Роль хромосом в наследственности

Открытие Менделя не сразу оценили по достоинству, поскольку не было никаких представлений о физической основе постулируемых факторов. Хромосомная теория наследственности, предложенная одновременно Саттоном и Бовери (Sutton, Boveri), разрешила долгие споры о возможной роли хромосом. Уже существовали некоторые, хотя довольно туманные, предположения о том, что хромосомы как-то участвуют в механизмах наследования. В 1903 г. наконец стало ясно, что по своим свойствам они точно совпадают с дискретными единицами наследственности, описанными Менделем.

Клеточная теория, утвердившаяся в середине девятнадцатого века, предполагала, что все организмы состоят из клеток и что эти клетки могут возникать только из предсуществующих клеток. Ранние цитологические исследования показали, что "типичная" клетка состоит из плотного ядра, отделенного мембраной, от менее плотной окружающей цитоплазмы. Внутри ядра с помощью определенных красителей можно было различить зернистые участки - хроматин. Вскоре после работы Менделя было установлено, что хроматин представлен определенным числом нитевидных образований, или хромосом.

В большинстве клеток хромосомы видны только в процессе клеточного деления. Два типа деления, присущие организмам, размножающимся половым путем, объясняют и постоянство генетического материала, и процесс наследования в том виде, как это было предсказано законами Менделя.

Клеточный цикл у растущего организма состоит из двух этапов. Более длинный период-интерфаза, когда клетка синтетически активна и занята воспроизведением своих компонентов. Затем следует короткий период-митоз, интерлюдия, во время которой фактически завершается процесс разделения на две дочерние клетки. Клетки, возникающие в результате ряда митотических делений и образующие целый организм, называют соматическими клетками.

Каждая дочерняя клетка, начинающая свою жизнь после митоза, содержит по две копии каждой хромосомы. Их называют гомологичными. Общее число хромосом в клетке, известное как диплоидный набор, обозначают 2п. Типичная соматическая клетка существует в диплоидном состоянии (кроме того периода, когда она готовится к делению или уже делится).

В интерфазе растущая клетка удваивает свой хромосомный материал. Однако это становится очевидным только в последующем митозе. В митозе каждая хромосома разделяется вдоль по длине, образуя две копии - сестринские хроматиды. В этот момент клетка содержит 4и хромосом, организованных в 2и пар сестринских хроматид. Иными словами, в клетке имеется по две (гомологичные) копии каждой пары сестринских хроматид. На рис.5 показана последовательность процессов, обеспечивающих митотическое деление. Суть заключается в том, что сестринские хроматиды растаскиваются к противоположным полюсам клетки, так что каждая дочерняя клетка получает по одной копии каждой сестринской хроматиды. Теперь это самостоятельные хромосомы.4и хромосомы, существовавшие в начале деления, разделились на два набора по 2и хромосом. Этот процесс повторяется в следующем клеточном цикле. Таким образом, митотическое деление гарантирует постоянство набора хромосом в соматических клетках.

Один родитель гомозиготен по двум доминантным генам - по гену А, определяющему цвет, и гену В, определяющему форму (круглая форма). Другой родитель гомозиготен по рецессивным аллелям а и Ъ (отсутствие цвета, морщинистая форма). Потомство F1 одинаково-с доминантным фенотипом.

Родители F1 образуют гаметы, в которых происходят независимое расщепление аллелей и независимая комбинация генов, так что образуется равное количество гамет каждого из четырех возможных типов. Они соединяются случайно и образуют 9 генотипических классов, которые из-за отношений доминантности проявляются в виде четырех фенотипических классов: 9 окрашенных гладких: 3 окрашенных морщинистых: 3 бесцветных гладких: 1 бесцветный морщинистый. Заметим, что каждый реципрокный генотип представлен одинаковым числом особей, например два родительского типа (по одному ААВВ и ааЪЬ) и два рекомбинантных (по одному каждого рекомбинантного класса ААЪЬ и ааВВ). Соотношение 3: 1 сохраняется для каждого независимо расщепляющегося признака.

Число фенотипических классов будет больше, если один или оба признака не проявляют полного доминирования (в этом случае гетерозиготы отличаются от любой гомозиготы). Их будет меньше, если два гена действуют на один признак. Так, если бы оба гена А а В были нужны для развития окраски, то у гибридов F2 наблюдалось бы соотношение 9 окрашенных: 7 бесцветных.

Рис. 3.

Рис.4. Возвратное скрещивание с рецессивной гомозиготой используется для определения генотипа.

Соотношение гамет, образованных растением с неизвестным генотипом, отражает обычно независимое расщепление аллелей и независимую комбинацию генов. Генотип каждой гаметы выясняется непосредственно в скрещивании с гаметой, несущей только рецессивные аллели.

Иной цели служит процесс образования половых клеток (гамет, т.е. яйцеклеток или сперматозоидов), который происходит при другом типе деления. Этот путь деления изображен на Рис.6. В процессе мейоза образуются клетки, содержащие гаплоидное число (и) хромосом. Этот процесс включает в себя два последовательных деления. И в этом случае хромосомы сначала удваиваются, так что клетка приступает к делению в состоянии 4и.

В начале первого деления гомологичные пары сестринских хроматид конъюгируют (соединяются попарно), образуя биваленты. Каждый бивалент содержит все четыре копии одного гомолога, находящиеся в клетке. В первом делении каждый бивалент расщепляется на две пары сестринских хроматид, разделенных в свою очередь на полухроматиды. В результате образуются два набора по 2п хромосом, из з пар сестринских хроматид каждый.

Далее следует второе мейотическое деление, в котором оба набора 2п делятся еще раз. Это деление формально подобно митотическому делению, поскольку в различные дочерние клетки попадает по одной из копий каждой пары сестринских хромосом.

Общий результат мейоза заключается в том, что исходное число хромосом 4п делится на четыре гаплоидные клетки, дающие начало зрелым яйцеклеткам или сперматозоидам.

При формировании гамет гомологи отцовского и материнского происхождения разделяются так, что каждая гамета получает только один из двух гомологов своих родителей. Существенным моментом в этом процессе является тот факт, что в полном соответствии с законами Менделя наблюдается независимость сегрегации негомологичных хромосом. Каждый член одной гомологичной пары входит в гамету в случайном сочетании с любым членом другой гомологичной пары.

Рис. 5. Митоз обеспечивает постоянство хромосомного состава клетки. Одна пара гомологичных хромосом (обозначена белым) происходит от одного из родителей, другая (окрашена) - от второго родителя. Диплоидная клетка имеет по две копии каждой хромосомы (общее число 2п). Перед митозом хромосомы удваиваются, и профаза, следовательно, начинается с состояния 4п. Два члена каждой пары разделяются на две отдельные хромосомы, которые затем расходятся в разные дочерние клетки. При этом восстанавливается диплоидное число 2п, так что дочерние клетки имеют тот же набор хромосом, что и родительская клетка.

Подытожим параллели между хромосомами и менделеевскими единицами наследования. Гены встречаются в аллельных парах - по одному аллелю от каждого родителя в каждой паре; диплоидный набор хромосом образуется из двух гаплоидных родительских наборов. Распределение неаллельных генов в гаметах происходит независимо; негомологичные хромосомы подвергаются независимой сегрегации. Критическое условие, заключающееся в том, чтобы каждая гамета получала полный гаплоидный набор, выполняется независимо от того, рассматриваем ли мы этот процесс как сегрегацию хромосом или как распределение элементарных факторов наследственности.