Artykuł na konkurs „bio/mol/text”: W 2015 roku mija 100 lat chromosomowa teoria dziedziczności. Jej główne postanowienia sformułowali T. Morgan, A. Sturtevant, G. Möller i K. Bridges w wydanej w Nowym Jorku w 1915 roku książce „The Mechanism of Mendelian Inheritance”. A później Thomas Morgan otrzymał pierwszą „genetyczną” Nagrodę Nobla - za odkrycie roli chromosomów w dziedziczności. Międzynarodowa konferencja „Chromosome 2015”, która odbyła się w sierpniu 2015 roku w Nowosybirskim Mieście Akademickim, była poświęcona rocznicy teorii chromosomów. Poniższy tekst jest komentarzem autora dot plakat przedstawiający historię badań nad chromosomami, zaprezentowany na konferencji, a teraz w „Biomolecule” – w najbardziej „żywej” nominacji konkursowej „ Wizualnie o niewidzialnym».
Notatka!
Pełniejsze informacje można znaleźć w książce - Koryakov D.E., Zhimulev I.F. . Nowosybirsk: Wydawnictwo SB RAS, 2009 - 258 s., ISBN 978-5-7692-1045-7
Sponsorem nominacji „Najlepszy artykuł na temat mechanizmów starzenia się i długowieczności” jest Fundacja Science for Life Extension. Nagrodę publiczności ufundował Helicon.
Sponsorzy konkursu: Laboratorium Badań Biotechnologicznych, Rozwiązania Biodruku 3D i Grafiki Naukowej, Pracownia Animacji i Modelowania Wizualizacja.
Poniższy tekst stanowi krótki komentarz do plakatu, a pełniejsze informacje można znaleźć w książce: Koryakov D.E., Zhimulev I.F. Chromosomy. Struktura i funkcje. Nowosybirsk: Wydawnictwo SB RAS, 2009 - 258 s., ISBN 978-5-7692-1045-7.
Kliknij na obrazek aby powiększyć (otwiera się w oddzielnym oknie).
Genetyczna rola chromosomów
Każdy organizm rozmnaża się tylko w swoim rodzaju i nawet w najmniejszych cechach wyglądu i zachowania dzieci można dostrzec podobieństwa z ich rodzicami. Pierwszy krok w kierunku zrozumienia, dlaczego tak się dzieje, zrobił mnich z austriackiego miasta Brunn (obecnie jest to czeskie Brno) G. Mendel ( G. Mendla). W 1865 roku na zebraniu Towarzystwa Przyrodników Brunn sporządził raport zatytułowany „ Eksperymenty na mieszańcach roślin» ( Versuche über Pflanzen-Hybriden), a w 1866 roku opublikował ją w zbiorach dzieł tego towarzystwa. Mnich-przyrodnik opisał skutki krzyżowania różnych form grochu i zasugerował obecność specjalnych czynników, od których zależą zewnętrzne cechy rośliny. Później nazwano wzorce dziedziczenia tych czynników Prawa Mendla. Jednak współcześni nie zrozumieli znaczenia tego odkrycia i zapomnieli o nim, a dopiero w 1900 r. G. de Vries ( H. de Vries, Holandia), K. Correns ( C. Corrensa, Niemcy) i E. Cermak ( E. Czermak, Austria) niezależnie odkrył na nowo prawa Mendla.
Na długo przed wszystkimi tymi badaniami, które obecnie nazwalibyśmy analizą genetyczną, naukowcy zajmujący się botaniką, zoologią, embriologią, histologią i fizjologią położyli podwaliny pod cytogenetyka- nauka o chromosomach. W różnych artykułach i książkach pierwszeństwo w odkryciu chromosomów mają różne osoby, ale najczęściej rok ich odkrycia nazywa się rokiem 1882, a ich odkrywcą jest niemiecki anatom W. Flemming ( W. Flemminga). Jednak sprawiedliwiej byłoby powiedzieć, że nie odkrył chromosomów, a jedynie zebrał je i uporządkował w swojej fundamentalnej książce „ Materia komórkowa, jądro i podział komórkowy» ( Zellsubstanz, Kern i Zellteilung) wszystko, co było o nich wówczas wiadome. Sam termin „chromosom” wprowadził do nauki niemiecki histolog H. Waldeyer ( H. Waldeyera) w 1888 roku i dosłownie przetłumaczony termin oznacza „malowane ciało”.
Obecnie trudno powiedzieć, kto dokonał pierwszego opisu chromosomów. W 1842 r. szwajcarski botanik K. Naegeli ( C. Nägeli) opublikował pracę, w której przedstawił pewne ciała powstające w miejscu jądra podczas podziału komórkowego podczas tworzenia się pyłku lilii i tradeskancji. Być może były to pierwsze rysunki chromosomów. Pierwszy (1873) szczegółowy opis mitoza u płazińca Mezostoma ehrenbergii przypuszcza się, że należy do niemieckiego zoologa A. Schneidera ( FA. Schneidera). Opisał nie tylko poszczególne etapy mitozy, które można było już wcześniej zaobserwować, ale całą sekwencję złożonych zmian w jądrze: pojawienie się na swoim miejscu nitkowatych ciał, ich rozbieżność w przeciwnych kierunkach i powstawanie nowych jąder w komórki córki. Innym rodzajem podziału jest mejoza- po raz pierwszy szczegółowo opisał E. van Beneden ( E. van Benedena, Belgia) w 1883 roku, obserwując powstawanie gamet u glisty. Odkrył, że podczas mejozy liczba chromosomów zmniejsza się o połowę, a podczas zapłodnienia zostaje przywrócona i pomimo różnicy w wielkości gamety męskie i żeńskie dostarczają do zygoty taką samą liczbę chromosomów.
* - Trochę o miejscu i przeznaczeniu ruchomych elementów genetycznych w genomach pro- i eukariotycznych: „ Ruchome elementy genetyczne prokariotów: stratyfikacja „społeczeństwa” włóczęgów i domowników», « Genom ludzki: przydatna książka czy ilustrowany magazyn?», « Czy śmieciowe DNA napędza ewolucję ssaków?» - wyd.
Inną możliwością zamiany działek jest wymiana chromatyd siostrzanych(SZO). Jeśli podczas krzyżowania następuje wymiana chromatyd różny chromosomy, wówczas w przypadku SCO dochodzi do wymiany chromatyd jeden chromosomy. Amerykański genetyk D. Taylor ( J Taylora) w 1958 roku.
Crossing over, choć niejednoznaczny, wiąże się z utworzeniem w profazie mejozy specjalnej struktury z pary homologicznych chromosomów - kompleks synaptonemalny. Została odkryta w 1956 roku niezależnie przez dwóch amerykańskich cytologów: M. Mosesa ( M. Mojżesz) u raków i D. Focett ( D. Fawcetta) w myszce.
Różnorodność chromosomów
Jeśli rozumiemy chromosomy jako jakiekolwiek nośniki informacji dziedzicznej, to są one niezwykle zróżnicowane pod względem wielkości, kształtu, wyglądu, składu i liczby. Chromosomy wirusów i bakterii mogą być okrągłe lub liniowe. Chromosomy chloroplastów i mitochondriów mają kształt pierścienia. Chromosomy jądrowe eukariontów mają kształt liniowy i to właśnie one, w postaci ciał w kształcie X i V, zwykle przychodzą na myśl, gdy wspomina się o chromosomach. Nazywają się mitotyczny Lub metafaza, ponieważ mają taki wygląd podczas podziału - mitozy (a metafaza jest jednym z jej etapów).
W 1912 roku rosyjski botanik i cytolog S.G. Navashin wykazał, że chromosomy metafazowe mają indywidualny zestaw cech, w tym rozmiar, stosunek długości ramion, obecność satelitów i zwężenia. Wykorzystując położenie centromeru lub stosunek długości ramienia, S.G. Navashin zaproponował stosowaną do dziś klasyfikację chromosomów mitotycznych: metacentryczne, submetacentryczne, akrocentryczne i telocentryczne.
Liczba chromosomów u różnych gatunków organizmów może być bardzo zróżnicowana: od dwóch (u kilku gatunków roślin i jednej australijskiej mrówki) do 1440 u paproci. Ophioglossum reticulatum a nawet 1600 dla radiolarii morskich Aulacantha scolymantha. U człowieka liczba chromosomów wynosi 46 i została określona dopiero w 1955 r., a opublikowana w 1956 r. przez cytogenetyka chińskiego pochodzenia D. Chio ( J.Tjio) we współpracy ze swoim przełożonym A. Levanem ( A. Levana) w Szwecji. Kilka miesięcy później tę liczbę potwierdził Brytyjczyk C. Ford ( C. Forda) i D. Hamertona ( J.Hamertona). Próby określenia liczby chromosomów człowieka trwają od końca XIX wieku. W różnych przypadkach uzyskano różne wartości: 18, 24, 47 lub 48 i dopiero w 1955 roku przekonano się, że człowiek ma 46 chromosomów.Na cześć tego wydarzenia na budynku Instytutu Genetyki Uniwersytetu im. w szwedzkim mieście Lund (gdzie miało miejsce to wydarzenie) w 2003 roku odsłonięto tablicę pamiątkową przedstawiającą samą płytkę metafazową, z której zliczano chromosomy. Co ciekawe, liczbę chromosomów szympansa (48) ustalono 15 lat wcześniej.
Powszechnie przyjmuje się, że liczba chromosomów w każdym gatunku organizmów żywych jest stała i w zdecydowanej większości przypadków tak jest. Jednakże u niektórych zwierząt i roślin występują tzw nadliczbowy, Lub dodatkowy, chromosomy. Nazywa się wszystkie chromosomy głównego zestawu Chromosomy. Są zawsze obecne, a utrata lub dodanie przynajmniej jednego z nich prowadzi do poważnych konsekwencji. Dodatkowe chromosomy nazywane są Chromosomy B, a ich głównymi cechami są opcjonalność obecności i niestałość liczby. Chromosomy nadliczbowe zostały po raz pierwszy odkryte przez E. Wilsona ( E. Wilsona, USA) w 1906 roku od błędu Metapodius terminalis.
Specyficzny typ chromosomu, tzw chromosomy „szczotki lampowej”., można zaobserwować w profazie pierwszego podziału mejotycznego podczas tworzenia oocytów u ptaków, ryb, gadów i płazów. Po raz pierwszy wspomniano o nich w jego podstawowej książce (1882) V. Fleminga, który odkrył te chromosomy w aksolotlu. Swoją nazwę otrzymali od podobieństwa do pędzla do czyszczenia lamp naftowych.
Szczególne miejsce wśród wszystkich typów chromosomów zajmują chromosomy polietylenowe, które wyglądają jak długie grube sznury z poprzecznymi paskami. Odkrył je francuski embriolog E. Balbiani ( E.Balbiani) w 1881 r. w jądrach komórek gruczołów ślinowych larw komarów Chironomus plumosus. Chromosomy polietylenowe odegrały znaczącą rolę w rozwoju genetyki, cytogenetyki i biologii molekularnej. Za ich pomocą wykazano liniowość ułożenia genów i jednoznacznie udowodniono genetyczną rolę chromosomów. Po raz pierwszy opisano polimorfizm chromosomów w dzikich populacjach na polietylenowych chromosomach Drosophila. To właśnie na chromosomach polietylenowych odkryto geny białek szoku cieplnego – składników układu chroniącego komórki wszystkich organizmów przed stresorami. Chromosomy polietylenowe odegrały kluczową rolę w badaniu systemu kompensacji dawki u Drosophila.
Ewolucja chromosomów i genomów
We współczesnych badaniach cytogenetycznych ważną rolę odgrywają zróżnicowana kolorystyka. Po raz pierwszy zdolność chromosomów do barwienia w różny sposób (czyli nierównej długości) wykazał angielski S. Darlington ( C. Darlingtona) i L. La Cour ( L.La Cour) w 1938 roku. Inną ważną metodą badawczą jest hybrydyzacja in situ, co pozwala określić położenie dowolnego fragmentu DNA na chromosomie. Metoda opiera się na zdolności kwasów nukleinowych do tworzenia cząsteczek dwuniciowych, zarówno DNA-DNA, jak i RNA-DNA. Metoda ta została wynaleziona w 1969 roku przez D. Golla ( J. Gall) i M. Pardue ( M. Pardue) z USA i H. John ( H. John), M. Birnstiel ( M. Birnstiel) i K. Jonesa ( K. Jonesa) z Wielkiej Brytanii.
Połączenie tych metod umożliwia szczegółowe badanie ewolucji chromosomów i genomów*, a niezmiennym towarzyszem procesu ewolucji są rearanżacje chromosomowe. W miarę ewolucji gatunku w jego chromosomach nieuchronnie zachodzą rearanżacje, które zmieniają kolejność genów w porównaniu z gatunkiem przodków. Im dalej gatunki oddalają się od siebie, tym bardziej odróżniają je rearanżacje chromosomowe i tym bardziej zmienia się kolejność genów. Znane są różne rodzaje rearanżacji: delecje (utrata), duplikacje (podwojenie) i translokacje (ruch) odcinków chromosomów, które odkrył K. Bridges odpowiednio w 1916, 1919 i 1923 roku. Innym typem są inwersje (obrót odcinka chromosomu o 180°), opisane przez A. Sturtevanta w 1921 roku. Ponadto istnieje specjalny rodzaj przegrupowania zwany translokacją Robertsona (lub fuzją centryczną). Pierwszym, który to opisał, był Amerykanin W. Robertson ( W. Robertsona) w 1916 r., porównując zestawy chromosomów blisko spokrewnionych gatunków szarańczy. Istota tego przegrupowania sprowadza się do fuzji dwóch chromosomów akrocentrycznych w jeden metacentryczny lub submetacentryczny. Istnieje również proces odwrotny – separacja centryczna. W tym przypadku chromosom meta- lub submetacentryczny dzieli się na dwa akrocentryczne.
* - Na temat biomolekuły można znaleźć imponujący wybór artykułów, które w taki czy inny sposób dotykają ewolucji genomów i zmian w kodzie genetycznym: „ Genomy wirusowe w systemie ewolucji», « Pod „akordeonem genowym”», « Allopoliploidia, czyli jak różne genomy nauczyły się żyć pod jednym dachem», « Kompletne genomy zięb Galapagos wreszcie ujawniły mechanizmy ich ewolucji», « Jak skompilowano genom eukariotyczny: endosymbioza VS. ciągły transfer poziomy»; « Tajemniczy kod naszego genomu», « Ewolucja kodu genetycznego», « U początków kodu genetycznego: bratnie dusze», « Takie różne synonimy" itd. - wyd.
Pozycja chromosomów w jądrze
Pod koniec XIX wieku T. Boveri wysunął pogląd, że chromosomy w jądrze międzyfazowym nie są wymieszane losowo, ale każdy z nich zajmuje swoją własną przestrzeń. W 1909 roku ukuł termin „ terytorium chromosomowe" Pierwsze dowody na istnienie terytoriów chromosomowych uzyskał dopiero w 1982 roku niemiecki badacz T. Kremer ( T. Cremera) ze współautorami. Później zwizualizowali te obszary za pomocą barwników fluorescencyjnych o różnych kolorach. Okazało się, że duże chromosomy znacznie częściej znajdują się w obwodowej części jądra, natomiast małe skupiają się głównie w części centralnej. Ponadto na obrzeżach jądra znajdują się regiony chromosomów pozbawione genów. Przeciwnie, regiony wzbogacone w geny znajdują się bliżej środka jądra.
Skład chromosomów. DNA
Chromosomy to struktury składające się ze złożonego kompleksu DNA, RNA i białek. Taki kompleks nazywa się chromatyna.
DNA jako substancję chemiczną odkrył i wyizolował w czystej postaci młody szwajcarski badacz F. Miescher ( F. Mieschera), pracując w latach 1868–1869 na uniwersytecie niemieckiego miasta Tybinga. Badał skład chemiczny leukocytów, których źródłem była ropa z bandaży z miejscowej kliniki chirurgicznej. F. Miescher opracował metodę rozdzielania jąder i cytoplazmy komórek oraz analizował skład jąder. Oprócz białek i lipidów odkrył substancję, którą nazwał nukleina(od słowa jądro- jądro) i jest obecnie znany jako DNA. Fakt, że DNA jest nośnikiem informacji dziedzicznej, został po raz pierwszy stwierdzony w 1944 roku przez Amerykanów O. Avery ( O. Avery), K. MacLeoda ( C. MacLeoda) i M. McCarthy ( M. McCarty) w eksperymentach na zakażaniu myszy pneumokokami.
Strukturę cząsteczki DNA w postaci podwójnej helisy rozszyfrował w 1953 roku F. Crick ( F. Cricka), D. Watsona ( J.Watsona), M. Wilkins ( M. Wilkinsa) i R. Franklina ( R. Franklina), który pracował w Wielkiej Brytanii. Za to odkrycie pierwsi trzej badacze otrzymali w 1962 roku Nagrodę Nobla (historię odkrycia fascynująco opisali w książce „ Podwójna helisa» James Watson, gorąco polecam - wyd.). Wśród obdarowanych nie znalazła się Rosalind Franklin, która cztery lata wcześniej zmarła na raka. Wiadomo, że cząsteczka DNA składa się z sekwencji czterech rodzajów nukleotydów: adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny*. Za opracowanie metody określania ich kolejności ( sekwencjonowanie) w 1980 roku Nagrodę Nobla otrzymał P. Berg ( P. Berga, USA), W. Gilbert ( W. Gilberta, USA) i F. Sanger ( F. Sangera, Wielka Brytania).
* - Oprócz czterech „klasycznych” nukleotydów, w DNA występują także ich epigenetycznie zmodyfikowane warianty: metylocytozyna i metyloadenina („ Szósta baza DNA: od odkrycia do rozpoznania„). I dla niektórych bakteriofagów Bacillus subtilis opisano włączenie „RNA” uracylu do DNA - wyd.
Jeśli na początku sekwencjonowanie było procesem pracochłonnym, pozwalającym na „odczytanie” na raz tylko małego fragmentu, to w miarę rozwoju technologii możliwe stało się określenie na przykład pełnej sekwencji ludzkiego mitochondrialnego DNA (1981). W 1990 roku rozpoczęto ambitny projekt mający na celu całkowite zsekwencjonowanie ludzkiego genomu, a pierwszy wynik zaprezentowano w 2001 roku (biocząsteczka: „ Genom ludzki: jak było i jak będzie„). Jednocześnie sekwencjonowanie jeden genom kosztował kolosalną kwotę – setki milionów dolarów. Ale technologia nie stoi w miejscu, a pojawienie się nowych metod obniżyło koszty tysiące razy*. Sekwencjonowanie całego genomu stało się obecnie powszechne, a projekt Genome 10K rozpoczęto w 2009 roku. Jego celem jest sekwencjonowanie i całkowite „składanie” 10 tysięcy genomów zwierzęcych w chromosomy.
* - „Prawo” Moore’a jest absolutnie skazane na osiągnięcie swoich punktów końcowych w różnych naukach (gdziekolwiek udało się je wyciągnąć). Biologia wyprzedziła nawet elektronikę: stopniowy spadek kosztów sekwencjonowania w 2007 r. osiągnął gwałtowny szczyt, przybliżając erę rutynowego odczytu genomów w wiejskich stacjach ratownictwa medycznego w ramach obowiązkowych polis ubezpieczeniowych. To prawda, że w dającej się przewidzieć przyszłości nadal będziesz musiał wydać 1000 dolarów plus koszty transportu: „ Technologia: 1000 dolarów za genom" Ale nawet o tym można było tylko marzyć przed pojawieniem się nowych metod sekwencjonowania DNA: „ Sekwencjonowanie 454 (wysokoprzepustowe pirosekwencjonowanie DNA)" A żeby zrozumieć podstawowe (na poziomie komórkowym) procesy rozwoju organizmu i zwycięstwa nad nowotworem, jest jeszcze o czym marzyć: „ Sekwencjonowanie pojedynczych komórek (wersja Metazoa)» - wyd.
Nowe technologie pozwoliły na rozwój takich dziedzin jak badanie starożytnego DNA (biocząsteczka: „ Starożytne DNA: Pozdrowienia z przeszłości„). Możliwe stało się wyodrębnienie DNA z kości mających dziesiątki tysięcy lat, a na przykład w 2008 roku zsekwencjonowano genom mitochondrialny neandertalczyka. Badania starożytnego DNA, a właściwie całej współczesnej biologii molekularnej, nie można sobie wyobrazić bez użycia PCR - reakcja łańcuchowa polimerazy. Za jego odkrycie Amerykanin K. Mullis ( K. Mullis) otrzymał Nagrodę Nobla w 1993 roku.
Skład chromosomów. Wiewiórki
DNA w chromosomach przechodzi kilka kolejnych poziomów upakowania i już na pierwszym poziomie podwójna helisa DNA owija się wokół kulki białkowej, tworząc nukleosom(biocząsteczka: „ Histon toczy się, toczy się w kierunku DNA„). Globula zawiera cztery rodzaje białek, tzw histony. W 1982 roku angielski biolog molekularny A. Klug ( A. Klug) otrzymał Nagrodę Nobla za rozszyfrowanie trójwymiarowej struktury nukleosomów. Pośrednio nukleosomy otrzymały kolejną Nagrodę Nobla – w 1910 roku otrzymał ją niemiecki biochemik A. Kossel ( A.Kossel) za badanie składu chemicznego substancji tworzących jądro komórkowe, w tym za odkrycie histonów.
Części C-końcowe cząsteczek histonów są ściśle złożone, natomiast części N-końcowe nie mają określonej budowy i swobodnie rozchodzą się na boki. W latach 1963–1964 odkryto, że niektóre reszty aminokwasowe w histonach można modyfikować kowalencyjnie, czyli acetylować lub metylować. Teraz lista modyfikacji znacznie się poszerzyła, do reszt aminokwasowych można przyłączać zarówno stosunkowo proste grupy - metylową, acetylową, fosforanową - jak i złożone duże cząsteczki: biotynę, oligopeptydy czy łańcuchy ADP-rybozy. Modyfikacje pojawiają się głównie na N- i w znacznie mniejszym stopniu na C-końcowych częściach cząsteczek histonów.
Według teorie kodu histonowego, modyfikacje obecne na nukleosomach w danym regionie chromatyny nie są przypadkowe, ale „kodują” jakiś proces. Taki punkt widzenia sformułował w latach 2000–2001 B. Shtral ( B. Strahl, USA), S. Ellis ( C. Allis, USA) i T. Jenuwine ( T. Jenuweina, Austrii). Schematycznie proces kodu histonowego może składać się z trzech etapów. W pierwszym etapie działają enzymy modyfikujące pewne reszty w histonach. W drugim etapie białka posiadające specjalne do tego celu domeny wiążą się z modyfikowanymi aminokwasami. Każda z domen nadaje się jedynie do „własnej” modyfikacji. Na ostatnim etapie te związane białka przyciągają inne kompleksy białkowe, rozpoczynając w ten sposób pewien proces.
* - O jasnych perspektywach i otrzeźwiających wątpliwościach w zakresie zastosowania iPSC: „ Francuskim naukowcom udało się odmłodzić komórki stulatków», « Kula śnieżna problemów z pluripotencją». - wyd.
Heterochromatyna
Jednym z obiektów badań różnorodnych procesów epigenetycznych jest heterochromatyna. Została odkryta w postaci ciemniejszych odcinków chromosomów w 1907 roku przez niemieckiego cytologa S. Guthertza ( S. Gutherza), a terminy „heterochromatyna” i „euchromatyna” wprowadził w 1928 roku inny niemiecki cytolog E. Heitz ( E. Heitza). Krótko mówiąc, euchromatyna to część chromosomów, w której zlokalizowana jest zdecydowana większość genów, natomiast heterochromatyna to głównie regiony z niekodującym DNA składającym się z krótkich, wielokrotnie powtarzanych sekwencji. Ponadto eu- i heterochromatyna różnią się czasem replikacji podczas fazy S cyklu komórkowego. Różnicę tę po raz pierwszy opisał w 1959 roku A. Lima de Faria ( A. Lima de Faria, USA), badając proces replikacji DNA w jądrach szarańczy Mechanizm różnicowy Melanoplus. Pokazał, że heterochromatyna zarówno rozpoczyna, jak i kończy replikację swojego DNA później niż euchromatyna.
Ważną właściwością heterochromatyny jest zdolność do inaktywacji znajdujących się w niej genów euchromatycznych. Zjawisko to nazywa się efekt położenia mozaiki. Została odkryta w 1930 roku przez G. Möllera w Drosophila. W wyniku rearanżacji chromosomów gen biały dostał się do heterochromatyny. Gen ten odpowiada za czerwony kolor oczu, a jeśli nie zadziała, oczy stają się białe. G. Möller stworzył muchy, których oczy nie były ani czerwone, ani białe, ale cętkowane, a różne muchy miały plamki o różnych kształtach i rozmiarach. Wyjaśnia to fakt, że sam gen pozostaje nienaruszony, ale w niektórych komórkach oka jest losowo inaktywowany, a w innych działa.
Pomimo wielu lat badań proces powstawania heterochromatyny, a zwłaszcza jego pierwszy etap, nadal pozostaje w dużej mierze niejasny. Uważa się, że kluczową rolę odgrywa w tym proces podobny do Interferencja RNA(biocząsteczka: „ O wszystkich RNA na świecie, dużych i małych„). Za odkrycie tego zjawiska dwóch Amerykanów E. Fire ( Ogień) i K. Mello ( C. Mello) otrzymał Nagrodę Nobla w 2006 roku. Proces interferencji jest złożony i wieloetapowy, ale nie wchodząc w szczegóły, wprowadzenie do komórki dwuniciowego RNA homologicznego z genem prowadzi do inaktywacji tego genu.
Telomery
Intensywne badania nad telomerami rozpoczęły się po tym, jak Amerykanie E. Blackburn ( E. Blackburna) i D. Goll zsekwencjonowali telomery orzęsków Tetrahymena termofilna. Okazało się, że telomery zawierają sekwencję sześciu nukleotydów powtórzoną od 20 do 70 razy. W 1985 roku K. Greider ( C.Greider) i E. Blackburn, wciąż w tym samym orzęsku, odkryli enzym zwany telomeraza, którego zadaniem jest dokończenie budowy telomerów. W 2009 roku E. Blackburn, K. Greider i D. Szostak ( J. Szostaka, USA) otrzymał Nagrodę Nobla za badanie telomerów i odkrycie enzymu telomerazy (biocząsteczka: „ Nagroda Nobla „Ageless”: w 2009 roku nagrodzono prace nad telomerami i telomerazą», « Czy starzenie się jest ceną, jaką trzeba zapłacić za zahamowanie rozwoju nowotworów?»).
Kompensacja dawki
Ogromna liczba gatunków organizmów żywych, w tym człowiek, ma niehomologiczne chromosomy płciowe, na przykład X i Y. W tym przypadku potrzebny jest proces zwany kompensacja dawki. Jego istota jest następująca: ponieważ liczba autosomów jest taka sama zarówno u mężczyzn, jak iu kobiet, liczba genów autosomalnych, a zatem liczba ich produktów również będzie taka sama. Ale liczba produktów syntetyzowanych z genów znajdujących się na chromosomie płciowym u jednej płci będzie 2 razy większa niż u drugiej. Efektem jest dysproporcja, którą trzeba jakoś uregulować, czyli wyrównać „dawkę genów”. System kompensacji dawki (biocząsteczka: „ , USA) postawili hipotezę, zgodnie z którą u samic ssaków jeden z dwóch chromosomów X jest inaktywowany, a jego wybór jest losowy. W ten sposób system kompensacji dawki u ssaków wyrównuje liczbę pracujących chromosomów X u różnych płci: u mężczyzn występuje tylko jeden chromosom X, a u kobiet działa tylko jeden z dwóch.
U Drosophila natura wymyśliła inny mechanizm, zasadniczo przeciwny mechanizmowi ssaków: jedyny Męski chromosom X jest hiperaktywny i działa jako dwa chromosomy X u kobiet. Fakt, że całkowita aktywność dwóch kopii genu z chromosomu X u kobiet i jednej kopii u mężczyzn Drosophila jest taka sama, odkryto u zarania rozwoju genetyki. Dokonali tego K. Stern w 1929 r. i G. Möller w 1931 r., zatem Drosophila jest pierwszym organizmem, u którego stwierdzono kompensację dawkowania.
I w końcu...
Kilka słów o odkryciu, które nie jest bezpośrednio związane z chromosomami, ale jest bardzo aktywnie wykorzystywane, m.in. do badania różnych aspektów życia chromosomów. W 2008 roku O. Shimomura ( O. Shimomura), M. Chalfie ( M.Chalfie) i R. Tsien ( R. Tsien) z USA otrzymało Nagrodę Nobla za odkrycie, wyizolowanie i zastosowanie białko zielonej fluorescencji (GFP) Meduza Aequorea Wiktoria. Stosując manipulację molekularną, można połączyć gen białka GFP z genem dowolnego innego białka i stworzyć białko chimeryczne, które będzie spełniać zarówno swoją pierwotną funkcję, jak i świecić na zielono. Dzięki temu można zobaczyć, w których komórkach działa białko, w jądrze lub cytoplazmie, w jakich częściach chromosomów. Oprócz zielonych (GFP), obecnie znane są białka fluorescencyjne czerwone (RFP) i żółte (YFP)*.
* - Poniższe materiały mówią o różnorodności białek fluorescencyjnych i ich zastosowaniu w badaniach biologicznych: „ Fluorescencyjna Nagroda Nobla w dziedzinie chemii», « Białka fluorescencyjne: bardziej różnorodne niż myślałeś!», « „Narysujmy” żywą komórkę" A o bioluminescencji organizmów lądowych i morskich oraz działaniu układu lucyferyna-lucyferaza - artykuły: „ Bioluminescencja: odrodzenie», « Mikroskopijny blask w kosmicznej skali». - wyd.
Mechanizm dziedziczenia połączonych genów, a także lokalizację niektórych połączonych genów, ustalił amerykański genetyk i embriolog T. Morgan. Pokazał, że sformułowane przez Mendla prawo niezależnego dziedziczenia obowiązuje tylko w przypadkach, gdy geny posiadające niezależne cechy są zlokalizowane na różnych chromosomach niehomologicznych. Jeśli geny znajdują się na tym samym chromosomie, wówczas dziedziczenie cech następuje łącznie, tj. połączone. Zjawisko to zaczęto nazywać dziedziczeniem powiązanym, a także prawem powiązań lub prawem Morgana.
Mówi prawo przyczepności: połączone geny zlokalizowane na tym samym chromosomie są dziedziczone razem (połączone). Grupa sprzęgła- wszystkie geny na jednym chromosomie. Liczba grup łączących jest równa liczbie chromosomów w zestawie haploidalnym. Na przykład osoba ma 46 chromosomów - 23 grupy połączeń, groszek ma 14 chromosomów - 7 grup połączeń, a muszka owocowa Drosophila ma 8 chromosomów - 4 grupy połączeń. Niekompletne połączenie genów- wynik przejścia pomiędzy połączonymi geny, Dlatego pełne połączenie genów być może w organizmach, w których normalnie nie dochodzi do krzyżowania się komórek.
TEORIA CHROMOSOMÓW Morgana. PODSTAWOWE POSTANOWIENIA.
Efektem badań T. Morgana było stworzenie chromosomalnej teorii dziedziczności:
1) geny znajdują się na chromosomach; różne chromosomy zawierają różną liczbę genów; zestaw genów każdego z niehomologicznych chromosomów jest unikalny;
2) każdy gen ma określone miejsce (locus) w chromosomie; geny alleliczne zlokalizowane są w identycznych loci homologicznych chromosomów;
3) geny są zlokalizowane na chromosomach w określonej sekwencji liniowej;
4) geny zlokalizowane na tym samym chromosomie dziedziczą się razem, tworząc grupę łączącą; liczba grup łączących jest równa haploidalnemu zestawowi chromosomów i jest stała dla każdego typu organizmu;
5) w procesie krzyżowania może dojść do przerwania łączenia genów, co prowadzi do powstania zrekombinowanych chromosomów; częstotliwość krzyżowania zależy od odległości między genami: im większa odległość, tym większa wielkość krzyżowania;
6) każdy gatunek ma unikalny zestaw chromosomów – kariotyp.
Dziedziczenie sprzężone z płcią- Jest to dziedziczenie genu zlokalizowanego na chromosomach płci. W przypadku dziedziczności związanej z chromosomem Y objaw lub choroba objawia się wyłącznie u mężczyzn, ponieważ ten chromosom płciowy nie występuje w zestawie chromosomów żeńskich. Dziedziczenie sprzężone z chromosomem X może być dominujące lub recesywne u kobiet, ale zawsze występuje u mężczyzn, ponieważ występuje tylko jeden chromosom X. Dziedziczenie choroby związane z płcią jest głównie związane z chromosomem X płci. Większość chorób dziedzicznych (pewne cechy patologiczne) związanych z płcią jest przenoszona recesywnie. Takich chorób jest około 100. Kobieta będąca nosicielką cechy patologicznej sama nie cierpi, gdyż zdrowy chromosom X dominuje i wypiera chromosom X z cechą patologiczną, tj. kompensuje niższość tego chromosomu. W tym przypadku choroba objawia się tylko u mężczyzn. Typ recesywny sprzężony z chromosomem X przenosi: ślepotę barw (ślepotę czerwono-zieloną), zanik nerwu wzrokowego, ślepotę kukurydzianą, krótkowzroczność Duchenne’a, zespół „kręconych włosów” (pojawia się na skutek upośledzonego metabolizmu miedzi, zwiększonej zawartości miedzi w tkankach, objawia się jak lekko zabarwione, rzadkie i wypadające włosy, upośledzenie umysłowe itp.), defekt enzymów przekształcających zasady purynowe w nukleotydy (towarzyszy temu naruszenie syntezy DNA w postaci zespołu Lescha-Nyena, objawiającego się upośledzeniem umysłowym, agresywnym zachowanie, samookaleczenia), hemofilia A (w wyniku niedoboru globuliny antyhemofilowej – czynnika VIII), hemofilia B (w wyniku niedoboru czynnika Bożego Narodzenia – czynnika IX) itp. Dominujący typ z wiązaniem z chromosomem X przenosi krzywicę hipofosfatemiczną (której nie można leczyć witaminami D2 i D3), brunatne szkliwo zębów itp. Choroby te rozwijają się zarówno u mężczyzn, jak iu kobiet.
Pełne i niekompletne połączenie genów.
Geny na chromosomach mają różną siłę spójności. Sprzężenie genów może być: pełne, jeśli rekombinacja nie jest możliwa pomiędzy genami należącymi do tej samej grupy powiązań, i niekompletne, jeśli możliwa jest rekombinacja między genami należącymi do tej samej grupy powiązań.
Mapy genetyczne chromosomów.
Są to diagramy względnej lokalizacji ryglowania
czynniki dziedziczne – geny. G.K.H. wyświetlać realistycznie
istniejący liniowy porządek rozmieszczenia genów na chromosomach (patrz Mapy cytologiczne chromosomów) i są ważne zarówno w badaniach teoretycznych, jak i w pracy hodowlanej, ponieważ umożliwiają świadomy dobór par cech podczas krzyżówek, a także przewidywanie charakterystyki dziedziczenia i manifestowania się różnych cech w badanych organizmach. Posiadając G. ch., możliwe jest, poprzez dziedziczenie genu „sygnałowego”, który jest ściśle powiązany z genem badanym, kontrolowanie przekazywania potomstwu genów determinujących rozwój trudnych do analizy cech; na przykład gen determinujący bielmo kukurydzy i zlokalizowany na chromosomie 9 jest powiązany z genem determinującym zmniejszoną żywotność roślin.
85. Chromosomalny mechanizm dziedziczenia płciowego. Cytogenetyczne metody określania płci.
Podłoga charakteryzuje się zespołem cech determinowanych przez geny zlokalizowane na chromosomach. U gatunków z osobnikami dwupiennymi kompleks chromosomalny samców i samic nie jest taki sam, cytologicznie różnią się jedną parą chromosomów, nazywano to chromosomy płciowe. Nazwano identyczne chromosomy tej pary Chromosomy X(x). . Niesparowany, nieobecny u drugiej płci - Y (Y) - chromosom ; reszta, dla której nie ma różnic autosomy(A). Człowiek ma 23 pary chromosomów. Z nich 22 pary autosomów i 1 para chromosomów płciowych. Nazywa się płeć z identycznymi chromosomami XX, która tworzy jeden rodzaj gamet (z chromosomem X). homogametyczny, odmiennej płci, z różnymi chromosomami XY, tworzącymi dwa rodzaje gamet (z chromosomem X i z chromosomem Y), - heterogametyczny. U ludzi, ssaków i innych organizmów samiec płci heterogametycznej; u ptaków i motyli - samica.
Chromosomy X, oprócz genów, które determinują Kobieta, zawierają geny niezwiązane z płcią. Cechy określone przez chromosomy nazywane są cechy powiązane z płcią. U ludzi takimi objawami są ślepota barw (ślepota barw) i hemofilia (niekrzepliwość krwi). Anomalie te mają charakter recesywny, kobiety nie wykazują takich objawów, nawet jeśli te geny są przenoszone przez jeden z chromosomów X; taka kobieta jest nosicielką i przekazuje je wraz z chromosomem X swoim synom.
Cytogenetyczna metoda określania płci. Opiera się na badaniu mikroskopowym chromosomów w komórkach ludzkich. Zastosowanie metody cytogenetycznej pozwala nie tylko zbadać prawidłową morfologię chromosomów i kariotyp jako całość, określić płeć genetyczną organizmu, ale, co najważniejsze, zdiagnozować różne choroby chromosomowe związane ze zmianami liczby chromosomów lub naruszenie ich struktury. Jako szybką metodę wykrywającą zmiany w liczbie chromosomów płciowych stosują Metoda oznaczania chromatyny płciowej w niedzielących się komórkach błony śluzowej jamy ustnej. Chromatyna płciowa, czyli ciałko Barra, powstaje w komórkach ciała kobiety na jednym z dwóch chromosomów X. Wraz ze wzrostem liczby chromosomów X w kariotypie organizmu, w jego komórkach powstają ciała Barra w ilości o jeden mniejszej niż liczba chromosomów. Kiedy liczba chromosomów maleje, ciało jest nieobecne. W kariotypie męskim chromosom Y można wykryć poprzez intensywniejszą luminescencję w porównaniu z innymi chromosomami, gdy są one traktowane akryloniprytem i badane w świetle ultrafioletowym.
Cechy struktury chromosomów. Poziomy organizacji materiału dziedzicznego. Hetero- i euchromatyna.
Morfologia chromosomów
Analiza mikroskopowa chromosomów ujawnia przede wszystkim różnice w ich kształcie i wielkości. Struktura każdego chromosomu jest czysto indywidualna. Można również zauważyć, że chromosomy mają wspólne cechy morfologiczne. Składają się z dwóch wątków - chromatyda, położone równolegle i połączone ze sobą w jednym punkcie, zwane centromerem lub zwężeniem pierwotnym. Na niektórych chromosomach widać także wtórne zwężenie. Jest to cecha charakterystyczna, która pozwala na identyfikację poszczególnych chromosomów w komórce. Jeśli wtórne zwężenie znajduje się blisko końca chromosomu, wówczas ograniczony przez nie dystalny obszar nazywa się satelitą. Chromosomy zawierające satelitę nazywane są chromosomami AT. U niektórych z nich podczas telofazy powstają jąderka.
Końce chromosomów mają specjalną strukturę i nazywane są telomerami. Regiony telomerowe mają pewną polaryzację, która uniemożliwia ich łączenie się ze sobą podczas przerw lub z wolnymi końcami chromosomów.
Odcinek chromatydy (chromosomu) od telomera do centromeru nazywany jest ramieniem chromosomu. Każdy chromosom ma dwa ramiona. W zależności od stosunku długości ramion wyróżnia się trzy typy chromosomów: 1) metacentryczne (równe ramiona); 2) submetacentryczny (nierówne ramiona); 3) akrocentryczny, w którym jedno ramię jest bardzo krótkie i nie zawsze wyraźnie widoczne. (p – ramię krótkie, q – ramię długie). Badanie chemicznej organizacji chromosomów w komórkach eukariotycznych wykazało, że składają się one głównie z DNA i białek: histonów i protomitów (w komórkach rozrodczych), które tworzą kompleks nukleoproteinowy zwany chromatyną, który otrzymał swoją nazwę ze względu na zdolność do barwienia podstawowe barwniki. Białka stanowią znaczną część substancji chromosomów. Stanowią one około 65% masy tych konstrukcji. Wszystkie białka chromosomalne dzielą się na dwie grupy: histony i białka niehistonowe.
Histony reprezentowane przez pięć frakcji: HI, H2A, H2B, NZ, H4. Będąc dodatnio naładowanymi białkami zasadowymi, dość mocno wiążą się z cząsteczkami DNA, co uniemożliwia odczytanie zawartej w nich informacji biologicznej. Taka jest ich rola regulacyjna. Ponadto białka te pełnią funkcję strukturalną, zapewniając przestrzenną organizację DNA w chromosomach.
Liczba frakcji niehistonowy białek przekracza 100. Należą do nich enzymy służące do syntezy i przetwarzania RNA, reduplikacji i naprawy DNA. Białka kwasowe chromosomów pełnią również role strukturalne i regulacyjne. Oprócz DNA i białek chromosomy zawierają także RNA, lipidy, polisacharydy i jony metali.
I nawożenie. Obserwacje te dały podstawę do założenia, że geny zlokalizowane są na chromosomach. Jednak eksperymentalne dowody lokalizacji określonych genów w określonych chromosomach uzyskał dopiero w mieście amerykański genetyk T. Morgan, który w kolejnych latach (-) uzasadnił chromosomową teorię dziedziczności. Zgodnie z tą teorią przekazywanie informacji dziedzicznej jest związane z chromosomami, w których geny są zlokalizowane liniowo, w określonej kolejności. Zatem to chromosomy stanowią materialną podstawę dziedziczności.
Stworzenie teorii chromosomów ułatwiły dane uzyskane z badań genetyki płci, kiedy ustalono różnice w zestawie chromosomów w organizmach różnej płci.
Genetyka seksu
Podobna metoda określania płci (typ XY) jest nieodłączna dla wszystkich ssaków, w tym ludzi, których komórki zawierają 44 autosomy i dwa chromosomy X u kobiet lub chromosomy XY u mężczyzn.
Zatem, Określenie płci typu XY lub typ Drosophila i ludzi, - najczęstszy sposób określenia płci, charakterystyczny dla większości kręgowców i niektórych bezkręgowców. Typ X0 występuje u większości ortoptera, robali, chrząszczy i pająków, które w ogóle nie mają chromosomu Y, więc samiec ma genotyp X0, a samica ma genotyp XX.
U wszystkich ptaków, większości motyli i niektórych gadów, samce są płci homogametycznej, a samice heterogametyczne (typ XY lub typ XO). Chromosomy płciowe u tych gatunków są oznaczone literami Z i W, aby w ten sposób podkreślić tę metodę określania płci; w tym przypadku zestaw chromosomów męskich oznaczono symbolem ZZ, a żeńskich symbolem ZW lub Z0.
Dowody na to, że chromosomy płciowe determinują płeć organizmu, uzyskano z badań nondysjunkcji chromosomów płciowych u Drosophila. Jeśli jedna z gamet zawiera oba chromosomy płciowe, a druga żaden, to połączenie takich gamet z prawidłowymi może skutkować osobnikami posiadającymi zestaw chromosomów płciowych XXX, XO, XXXY itd. Okazało się, że u Drosophila osoby z zestawem XO to mężczyźni, a z zestawem XXY - kobiety (u ludzi jest odwrotnie). Osoby z zestawem XXX mają przerośnięte cechy żeńskie (superkobiety). (Osoby ze wszystkimi tymi aberracjami chromosomowymi u Drosophila są bezpłodne). Później udowodniono, że u Drosophila o płci decyduje stosunek (równowaga) pomiędzy liczbą chromosomów X a liczbą zestawów autosomów.
Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią
W przypadku, gdy geny kontrolujące powstawanie danej cechy zlokalizowane są w autosomach, dziedziczenie następuje niezależnie od tego, który z rodziców (matka czy ojciec) jest nosicielem badanej cechy. Jeśli geny są zlokalizowane na chromosomach płci, charakter dziedziczenia cech zmienia się radykalnie. Na przykład u Drosophila geny zlokalizowane na chromosomie X z reguły nie mają alleli na chromosomie Y. Z tego powodu geny recesywne na chromosomie X płci heterogametycznej prawie zawsze pojawiają się w liczbie pojedynczej.
Cechy, których geny są zlokalizowane na chromosomach płci, nazywane są cechami sprzężonymi z płcią. Zjawisko dziedziczenia sprzężonego z płcią odkrył T. Morgan u Drosophila.
Chromosomy X i Y u człowieka mają homologiczny (pseudoautosomalny) region, w którym zlokalizowane są geny, których dziedziczenie nie różni się od dziedziczenia genów autosomalnych.
Oprócz regionów homologicznych chromosomy X i Y mają regiony niehomologiczne. Niehomologiczny region chromosomu Y, oprócz genów determinujących płeć męską, zawiera geny odpowiedzialne za błony między palcami stóp i owłosionymi uszami u ludzi. Cechy patologiczne związane z niehomologicznym regionem chromosomu Y są przekazywane wszystkim synom, ponieważ otrzymują oni chromosom Y od ojca.
Niehomologiczny region chromosomu X zawiera szereg genów ważnych dla życia organizmów. Ponieważ u płci heterogametycznej (XY) chromosom X jest reprezentowany w liczbie pojedynczej, cechy określone przez geny niehomologicznego regionu chromosomu X pojawią się, nawet jeśli będą recesywne. Ten stan genów nazywa się hemizygotycznym. Przykładem tego rodzaju cech recesywnych sprzężonych z chromosomem X u ludzi jest hemofilia, dystrofia mięśniowa Duchenne’a, zanik nerwu wzrokowego, ślepota barw (ślepota barw) itp.
Hemofilia jest chorobą dziedziczną, w przebiegu której krew traci zdolność krzepnięcia. Rana, nawet zadrapanie lub siniak, może spowodować obfite krwawienie zewnętrzne lub wewnętrzne, które często kończy się śmiercią. Choroba ta występuje, z nielicznymi wyjątkami, tylko u mężczyzn. Stwierdzono, że obie najczęstsze postaci hemofilii (hemofilia A i hemofilia B) są spowodowane przez geny recesywne zlokalizowane na chromosomie X. Kobiety (nosicielki) heterozygotyczne pod względem tych genów mają prawidłową lub nieznacznie obniżoną krzepliwość krwi.
Fenotypową manifestację hemofilii u dziewcząt można zaobserwować, jeśli matka dziewczynki jest nosicielką genu hemofilii, a ojciec jest chory na hemofilię. Podobny wzór dziedziczenia jest charakterystyczny dla innych cech recesywnych, sprzężonych z płcią.
Dziedziczenie łańcuchowe
Niezależne łączenie cech (trzecie prawo Mendla) przeprowadza się pod warunkiem, że geny determinujące te cechy znajdują się w różnych parach homologicznych chromosomów. W rezultacie w każdym organizmie liczba genów, które można niezależnie połączyć w mejozie, jest ograniczona liczbą chromosomów. Jednak w organizmie liczba genów znacznie przewyższa liczbę chromosomów. Na przykład przed erą biologii molekularnej badano ponad 500 genów w kukurydzy, ponad 1 tysiąc u muszki Drosophila i około 2 tysiące genów u ludzi, którzy mają odpowiednio 10, 4 i 23 pary chromosomów. Już na początku XX wieku W. Sutton wiedział, że liczba genów w organizmach wyższych wynosi kilka tysięcy. Dało to podstawę do założenia, że na każdym chromosomie zlokalizowanych jest wiele genów. Geny zlokalizowane na tym samym chromosomie tworzą grupę sprzężeń i są dziedziczone razem.
T. Morgan zaproponował nazwanie wspólnego dziedziczenia genów dziedziczeniem powiązanym. Liczba grup łączących odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów, ponieważ grupa łącząca składa się z dwóch homologicznych chromosomów, w których zlokalizowane są te same geny. (U osobników płci heterogametycznej, takich jak samce ssaków, w rzeczywistości istnieje jeszcze jedna grupa połączeń, ponieważ chromosomy X i Y zawierają różne geny i reprezentują dwie różne grupy połączeń. Zatem kobiety mają 23 grupy połączeń, a dla mężczyzn - 24 ).
Sposób dziedziczenia połączonych genów różni się od dziedziczenia genów zlokalizowanych w różnych parach homologicznych chromosomów. Tak więc, jeśli przy niezależnej kombinacji osobnik diheterozygotyczny tworzy cztery typy gamet (AB, Ab, aB i ab) w równych ilościach, to przy dziedziczeniu połączonym (przy braku krzyżowania) ta sama diheterozygota tworzy tylko dwa typy gamet gamety: (AB i ab) również w równych ilościach. Te ostatnie powtarzają kombinację genów w chromosomie rodzica.
Stwierdzono jednak, że oprócz zwykłych (niekrzyżowych) gamet powstają także inne (krzyżowe) gamety z nowymi kombinacjami genów – Ab i aB, które różnią się od kombinacji genów w chromosomach rodzica. Powodem pojawienia się takich gamet jest wymiana odcinków homologicznych chromosomów lub krzyżowanie się.
Crossing over zachodzi w profazie I mejozy podczas koniugacji homologicznych chromosomów. W tym czasie części dwóch chromosomów mogą się krzyżować i wymieniać swoje sekcje. W rezultacie pojawiają się jakościowo nowe chromosomy zawierające sekcje (geny) zarówno chromosomów matki, jak i ojca. Osobniki uzyskane z takich gamet z nową kombinacją alleli nazywane są krzyżowaniem lub rekombinacją.
Częstotliwość (procent) krzyżowania się dwóch genów znajdujących się na tym samym chromosomie jest proporcjonalna do odległości między nimi. Przejście między dwoma genami występuje rzadziej, im bliżej siebie są one położone. Wraz ze wzrostem odległości między genami wzrasta prawdopodobieństwo, że skrzyżowanie rozdzieli je na dwóch różnych homologicznych chromosomach.
Odległość między genami charakteryzuje siłę ich powiązania. Istnieją geny o wysokim odsetku powiązań i takie, w których powiązanie jest prawie niewykrywalne. Natomiast przy dziedziczeniu sprzężonym maksymalna częstotliwość przekraczania nie przekracza 50%. Jeżeli jest ona wyższa, wówczas obserwuje się swobodną kombinację par alleli, nieodróżnialną od dziedziczenia niezależnego.
Biologiczne znaczenie krzyżowania jest niezwykle duże, ponieważ rekombinacja genetyczna umożliwia tworzenie nowych, wcześniej nieistniejących kombinacji genów, a tym samym zwiększa zmienność dziedziczną, co zapewnia organizmowi szerokie możliwości przystosowania się do różnych warunków środowiskowych. Osoba specjalnie przeprowadza hybrydyzację w celu uzyskania niezbędnych kombinacji do wykorzystania w pracach hodowlanych.
Pojęcie mapy genetycznej
T. Morgan i jego współpracownicy K. Bridges, A. G. Sturtevant i G. J. Meller wykazali eksperymentalnie, że znajomość zjawisk łączenia i krzyżowania pozwala nie tylko na ustalenie grupy łączącej genów, ale także na konstruowanie map genetycznych chromosomów, które wskazują kolejność ułożenia genów na chromosomie i względne odległości między nimi.
Mapa genetyczna chromosomów to diagram względnego rozmieszczenia genów znajdujących się w tej samej grupie połączeń. Takie mapy są zestawiane dla każdej pary homologicznych chromosomów.
Możliwość takiego mapowania opiera się na stałości procentu krzyżowania pomiędzy określonymi genami. Mapy genetyczne chromosomów zostały opracowane dla wielu typów organizmów: owadów (drosophila, komar, karaluch itp.), grzybów (drożdże, aspergillus), bakterii i wirusów.
Obecność mapy genetycznej świadczy o wysokim stopniu wiedzy o konkretnym gatunku organizmu i budzi duże zainteresowanie naukowe. Taki organizm jest doskonałym obiektem do dalszych prac eksperymentalnych, które mają znaczenie nie tylko naukowe, ale i praktyczne. W szczególności znajomość map genetycznych umożliwia planowanie prac nad uzyskaniem organizmów o określonych kombinacjach cech, co jest obecnie powszechnie stosowane w praktyce hodowlanej. Zatem stworzenie szczepów mikroorganizmów zdolnych do syntezy białek, hormonów i innych złożonych substancji organicznych niezbędnych w farmakologii i rolnictwie możliwe jest jedynie w oparciu o metody inżynierii genetycznej, które z kolei opierają się na znajomości map genetycznych organizmu odpowiednie mikroorganizmy.
Mapy genetyczne człowieka mogą być również przydatne w zdrowiu i medycynie. Wiedza o lokalizacji genu na konkretnym chromosomie wykorzystywana jest w diagnostyce szeregu ciężkich dziedzicznych chorób człowieka. Obecnie możliwa jest terapia genowa, czyli korygowanie struktury lub funkcji genów.
Podstawowe założenia chromosomalnej teorii dziedziczności
Analiza zjawisk dziedziczenia sprzężonego, krzyżowania, porównanie map genetycznych i cytologicznych pozwala na sformułowanie głównych założeń chromosomalnej teorii dziedziczności:
- Geny są zlokalizowane na chromosomach. Co więcej, różne chromosomy zawierają nierówną liczbę genów. Ponadto zestaw genów każdego z niehomologicznych chromosomów jest unikalny.
- Geny alleliczne zajmują identyczne loci na chromosomach homologicznych.
- Geny są umiejscowione na chromosomie w sekwencji liniowej.
- Geny na jednym chromosomie tworzą grupę sprzężeń, to znaczy są dziedziczone w przeważającej mierze połączone (razem), dzięki czemu następuje powiązane dziedziczenie niektórych cech. Liczba grup łączących jest równa haploidalnej liczbie chromosomów danego gatunku (u płci homogametycznej) lub większa o 1 (u płci heterogametycznej).
- Powiązanie jest przerywane poprzez krzyżowanie, którego częstotliwość jest wprost proporcjonalna do odległości między genami na chromosomie (dlatego siła powiązania jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między genami).
- Każdy gatunek biologiczny charakteryzuje się pewnym zestawem chromosomów - kariotypem.
Źródła
- N. A. Lemeza L. V. Kamlyuk N. D. Lisov „Podręcznik biologii dla kandydatów na uniwersytety”
Notatki
Fundacja Wikimedia. 2010.
Komórki zamknięte w jądrze są nosicielami genów i stanowią materialną podstawę dziedziczności, tj. ciągłość właściwości organizmów w wielu pokoleniach jest zdeterminowana ciągłością ich chromosomów. H. t.n. powstał na początku XX wieku. w oparciu o teorię komórkową i wykorzystanie analizy hybrydologicznej do badania dziedzicznych właściwości organizmów.
W 1902 roku W. Setton w USA, który zwrócił uwagę na równoległość w zachowaniu chromosomów i tzw. mendlowską. „czynniki dziedziczne”, a T. Boveri w Niemczech wysunął chromosomalną hipotezę dziedziczności, zgodnie z którą mendlowskie czynniki dziedziczne (później zwane genami) są zlokalizowane w chromosomach. Pierwsze potwierdzenie tej hipotezy uzyskano badając genetyczny mechanizm determinacji płci u zwierząt, kiedy odkryto, że mechanizm ten opiera się na rozmieszczeniu chromosomów płciowych u potomstwa. Dalsze uzasadnienie technologii chemicznej. należy do amerykańskiego genetyka T. H. Morgana, który zauważył, że przekazywanie niektórych genów (np. genu powodującego białookość u samic Drosophila po skrzyżowaniu z czerwonookimi samcami) wiąże się z przekazywaniem chromosomu płci X, tj. , że cechy związane z płcią (znanych jest kilkadziesiąt takich objawów u człowieka, w tym niektóre wady dziedziczne - ślepota barw, hemofilia itp.).
Dowód X. t.n. uzyskano w 1913 roku przez amerykańskiego genetyka K. Bridgesa, który odkrył nondysjunkcję chromosomów podczas mejozy u samic Drosophila i zauważył, że zaburzeniu rozmieszczenia chromosomów płciowych towarzyszą zmiany w dziedziczeniu cech sprzężonych z płcią.
Wraz z rozwojem technologii chemicznej. stwierdzono, że geny zlokalizowane na tym samym chromosomie stanowią jedną grupę sprzężeń i powinny być dziedziczone razem; liczba grup łączących jest równa liczbie par chromosomów, stałej dla każdego typu organizmu ; cechy zależne od połączonych genów są również dziedziczone razem. W rezultacie prawo niezależnej kombinacji cech powinno mieć ograniczone zastosowanie; Cechy, których geny są zlokalizowane na różnych (niehomologicznych) chromosomach, muszą być dziedziczone niezależnie. Zjawisko niepełnego sprzężenia genów (kiedy wraz z rodzicielskimi kombinacjami cech, u potomstwa krzyżówek znajdują się także nowe, rekombinowane kombinacje cech) zostało szczegółowo zbadane przez Morgana i jego współpracowników (A.G. Sturtevanta i innych) i posłużyło jako uzasadnienie liniowego ułożenia genów na chromosomach. Morgan zasugerował, że połączone geny homologicznych chromosomów, występujące w kombinacjach i u rodziców, mogą zmieniać miejsca w mejozie w formie heterozygotycznej ®, w wyniku czego wraz z gametami AB i ab powstają gamety Ab i aB. Do takich rekombinacji dochodzi w wyniku pęknięć w homologicznych chromosomach w obszarze między genami i późniejszego połączenia odłamanych końców w nową kombinację: Realność tego procesu, zwanego krzyżowaniem chromosomów, czyli krzyżowaniem, udowodnił w 1933 roku naukowiec K. Stern w doświadczeniach z Drosophilą i amerykańskimi naukowcami H. Creightonomy B. McClintock - z kukurydzą. Im dalej połączone geny są od siebie, tym większe jest prawdopodobieństwo krzyżowania się między nimi. Zależność częstotliwości krzyżowania od odległości między połączonymi genami wykorzystano do skonstruowania map genetycznych chromosomów. W latach 30 XX wiek F. Dobzhansky wykazał, że kolejność umieszczania genów na mapach genetycznych i cytologicznych chromosomów jest taka sama.
Zgodnie z ideami szkoły Morgana geny są odrębnymi i dalszymi niepodzielnymi nośnikami informacji dziedzicznej. Natomiast odkrycie w 1925 r. przez radzieckich naukowców G. A. Nadsona i G. S. Filippova oraz w 1927 r. przez amerykańskiego naukowca G. Möllera wpływu promieni rentgenowskich na występowanie zmian dziedzicznych (mutacji) u Drosophila, a także zastosowanie promieni rentgenowskich w celu przyspieszenia procesu mutacji u Drosophila pozwoliło sowieckim naukowcom A. S. Serebrovsky’emu, N. P. Dubininowi i innym w latach 1928–30 sformułować pomysły dotyczące podzielności genu na mniejsze jednostki ułożone w sekwencji liniowej i zdolne do zmian mutacyjnych. W 1957 roku idee te zostały udowodnione w pracy amerykańskiego naukowca S. Benzera z bakteriofagiem T4. Zastosowanie promieni rentgenowskich do stymulacji rearanżacji chromosomów pozwoliło N.P. Dubininowi i B.N. Sidorovowi odkryć w 1934 r. wpływ pozycji genu (odkryty w 1925 r. przez Sturtevanta), tj. zależność manifestacji genu od jego lokalizacji na chromosomie. Powstał pomysł o jedności dyskretności i ciągłości w strukturze chromosomu.
H. t.n. rozwija się w kierunku pogłębiania wiedzy o uniwersalnych nośnikach informacji dziedzicznej – cząsteczkach kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Ustalono, że ciągła sekwencja zasad purynowych i pirymidynowych wzdłuż łańcucha DNA tworzy geny, odstępy międzygenowe oraz znaki początku i końca odczytywania informacji w genie; determinuje dziedziczny charakter syntezy określonych białek komórkowych, a co za tym idzie, dziedziczny charakter metabolizmu. DNA stanowi materialną podstawę grupy połączeń u bakterii i wielu wirusów (w niektórych wirusach kwas rybonukleinowy jest nośnikiem informacji dziedzicznej) ; Cząsteczki DNA tworzące mitochondria, plastydy i inne organelle komórkowe służą jako materialne nośniki dziedziczności cytoplazmatycznej.
Technologia chemiczna, wyjaśniająca wzorce dziedziczenia cech w organizmach zwierzęcych i roślinnych, odgrywa ważną rolę w naukach rolniczych. nauka i praktyka. Wyposaża hodowców w metody hodowli ras zwierząt i odmian roślin o pożądanych właściwościach. Niektóre postanowienia Kh. t.n. pozwalają na bardziej racjonalne rolnictwo. produkcja. Stąd zjawisko sprzężonego z płcią dziedziczenia szeregu cech u rolników. przed wynalezieniem metod sztucznej regulacji płci u jedwabników pozwolono na odstrzał kokonów mniej produktywnej płci, przed opracowaniem metody rozdzielania kurczaków według płci poprzez badanie kloaki, na odstrzał kogucików itp. Ma ogromne znaczenie dla zwiększenia produktywności wielu produktów rolnych. uprawy wykorzystują poliploidię. Badania nad chorobami dziedzicznymi człowieka opierają się na wiedzy o wzorcach rearanżacji chromosomów.
wzory, odkryte przez szkołę Morgana, a następnie potwierdzone i pogłębione na licznych obiektach, znane są pod ogólną nazwą chromosomalnej teorii dziedziczności.
Jego główne postanowienia są następujące:
1. Geny znajdują się na chromosomach; każdy chromosom reprezentuje grupę łączącą geny; liczba grup łączących u każdego gatunku jest równa liczbie par chromosomów.
2. Każdy gen zajmuje określone miejsce (locus) na chromosomie; geny na chromosomach są ułożone liniowo.
3. Geny alleliczne podlegają wymianie pomiędzy homologicznymi chromosomami.
4. Odległość między genami (loci) na chromosomie jest proporcjonalna do liczby przejść między nimi.
Temat 32. Chromosomalna teoria dziedziczności. Prawo Morgana
Wstęp
1. T. G. Morgan – największy genetyk XX wieku.
2. Przyciąganie i odpychanie
3. Chromosomalna teoria dziedziczności
4. Wzajemne ułożenie genów
5. Mapy grup sprzężonych, lokalizacja genów w chromosomach
6. Mapy cytologiczne chromosomów
7. Wnioski
Bibliografia
1. WSTĘP
Trzecie prawo Mendla – zasada niezależnego dziedziczenia cech – ma istotne ograniczenia.
W eksperymentach własnych Mendla oraz w pierwszych eksperymentach przeprowadzonych po drugim odkryciu praw Mendla do badań włączono geny zlokalizowane na różnych chromosomach, w wyniku czego nie stwierdzono żadnych rozbieżności z trzecim prawem Mendla. Nieco później odkryto fakty sprzeczne z tym prawem. Stopniowa akumulacja i badanie ich doprowadziło do ustanowienia czwartego prawa dziedziczności, zwanego prawem Morgana (na cześć amerykańskiego genetyka Thomasa Genta Morgana, który jako pierwszy je sformułował i uzasadnił) lub zasadą powiązań.
W 1911 roku w artykule „Wolna segregacja a nie przyciąganie w dziedziczności mendlowskiej” Morgan napisał: „Zamiast swobodnej segregacji w sensie mendlowskim znaleźliśmy „powiązanie czynników” zlokalizowane blisko siebie na chromosomach. Cytologia zapewniła mechanizm wymagany na podstawie danych eksperymentalnych.
Słowa te w skrócie formułują główne założenia chromosomalnej teorii dziedziczności opracowanej przez T. G. Morgana.
1. T. G. MORGAN – NAJWIĘKSZY GENETYK XX wieku.
Thomas Gent Morgan urodził się 25 września 1866 roku w Kentucky (USA). W 1886 roku ukończył studia na uniwersytecie tego stanu. W 1890 r. T. Morgan uzyskał stopień doktora filozofii, a rok później został profesorem w żeńskim college'u w Pensylwanii. Główny okres jego życia związany był z Uniwersytetem Columbia, gdzie od 1904 roku przez 25 lat pełnił funkcję kierownika katedry zoologii doświadczalnej. W 1928 roku został zaproszony do kierowania specjalnie dla niego zbudowanym laboratorium biologicznym w California Institute of Technology w miasteczku niedaleko Los Angeles, gdzie pracował aż do śmierci.
Pierwsze badania T. Morgana poświęcone były zagadnieniom embriologii eksperymentalnej.
W 1902 roku młody amerykański cytolog Walter Setton (1877-1916), pracujący w laboratorium E. Wilsona (1856-1939), zasugerował, że osobliwe zjawiska charakteryzujące zachowanie chromosomów podczas zapłodnienia były najprawdopodobniej mechanizmem wzorców mendlowskich. T. Morgan był dobrze zaznajomiony z samym E. Wilsonem i pracą jego laboratorium, dlatego też stwierdzając w 1908 roku u samców filoksery obecność dwóch odmian plemników, z których jeden miał dodatkowy chromosom, przyjmował założenie, że związek natychmiast powstał z cech płciowych wraz z wprowadzeniem odpowiednich chromosomów. Zatem T. Morgan przeszedł do zagadnień genetyki. Wpadł na pomysł, że nie tylko płeć jest powiązana z chromosomami, ale być może zlokalizowane są w nich inne dziedziczne skłonności.
Skromny budżet laboratorium uniwersyteckiego zmusił T. Morgana do poszukiwania bardziej odpowiedniego obiektu do eksperymentów w badaniu dziedziczności. Od myszy i szczurów przechodzimy do muszki owocowej Drosophila, której wybór okazał się niezwykle udany. Prace szkoły T. Morgana, a następnie większości innych instytucji zajmujących się badaniami genetycznymi, skupiały się na tym obiekcie. Najważniejsze odkrycia w genetyce lat 20. i 30. XX wieku. XX wiek związany z Drosophilą.
W 1910 roku opublikowano pierwszą pracę genetyczną T. Morgana „Sex-Limited Heredity in Drosophila” opisującą mutację białooką. Późniejsza, naprawdę gigantyczna praca T. Morgana i jego współpracowników umożliwiła połączenie danych cytologicznych i genetycznych w jedną całość, a kulminacją było stworzenie chromosomalnej teorii dziedziczności. Główne prace T. Morgana „Strukturalne podstawy dziedziczności”, „Teoria genów”, „Eksperymentalne podstawy ewolucji” i inne wyznaczają postępujący rozwój nauk genetycznych.
Wśród biologów XX wieku. T. Morgan wyróżnia się jako genialny genetyk eksperymentalny i badacz szerokiego spektrum zagadnień.
W 1931 r. T. Morgan został wybrany członkiem honorowym Akademii Nauk ZSRR, a w 1933 r. otrzymał Nagrodę Nobla.
2. PRZYCIĄGANIE I ODPRĘŻANIE
Po raz pierwszy odchylenie od zasady niezależnego dziedziczenia cech zauważyli Bateson i Punnett w 1906 roku, badając charakter dziedziczenia barwy kwiatów i kształtu pyłku u groszku cukrowego. U groszku cukrowego dominuje fioletowa barwa kwiatów (kontrolowana przez gen B) nad czerwoną (w zależności od genu B), a podłużny kształt dojrzałego pyłku („długi pyłek”) związany jest z obecnością 3 porów, co jest kontrolowane przez gen L, dominuje pyłek „okrągły” z 2 porami, których powstawanie jest kontrolowane przez gen l.
Podczas krzyżowania groszku fioletowego z długim pyłkiem i groszku czerwonego z okrągłym pyłkiem wszystkie rośliny pierwszego pokolenia mają fioletowe kwiaty i długi pyłek.
W drugim pokoleniu spośród 6952 przebadanych roślin znaleziono 4831 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 390 o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 393 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz 1338 o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym.
Stosunek ten dobrze odpowiada oczekiwanemu podziałowi, jeśli podczas tworzenia gamet pierwszego pokolenia geny B i L występują 7 razy częściej w kombinacjach, w których występowały w formach rodzicielskich (BL i bl) niż w nowych kombinacjach (Bl i bL) (tab. 1).
Wydaje się, że geny B i L, a także b i l, przyciągają się do siebie i z trudem można je od siebie oddzielić. To zachowanie genów nazwano przyciąganiem genów. Założenie, że gamety z genami B i L w kombinacjach, w jakich występowały w formach rodzicielskich, spotykane są 7 razy częściej niż gamety z nową kombinacją (w tym przypadku Bl i bL) znalazło bezpośrednie potwierdzenie w wynikach tzw. analizując krzyże.
Krzyżując mieszańce pierwszej generacji (F1) (genotyp BbLl) z recesywnym rodzicem (bbll) uzyskano następujący podział: 50 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 7 roślin o kwiatach fioletowych i pyłku okrągłym, 8 roślin o kwiatach czerwonych i długi pyłek i 47 roślin o kwiatach czerwonych i pyłku okrągłym, co bardzo dobrze odpowiada oczekiwanemu stosunkowi: 7 gamet ze starymi kombinacjami genów do 1 gamet z nowymi kombinacjami.
W krzyżówkach, w których jedno z rodziców posiadało genotyp BBll, a drugie bbLL, segregacja w drugim pokoleniu miała już zupełnie inny charakter. W jednej z tych krzyżówek F2 było 226 roślin o kwiatach fioletowych i długim pyłku, 95 o kwiatach fioletowych i okrągłym pyłku, 97 o kwiatach czerwonych i długim pyłku oraz jedna roślina o kwiatach czerwonych i okrągłym pyłku. W tym przypadku wydaje się, że geny B i L odpychają się nawzajem. To zachowanie czynników dziedzicznych nazwano odpychaniem genów.
Ponieważ przyciąganie i odpychanie genów było bardzo rzadkie, uznano to za pewnego rodzaju anomalię i rodzaj genetycznej ciekawości.
Nieco później odkryto u groszku cukrowego jeszcze kilka przypadków przyciągania i odpychania (kształt kwiatu i kolor kątów liści, kolor kwiatów i kształt żagli kwiatowych oraz kilka innych par cech), nie zmieniło to jednak ogólnej oceny zjawiska przyciąganie i odpychanie jako anomalia.
Jednak ocena tego zjawiska uległa diametralnej zmianie po latach 1910-1911. T. Morgan i jego uczniowie odkryli liczne przypadki przyciągania i odpychania u muszki owocowej Drosophila, bardzo korzystnego obiektu badań genetycznych: jej uprawa jest tania i można ją prowadzić w warunkach laboratoryjnych na bardzo szeroką skalę, jej żywotność jest krótka i w ciągu jednego roku można uzyskać kilkadziesiąt pokoleń, kontrolowane krzyżowania są łatwe do wykonania, występują tylko 4 pary chromosomów, w tym para płciowa, które wyraźnie się od siebie odróżniają.
Dzięki temu Morgan i jego współpracownicy szybko odkryli dużą liczbę mutacji w czynnikach dziedzicznych, które determinują cechy wyraźnie widoczne i łatwe do zbadania, a także byli w stanie przeprowadzić liczne krzyżowania w celu zbadania natury dziedziczenia tych cech. Okazało się, że wiele genów muszki Drosophila nie jest dziedziczonych niezależnie od siebie, lecz wzajemnie się przyciąga lub odpycha, a geny wykazujące takie oddziaływanie można podzielić na kilka grup, w ramach których wszystkie geny wykazywały mniej lub bardziej silnie wyrażane wzajemne przyciąganie lub odpychanie.
Na podstawie analizy wyników tych badań T. G. Morgan zasugerował, że przyciąganie zachodzi pomiędzy genami nieallelomorficznymi zlokalizowanymi na tym samym chromosomie i utrzymuje się do czasu, aż geny te zostaną oddzielone od siebie w wyniku pęknięcia chromosomu podczas podziału redukcyjnego i nastąpi odpychanie w przypadkach, gdy badane geny znajdują się na różnych chromosomach tej samej pary chromosomów homologicznych
Wynika z tego, że przyciąganie i odpychanie genów to różne aspekty tego samego procesu, którego materialną podstawą jest odmienne rozmieszczenie genów w chromosomach. Dlatego Morgan zaproponował porzucenie dwóch odrębnych koncepcji „przyciągania” i „odpychania” genów i zastąpienie ich jedną ogólną koncepcją „połączenia genów”, wierząc, że zależy to od ich umiejscowienia w obrębie jednego chromosomu w porządku liniowym.
3. CHROMOSOMALNA TEORIA DZIEDZICTWA
Po dalszych badaniach powiązań genów szybko ustalono, że liczba grup powiązań u Drosophila (4 grupy) odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów u tej muszki, a wszystkie zbadane wystarczająco szczegółowo geny zostały rozdzielone pomiędzy te 4 grupy powiązań. Początkowo względna lokalizacja genów w obrębie chromosomu pozostawała nieznana, ale później opracowano technikę określania kolejności lokalizacji genów znajdujących się w tej samej grupie sprzężeń, w oparciu o ilościowe określenie siły powiązania między nimi.
Ilościowe określenie siły powiązania genowego opiera się na następujących przesłankach teoretycznych. Jeżeli w organizmie diploidalnym dwa geny A i B zlokalizowane są na jednym chromosomie, a recesywne allelomorfy tych genów a i b zlokalizowane są na innym, homologicznym z nim chromosomie, to geny A i B mogą się od siebie oddzielić i wejść w nowe kombinacje z ich recesywnych allelomorfów jedynie w przypadku, gdy chromosom, w którym się znajdują, ulegnie uszkodzeniu w obszarze pomiędzy tymi genami i w miejscu pęknięcia powstaje połączenie pomiędzy odcinkami tego chromosomu i jego homologiem.
Takie pęknięcia i nowe kombinacje regionów chromosomów faktycznie zachodzą podczas koniugacji homologicznych chromosomów podczas podziału redukcyjnego. Ale w tym przypadku wymiana odcinków zwykle nie zachodzi między wszystkimi 4 chromatydami tworzącymi chromosomy dwuwartościowych, ale tylko między dwiema z tych 4 chromatyd. Zatem chromosomy powstałe w wyniku pierwszego podziału mejozy, podczas takich wymian, składają się z dwóch nierównych chromatyd - niezmienionych i zrekonstruowanych w wyniku wymiany. W II podziale mejozy te nierówne chromatydy rozchodzą się do przeciwnych biegunów i dzięki temu komórki haploidalne powstałe w wyniku podziału redukcyjnego (zarodniki lub gamety) otrzymują chromosomy składające się z identycznych chromatyd, ale tylko połowa komórek haploidalnych otrzymuje chromosomy zrekonstruowane, a drugą połowę przyjęliśmy bez zmian.
Ta wymiana odcinków chromosomów nazywana jest krzyżowaniem. Przy wszystkich pozostałych czynnikach krzyżowanie się dwóch genów znajdujących się na tym samym chromosomie następuje rzadziej, im bliżej siebie się znajdują. Częstotliwość krzyżowania się genów jest proporcjonalna do odległości między nimi.
Określenie częstości krzyżowania odbywa się zwykle za pomocą tzw. krzyżówek analitycznych (krzyżowanie hybryd F1 z recesywnym rodzicem), chociaż można w tym celu wykorzystać również F2 uzyskane w wyniku samozapylenia mieszańców F1 lub krzyżowania ze sobą hybryd F1.
To określenie częstotliwości krzyżowania możemy rozważyć na przykładzie siły adhezji pomiędzy genami C i S w kukurydzy. Gen C warunkuje powstawanie barwnego bielma (zabarwionych nasion), a jego recesywny allel c powoduje bielmo bezbarwne. Gen S powoduje powstawanie bielma gładkiego, a jego recesywny allel s warunkuje powstawanie bielma pomarszczonego. Geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie i są ze sobą dość silnie powiązane. W jednym z eksperymentów przeprowadzonych w celu ilościowego określenia siły adhezji tych genów uzyskano następujące wyniki.
Roślinę o kolorowych, gładkich nasionach, homozygotyczną pod względem genów C i S, posiadającą genotyp CCSS (rodzic dominujący), skrzyżowano z rośliną o nasionach bezbarwnych, pomarszczonych, o genotypie CCSS (rodzic recesywny). Hybrydy F1 pierwszej generacji zostały ponownie skrzyżowane z recesywnym rodzicem (krzyżówka testowa). W ten sposób uzyskano 8368 nasion F2, w których stwierdzono następujący podział ze względu na barwę i zmarszczki: 4032 nasiona kolorowe gładkie; 149 malowane pomarszczone; 152 niemalowany gładki; 4035 niebarwiony, pomarszczony.
Jeżeli podczas tworzenia makro- i mikrospor w mieszańcach F1 geny C i S były rozmieszczone niezależnie od siebie, to w krzyżówce testowej wszystkie te cztery grupy nasion powinny być reprezentowane w równej liczbie. Ale tak nie jest, ponieważ geny C i S znajdują się na tym samym chromosomie, są ze sobą powiązane, w wyniku czego spory z rekombinowanymi chromosomami zawierającymi geny Cs i cS powstają tylko w przypadku krzyżowania się między genów C i S, co występuje stosunkowo rzadko.
Procent krzyżowania genów C i S można obliczyć ze wzoru:
X = a + b / n x 100%,
Gdzie a jest liczbą krzyżowań ziaren jednej klasy (ziarna o genotypie Cscs, pochodzące z połączenia gamet Cs hybrydy F1 z gametami cs recesywnego rodzica); c jest liczbą przechodzących ziaren drugiej klasy (cScs); n jest całkowitą liczbą ziaren uzyskanych w wyniku analizy krzyżowania.
Schemat przedstawiający dziedziczenie chromosomów zawierających sprzężone geny w kukurydzy (wg Hutchinsona). Dziedziczne zachowanie genów kolorowego (C) i bezbarwnego (c) aleuronu, pełnego (S) i pomarszczonego (s) bielma, a także chromosomów niosących te geny podczas krzyżowania ze sobą dwóch czystych typów i podczas krzyżowania wstecznego F1 z wskazany jest podwójny recesywny.
Podstawiając do wzoru otrzymaną w tym doświadczeniu liczbę ziaren różnych klas otrzymujemy:
X = a + b / n x 100% = 149 + 152 / 8368 x 100% = 3,6%
Odległość między genami w grupach łączących wyraża się zwykle jako procent krzyżowania lub w morganidach (morganid to jednostka wyrażająca siłę powiązania, nazwana za sugestią A. S. Serebrovsky'ego na cześć T. G. Morgana, równa 1% krzyżowania nad). W tym przypadku można powiedzieć, że gen C znajduje się w odległości 3,6 morganidów od genu S.
Teraz możesz użyć tego wzoru do określenia odległości między B i L w groszku słodkim. Podstawiając do wzoru liczby otrzymane ze skrzyżowania analitycznego i podane powyżej, otrzymujemy:
X = a + b / n x 100% = 7 + 8 / 112 x 100% = 11,6%
U groszku słodkiego geny B i L znajdują się na tym samym chromosomie w odległości 11,6 morganidów od siebie.
W ten sam sposób T. G. Morgan i jego uczniowie określili procent krzyżowania między wieloma genami zawartymi w tej samej grupie połączeń dla wszystkich czterech grup połączeń Drosophila. Okazało się, że odsetek krzyżowań (lub odległość u morganidów) pomiędzy różnymi genami wchodzącymi w skład tej samej grupy połączeń okazał się znacząco różny. Oprócz genów, pomiędzy którymi krzyżowanie zachodziło bardzo rzadko (ok. 0,1%), występowały także geny, pomiędzy którymi w ogóle nie wykryto powiązania, co wskazywało, że niektóre geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, a inne bardzo blisko siebie . daleko.
4. WZGLĘDNA LOKALIZACJA GENÓW
Aby określić lokalizację genów, założono, że są one ułożone w porządku liniowym na chromosomach i że rzeczywista odległość między dwoma genami jest proporcjonalna do częstotliwości krzyżowania się między nimi. Założenia te otworzyły możliwość określenia względnej pozycji genów w grupach łączących.
Załóżmy, że znane są odległości (% skrzyżowań) między trzema genami A, B i C i wynoszą one 5% między genami A i B, 3% między B i C oraz 8% między genami A i C.
Załóżmy, że gen B znajduje się na prawo od genu A. W którą stronę od genu B powinien znajdować się gen C?
Jeśli założymy, że gen C znajduje się na lewo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa różnicy odległości między genami A - B i B - C, tj. 5% - 3 % = 2%. Ale w rzeczywistości odległość między genami A i C jest zupełnie inna i wynosi 8%. Dlatego założenie jest błędne.
Jeśli teraz założymy, że gen C znajduje się na prawo od genu B, to w tym przypadku odległość między genami A i C powinna być równa sumie odległości między genami A - B i genami B - C, tj. 5% + 3% = 8%, co w pełni odpowiada odległości ustalonej doświadczalnie. Zatem założenie to jest prawidłowe, a lokalizację genów A, B i C na chromosomie można schematycznie przedstawić następująco: A – 5%, B – 3%, C – 8%.
Po ustaleniu względnych pozycji 3 genów, lokalizację czwartego genu w stosunku do tych trzech można określić, znając jego odległość tylko od 2 z tych genów. Można założyć, że odległość genu D od dwóch genów - B i C spośród omówionych powyżej 3 genów A, B i C jest znana i wynosi 2% pomiędzy genami C i D oraz 5% pomiędzy B i D Próba umieszczenia genu D na lewo od genu C kończy się niepowodzeniem ze względu na oczywistą rozbieżność różnicy odległości między genami B - C i C - D (3% - 2% = 1%) do zadanej odległości między genami B i D (5%). I odwrotnie, umieszczenie genu D na prawo od genu C daje pełną zgodność pomiędzy sumą odległości między genami B - C i genami C - D (3% + 2% = 5%) do danej odległości między genami B i D (5%). Kiedy już ustalimy położenie genu D względem genów B i C, bez dodatkowych eksperymentów możemy obliczyć odległość pomiędzy genami A i D, gdyż powinna ona być równa sumie odległości pomiędzy genami A – B i B – D (5% + 5% = 10%).
Badając powiązania między genami należącymi do tej samej grupy powiązań, wielokrotnie sprawdzano eksperymentalnie odległości między nimi, obliczone wcześniej w taki sam sposób, jak to zrobiono powyżej dla genów A i D, i we wszystkich przypadkach uzyskano bardzo dobry wynik. uzyskano zgodę.
Jeśli znana jest lokalizacja 4 genów, powiedzmy A, B, C, D, wówczas piąty gen można z nimi „połączyć”, jeśli znane są odległości między genem E a niektórymi dwoma z tych 4 genów oraz odległości między genami E i pozostałe dwa geny można obliczyć czterokrotnie, tak jak zrobiono to dla genów A i D w poprzednim przykładzie.
5. MAPY GRUP POŁĄCZEŃ, LOKALIZACJA GENÓW W CHROMOSOMACH
Stopniowo łącząc coraz więcej genów z pierwotnymi trzema lub czterema połączonymi genami, dla których wcześniej ustalono ich względne położenie, opracowano mapy grup połączeń.
Kompilując mapy grup sprzęgieł, należy wziąć pod uwagę szereg funkcji. Biwalent może doświadczyć nie jednego, ale dwóch, trzech, a nawet większej liczby skrzyżowań chiasmata i związanych z chiazmatami. Jeżeli geny są zlokalizowane bardzo blisko siebie, to prawdopodobieństwo, że na chromosomie pomiędzy takimi genami powstaną dwie chiazmaty i nastąpią dwie wymiany nici (dwa skrzyżowania) jest znikome. Jeśli geny są zlokalizowane stosunkowo daleko od siebie, znacznie wzrasta prawdopodobieństwo podwójnego przejścia w obszarze chromosomu pomiędzy tymi genami w tej samej parze chromatyd. Tymczasem drugie skrzyżowanie w tej samej parze chromatyd między badanymi genami w rzeczywistości anuluje pierwsze skrzyżowanie i eliminuje wymianę tych genów między homologicznymi chromosomami. W związku z tym zmniejsza się liczba krzyżujących się gamet i wydaje się, że geny te są zlokalizowane bliżej siebie niż w rzeczywistości.
Schemat podwójnego krzyżowania w jednej parze chromatyd pomiędzy genami A i B oraz genami B i C. I - moment przejścia; II - zrekombinowane chromatydy AcB i aCb.
Co więcej, im dalej badane geny są od siebie położone, tym częściej dochodzi między nimi do podwójnego krzyżowania i tym większe jest zniekształcenie prawdziwej odległości między tymi genami spowodowane podwójnym krzyżowaniem.
Jeśli odległość między badanymi genami przekracza 50 morganidów, wówczas na ogół niemożliwe jest wykrycie powiązania między nimi poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet. W nich, podobnie jak w genach w niezwiązanych ze sobą homologicznych chromosomach, podczas krzyżowania analitycznego tylko 50% gamet zawiera kombinację genów odmiennych od tych, które były obecne w mieszańcach pierwszej generacji.
Dlatego też podczas kompilowania map grup połączeń odległości między odległymi genami określa się nie poprzez bezpośrednie określenie liczby krzyżujących się gamet w krzyżówkach testowych z udziałem tych genów, ale poprzez dodanie odległości między wieloma blisko rozmieszczonymi genami znajdującymi się między nimi.
Ta metoda zestawiania map grup powiązań umożliwia dokładniejsze określenie odległości między stosunkowo odległymi (nie więcej niż 50 morganidami) zlokalizowanymi genami i identyfikację powiązań między nimi, jeśli odległość jest większa niż 50 morganidów. W tym przypadku powiązanie między genami położonymi daleko od siebie zostało ustalone dzięki temu, że są one powiązane z genami położonymi pośrednio, które z kolei są ze sobą powiązane.
Zatem dla genów znajdujących się na przeciwległych końcach chromosomów II i III Drosophila - w odległości ponad 100 morganidów od siebie, możliwe było ustalenie faktu ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań poprzez identyfikację ich powiązania z pośrednimi geny i powiązania tych genów pośrednich między wami.
Odległości pomiędzy odległymi genami wyznacza się poprzez dodanie odległości pomiędzy wieloma genami pośrednimi i tylko dzięki temu wyznacza się je stosunkowo dokładnie.
W organizmach, których płeć jest kontrolowana przez chromosomy płciowe, krzyżowanie zachodzi tylko u płci homogametycznej i nie występuje u płci heterogametycznej. Tak więc u Drosophila krzyżowanie występuje tylko u kobiet i nie występuje (a dokładniej zdarza się tysiąc razy rzadziej) u samców. Pod tym względem geny samców tej muchy, znajdujących się na tym samym chromosomie, wykazują pełne powiązanie niezależnie od odległości od siebie, co ułatwia identyfikację ich umiejscowienia w tej samej grupie powiązań, ale uniemożliwia określenie odległość między nimi.
Drosophila ma 4 grupy połączeń. Jedna z tych grup liczy około 70 morganidów, a geny zawarte w tej grupie łączącej są wyraźnie powiązane z dziedziczeniem płci. Można zatem uznać za pewne, że geny wchodzące w skład tej grupy sprzężeń zlokalizowane są na chromosomie płci X (w 1 parze chromosomów).
Druga grupa połączeń jest bardzo mała i jej długość wynosi tylko 3 morganidy. Nie ma wątpliwości, że geny zawarte w tej grupie sprzężeń zlokalizowane są w mikrochromosomach (IX para chromosomów). Jednak pozostałe dwie grupy połączeń mają w przybliżeniu tę samą wielkość (107,5 morganidów i 106,2 morganidów) i dość trudno jest zdecydować, której z par autosomów (pary chromosomów II i III) odpowiada każda z tych grup połączeń.
Aby rozwiązać problem lokalizacji grup łączących w dużych chromosomach, konieczne było zastosowanie badań cytogenetycznych szeregu rearanżacji chromosomów. W ten sposób udało się ustalić, że nieco większa grupa łącząca (107,5 morganidów) odpowiada II parze chromosomów, a nieco mniejsza grupa łącząca (106,2 morganidów) znajduje się w III parze chromosomów.
Dzięki temu ustalono, które chromosomy odpowiadają każdej z grup łączących u Drosophila. Jednak nawet po tym nie było wiadomo, w jaki sposób grupy sprzężeń genowych są umiejscowione w odpowiadających im chromosomach. Czy na przykład prawy koniec pierwszej grupy łączącej u Drosophila znajduje się w pobliżu kinetycznego zwężenia chromosomu X, czy na przeciwległym końcu tego chromosomu? To samo dotyczy wszystkich pozostałych grup sprzęgieł.
Otwarta pozostała także kwestia, w jakim stopniu odległości między genami wyrażanymi w morganidach (w% krzyżowania) odpowiadają rzeczywistym odległościom fizycznym między nimi w chromosomach.
Aby dowiedzieć się tego wszystkiego, konieczne było, przynajmniej w przypadku niektórych genów, ustalenie nie tylko ich względnej pozycji w grupach łączących, ale także ich fizycznej pozycji w odpowiednich chromosomach.
Okazało się to możliwe dopiero po tym, jak w wyniku wspólnych badań genetyka G. Mellera i cytologa G. Payntera ustalono, że pod wpływem promieni rentgenowskich u Drosophila (jak u wszystkich żywych organizmów) następuje transfer ( translokacja) odcinków jednego chromosomu na drugi. Kiedy pewna część jednego chromosomu zostaje przeniesiona na inny, wszystkie geny znajdujące się w tej sekcji tracą połączenie z genami zlokalizowanymi w pozostałej części chromosomu dawcy i zyskują połączenie z genami w chromosomie biorcy. (Później odkryto, że przy takich rearanżacjach chromosomów nie następuje tylko przeniesienie odcinka z jednego chromosomu na drugi, ale wzajemne przeniesienie odcinka pierwszego chromosomu na drugi, a z niego fragment drugiego chromosomu zostaje przeniesiony na miejsce wydzielonej sekcji w pierwszej).
W przypadku, gdy przerwa chromosomu podczas oddzielania regionu przeniesionego na inny chromosom zachodzi pomiędzy dwoma genami położonymi blisko siebie, lokalizację tego pęknięcia można dość dokładnie określić zarówno na mapie grup połączeń, jak i na chromosomie. Na mapie powiązań punkt przerwania znajduje się w obszarze pomiędzy skrajnymi genami, z których jeden pozostaje w poprzedniej grupie powiązań, a drugi jest zawarty w nowej. Na chromosomie lokalizację pęknięcia określa się na podstawie obserwacji cytologicznych zmniejszenia wielkości chromosomu dawcy i wzrostu wielkości chromosomu biorcy.
Translokacja odcinków z chromosomu 2 na chromosom 4 (wg Morgana). Górna część rysunku przedstawia grupy połączeń, środkowa część przedstawia chromosomy odpowiadające tym grupom połączeń, a dolna pokazuje płytki metafazowe mitozy somatycznej. Liczby wskazują liczbę grup łączących i chromosomów. A i B - „dolna” część chromosomu przeniosła się do chromosomu 4; B - „górna” część chromosomu 2 przeniosła się do chromosomu 4. Mapy genetyczne i płytki chromosomowe są heterozygotyczne pod względem translokacji.
W wyniku badań dużej liczby różnych translokacji przeprowadzonych przez wielu genetyków, opracowano tzw. mapy cytologiczne chromosomów. Na chromosomach zaznacza się lokalizacje wszystkich badanych przerw, dzięki czemu dla każdej przerwy ustala się położenie dwóch sąsiadujących ze sobą genów po prawej i lewej stronie.
Mapy cytologiczne chromosomów umożliwiły przede wszystkim ustalenie, które końce chromosomów odpowiadają „prawemu” i „lewemu” końcowi odpowiednich grup połączeń.
Porównanie „cytologicznych” map chromosomów z „genetycznymi” (grupami połączeń) dostarcza istotnego materiału do wyjaśnienia związku między odległościami między sąsiadującymi genami wyrażanymi w morganidach a fizycznymi odległościami między tymi samymi genami w chromosomach podczas badania tych chromosomów pod mikroskopem.
Porównanie „map genetycznych” chromosomów I, II i III Drosophila melanogaster z „mapami cytologicznymi” tych chromosomów w metafazie na podstawie danych dotyczących translokacji (wg Levitsky'ego). Sp jest miejscem mocowania gwintów wrzeciona. Reszta wskazuje na różne geny.
Nieco później przeprowadzono potrójne porównanie lokalizacji genów na „mapach genetycznych” powiązań, „mapach cytologicznych” zwykłych chromosomów somatycznych i „mapach cytologicznych” olbrzymich gruczołów ślinowych.
Oprócz Drosophila opracowano dość szczegółowe „mapy genetyczne” grup połączeń dla kilku innych gatunków z rodzaju Drosophila. Okazało się, że u wszystkich zbadanych wystarczająco szczegółowo gatunków liczba grup łączących jest równa haploidalnej liczbie chromosomów. Tak więc u Drosophila, który ma trzy pary chromosomów, znaleziono 3 grupy połączeń, u Drosophila z pięcioma parami chromosomów - 5, a u Drosophila z sześcioma parami chromosomów - 6 grup łączących.
Wśród kręgowców najlepiej zbadana jest mysz domowa, u której wykształciło się już 18 grup łączących, podczas gdy par chromosomów jest 20. U człowieka, który ma 23 pary chromosomów, znanych jest 10 grup łączących. Kura z 39 parami chromosomów ma tylko 8 grup połączeń. Nie ma wątpliwości, że w miarę dalszych badań genetycznych tych obiektów liczba zidentyfikowanych w nich grup łączących wzrośnie i prawdopodobnie będzie odpowiadać liczbie par chromosomów.
Spośród roślin wyższych najbardziej zbadaną genetycznie jest kukurydza. Ma 10 par chromosomów i znaleziono 10 dość dużych grup łączących. Za pomocą eksperymentalnie uzyskanych translokacji i innych rearanżacji chromosomów wszystkie te grupy połączeń ograniczają się do ściśle określonych chromosomów.
W niektórych roślinach wyższych, zbadanych wystarczająco szczegółowo, ustalono również pełną zgodność między liczbą grup łączących a liczbą par chromosomów. Zatem jęczmień ma 7 par chromosomów i 7 grup łączących, pomidor ma 12 par chromosomów i 12 grup łączących, lwia paszcza ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 8 i ustalono 8 grup łączących.
Spośród roślin niższych najdokładniej zbadano genetycznie grzyb torbacz. Ma haploidalną liczbę chromosomów wynoszącą 7 i ustalono 7 grup połączeń.
Obecnie powszechnie przyjmuje się, że liczba grup łączących we wszystkich organizmach jest równa ich haploidalnej liczbie chromosomów, a jeśli u wielu zwierząt i roślin liczba znanych grup łączących jest mniejsza niż ich haploidalna liczba chromosomów, to zależy to tylko od fakt, że zostały one zbadane genetycznie, są niewystarczające i w rezultacie zidentyfikowano tylko część dostępnych grup łączących.
WNIOSEK
W rezultacie możemy przytoczyć fragmenty dzieł T. Morgana:
„... Ponieważ ma miejsce powiązanie, wydaje się, że podział substancji dziedzicznej jest w pewnym stopniu ograniczony. Na przykład znanych jest około 400 nowych typów mutantów u muszki owocowej Drosophila, której cechami są tylko cztery grupy połączeń...
... Członkowie grupy powiązań mogą czasami nie być ze sobą w pełni powiązani, ... niektóre recesywne znaki jednej serii mogą zostać zastąpione znakami typu dzikiego z innej serii. Jednak nawet w tym przypadku nadal uważa się je za powiązane, ponieważ częściej pozostają ze sobą połączone, niż obserwuje się taką wymianę między szeregami. Ta wymiana nazywa się CROSS-ING-OVER – przejściem. Termin ten oznacza, że pomiędzy dwoma odpowiadającymi sobie szeregami powiązań może nastąpić prawidłowa wymiana ich części, w którą zaangażowana jest duża liczba genów...
Teoria genów zakłada, że cechy lub właściwości jednostki są funkcją sparowanych elementów (genów) osadzonych w substancji dziedzicznej w postaci pewnej liczby grup łączących; następnie stwierdza, że członkowie każdej pary genów, gdy komórki rozrodcze dojrzewają, są dzieleni zgodnie z pierwszym prawem Mendla i dlatego każda dojrzała komórka zarodkowa zawiera tylko jeden ich asortyment; stanowi również, że członkowie należący do różnych grup powiązań są rozdzielani niezależnie podczas dziedziczenia, zgodnie z drugim prawem Mendla; w ten sam sposób stwierdza, że czasami następuje naturalna wymiana – krzyżowa – pomiędzy odpowiednimi elementami dwóch grup połączeń; wreszcie stwierdza, że częstotliwość krzyżowania dostarcza danych potwierdzających liniowe ułożenie elementów względem siebie…”
BIBLIOGRAFIA
1. Genetyka ogólna. M.: Szkoła wyższa, 1985.
2. Czytelnik na temat genetyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Kazańskiego, 1988.
3. Petrov D. F. Genetyka z podstawami selekcji, M.: Szkoła wyższa, 1971.
4. Biologia. M.: Mir, 1974.