Ярыгин_Биология_кн_1_2004

Рис. 3.51. Гетерохроматин в интерфазном ядре Компактные участки гетерохроматина сгруппированы около ядрышка и ядерной мембраны

Метафазная хромосома. Вступление клетки из интерфазы в митоз сопровождается суперкомпактизацией хроматина. Отдельные хромо­ сомы становятся хорошо различимы. Этот процесс начинается в профазе, достигая своего максимального выражения в метафазе митоза и анафазе (см. разд. 2.4.2). В телофазе митоза происходит декомпактизация вещества хромосом, которое приобретает структуру интерфаз­ ного хроматина. Описанная митотическая суперкомпактизация облегчает распределение хромосом к полюсам митотического веретена

ванафазе митоза. Степень компактизации хроматина в разные периоды митотического цикла клетки можно оценить по данным, приведенным

втабл. 3.2.

3.5.2.3. Морфология хромосом

Митотическая суперкомпактизация хроматина делает возможным изучение внешнего вида хромосом с помощью световой микроскопии. В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или тнетохора) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза проис­ ходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.

В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом: равноплечие, или метацентрические (с центромерой посе­ редине), неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов), палочковидные, или акроцентриче-

Рис. 3.52. Формы хромосом: /—телоцентрическая, //—акро- центрическая, ///—субметацент- рическая, IV—метацентрическая; 1 —центромера, 2 —спутник, 3 — короткое плечо, 4— длинное пле-

5 чо,5—хроматиды

Рис. 3.53. Расположение локусов в хромосомах человека при их дифференциальном окрашивании:

ские (с центромерой, расположенной практически на конце хромосо­ мы), и точковые —очень небольшие, форму которых трудно опреде­ лить (рис. 3.52). При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам. При использо­ вании методик дифференциальной окраски выявляется неодинаковая флуоресценция или распределение красителя по длине хромосомы, строго специфические для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога (рис. 3.53).

Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.

3.5.2.4. Особенности пространственной организации генетического материала в прокариотической клетке

Описанная организация наследственного материала эукариот, свя­ занная с расположением его функциональных единиц в ядерных структурах — хромосомах, у прокариот отсутствует. Основная часть генетического материала заключена у них в единственной кольцевой молекуле ДНК длиной около 1 мм (Е. coli), причем у прокариот не обнаружено гистонов, обеспечивающих нуклеосомную организацию хроматина эукариот. Однако кольцевой молекуле ДНК прокариот

также присуща укладка в виде петель. ДНК прокариот тоже комплексируется с некоторыми негистоновыми белками, образуя нуклеоид, который гораздо менее устойчив по сравнению с хроматином эукариот (рис. 3.54).

3.5.3. Проявление основных свойств материала наследственности и изменчивости

на хромосомном уровне его организации

На хромосомном уровне организации, который появляется в про­ цессе эволюции у эукариотических клеток, генетический аппарат должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к субстрату наследственности и изменчивости: обладать способностью к самовос­ произведению, поддержанию постоянства своей организации и при­ обретению изменений, которые могут передаваться новому поколению клеток.

3.5.3.1. Самовоспроизведение хромосом в митотическом цикле клеток

Процесс самовоспроизведения —редупликации хромосом осуще­ ствляется в период подготовки клетки к митозу —в интерфазе. Вслед­ ствие этого в ходе последующего деления клетка передает дочернему

/—интерфазная хромосома до репликации ДНК, ПаКТИЗаЦИИ ХрОМаТИНа, СВОЙ- II — интерфазная хромосома после репликации ДНК, СТВЄННЬІЄ ИНТЄрфаЗНОЙ КЛЄТКЄ.

///— метафазная хромосома

Нормальные митотические хромосомы при том

же масштабе увеличения

Левое плечо хромосомы 3

Рис. 3.56. Полный набор политенных хромосом из клетки слюнной железы дрозофилы

Таким образом, готовясь к самовоспроизведению, клетка удваивает содержание ДНК в каждой хромосоме. При этом последняя приобре­ тает двунитчатую структуру.

Известны случаи, когда репликация ДНК, причем неоднократная, не сопровождается формированием хроматид на базе дочерних спира­ лей. При этом образуются так называемые полишенные хромосомы, содержащие многие сотни копий ДНК. Такие хромосомы обнаружи­ ваются, например, в неделящихся клетках слюнных желез личинок неко­ торых насекомых при обычной световой микроскопии (рис. 3.56).

3.5.3.2. Распределение материала материнских хромосом между дочерними клетками в митозе

В ходе митотического деления обеспечивается закономерное рас­ пределение сестринских хроматид каждой хромосомы между дочерни­ ми клетками. В составе дочерних хромосом (бывших сестринских хроматид) каждая клетка нового поколения получает одну из двух молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации материнской двойной спирали. Следовательно, новое поколение клеток получает одинаковую генетическую информацию в составе каждой группы сцепления.

Таким образом, процессы, происходящие с хромосомами при подготовке клеток к делению и в самом делении, обеспечивают самовоспроизведение и постоянство их структуры в ряду клеточных поколений (см. разд. 3.6.2.1).

После митоза хромосомы дочерней клетки представлены одной молекулой ДНК, компактно упакованной с помощью белков в одну хроматиновую нить, т.е. имеют такую же структуру, какую имели хромосомы материнской клетки до начала процесса репликации ДНК. Если вновь образованная клетка выбирает путь подготовки к делению, то в ней должны произойти все описанные выше события, связанные с динамикой структурной организации ее хромосом.

3.5.3.3. Изменения структурной организации хромосом. Хромосомные мутации

Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянной физико-химическую и морфологическую орга­ низацию хромосом в ряду клеточных поколений, под влиянием раз­ личных воздействий эта организация может изменяться. В основе изменения структуры хромосомы, как правило, лежит первоначальное нарушение ее целостности — разрывы, которые сопровождаются раз­ личными перестройками, называемыми хромосомными мутациями или

аберрациями.

Разрывы хромосом происходят закономерно в ходе кроссинговера, когда они сопровождаются обменом соответствующими участками между гомологами (см. разд. 3.6.2.3). Нарушение кроссинговера, при котором хромосомы обмениваются неравноценным генетическим ма­ териалом, приводит к появлению новых групп сцепления, где отдель­ ные участки выпадают — делеции—или удваиваются—дупликации (рис. 3.57). При таких перестройках изменяется число генов в группе сцепления.

Разрывы хромосом могут возникать также под влиянием различных мутагенных факторов, главным образом физических (ионизирующего и других видов излучения), некоторых химических соединений, вирусов.

128

СЖШХГО - С Ж Ж Х Ш

• . • г

Рис. 3.57. Виды хромосомных перестроек

Нарушение целостности хромосомы может сопровождаться пово­ ротом ее участка, находящегося между двумя разрывами, на 180° — инверсия. В зависимости от того, включает ли данный участок область центромеры или нет, различают перицентпрические и парацентрические инверсии (рис. 3.57).

Фрагмент хромосомы, отделившийся от нее при разрыве, может быть утрачен клеткой при очередном митозе, если он не имеет центромеры. Чаще такой фрагмент прикрепляется к одной из хро­ мосом — транслокация. Нередко две поврежденные негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками —ре­ ципрокная транслокация (рис. 3.57). Возможно присоединение фраг­ мента к своей же хромосоме, но в новом месте — транспозиция (рис. 3.57). Таким образом, различные виды инверсий и транслокаций характеризуются изменением локализации генов.

Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом, что можно наблюдать в световой микроскоп. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и акроцентрические и наоборот (рис. 3.58), появляются кольцевые и полицентрические хромосомы (рис. 3.59). Особую категорию хромо-

'•ХГХП

A B C D E F G L M N O P

г т - т - г т і і і і —і—і—«—і—>

Рис. 3.59. Образование кольцевых (I) и полицентрических (II) хромосом

А В С D Е F G

Н И И IXD

МN О Р Q R

Рис. 3.60. Хромосомные перестройки, связанные с центрическим слиянием или разде­ лением хромосом Являются причиной изменения числа хромосом в кариотипе

Изменения структуры хромосом в предшественниках гамет сопро­ вождаются нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делеции или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал (рис. 3.61). Реципрокная транслокация между двумя негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста благодаря при­ тягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах (рис. 3.62). Участие в реципрокных транслокациях боль­ шего числа хромосом с образованием поливалента сопровождается формированием еще более сложных структур при конъюгации (рис. 3.63).

В случае инверсии бивалент, возникающий в профазе I мейоза, образует петлю, включающую взаимно инвертированный участок (рис.

Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных измененными хромосомами, приводит к появлению новых хромосом­ ных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наслед­ ственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этой является нарушение соотно­ шения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения.

Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делеции могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делеции, являются

Рис. 3.64. Конъюгация хромосом при инверсиях:

/ — парацентрическая инверсия в одном из гомологов, II—перицентрическая инверсия в одном из гомологов

дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма.

Нередко жизнеспособными оказываются робертсоновские транс­ локации, часто не связанные с изменением объема наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Например, у разных видов дрозофилы количество хромосом в гаплоидном наборе колеб­ лется от 3 до 6, что объясняется процессами слияния и разделения хромосом. Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные изменения хромосом у его обезьяноподоб­ ного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных чело­ векообразных обезьян (12-й и 13-й—шимпанзе, 13-й и-14-й—го­ риллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом.

Ксущественному варьированию морфологии хромосом, лежащему

воснове их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и ин­ версии. Анализ хромосом человека показал, что его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями.

Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определенной вероятностью могут быть перс­ пективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации на­ следственного материала.

3.5.4. Значение хромосомной организации в функционировании и наследовании генетического аппарата

Хромосомный уровень организации наследственного материала обеспечивает в эукариотической клетке не только определенный ха­ рактер функционирования отдельных генов, тип их наследования, но и регуляцию их активности.

Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловаж­ ную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака (см. разд. 6.3.1).

Принадлежность генов к одной хромосоме обусловливает сцеплен­ ный характер наследования детерминируемых ими признаков, а рас­ стояние между генами влияет на частоту рекомбинации этих признаков в потомстве (правило Т. Моргана). Расположение генов в разных

Рис. 3.66. Продолжение

матина путем временного ослабления связи ДНК с этими белками. Примером такой декомпактизации хроматина являются пуфы (взду­ тия), наблюдаемые в участках политенных хромосом и соответствую­ щие активно функционирующим генам (рис. 3.65) или обнаруженные в овоцитах амфибий хромосомы типа ламповых щеток, в которых активные участки ДНК формируют петлеобразные структуры с мень­ шей степенью компактизации (рис. 3.66).

3.5.5. Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала

Возникновение хромосомной организации наследственного мате­ риала в эукариотической клетке тесно связано с большим его объемом по сравнению с прокариотической клеткой. Распределение основной массы генетического материала в ограниченном количестве ядерных структур — хромосом — обеспечивает упорядоченность его простран­ ственной организации по группам сцепления. Относительная самосто­ ятельность хромосом в процессах репликации ДНК и распределения ее молекул между дочерними клетками позволяет закономерно восп­ роизводить и передавать обширную информацию в ряду клеточных поколений, сохраняя постоянство ее организации. Наконец, распре­ деление генов по группам сцепления допускает возможность реком­ бинации генетического материала гомологичных и негомологичных хромосом при мейозе и оплодотворении (см. разд. 3.6.2.3).

числом, строением и генетическим составом хромосом (рис. 3.67). Ниже приведены количества хромосом соматических клеток некото­ рых видов организмов.

Если число хромосом в гаплоидном наборе половых клеток обоз­ начить п, то общая формула кариотипа будет выглядеть как 2п, где значение п различно у разных видов. Являясь видовой характеристикой организмов, кариотип может отличаться у отдельных особей некото­ рыми частными особенностями. Например, у представителей разного пола, имеются в основном одинаковые пары хромосом {аутосомы), но их кариотипы отличаются по одной паре хромосом (гетерохромосомы, или половые хромосомы). Иногда эти различия состоят в разном коли­ честве гетерохромосом у самок и самцов (XX или ХО). Чаще различия касаются строения половых хромосом, обозначаемых разными бук­ вами — X и Y (XX или XY).

Каждый вид хромосом в кариотипе, содержащий определенный комплекс генов, представлен двумя гомологами, унаследованными от родителей с их половыми клетками. Двойной набор генов, заключен­ ный в кариотипе,— генотип — это уникальное сочетание парных ал­ лелей генома. В генотипе содержится программа развития конкретной особи.

3.6.2. Проявление свойств наследственного материала

на геномном уровне его организации

3.6.2.1. Самовоспроизведение и поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений клеток

В основе самовоспроизведения кариотипа в ряду клеточных поко­ лений лежат процессы самоудвоения отдельных хромосом, описанные в разд. 3.5.3.1. Жизнедеятельность клеток как структурно-функцио­ нальных единиц живого обеспечивается всей совокупностью получа­ емого ими генетического^материала, поэтому особое значение приобретает поддержание постоянства кариотипа в ряду их поколений. На геномном уровне организации наследственного материала эта обеспечивается всей совокупностью процессов, происходящих в митотическом цикле (см. гл. 2).

Если содержание ДНК в гаплоидном набо­ ре хромосом, т.е. в геноме, является видоспецифическим и соответствует с, то в диплоидном кариотипе, равном 2л, оно состав­ ляет 2с. В ходе митотического цикла количе­ ство ДНК в клетке изменяется от 2с (сразу после ее образования, когда хромосомы состо­ ят из одной нити) до 4с (после репликации ДНК в S-периоде интерфазы, когда хромосо­ мы становятся двунитчатыми). Число хромо­ сом при этом остается неизменным и равным In на протяжении всего митотического цикла. Благодаря описанным ранее процессам, про­ исходящим в ходе интерфазы и последующего митоза (см. гл. 2), дочерние клетки получают

от материнской полноценную наследственную программу — генотип, заключенный в кариотипе.

Однако не всегда клетки, удвоившие свой наследственный мате­ риал, вступают в митоз. Этим обусловлено существование в тканях некоторого количества клеток с формулой наследственного материала 2п4с, представляющих определенный резерв, готовый немедленно приступить к делению. Наконец, не всегда начавшееся деление закан­ чивается образованием двух дочерних клеток. Нарушение деления

Рис. 3.69. Образование полиплоидных клеток в результате разрушения веретена деления. А —различные наборы хромосом (12, 24, 48) в пыльцевых зернах одного из сортов гиацинта; Б —образование полиплоидных клеток:

/ —в норме, //—при разрушении веретена деления колхицином

цитоплазмы при нормальном формировании дочерних ядер приводит к образованию двуядерных клеток (рис. 3.68). Разрушение ахроматинового веретена, делающее невозможным распределение дочерних хромосом между его полюсами, сопровождается появлением полипло­ идных клеток (рис. 3.69), в которых An дочерних хромосом остаются в одном неразделившемся ядре.

Указанные отклонения от обычного течения митотического цикла являются причиной появления в тканях клеток, несущих больший по объему наследственный материал.

3.6.2.2.Механизмы поддержания постоянства кариотипа

вряду поколений организмов

Уорганизмов, размножающихся бесполым путем, новое поколение появляется из неспециализированных в отношении генеративной фун­ кции клеток тела. В основе их самовоспроизведения лежит митоз,

Рис. 3.70. Сравнение первого мейотического (редукционного) деления с мито­ зом

Профаза—спирализация хромосом, на­ чало формирования веретена деления; в мей­ озе, кроме того, происходит конъюгация гомологичных хромосом с образованием би­ валентов;

метафаза — в митозе в экваториальной плоскости веретена деления располагаются отдельные хромосомы числом 2л, в мейозе в плоскости экватора выстраивается л бивален­ тов;

анафаза —в митозе в результате расщеп­ ления центромер дочерние хромосомы (быв­ шие сестринские хроматиды) расходятся к разным полюсам (по 2л к каждому полюсу), в мейозе разрушаются биваленты и гомологи расходятся к разным полюсам (по одному из каждой пары); формируется гаплоидный на­ бор хромосом;

телофаза—в митозе формируются ядра дочерних клеток, в мейозе телофаза сокраще­ на во времени, так как не происходит полной деспирализации хромосом и клетки сразу пе­ реходят ко второму делению.

Результаты митоза — сохранение в дочер­ них клетках диплоидного набора хромосом (2л2с); результаты первого мейотического де­ ления— образование клеток с гаплоидным •набором двунитчатых хромосом (nlc)

обеспечивающий таким образом сохране­ ние постоянной структуры наследствен­ ного материала в ряду поколений не толь­ ко клеток, но и организмов.

При половом размножении процесс воспроизведения организмов осуществ­ ляется с участием специализированных половых клеток — гамет, вступающих в оплодотворение. При оплодотворении на­ следственный материал двух родитель­ ских гамет сливается, образуя генотип организма нового поколения — зиготы. Чтобы потомки получили соответствую­ щую программу для развития видовых и индивидуальных характеристик, они дол­

жны обладать кариотипом, которым располагало предыдущее поколе­ ние. В такой ситуации поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений организмов достигается предварительным уменьшением вдвое набора хромосом в гаметах, который восстанавливается до диплоидного при их оплодотворении: п + п = 2л.

Образование гаплоидных гамет осуществляется в ходе гаметогенеза путем особой формы клеточного деления —мейоза. При мейозе из клеток с диплоидным набором 2л образуются гаметы с гаплоидным набором хромосом п (см. гл. 5). Такой результат достигается благодаря тому, что после однократного удвоения ДНК клетка делится дважды. В отличие от митоза в первом мейотическом делении в результате конъюгации гомологичные хромосомы объединяются в пары — бива­ ленты. Последующее расхождение гомологов к разным полюсам вере­ тена деления приводит к образованию клеток с гаплоидным набором хромосом: 2пАс -> «2с. На рис. 3.70 представлены особенности первого деления мейоза в сравнении с митозом. В ходе второго мейотического деления сестринские хроматиды каждой хромосомы, как и в митозе, распределяются между дочерними клетками с наследственным мате­ риалом пс (рис. 3.71).

Благодаря особенностям мейоза образуются клетки, несущие пол­ ноценный геном, в котором каждая группа сцепления представлена в единственном экземпляре (гаплоидный набор хромосом).

При самооплодотворении гаметы одного и того же родителя, а при перекрестном оплодотворении половые клетки разных организмов взаимодействуют друг с другом. Сперматозоиды, проникая в яйцек­ летку, вводят в нее свой ядерный наследственный материал, заклю­ ченный в гаплоидном наборе хромосом. Ядра гамет сливаются и формируют диплоидное ядро зиготы, в котором каждая группа сцеп­ ления представлена в двойном экземпляре —отцовской и материн­ ской хромосомами.

Таким образом, мейоз и последующее оплодотворение обеспечи­ вают сохранение у нового поколения организмов диплоидного кари­ отипа, присущего всем особям данного вида.