Пособие генетика. Минеева Лариса Юрьевна заведующий кафедрой общей биологии и ботаники гоу впо ивГУ, доцент, кандидат педагогических наук Данное учебное пособие
 Скачать 1.1 Mb.
|
|
Т Е М А № 4 Передача генетического материала Материальной основой биологической преемственности поколений у человека является процесс оплодотворения: слияние гамет — яйцеклетки и сперматозоида — с образованием зиготы. Каждая из гамет приносит равное количество хромосом. Если число хромосом в гамете обозначить буквой n (гаплоидный набор), то число хромосом в зиготе будет равно 2n (диплоидный набор). Образовавшаяся зигота многократно делится митозом и дает начало новому организму. В результате каждого митотического деления из одной клетки образуются две дочерние. Число хромосом в них идентично их числу в родительской клетке, равно как и качественный набор генетического материала. Образование гамет у человека, как и у других многоклеточных эукариотических организмов, связано с мейотическим делением. В результате этого деления количество хромосом в половых клетках уменьшается в 2 раза и становится гаплоидным (n). Равные по числу хромосом, образовавшиеся гаметы отличаются друг от друга по качеству генетического материала в результате двух видов генетической рекомбинации: независимого распределения гомологичных хромосом к полюсам деления и обмена участками между гомологичными хромосомами в процессе кроссинговера. Митоз. Клеточный цикл. Общепризнано, что митоз — это самый древний способ клеточного размножения, а все остальные формы деления возникли в процессе эволюции как его регуляционные или патологические изменения. В основе этого взгляда лежит представление о митозе как надежном способе распределения наследственного материала между дочерними клетками. Характерной чертой митоза является авторегуляция, проявляющаяся в цикличности протекания событий, связанных с подготовкой клеток к митозу и самим процессом деления. Эта цикличность послужила основанием для возникновения понятия о митотическом цикле. Известно, что делящаяся клетка, а вместе с ней и ядро, могут находиться в двух состояниях: в митозе (деление) и интерфазе (состояние между двумя митозами). Во время митоза наследственная информация, упакованная в хромосомах, поровну распределяется между дочерними клетками. В интерфазе, когда геном находится в «рабочем состоянии», наследственная информация реализуется. При этом хромосомы переходят в состояние хроматина. Суперспирализованная с помощью специальных белков ДНК, частично раскручивается, сохраняя структуру двойной спирали. На молекулах ДНК как на матрицах, по принципу комплементарности, синтезируются все три типа молекул РНК: информационная, транспортная и рибосомная. Новосинтезированные молекулы РНК в комплексе с белками дозревают и покидают ядро, попадая в цитоплазму, где с их участием происходит синтез белков. Интерфаза подразделяется на три периода: G1; S и G2. В период G1дочерние клетки вступают после митоза. Количество хромосом в них диплоидное, каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Соответственно у человека количество двуспиральных молекул ДНК равно 46, по одной нитевидной молекуле на хромосому, перешедшую в состояние хроматина. Объем же клеток, общее содержание органелл, белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В это время начинается рост клеток за счет накопления клеточных белков, мембранных структур и органелл. Продолжительность периода G1 непостоянна, и, в отличие от других фаз клеточного цикла, может изменяться от нулевых значений до многих часов, (в некоторых случаях даже месяцев) в зависимости от сроков эмбрио- и онтогенеза, от особенностей ткани и ряда других факторов. В S-периоде удваивается ДНК каждой хроматиновой нити, при этом общее количество ДНК возрастает в 2 раза. В клетках человека, как и в эукариотических клетках других организмов, репликация ДНК происходит одновременно на множестве отдельных участков вдоль каждой хромосомы с последующим соединением концов, образовавшихся соседних отрезков. За счет того, что репликация происходит в сотнях точек, сокращается время, необходимое для удвоения молекул ДНК, длина которых у человека измеряется в сантиметрах. Продолжительность S-периода у млекопитающих варьирует в пределах от 7 до 9 ч. Во время и после репликации сестринские хроматиды могут обмениваться сегментами: идет процесс сестринских хроматидных обменов. Так что обе хроматиды митотической хромосомы содержат участки другой хроматиды. В этом можно убедиться с помощью специального окрашивания хромосом. В результате репликации образуются две идентичные молекулы ДНК, упакованные с помощью белков в хроматине. Эти молекулы отделены друг от друга, но остаются соединенными в центромерном районе хромосом. Центромера располагается внутри гетерохроматического района. Предполагается, что гетерохроматин обеспечивает ее стабильность. В районе центромеры расположена сателлитная ДНК, представленная кластерами высокоповторяющихся последовательностей. Кроме того, внутри центромеры находятся уникальные последовательности ДНК, которые, как полагают, несут информацию о расхождении хромосом к противоположным полюсам клетки. Наличие множества точек начала репликации ДНК на каждой хромосоме не означает одновременного начала этого процесса в каждой точке. Для репликации в клетках человека характерна асинхронность его в разных участках хромосом. В то же время порядок репликации участков каждой хромосомы строго постоянен, поэтому воспроизведение его последовательности служит важнейшей характеристикой каждой хромосомы человека. Каждая хромосома состоит из участков, реплицированных в разное время. Районы с ранней и поздней репликацией четко чередуются. В метафазной хромосоме расположение светлых и темных участков можно видеть с помощью светового микроскопа. Строгая специфичность картины позволяет уверенно идентифицировать хромосомы в норме, а также при изменении кариотипа в целом, равно как и отдельной хромосомы. В G2-периоде число молекул ДНК — удвоенное. Количественное содержание ДНК соответствует тетраплоидному (4п) набору хромосом. Уровень синтеза РНК и белка достигает максимума. Клетки готовятся к вступлению в митоз, поэтому иначе эта часть клеточного цикла называется премитотическим периодом. Продолжительность G2-периода у млекопитающих около 4 ч. Процесс митоза в соматических клетках человека идет стандартно. К концу профазы хромосомы становятся отчетливо видимыми, причем каждая состоит из двух хроматид. Обе сестринские хроматиды прилежат одна к другой. Центромера во всех хромосомах представлена небольшой светлой кольцеобразной зоной. Она удерживает две сестринские хроматиды вместе. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка распадается на фрагменты. Хромосомы располагаются в цитоплазме центральной части клетки, оттесняя все органоиды к периферии. Во время метафазы центромеры всех хромосом располагаются в экваториальной плоскости между двумя полюсами клетки. В это время они утрачивают вид четко выраженной перетяжки. Хроматиды каждой хромосомы начинают отделяться одна от другой, оставаясь соединенными только в центромерной области. В районе же центромер с противоположных сторон прикрепляются нити веретена деления. Их количество может достигать нескольких десятков в районе каждой центромеры. Анафаза начинается с одновременного разделения всех центромер и расхождения сестринских хроматид каждой хромосомы к противоположным полюсам. Утрата синхронности этого процесса может привести к неправильному их расхождению. Центромеры с помощью специальных белков связываются с нитями веретена деления, которые и увлекают за собой дочерние хроматиды к противоположным полюсам. Анафаза заканчивается с прекращением движения хроматид, которые становятся хромосомами. У каждого полюса клетки должно оказаться по 46 состоящих из одной хроматиды таких хромосом. Телофаза связана с образованием ядерных оболочек вокруг хромосом на двух полюсах клетки и началом перехода хромосом в состояние хроматина. Завершается телофаза возникновением перетяжки в центральной части делящейся клетки, которая завершает деление клетки надвое. Значение митоза 1. 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 информацию митоз внести не может. Поэтому клеточные популяции (клоны), происходящие от родительских клеток, обладают генетической стабильностью. 2. Рост. В результате митозов число клеток в организме увеличивается (процесс, известный под названием гиперплазии), что представляет собой один из главных механизмов роста. 3. Регенерация. 4. Замещение клеток. Для эукариот известно, что прохождение митоза может быть заблокировано, физиологически или экспериментально, что приводит к развитию полиплоидных клеток. Системная полиплоидия не характерна для человека. Так, полиплоидные эмбрионы погибают на ранних стадиях развития, и это — одна из причин спонтанного прерывания беременности на ранних сроках. В то же время наличие полиплоидных клеток в некоторых органах человека не является патологией. Они встречаются в сердечной мышце, особенно в предсердиях, в печени и ряде желез. При этом клетки могут быть одноядерными и двуядерными, а уровень их полиплоидии невысок: обычно в пределах 4 — 8n. Мейоз Мейоз — это особый тип клеточного деления, возникший с появлением полового размножения, при котором два родителя — отец и мать — дают начало новому организму. В процессе оплодотворения сливаются гаплоидные ядра половых клеток родителей, что вдвое увеличивает количество хромосом в зиготе. Следовательно, при образовании половых клеток должно в два раза уменьшаться количество хромосом, но таким образом, чтобы совокупность генетического материала обеспечивала преемственность поколений. Закономерное чередование репликации ДНК (а соответственно и хромосом), митозов и мейозов обеспечивает сохранение видоспецифического кариотипа как в индивидуальном развитии — онтогенезе, так и в череде поколений организмов. При мейозе из одной диплоидной клетки образуется 4 гаплоидных. Кроме того, в ходе этого деления происходит два вида перегруппировки генетического материала хромосом, т.е. два вида генетической рекомбинации: 1) независимое распределение гомологичных хромосом к полюсам деления; 2) кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. Эти процессы обеспечивают широчайший спектр наследственной изменчивости и генетическую неповторимость индивидов даже среди потомков одной пары родителей. Изучение мейоза у человека связано с определенными методическими трудностями из-за недоступности экспериментального материала. Обычно мейоз изучают, культивируя invitroяичники эмбриона женского пола старше трех месяцев из материала аборта. Кроме того, используют материал биопсии семенников и яичников, полученный при хирургическом вмешательстве по медицинским показаниям, а также трупный материал. Мейоз состоит из двух делений, следующих друг за другом, между которыми, что важно, не происходит удвоение ДНК, а, следовательно, и хромосом. Перед мейозом обязательно проходит интерфаза, в S-периоде которой ДНК реплицируется. Следовательно, в профазе I мейотического деления нитевидные хромосомы состоят из двух хроматид. Каждое из двух делений мейоза состоит из про-, мета-, ана- и телофазы с индексами I или II. Первое мейотическое деление протекает значительно дольше, чем второе. Самой длительной фазой первого мейотического деления является профаза, так как именно в ней происходят такие сложные процессы как образование бивалентов из гомологичных хромосом и кроссинговер. У женщин профаза мейоза I активно протекает в течение нескольких месяцев в период внутриутробного развития, а полностью завершается к моменту овуляции в половозрелом возрасте. Длительность этого периода у женщин объясняется также одновременным протеканием процесса дифференцировки и созревания цитоплазмы будущей яйцеклетки. У мужчин длительность профазы мейоза I составляет 20 — 25 суток. Профаза мейоза I подразделяется на 5 подфаз: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена и диакинез. Лептотена — стадия тонких нитей. Ядра клеток, вступающих в мейоз, значительно крупнее других. В этих ядрах вместо хроматина выявляются столь тонкие и длинные нитевидные хромосомы, что их трудно проследить по всей длине. Для лептотены характерно также появление на тонких хромосомах особых структур, напоминающих бусины. Это хромомеры — участки более сильно конденсированного хроматина. Число, размер и расположение хромомер специфичны для каждой хромосомы. Появление хромомерных структур отражает постепенный процесс конденсации хромосом из хроматина. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид, но их далеко не всегда удается различить под световым микроскопом, настолько близко они прилегают друг к другу. Зиготена — стадия сливающихся нитей. На этой стадии гомологичные хромосомы находят друг друга и сливаются (конъюгируют) с образованием бивалента. 46 хромосом человека конъюгируют в 23 пары гомологичных хромосом, следовательно, количество бивалентов равно 23 и соответствует гаплоидному хромосомному набору. Бивалент — это стабильная структура из двух гомологичных хромосом и, соответственно, из 4 хроматид. Объединение гомологов чаще всего начинается на концах хромосом — в теломерах, а также в центромерных районах. Позднее внутри бивалента по длине соединяющихся хромосом формируются сближающие их белковые тяжи синаптонемного комплекса. В настоящее время выявлена специфичность хромомерного строения индивидуальных бивалентов человека в мужском и женском мейозе, т.е. по рисунку хромомер можно определить, какая пара хромосом образует тот или иной бивалент, даже если по размеру и общей морфологии биваленты одинаковы. Конъюгация гомологичных хромосом с образованием бивалентов обязательна для всех хромосом человека, включая короткие и половые хромосомы. Известно, что конъюгация происходит не только между половыми хромосомами X и X, но также между X и Y хромосомами, несмотря на значительное превосходство в размерах Х-хромосомы. В процессе сперматогенеза образование полового бивалента из X и Y хромосом начинается раньше других. При этом конъюгируют между собой часть короткого плеча Х- и короткое плечо Y-хромосом. Эксперименты по гибридизации ДНК показали, что эти районы гомологичны между собой. Негомологичные участки X и Y хромосом остаются свободными. Зиготена заканчивается образованием 23 бивалентов. Пахитена — стадия прохождения кроссинговера. В пахитене хромосомы выявляются в виде толстых нитей, поскольку они представлены бивалентами. Именно в бивалентах и происходит кроссинговер: взаимный обмен идентичными участками по длине гомологичных хромосом. Генетическим следствием кроссинговера является рекомбинация сцепленных генов, что обеспечивает широкую генетическую изменчивость гамет. Морфологически этот процесс в пахитене уловить нельзя. Процесс обмена участками между ДНК несестренских хроматид в бивалентах можно представить следующим образом. По длине хромосомы разбросаны зоны повторяющихся последовательностей ДНК. С помощью ферментов-рестриктаз целостность их может легко нарушаться, при этом однонитевые участки молекул ДНК соседних несестринских хроматид могут образовывать короткие двунитевые гибриды. Другие, репарирующие ферменты способны восстанавливать целостность поврежденных участков. Таким образом, кроссинговер — это процесс, происходящий со сложными пространственными изменениями суперспирализованных участков молекул ДНК несестренских хроматид с использованием целого комплекса ферментов, объединенных в специализированную структуру. Позже, в следующей стадии, когда гомологичные хромосомы в бивалентах начинают расходиться, выявляются места, где происходил процесс кроссинговера. В них гомологичные хромосомы во время разрушения бивалентов соединены дольше всего. Поскольку морфологически они напоминают греческую букву "X", их называют хиазмами. В зоне хиазм видно, что в перекрест вовлекаются только хроматиды из четырех: по одной от каждого гомолога. Диплотена — стадия двойных нитей. На этой стадии синаптонемный комплекс разрушается, и гомологи отталкиваются друг от друга, оставаясь соединенными только в районе хиазм, где по-прежнему сохраняется структура синаптонемного комплекса. Поскольку каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера, в котором участвуют две несестренские хроматиды, то по количеству хиазм можно судить об интенсивности процесса кроссинговера. По данным равных авторов, общее число хиазм на хромосомный набор человека колеблется от 35 до 66. Некоторые биваленты могут содержать несколько (до 5-6) хиазм. В среднем на бивалент их приходится около двух. Анализ генетического сцепления показал, что кроссинговер у женщин происходит чаще, чем у мужчин, следовательно, и хиазм у женщин должно быть больше. Диакинез — стадия, завершающая профазу мейоза I. Она является переходной к метафазе. Число хиазм в ней уменьшается, биваленты укорачиваются, разрушается ядро, начинает формироваться веретено деления. В метафазе I биваленты располагаются в экваториальной плоскости, в цитоплазме. Центромеры хромосом лежат на экваторе, к ним прикреплены нити веретена деления. Число выстроившихся бивалентов соответствует гаплоидному набору хромосом и у человека равно 23. В анафазе I происходит расхождение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Телофаза I. В этой фазе происходит образование двух дочерних ядер, каждое из которых содержит гаплоидное число хромосом, равное 23. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Второе мейотическое деление начинается почти сразу. Оно идет по схеме митоза: 23 хромосомы, состоящие из парных сестринских хроматид, связанных в центромерных участках, в каждом из двух образованных ядер проходят профазу и метафазу. В анафазе они разъединяются и расходятся к противоположным полюсам, в результате чего образуется четыре гаплоидных ядра, различающихся по качеству генетической информации. Рекомбинация генетического материала в мейозе осуществляется не только за счет кроссинговера. В анафазе первого мейотического деления происходит случайное по отношению к полюсам клетки распределение гомологичных хромосом из каждого бивалента, что приводит к возникновению большого числа комбинаций отцовских и материнских хромосом в гаметах. Рассмотрим этот процесс подробнее, проанализировав распределение первой и второй пары гомологичных хромосом в анафазе I. Известно, что в каждой паре гомологичных хромосом зиготы одна хромосома приходит из гаметы отца, другая — из гаметы матери. Обозначим заглавными буквами хромосомы отца, а прописными — хромосомы матери. А и а — первая пара хромосом, В и b — вторая пара. В профазе I образуются биваленты. В метафазе I они выстраиваются в экваториальной плоскости. В анафазе I гомологичные хромосомы расходятся к противоположным полюсам: к одному полюсу пойдут хромосомы А и В, то есть отцовские, а к другому а и b, то есть материнские. Но у этого события может быть и другой исход, когда расположение хромосом в метафазе на экваторе будет другим. Тогда к одному полюсу пойдут хромосомы А и b, а к другому — а и В, то есть сочетание хромосом на полюсах будет: одна отцовская, одна материнская. Наличие двух пар гомологичных хромосом обеспечивает, как мы видим, образование четырех типов гамет, качественно отличающихся друг от друга сочетанием отцовских и материнских хромосом. У человека 23 пары хромосом, и разнообразие гамет оценивается как 223, что примерно равно 10 миллионам вариантов сочетаний отцовских и материнских хромосом. При оплодотворении практически равновероятна встреча любого из сперматозоидов с яйцеклеткой. Это увеличивает число возможных генотипов детей до 223 х 223. Частота генетической рекомбинации в результате независимого распределения разных пар гомологов выше, чем частота рекомбинации в результате кроссинговера. Различия между митозом и мейозом
Сходства между митозом и мейозом Главные черты сходства между митозом и мейозом касаются механизмов, с помощью которых хромосомы и другие клеточные органеллы реплицируются и перемещаются в клетке перед ее делением и во время самого деления. Механизмы цитокинеза при митозе и мейозе тоже сходны. |