История создания хромосомной теории наследственности кратко

Обновлено: 04.07.2024

Развитие естественных наук, в частности цитологии, и появление более мощных микроскопов способствовали изучению генетики. Вопросами наследования занимались многие учёные с конца XIX века. В начале ХХ века Томас Морган, опираясь на данные исследователей, сформулировал основные положения хромосомной теории наследственности.

История

Автором хромосомной теории считается Томас Морган – американский биолог, лауреат Нобелевской премии. Именно он изучил и описал механизм сцепленного наследования, а также сформулировал основные положения теории хромосомной наследственности. Однако Морган опирался на работы своих предшественников – биологов, генетиков, физиологов.

Краткая история становления теории Моргана описана в таблице.

Учёный

Что сделал

Опубликовал результаты многолетних исследований, сформулировал основные законы наследования

Наблюдал распределение генетического материала между ядрами растительной клетки

Наблюдал слияния гамет у иглокожих. Сделал вывод, что ядро несёт наследственную информацию

Наблюдал деление ядер у растений. Сравнил растительные и животные клетки. Сделал вывод, что деление во всех клетках происходит одинаково. Позже ввёл многие термины генетики (гамета, мейоз, гаплоидный и диплоидный набор хромосом, полиплоидия)

Эдуард ван Бенеден

Наблюдал мейоз. Выявил, что часть наследственной информации достаётся от отца, часть – от матери

Теодор Бовери и Уильям Сеттон

Независимо друг от друга выявили взаимосвязь наследственных факторов по Менделю и хромосом. Эти факторы в дальнейшем были названы генами. Сделали вывод, что гены находятся в хромосомах

Опубликовал выводы многолетней работы. Вместе со своими коллегами и учениками – Кэлвином Бриджесом, Альфредом Стёртевантом, Германом Мёллером – сформулировал теорию хромосомного наследования. С 1909 года проводили эксперименты с фруктовой дрозофилой и выявили механизмы сцепленного наследования и способ их нарушения – кроссинговер

В 1933 году Томасу Моргану была присуждена Нобелевская премия за вклад в физиологию и медицину. Решением для премии стала его работа о роли хромосом в процессах наследования.

Положения

гены, отвечающие за наследование признаков, расположены в хромосомах;
гены располагаются линейно, каждый ген имеет своё место в хромосоме – локус;
набор генов в каждой хромосоме уникален;
расположенные близко друг к другу группы генов наследуются сцеплено;
число сцепленных генов равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида (у человека 23 пары хромосом, следовательно, 23 пары сцепленных генов);
сцепление хромосом нарушается в ходе кроссинговера (перекрёста) – процесса обмена участками хромосом в профазе I мейоза;
чем дальше друг от друга находятся сцепленные группы генов в хромосоме, тем больше вероятность кроссинговера.

Эксперименты Моргана показали, что гены, находящиеся в одной хромосоме, наследуются сцеплено, попадая в одну гамету, т.е. два признака всегда наследуются вместе. Такое явление было названо законом сцепленного наследования признаков.

Концепция данной теории заключается в том, что передача наследственной информации в ряду поколений осуществляется путем передачи хромосом, в которых в определенной линейной последовательности расположены гены.

Данная теория была сформулирована в начале XX века. Значительный вклад в ее развитие внес американский генетик Томас Морган.

Гены расположены в хромосомах в линейном порядке
Каждый ген занимает в хромосоме определенное место - локус
Гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления
Сцепление генов может нарушаться в результате кроссинговера
Частота кроссинговера между генами прямо пропорциональна расстоянию между ними
Расстояние между генами измеряется в морганидах (1 морганида - 1% кроссинговера)

Группы сцепления

В предыдущей статье были раскрыты суть и применение в задачах III закона Менделя, закона независимого наследования, в основе которого лежат гены, расположенные в разных хромосомах. Но что если гены лежат в одной хромосоме? Такие гены образуют группу сцепления, в этом случае говорят о сцепленном наследовании.

Группа сцепления - совокупность всех генов, расположенных в одной хромосоме, вследствие чего они наследуются совместно. Число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом: у женщины 23 группы сцепления (23 пара - половые хромосомы XX), а у мужчины - 24 группы сцепления (X и Y представляют собой две отдельные группы).

Сцепление генов

Томас Морган в своих экспериментах изучал наследование признаков плодовых мушек дрозофил: серый (A) - черный (a) цвет тела, длинные (B) - зачаточные (b) крылья. В первом эксперименте Морган скрестил чистые линии плодовых мушек: серых с длинными крыльями (AABB) и черных с зачаточными (aabb).

Только что вы видели первый закон Менделя (единообразия) в действии, правда, в несколько ином варианте - при дигибридном скрещивании. Но суть та же: в первом поколении все особи получаются единообразны по исследуемому признаку, с генотипом AaBb - с серым телом и длинными крыльями.

Далее Морган применил анализирующее скрещивание. Полученную в первом поколении дигетерозиготу (AaBb) он скрестил с черной особью с зачаточными крыльями (aabb). Результат весьма удивил Моргана и его коллег: помимо потомства с ожидаемыми фенотипами (серое тело + длинные крылья, черное тело + зачаточные крылья) были получены особи со смешанными признаками.

Потомство со смешанными признаками подразумевает под собой особи Aabb (серое тело + зачаточные крылья) и aaBb (черные тело + длинные крылья). Но откуда они могли взяться, если гены A и B находятся в одной хромосоме? Значит, образовались еще какие-то дополнительные гаметы, помимо AB и ab?

Объясняя полученные в потомстве фенотипы, которые содержали смешанные признаки, Томас Морган пришел к выводу, что между гомологичными хромосомами произошел кроссинговер, в результате которого образовались гаметы Ab, aB - кроссоверные гаметы.

Очевидно, что в данном случае расстояние между генами A и B было 17 морганид, так как каждой кроссоверной гаметы (соответственно и особей) образовалось по 8.5%. Не забывайте, что процент кроссинговера равен расстоянию между генами. Поскольку расстояние было 17 морганид = 17%, то на каждую из кроссоверных гамет приходится половина - 8.5%

Пример решения генетической задачи №1

"Катаракта и полидактилия у человека обусловлены доминантными аутосомными генами, расположенными в одной хромосоме. Гены полностью сцеплены. Какова вероятность родить здорового ребенка в семье, где муж нормален, жена гетерозиготна по обоим признакам, мать жены также страдала обеими аномалиями, а отец был нормален".

Очень важно обратить внимание на то, что "гены полностью сцеплены" - это говорит об отсутствии кроссинговера, и то, что мы заметили это, обеспечивает верное решение задачи.

Самое главное, что вам следует усвоить: поскольку гены полностью сцеплены (кроссинговер отсутствует), женщина с генотипом AaBb может образовать только два типа гамет - AB, ab. Кроссоверные гаметы (Ab, aB) не образуются. Всего возможных генотипов потомков получается два, из которых здоров только один - aabb. Шанс родить здорового ребенка в такой семье ½ (50%).

Пример решения генетической задачи №2

"Гены доминантных признаков катаракты и эллиптоцитоза локализованы в 1-й аутосоме. Гены неполностью сцеплены. Женщина, болеющая катарактой и эллиптоцитозом, отец которой был здоров, выходит замуж за здорового мужчину. Определите возможные фенотипы потомства и вероятность рождения больного обеими аномалиями ребенка в этой семье".

Ключевые слова в тексте этой задачи, на которые следует обратить внимание: "гены неполностью сцеплены". Это означает, что между ними происходит кроссинговер.

Генотип женщины остается неясен из текста задачи. Раз она больна, то он может быть: AaBb, AABB, AABb, AaBB. Однако в тексте дано то, что развеет сомнения: "отец которой был здоров". Если ее отец был здоров, то его генотип был aabb, значит он передал дочери гамету ab. Теперь становится очевидно, что генотип дочери AaBb - она дигетерозиготна.

В данном случае между генами A и B произошел кроссинговер, их сцепление нарушилось. В результате образовались кроссоверные гаметы Ab, aB - которые привели к образованию особей с со смешанными признаками (Aabb, aaBb). Вероятность рождения в этой семье ребенка, больного обеими аномалиями, составляет ¼ (25%).

Наследование, сцепленное с полом

Половые хромосомы X и Y определяют пол человека. Генотип XX характерен для женщин, а XY - для мужчин. Мужская Y-хромосома не содержит аллелей многих генов, которые есть в X-хромосоме, вследствие этого наследственными заболеваниями, сцепленными с полом, чаще болеют мужчины.

Природа, несомненно, бережет женских особей. Женщины имеют две гомологичные хромосомы XX, и если ген наследственного заболевания попал в одну из X-хромосом, то чаще всего в другой X-хромосоме окажется "здоровый" ген, доминантный, которой подавит действие рецессивного гена. С генетической точки зрения, женщина будет носительницей заболевания, может его передать по поколению, но сама болеть не будет.

У мужчин если ген заболевания оказался в X-хромосоме, то не проявиться он не может. Именно по этой причине мужчины чаще страдают дальтонизмом, гемофилией и т.д.

Не у всех организмов особь мужского пола характеризуется набором хромосом XY, а женского - XX. У пресмыкающихся, птиц, бабочек женские особи имеют гетерогаметный пол- XY, а мужские - XX. То же самое относится к домашним курам: петух - XX, курица - XY.

Решим несколько задач по теме наследования, сцепленного с полом. Речь в них будет идти о сцепленных с полом признаками - признаками, гены которых лежат не в аутосомах, а в гетеросомах (половых хромосомах).

Пример решения генетической задачи №3

"Рецессивный ген дальтонизма располагается в X-хромосоме. Женщина с нормальным зрением (отец был дальтоник) выходит замуж за мужчину с нормальным зрением, отец которого был дальтоником. Определите возможные фенотипы потомства".

Подробности о родословной важны и помогают заполнить белые пятна. Если отец женщины был дальтоником (X d Y), то очевидно, что он передал ей хромосому X d , так как от отца дочери всегда передается X-хромосома. Значит женщина гетерозиготна по данному признаку, а у мужчины возможен лишь один вариант здорового генотипа - X D Y. То, что его отец был дальтоником несущественно, ведь отец всегда передает сыну Y-хромосому.

X D X D , X D X d - фенотипически здоровые девочки
X D Y - здоровый мальчик
X d Y - мальчик, который болен дальтонизмом

Пример решения генетической задачи №4

"Гипоплазия зубной эмали наследуется как сцепленный с X-хромосомой доминантный признак, шестипалость - как аутосомно-доминантный. В семье, где мать шестипалая, а у отца гипоплазия, родился пятипалый здоровый мальчик. Напишите генотипы всех членов семьи по данным признакам. Возможно ли у них рождение ребенка с двумя аномалиями одновременно?"

Ответ на вопрос: "Каковы генотипы матери и отца?" - лежат в потомстве. Пятипалый здоровый мальчик имеет генотип aaX b Y. Чтобы сформировался такой генотип, от матери должна прийти гамета aX b , а от отца - aY. Выходит, что единственно возможный генотип матери - AaX b X b , а генотип отца - aaX B Y.

Рождение ребенка с двумя аномалиями возможно - AaX B X b , вероятность такого события ¼ (25%).

Пример решения генетической задачи №5

"Рецессивные гены, кодирующие признаки дальтонизма и гемофилии, сцеплены с X-хромосомой. Мужчина с нормальным цветовым зрением и гемофилией женится на здоровой женщине, отец которой был дальтоником, но не гемофиликом. Известно, что мать женщины была гомозиготна по исследуемым признакам. Какое потомство получится от брака их дочери со здоровым мужчиной?"

Генотип мужчины вопросов не вызывает, так как единственный возможный вариант - X hD Y. Генотип женщины дает возможность узнать ее отец (X Hd Y), который передал ей гамету X Hd (отец всегда передает дочке X хромосому, а сыну - Y), следовательно, ее генотип - X HD X Hd

Как оказалось, возможны два варианта генотипа дочери: X HD X hD , X Hd X hD . Генотип здорового мужчины X HD Y. Следуя логике задачи, мы рассмотрим два возможных варианта брака.

Не забывайте, что на экзамене схема задачи не является ответом. Ответ начинается только после того, как вы напишите слово "Ответ: . ". В ответе должны быть указаны все фенотипы потомства, их описание, что возможно покажется рутинными при большом числе потомков, но весьма приятным, если вы верно решили задачу и получили за нее заслуженные баллы :)

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Биология

Ключевую роль в изучении генетики играет хромосомная теория наследственности — учение, согласно которому, возможность передачи всей информации о наследуемых признаках организма его потомству связана с наследованием хромосом. Он состоит из отдельных участков — генов, расположенных и связанных между собой в определенной последовательности. Сущность своих опытов и выводы авторы сформулировали в виде положений теории.

Концепция и терминология

Основные тезисы теории удалось сформулировать в начале XX века. В разработке и создании учения большое значение имеет вклад учёных-биологов и цитологов из различных стран — Германии и Соединённых Штатов Америки.

Суть теории заключается в утверждении, что передача по наследству определенной информации из поколения в поколение происходит при помощи передачи хромосом, содержащихся в ядре клетки. Именно эти структуры содержат ответственные за передачу признаков гены — отдельные звенья нуклеотидов, которые расположены в линейной последовательности и скреплены друг с другом. Чтобы прийти к такому выводу, исследователям понадобились годы исследований и наблюдений за живыми клетками на разных стадиях их жизненного цикла.

Если гены располагаются в половых хромосомах, наследование этих признаков называется сцепленным с полом.

Явление, благодаря которому становится возможен обмен фрагментами ДНК между гомологичными хромосомами, называется кроссинговером. Он может являться причиной нарушения сцепленного наследования признаков.

История создания учения

В самом начале 20 века ученые Саттон и Бовери обратили внимание на принцип параллелизма в поведении факторов наследственности. Такое наблюдение позволило исследователям сделать предположение о местоположении генов как носителей информации.

Экспериментальные подтверждения этого факта были получены существенно позднее группой исследователей во главе с ученым Томасом Морганом. Это исследование началось в 1911 году и позволило сделать целый ряд выводов:

Гены располагаются внутри хромосом линейно относительно друг друга.
Гены, которые располагаются в одной хромосоме, наследуются сцепленно (то есть вместе).
Процесс совместного (сцепленного) наследования генов способно нарушать явление, называемое кроссинговером.

За открытие значения хромосом Т. Моргану в 1933 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. А в дальнейшем Н. В. Тимофеев-Ресовский высказал мнение, что вся экспериментальная генетика, развивавшаяся на протяжении всего XX века, была направлена на развитие и анализ нюансов и деталей хромосомной теории наследственности.

Главное открытие

Ещё одним наблюдением, лежащим в основе создания хромосомной теории наследования, является слияние ядер клеток в процессе оплодотворения. Эти наблюдения позволили предположить, что именно ядро является вместилищем наследственной информации в эукариотической клетке.

А ещё позднее центр внимания с самого ядра, как носителя наследственной информации, был перенесено на отдельные элементы — хромосомы, которые в нём содержатся. Наблюдение за поведением хромосом в половых клетках во время оплодотворения позволило продвинуть вперёд изучение механизма наследования.

Таким образом, был визуализирован сам механизм передачи наследственной информации.

Основные положения

Результатом многолетнего анализа процесса передачи наследственной информации и сцепленного наследования генов, а также сравнения цитологической и генетической карт позволили учёным сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности.

Кратко их можно изложить следующим образом:

Гены — вместилища наследственной информации; располагаются они в хромосомах.
Для расположения генов внутри хромосом характерна линейная последовательность.
Количество генов, содержащихся в различных хромосомах, неодинаково. Кроме того, отмечается уникальность набора генов в каждой из негомологичных хромосом.
В гомологичных хромосомах аналогичные гены имеют одинаковое местоположение.
Гены, локализующиеся в одной хромосоме, образуют цепочку, называемую группой сцепления. При этом, как правило, количество групп сцепления генов равно гаплоидному числу хромосом у биологического вида.

В результате феномена кроссинговера сцепление генов нарушается. Частоту этого явления можно вычислить по формуле. Она прямо пропорциональна дистанции между отдельными генами. Из этого следует, что сила сцепления находится в обратно пропорциональной зависимости от величины промежутка между частицами.

Каждый из существующих биологических видов имеет свой определенный комплект хромосом, называемый кариотипом.

Значение теории

Важность учения о наследовании для биологии и других наук трудно переоценить.

Биологи при помощи изучения генетических карт и сравнения структуры цепочек ДНК разных биологических видов могут более подробно установить, каков в действительности был процесс эволюции и формирования видов в их теперешнем состоянии.

Теория позволяет подробно изучать наследственные признаки организмов. Это нашло отражение во многих областях науки, в том числе медицине, селекции, ботанике, животноводстве.

После того, как хромосомная теория наследования была сформулирована и доказана экспериментальным путём, её положения легли в основу диагностики и прогнозирования многих наследственных заболеваний. Стало возможно определять вероятность передачи по наследству той или иной генетической патологии.

Еще на заре формирования хромосомного учения Томаса Моргана одним из его создателей было показано, что понимание механизма передачи информации, а также знание о сцеплении генов, позволяют строить целые генетические карты, которые отражают порядок расположения генов в линейной цепочке, дистанцию между их локусами.

Такие карты биологам сегодня удалось разработать для многих организмов насекомых грибов, а также вирусов и бактерий. Наличие генетической карты сегодня считается признаком изученности биологического вида.

Сферы применения

Эта методика вызывает большой интерес не только в области медицины. Она открывает большие перспективы и для селекционной практики, поскольку знание генетической карты организма делает его наиболее удобным для планирования получения потомства, имеющего определенное сочетание признаков, нужных селекционеру.

Важность генетических карт нашла свое отражение и в фармакологии, поскольку помогает ученым-биологам создавать штаммы микроорганизмов, синтезирующих необходимые белки. Создание происходит при помощи методов генной инженерии на основании содержимого генетической карты исходного микроорганизма.

Пробует генная инженерия свои силы и в создании видов, обладающих определенными свойствами. Сегодня много слышно об исследованиях качеств генномодифицированных продуктов. Суть методики состоит во внедрении в геном одного вида участков ДНК другого, придающего имеющемуся организму новые, несвойственные ему ранее качества.

Примерами могут служить попытки создания при помощи генноинженерных методик засухоустойчивых или морозостойких сельскохозяйственных культур.

Обзор

Автор

Редактор

Обратите внимание!

Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Нажмите на изображение, чтобы увеличить (откроется в отдельном окне).

Генетическая роль хромосом

Сейчас сложно сказать, кто сделал первое описание хромосом. В 1842 году швейцарский ботаник К. Нэгели (C. Nägeli) опубликовал работу, в которой изобразил некие тельца, возникающие на месте ядра во время деления клетки при образовании пыльцы у лилии и традесканции. Возможно, это и были первые рисунки хромосом. Первое (1873 год) подробное описание митоза у плоского червя Mesostoma ehrenbergii принадлежит, как считают, немецкому зоологу А. Шнайдеру (F.A. Schneider). Он описал не просто отдельные стадии митоза, которые видели и до него, а всю последовательность сложных изменений ядра: возникновение на его месте нитевидных телец, их расхождение в противоположные стороны и формирование новых ядер в дочерних клетках. Другой тип деления — мейоз — впервые подробно описал Э. ван Бенеден (E. van Beneden, Бельгия) в 1883 году, наблюдая за образованием гамет у аскариды. Он обнаружил, что в мейозе число хромосом уменьшается вдвое, а при оплодотворении восстанавливается, и, несмотря на различие в размерах, мужская и женская гаметы привносят в зиготу равное число хромосом.

В 1902 году Т. Бовери (T. Boveri, Германия) и в 1902–1903 годах У. Сеттон (W. Sutton, США) независимо друг от друга выдвинули гипотезу о генетической роли хромосом. Т. Бовери обнаружил, что зародыш морского ежа может нормально развиваться только при наличии у него хотя бы одного, но полного набора хромосом. Также он установил, что разные хромосомы не идентичны друг другу по своему составу. У. Сеттон же изучал гаметогенез у саранчи и понял, что поведение хромосом в мейозе и при оплодотворении полностью объясняет закономерности расхождения менделевских факторов и образования их новых комбинаций.

Одним из важных свидетельств генетической функции хромосом было доказательство роли половых хромосом в определении пола. К. Бриджес в 1921–1925 годах сформулировал балансовую теорию определения пола у дрозофилы. Он показал, что пол зависит от баланса (соотношения) числа X-хромосом и наборов аутосом. При этом Y-хромосома в определении пола у дрозофилы (в отличие от человека) не участвует.

У Менделя разные признаки гороха наследовались независимо. То, что это правило выполняется далеко не всегда, показали опыты английских генетиков У. Бэтсона (W. Bateson), Э. Саундерс (E. Saunders) и Р. Пеннета (R. Punnett) с растениями душистого горошка. Результаты опытов были опубликованы в 1905–1906 годах. Позднее Т. Морган с сотрудниками в экспериментах с дрозофилой также показали, что множество пар признаков наследуется сцепленно. Их разъединение и появление новых комбинаций происходит лишь иногда в результате кроссинговера, то есть обмена участками между гомологичными хромосомами.

Цитологические доказательства кроссинговера были получены в 1931 году: К. Штерн (C. Stern, США) использовал для этого дрозофил, а Х. Крейгтон (H. Creighton, США) и Б. МакКлинток (B. McClintock, США) — кукурузу. Они показали, что гомологичные хромосомы во время мейоза действительно способны обмениваться своими участками. Необходимо отметить, что Барбара МакКлинток вообще сыграла выдающуюся роль в генетике и за одно из своих открытий — мобильных генетических элементов * (особых последовательностей ДНК, способных перемещаться по геному) — в 1983 году была награждена Нобелевской премией.

Еще одним вариантом обмена участками является сестринский хроматидный обмен (СХО). Если при кроссинговере обмениваются хроматиды разных хромосом, то в случае СХО обмениваются хроматиды внутри одной хромосомы. Впервые СХО увидел американский генетик Д. Тейлор (J. Taylor) в 1958 году.

С кроссинговером, хоть и неоднозначно, но связано формирование в профазе мейоза особой структуры из пары гомологичных хромосом — синаптонемного комплекса. Он был открыт в 1956 году независимо двумя американскими цитологами: М. Мозесом (M. Moses) у речного рака и Д. Фоцеттом (D. Fawcett) у мыши.

Многообразие хромосом

Если понимать под хромосомами любые носители наследственной информации, то они исключительно разнообразны по размеру, форме, внешнему виду, составу и числу. Хромосомы вирусов и бактерий могут быть кольцевыми и линейными. Хромосомы хлоропластов и митохондрий имеют кольцевую форму. Ядерные хромосомы эукариот имеют линейную форму, и именно они в виде телец X- и V-образной формы обычно приходят на ум при упоминании хромосом. Их называют митотическими или метафазными, поскольку такой вид они имеют во время деления — митоза (а метафаза — это одна из его стадий).

В 1912 году российский ботаник и цитолог С.Г. Навашин показал, что метафазные хромосомы обладают индивидуальным набором признаков, включающим размер, соотношение длин плеч, наличие спутников и перетяжек. Используя положение центромеры или соотношение длин плеч, С.Г. Навашин предложил классификацию митотических хромосом, которую используют и по сей день: метацентрики, субметацентрики, акроцентрики и телоцентрики.

Число хромосом у разных видов организмов может варьировать в самых широких пределах: от двух (у пары видов растений и одного из австралийских муравьев) до 1440 у папоротника Ophioglossum reticulatum и даже 1600 у морской радиолярии Aulacantha scolymantha. У человека число хромосом составляет 46, и оно было определено только в 1955 году, а опубликовано в 1956 цитогенетиком китайского происхождения Д. Чио (J. Tjio) в соавторстве со своим руководителем А. Леваном (A. Levan) в Швеции. Несколькими месяцами позже число подтвердили британцы Ч. Форд (C. Ford) и Д. Хамертон (J. Hamerton). Количество хромосом человека пытались определить еще с конца XIX века. В разных случаях получались разные значения: 18, 24, 47 или 48, — и только в 1955 году убедились, что хромосом у человека 46. В честь этого события на здании Института генетики Университета шведского города Лунда (где это событие и случилось) в 2003 году была открыта мемориальная доска с изображением той самой метафазной пластинки, по которой и были посчитаны хромосомы. Любопытно, что число хромосом шимпанзе (48) было выяснено на 15 лет раньше.

Общепринято, что число хромосом у каждого вида живых организмов постоянно, и в подавляющем большинстве случаев так и есть. Однако у некоторых животных и растений существуют так называемые сверхчисленные, или добавочные, хромосомы. Все хромосомы основного набора называют A-хромосомами. Они присутствуют всегда, и потеря или добавление хотя бы одной из них ведет к серьезным последствиям. Добавочные же хромосомы называют B-хромосомами, и их главные особенности — необязательность наличия и непостоянство числа. Впервые сверхчисленные хромосомы были найдены Э. Уилсоном (E. Wilson, США) в 1906 году у клопа Metapodius terminalis.

Совершенно особое место среди всех типов хромосом занимают политенные хромосомы, которые имеют вид длинных толстых шнуров с поперечными полосками. Их открыл французский эмбриолог Э. Бальбиани (E. Balbiani) в 1881 году в ядрах клеток слюнных желез личинок комара Chironomus plumosus. Политенные хромосомы сыграли выдающуюся роль в развитии генетики, цитогенетики и молекулярной биологии. С их помощью была показана линейность расположения генов и однозначно доказана генетическая роль хромосом. На политенных хромосомах дрозофил был впервые описан хромосомный полиморфизм диких популяций. Именно на политенных хромосомах были открыты гены белков теплового шока — компонентов системы, охраняющей клетки всех организмов от стрессорных воздействий. Политенные хромосомы сыграли ключевую роль в исследовании системы дозовой компенсации у дрозофилы.

Эволюция хромосом и геномов

В современных цитогенетических исследованиях важную роль играет дифференциальная окраска. Впервые способность хромосом окрашиваться дифференциально (то есть неодинаково по длине) продемонстрировали англичане С. Дарлингтон (C. Darlington) и Л. Ла Кур (L. La Cour) в 1938 году. Другой важный метод исследования — это гибридизация in situ, которая позволяет определить положение любого фрагмента ДНК на хромосоме. В основе метода лежит способность нуклеиновых кислот образовывать двуцепочечные молекулы, как ДНК—ДНК, так и РНК—ДНК. Придумали этот метод в 1969 году Д. Голл (J. Gall) и М. Пардью (M. Pardue) из США и Х. Джон (H. John), М. Бирнстил (M. Birnstiel) и К. Джонс (K. Jones) из Великобритании.

Комбинация этих методов дает возможность подробно исследовать эволюцию хромосом и геномов*, а неизменным спутником эволюционного процесса являются хромосомные перестройки. По мере эволюции вида в его хромосомах неизбежно возникают перестройки, которые меняют порядок генов по сравнению с предковым видом. Чем дальше виды уходят друг от друга, тем больше хромосомных перестроек их отличает, и тем больше меняется порядок генов. Известны разные типы перестроек: делеции (потеря), дупликации (удвоение) и транслокации (перемещение) участков хромосом, которые обнаружил К. Бриджес в 1916, 1919 и 1923 годах соответственно. Еще один тип — это инверсии (поворот участка хромосомы на 180°), описанные А. Стёртевантом в 1921 году. Кроме того, существует особый тип перестроек, называемый Робертсоновской транслокацией (или центрическим слиянием). Первым ее описал американец У. Робертсон (W. Robertson) в 1916 году, сравнивая хромосомные наборы близких видов саранчи. Суть этой перестройки сводится к слиянию двух акроцентрических хромосом в одну метацентрическую или субметацентрическую. Существует и обратный процесс — центрическое разделение. В этом случае мета- или субметацентрическая хромосома делится на две акроцентрических.

Положение хромосом в ядре

Состав хромосом. ДНК

Хромосомы представляют собой структуры, состоящие из сложного комплекса ДНК, РНК и белков. Такой комплекс называется хроматином.

ДНК как химическое вещество открыл и выделил в чистом виде молодой швейцарский исследователь Ф. Мишер (F. Miescher), работая в 1868–1869 годах в университете немецкого города Тюбингена. Он изучал химический состав лейкоцитов, источником которых служил гной с бинтов из местной хирургической клиники. Ф. Мишер разработал метод разделения ядер и цитоплазмы клеток и анализировал состав ядер. Помимо белков и липидов он обнаружил вещество, которое назвал нуклеином (от слова nucleus — ядро), а сейчас оно известно как ДНК. То, что именно ДНК является носителем наследственной информации, первыми установили в 1944 году американцы О. Эйвери (O. Avery), К. МакЛауд (C. MacLeod) и М. МакКарти (M. McCarty) в экспериментах по заражению мышей пневмококками.

Состав хромосом. Белки́

C-концевые части молекул гистонов плотно свернуты, а N-концевые не имеют определенной структуры и свободно расходятся в стороны. В 1963–1964 годах было обнаружено, что некоторые аминокислотные остатки в гистонах могут быть ковалентно модифицированы, то есть ацетилированы или метилированы. Сейчас список модификаций значительно расширился, к остаткам аминокислот могут быть присоединены как относительно простые группы — метильная, ацетильная, фосфатная, — так и сложные крупные молекулы: биотин, олигопептиды или цепочки ADP-рибозы. Модификации появляются в основном на N- и, в гораздо меньшей степени, на С-концевой частях молекул гистонов.

В 2007 году был начат проект modENCODE. В его реализации участвует множество лабораторий по всему миру, одной из задач которых является построение профилей распределения самых разных белков и модификаций гистонов на хромосомах дрозофилы и нематоды Caenorhabditis elegans.

Эпигенетика

По мере развития многоклеточного организма из зиготы происходит постепенная дифференцировка клеток из тотипотентных в плюрипотентные, затем в мультипотентные, унипотентные и наконец в полностью дифференцированные клетки, из которых ничего другого уже не получится. На каждом из этих этапов работают свои наборы генов, и после прохождения стадии эти гены инактивируются. С последовательностью ДНК генов ничего не происходит, меняется белковый состав хромосомы в данном участке и, как следствие, эпигенетическое состояние генов.

Пересадка ядер соматических клеток в ооцит — это не единственный способ перезапуска эпигенетической программы. В последнее десятилетие были достигнуты колоссальные успехи в перепрограммировании соматических ядер путем искусственной активации в них генов, характерных для эмбриональных стволовых клеток. В 2006 году японские исследователи К. Такахаши (K. Takahashi) и Ш. Яманака (S. Yamanaka) получили из фибробластов мыши клетки, хоть и не идентичные эмбриональным стволовым, но очень похожие на них по морфологии, набору экспрессирующихся генов, способности к делению и дифференцировке. Они назвали такие клетки индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК; iPS cells)*. Перепрограммирование произошло в результате искусственного запуска всего четырех генов (Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4), которые работают в нормальных стволовых клетках. В 2007 году та же японская группа под руководством Ш. Яманака и — независимо от нее — коллектив Д. Томсона (J. Thomson) в США получили iPS клетки уже из фибробластов человека. Японцы перепрограммировали их с помощью тех же генов, что и в случае мыши, а американцы активировали гены Oct4, Sox2, Nanog и Lin28. За открытие перепрограммирования клеток Д. Гёрдон и Ш. Яманака получили в 2012 году Нобелевскую премию.

Гетерохроматин

Важным свойством гетерохроматина является способность инактивировать помещенные в него эухроматиновые гены. Это явление называется эффектом положения мозаичного типа. Оно было обнаружено в 1930 году Г. Мёллером у дрозофилы. В результате хромосомной перестройки ген white попал в гетерохроматин. Этот ген отвечает за красный цвет глаз, а если он не работает, то глаза становятся белыми. У Г. Мёллера же получились мухи, глаза которых были ни красными, ни белыми, а пятнистыми, и у разных мух пятна были разной формы и размера. Это объясняется тем, что сам ген остается неповрежденным, а лишь случайным образом инактивируется в одних клетках глаза и работает в других.

Теломеры

Дозовая компенсация

У дрозофилы природа изобрела другой механизм, противоположный по сути механизму млекопитающих: единственная X-хромосома самцов гиперактивируется и работает как две X-хромосомы самок. То, что суммарная активность двух копий какого-либо гена из X-хромосомы у самок и одной копии у самцов дрозофилы одинакова, было обнаружено еще на заре развития генетики. Это сделали К. Штерн в 1929 году и Г. Мёллер в 1931 году, так что дрозофила — это первый организм, у которого нашли дозовую компенсацию.

Ну и наконец.

Пара слов об открытии, которое не связано напрямую с хромосомами, но его очень активно используют, в том числе и для исследования разных сторон жизни хромосом. В 2008 году О. Шимомура (O. Shimomura), М. Чалфи (M. Chalfie) и Р. Циен (R. Tsien) из США получили Нобелевскую премию за открытие, выделение и применение зеленого флуоресцирующего белка (GFP) медузы Aequorea victoria. С помощью молекулярных манипуляций можно соединить ген белка GFP с геном любого другого белка и получить химерный белок, который будет выполнять как свою исходную функцию, так и светиться зеленым цветом. Это дает возможность видеть, в каких клетках работает белок, в ядре или цитоплазме, в каких частях хромосом. Кроме зеленого (GFP) сейчас известны красный (RFP) и желтый (YFP) флуоресцирующие белки*.

Читайте также: