Тема № 2. Хромосомный и геномный уровни организации наследственного материала.
Морфофизиологическая характеристика метафазной хромосомы. Типы и правила хромосом.
Хромосомный уровень организации наследственного материала характеризуется особенностями морфологии и функций хромосом. Роль хромосом в передаче наследственной информации была доказана благодаря:
1) открытию хромосомного определения пола;
2) установлению групп сцепления генов;
3) построению генетических и цитологических карт хромосом.
Метафазная хромосома (спирализованный хроматин) состоит из двух хроматид. Форма определяется наличием первичной перетяжки – центромеры. Она разделяет хромосому на 2 плеча. Расположение центромеры определяет основные формы хромосом: метацентрические (равноплечие), субметацентрические (неравноплечие), акроцентрические (резко неравноплечие) и телоцентрические (одноплечие).
Степень спирализации хромосом неодинаковая. Участки хромосом со слабой спирализацией называют эухроматиновыми. Это зона высокой метаболической активности, где ДНК состоит из уникальных последовательностей. Зона с сильной спирализацией – гетерохроматиновый участок, обеспечивающий транскрипцию. Различают конститутивный гетерохроматин – генетически инертный, несодержий генов и непереходящий в эухроматин, а так же факультативный, который может переходить в активный эухроматин. Концевые отделы дистальных участков хромосом называют теломерами. Теломеры обеспечивают стабильность структуры хромосом и ограничивают число клеточных делений.
Хромосомы обладают следующими свойствами (правилами хромосом):
1. Индивидуальности – негомологичные хромосомы различаются между собой.
2. Парности – гомологичные хромосомы образуют пары.
3. Постоянством числа – все соматические клетки организма имеют постоянное число хромосом, характерное для вида.
4. Непрерывности – репродукция хромосом и передача наследственной информации при делении клетки.
Кариотип и идиограмма. Характеристика кариотипа человека.
Хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы или гетерохромосомы.
По предложению Г.А. Левитского (1924) совокупность признаков диплоидного набора хромосом соматических клеток была названа кариотипом. Он характеризуется числом, формой и размерами хромосом. В кариотипе соматической клетки человека различают 22 пары аутосом и пару половых хромосом. Набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным, а в половых клетках – гаплоидным. Для описания хромосом кариотипа по предложению С.Г. Навашина их располагают в виде идиограммы – систематизированного расположения хромосом попарно в проядке убывания их величины.
В 1960 году была предложена Денверская международная классификация хромосом, где хромосомы классифицированы по величине и форме. По Денверской классификации хромосомы человека делят на 7 групп, которые обозначают буквами латинского алфавита:
A: 1-3 – крупные метацентрические.
B: 4-5 – крупные субметацентрические.
C: 6-12 и Х-хромосома – средние метацентрические и субметацентрические.
D: 13-15 – средние акроцентрические.
E: 16-18 – малые субметацентрические.
F: 19-20 – малые метацентрические.
G: 21-22 и Y-хромосома – малые акроцентрические.
Согласно Парижской классификации (1971 г.) хромосомы различают по их дифференциальной окраске. Расположение окрашенных участков по длине хромосомы зависит от локализации определенных фракций ДНК. Характер окрашивания специфичен для негомологичных хромосом.
Молекулярная организация хромосом эукариот.
Хромосомы эукариот – это спирализованный хроматин – комплекс ДНК и белков, где 40% приходится на ДНК, 40% – на гистоновые (основные) белки и почти 20% – на негистоновые белки и немного РНК.
Гистоны – хромосомные белки с высоким содержанием аргинина и лизина. Их пять классов: H1, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны стабилизируют структуру хромосомы и играют роль в регуляции активности генов.
Негистоновые (кислые) белки. В хромосомах их количество приблизительно вдвое меньше гистоновых. Существует более 100 видов негистоновых белков. Они разнообразны по молекулярному весу, структуре, видоспецифичны. Эти белки могут быть ответственны за репликацию, репарацию, транскрипцию, возможно, играют роль и в активации генов. К ним относят актин, миозин, тубулин, ферменты синтеза РНК и ДНК‑полимеразы и другие.
Из пяти классов гистонов, четыре (Н2А, Н2В, Н3, Н4) образуют своеобразные шаровидные тельца – коры диаметром около 10 нм. В одну кору входит 8 молекул гистонов. Отрезок двуспиральной нити ДНК (около 140 нуклеотидных пар) образует вокруг нее почти два оборота. Кора, вместе с молекулой ДНК, образует уникальную повторяющуюся единицу организации наследственного материала эукариот – нуклеосому. Соседние нуклеосомы соединены друг с другом короткими линкерными отрезками ДНК (1‑10 нм или 30-100 пар нуклеотидов), что формирует хроматиновую или нуклеосомную нить. К каждому такому отрезку присоединены молекулы гистона Н1. Допускается, что вследствие взаимодействия Н1 с нуклеосомами происходит конденсация хроматиновой нити (d=10 нм), что формирует хроматиновую спираль (d=25нм).
Уровни упаковки генетического материала.
Таким образом, уровни упаковки ДНК следующие:
1) Нуклеосомная нить;
2) Супернуклеосомный – хроматиновая спираль;
3) Хромонемный – уложенная петлями и спирализованная хроматиновая спираль.
4) Хромосомный – четвертая степень спирализации ДНК. На этом уровне уложенная петлями хроматиновая спираль спирализуется еще раз и формирует хроматиду, которая является структурным элементом хромосомы.
В интерфазном ядре хромосомы деконденсированы и представлены хроматином. Деспирализованный участок называется эухроматином (разрыхленный, волокнистый хроматин). Это необходимое условие для транскрипции. Во время покоя между делениями определенные участки хромосом и целые хромосомы остаются компактными.
Геномный уровень организации наследственного материала.
Геном – совокупность всех генов гаплоидного набора хромосом данного вида организма. Геномный уровень организации наследственного материала имеет особенности у прокариот и эукариот.
В геноме бактерий подавляющее большинство генов уникальны. Исключением являются гены, кодирующие р-РНК и и-РНК. Эти гены повторяются в геноме бактерий несколько раз. Следует отметить определенное несоответствие между числом пар нуклеотидов в геноме бактерий и числом генов в них. Так, ДНК кишечной палочки содержит 4,6 млн. пар нуклеотидов. Структурных генов у них около 1000, на которые приходится 1‑1,5 млн. пар нуклеотидов. Остается предположить, что значительную часть в ДНК бактерий составляют участки, функции которых пока не ясны.
Геном эукариот характеризуется:
большим числом генов,
большим количеством ДНК,
в хромосомах имеется очень сложная система контроля активности генов во времени и пространстве, связанная с дифференциацией клеток и тканей в онтогенезе организма.
Для эукариот также характерна избыточность генов. Так, у человека геном содержит число нуклеотидных пар, достаточное для образования более 2 млн. структурных генов, в то время как у человека имеется по данным 2000 года около 31 тыс. генов.
Больше половины генома эукариот составляют уникальные гены, представленные лишь по одному разу. У человека таких уникальных генов – 64% от количества всех структурных генов, у теленка – 55%, у дрозофилы – 70%.
Морган указал на стабильность структуры генома и постоянство расположения генов в хромосомах.
В 70-х годах у дрозофилы обнаружена группа генов, представленных многими кочующими генами, которые разбросаны по разным участкам хромосом. Во многих геномах они находятся в изобилии: например, кочующие гены составляют до 50% человеческой ДНК.
Сформировалось представление, что в состав генома про- и эукариот входят гены:
имеющие либо стабильную, либо нестабильную локализацию;
уникальная последовательность нуклеотидов представлена в геноме единичными или малым числом копий: к ним относятся структурные и регуляторные гены; уникальные последовательности эукариот, в отличии от генов прокариот, имеют мозаичное строение;
многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов являются копиями (повторениями) уникальных последовательностей (у прокариот нет). Копии группируются по несколько десятков или сотен и образуют блоки, локализующиеся в определенном месте хромосомы. Повторы реплицируются, но, как правило, не транскрибируются. Они могут играть роль:
регуляторов генной активности;
защитного механизма от точковых мутаций;
в хранении наследственной информации;
в эволюции организмов.
Генетическая система клетки: ядерные гены и плазмогены.
Хромосомная теория наследственности указывает на ведущую роль ядра в передаче наследственных признаков. По мере развития генетики накапливались данные о возможности прямого участия в явлениях наследственности цитоплазмы. Такая форма наследственности определяется органоидами клетки, способными к самовоспроизведению, благодаря наличию в них ДНК: митохондриями и пластидами.
Наследственность, при которой материальной основой наследования являются элементы цитоплазмы, называется цитоплазматической. Такая форма наследственности не подчиняется законам Менделя.
Цитоплазматическое наследование, в отличие от хромосомного, осуществляется по материнской линии, т.к. цитоплазмой богата яйцеклетка, а не сперматозоид.
Наследственные факторы цитоплазмы и органелл называются плазмотип или плазмон. Единица цитоплазматической наследственности – плазмоген. У прокариот носителями цитоплазматической наследственности является ДНК плазмид.
Плазмотип эукариот состоит из наследственного аппарата пластид и митохондрий. Цитоплазматические наследственные структуры распределяются неравномерно в дочерние клетки, в отличие от ядерных ДНК.
Среди типов цитоплазматической наследственности выделяют:
I. Собственно цитоплазматическое наследование.
Пластидное
Митохондриальное
Цитоплазматическая мужская стерильность
II. Предетерминация цитоплазмы.
III. Наследование через инфекции.
Пластидная наследственность. Наследование пестролистности у растений является примером такого типа. Пестролистность у цветка ночной красавицы наблюдается только у женского растения. Признак пестролистности связан с мутациями ДНК в хлоропластах, что приводит к их обесцвечиванию.
Митохондриальная наследственность. Митохондриальные гены кодируют 2 группы признаков, связанных:
с работой дыхательной системы;
с устойчивостью к антибиотикам.
В митохондриях дрожжевых клеток обнаружены гены дыхательных ферментов. Эти гены находятся в плазмидах. У бактерий выделяют 3 типа плазмид:
содержащие половой фактор F;
фактор R;
фактор col – колициногенный.
Бактерии с фактором F являются мужскими. При конъюгации фактор F переходит в женскую особь и она становится мужской.
Фактор R обеспечивает устойчивость к антибиотикам и также передается при конъюгации.
Фактор col содержится в плазмидах, ДНК которых кодирует белки-колицины, убивающие бактерии, не содержащие таких плазмид.
Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) – разновидность внеядерной наследственности. Характеризуется присутствием в ДНК митохондрий и пластид цитоплазматического гена (плазмогена), угнетающего формирование хромосом при образовании пыльцы. В результате появляется нежизнеспособная (стерильная) пыльца, не образующая спермиев. ЦМС играет большую роль в селекции и семеноводстве для исключения самоопыления и последующего получения гетерозисных гибридов (кукуруза, лук, пшеница, свекла и др.)
Предетерминация цитоплазмы.
В цитоплазме яйцеклетки присутствует негенетические факторы (ферменты, белки-репрессоры), влияющие на экспрессию ядерных генов. Возникает "материнский эффект" – влияние генотипа матери на развитие потомства, передаваемое через цитоплазму яйцеклетки. Так наследуется направление закручивания спирали раковины прудовика, детерминируемое генотипом матери, а не зародыша.
Материальным субстратом цитоплазматической наследственности выступают гены ядерной ДНК, пластид, митохондрий и какие-то пока не установленные факторы.
Система генетического аппарата клетки включает генотип ядра и плазмотип (плазмон) цитоплазмы (Рис. 2). Генетический аппарат клетки дискретен. В генотипе ядра он представлен хромосомами и генами, входящими в состав хромосом, в плазмотипе цитоплазмы – плазмогенами, которые являются фрагментами пластидной и митохондриальной ДНК.
Рис. 2 — Система генетического аппарата клетки