят бесследно. Некоторые из них меняют организм настолько, что результатом этих изменений становится летальный исход. Часть из них заставляет организм функционировать по-новому, снижая его способности к адаптации и приводя к серьезным патологиям. И очень малое количество мутаций приносит организму пользу, повышая тем самым его способность адаптироваться к условиям окружающей среды.
Выделяют мутации генные, хромосомные и геномные. Такая классификация основывается на различиях, происходящих в разных структурах генетического материала. Хромосомные мутации, таким образом, затрагивают строение хромосом, генные - последовательность нуклеотидов в генах, а геномные вносят изменения в геном всего организма, прибавляя или отнимая целый набор хромосом.
Поговорим о хромосомных мутациях более подробно.
Какими могут быть хромосомные перестройки?
В зависимости от того, как локализованы происходящие изменения, различают следующие типы хромосомных мутаций.
- Внутрихромосомные - преобразование генетического материала в пределах одной хромосомы.
- Межхромосомные - перестройки, в результате которых две негомологичные хромосомы обмениваются своими участками. Негомологичные хромосомы содержат разные гены и не встречаются в процессе мейоза.
Каждому из этих типов аберраций соответствуют некоторые виды хромосомных мутаций.
Делеции
Делеция - это отделение или выпадение какого-либо участка хромосомы. Несложно догадаться, что этот тип мутации относится к внутрихромосомным.
Если отделяется крайний участок хромосомы, то делеция называется концевой. Если же происходит выпадение генетического материала ближе к центру хромосомы, такая делеция именуется интерстициальной.
Этот тип мутаций может оказывать влияние на жизнеспособность организма. К примеру, выпадение участка хромосомы, кодирующего определенный ген, обеспечивает человеку невосприимчивость к вирусу иммунодефицита. Эта адаптационная мутация возникла примерно 2000 лет назад и некоторым людям, заболевшим СПИДом, удалось выжить только благодаря тому, что им повезло иметь хромосомы с измененной структурой.
Дупликации
Еще один вид внутрихромосомных мутаций - дупликации. Это копирование участка хромосомы, которое происходит вследствие ошибки при так называемом перекресте, или кроссинговере в процессе деления клетки.
Скопированный таким образом участок может сохранять свое положение, поворачиваться на 180°, или даже повторяться несколько раз, и тогда такая мутация называется амплификацией.
У растений количество генетического материала может увеличиваться именно путем многократных дупликаций. В таком случае обычно меняются способности целого вида к адаптации, а это значит, что такие мутации имеют большое эволюционное значение.
Инверсии
Также относятся к внутрихромосомным мутациям. Инверсия - это поворот определенного участка хромосомы на 180°.
Перевернутая в результате инверсии часть хромосомы может находиться по одну сторону от центромеры (парацентрическая инверсия) или по разные ее стороны (перицентрическая). Центромера - это так называемая область первичной перетяжки хромосомы.
Обычно инверсии не оказывают влияния на внешние признаки организма и не приводят к патологиям. Существует, однако, предположение, что у женщин с инверсией определенного участка девятой хромосомы вероятность выкидыша при беременности возрастает на 30 %.
Транслокации
Транслокация - это перемещение участка одной хромосомы на другую. Эти мутации относятся к типу межхромосомных. Выделяют два вида транслокаций.
- Реципрокные - это обмен двух хромосом определенными участками.
- Робертсоновские - слияние двух хромосом с коротким плечом (акроцентрических). В процессе робертсоновской транслокации короткие участки обеих хромосом утрачиваются.
Реципрокные транслокации приводят у людей к проблемам с деторождением. Иногда такие мутации становятся причиной невынашивания беременности или ведут к появлению на свет детей с врожденными патологиями развития.
Робертсоновские транслокации достаточно часто встречаются у человека. В частности, если транслокация происходит с участием хромосомы 21, у плода развивается синдром Дауна, одна из самых часто регистрируемых врожденных патологий.
Изохромосомы
Изохромосомы - это хромосомы, потерявшие одно плечо, но при этом заменившие его на точную копию другого своего плеча. То есть по сути такой процесс можно считать делецией и инверсией в одном флаконе. В очень редких случаях такие хромосомы имеют две центромеры.
Изохромосомы присутствуют в генотипе женщин, страдающих синдромом Шерешевского - Тернера.
Все описанные выше виды хромосомных мутаций присущи различным живым организмам, в том числе и человеку. Как же они проявляются?
Хромосомные мутации. Примеры
Мутации могут происходить в половых хромосомах и в аутосомах (всех остальных парных хромосомах клетки). Если мутагенез затрагивает половые хромосомы, последствия для организма, как правило, оказываются тяжелыми. Возникают врожденные патологии, которые затрагивают умственное развитие индивида и обычно выражаются в изменениях фенотипа. То есть внешне мутантные организмы отличаются от нормальных.
Геномные и хромосомные мутации чаще возникают у растений. Однако встречаются они и у животных, и у человека. Хромосомные мутации, примеры которых мы рассмотрим ниже, проявляются в возникновении тяжелых наследственных патологий. Это синдром Вольфа-Хиршхорна, синдром «кошачьего крика», болезнь частичной трисомии по короткому плечу хромосомы 9, а также некоторые другие.
Синдром «кошачьего крика»
Это заболевание было открыто в 1963 году. Возникает оно из-за частичной моносомии по короткому плечу хромосомы 5, обусловленной делецией. Один из 45 000 детей рождается с этим синдромом.
Почему это заболевание получило такое название? Дети, страдающие этой болезнью, имеют характерный плач, который напоминает кошачье мяуканье.
При делеции короткого плеча пятой хромосомы могут утрачиваться разные его участки. Клинические проявления заболевания напрямую зависят от того, какие гены были утеряны в ходе этой мутации.
Строение гортани изменяется у всех больных, а значит «кошачий крик» характерен всем без исключения. У большей части страдающих этим синдромом отмечается изменение строения черепа: уменьшение мозгового отдела, лунообразная форма лица. Ушные раковины при синдроме «кошачьего крика» обычно расположены низко. Иногда у больных отмечаются врожденные патологии сердца или других органов. Характерным признаком также становится умственная отсталость.
Обычно больные с этим синдромом умирают в раннем детстве, лишь 10% из них доживает до десятилетнего возраста. Однако зафиксированы и случаи долгожительства при синдроме "кошачьего крика" - до 50 лет.
Синдром Вольфа-Хиршхорна
Этот синдром встречается значительно реже - 1 случай на 100 000 рождений. Обусловлен он делецией одного из сегментов короткого плеча четвертой хромосомы.
Проявления этого заболевания разнообразны: задержка развития физической и психической сферы, микроцефалия, характерная клювовидная форма носа, косоглазие, расщелины неба или верхней губы, маленький рот, пороки внутренних органов.
Как и многие другие хромосомные мутации человека, болезнь Вольфа-Хиршхорна относится к категории полулетальных. Это значит, что жизнеспособность организма при такой болезни существенно снижена. Дети с диагностированным синдромом Вольфа-Хиршхорна обычно не доживают до 1 года, однако зафиксирован один случай, когда больной прожил 26 лет.
Синдром частичной трисомии по короткому плечу хромосомы 9
Возникает это заболевание по причине несбалансированных дупликаций в девятой хромосоме, в результате чего генетического материала в этой хромосоме становится больше. Всего известно более 200 случаев таких мутаций у человека.
Клиническая картина описывается задержкой физического развития, легкой умственной отсталостью, характерным выражением лица. Пороки сердца обнаруживаются у четвертой части всех больных.
При синдроме частичной трисомии короткого плеча хромосомы 9 прогноз все же относительно благоприятный: большая часть больных доживают до пожилого возраста.
Другие синдромы
Иногда даже на очень маленьких участках ДНК происходят хромосомные мутации. Болезни в таких случаях обычно обусловлены дупликациями или делециями, и их называют соответственно микродупликационными или микроделеционными.
Самым распространенным таким синдромом считается болезнь Прадера-Вилли. Возникает она из-за микроделеции участка хромосомы 15. Что интересно, эта хромосома должна быть обязательно получена организмом от отца. В результате микроделеции затронутыми оказываются 12 генов. У больных с этим синдромом отмечаются умственная отсталость, ожирение, а также у них обычно маленькие стопы и кисти рук.
Еще одним примером таких хромосомных болезней может служить синдром Сотоса. Происходит микроделеция на участке длинного плеча хромосомы 5. Клиническая картина этого наследственного заболевания характеризуется быстрым ростом, увеличением в размерах кистей рук и стоп, наличием выпуклого лба, некоторой задержкой психического развития. Частота встречаемости этого синдрома не установлена.
Хромосомные мутации, точнее, микроделеции на участках 13 и 15 хромосом, вызывают соответственно опухоль Вильмса и ретинбластому. Опухоль Вильмса - это рак почек, который возникает преимущественно у детей. Ретинобластома - это злокачественная опухоль сетчатки, которая также встречается у детей. Эти заболевания лечатся, если диагностика их проведена на ранних стадиях. В некоторых случаях врачи прибегают к оеративному вмешательству.
Современная медицина избавляет от многих болезней, но вылечить или хотя бы предотвратить хромосомные мутации пока нельзя. Их можно только выявить в начале внутриутробного развития плода. Однако генная инженерия не стоит на месте. Быть может, в скором времени способ предотвращения болезней, вызываемых хромосомными мутациями, будет найден.
Наследственность и изменчивость в живой природе существуют благодаря хромосомам, генам, (ДНК). Хранится и передается в виде цепочки нуклеотидов в составе ДНК. Какая роль в этом явлении принадлежит генам? Что такое хромосома с точки зрения передачи наследственных признаков? Ответы на подобные вопросы позволяют разобраться в принципах кодирования и генетическом разнообразии на нашей планете. Во многом оно зависит от того, сколько хромосом входит в набор, от рекомбинации этих структур.
Из истории открытия «частиц наследственности»
Изучая под микроскопом клетки растений и животных, многие ботаники и зоологи еще в середине XIX века обратили внимание на тончайшие нити и мельчайшие кольцевидные структуры в ядре. Чаще других первооткрывателем хромосом называют немецкого анатома Вальтера Флемминга. Именно он применил анилиновые красители для обработки ядерных структур. Обнаруженное вещество Флемминг назвал "хроматином" за его способность к окрашиванию. Термин «хромосомы» в 1888 году ввел в научный оборот Генрих Вальдейер.
Одновременно с Флеммингом искал ответ на вопрос о том, что такое хромосома, бельгиец Эдуард ван Бенеден. Чуть раньше немецкие биологи Теодор Бовери и Эдуард Страсбургер провели серию экспериментов, доказывающих индивидуальность хромосом, постоянство их числа у разных видов живых организмов.
Предпосылки хромосомной теории наследственности
Американский исследователь Уолтер Саттон выяснил, сколько хромосом содержится в клеточном ядре. Ученый считал эти структуры носителями единиц наследственности, признаков организма. Саттон обнаружил, что хромосомы состоят из генов, с помощью которых потомкам от родителей передаются свойства и функции. Генетик в своих публикациях дал описания хромосомных пар, их движения в процессе деления клеточного ядра.
Независимо от американского коллеги, работы в том же направлении вел Теодор Бовери. Оба исследователя в своих трудах изучали вопросы передачи наследственных признаков, сформулировали основные положения о роли хромосом (1902-1903). Дальнейшая разработка теории Бовери-Саттона происходила в лаборатории нобелевского лауреата Томаса Моргана. Выдающийся американский биолог и его помощники установили ряд закономерностей размещения генов в хромосоме, разработали цитологическую базу, объясняющую механизм законов Грегора Менделя — отца-основателя генетики.
Хромосомы в клетке
Исследование строения хромосом началось после их открытия и описания в XIX веке. Эти тельца и нити содержатся в прокариотических организмах (безъядерных) и эукариотических клетках (в ядрах). Изучение под микроскопом позволило установить, что такое хромосома с морфологической точки зрения. Это подвижное нитевидное тельце, которое различимо в определенные фазы клеточного цикла. В интерфазе весь объем ядра занимает хроматин. В другие периоды различимы хромосомы в виде одной или двух хроматид.
Лучше видны эти образования во время клеточных делений — митоза или мейоза. В чаще можно наблюдать крупные хромосомы линейного строения. У прокариотов они меньше, хотя есть исключения. Клетки зачастую включают более одного типа хромосом, например свои собственные небольшие «частицы наследственности» есть в митохондриях и хлоропластах.
Формы хромосом
Каждая хромосома обладает индивидуальным строением, отличается от других особенностями окрашивания. При изучении морфологии важно определить положение центромеры, длину и размещение плеч относительно перетяжки. В набор хромосом обычно входят следующие формы:
- метацентрические, или равноплечие, для которых характерно срединное расположение центромеры;
- субметацентрические, или неравноплечие (перетяжка смещена в сторону одного из теломеров);
- акроцентрические, или палочковидные, в них центромера находится практически на конце хромосомы;
- точковые с трудно поддающейся определению формой.
Функции хромосом
Хромосомы состоят из генов — функциональных единиц наследственности. Теломеры — концы плеч хромосомы. Эти специализированные элементы служат для защиты от повреждения, препятствуют слипанию фрагментов. Центромера выполняет свои задачи при удвоении хромосом. На ней есть кинетохор, именно к нему крепятся структуры веретена деления. Каждая пара хромосом индивидуальна по месту расположения центромеры. Нити веретена деления работают таким образом, что в дочерние клетки отходит по одной хромосоме, а не обе. Равномерное удвоение в процессе деления обеспечивают точки начала репликации. Дупликация каждой хромосомы начинается одновременно в нескольких таких точках, что заметно ускоряет весь процесс деления.
Роль ДНК и РНК
Выяснить, что такое хромосома, какую функцию выполняет эта ядерная структура, удалось после изучения ее биохимического состава и свойств. В эукариотических клетках ядерные хромосомы образованы конденсированным веществом — хроматином. По данным анализа, в его состав входят высокомолекулярные органические вещества:
Нуклеиновые кислоты принимают самое непосредственное участие в биосинтезе аминокислот и белков, обеспечивают передачу наследственных признаков из поколения в поколение. ДНК содержится в ядре эукариотической клетки, РНК сосредоточена в цитоплазме.
Гены
Рентгеноструктурный анализ показал, что ДНК образует двойную спираль, цепи которой состоят из нуклеотидов. Они представляют собой углевод дезоксирибозу, фосфатную группу и одно из четырех азотистых оснований:
Участки спиралевидных дезоксирибонуклеопротеидных нитей — это гены, несущие закодированную информацию о последовательности аминокислот в белках или РНК. При размножении наследственные признаки от родителей потомству передаются в виде аллелей генов. Они определяют функционирование, рост и развитие конкретного организма. По мнению ряда исследователей, те участки ДНК, что не кодируют полипептиды, выполняют регулирующие функции. Геном человека может насчитывать до 30 тыс. генов.
Набор хромосом
Общее число хромосом, их особенности — характерный признак вида. У мухи-дрозофилы их количество — 8, у приматов — 48, у человека — 46. Это число является постоянным для клеток организмов, которые относятся к одному виду. Для всех эукариотов существует понятие «диплоидные хромосомы». Это полный набор, или 2n, в отличие от гаплоидного — половинного количества (n).
Хромосомы в составе одной пары гомологичны, одинаковы по форме, строению, местоположению центромер и других элементов. Гомологи имеют свои характерные особенности, которые их отличают от других хромосом в наборе. Окрашивание основными красителями позволяет рассмотреть, изучить отличительные черты каждой пары. присутствует в соматических же — в половых (так называемых гаметах). У млекопитающих и других живых организмов с гетерогаметным мужским полом формируются два вида половых хромосом: Х-хромосома и Y. Самцы обладают набором XY, самки — XX.
Хромосомный набор человека
Клетки организма человека содержат 46 хромосом. Все они объединяются в 23 пары, составляющие набор. Есть два типа хромосом: аутосомы и половые. Первые образуют 22 пары — общие для женщин и мужчин. От них отличается 23-я пара — половые хромосомы, которые в клетках мужского организма являются негомологичными.
Генетические черты связаны с половой принадлежностью. Для их передачи служат Y и Х-хромосома у мужчин, две X у женщин. Аутосомы содержат оставшуюся часть информации о наследственных признаках. Существуют методики, позволяющие индивидуализировать все 23 пары. Они хорошо различимы на рисунках, когда окрашены в определенный цвет. Заметно, что 22-я хромосома в геноме человека - самая маленькая. Ее ДНК в растянутом состоянии имеет длину 1,5 см и насчитывает 48 млн пар азотистых оснований. Специальные белки гистоны из состава хроматина выполняют сжатие, после чего нить занимает в тысячи раз меньше места в ядре клетки. Под электронным микроскопом гистоны в интерфазном ядре напоминают бусы, нанизанные на нить ДНК.
Генетические заболевания
Существует более 3 тыс. наследственных болезней разного типа, обусловленных повреждениями и нарушениями в хромосомах. К их числу относится синдром Дауна. Для ребенка с таким генетическим заболеванием характерно отставание в умственном и физическом развитии. При муковисцидозе происходит сбой в функциях желез внешней секреции. Нарушение ведет к проблемам с потоотделением, выделению и накоплению слизи в организме. Она затрудняет работу легких, может привести к удушью и летальному исходу.
Нарушение цветового зрения — дальтонизм — невосприимчивость к некоторым частям цветового спектра. Гемофилия приводит к ослаблению свертываемости крови. Непереносимость лактозы не позволяет организму человека усваивать молочный сахар. В кабинетах планирования семьи можно узнать о предрасположенности к тому или иному генетическому заболеванию. В крупных медицинских центрах есть возможность пройти соответствующее обследование и лечение.
Генотерапия — направление современной медицины, выяснение генетической причины наследственных заболеваний и ее устранение. С помощью новейших методов в патологические клетки вместо нарушенных вводят нормальные гены. В таком случае врачи избавляют больного не от симптомов, а от причин, вызвавших заболевание. Проводится только коррекция соматических клеток, методы генной терапии пока не применяются массово по отношению к половым клеткам.
С помощью хромосомных перестроек возможно:
- изучать взаимодействие генов при изменении их положения в хромосоме;
- выяснять влияние расположения эухроматинового и гетерохроматинового материала на фенотипический эффект гена;
- исследовать межхромосомные отношения в генотипе организма;
- получать новые группы сцепления.
Иначе говоря, ту структуру кариотипа и генотипа видов, которая отрабатывалась в ходе эволюции в течение сотен тысяч и миллионов лет, генетик имеет возможность перестроить в течение нескольких поколений. С помощью хромосомных перестроек можно создавать новые системы генотипов.
Хромосомные перестройки, происходящие как внутри одной хромосомы, так и между негомологичными хромосомами, являются очень важным механизмом перекомбинации генов внутри хромосомного набора каждого вида.
Из изложенного должно быть ясно, что перестройки хромосом могут изменять поведение хромосом в мейозе, действие генов, свойств доминирования генов, характер рекомбинации генов, гаметогенез и т. д. Поскольку естественный отбор контролирует все процессы в организме, очевидно, что потомство организмов с разными хромосомными перестройками будет иметь разные шансы на выживаемость.
Мы уже говорили о том, что явление гомологичной наследственной изменчивости объясняется в ряде случаев происхождением видов на основе хромосомных перестроек исходного кариотипа. Однако следует помнить, что когда формулировался закон гомологических рядов, то еще не было достаточного количества фактов о наличие хромосомных перестроек, и закон разрабатывался на основе фенотипической классификации наследственной изменчивости.
Теперь в генетике накоплено большое количество фактов, дающих основание признать, что одним из основных механизмов, обусловливающим возникновение гомологических рядов мутаций у близких видов, является процесс хромосомных перестроек. Транслокации, инверсии, дупликации и полиплоидия в процессе дифференциации вида на расы, подвиды и новые виды играют роль изолирующих факторов одной группы индивидуумов от другой. Указанные хромосомные перестройки вызывают нескрещиваемость особей в популяции, а также снижение плодовитости и жизнеспособности зигот вследствие нарушения генного баланса. Но в случаях возникновения жизнеспособной формы, гомозиготной по транслокации, инверсии или дупликации, она может оказаться приспособленной к определенным условиям существования и свободно размножится, а затем обособится в новый вид. У этого нового вида сохраняются прежние гены, но либо они окажутся в других группах сцепления, либо в иной последовательности расположения. Такие гены могут мутировать в том же направлении, что и у исходного вида, и таким образом обусловливать возникновение гомологичных рядов мутаций. Как показывают генетические исследования родственных видов, особенно в роде Drosophila, их генетические системы оказываются очень сходными, а различия касаются главным образом расположения отдельных генов.
Роль хромосомных перестроек важна и для эволюции генотипа. Как было показано, в результате транслокаций, дупликаций и инверсий гены вследствие эффекта положения изменяют характер Доминирования. Если полезная мутация гена является рецессивной, то с помощью эффекта положения она может проявиться в гетерозиготном состоянии и стабилизироваться в жизни вида. Значение транслокаций особенно велико в переносе отдельных участков аутосом на половые хромосомы. Эти перестройки являются важным фактором в определении нескрещиваемости видов животных.
Как мы уже знаем, Y-хромосома чаще состоит из гетерохроматина и генетически мало активна. Но у разных животных это проявляется в разной степени. Так, при общей малой активности Y-хромосомы дрозофилы один из ее участков, однако, является гомологичным участку в Х-хромосоме. В Y-хромосоме человека такой участок значительно длиннее, то же самое имеет место и у растения меландриум.
В X- и Y-хромосомах могут быть как гомологичные участки, так и негомологичные, т. е. в Х-хромосоме всегда имеется свой, характерный для нее, район, отсутствующий в Y-хромосоме; гены в этом районе будут наследоваться сцепленно с полом. В Y-хромосоме также имеется район, не представленный в Х-хромосоме. Признаки, определяемые генами этого района (голандрическими генами), наследуются только по мужской линии при гетерогаметичности мужского пола.
Гомологичные и негомологичные участки в половых хромосомах, очевидно, могли произойти также посредством хромосомных перестроек. Об этом говорит тот факт, что у многих видов животных число гетероморфных хромосом сильно варьирует.
Схематически показан ход возможного обмена фрагментами между Х-хромосомой и аутосомой у гетерогаметного пола Х0 в результате транслокации. Вследствие такой перестройки образуется новый тип гетерохромосом X 1 X 2 Y. Цитологический анализ мейоза у таких форм показывает образование тривалентов, что подтверждает правильность предположения о происхождении гетероморфных хромосом посредством транслокаций.
Цитологический анализ у некоторых родственных видов животных показывает, что гаплоидные числа хромосом в их наборе различаются, при этом, отдельные хромосомы могут нести гомологичные участки. У некоторых родственных видов дрозофилы известны 3 пары хромосом (D. willistoni), у других - 4 пары (D. melanogaster и D. americana), у третьей группы - 6 пар (D. virilis).
Хромосомы могут превращаться в двуплечие хромосомы и, наоборот, может изменяться также и число хромосом в наборе.
Результаты исследования хромосомных перестроек убеждают во-первых, в наличии линейной дискретности хромосом и, Во-вторых, в том, что генотип представляет целостную систему, не сумму отдельных генов.
Рассмотрение хромосомных перестроек приводит к выводу, что они:
- лежат в основе изменений групп сцепления генов;
- изменяют характер наследования признаков и свойств в поколениях;
- изменяют проявление и взаимодействие генов;
- являются не только источником наследственной изменчивости комбинативного характера, но и механизмом преобразования генотипа и кариотипа в процессе эволюции;
- свидетельствуют о том, что многие гены, считавшиеся «классическими» точковыми мутациями, оказываются или дупликациями, или делециями, или инверсиями.
Хромосомные перестройки служат методом цитогенетической локализации генов в хромосомах, методом исследования механизма мейоза и тонкого картирования генов. Они могут быть использованы в практических целях для изменения групп сцепления генов, определяющих хозяйственно-ценные признаки.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Хромосомы (греч. chrōma цвет, окраска + sōma тело) - основные структурно-функциональные элементы клеточного ядра, содержащие гены. Название «хромосомы» обусловлено их способностью интенсивно окрашиваться основными красителями во время деления клетки. Каждый биологический вид характеризуется постоянством числа, размеров и других морфологических признаков хромосомы. Хромосомный набор половых и соматических клеток различен. В соматических клетках содержится двойной (диплоидный) набор хромосомы который можно разделить на пары гомологичных (идентичных) хромосом, сходных по величине и морфологии. Один из гомологов всегда отцовского, другой- материнского происхождения. В половых клетках (гаметах) эукариот (многоклеточных организмов, в т.ч. человека) все хромосомы набора представлены в единственном числе (гаплоидный хромосомный набор). В оплодотворенной яйцеклетке (зиготе) гаплоидные наборы мужских и женских гамет объединяются в одном ядре, восстанавливая двойной набор хромосом.У человека диплоидный хромосомный набор (кариотип) представлен 22 парами хромосом (аутосом) и одной парой половых хромосом (гоносом). Половые хромосомы различаются не только по составу содержащихся в них генов, но и по своей морфологии. Развитие из зиготы женской особи определяет пара половых хромосом, состоящая из двух Х-хромосом, то есть ХХ-пара, а мужской - пара, состоящая из X-хромосомы и У-хромосомы, - то есть ХУ-пара.
Физико-химическая природа хромосомы зависит от сложности организации биологического вида. Так, у РНК-содержащих вирусов рольхромосомы. выполняет однонитевая молекула РНК, у ДНК-содержащих вирусов и прокариот (бактерий, синезеленых водорослей) единственная хромосомыпредставляет собой свободную от структурных белков, замкнутую в кольцо молекулу ДНК, прикрепленную одним из своих участков к клеточной стенке. У эукариот главными молекулярными компонентами Х. служат ДНК, основные белки гистоны, кислые белки и РНК (содержание кислых белков и РНК в хромосоме варьирует на различных этапах клеточного цикла).
ДНК в хромосоме существует в виде комплекса с гистонами, хотя отдельные участки молекулы ДНК могут быть свободными от этих белков.
Комплексы ДНК с гистонами формируют элементарные структурные частицы хромосомы - нуклеосомы. При участии специфического гистона происходит уплотнение нуклеосомной нити, отдельные нуклеосомы тесно прилегают друг к другу, образуя фибриллу. Фибрилла подвергается дальнейшей пространственной укладке формируя нить второго порядка. Из нитей второго порядка образуются петли, которые являются структурами третьего порядка организации хромосом.
Морфология хромосом различна в отдельных фазах клеточного цикла. В пресинтетической фазе хромосомы представлены одной нитью (хроматидой), в постсинтетической фазе состоят из двух хроматид. В интерфазе хромосомы занимают весь объем ядра, образуя так называемый хроматин. Плотность хроматина в разных участках ядра неодинакова. Рыхлые участки, слабо окрашивающиеся основными красителями, сменяются более плотными участками, окрашивающимися интенсивно.
Первые представляют собой эухроматин: участки плотного хроматина содержат гетерохроматин или генетически инактивированные части хромосомы.
Индивидуально различимые тела хромосом формируются ко времени клеточного деления - митоза или мейоза. В профазе первого мейотического деления хромосомы. претерпевают сложный цикл преобразований, связанных с конъюгацией гомологичных хромосом по длине с образованием так называемых бивалентов и генетической рекомбинацией между ними. В профазе митотического деления хромосомы выглядят как длинные переплетенные нити. Формирование «тела» хромосомы в метафазе клеточного деления происходит путем уплотнения структур третьего порядка неизвестным пока способом. Наименьшую длину и характерные морфологические особенности хромосом можно наблюдать именно на стадии метафазы. Поэтому всегда описание индивидуальных особенностей отдельных хромосом, как и всего хромосомного набора, соответствует их состоянию в метафазе митоза. Обычно на этой стадии хромосомы представляют собой продольно расщепленные образования, состоящие из двух сестринских хроматид.
Обязательным элементом структуры Х. является так называемая первичная перетяжка, где обе хроматиды сужаются и сохраняются объединенными. В зависимости от локализации центромеры различают хромосомы метацентрические (центромеры расположена посередине), субметацентрические (центромера смещена по отношению к центру) и акроцентрические (центромера расположена близко к концу хромосомы). Концы хромосомы называют теломерами.
В основе индивидуализации хромосом человека (и других организмов) лежит их способность окрашиваться на чередующиеся светлые и темные поперечные полосы по длине хромосомы при использовании специальных способов окраски. Число, положение и ширина таких полос специфичны для каждой хромосомы. Это обеспечивает надежную идентификацию всех Х. человека в нормальном хромосомном наборе и позволяет расшифровывать происхождение изменений в хромосомах при цитогенетическом обследовании пациентов с различной наследственной патологией.
Сохранение постоянства числа хромосом в хромосомном наборе и структуры каждой отдельной хромосомы. является непременным условием нормальною развития индивидуума в онтогенезе. Однако в течение жизни в организме могут возникать геномные и хромосомные мутации. Геномные мутации являются следствием нарушения механизма деления клеток и расхождения хромосом. Полиплоидия - увеличение числа гаплоидных наборов хромосом больше диплоидного; анэуплоидия (изменение числа отдельных хромосомы.) возможна в результате потери одной из двух гомологичных хромосомы (моносомия) или, наоборот, появления лишних хромосомы. - одной, двух и более (трисомия, тетрасомия и т.д.). В соматических клетках, отличающихся интенсивным функционированием, изменение плоидности может быть физиологическим (например, физиологическая полиплоидия в клетках печени). Однако анэуплоидия в соматических клетках нередко наблюдается при развитии опухолей. Среди детей с наследственными хромосомными болезнями преобладают так называемые анэуплоиды по отдельным аутосомам и половым хромосомам. Трисомия чаще затрагивает путосомы 8, 13, 18, 21 пар и Х-хромосомы. В результате трисомии хромосом 21 пары развивается Дауна болезнь. Примером моносомии может служить Шерешевского - Тернера синдром, обусловленный утратой одной из Х-хромосом. Анэуплоидия, возникшая в первых делениях зиготы, приводит к возникновению организма с различным числом Х. данной пары в разных клетках тканей (явление мозаицизма).
Геномные и хромосомные мутации играют важную роль в эволюции биологических видов. Сравнительное изучение Х. и хромосомных наборов позволило остановить степень филогенетического родства человека и человекообразных обезьян, смоделировать набор хромосом у их общего предка и определить, какие структурные перестройки хромосом произошли в ходе эволюции человека.