Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы генетики. Учебное пособие
.pdf
никают клетки, генотип которых не соответствует в точности
генотипу родительской клетки. Это приводит к формированию
мозаичных по генотипу особей. «Мозаики» являются организмами, происходящими из нормальных гамет, образующих
после оплодотворения зиготы с нормальным диплоидным (2n)
набором хромосом. Их отклонение от нормы начинается с нерасхождения какой-либо пары хроматид при митозе у одной
из клеток делящейся зиготы (рис. 2.3). Та из двух дочерних
клеток, которая не дополучила одной хромосомы, обычно
46
4646
45 47 4646
46 46 46 46 47 47
Рис. 2.3. Формирование мозаичного организма с генотипом 46/47
в эмбриогенезе как следствие аномального митоза
погибает. Клетки с дополнительной хромосомой (с набором
2n + 1) могут жить и продолжать размножаться. Если ошибка
митоза происходит рано в эмбриогенезе, то, поскольку аномальная клетка продолжает активно делиться, в зиготе может
сформироваться большая группа клеток (клон) с аномальным
числом хромосом. Органы и ткани развивающегося из такой
зиготы организма будут иметь часть клеток с нормальным
диплоидным набором хромосом, а часть с аномальным, содержащим дополнительную хромосому. Это явление называют
хромосомным мозаицизмом, а людей с мозаицизмом — «хромосомными мозаиками». Таким образом, термином «мозаики»
обозначаются случаи совместного существования в организме
двух достаточно крупных популяций клеток, имеющих разные
хромосомные наборы.
Внезапные и устойчивые изменения генотипа, возникаю-
щие под влиянием внешней и внутренней среды, называются
41
мутациями. Мутации, при которых изменяется общее число
хромосом, называются геномными мутациями. Если мутации
возникают в соматических клетках и наследуются дочерними
клетками, то их называют соматическими мутациями. Таким
образом, причиной мозаицизма организма являются соматические геномные мутации.
Между соматическими геномными мутациями и заболеваниями человека существует прямая связь. Так, мозаичными
оказываются некоторые больные с синдромом Дауна. Особенно
часто мозаицизм соматических клеток встречается при синдромах, вызванных аномалиями числа половых хромосом.
Фенотипические последствия соматических мутаций, как правило, обнаруживаются только у самой мозаичной особи, и не
передаются потомству, поскольку аномальные по генотипу
клетки не всегда попадают в гонады. Однако если все же это
случается, болезнь может передаваться по наследству.
Практическая работа
Задание 2.3. Нерасхождение хромосом при митозе.
1) Нарисуйте схему аномального митоза гипотетической
клетки, содержащей 4 хромосомы, приводящего к мозаицизму.
Покажите, что в профазе удвоенная ДНК каждой хромосомы
образует две хроматиды, скрепленные центромерой. В метафазе 4 хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости
клетки. До этой стадии митоз идет без отклонений от нормы.
В анафазе хроматиды трех хромосом разъединяются и отходят
к противоположным полюсам. В четвертой хромосоме имеет
место нерасхождение хроматид, в результате чего обе хроматиды перемещаются к одному и тому же полюсу. В телофазе
клетка разделяется, образуя две дочерние клетки.
2) Покажите эти клетки далее в профазе следующего деления, одна имеет три хромосомы — на одну меньше, чем в материнской клетке, другая — пять хромосом, на одну больше,
чем в материнской клетке.
4. МЕЙОЗ
КАК РЕДУКЦИОННОЕ ДЕЛЕНИЕ
Если бы сперматозоиды и яйцеклетки образовывались
в процессе митоза, то в зиготе становилось бы в два раза больше хромосом, чем в родительских клетках. Поскольку этого не
42
случается, ясно, что должен существовать еще один тип деления, при котором число хромосом уменьшается вдвое. Это деление называется редукционным или мейозом. Мейоз — это
особый тип клеточного деления, который происходит только
в первично-половых клетках: сперматоцитах и ооцитах и при
котором из этих диплоидных клеток образуются гаплоидные
(сперматозоиды и яйцеклетки). Механика деления — образование веретена деления и его разборка — при мейозе та
же самая, что и при митозе. Однако хромосомы ведут себя
в мейозе иначе, чем в митозе, и поэтому результат оказывается иным.
Начинается мейоз с той же позиции, что и митоз: после
стадии репликации ДНК и удвоения каждой хромосомы. Таким образом, в начале мейоза у клетки имеются пары гомологичных хромосом, как у любой диплоидной клетки, и к тому
же каждая хромосома удвоена за счет синтеза ДНК. Чтобы
образовать гаплоидные клетки, каждая из которых имеет
один набор хромосом, мейозу требуется два клеточных деления. Подробнее этот процесс можно представить в виде серии
следующих одно за другим событий, а именно: интерфазы I и
вслед за ней 1-го мейотического деления: ранней профазы I,
поздней профазы I, метафазы I, анафазы I, телофазы I; а затем — интерфазы II и 2-го мейотического деления: профазы II,
метафазы II, анафазы II, телофазы II (рис. 2.4).
Первое мейотическое деление характеризуется более длин-
ной профазой, чем митоз. Как только она начинается, гомологичные хромосомы определенным образом притягиваются
друг к другу и образуют сцепленные пары. В анафазе I начинается движение центромер гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. В результате этого происходит
разделение гомологичных хромосом. Каждая хромосома состоит теперь из двух сестринских хроматид, удерживаемых
центромерой, которая не делится и остается неизмененной.
В телофазе I хромосомы достигают полюсов, чем заканчивается 1-е мейотическое деление и происходит цитокинез. После
телофазы I наступает короткая интерфаза II (интеркинез),
в которой хромосомы деспирализуются и становятся диффузными, но иногда телофаза I переходит прямо в профазу II 2-го
мейотического деления.
Перешедшие ко 2-му мейотическому делению дочерние
клетки в гонадах мужчин называются сперматоцитами
II порядка, а в гонадах женщин — ооцитами II порядка. После 1-го деления мейоза каждая дочерняя клетка наследует
43
по две копии каждой из гомологичных хромосом и поэтому
все еще содержит диплоидное количество ДНК. Образование
гаплоидных ядер гамет происходит в результате 2-го деления
мейоза каждой дочерней клетки. 23 хромосомы, состоящие
Рис. 2.4. Последовательные стадии двух делений мейоза (слева).
Для простоты показана только пара гомологичных хромосом.
Для сравнения показан митоз аналогичной клетки (справа)
44
из парных сестринских хроматид, связанных центромерами,
выстраиваются в центре нового веретена, и проходят профазу
II и метафазу II. В анафазе II сестринские хроматиды отделяются друг от друга, как при обычном митозе, в результате
чего из каждого дочернего сперматоцита или ооцита II порядка образуются две гаплоидных клетки. К примеру, каждый
сперматоцит II порядка дает два сперматида, из которых
затем дифференцируются сперматозоиды. Число хромосом
в сперматиде — 23. Однако хромосомы сперматидов одиночные, а хромосомы сперматоцитов II двойные, поскольку
построены из двух хроматид. Следовательно, в ядре каждого
сперматида содержится одиночный набор ДНК негомологичных хромосом.
Резюмируя, можно сказать следующее. Мейоз состоит из
двух делений. При 1-м мейотическом делении разделяются по
разным клеткам гомологичные хромосомы, и каждый сперматоцит или ооцит I порядка образует два сперматоцита или
ооцита II порядка. При этом каждая негомологичная хромосома все еще состоит из двух сестринских хроматид, образованных в результате репликации ДНК, предшествующей 1-му
мейотическому делению. После 2-го мейотического деления,
идущего по типу митоза, сестринские хроматиды расходятся
по дочерним клеткам, и из каждого сперматоцита или ооцита
II порядка получается по два сперматозоида или две яйцеклетки, а всего из каждого сперматоцита и ооцита I порядка — по
четыре половых клетки с гаплоидным набором хромосом.
Практическая работа
Задание 2.4. Фазы мейоза.
1) Изучите рис. 2.4.
2) Зарисуйте основные хромосомные комплексы, образую-
щиеся в 1-м и 2-м делениях мейоза.
Задание 2.5. Различие и сходство между митозом и мейозом.
1) Проверьте, насколько хорошо вы понимаете различия
между митозом и мейозом.
2) Рассмотрите рис. 2.4, на котором приведены схемы обоих
делений.
3) В табл. 2.2 отметьте значками «+» или «–» наличие или
отсутствие при митозе и мейозе указанных характерных признаков.
45
Различия между типами деления клеток
Характерный признак Митоз Мейоз
Начинается в соматических клетках
Завершается образованием соматических клеток
Завершается образованием половых клеток
Число хромосом у дочерних клеток равно числу
хромосом у родительских клеток
Число хромосом у дочерних клеток уменьшено
вдвое
Состоит из двух последовательных делений
Состоит из одного деления
Делению предшествует удвоение числа хромосом
Осуществляется с помощью веретена деления
Имеет фазу конъюгации хромосом
Количество дочерних клеток — две
Количество дочерних клеток — четыре
Длинная профаза
Непрерывный и быстро завершающийся процесс
Возможны остановки на многие годы на промежу-
точных этапах
Таблица 2.2
Задание 2.6. Разнообразие комбинаций признаков при половом способе размножения.
Гомологичные хромосомы каждого из родителей, являются
хромосомами их матери и отца (бабушек и дедушек их будущих детей).
1) Нарисуйте несколько возможных сочетаний прародительских хромосом, которые могут образоваться после мейоза
в гаметах родителей и затем передаться их детям (на примере
организма с двумя парами хромосом).
2) Объясните, почему одни внуки более похожи на своих
бабушек, а другие — на дедушек.
5. ХРОМОСОМНЫЕ АНОМАЛИИ,
СВЯЗАННЫЕ С ОШИБКАМИ МЕЙОЗА
Большинство организмов с хромосомными аномалиями появляются по причине нарушений гаметогенеза (т. е. мейоза)
у одного из родителей. Хромосомные изменения, возникающие
46
в половых клетках, называют генеративными мутациями. Все
клетки организма, в зачатии которого принимала участие
модифицированная гамета, будут содержать аномальные хромосомы. Когда в клетках изменяется число хромосом, говорят
о геномных мутациях.
Биологам уже давно известен механизм, посредством
которого в гаметах может появиться лишняя хромосома.
К. Бриджес, работая в начале прошлого века с плодовыми
мушками, обнаружил в обычном процессе мейоза нарушение,
названное им нерасхождением хромосом. Женская особь
плодовой мушки помимо трех пар аутосом, как и человека,
имеет пару Х-хромосом (мужская имеет одну Х-хромосому
и одну Y-хромосому). При обычном мейозе у женской особи
образуются яйцеклетки с одной Х-хромосомой, а у мужской
особи — сперматозоиды с Х-хромосомой или с Y-хромосомой.
Бриджес обнаружил, что две Х-хромосомы женской зародышевой клетки иногда не расходятся в 1-м делении мейоза.
Поэтому одна из яйцеклеток, образующихся при втором делении, получает обе Х-хромосомы. В результате последующего
оплодотворения этой яйцеклетки обычным сперматозоидом
с одной Y-хромосомой появляется необычная мушка, клетки
которой имеют набор хромосом XXY (у мух по внешним признакам, как и у человека, это мужская особь).
У людей имеется несколько синдромов, связанных с не-
расхождением половых хромосом. У женщин — это трисомия Х (трипло-Х) с генотипом XXX, у мужчин — синдром
лишней Х-хромосомы (синдром Клайнфельтера) c генотипом
XXY и синдром лишней Y-хромосомы (синдром XYY). При
этих синдромах общее число хромосом увеличивается до 47.
Встречаются и моносомии, например, Х
0
при синдроме Шерешевского-Тернера. У больных с этим синдромом в генотипе
уменьшено общее число хромосом до 45 по причине отсутствия
одной из Х-хромосом.
При нерасхождении аутосом в гаметогенезе родителей у детей
также возникают трисомии. При этом каждый случай характеризуется своим синдромом: трисомия 13 — синдром Патау, трисомия 18 — синдром Эдвардса и трисомия 21 — синдром Дауна.
С усовершенствованием техники цитологических исследований
удалось выявить и небольшое число детей, родившихся с трисомиями по хромосомам группы C (с 6-й по 12-ю). На рис. 2.5
приведена схема образования
Нерасхождение хромосом в гаметогенезе также может приводить к моносомии (наличию только одной из пары гомологичных
47
Рис. 2.5. Формирование организма с трисомией
Нерасхождение хромосом в мейозе. в данном случае в женском организме,
приводит к образованию половых клеток либо с 22-я хромосомами вместо
23-х, либо с 24-я. После оплодотворения яйцеклток с 24-я хромосомами
зиготы дают развитие организма, все клетки которого имеют 47 хромосом.
В таком генотипе одна их хромосом представлена не парой, а тремя гомо-
как следствие аномального мейоза.
логичными хромосомами
хромосом). Но моносомии, за исключением женщин Х0, практи-
чески не встречаются, так как это настолько тяжелое нарушение,
что эмбрион погибает на самой ранней стадии развития.
Практическая работа
Задание 2.7. Нерасхождение половых хромосом при мейозе
у дрозофилы.
1) Прочтите про опыты К. Бриджеса, который работал
в начале прошлого века с плодовыми мушками дрозофилами
и обнаружил у некоторых из них нерасхождение Х-хромосом
в 1-м делении мейоза.
Проверьте, насколько хорошо вы представляете себе последствия такого нерасхождения для генотипа яйцеклеток
и будущего организма.
Еще раз изучите рис. 2.4 и представьте, что после конъюгации гомологичные Х-хромосомы не расходятся.
Предположите, что последующие стадии мейоза пройдут по
тому же принципу, что и в норме.
48
2) Заполните табл. 2.3, указав число Х-хромосом на каж-
дой стадии мейоза в дочерних клетках в норме и при нерасхождении Х-хромосом в 1-м делении мейоза. Изменится ли
количество Х-хромосом в яйцеклетках, если нерасхождение
Х-хромосом случится во 2-м делении мейоза?
Таблица 2.3
Нерасхождение половых хромосом при мейозе у дрозофилы
Стадия мейоза Число Х-хро-
мосом в норме
Число Х-хромо-
сом при нерас-
хождении
в 1-м делении
Число Х-хромо-
сом при нерас-
хождении
во 2-м делении
Интерфаза I ? ? ?
Конец 1-го деле-
?? ?
ния мейоза
Интерфаза II ? ? ?
Конец 2-го деле-
?? ?
ния мейоза
Задание 2.8. Нерасхождение аутосом при мейозе у чело-
века.
1) Сделайте то же, что и в задании 2.9, но для 21-й хро-
мосомы женщины. Сколько 21-х хромосом будет у ребенка,
если у матери случится нерасхождение 21-й хромосомы в 1-м
делении мейоза? Во 2-м делении мейоза? Считайте, что у отца
мейоз проходил нормально. Сколько 21-х хромосом внесет
в зиготу сперматозоид? Сколько 21-х хромосом будет всего
в зиготах? Заполните табл. 2.4.
Таблица 2.4
Нерасхождение 21-й хромосомы при мейозе у женщины
Стадия мейоза Число 21-х
хромосом
в норме
Интерфаза I ? ? ?
Конец 1-го деления
?? ?
мейоза
Интерфаза II ? ? ?
Конец 2-го деления
?? ?
мейоза
Число 21-х
хромосом при
нерасхождении
в 1-м делении
Число 21-х
хромосом при
нерасхождении
во 2-м делении
49
6. ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ
Преждевременное прекращение беременности встречается
у более, чем 10% женщин. При исследованиях таких случаев
у половины абортированных плодов наблюдались хромосомные
нарушения, при которых число хромосом оставалось нормальным, но имелись изменения структуры хромосом. Такие нарушения называют хромосомными мутациями или хромосомны-
ми аберрациями. Они возникают как в интерфазе клеточного
цикла, так и во время митоза и мейоза. К наиболее частым
хромосомным мутациям относятся делеции (отрывы участков
хромосом), транслокации (обмены участкам) и инверсии (повороты участков), а также образование кольцевых фрагментов.
Причиной таких мутаций являются разрывы внутри хромосом
с последующими обменами свободными участками.
Делеции (del) больших участков хромосом почти всегда не
совместимы с жизнью. Если плод и выживает, он характеризуется серьезными нарушениями развития. Самый известный
случай — утрата части короткого плеча 5-й хромосомы. Младенцы с этим нарушением имеют признаки синдрома «коша-
Нормальные
хромосомы центромера
Рис. 2.6. Пример транслокации.
Схематически изображены две пары нормальных хромосом (слева)
и те же хромосомы после транслокации (справа). Участки хромосом
изображены как последовательности букв. На 1-ю хромосому перенесен
участок короткого плеча 2-й хромосомы, а на 2-ю хромосому — участок
короткого плеча 1-й хромосомы
50
Хромосомы
с транслокациями
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]