1. Предмет генетики. Место генетики в системе естественных наук. Основные этапы развития. Методы генетики. Генетика человека изучает явления наследственности и изменчивости у человека на всех уровнях его организации и существования: молекулярном, клеточном, организменном и популяционном. Современная генетика человека базируется на законах классической генетики, которые имеют универсальное значение. Так же, как в классической генетике, появление и становление которой связано с изучением наследования мутационных изменений в популяциях гороха, дрозофилы, мыши и других экспериментальных объектов исследования, основные достижения в генетике человека обусловлены анализом природы и характера наследования мутационных изменений у человека. Почему люди похожи друг на друга: как представители одного вида или как родственники? Ответ на оба этих вопроса дает генетика, и ответ на них одинаков: потому что каждый человек получил наследственные задатки – гены от своих родителей. Именно благодаря механизму наследования каждый индивидуум имеет черты сходства с предками. Вообще невозможно найти двух идентичных людей. Механизм наследственной передачи признаков, а точнее их задатков – генов, в настоящее время хорошо изучен. Этим мы обязаны прежде всего чешскому ученому Г. Менделю, который в 1865г. Сформулировал законы наследования дискретных факторов, или генов. ИСТОРИЯ ГЕНЕТИКИ ЧЕЛОВЕКА Успехи генетики человека, ее история, тесно связаны с развитием всех разделов генетики. Задолго до открытия Г. Менделя различными авторами были описаны патологические наследственные признаки у человека и основные типы наследования. Первые сведения о передаче наследственной патологии у человека содержатся в Талмуде (4 в. до н.э.), в котором указано на опасность обрезания крайней плоти у новорожденных мальчиков, старшие братья которых или дяди по материнской линии страдают кровотечением. К XVIII в. относятся первые описания доминантного (полидактилии, т.е. шестипалости) и рецессивного (альбинизма у негров) признаков, сделанных французским ученым П. Мопертюи. В начале XIX в. несколькими авторами одновременно было описано наследование гемофилии, в результате изучения родословных семей, в которых встречались лица, страдающие этой болезнью. -1- В 1814 г. вышла книга лондонского врача Д. Адамса "Трактат о предполагаемых наследственных свойствах болезней, основанный на клиническом на­блюдении." Позже она была переиздана под названием "Философский трактат о наследственных свойствах человеческой расы". Этот труд стал первым спра­вочником для генетического консультирования. В нем Адаме сформулировал многие важные принципы медицинской генетики: "Браки среди родственников повышают частоту семейных (т.е. рецессивных) болезней", "Наследственные (доминантные) болезни не всегда проявляются сразу после рождения, но могут развиваться в любом возрасте", "Не все врожденные болезни являются наследственными, часть из них связана с внутриутробным поражением плода (например, за счет сифилиса)". В середине XIX в. в России над проблемами наследственных болезней и наследственной природы человека работал В.М. Флоринский. В 1866 г. вышла его книга "Усовершенствование и вырождение человеческого рода". Наряду с противоречивыми или неверными положениями, в ней был поднят и правильно освещен ряд вопросов медицинской генетики. Среди них: значение среды для формирования наследственных признаков, вред близкородственных браков, наследственный характер многих патологий (глухонемоты, альбинизма, заячьей губы, пороков развития нервной трубки). Однако этот труд В.М. Фло-ринского не был оценен в полной мере его современниками в силу неподготовленности к восприятию этих идей. В последней четверти XIX в. весомый вклад в развитие генетики человека внес английский биолог Ф. Гальтон, названный К.А. Тимирязевым "одним из оригинальнейших ученых, исследователей и мыслителей." Гальтон впервые поставил вопрос о наследственности человека как предмете для изучения наследственных признаков. Анализируя наследственность ряда семей, Гальтон пришел к выводу, что психические особенности человека обусловлены не только условиями среды, но и наследственными факторами. Кроме того, он предложил и применил близнецовый метод для изучения соотносительной роли среды и наследственности в развитии признаков. Им же разработан ряд статистических методов, среди которых наиболее ценен метод вычисления ко­эффициента корреляции. Эти работы заложили основу для будущего развития генетики человека. Помимо этого Гальтон стал родоначальником евгеники — науки о наследственном здоровье человека и путях его улучшения. Однако принципиальная ошибка Гальтона -2- состояла в том, что в практических мероприятиях евгеники он рекомендовал не столько избавляться от патологических генов, сколько увеличивать количество "хороших" генов в человеческих популяциях путем создания условий для преимущественного размножения одаренных людей. Особого внимания заслуживают исследования известного английского клинициста Л. Гэррода (1857 — 1936 гг.), внесшего существенный вклад в изучение проблемы генетики человека. Его работа "Распространенность алкаптонурии: изучение химических особенностей" несла ряд новых идей. Гэррод первым обнаружил взаимосвязь между генами и ферментами, открыл врожденные нарушения обмена веществ и положил начало биохимической генетике. В настоящее время изучение наследственных болезней обмена веществ — наиболее актуальный раздел генетики человека. Труды Гэррода, Адамса и других врачей — исследователей не были оценены при их жизни. Биологи обращали мало внимания на работы медиков. Изучение наследственности проводилось главным образом на растениях. К сожалению, Г. Менделю, как и другим ученым, работавшим с растительными объектами, не были известны данные по генетике человека. В противном случае открытие законов генетики могло бы произойти значительно раньше. В 1865 г. увидела свет знаменитая работа чешского ученого Г. Менделя "Опыты над растительными гибридами". Законы, открытые им, оставались незамечен­ными в течение 35 лет и только в 1900 г. были переоткрыты К. Корренсом (Германия), Э. Чермаком (Австрия) и Г. де Фризом (Голландия). С тех пор закономерности наследования, открытые Менделем, определяют развитие современной генетики, включая и генетику человека. Изучая наследования признаков у гороха, Г. Мендель установил три закона: 1. Закон единообразия гибридов первого поколения; 2. Закон расщепления во втором поколении по фенотипу 3:1 (при моногибридном скрещивании); 3. Закон независимого наследования признаков. Успех чешского ученого был связан с разработкой принципиально нового методического подхода. Он: — ввел в науку новый гибридологический метод, выбрав для изучения контрастные пары признаков; -3- — проводил строгий количественный учет изучаемых признаков, что позволило обнаружить статистические закономерности наследования; — анализируя эти закономерности, пришел к выводу, что зародышевые клетки несут набор признаков, которые могут быть определены с помощью скрещива­ний. Опыты Г Менделя и сделанные из них выводы стали предпосылкой для создания теории гена — основы современной генетики, а 1900 г. — год вторичного открытия законов Менделя — считается годом рождения генетики. Название новой науке было дано в 1906 г. английским ученым В.Бэтсоном (от латинского слова geneo — порождаю), а в 1909 г. датский генетик В. Иоганнсен предложил такие важные генетические термины, как ген, генотип и фенотип. В 1903 г. американский антрополог Фараби, изучая родословные в нескольких поколениях, впервые установил, что брахидактилия (короткопалость) у чело века наследуется по аутосомно-доми-нантному типу. Из этой работы следовал вывод о справедливости менделевских законов и для человека. В 1900 г. К Ландштейнер описал систему групп крови АВО. В 1924 г. Ф. Бернштейн установил, что АВО-система групп крови контролируется серией множественных аллелей одного локуса. Спустя 2530 лет был об­наружен резус-фактор (Rh) и показано, что гемолитическая желтуха новорожденных возникает из-за иммунологической несовместимости матери и плода. Эти открытия также указывали на применимость законов Менделя к наследованию признаков у человека. В 1908 г. Г. Харди и В. Вайнберг независимо друг от друга пришли к выводу, что менделевские законы дают возможность объяснить распределение частоты генов из поколения в поколение в популяциях (от латинского — populus — население, народ) и условиях генетической стабильности популяции. Этот закон был установлен путем анализа наследственности человека и лег в основу популя-ционной генетики. В 1919 г. Ю.А. Филипченко организовал кафедру генетики в Петроградском университете. В это же время Н.И. Вавилов сформулировал важнейший генети­ческий закон — закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Одновременно в Москве Н.К. Кольцов создает свою генетическую школу. В 20 гг. XX века начала интенсивно развиваться советская генетика. Под влиянием идей евгеники, которая получила широкое распространение в ряде стран Европы (Англия, Франция, Германия) и Америке в 1921 г. в Москве Н.К. Кольцовым было организовано Русское евгеническое -4- общество, в 1922 г. в Петрограде Ю. А. Филипченко создал Бюро по евгенике. Эти евгенические организации ориентировались на сугубо научные задачи в отличие от евгенических обществ других стран. Н.К Кольцов, Ю.А. Филипченко и другие ученые проводили работы по генетике одаренности, изучая родословные выдающихся личностей. Однако эти исследования грешили методическими ошибками, противоречиями, определенным примитивизмом. Вместе с тем были в евгенических работах и положительные моменты. Так, Н.К Кольцов и Ю.А. Филипченко правильно ставили вопрос о значении социальных условий в реализации индивидуальных особенностей человека, полностью отвергали насильственный путь улучшения наследственности человека. Кроме того, силами советских евгеников были собраны родословные выдающихся личностей, например, А.С. Пушкина, Л.Н. Толстого, А.М. Горького, Ф.И. Шаляпина и др. К концу 20-х годов евгенические исследования в нашей стране были прекращены. Падала ее популярность и в других странах (кроме Германии). Число евгени-чеких обществ быстро уменьшалось, журналы закрывались или переименовывались. Конец 20-х — начало 30-х гг. ознаменовались значительными успехами в развитии генетики. Родилась и стала общепризнанной хромосомная теория наслед­ственности, было установлено, что наследственность связана с генами, локализованными в хромосомах клеточных ядер, что гены в хромосомах расположены линейно и образуют группы сцепления. В этот же период создается популяци-онная генетика. Большой вклад в развитие этого раздела внесли С.С. Четвериков, Р. Фишер, Н.П. Дубинин и Д.Д. Ро-машев, Дж. Е. Холдейн и др. В ряде стран, в том числе в нашей, начинает развиваться медицинская генети ка. С 1932 по 37 гг. работал Московский медико-биологический институт им. М. Горького (позднее — Медико-генетический институт), возглавляемый С. Г. Левитом. При нем был организован Центр близнецовых исследований. Здесь изучались болезни с наследственным предрасположением — диабет, язвенная болезнь, аллергия, гипертоническая болезнь и др. Большой интерес имели цитогенетические работы по идентификации первых хромосом человека. Особого упоминания заслуживают труды талантливого генетика и клиницистаневропатолога С.Н. Давиденкова (1880-1961). Он первым поставил вопрос о гетерогенности наследственных заболеваний и начал проводить .медико-генетическое консультирование. -5- К концу 30-х гг. XX в. интерес к генетике человека начал снижаться. Сократилось и оставалось низким до начала 50-х гг. количество опубликованных работ. В Советском Союзе с приходом к власти в биологической науке Т.Д. Лысенко все генетические исследования, включая и исследования по генетике человека, были запрещены. Генетика была объявлена "лженаукой". Августовская сессия ВАСХНИЛ (1948 г.) нанесла огромный вред теоретическим и практическим до­стижениям генетики, утвердив антинаучные идеи Т.Д.Лысенко. Такое положение сохранялось до начала 60-х гг. Возрождение советской генетической науки началось после разоблачения "учения" Лысенко и шло по пути развития медицинской генетики. В 1964 г. был из­дан учебник В.П. Эфроимсона по медицинской генетике, в 1969 г. открыт Институт медицинской генетики под руководством Н.П. Бочкова (в настоящее время — Научноисследовательский центр медицинской генетики РАМН), где начались широкие исследования по многим направлениям медицинской генетики. В 50-х гг. получают широкое развитие исследования по радиационной генетике человека. Еще в 1927 г. американский исследователь Г. Меллер установил сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. Это открытие показало опасность облучения половых клеток человека для последующих поколений, в силу чего человеку как объекту генетических исследований стало уделяться больше внимания. С 1959 по 1962 гг. количество публикаций, симпозиумов, конференций по генетике человека быстро возрастало. Слияние генетики, цитологии, цитогенетики, биохимии способствовало формированию клинической генетики. Усилиями ученых была подтверждена гетерогенность наследственных патологий, когда один и тот же фенотип болезни обусловлен изменением разных белков. Трудно переоценить важность этого открытия для диагностики, лечения и медико-генетического консультирования наследственных болезней. В 1944 г. было достоверно установлено, что передача наследственной информации связана с дезоксирибонуклеино-вой кислотой (ДНК). Это открытие яви­лось мощным фактором, стимулирующим изучение наследственности на молекулярном уровне. А благодаря созда* нию в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком модели макромолекулярной структуры ДНК, началось углубленное изучение молекулярной, биохимической и имму-ногенетики человека. -6- Убедительный пример значения фундаментальных исследований для практического здравоохранения дает история развития цитогенетики. В 1956 г. X. Тио и А. Леван установили, что в клетках человека содержится 46 хромосом, а спустя три года были открыты хромосомные болезни человека. В 1959 г. Дж. Лежен ус­тановил цитогенетическую картину воз никновения синдрома Дауна (трисомия по 21-й хромосоме.). В это же время несколько ученых идентифицировали на хромосомном уровне синдром Тернера (ХО) и синдром Клайнфельтера (XXY). Одновременно была определена роль Y-хромосомы в определении пола человека. В 1960 г. Р. Мурхед с коллегами разработали метод культивирования лимфоцитов периферической крови для получения метафазных хромосом человека, что позволило обнаруживать мутации хромосом, характерные для определенных наследственных болезней. Другим важным открытием для развития цитоге-нетики человека явилась разработка методов дифференциальной окраски хромосом. Благодаря ему стала возможна идентификация каждой хромосомы че­ловека, а это резко повысило разрешающую способность цитогенетических методов. Еще одним этапом развития современной генетики человека явилось картирование и локализация генов в хромосомах человека. Достижения цитогенети-ки, генетики соматических клеток, увеличение числа генетических маркеров способствовали успешному изучению групп сцепления. В настоящее время у человека установлено 23 группы сцепления. Эти данные нашли непосредственное применение в диагностике наследственных заболеваний и медико-генетическом консультировании. Тесная связь современной генетики с химией, физикой, биохимией, физиологией, экологией, фармакологией и другими науками способствовала появлению новых разделов генетики: цитогенетики, радиационной генетики, иммуногенети-ки, фармакогенетики, экологической генетики . Во второй половине XX в. начала интенсивно развиваться молекулярная генетика и генная инженерия, были разработаны методы искусственного и ферментативного синтеза генов. В 1969 г. индийский ученый Г. Карано впервые осу­ществил искусственный синтез гена. С помощью генной инженерии получены искусственные гены инсулина, интерферона, соматотропина и др. Эти достиже­ния открывают большие перспективы в диагностике, профилактике и лечении наследственных болезней человека. -7- Возможности молекулярной генетики и развитие современных методов работы с ДНК нашли применение для решения практических задач медицинской генетики. Конец XX в. ознаменован разработкой и началом осуществления грандиозной международной программы "Геном человека". Ее задача — изучение генома человека, включая картирование хромосом и секвенирование их ДНК, определение полной нуклеотидной последовательности генома, состоящего из трех миллиардов пар нуклотидов. В рамках этой программы разрабатываются методы диагностики и лечения наследственных болезней. В настоящее время уже возможна ДНК- диагностика более 100 наследственных дефектов. В недалеком будущем станет реальностью генотера-пия наиболее распространенных болез­ней человека, патогенез которых уже известен. Современный этап развития генетики человека характеризуется стремительным прогрессом наших знаний о молекулярном строении генетического материала и о механизмах мутагенеза. Наглядным примером прогресса в области генетики человека являются успехи реализации международной программы «Геном человека». Интенсивное изучение наследственных болезней в клиниках многих стран увеличило к 1998 г их число почти до 9000- (в 1966 г было изучено только около 1500 наследственных болезней). Для более чем 3900 из этих недугов изучена локализация мутантных генов в хромосомах и проведен молекулярный анализ продуктов их деятельности. Эти достижения поставили на новую основу разработку методов диагностики наследственных болезней, их профилактики и генотерапии. В связи с возрастающим загрязнением окружающей среды, особенно связанным с радиационным загрязнением целых регионов в результате Чернобыльской аварии, ядерных взрывов на полигонах и деятельностью предприятий ядерного топливного цикла, важное значение приобретает разработка методов оценки генетических последствий такого загрязнения для грядущих поколений. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Генеалогический метод. Генеалогический метод заключается в анализе родословных и позволяет определить тип наследования (доминантный рецессивный, аутосомный или сцепленный с полом) признака, а также его моногенность или полигенность. На основе полученных сведений прогнозируют вероятность проявления изучаемого признака в потомстве, -8- что имеет большое значение для предупреждения наследственных заболеваний. При аутосомном наследовании признак характеризуется равной вероятностью проявления у лиц обоих полов. Различают аутосомнодоминантное и аутосомно-рецессивное наследование. При аутосомно-доминантном наследовании доминантный аллель реализуется в признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии. При наличии хотя бы у одного родителя доминантного признака последний с разной вероятностью проявляется во всех последующих поколениях. Однако для доминантных мутаций характерна низкая пенетрантность. В ряде случаев это создает определенные трудности для определения типа наследования. При аутосомно-рецессивном наследовании рецессивный аллель реализуется в признак в гомозиготном состоянии. Рецессивные заболевания у детей встречаются чаще при браках между фенотипически нормальными гетерозиготными родителями. У гетерозиготных родителей (Аа х Аа) вероятность рождения больных детей (аа) составит 25%, такой же процент (25%) буду здоровы (АА), остальные 50% (Аа) будут также здоровы, но окажутся гетерозиготными носителями рецессивного аллеля. В родословной при аутосомно-рецессивном наследовании заболевание может проявляться через одно или несколько поколений. Интересно отметить, что частота появления рецессивного потомства значительно повышается при близкородственных браках, так как концентрация гетерозиготного носительства у родственников значительно превышает таковую в общей массе населения. Сцепленное с полом , наследование характеризуется, как правило, неравной частотой встречаемости признака у индивидуумов разного пола и зависит от локализации соответствующего гена в Х- или Y-хромосоме. В X- и Y-хромосомах человека имеются гомологичные участки, содержащие парные гены. Гены, локализованные в гомологичных участках, наследуются так же, как и любые другие гены, расположенные в аутосомах. По-видимому, негомологичные гены имеются и в Yхромосоме. Они передаются от отца к сыну и проявляются только у мужчин (голандрический тип наследования) . У человека в Y-хромосоме находится ген, обусловливающий дифференцировку пола. В Х-хромосоме имеется два негомологичных участка, содержащих около 150 генов, которым нет аллельных в Yхромосоме. Поэтому вероятность проявления рецессивного аллеля у мальчиков более высока, чем у девочек. По генам, локализованным в -9- половых хромосомах, женщина может быть гомозиготной или гетерозиготной. Мужчина, имеющий только одну Х-хромосому, будет гемизиготным по генам, которым нет аллелей в Y-хромосоме. Наследование, сцепленное с Х-хромосомой, может быть доминантным и рецессивным ( чаще рецессивным). Рассмотрим Х - сцепленное рецесивное наследование на примере такого заболевания селовека, как гемофилия ( нарушениесвертывания крови). Известный всему мипу пример: носитель гемофилии королева Виктория была гетерозиготной и передала мутантный ген сыну Леопольду и двум дочерям. Эта болезнь проникла в ряд королевских домов Европы и попала в Россию. Популяционный метод. Методы генетики популяций широко применяют в исследованиях человека. Внутрисемейный анализ заболеваемости неотделим от изучения наследственной патологии как в отдельных странах, так и в относительно изолированных группах населения. Изучение частоты генов и генотипов в популяциях составляет предмет популяционно-генетического исследования. Это дает информацию о степени гетерозиготности и полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллелей между разными популяциями. Считают, что закон Харди — Вайнберга свидетельствует о том, что наследование как таковое не меняет частоты аллелей в популяции. Этот закон вполне пригоден для анализа крупных популяций, где идет свободное скрещивание. Сумма частот аллелей одного гена, согласно формуле Харди — Вайнберга р+q=1, в генофонде популяции является величиной постоянной. Сумма частот генотипов аллелей данного гена p2+2pq+q2=1 также величина постоянная. При полном доминировании, установив в данной .популяции число рецессивных гомозигот (q2 — число гомозиготных 'особей по рецессивному гену с генотипом аа), достаточно извлечь квадратный корень из полученной величины, и мы найдем частоту рецессивного аллеля а. Частота доминантного аллеля А составит р = 1 - q. Вычислив таким образом частоты аллелей а и А, можно определить частоты соответствующих генотипов в популяции (р2=АА; 2рq=Аа). Например, по данным ряда ученых, частота альбинизма (наследуется как аутосомный рецессивный признак) составляет 1:20 000 (q2). Следовательно, частота аллеля a в генофонде будет q2=l/20000 = /l4l и тогда частота аллеля А будет p=1-q. p=1. p=1 – 1/141=140/141. - 10 - В этом случае частота гетерозиготных носителей гена альбинизма (2pq) составит 2(140/141) x (1/141) = 1/70, или 1,4% Статистический анализ распространения отдельных наследственных признаков (генов) в популяциях людей в разных странах позволяет определить адаптивную ценность конкретных генотипов. Однажды возникнув, мутации могут передаваться потомству на протяжении многих поколений. Это приводит к полиморфизму (генетической неоднородности) человеческих популяций. Среди населения Земли практически невозможно (за исключением однояйцевых близнецов) найти генетически одинаковых людей. В гетерозиготном состоянии в популяциях находится значительное количество рецессивных аллелей (генетический груз), обусловливающих развитие различных наследственных заболеваний. Частота их возникновения зависит от концентрации рецессивного гена в популяции и значительно повышается при заключении близкородственных браков. Близнецовый метод. Этот метод используют в генетике человека для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Близнецы могут быть однояйцевыми (образуются на ранних стадиях дробления зиготы, когда из двух или реже из большего числа бластомеров развиваются полноценные организмы). Однояйцевые близнецы генетически идентичны. Когда созревают и затем оплодотворяются разными сперматозоидами две или реже большее число яйцеклеток, развиваются разнояйцевые близнецы. Разнояйцевые близнецы сходны между собой не более чем братья и сестры, рожденные в разное время. Частота появления близнецов у людей составляет около 1% ( 1/3 однояйцевых, 2/3 разнояйцевых); подавляющее большинство близнецов является двойнями. Так как наследственный материал однояйцевых близнецов одинаков, то различия, которые возникают у них, зависят от влияния среды на экспрессию генов. Сравнение частоты сходства по ряду признаков пар одно- и разнояйцевых близнецов позволяет оценить значение наследственных и средовых факторов в развитии фенотипа человека. Цитологический метод. - 11 - Цитогенетический метод используют для изучения нормального кариотипа человека, а также при диагностике наследственных заболеваний, связанных с геномными и хромосомными мутациями. Кроме того, этот метод применяют при исследовании мутагенного действия различных химических веществ, пестицидов, инсектицидов,лекарственных препаратов и др. В период деления клеток на стадии метафазы хромосомы имеют более четкую структуру и доступны для изучения. Диплоидный набор человека состоит из 46 хромосом: 22 пар аутосом и одной пары половых хромосом (XX — у женщин, XY — у мужчин). Обычно исследуют лейкоциты периферической крови человека, которые помещают в специальную питательную среду, где они делятся. Затем готовят препараты и анализируют число и строение хромосом. Разработка специальных методов окраски значительно упростила распознавание всех хромосом человека, а в совокупности с генеалогическим методом и методами клеточной и генной инженерии дала возможность соотносить гены с конкретными участками хромосом. Комплексное применение этих методов лежит в основе составления карт хромосом человека. Цитологический контроль необходим для диагностики хромо- сомных болезней, связанных с ансуплоидией и хромосомными мутациями. Наиболее часто встречаются болезнь Дауна(трисомия по 21-й хромосоме), синдром Клайнфелтера (47 XXY), синдром Шершевского — Тернера (45 ХО) и др. Потеря участка одной из гомологичных хромосом 21-й пары приводит к заболеванию крови — хроническому миелолейкозу. При цитологических исследованиях интерфазных ядер со- матических клеток можно обнаружить так называемое тельце Барри, или половой хроматин. Оказалось, что половой хроматин в норме есть у женщин и отсутствует у мужчин. Он представляет собой результат гетерохроматизации одной из двух Х-хромосом у женщин. Зная эту особенность, можно идентифицировать половую принадлежность и выявлять аномальное количество Х-хромосом. Выявление многих наследствен- ных заболеваний возможно еще до рождения ребенка. Метод пренатальной диагностики заключается в получении околоплодной жидкости, где находятся клетки плода, и в последующем биохимическом и цитологическом определении возможных наследственных аномалий. Это позволяет поставить диагноз на ранних сроках беременности и принять решение о се продолжении или прерывании. - 12 - Биохимический метод. Наследственные заболевания, которые обусловлены генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного и других типов обмена веществ. Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма (крови, моче, поте и т.д.). Например, анализ аминокислотных последо- вательностей мутационно измененных белковых цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе ряда заболеваний, — гемоглобинозов. Так, при серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин вследствие мутации отличается от нормального заменой только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин). В практике здравоохранения кроме выявления гомозиготных носителей мутантных генов существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов,что осо- бенно важно при медико-генетическом консультировании. Так, у фенотипически нормальных гетерозигот по фенилкетонурии (рецессивный мутантный ген; у гомозигот нарушается обмен аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема фенилаланина обнаруживается повышенное его содержание в крови. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутации. 2. Моногибридное скрещивание. Закон единообразия гибридов первого поколения (Г. Мендель) и его цитологические основы. Г. Мендель применил гибридологический метод исследования, который анализирует закономерности наследования отдельных свойств и признаков организмов при половом размножении, а также изменчивость отдельных генов при их комбинации и взаимодействии. Одна из особенностей метода Менделя состояла в том, что он использовал для экспериментов чистые линии, т.е. растения, в потомстве которых при самоопылении не наблюдалось разнообразия по изучаемому признаку. Другой важной особенностью гибридологического метода было то, что Г. Мендель наблюдал за наследованием альтернативных - 13 - (взаимоисключающих, контрастных) признаков. Например, растения низкие и высокие; цветки белые и пурпурные; форма семян гладкая и морщинистая и т.д. Не менее важная особенность метода – точный количественный учет каждой пары альтернативных признаков в ряду поколений. Математическая обработка опытных данных позволила Г. Менделю установить количественные закономерности в передаче изучаемых признаков. Очень существенно было то, что Г. Мендель в своих опытах шел аналитическим путем: он наблюдал наследование многообразных признаков не сразу в совокупности, а лишь одной пары (или небольшого числа пар) альтернативных признаков. Гибридологический метод лежит и в основе современной генетики. Гибридизация – скрещивание двух организмов, различающихся альтернативными признаками. Полученное потомство при гибридизации называют гибридным поколением (F), отдельную особь в этом поколении – гибридом. Моногибридное скрещивание – скрещивание организмов, анализируемых по одной паре альтернативных (доминантного и рецессивного) признаков. Например, Мендель скрещивал сорта гороха, имеющие желтую и зеленую окраску горошин. Организмы, принадлежащие к чистым линиям, имеют либо два доминантных (АА), либо два рецессивных (аа) аллеля и образуют только один тип гамет (А или а соответственно). Такие организмы называются гомозиготными. Если организм несет в клетках как ген доминантного, так и ген рецессивного признака, то он будет гетерозиготным и образовывать два типа гамет (А и а). Таким образом, при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков, все потомство в первом поколении единообразно. Это закон доминирования, или закон единообразия гибридов первого поколения. Этот закон имеет еще одно название: первый закон Менделя. Мендель установил также, что все гибриды F1 оказались единообразными (однородными) по каждому из семи исследуемых им признаков. - 14 - Схема моногибридного скрещивания: I — гомозиготные особи с доминантным признаком; 2 — гетерозиготные особи с доминантным или промежуточным признаком; 3 — гомозиготные особи с рецессивным признаком. Следовательно, у гибридов первого поколения из пары родительских альтернативных признаков проявляется только один, а признак другого родителя как бы исчезает. Явление преобладания у гибридов F1 признаков одного из родителей Мендель назвал доминированием, а соответствующий признак — доминантным. Признаки, не проявляющиеся у гибридов F1 он назвал рецессивными. Поскольку все гибриды первого поколения единообразны, это явление было названо К. Корренсом первым законам Менделя, или законом единообразия гибридов первого поколения, а также правилом доминирования. 1. При моногибридном скрещивании наблюдается явление доминирования. 2. В результате последующих скрещиваний гибридов происходит расщепление признаков в соотношении 3:1. 3. Особи содержат либо только доминантные, либо только рецессивные, либо смешанные задатки. Зигота, содержащая смешанные задатки получила название гетерозиготы, а организм , развившейся из гетерозиготы гетерозиготным. Зигота, содержащая одинаковые(доминантные или рецессивные) задатки называется гомозиготой, а организм, развившейся из гомозиготы-гомозиготным. Мендель вплотную подошел к проблемам соотношения между наследственными задатками и определяемыми ими признаками организма. Внешний вид организма зависти от сочетания наследственных задатков. Этот вывод был им рассмотрен в работе УОпыты над растительными гибридамиФ. Мендель впервые четко сформулировал понятие дискретного наследственного задатка, независящего в своем проявлении от других - 15 - задатков. Каждая гамета несет по одному задатку . Сумма наследственных задатков организма стала по предложению Иогансена в 1909 году называться генотипом, а внешний вид организма, определяемый генотипом , стал называться фенотипом. Сам наследственный задаток Иогансен позднее назвал геном. Во время оплодотворения гаметы сливаются, формируя зиготу, при этом в зависимости от сорта гамет, зигота получит те или иные наследственные задатки. За счет перекомбинации задатков при скрещиваниях образуются зиготы , несущие новое сочетание задатков, чем и обуславливаются различия между индивидуалами. Цитологические основы единообразия гибридов первого поколения и расщепления признаков во втором поколении. Моногибридное скрещивание-это метод исследования , при котором изучается исследование одной пары альтернативных признаков. Для опытов по моногибридному скрещиванию Мендель выбрал 22 сорта гороха, которые имели четкие альтернативные различия по семи признакам: семене круглые или угловатые, семядоли желтые или зеленые, кожура семян серая или белая, семена гладкие или морщинистые, желтые или зеленые, цветки пазушные или верхушечные, растения высокие или карликовые. В течении ряда лет Мендель путем самоопыления отбирал материал для скрещивания , где родители были представлены чистыми линиями, то есть находились в гомозиготном состоянии. Скрещивание показало , что гибриды проявляют только один признак. 3. Закон расщепления Г. Менделя и его цитологические основы. Правило «чистоты гамет». Анализирующее скрещивание и его значение. 1.Признаки в потомстве гибридов не исчезают, а перекомб-ся и перед-ся след.поколениям; 2.В основе такого наследования – сочетания двух факторов (равновероятн.обр-ие гамет А и а, равновероятн.их встреча). 3.Гипотеза «чистоты гамет» (гамета каждого из родителей несет по одному наследств.факторов). - 16 - ЗАКОН ЧИСТОТЫ ГАМЕТ. СУТЬ И ДОКАЗАТЕЛЬСТВА. «Гаметы каждого из родителей» несут только по одному из наследуемых факторов». Мендель не связывал наследств.факторы с конкретн.матер.структурами, цитологическое обоснование появл-ся позже: Во время мейоза у гибрида F1(Аа) разн.пары хромосом расх-ся в дочерн.клетки независимо =>при случ.оплодотворении – 3 типа зигот (АА, Аа и аа). Др.док-во – тетрадный анализ (у мхов гетерозиг. Аа клетка дает тетраду гаплоидных спор. У половины развившихся из спор организмов генотип – А, у половины – а). Цитологические основы: 1.Независимое расхождение хромосом в гаметы у представителей F1 =>по одному типу аллелей в каждой гамете; 2. Равновероятная встреча гамет, несущих доминантный или рецессивный аллель. 4. Наследование признаков при ди- и полигибридных скрещивания. Закон независимого наследования признаков г. Менделя. Математические формулы расщепления. Закон независимого наследования — каждая пара признаков наследуется независимо от других пар и дает расщепление 3:1 по каждой паре (как и при моногибридном скрещивании). Пример: при скрещивании растений гороха с желтыми и гладкими семенами (доминантные признаки) с растениями с зелеными и морщинистыми семенами (рецессивные признаки) во втором поколении происходит расщепление в соотношении 3:1 (три части желтых и одна часть зеленых семян) и 3:1 (три части гладких и одна часть морщинистых семян). Расщепление по одному признаку идет независимо от расщепления по другому. - 17 - Причины независимого наследования признаков — расположение одной пары генов (Аа) в одной паре гомологичных хромосом, а другой пары (ВЬ) — в другой паре гомологичных хромосом. Поведение одной пары негомологичных хромосом в митозе, мейозе и при оплодотворении не зависит от другой пары. Пример: гены, определяющие цвет семян гороха, наследуются независимо от генов, определяющих форму семян. Дигибридное скрещивание Сущность дигибридного скрещивания. Организмы различаются по многим генам и, как следствие, по многим признакам. Чтобы одновременно проанализировать наследование нескольких признаков, необходимо изучить наследование каждой пары признаков в отдельности, не обращая внимания на другие пары, а затем сопоставить и объединить все наблюдения. Именно так и поступил Мендель. Скрещивание, при котором родительские формы отличаются по двум парам альтернативных признаков (по двум парам аллелей), называется дигибридным. Гибриды, гетерозиготные по двум генам, называют дигетерозиготными,а в случае отличия их по трем и многим генам —три- и полигетерозиготнымисоответственно. Результаты дигибридного и полигибридного скрещивания зависят от того, располагаются гены, определяющие рассмотренные признаки, в одной хромосоме или в разных. Независимое наследование (третий закон Менделя). Для дигибридного скрещивания Мендель использовал гомозиготные растения гороха, различающиеся одновременно по двум парам признаков. Одно из скрещиваемых растений имело желтые гладкие семена, другое — зеленые морщинистые. Все гибриды первого поколения этого скрещивания имели желтые гладкие семена. Следовательно, доминирующими оказались желтая окраска семян над зеленой и гладкая форма над морщинистой. Обозначим аллели желтой окраски А, зеленой — а, гладкой формы— В,морщинистой— b. Гены, определяющие развитие разных пар признаков, называются неаллельпыми и обозначаются разными буквами латинского алфавита. Родительские растения в этом случае имеют генотипы АА ВВ и aabb,а генотип гибридов F1 —АаВb ,т. е. является дигетерозиготным. Во втором поколении после самоопыления гибридов F1 в соответствии с законом расщепления вновь появились морщинистые и зеленые семена. При этом наблюдались следующие сочетания признаков: 315 желтых - 18 - гладких, 101 желтое морщинистое, 108 зеленых гладких и 32 зеленых морщинистых семян. Это соотношение очень близко к соотношению 9:3:3:1. Чтобы выяснить, как ведет себя каждая пара аллелей в потомстве дигетерозиготы, целесообразно провести раздельный учет каждой пары признаков — по форме и окраске семян. Из 556 семян Менделем получено 423 гладких и 133 морщинистых, а также 416 желтых и 140 зеленых. Таким образом, и в этом случае соотношение доминантных и рецессивных форм по каждой паре признаков свидетельствует о моногибридном расщеплении по фенотипу 3:1. Отсюда следует, что дигибридное расщепление представляет собой два независимо идущих моногибридных расщепления, которые как бы накладываются друг на друга. Проведенные наблюдения свидетельствуют о том, что отдельные пары признаков ведут себя в наследовании независимо. В этом сущность третьего закона Менделя — закона независимого наследования признаков, или независимого комбинирования генов. Он формулируется так: каждая пара аллельных генов (и альтернативных признаков, контролируемых ими) наследуется независимо друг от друга. Закон независимого комбинирования генов составляет основу комбинативной изменчивости наблюдаемой при скрещивании у всех живых организмов. Отметим также, что в отличие от первого закона Менделя, который справедлив всегда, второй закон действителен только для генов, локализованных в разных парах гомологичных хромосом. Это обусловлено тем, что негомологичные хромосомы комбинируются в клетке независимо друг от друга, что было доказано не только при изучении характера наследования признаков, но и прямым цитологическим методом. Поведение хромосом при дигибридном скрещивании показано на рис. 3.4. Цитологические основы ди гибридного скрещивания. Как известно, в профазе I мейоза гомологичные хромосомы конъюги-руют, а в анафазе одна из гомологичных хромосом отходит к одному полюсу клетки, а другая — к другому. При расхождении к разным полюсам негомологичные хромосомы комбинируются свободно и независимо друг от друга. При оплодотворении в зиготе восстанавливается диплоидный набор хромосом и гомологичные хромосомы, оказавшиеся в процессе мейоза в разных половых клетках родителей, соединяются вновь. Предположим, что каждая хромосома содержит только один ген. Палочковидные хромосомы несут аллель A или а , сферические —В или b, т. е. эти две пары аллелей находятся в негомологичных хромосомах (см. рис. 3.4). - 19 - Гомозиготные родители (ААВВ и aabb)формируют только один тип гамет с доминантными (АВ) или с рецессивными (ab)аллелями. При слиянии таких гамет образуется единообразное первое поколение гибридов — гибрид дигетерозиготен (АаВb), но так как у него присутствуют гены А и B, то по фенотипу он сходен с одним из родителей. В тех случаях, когда необходимо указать, что те или иные гены находятся в гомологичных хромосомах, в генетических формулах зигот хромосомы принято изображать в виде двух черточек или одной с указанием обоих аллелей гена. Формула дигетерозиготы может быть записана так: Поскольку гаметы содержат только по одной из гомологичных хромосом и соответственно по одному аллелю каждого гена, то их формулы могут быть записаны так: и т. д. В дальнейшем у гибридных организмов ло причине случайности расхождения отцовских и материнских хромосом каждой пары в процессе мейоза ген А может попасть в одну гамету с геном В или с геном Ь. Точно так же ген а может оказаться в одной гамете с геном В или с геном b. Поэтому гибриды образуют четыре типа гамет: Образование всех четырех типов гамет равновероятно, т. е. все они образуются в равных количествах. Свободное сочетание таких гамет в процессах оплодотворения заканчивается образованием 16 типов зигот, а значит, и потомков (см. рис. 3.4). Они распадаются на четыре фенотипических класса: доминантные по обоим признакам — 9 частей, доминантные по первому и рецессивные по второму признаку — 3 части, рецессивные по первому и доминантные по второму — 3 части, рецессивные по обоим признакам — 1 часть. Генотипических классов 9: 1AABB, 2ААВb, 1AAbb, 1Aabb, 4AaBb, 2AaBB, 1aaBB, 2aaBb, 1aabb. Полигибридное скрещивание. Рассуждая аналогично, можно представить расщепление при три- и полигибридном скрещивании, т. е. когда родители различаются по аллелям трех и более генов, а в F1образуются трии по дигетерозиготы. Соотношение генотипических и фенотипических классов в F2 три- и полигибридных скрещиваний, а также число типов гамет (и число фенотипов) у гибридов F1определяются простыми формулами: при моногибридном скрещивании число типов гамет равно 2, при дигибридном 4(22), а при полигибридном — 2n;число генотипов равно соответственно 3,9(32) и 3n. Опираясь на независимость наследования разных пар аллелей, можно также любые сложные расщепления представить как произведение от соответствующего числа независимых моногиб-ридиых скрещивании. Общая формула определения фенотипических классов при полигибридном - 20 - скрещивании имеет вид (3:1)n, где п равно числу пар признаков, по которым идет расщепление. Для моногибрида эта формула соответственно имеет вид (3:1); дигибрида — 9:3:3:1 или(3:1)2;тригибрида — (3:1)3. Расщепление по генотипу имеет вид (1:2; 1)n, где п — число расщепляющихся пар аллелей. Известно, что каждый организм гетерозиготен по многим генам. Если предположить, что человек, у которого отдельные пары хромосом содержат не одну, а сотни пар аллелей, гетерозиготен хотя бы по 20 генам, то число типов гамет у такой полигетерозиго-ты составит 220 = 1 048 576. Эта цифра дает определенное представление о потенциальных возможностях комбинативной изменчивости. Поэтому каждый человек обладает неповторимой индивидуальностью. На Земле нет двух людей, совершенно одинаковых по наследственности, за исключением однояйцевых близнецов. Таким образом, третий закон Менделя (закон независимого наследования признаков) еще раз демонстрирует дискретный характер генетического материала. Это проявляется в независимом комбинировании аллелей разных генов и в их независимом действии — фенотипическом выражении. Дискретность гена определяется тем, что он контролирует присутствие или отсутствие отдельной биохимической реакции, от которой зависит развитие или подавление определенного признака организма. Очевидно, если несколько генов определяют какое-либо одно свойство или один признак (форма гребня у кур, окраска глаз у дрозофилы, длина колоса у пшеницы и т. д.), они должны взаимодействовать между собой. Отсюда следует, что понятие «наследование признаков» употребляется, скорее всего, как образное выражение, поскольку в действительности наследуются не сами признаки, а гены. Признаки формируются в ходе индивидуального развития организма, обусловливаются генотипом и влиянием внешней среды. 1ААВВ, lAABb, 1AAbb, lAabb, AAaBb, 2AaBB, 1aaBB 5. Взаимодействие аллельных генов (типы и их характеристика) Генотип нельзя рассматривать как простую сумму генов, т.к. гены взаимодействуют друг с другом и значит генотип является целостной исторически сложившейся системой. Взаимодействие между генами реализуется не на уровне самих генов, а на уровне генных продуктов, т.е. тех белков, которые эти гены контролируют. Выделяют: 1. Взаимодействие аллельных генов 2. Взаимодействие неаллельных генов. - 21 - Аллельными называются гены, расположенные в одинаковых локусах гомологичных хромосом. К взаимодействию аллельных генов относят: 1. Полное доминирование: 1 аллельный ген полностью исключает проявление другого, поэтому фенотип гетерозиготы (Аа) всегда доминирует, а в F2 расщепление по фенотипу 3:1 и генотипу 1:2:1; 2. Неполное доминирование: 1 аллельный ген частично исключает проявление другого. В этом случае фенотип гетерозиготы (Аа) между фенотипами родителей, а в F2 расщепление по фенотипу и генотипу совпадает. 3. Ко-диминирвоание: ни один из аллельных генов не доминирует и проявляется оба аллеля (наследование 4-ой гр. Крови по системе АВ0) – JA, JB, J0 JA - доминирует над J0 JB - доминирует над J0 JA, и JB – Ко-доминанты (ни один не домнирует) I (0) = J0 J0 II (А) = JA JA, JA J0 III (В) = JB JB, JB J0 IV (АВ) = JA JB 4. При сверхдоминировании: фенотип гетерозиготы выражен в большей степени, чем фенотип любой из гомозигот. 6. Комплементарное взаимодействие генов Комплементарное взаимодействие — (взаимодополнительное действие генов) — явление, когда признак развивается только при взаимном действии двух доминантных неаллельных генов, каждый из которых в отдельности не вызывает развитие признака. Наследование признаков при комплементарном взаимодействии генов (на примере окраски цветков у душистого горошка) 7. Эпистатическое взаимодействие генов Эпистаз (epistasis) - Межгенное взаимодействие, при котором действие одного гена (гипостатического) подавляется действием другого (эпистатического), т.е. отношения типа «доминантность-рецессивность» между неаллельными генами. - 22 - 1 неаллельный ген подавляет проявление другого. Если подавителем является доминантный аллель, то такой ген называется доминантным, а если нет – рецессивный. Ген-подавитель –эпистотический ген, ингибитор или СУПРЕССОР, а подавляемый ген называется – гипостатическим. При доминантном эпистазе в F2 расщепление по фенотипу 13:3 или 12:3:1, а при рецессивном – 9:7 или 9:3:4 8. Полимерное взаимодействие генов Полимерия. Различные доминантные неаллельные гены могут оказывать действие на один и тот же признак, усиливая его проявление. Такие гены получили название однозначных, или полимерных, а признаки, ими определяемые,- полигенных. Полимерные гены принято обозначать буквой латинского алфавита с указанием цифрового индекса, например: А1А1 и а1а1; А2А2 и а2а2 и т.д. Впервые однозначные факторы были обнаружены шведским генетиком Нильсоном - Эле (1980 г.) при изучении наследовании окраски у пшеницы. У пигментированных экземпляров интенсивность окраски сильно варьирует в зависимости от числа полученных ими доминантных аллелей: максимальная у домитнантных дигомозигот и минимальная у носителей одного из доминантных аллелей (А1а1а2а2) При полимерии несколь пар неаллельных генов формируют полимерные гены. По этому типу наследуется ряд количественных признаков: 1. Некумулятивная: действие полимерных генов не суммирующихся, расщепление в F2 по фенотипу 12:1 (форма плода у пастушьей сумки: А – треугольная, а – овальная). 2. Кумулятивная: действие полимерных генов суммируется и степень выраженности определяется соотношением количества доминантных и рецессивных генов. При дигибридном скрещивании в F2 расщепление по фенотипу 1:4:6:4:1 (рост и цвет кожи у человека) 9. Генотип, как целостная система Целостность генотипа доказывают также (кроме взаимодействия генов) явления пенетрантности, экспрессивности, плейотропии и эффекта положения гена. 1. Пенетрантность – частота проявления гена, определяемая по числу особей (в пределах родственной группы организмов), у которых проявляется признак, контролируемый данным геном. 2. Экспрессивность – степень выраженности признака среди особей определенного генотипа, у которых этот признак проявляется. - 23 - 3. 4. Плейотропия – множественное действие гена, способность одного наследственного фактора - гена - воздействовать одновременно на несколько разных признаков организма. Эффект положения гена - зависимость фенотипического проявления гена от его локализации в хромосоме. 10. Строение и функции хромосом. Хромосомы типа ламповых щеток и политенные хромосомы Флеминг – 1882г. – открыл хромосомы. А термин предложил Вальдейер – 1886г. – 1912г. Формулировка Морганом хромосомной теории наследственности. Строение Хромосомы обычно изучают в метафазу клнточного деления, когда они полностью структуированы. Метафазная хромосома: это удлиненное тельце, состоящее из двух продольных нитей – хроматид – соединенных в области первичной перетяжки или центромере. В зависимости от того, в каком месте хромосома расположена в центромере их делят на: 1. Метацентические или равноплечие (по середине); 2. Субметацентрические или неравноплечие (смещена); 3. Акроцентрические или одноплечие (центромера смещена к концу). Некоторые хромосомы имеют кроме первичной и вторичную перетяжку – ядрышко- которое отделяет от тела хромосомы участок, называемый СПУТНИКОМ. Такие хромосомы называются спутничными. КАРИОТИП – совокупность признаков хромосомного набора клетки, т.е. количества хромосом, их строение и структура. Кариотипические клетки организмов одного вида одинаковы. Хромосомы одного кариотипа между собой отличаются. Кариотип самотической клетки включает: одну пару половых хромосом (ГЕТЕРОХРОМОСОМ) и аутосомы (все остальные). Все аутосомы парные или гомологичные. Гомологичными называются хромосомы одинаковые по велечине, строению, структуре, но имеющие разное происхождение – отцовские и материнские. Соматические – содержат диплоидный набор (2п), а половые – гаплоидный (1п). - 24 - Количество хромосом в кариотипах разных видов колеблется от 2-х до многих и не связано с уровнем организации особи. ПОЛИТЕННЫЕ ХРОМОСОМЫ – возникли в результате многократной репликации без последующего расхождения репликации. Содержат до 1000 нитей ДНК. Тельце их длиннее, чем обычные аналоги. Характеризуются поперечной исчерченностью. Обнаружены пуфы. Их расположение меняется в зависимости от стадии развития пуфы. Пуфы – это множество копий определенных генов. ХРОМОСОМЫ ТИПА ЛАМПОВЫХ ЩЕТОК – возникли в результате затянувшегося клеточного деления. Петли представляют собой много копий определенных генов. И те, и другие гены – это один из механизмов амплификации генов – это умножение числа копий генов. Служит быстрой деффиренцировке клеток, т.е. превращению одинаковых клеток в клетки, способные выполнять специфические тканевые функции. 11. Молекулярная организация хромосом ХРОМОСОМА – это дезоксирибонуклеопротеид, т.е. это комплекс ДНК и белков. Хромосома возникает из хроматина, в процессе деления клетки путем его спирализации. Уровни организации ДНК I. Нуклеосомная фибрилла – нуклеосома представляет собой белковую сердцевину, состоящую из 8-ми молекул гистонов белков, вокруг которых ДНК делает 1,75 оборота. Гистоны: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4 оoo оо гистоны II. III. + ДНК оoo оо нуклеосома Спираль из нуклеосомной фибриллы Спираль из нуклеосомной фибриллы, упакованная петлями - 25 - 12. Клеточный цикл Функция воспроизведения и передачи генетической информации обеспечивается в ходе клеточного цикла. Клеточный цикл совокупность явлений между двумя последовательными делениями клетки или между ее образованием и гибелью Клеточный цикл включает собственно митотическое деление и интерфазу промежуток между делениями. ИНТЕРФАЗА Интерфаза значительно более длительна, чем митоз (обычно занимает не менее 90% всего времени клеточного цикла) и подразделяется на три периода: пресинтетическип или постмитотический (G1), синтетический (S) и постсинтетический или премитотический (G2). 1. Пресинтетический или постмитотический (G1) период (от англ. gap - промежуток) наступает сразу же после митотического деления клетки и характеризуется активным ростом клетки и синтезом белка и РНК, благодаря чему клетка достигает нормальных размеров и восстанавливает необходимый набор органелл. G1 -период длится от нескольких часов до нескольких дней. В течение этого периода синтезируются особые "запускающие" белки (trigger proteins), или активаторы S-периода. Они обеспечивают достижение клеткой определенного порога (точки R - рестрикции или ограничения), после которого она вступает в S-период. - 26 - Контроль, осуществляемый на уровне точки R (при переходе из G1 в S), ограничивает возможность нерегулируемого размножения клеток. Проходя эту точку, клетка переключается на последующую регуляцию внутренними факторами клеточного цикла, которая обеспечивает закономерное завершение ее деления. Если клетка не достигает точки R, она выходит из цикла и вступает в период репродуктивного покоя (G0) для того, чтобы (в зависимости от причин остановки): (1) дифференцироваться и выполнять свои специфической функции, (2) выжить в условиях недостаточности питательных веществ или факторов роста, (3) осуществить репарацию поврежденной ДНК. Клетки одних тканей при соответствующей стимуляции вновь способны возвращаться из периода (G0) в клеточный цикл, других утрачивают эту способность по мере дифференцировки 2. Синтетический (S-) период характеризуется удвоением содержания (репликацией) ДНК и синтезом белков, в частности, гистонов, которые поступают в ядро из цитоплазмы и обеспечивают нуклеосомную упаковку вновь синтезированной ДНК. В результате происходит удвоение числа хромосом. Одновременно удваивается число центриолей. S-период длится у большинства клеток 8-12 часов. 3. Постсинтетический или премитотический (G2-)период следует за S-периодом и продолжается вплоть до митоза (часто обозначаемого буквой М). В течение этого периода клетка осуществляет непосредственную подготовку к делению. Происходит созревание центриолей, запасается энергия, синтезируются РНК и белки (в частности, тубу-лин), необходимые для процесса деления. Длительность G2-периода составляет 2-4 часа. Возможность выхода клетки из G2-периода в G0-neриод с последующим возвращением в G2-период в настоящее время большинством авторов отрицается. Контроль вступления клетки в митоз осуществляется двумя специальными факторами с противоположно направленными эффектами. Митоз тормозится до момента завершения репликации ДНК Мзадерживающим фактором и индуцируется М-стимулирующим фактором. Действие последнего проявляется лишь в присутствии других белков циклинов (синтезируются на протяжении всего цикла и распадаются в середине митоза). Регуляция клеточного цикла По уровню обновления клеток все ткани организма подразделяются на три группы. - 27 - (1) стабильные клеточные популяции - состоят из клеток с полной потерей способности к делению (нейроны, кардиомиоциты). Число клеток в такой популяции стабилизируется в начале их дифференцировки; по мере старения организма оно снижается вследствие невосполняемой естественной убыли клеток. (2) растущие клеточные популяции способны не только к обновлению, но также и к росту, увеличению массы ткани за счет нарастания числа клеток и их полиплоидизации. Их долгоживущие клетки выполняют специализированные функции, но сохраняют способность при стимуляции вновь вступать в цикл с тем, чтобы восстановить свою нормальную численность. Описанные популяции клеток образуют почки, печень, поджелудочную и щитовидную железы (3) обновляющиеся клеточные популяции характеризуются постоянным обновлением клеток; убыль дифференцированных, выполняющих специализированные функции и неспособных к делению клеток вследствие их гибели уравновешена образованием новых в результате Деления малодифференцированных камбиальных клеток и их последующей дифференцировки. К таким популяциям относят эпителий кишки, эпидермис, а также клетки костного мозга и крови Регуляция клеточного цикла в различных тканях организма осуществляется сбалансированной сложной системой механизмов, стимулирующих или ингибирующих клеточное деление. Система регуляции клеточного цикла получает два вида информации. (1) о действии на клетку различных внешних факторов, способствующих активации или торможению ее деления Она обрабатывает и интегрирует ее в виде сигналов, определяющих, будет ли клетка вступать в митотический цикл или дифференцироваться и пребывать в периоде репродуктивного покоя (G0). (2) об интактности генома. При повреждении генома клетки прохождение ею цикла останавливается и включается система репарации ДНК. Тем самым снижается вероятность нежелательной репликации поврежденной ДНК. Многочисленные сигналы, регулирующие деятельность клетки, замыкаются на ген р53, который блокирует прохождение клеточного цикла до устранения возникшего повреждения. Если это повреждение слишком серьезно, р53 (в совокупности с другими регуляторами) запускает программу апоптоза запрограммированной гибели клетки. 13. Митоз и его биологическое значение. Стадии митоза. - 28 - И - интерфаза, П1 - ранняя профаза, П2 - поздняя профаза, М - метафаза (экваториальная пластинка, материнская звезда), А1 - ранняя анафаза, А2 поздняя анафаза, Т – телофаза Митоз (от греч. mitos - нить), называемый также кариокинезом, или непрямым делением клеток, является универсальным механизмом деления клеток. Митоз следует за G2-периодом и завершает клеточный цикл. Он длится 1-3 часа и обеспечивает равномерное распределение генетического материала в дочерние клетки. Митоз включает 4 основные фазы профазу, метафазу, анафазу и телофазу. Профаза начинается с конденсации хромосом, которые становятся видимыми в световой микроскоп как нитевидные структуры. Каждая хромосома состоит из двух параллельно лежащих сестринских хроматид, связанных в области центромеры. Ядрышко и ядерная оболочка к концу фазы исчезают (последняя распадается на мембранные пузырьки, сходные с элементами ЭПС, а поровый комплекс и ламина диссоциируют на субъединицы. Кариоплазма смешивается с цитоплазмой. Центриоли мигрируют к противоположным полюсам клетки и дают начало нитям митотического (ахроматинового) веретена. В области центромеры образуются особые белковые комплексы - кинетохоры, к которым прикрепляются некоторые микротрубочки веретена (кинетохорные микротрубочки); показано, что кинетохоры сами способны индуцировать сборку микротрубочек и поэтому могут служить центрами организации - 29 - микротрубочек. Остальные микротрубочки веретена называются полюсными, так как они протягиваются от одного полюса клетки к другому; лежащие вне веретена микротрубочки, расходящиеся радиально от клеточных центров к плазмолемме, получили наименование астральных или микротрубочек (нитей) сияния. Метафаза соответствует максимальному уровню конденсации хромосом, которые выстраиваются в области экватора митотического веретена, образуя картину экваториальной (метафазной) пластинки (вид сбоку) или материнской звезды (вид со стороны полюсов). Хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость и удерживаются в ней благодаря сбалансированному натяжению кинетохорных микротрубочек. Сестринские хроматиды к концу этой фазы разделяются щелью, однако удерживаются в области центромеры. Анафаза начинается с синхронного расщепления всех хромосом на сестринские хроматиды (в области центромеры) и движения дочерних хромосом к противоположным полюсам клетки, которое происходит вдоль микротрубочек веретена со скоростью 0.2-0.5 мкм/мин. Сигнал к началу анафазы включает резкое (на порядок) повышение концентрации Са2+ в гиалоплазме, выделяемого мембранными пузырьками, образующими скопления у полюсов веретена. Механизм движения хромосом в анафазе окончательно не выяснен, однако установлено, что в области веретена помимо актина имеются такие белки как миозин и динеин, а также ряд регуляторных белков и Са2+-АТФаза. По некоторым наблюдениям, оно обусловлено укорочением (разборкой) микротрубочек, прикрепленных к кинетохорам. Анафаза характеризуется удлинением митотического веретена за счет некоторого расхождения полюсов клетки. Она завершается скоплением на полюсах клетки двух идентичных наборов хромосом, которые образуют картины звезд (стадия дочерних звезд). В конце анафазы благодаря сокращению актиновых микрофиламентов, концентрирующихся по окружности клетки (сократимое кольцо), начинает образовываться клеточная перетяжка, которая углубляясь, в следующей фазе приведет к цитотомии. Телофаза - конечная стадия митоза, в течение которой реконструируются ядра дочерних клеток и завершается их разделение. Вокруг Конденсированных хромосом дочерних клеток из мембранных пузырьков (по другим данным, из аЭПС) восстанавливается кариолемма, с которой связывается формирующаяся ламина, вновь появляются ядрышки, которые образуются из участков соответствующих хромосом. Ядра Клеток постепенно увеличиваются, а хромосомы прогрессивно деспирализуются и исчезают, замещаясь картиной хроматина интерфазного ядpa. Одновременно - 30 - происходит углубление клеточной перетяжки, и клетки в течение некоторого времени остаются связанными суживающимся цитоплазматическим мостиком, содержащим пучок микротрубочек (срединное тельце). Дальнейшая перешнуровка цитоплазмы завершается формированием двух дочерних клеток. В телофазе происходит распределение органелл между дочерними клетками; равномерности этого процесса способствует то, что одни органеллы достаточно многочисленны (например, митохондрии), другие (подобно ЭПС и комплексу Гольджи) во время митоза распадаются на мелкие фрагменты и пузырьки. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МИТОЗА Генетическая стабильность. В результате митоза получаются два ядра, содержащие каждое столько же хромосом, сколько их было в родительском ядре. Эти хромосомы происходят от родительских хромосом путем точной репликации ДНК, поэтому гены их содержат совершенно одинаковую наследственную информацию. Дочерние клетки генетически идентичны родительской клетке, так что никаких изменений в генетическую информцию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции (клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью. Рост. В результате митозов число клеток в организме увеличивается ( процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста. Бесполое размножение, регенерация и замещение клеток. Многие виды животных и растений размножаются бесполым путем при помощи одного лишь митотического деления клеток. Кроме того, митоз обеспечивает регенерацию утраченных частей (например, ног у ракообразных) и замещение клеток, происходящее в той или иной степени у всех многоклеточных организмов. 14. Типы мейоза и их особенности (гаметный, споровый, зиготный) Мейоз (от греч. méiosis — уменьшение), редукционное деление, деления созревания, способ деления клеток, в результате которого происходит уменьшение (редукция) числа хромосом в два раза и одна диплоидная клетка - 31 - (содержащая два набора хромосом) после двух быстро следующих друг за другом делений даёт начало 4 гаплоидным (содержащим по одному набору хромосом). Восстановление диплоидного числа хромосом происходит в результате оплодотворения. Мейоз — обязательное звено полового процесса и условие формирования половых клеток (гамет). Биологическое значение Мейоз заключается в поддержании постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и обеспечении возможности рекомбинации хромосом и генов при половом процессе. Мейоз — один из ключевых механизмов наследственности и наследственной изменчивости. Поведение хромосом при Мейоз обеспечивает выполнение основных законов наследственности (см. Менделя законы). В зависимости от места Мейоз в жизненном цикле организмов различают 3 типа Мейозф: 1. Гаметный, или терминальный, Мейоз (у всех многоклеточных животных и ряда низших растений), происходит в половых органах и приводит к образованию гамет. 2. Зиготный, или начальный, Мейоз (у многих грибов и водорослей), происходит в зиготе сразу после оплодотворения и приводит к образованию гаплоидного мицелия или таллома, а затем спор и гамет. 3. Споровый, или промежуточный, Мейоз (у высших растений), имеет место накануне цветения и приводит к образованию гаплоидного гаметофита, в котором позднее образуются гаметы. 15. Мейоз как цитологическая основа образования гамет. Стадии мейоза. Значение мейоза. Мейоз лежит в основе комбинированной изменчивости организма. В результате мейоза из 1 исходной диплоидной (2п) клетки возникает 4 гаплоидных неидентичных материнской клетки. ЗНАЧЕНИЕ МЕЙОЗА. 1. Происходит редукция числа хромосом до гаплоидного. 2. Происходит кроссинговер (обмен идентичными участками гомологичных хромосом). 3. Происходит перекомбинация негомологичных хромосом при расхождении их в гаметы (число вариантов 2п- п-гаплоидный набор хромосом) Т.е. мейоз – одна из главных причин комбинативной изменчивости организма. Мейоз включает 2 последовательных деления: Первое деление (редукционное или уменьшительное); - 32 - Второе (эквационное или уравнительное) Период между этими делениями называется ИНТЕРКИНЕЗ От интерфазы он отличается кратковременностью и тем, что не происходит удвоения ДНК. ПРОФАЗА I Хроматин спирализуется – возникают хромосомы, которые коньюгируют (биваленты) и происходит КРОССИНГОВЕР. Затем хромосома далее спирализуется, разрушается ядерная мембрана ядрышка и образуются нити веретена деления. МЕТАФАЗА I Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, образуя метафазную пластину. Их центромеры ведут себя как единые структуры (хотя часто выглядят двойными) и организуют прикрепленные к ним нити веретена, каждая из которых направлена только к одному из полюсов. В результате слабо тянущего усилия этих нитей каждый бивалент располагается в области экватора, причем обе его центромеры оказываются на одинаковом расстоянии от него - одна снизу, а другая сверху. АНАФАЗА I Имеющиеся у каждого бивалента две центромеры еще не делятся, но сестринские хроматиды уже не примыкают одна к другой. Нити веретена тянут центромеры, каждая из которых связана с двумя хроматидами, к противоположным полюсам веретена. В результате хромосомы разделяются на два гаплоидных набора, попадающих в дочерние клетки. ТЕЛОФАЗА I Расхождение гомологичных центромер и связанных с ними хроматид к противоположным полюсам означает завершение первого деления мейоза. Число хромосом в одном наборе стало вдвое меньше, но находящиеся на - 33 - каждом полюсе хромосомы состоят из двух хроматид. Вследствие кроссинговера при образовании хиазм эти хроматиды генетически неидентичны, и при втором делении мейоза им предстоит разойтись. У животных и у некоторых растений хроматиды деспирализуются, вокруг них на каждом полюсе формируется ядерная мембрана и образовавшееся ядро вступает в интерфазу. Затем начинается деление цитоплазмы (у животных) или формирование разделяющей клеточной стенки (у растений), как при митозе. У многих растений не наблюдается ни телофазы, ни образования клеточной стенки, ни интерфаза, и клетка прямо переходит из анафазы 1 в профaзу 2. ИНТЕРФАЗА II Эта стадия обычно наблюдается только в животных клетках; продолжительность ее варьирует. Фаза S отсутствует, и дальнейшей репликации ДНК не происходит. Процессы, участвующие во втором делении мейоза, по своему механизму сходны с происходящими в митозе. Они включают разделение хроматид в обеих дочерних клетках, получившихся в результате первого деления мейоза. Второе деление мейоза отличается от митоза главным образом двумя особенностями: 1) в метафазе 2 мейоза сестринские хроматиды часто сильно обособляются друг от друга; 2) число хромосом гаплоидно. ПРОФАЗА II В клетках, у которых выпадает интерфаза 2, это стадия тоже отсутствует. Продолжительность профазы 2 обратно пропорциональна продолжительности телофазы 1. Ядрышки и яд ерные мембраны разрушаются, а хроматиды укорачиваются и утолщаются. Центриоли, если они есть, перемещаются к противоположным полюсам клеток; появляются нити веретена. Хроматиды располагаются таким образом, что их длинные оси перпендикулярны оси веретена первого деления мейоза. МЕТАФАЗА II При втором делении центромеры ведут себя как двойные структуры. Они организуют нити веретена, направленные к - 34 - обоим полюсам, и таким образом выстраиваются по экватору веретена. АНАФАЗА II Центромеры делятся, и нити веретена растаскивают их к противоположным полюсам. Центромеры тянут за собой отделившиеся друг от друга хроматиды, которые теперь называ ются хромосомами. ТЕЛОФАЗА II Эта стадия очень сходна с телофазой митоза. Хромосомы деспирализуются, растягиваются и после этого плохо различимы. Нити веретена исчезают, а центриоли реплицируются. Вокруг каждого ядра, которое содержит теперь половинное (гаплоидное) число хромосом исходной родительской клетки, вновь образуется ядерная мембрана. В результате последующего деления цитоплазмы (у животных) или образование клеточной стенки (у растений) из одной исходной родительской клетки получается четыре дочерних клетки. 16. Типы хромосомного определения пола. Регуляция и переопределение пола. Типы определеня пола 1. Прогамный - до оплодотворения. Соотношение половых хромосом при этом роли не играет, т.к. ооциты диплоидны. (Некоторые черви, коловратки из крупных ооцитов развиваются самки, из мелких - самцы). 2. Сингамный - генетическое определение пола при оплодотворении, которое зависит от характера сочетания половых хромосом либо от соотношения половых хромосом и аутосом. - 35 - 3. Эпигамный - под влиянием внешней среды (червь бонелия). К сингамному типу определения относится хромосомное определение пола с генетическим контролем. Ответственные за пол хромосомы назвали половыми . Нормальная мужская гамета несет либо Х либо Y хромосому, а все яйцеклетки - Х-хромосому. В случае нормального расхождения хромосом при мейозе образуются нормальные яйцеклетки и сперматозоиды с обычным набором хромосом Х и Y. Пол зиготы определяется при соотношении гамет ХХ и ХY (гомогаметный и гетерогаметный). Хромосомная теория пола Корренса (1907) заключается в том, что пол определяется сочетанием половых хромосом при оплодотворении. Различают следующие типы хромосомного определения пола: ХY, ХО, ZW, ZO. При нарушении течения митоза или мейоза могут образовываться особигинандоморфы. Содержание половых хромосом в разных клетках таких особей может юыть разное (мозаичность). У мухи дрозофилы: ХХ и ХО, у человека ХХ и XY, в связи с чем разные ачсти тела могут иметь соответствующие признаки пола. Могут быть и другие случаи мозаицизма: ХХ/ХХХ, XY/XXX; XO/XXY и др. При нерасхождении половых хромосом возможных комбинаций половых хромосом в зиготах человека может быть 12, что является причиной хромосомных аббераций у человека. В случае нерасхождения половых хромосом при мейозе образуются гаметы ХХ и О у самок. и ХY и О у самцов. При участии их в оплодотворении формируются зиготы с необычным сочетанием половых хромосом. У человека такие аномалии встречаются 1 на 600-700 новорожденных. Зигота YО погибает на ранней стадии; особи ХХХ, ХХY, ХО - жизнеспособны и пол их зависит от наличия или отсутствия "Y" хромосомы, которая при любом количестве Х-хромосом контролирует формирование признаков мужского по ла, развитие и стимулирует формирование семенников. Избыток Х-хромосом вызывает конституциональные аномалии и дефекты интеллекта. Но в природе встречаются особи, у которых "Y" хромосома генетически инертна и не оказывает особого влияния на определение пола. У дрозофилы обнаружены особи типа ХО, которые были самцами, но бесплодны (1916, К. Бриджес), а особи ХХY - нормальные плодовитые самки. Балансовая теория пола (Бриджес, 1922). Изучено соотношение половых и аутосом У нормальных самок с набором хромосом 2п соотношение аутосом и Ххромосом равно 1: 2п=2А+2Х (2Х: 2А=1 - нормальная самка), 1, 5 - сверх - 36 - самки: 2А+3Х (3Х: 2А=1, 5 -бесплодна). У самцов соотношение составляет 0, 5 2п=2А+ХY (Х: 2А=0, 5). С уменьшением его особи остаются самцами 3А+ХY (Х: 3А=0, 33 - бесплоден) - сверхсамец. Значение коэффициента между 1 и 0, 5 соответствует фенотипу особей промежуточных по полу _интерсекс .: 3А+2Х(2Х: 3А=0, 66 - признаки обоих полов, бесплодны). Т.о., суть балансовой теории в том, что в определении пола принимают участие не только половые хромосомы, но и аутосомы. Один гаплоидный набор аутосом сообщает особи свойства мужского пола. В данном случае пол определяется соотношением количества (балансом) аутосом и половых хромосом. Определение пола по плоидности встречается и у пчел. Самки пчел диплоидны, а самцы гаплоидны, т.к. развиваются партеногенетически из неоплодотворенных яйцеклеток. Пол организмов, совокупность морфологических и физиологических особенностей организма, обеспечивающих половое размножение, сущность которого сводится в конечном итоге к оплодотворению. При этом мужские и женские половые клетки — гаметы сливаются в зиготу, из которой развивается новый организм. В зиготе объединяются 2 гаплоидных (одинарных) набора хромосом материнской и отцовской гамет. В половых клетках нового организма образуются гаплоидные наборы уже перекомбинированных (см. Рекомбинация) отцовских и материнских хромосом (в результате обмена участками гомологичных родительских хромосом — кроссинговера — и случайного их расхождения по дочерним клеткам во время мейоза). Поэтому в обоеполой популяции постоянно возникает множество генетически разных особей, что создаёт благоприятные условия для естественного отбора более приспособленных форм. В этом заключается основное преимущество полового размножения перед бесполым. Половое размножение преобладает у животных и высших растений; оно встречается и у многих микроорганизмов (конъюгация у бактерий сопровождается частичным обменом наследственным материалом — нитями ДНК). Половой процесс у одноклеточных организмов не требует значительной дифференциации П. (одна и та же клетка может быть и клеткой тела, и половой). У многоклеточных диплоидных организмов возникли специальные гаплоидные половые клетки: крупные и малоподвижные или неподвижные у женского П., мелкие и обычно подвижные — у мужского. У большинства растений и лишь у некоторых животных оба типа гамет производятся одной особью (см. Гермафродитизм), у большинства животных — разными особями, которые в связи с этим строго разделяются соответственно на самок и самцов. Помимо продуцирования клеток - 37 - различного П., самцы и самки различаются рядом морфологических и физиологических признаков, а также половым поведением, которые обеспечивают слияние половых клеток. Определение пола. Все организмы, в том числе и раздельнополые, в генетическом отношении бисексуальны (двуполы), т.к. зиготы их получают генетическую информацию, потенциально дающую возможность развивать признаки мужского и женского П. У обоеполых растений и некоторых гермафродитных животных женские и мужские репродуктивные органы и половые клетки развиваются из генетически одинаковых клеток под влиянием внутренних условий (по отношению к отдельным клеткам их можно рассматривать как внешние). Механизм переключения клеток на развитие в одном случае женских, в другом мужских репродуктивных органов полностью не раскрыт. В редких случаях у раздельнополых видов потенциально бисексуальные зиготы развиваются в самок или самцов под влиянием внешних условий. Например, у морского кольчатого червя бонеллия личинка, поселяясь на хоботке самки, развивается в самца, а на дне моря — в самку. У растения Arisaema japonica из крупных клубней, богатых питательными веществами, развиваются растения с женским цветками, а из мелких клубней — с мужскими. Определение П. под влиянием внешних условий называется фенотипическим, или модификационным. Шире распространено генетическое определение П. В этом случае зигота во время оплодотворения также получает потенциальные возможности для развития признаков обоих П. Однако под влиянием генетических факторов в одной половине зигот пересиливает тенденция развития мужского П., а в другой — женского. Специальный хромосомный механизм обеспечивает передачу одной половине потомства генов женского П., а другой — генов мужского П. В начале 20 в. было установлено, что у самцов некоторых видов насекомых в диплоидных (с двойным набором хромосом) клетках наряду с парами гомологичных хромосом имеется одна непарная хромосома. Самка же имеет две такие хромосомы. У самцов насекомых др. видов все хромосомы парные, но в одной из пар они морфологически несходные. Эти хромосомы, причастные к определению П., назвали половыми хромосомами, а остальные — аутосомами. Позднее половые хромосомы были обнаружены у многих раздельнополых организмов. Половую хромосому самца, повторяющуюся у самок, назвали Х-хромосомой, а не повторяющуюся — Yхромосомой. Сочетание половых хромосом самца обозначают формулой X0 или XY, а самки — XX. Самцы с одной половой хромосомой продуцируют в равном количестве гаметы с Х-хромосомой и гаметы, лишённые её, т. е. с одним лишь гаплоидным набором аутосом (А); самки — гаметы только с Х- 38 - хромосомой. После случайного слияния мужских и женских гамет половина образовавшихся зигот будет иметь две Х-хромосомы (XX), а др. половина — только одну Х-хромосому. Первые станут самками, вторые — самцами (рис.). Самцы с разными половыми хромосомами продуцируют в равном количестве гаметы, имеющие Х-хромосому, и гаметы, имеющие Yхромосому. Женские гаметы этого вида генетически одинаковы — все они несут по одной Х-хромосоме. В результате половина яйцеклеток будет оплодотворена сперматозоидами с Y-хромосомой, а др. половина — с Ххромосомой. Первые зиготы, имеющие структуру XY, разовьются в особей мужского П., вторые — с XX — в особей женского П. Самцы с одной Ххромосомой или с двумя разными (XY) хромосомами имеют гетерогаметный П., самки с ХХ-хромосомами — гомогаметный П. У многих животных, наоборот, самки имеют гетерогаметный П. Их половые хромосомы обозначают буквами Z и W или XY, а половые хромосомы гомогаметных самцов — ZZ или XX. У млекопитающих, нематод, моллюсков, иглокожих и у большинства членистоногих гетерогаметен мужской П. У насекомых и рыб гетерогаметность наблюдается как у мужского, так и у женского П. Гетерогаметность женского П. свойственна птицам, пресмыкающимся и некоторым земноводным. Бисексуальные потенции, свойственные зиготе, обусловлены генами, локализованными в аутосомах и проявляющимися только под контролем др. генов — реализаторов П. Именно эти гены открывают путь в одном случае генам, способствующим образованию женского П., в другом — генам, обусловливающим развитие мужского П. При генетическом определении П. по типу X0, XX реализаторы женского П. локализованы в Х-хромосомах, а мужского — в аутосомах. При сочетании одной дозы реализаторов женского П., локализованных в одной Х-хромосоме, с диплоидным набором реализаторов мужского П., локализованных в аутосомах, развивается мужской П. И только 2 дозы реализаторов женского П., локализованные в 2 Х-хромосомах, пересиливают потенцию развития мужского П. и тем самым обусловливают женский П. У человека полоопределяющую роль играет Yхромосома. В аномальных случаях она сочетается с 2, 3 и даже 4 Ххромосомами при нормальном наборе аутосом. Хотя это и приводит к патологическим отклонениям, однако все особи с такими наборами хромосом бывают мужского П. Полоопределяющая роль Y-хромосом отмечена у многих видов животных, а среди растений — у дрёмы луговой. У дрозофилы Y-хромосома почти не содержит генов, т. е. наследственно инертна; реализаторы женского П. локализованы в Х-хромосоме, реализаторы - 39 - мужского П. — в аутосомах. Развитие П. контролируется отношением Ххромосом к набору аутосом (Х: А), условно принятым у самки за единицу (2Х:2А = 1): это отношение у самца равно 0,5 (Х:2А = 0,5). Увеличение этого отношения (полового индекса) свыше единицы приводит к чрезмерному развитию женских половых признаков ("сверхсамки"), уменьшение же ниже 0,5 способствует появлению самцов с более выраженными мужскими признаками ("сверхсамцы"). Особи с половым индексом 0,67 и 0,75 имеют промежуточное развитие признаков обоих П. и называют интерсексами. Явление интерсексуальности демонстрирует бисексуальную потенцию наследственной информации, передаваемой всем потомкам. Механизм генетического контроля над развитием половых признаков может быть внутри- и межклеточным. Внутриклеточное определение П. не связано с образованием половых гормонов (например, у насекомых), и действие генов, определяющих П., ограничено клетками, в которых эти гены функционируют. При этом в одном организме могут нормально развиваться, не влияя друг на друга, участки тела с женскими и мужскими признаками (см. Гинандроморфизм). При межклеточном определении П., характерном для млекопитающих и птиц, под контролем генов вырабатываются половые гормоны, которые, проникая во все клетки организма, обусловливают фенотипическое развитие признаков соответствующего П. Различают прогамное, сингамное и эпигамное определение П. Прогамное определение П. происходит до оплодотворения яйца, например дифференцировка яйцеклеток на быстро и медленно растущие. Первые становятся крупными, и из них после оплодотворения развиваются самки, вторые отличаются меньшими размерами и дают самцов, хотя оба вида яйцеклеток генетически одинаковы. Сингамное определение П. происходит во время оплодотворения, но на разных стадиях этого процесса. У некоторых видов с мужской гетерогаметией и физиологической полиспермией (оплодотворение яйцеклетки несколькими сперматозоидами) П. определяется в момент слияния ядер половых клеток (кариогамия). Если с ядром яйцеклетки сливается мужское ядро с Y-хромосомой, разовьётся мужская особь, если с Х-хромосомой — женская. При женской гетерогаметии П. потомства зависит от того, какая из половых хромосом попадает в ядро яйцеклетки во время мейоза. Если в ядре окажется Z-хромосома, разовьётся особь мужского П., если W-хромосома — женского. Т. о., в данном случае П. зиготы устанавливается до кариогамии. Эпигамное определение П. наблюдается у разнополых видов с фенотипическим определением П., когда направленность - 40 - развития в сторону мужского или женского П. обусловливается влиянием внешних условий после оплодотворения. Зависимость признаков от пола. Зависят от П. признаки, ограниченные и контролируемые им. Ограниченные П. признаки в силу половой дифференциации могут проявиться только у одного из П. (продукция молока или яиц свойственна только женскому П.), хотя полимерные гены этих признаков локализованы в аутосомах обоих П. Признаки, контролируемые П., проявляются или у обоих П. (с разной степенью выраженности), или (чаще) только у одного из П. (более мощное развитие рогов у баранов, бороды — у козлов), хотя оба в равной мере содержат в аутосомах гены этих признаков. Несходное их развитие обусловлено значительным различием физиологических процессов в организмах разного П. Гены, детерминирующие признаки, сцепленные с П., локализованы как в парных, так и непарных половых хромосомах и поэтому наследуются иначе, чем признаки, обусловленные парными генами, локализованными в аутосомах обоих П. Если гены локализованы в непарной Y-хромосоме гетерогаметного самца, то обусловливаемые ими признаки наследуются лишь сыновьями, а при локализации генов в хромосоме гетерогаметной самки — только дочерьми. Наследуемые т. о. признаки называются голандрическими. Этот тип наследования обнаружен у некоторых видов рыб и насекомых. У др. видов животных он с полной достоверностью не доказан. При локализации генов в гомологичных Х- или Z- хромосомах обусловленные ими признаки передаются сцепленно с П. по типу, получившему название наследования крест-накрест, когда рецессивный признак матери проявится у сыновей, а доминантный — у дочерей (Т. X. Морган), что встречается у многих видов животных (например, трёхцветность кошек, полосатость окраски оперения и скорость его роста у кур). Много сцепленных с П. мутаций обнаружено у дрозофилы и тутового шелкопряда. Сцепленными с П. могут быть и летали — гены, обусловливающие смертельный исход при развитии организма. Если гомогаметный родитель гетерозиготен по летали, локализованной в одной из гомологичных половых хромосом (X или Z), то половина его гетерогаметных потомков погибнет, получив деталь, губительному действию которой в генотипе не будет противопоставлен нормальный аллель. При гетерогаметии женского П. от леталей гибнет половина дочерей, а при гетерогаметии мужского П. — половина сыновей. Иногда мутантные гены в Х- и Z- хромосомах лишь частично снижают жизнеспособность потомства или вызывают различные заболевания, наиболее часто проявляющиеся у гетерогаметного П. У - 41 - человека обнаружено свыше 50 сцепленных с П. мутаций, приводящих большей частью к нарушению нормальной жизнедеятельности организма (см. Хромосомные болезни). Соотношение полов. При фенотипическом определении П. оно зависит от количества развивающихся организмов, которые попадают под влияние внешних факторов, детерминирующих тот или иной П. При генетическом определении П. соотношение П. у большинства видов, как правило, очень близко к 100♀: 100♂ (100 самок: 100 самцов). Однако и при таком определении П. есть отклонения. Так, у некоторых видов млекопитающих с мужской гетерогаметией статистически достоверно рождается на 1—2% больше потомков мужского П. Регуляция пола. Существенный сдвиг соотношения организмов в сторону одного из П. имеет как теоретическое, так и практическое значение, т.к. один из П. обычно более продуктивен. Методы регуляции П., сведённые к 4 основным направлениям, применяются в зависимости от типа определения П. и биологических и хозяйственных особенностей вида. Фенотипическое переопределение П. Если действие генов П. реализуется посредством гормонов, половые признаки изменяются при пересадке половых органов одного П. другому (см. Гонады) или при введении в организм гормонов противоположного П., а также некоторых аминокислот. Степень фенотипических изменений П. зависит от особенностей вида и дозы введённого препарата. Однако лишь в редких случаях (у некоторых рыб и земноводных) особи с фенотипически переопределённым П. продуцируют гаметы, противоположные их генотипическому П. В следующем поколении, если действие гормонов прекращается, снова вступает в силу генетический механизм определения П. Управление генетическим механизмом определения П., или искусственное сочетание в яйцеклетке половых хромосом. Направленное изменение соотношения П. достигнуто в экспериментах с тутовым шелкопрядом, у которого П. строго определяется сочетанием половых хромосом (ZW — ♀; ZZ — ♂). Неоплодотворённые яйца после прогрева развиваются партеногенетически (см. Партеногенез) за счёт диплоидного ядра, не завершившего редукционного деления. Все клетки партеногенетического эмбриона сохраняют материнскую структуру, в частности и в отношении половых хромосом ZW, и, следовательно, развиваются только в самок (Б. Л. Астауров). Воздействием ионизирующих излучений и прогревом удалось подавить в свежеотложенном осеменённом яйце женское ядро и переключить развитие на мужское начало. Диплоидное ядро мужской зиготы образуется путём слияния двух мужских ядер и - 42 - поэтому имеет структуру мужского П. ZZ. Из таких зигот развиваются гусеницы всегда мужского пола (X. Хасимото; Б. Л. Астауров). Этими методами впервые у с.-х. вида шелкопряда решена проблема произвольной регуляции П. У млекопитающих учёные пытаются разделить по морфологическим и физиологическим особенностям Х- и Y-сперматозоиды с целью последующего осеменения одной категорией сперматозоидов. Однако этим способом пока не удалось достоверно сместить соотношение П. Раннее распознавание П. Используется для сортировки вылупившихся цыплят на петушков и курочек по окраске оперения, сцепленной с П., а также для "сверхранней" сортировки по П. тутового шелкопряда. Под действием ионизирующего облучения у шелкопряда пересажена аутосома с доминантным геном, обусловливающим тёмную окраску яиц тутового шелкопряда, на половую W- хромосому. Сцепление хромосом стойко передаётся по наследству. Те яйца, в которые попадает W- хромосома с пересаженным доминантным геном, приобретают тёмный цвет и развиваются в самок, в то время как яйца мужского П., не получив доминантного гена, остаются непигментированными. Фотоэлектрические автоматы с большой скоростью разделяют разноокрашенные яйца по П. Выведенные таким способом (В. А. Струнников и Л. М. Гуламова) меченые по П. породы шелкопряда находят практическое применение в советском шелководстве. В 60-х гг. 20 в. в опытах английских учёных Р. Эдуардса и Р. Гарднера зафиксировано рождение потомства только одного П. и у млекопитающих. У кроликов извлекали из тела матери ранних зародышей, цитологическим методом определяли их П. и затем зародышей нежелательного П. выбраковывали, а зародышей нужного П. возвращали в матку. Около 20% возвращенных зародышей прижилось и развивалось в крольчат предсказанного учёными П. Изменение соотношения П. может быть почти у всех животных с генетическим определением П. результатом гибели половины зародышей гетерогаметного П. под действием сцепленных с П. деталей. Однако для многих с.-х. животных такой подход к регуляции П. экономически не оправдан. Исключение составляет тутовый шелкопряд. В СССР радиационным методом выведена (В. А. Струнников) генетически особая порода тутового шелкопряда, у которой в обоих Z- хромосомах самцов всегда имеется по одной негомологичной друг другу летали (сбалансированные летали). Если этих самцов скрестить с самками обычных пород, на стадии яйца одна половина самок погибнет от первой, а другая — от второй летали. Из яиц мужского П. вылупляются нормальные гусеницы. - 43 - Этот способ позволяет в неограниченных количествах получать у тутового шелкопряда только один более продуктивный мужской П. ПЕРЕОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛА. В результате воздействия гормонов или в результате патологии рецепторов клетки мишени может происходить переопределение пола (синдром Мориса, удаление половых желез у петухов). В природе много факторов, ослабляющих действие генов, которые контролируют развитие пола. Например, у человека в гонадах одной особи могут развиваться в равной степени семенниковая и яичниковая часть (развивается семенник и яичник) гермафродитизм явление интерсексуальности. На основании клинических данных различают 3 типа интерсексов: 1)истинный гермафродитизм: присутствие половых клеток обоих полов; 2)мужской псевдогермафродитизм: имеются только тестикулы (яички, семенники), фенотип женский; 3)женский псевдогермафродитизм: имеются только яичники, фенотип мужской. Эта классификация не совпадает с цитогенетическими основами, так 46 ХY у мужчины встречаются варианты. Соотношение полов. Первичное соотношение полов (в момент оплодотворения должно быть близким 1: 1, т.к. встреча половых хромосом равновероятна). При обследовании у человека обнаружено, что на 100 женских зигот образуется 140-160 мужских. Сперматозоиды, содержащие Y-хромосому, легче, подвижнее и имеют большой отрицательный заряд (яйцеклетка имеет положительный заряд). Поэтому, Y-содержашие сперматозоиды чаще оплодотворяют яйцеклетку. Вторичное - к моменту рождения на 100 девочек рождается 103-105 мальчиков. Жизнестойкость женских гамет, чужеродность белков мужских зародышей. К 20 годам на 100 девушек приходится 100 юношей. Третичное - к 50 годам на 100 женщин приходится 85 мужчин, а к 85 годам на 100 женщин - 50 мужчин. Женский организм более приспособленный, что может быть объяснено наряду с другими причинами мозаицизмом женского организма по половым хромосомам. Гипотеза М. Лойон о женском мозаицизме по половым хромосомам. В 1949 году М. Борр и Ч. Бертран установили, что в ядрах нервных клеток женщин обнаружена глыбка интенсивно окрашенного хроматина. В ядрах клеток мужчин её не обнаруживают. Эта глыбка называется половым хроматином (тельце Борра) и представляет одну инактивированную Ххромосому. - 44 - В начале развития у женского зародыша функционируют обе Х-хромосомы, т.е. в двое больше, чем у мужчины генов. Этим можно объяснить большую жизнеспособность женских зигот. В 1962 году М. Лайон высказал гипотезу о инактивации одной Х-хромосомы у женского организма млекопитающих. У женского зародыша функционируют обе хромосомы до 16 дня эмбрионального развития. На 16-й день происходит инактивация одной хромосомы с образованием полового хроматина. Процесс этот случайный, поэтому примерно в 1/2 клеток активной сохраняется материнская Х-хромосома Х 5М 0, а отцовская инактивируется. В других - отцовская активна (Х 5О 0), а материнская инактивируется. Переактивация не происходит. Материнская и отцовская Ххромосома содержат аллельные, но не абсолютно одинаковые гены, т.е. в одной хромосоме локализован доминантный аллель, другой - рецессивный. Обладание дополнительными генами расширяет приспособительные возможности организма. 17. Особенности Х- и У-хромосом. Компенсация доз генов - 45 -
