Розділ 13. Генетика. Зародження хромосомної теорії спадковості. (В. Н. Сойфер)

Генетика - наука про спадковість та її мінливість - отримала розвиток на початку XX ст., Після того як дослідники звернули увагу на закони Г. Менделя, відкриті в 1865 р., але залишалися поза увагою протягом 35 років. У стислі терміни генетика виросла в розгалужену біологічну науку з широким колом експериментальних методівта напрямків. Її бурхливий розвиток був обумовлений як запитами сільського господарства, що потребував детальної розробки проблем спадковості у рослин і тварин, так і успіхами біологічних дисциплін, таких як морфологія, ембріологія, цитологія, фізіологія та біохімія, що підготували ґрунт для поглибленого вивчення законів спадкоємності. спадкових факторів. Назва генетика було запропоновано для нової науки англійським ученим У. Бетсоном у 1906 р.

Досліди щодо гібридизації рослин. Накопичення відомостей про успадковані ознаки

Спроби зрозуміти природу передачі ознак у спадок від батьків дітям робилися ще в давнину. Роздуми на цю тему зустрічаються у творах Гіппократа, Аристотеля та інших мислителів. У XVII – XVIII ст., коли біологи почали розбиратися в процесі запліднення та шукати, з яким початком – чоловічим чи жіночим – пов'язана таємниця запліднення, суперечки про природу спадковості відновилися з новою силою. Знаменита боротьба преформістів ("анімалькулістів" та "овістів") чимало сприяла з'ясуванню природи цього процесу у тварин. У рослин статева диференціація була відкрита Р. Я. Каммераріусом (1694), який виявив у дослідах зі шпинатом, коноплею та кукурудзою, що для зав'язування плодів необхідне запилення.

Тим самим було до кінця XVII в. було підготовлено науковий ґрунт для початку дослідів із гібридизації рослин. Перших успіхів у цьому напрямі було досягнуто в початку XVIIIв. Вважають, перший міжвидовий гібрид отримав англієць Т. Фейрчайлд при схрещуванні гвоздик Dianthus barbatus і D. caryophyllus. З отриманням інших гібридів практика гібридизації почала розширюватися, але ботаніки ще продовжували вважати спірним питанняпро наявність двох статей у рослин та їх участь у заплідненні. У 1759 р. Петербурзька Академія наук з'ясування цього питання оголосила навіть спеціальний конкурс. Премії за роботу "Дослідження статі у рослин" ("Disquisitio de sexu plantarum") був удостоєний в 1760 р. К. Лінней, який отримав міжвидовий гібрид козлобородників (Tragopogon), що легко дають помісі в природних умовах. Однак суті гібридизації та ролі пилку у схрещуванні Лінней не зрозумів. Науково обґрунтоване вирішення цього питання було досягнуто у дослідах члена Російської Академіїнаук І. Г. Кельрейтера.

У 1760 р. Кельрейтер почав перші старанно продумані досліди з вивчення передачі ознак при схрещуванні рослин. У 1761 - 1766 рр., майже за чверть століття до Л. Спалланцані, який вивчав проблему схрещування на тваринних об'єктах, Кельрейтер у дослідах з тютюном, дурманом і гвоздиками показав, що після перенесення пилку однієї рослини на маточка іншої відрізняється за своїми морфологічними ознакамирослини утворюються зав'язі та насіння, що дають рослини з властивостями, проміжними по відношенню до обох батьків. У результаті Кельрейтер дійшов висновку фундаментальної важливості: у формуванні потомства та передачі ознак, що простежуються у нащадків, беруть участь обидва батьківські організми. Кельрейтер ввів також метод зворотних схрещувань з одним із вихідних батьків, завдяки чому йому вдалося довести успадкування ознак та рівноправність чоловічих та жіночих елементів у формуванні дочірніх особин. Точний метод схрещування, розроблений Кельрейтером, зумовив швидкий прогрес вивчення спадкової передачі ознак.

Наприкінці XVIII – на початку XIX ст. англійський селекціонер-рослинник Т. Е. Найт, проводячи схрещування різних сортів, зіткнувся з проблемою поєднання ознак батьків у нащадків. Підбираючи різні пари для схрещувань, він виявив, кожен сорт характеризується комплексом властивих йому дрібних ознак. Число ознак, якими два сорти відрізняються один від одного, тим більше, чим менше ступінь їх спорідненості. Важливим висновком Найта стало виявлення неподільності дрібних ознак при різних схрещуваннях. Дискретність спадкового матеріалу, проголошена ще в давнину, отримала у його дослідженнях перше наукове обґрунтування. Найту належить заслуга відкриття "елементарних спадкових ознак".

Подальші істотні успіхи у розвитку методу схрещувань пов'язані з французькою школою селекціонерів, особливо з її найбільш яскравими представниками- О. Сажере та Ш. Ноденом. Інтереси обох вчених формувалися під безпосереднім впливом Кельрейтера та Найта. Вони зробили крок уперед щодо підбору об'єктів досліджень, повністю перейшовши до дослідів з рослинами (овочевими культурами), що швидко розвиваються, вегетаційний цикл яких обмежується кількома місяцями. Улюбленими об'єктами Сажере та Нодена стали представники сімейства гарбузових.

Найбільшим досягненням Сажере стало виявлення феномена домінантності. При схрещуванні сортів, що відрізняються спадковими задатками, він нерідко спостерігав придушення ознаки одного з батьків ознакою іншого. Це явище максимально проявлялося в першому поколінні після схрещування, а потім пригнічені ознаки знову виявлялися у частини нащадків наступних поколінь. Тим самим Сажере підтвердив, що елементарні спадкові ознаки при схрещування не зникають. Цього ж висновку цілком самостійно дійшов Ноден в 1852 - 1869 рр. . Але Ноден пішов ще далі, розпочавши кількісне вивчення перекомбінації спадкових задатків при схрещуваннях. Мабуть, він усвідомлював, що саме кількісний опис результатів схрещувань може дати до рук дослідників ту нитку, яка дозволить розібратися в суті процесів, що розгортаються під час гібридизації. Однак на цьому шляху Нодена чекало розчарування. Неправильний методичний прийом – одночасне вивчення великої кількості ознак – призвів до такої плутанини у результатах, що він змушений був відмовитися від своєї спроби. Чималу частку невизначеності в трактування отриманих результатів внесли й об'єкти, що використовували Ноден: він ще не зміг усвідомити роль самозапилювачів у проведенні таких дослідів. Недоліки, властиві дослідам Нодена та його попередників, усунули у роботі Р. Менделя.

Розвиток практики гібридизації призвело до подальшого накопичення відомостей про природу схрещувань. Важливі спостереження про поєднання ознак при схрещування стали накопичуватися в результаті діяльності садівників і ботаніків. Практика вимагала вирішення питання про збереження постійними якостей "гарних" рослин, а також з'ясування методів поєднання в одній рослині необхідних ознак, властивих кільком батькам. Подібні завдання ставилися і тваринниками, але незмінно повисали повітря, оскільки упиралися в незнання законів передачі спадкових ознак. Експериментально вирішити цю проблему не було ще можливим. У таких умовах виникли різні умоглядні гіпотези про природу спадковості.

Умоглядні гіпотези про природу спадковості

Найбільш фундаментальною гіпотезою такого роду, що послужила певною мірою зразком для аналогічних побудов інших біологів, стала "тимчасова гіпотеза пангенези" Ч. Дарвіна, викладена в останньому розділі його праці "Зміна свійських тварин і культурних рослин" (1868). Тут Дарвін узагальнив всю літературу про схрещування і явища спадковості * .

* (Дещо раніше аналіз явищ спадковості у людини був зроблений П. Люком у його великій монографії "Traite philosophique et physiologique de l"heredite naturelle" (1847-1850).)

Згідно з його уявленнями, у кожній клітині будь-якого організму утворюються у великому числі особливі частинки - геммули, які мають здатність поширюватися по організму і збиратися (концентруватися) у клітинах, що служать для статевого або вегетативного розмноження (яйцеклітини, сперматозоїди, нирки рослин). При заплідненні геммули двох статевих клітин зливаються, утворюючи зиготу. Частина геммул дає потім початок новим клітинам (подібним до тих, з яких вони сформувалися), а частина зберігається в недіяльному стані і може бути передана наступним поколінням. Дарвін припускав, що геммули окремих клітин можуть змінюватися в ході онтогенезу кожного індивідуума і давати початок зміненим нащадкам. Тим самим він приєднався до прихильників наслідування набутих ознак. Крім того, він вважав, що оскільки комплекс спадкових ознак складається з дискретних факторів спадковості (геммул), то, отже, організм не породжує собі подібного загалом, але кожна окрема одиниця породжує собі подібну "*".

* (Ч. Дарвін. Соч., т. 4. M., Вид-во АН СРСР, 1951, стор 758.)

Припущення Дарвіна про успадкування набутих ознак експериментально спростовано Ф. Гальтоном (1871). Зробивши переливання крові від чорних кроликів білим. Гальтон не виявив жодної зміни ознак у нащадків. На цій підставі він сперечався з Дарвіном, стверджуючи, що геммули зосереджені тільки в статевих клітинах рослин і тварин і нирках рослин, що вегетативно розмножуються, і що перетікання геммул від вегетативних частин до генеративних не відбувається. Гальтон вдавався при цьому до аналогії, порівнюючи генеративні органи з кореневищем деяких рослин, які щороку дають нові зелені пагони, звідки його гіпотеза отримала назву "гіпотези кореневища".

Умоглядна гіпотеза про природу спадковості була запропонована ботаніком К. Негелі у роботі "Механіко-фізіологічна теорія еволюції" (1884). Негелі, задумавшись над протиріччям між рівним внеском батька і матері у формування потомства та суттєво різним розміром сперматозоїдів та яйцеклітин, висловив припущення, що спадкові задатки передаються лише частиною речовини клітини, названої їм ідіоплазмою. Решта (стереоплазма), згідно з його поданням, спадкових ознак не несе. Негелі висловив також припущення, що ідіоплазма складається з молекул, з'єднаних один з одним у великі ниткоподібні структури - міцели, що групуються в пучки і утворюють мережу, що пронизує всі клітини організму. Автор не знав фактів, які б підтверджували його модель. У ці роки ще не було привернуто увагу до хромосом як носіїв спадкової інформації, і гіпотеза Негелі виявилася у відомому сенсі пророчою. Вона підготовляла біологів до думки про структурованість матеріальних носіїв спадковості. Популярністю користувалася також гіпотеза внутрішньоклітинного пангенези Г. де Фріза.

Вперше ідея про диференціюючих (нерівноспадкових) поділах ядер клітин зародка, що розвивається, була висловлена ​​В. Ру в 1883 р. Висновки Ру справили великий вплив на А. Вейсмана. Вони послужили йому відправною точкою до створення теорії зародкової плазми, що отримала остаточне оформлення 1892 р. Вейсман чітко вказав на носія спадкових чинників - хромосоми. Він думав, що у ядрах клітин існують спеціальні частки зародкової плазми - біофори, кожна з яких визначає окрему властивість клітин. Біофори, згідно з Вейсманом, групуються в детермінанти - частки, що визначають спеціалізацію клітини. Оскільки в організмі багато різних типів клітин, то детермінанти одного типу групуються до структур вищого порядку (іди), а останні формують хромосоми (або іданти, за термінологією Вейсмана).

Спочатку Ру (1883), а потім Вейсман висловили припущення про лінійне розташування в хромосомах спадкових факторів (хроматинових зерен, по Ру, і ід, по Вейсману) та їх поздовжньому розщепленні під час мітозу, чим багато в чому передбачили майбутню хром.

Розвиваючи ідею про нерівноспадковий поділ, Вейсман логічно дійшов висновку про існування в організмі двох чітко розмежованих клітинних ліній - зародкових (клітин зародкового шляху) та соматичних. Перші, забезпечуючи безперервність передачі спадкової інформації, "потенційно безсмертні" та здатні дати початок новому організму. Другі цією властивістю не мають. Виділення двох категорій клітин мало велике позитивне значеннядля подальшого розвитку генетики Воно, зокрема, було початком теоретичного спростування ідеї спадкування набутих ознак. Водночас теорія спадковості Вейсмана містила й хибне припущення, ніби повний набір детермінант міститься лише у статевих клітинах.

Роботи вказаних біологів відіграли визначну роль у підготовці наукової думкидо формування генетики як науки До кінця ХІХ ст. завдяки роботам цитологів, які відкрили хромосоми, що вивчили мітотичне (І. Д. Чистяков, 1872; А. Шнейдер, 1873; Е. Страсбургер, 1875; Шлейхер, 1878; Ст Флеммінг, 1892; та ін) і мейот Бенеден, 1883;Т. Бовері, О. Гертвіг, 1884) поділ ядра, був підготовлений грунт для розуміння перерозподілу спадкового матеріалу по дочірнім клітинам в ході їх поділу. В. Вальдейєр у 1888 р. запропонував термін хромосома. Був докладно вивчений процес запліднення у тварин і рослин (О. Гертвіг, 1876; Н. Н. Горожанкіна, 1880; Е. Страсбургер, 1884; та ін). Роботи ботаніків та тваринників підготували ґрунт для швидкого визнання законів Г. Менделя після їх перевідкриття у 1900 р.

Відкриття Г. Менделем законів наслідування

Честь відкриття кількісних закономірностей, що супроводжують формування гібридів, належить чеському ботаніку-аматору Йоганну Грегору Менделю. У його роботах, що виконувались у період із 1856 по 1863 р., було розкрито основи законів спадковості.

Мендель так формулював завдання свого дослідження. "Досі,- зазначав він у "Вступних зауваженнях" до своєї роботи,- не вдалося встановити загального закону освіти та розвитку гібридів" і продовжував: "Остаточне вирішення цього питання може бути досягнуто тільки тоді, коли будуть зроблені детальні досліди в різних рослинних Хто перегляне роботи в цій галузі, той переконається, що серед численних дослідів жоден не був зроблений у тому обсязі і таким чином, щоб можна було визначити число різних форм, у яких з'являються нащадки гібридів, з достовірністю розподілити ці форми по окремих поколіннях та встановити їх взаємні чисельні відносини”*.

* (Р. Мендель. Досліди над рослинними гібридами. М., " Наука " , 1965, стор 9 - 10.)

Перше, на що Мендель звернув увагу, це вибір об'єкта. Для своїх досліджень Мендель обрав горох Pisum sativum L. Підставою для такого вибору послужило, по-перше, те, що горох - суворий самозапилювач, і це різко знижувало можливість занесення небажаного стороннього пилку; по-друге, на той час було достатньо сортів гороху, що відрізнялися за однією, двома, трьома і чотирма успадкованими ознаками.

Мендель отримав від різних насінницьких ферм 34 сорти гороху. Протягом двох років він перевіряв, чи не засмічені отримані сорти, чи зберігають свої ознаки незмінними при розмноженні без схрещувань. Після такого роду перевірки він відібрав для експериментів 22 сорти.

Чи не найістотнішим у всій роботі було визначення числа ознак, за якими повинні відрізнятися рослини, що схрещуються. Мендель вперше усвідомив, що тільки почавши з найпростішого випадку - відмінності батьків за однією-єдиною ознакою - і поступово ускладнюючи завдання, можна сподіватися розплутати клубок фактів. Сувора математичність його мислення виявилася тут із особливою силою. Саме такий підхід до постановки дослідів дозволив Менделю чітко планувати подальше ускладнення вихідних даних. Він лише точно визначав, якого етапу роботи слід перейти, а й математично суворо передбачав майбутній результат. У цьому плані Мендель стояв вище всіх сучасних йому біологів, вивчали явища спадковості вже у XX в.

Мендель почав з дослідів з схрещування сортів гороху, що відрізняються за однією ознакою (моногібридне схрещування). У всіх без винятку дослідах із 7 парами сортів було підтверджено явище домінування у першому поколінні гібридів, виявлене Сажере та Ноденом. Мендель ввів поняття домінантної та рецесивної ознак, визначивши домінантними ознаки, які переходять у гібридні рослини абсолютно незмінними або майже незмінними, а рецесивними ті, що стають при гібридизації прихованими. Потім Мендель вперше зумів дати кількісну оцінку частотам появи рецесивних форм серед загальної кількості нащадків для випадків моно-, ді-, тригібридного та складніших схрещувань. Мендель особливо наголошував на середньостатистичному характері відкритої їм закономірності.

Для подальшого аналізу спадкової природи одержаних гібридів Мендель вивчив ще кілька поколінь гібридів, що схрещуються між собою. В результаті отримали міцне наукове обґрунтування такі узагальнення фундаментальної ваги:

1. Явище нерівнозначності спадкових елементарних ознак (домінантних та рецесивних), відзначене Сажре та Ноденом.

2. Явище розщеплення ознак гібридних організмів внаслідок їх подальших схрещувань. Було встановлено кількісні закономірності розщеплення.

3. Виявлення як кількісних закономірностей розщеплення за зовнішніми, морфологічними ознаками, а й визначення співвідношення домінантних і рецесивних задатків серед форм, на вигляд не відмінних від домінантних, але є змішаними (гетерозиготними) за своєю природою. Правильність останнього становища Мендель підтвердив, ще, шляхом зворотних схрещувань із батьківськими формами.

Таким чином, Мендель впритул підійшов до проблеми співвідношення між спадковими задатками (спадковими факторами) і ознаками організму, що визначаються ними.

Зовнішній вигляд організму (фенотип, за термінологією В. Йоганнсена, 1909) залежить від поєднання спадкових задатків (сума спадкових задатків організму стала, на пропозицію Йоганнсена, іменуватися генотипом, 1909). Цей висновок, що неминуче випливав з експериментів Менделя, був докладно розглянутий у розділі "Зачаткові клітини гібридів" тієї ж роботи "Досліди над рослинними гібридами". Мендель вперше чітко сформулював поняття дискретного спадкового задатку, який у своєму прояві з інших задатків * . Ці задатки зосереджені, на думку Менделя, у зародкових (яйцевих) та пилкових клітинах (гаметах). Кожна гамета несе по одному завдатку. Під час запліднення гамети зливаються, формуючи зиготу; при цьому в залежності від сорту гамет, зигота, що виникла з них, отримає ті чи інші спадкові задатки. За рахунок перекомбінації задатків при схрещування утворюються зиготи, що несуть нове поєднання задатків, чим і зумовлюються відмінності між індивідуумами. Це становище лягло основою фундаментального закону Менделя - закону чистоти гамет. Його припущення про наявність елементарних спадкових задатків - генів було підтверджено всім подальшим розвитком генетики та було доведено дослідженнями на різних рівнях- організмовому (методами схрещувань), субклітинному (методами цитології) та молекулярному (фізико-хімічними методами). За пропозицією У. Бетсона (1902), організми, що містять однакові задатки, стали називати гомозиготними, а різні задатки, що містять, відповідної ознаки - гетерозиготними за цією ознакою.

* (Згодом ці задатки В. Йоганнсен (1909) назвав генами.)

Експериментальні дослідження та теоретичний аналіз результатів схрещувань, виконані Менделем, випередили розвиток науки більш як на чверть століття. Про матеріальні носії спадковості, механізми зберігання та передачі генетичної інформації та внутрішній зміст процесу запліднення тоді майже нічого ще не було відомо. Навіть умоглядні гіпотези про природу спадковості, про які йшлося вище, були сформульовані пізніше. Цим пояснюється те, що Менделя не отримала свого часу ніякого визнання і залишалася невідомою аж до вторинного перевідкриття законів Менделя К. Корренсом, К. Чермаком і Г. де Фрізом в 1900 р.

Розвиток біометричних методів вивчення спадковості

Індивідуальні відмінності навіть між близькими організмами зовсім не обов'язково пов'язані з відмінностями в генетичній структурі цих особин; вони можуть бути викликані різними умовами життя. Тому робити висновки про генетичні відмінності між видами, різновидами, сортами та лініями можна лише на підставі аналізу великої кількості особин. Першим, хто привернув увагу до математичних закономірностей в індивідуальній мінливості, був бельгійський математик та антрополог А. Кетле. Він став одним із засновників статистики та теорії ймовірностей. Кетле звернув особливу увагу вивчення відхилень, у ряді подібних індивідуумів від середньої кількісної характеристики досліджуваного ознаки. Однак у генетичному плані найважливішим залишалося питання можливості передачі у спадок ухилень від середньої кількісної характеристики ознаки, що спостерігаються в окремих індивідуумів. Значимість цього питання стала особливо очевидною після створення Дарвін теорії природного відбору. Для суто практичних цілей необхідно було з'ясувати, чи будуть успадковуватися ті індивідуальні зміни, які спостерігаються часто в селекційній практиці в окремих рослин, і чи можна їх закріпити в потомстві.

З'ясуванням цього питання зайнялися кілька дослідників. За своєю значимістю виділилися роботи Гальтона, який зібрав дані про успадкування зростання в людини. Він проаналізував зростання 204 сімейних пар та 928 їх дорослих дітей. Потім Гальтон вивчив успадкування величини віночка квітки у запашного горошку і дійшов висновку, що потомству передається лише невелика частина ухилень, які у батьків. Гальтон спробував надати своєму спостереженню математичний вираз, започаткувавши цим початок великої серії робіт з математико-статистичних основ спадкування.

Послідовник Гальтона К. Пірсон продовжив цю роботу у ширших масштабах. Навколо Пірсона швидко створилася група дослідників, які заснували журнал "Біометрика" (1902).

Міркуванням англійських біометриків про характер змішування ознак батьків при схрещуваннях, підкріпленим математичними викладками, але не враховували, як правило, біологічної сутності явищ спадковості, було завдано удару вторинним відкриттям законів Менделя. Найсерйозніше і що стало класичним дослідження питань, що порушувалися Гальтоном, Пірсоном та його послідовниками, було виконано 1903 - 1909 гг. В. Йоганнсена, який звернув головну увагу на вивчення генетично однорідного матеріалу (нащадки від близькоспорідненого схрещування, названого Йоганнсена чистою лінією). Аналіз, проведений Йогансеном, дозволив йому підійти до істинному розуміннюролі успадкованого (генотипного) та неуспадкованого компонентів в індивідуальній мінливості. Виходячи з отриманих результатів, Йоганнсен дав точне визначення генотипу та фенотипу та заклав основи сучасного розуміння ролі індивідуальної мінливості. Висновки Йоганнсена, отримані в дослідах із рослинами, незабаром були підтверджені і на зоологічному матеріалі.

Цитологічні основи генетики

Передбачення Менделя отримали також підтвердження на зовсім іншому рівні досліджень. У 70 - 80-х роках XIXв. були описані мітоз і поведінка хромосом під час поділу клітини, що навело на думку. що ці структури відповідальні за передачу спадкових потенцій від материнської клітини дочірнім. Розподіл матеріалу хромосом на дві рівні частини якнайкраще свідчив на користь гіпотези, що саме в хромосомах зосереджена генетична пам'ять. Ця думка ще більше зміцнилася після опису процесів, що передують дозріванню статевих клітин та запліднення (див. розділ 26). Вивчення хромосом у тварин і рослин привело до висновку, що кожен вид живих істот характеризується певним числом хромосом. Це число стало надійною систематичною ознакою.

Відкритий Е. ван Бенеденом (1883) факт, що число хромосом у клітинах тіла (соматичних клітинах) удвічі більше, ніж у статевих клітинах, можна було легко пояснити простою міркуванням: оскільки при заплідненні ядра статевих клітин зливаються (і, тим самим, в одному ядрі об'єднуються хромосоми цих ядер) і оскільки число хромосом у соматичних клітинах залишається константним, то постійного подвоєння числа хромосом при послідовних заплідненнях повинен протистояти процес, що призводить до скорочення їх числа в гаметах рівно вдвічі. Точний описпроцесу редукційного поділу (мейозу), здійснене у 90-х роках ХІХ ст., дозволило вже на початку XX ст. належним чином оцінити встановлені Менделем закономірності спадковості.

У 1900 р. незалежно один від одного троє ботаніків - К. Корренс у Німеччині, Г. де Фріз у Голландії та Е. Чермак в Австрії виявили у своїх дослідах відкриті раніше Менделем закономірності і, натрапивши на його роботу, знову опублікували її в 1.901 Ця публікація викликала глибокий інтерес до кількісних закономірностей спадковості. Цитологи виявили матеріальні структури, роль та поведінка яких могли бути однозначно пов'язані з менделівськими закономірностями. Такий зв'язок побачив у 1903 р. В. Сеттон – молодий співробітник відомого американського цитолога Е. Вільсона. Гіпотетичні уявлення Менделя про спадкові фактори, наявність одинарного набору факторів у гаметах і подвійного - в зиготах отримали обґрунтування в дослідженнях хромосом. Т. Бовері (1902) надав докази на користь участі хромосом у процесах спадкової передачі, показавши, що нормальний розвиток морського їжакаможливе лише за наявності всіх хромосом.

Встановленням того факту, що саме хромосоми несуть спадкову інформацію, Сеттон і Бовері започаткували новий напрям генетики - хромосомну теорію спадковості.

Обґрунтування хромосомної теорії спадковості

Відповідно до законів Менделя, прояв кожного спадкового чинника залежить від інших чинників. Його аналіз моно-, ді- та тригібридного схрещування експериментально підтвердив цей висновок.

Після перевідкриття Менделівських закономірностей розгорнулося вивчення цих закономірностей у різних видів тварин і рослин. Одна з невдач, що здаються, спіткала У. Бетсона і Р. Пеннета, які вивчали в 1906 р. успадкування забарвлення віночка і форми пилку у запашного горошку. Згідно з Менделем, розподіл фенотипів при дигібридному схрещуванні має підпорядковуватися відношенню 9:3:3:1. Натомість Бетсон і Пеннет зареєстрували розщеплення щодо 35:3:3:10. Складалося враження, що фактори пурпурового забарвлення та зморщеного пилку мають тенденцію при перекомбінаціях задатків залишатися разом. Це явище автори назвали "взаємним тяжінням чинників", але природу його їм з'ясувати не вдалося.

У 1909 р до детального вивчення цього питання приступив Т. Г. Морган. Насамперед він чітко сформулював вихідну гіпотезу. Тепер, коли вже було відомо, що спадкові задатки перебувають у хромосомах, закономірно було відповісти на запитання, чи завжди виконуватимуться чисельні закономірності, встановлені Менделем? Мендель цілком справедливо вважав, що такі закономірності будуть вірні тоді і тільки тоді, коли фактори, що вивчаються, будуть комбінуватися при утворенні зигот незалежно один від одного. Тепер, на підставі хромосомної теорії спадковості, слід визнати, що це можливо лише в тому випадку, коли гени розташовані в різних хромосомах. Але оскільки кількість останніх у порівнянні з кількістю генів невелика, слід було очікувати, що гени, розташовані в одній хромосомі, будуть переходити з гамет в зиготи спільно. Отже, відповідні ознаки успадковуватимуться групами.

Перевірку цього припущення здійснили Морган та його співробітники К. Бріджес та А. Стертевант у дослідженнях з плодовою мушкою – дрозофілою (Drosophila melanogaster). Вибір цього об'єкта з багатьох причин вважатимуться великим успіхом. По-перше, дрозофіла має дуже невеликий період розвитку (всього 10 – 12 днів); по-друге, завдяки високій плідності дає можливість вести роботу з величезними популяціями; по-третє, може легко культивуватися у лабораторних умовах; нарешті, вона має лише чотири пари хромосом.

Незабаром у дрозофіли виявили велику кількість різноманітних мутацій, тобто форм, що характеризуються різними спадковими ознаками. У нормальних або, як кажуть генетики, дрозофіл дикого типу колір тіла сірувато-жовтий, крила сірі, очі темного цегляно-червоного кольору, щетинки, що покривають тіло, та жилки на крилах мають цілком певне розташування. У мутантних мух, що виявлялися час від часу, ці ознаки були змінені: тіло, наприклад, було чорне, очі білі або інакше забарвлені, крила зачаткові і т. д. Частина особин несла не одну, а відразу кілька мутацій; наприклад, муха з чорним тілом могла, крім того, мати зародкові крила. Різноманітність мутацій дозволило Моргану розпочати генетичні досліди. Насамперед він довів, що гени, що у одній хромосомі, передаються при схрещуваннях разом, т. е. зчеплені друг з одним. Одна група зчеплення генів розташована в одній хромосомі. Значне підтвердження гіпотези про зчеплення генів у хромосомах Морган отримав також щодо так звані зчепленого зі статтю спадкування.

Завдяки цитолого-генетичним експериментам (А, Стертевант, К. Бріджес, Г. Дж. Меллер, 1910) вдалося встановити участь деяких хромосом у визначенні статі. У дрозофіли, наприклад, поряд з трьома парами хромосом (аутосом), що не мають відношення до визначення статі, було виявлено пару статевих хромосом. Статеві хромосоми, у свою чергу, виявилися двох типів - довгі паличкоподібні Х-хромосоми і маленькі вигнуті Y-хромосоми. Їх поєднаннями і визначається стать мухи. Подальші експерименти показали, що у дрозофіли, як і у більшості ссавців (у тому числі людини), амфібій, риб та більшості рослин попадання в зиготу двох Х-хромосом призводить до формування жіночої особини, об'єднання однієї Х-хромосоми і однієї Y-хромосоми дає початок чоловічої особини*. Отже, всі жіночі гамети однакові – вони несуть по одній Х-хромосомі; чоловічі особини дають гамети двох типів: половина містить Х-хромосому, половина – Y-хромосому. Тому при заплідненні половина зигот одержує набір хромосом XX, а половина - XY, і відношення підлог дорівнює 1:1.

* (У більшості птахів, комах та частини рослин визначення статі відбувається іншим чином: чоловіча стать виходить від поєднання двох Х-хромосом; жіноча стать характеризується поєднанням Х- та Y-хромосом.)

Визначивши, що ген забарвлення очей дрозофіли локалізований в Х-хромосомі, і простеживши за поведінкою генів у потомстві певних самців і самок, Морган та його співробітники отримали переконливе підтвердження припущення про зчеплення генів.

Таким чином, у розвитку генетики виділяються два важливі етапи. Перший, що базується на гібридологічних дослідженнях, пов'язаний з відкриттям Менделя – доказом наявності елементарних спадкових факторів, встановленням характеру взаємодії цих факторів (правило домінантності – рецесивності) та з'ясуванням кількісних закономірностей у розщепленні ознак при схрещуваннях. Другий етап, пов'язані з успіхами цитологічних досліджень, завершився доказом, що носіями спадкових чинників є хромосоми. Морган сформулював та експериментально довів положення про зчеплення генів у хромосомах. Зокрема, генетичними методами було виявлено чотири групи зчеплення у Drosophila melanogaster, що збігалося з даними цитологічних досліджень. На черзі стояло питання про порядок розташування генів у хромосомах.

Проблема внутрішньохромосомної локалізації генів

Ретельний аналіз виникнення мутацій у дрозофіли дозволив виявити велике числорізноманітних спадкових змін, причому з'ясувалося, кожен ген може давати значне число мутацій. Наприклад, були виявлені мутанти з червоними, білими, пурпуровими, еозиновими, гранатовими, кольорами слонової кістки, рудими, молочними, кіноварними очима. Подібною мінливістю характеризуються інші гени.

У міру виявлення нових і нових мутацій збільшувався обсяг відомостей про. локалізації окремих генів у тій чи іншій хромосомі. Ключем для вирішення питання про розташування генів за довжиною хромосоми стало вивчення Морганом явищ порушення зчеплення генів в результаті обміну ділянками між хромосомами (довжиною від одного до декількох генів), названого ним кросинговером (англійською, перехрест).

Істотним етапом у вивченні кросинговеру стало встановлення того факту, що певні гени переміщаються з хромосоми в хромосому з певною специфічною для них частотою. Морган висловив припущення, що чим далі один від одного по довжині хромосоми розташовані гени, тим легше може статися кросинговер між ними, бо для поділу генів, що близько лежать, необхідно, щоб розрив пройшов між ними. Імовірність такого розриву, мабуть, мала. А якщо це так, то відсоток особин, у яких здійснився кросинговер, від загальної кількості досліджених особин може бути мірою відстані між генами в хромосомі. За видатні роботи у галузі генетики Морган був удостоєний 1933 р. Нобелівської премії.

У 1913 р. Стертевант склав першу карту статевої Х-хромосоми дрозофіли, побудовану на підставі чисельних даних зі зчеплення та кросинговеру, що спостерігаються у шести зчеплених зі статтю генів. До 1916 р. у дрозофіли вже була вивчена локалізація в хромосомах сотень генів, і вони були картовані за всіма чотирма хромосомами. Метод складання генетичних карт, Розроблений на дрозофілі, був перенесений на рослини (кукурудза, левовий зів) і тварини (миші).

Упорядкування генетичних карт - процедура дуже трудомістка. Генні структури хромосом піддаються легкій розшифровці у організмів, які швидко розмножуються. Остання обставина є основною причиною того, що самі докладні картиіснують для дрозофіли, ряду бактерій та бактеріофагів, а найменш докладні для рослин. Складання карт для довгоживучих організмів (тварини, багаторічні рослини) – справа майбутнього.

Слід зазначити, що суто генетичні методи визначення локалізації генів у хромосомах так чи інакше давали лише непрямі докази хромосомної теорії спадковості та останню продовжували заперечувати деякі генетики (наприклад, Р. Гольдшмідт, 1917). Прямим доказом цієї теорії послужили виявлені К. Бріджес у дрозофіли явища нерозбіжності статевих хромосом (1913, 1916) і випадання четвертої хромосоми (1921). У таких випадках генетичні прогнози, засновані на схрещуваннях, підтвердилися щодо каріотипів під мікроскопом.

Нарешті, було отримано прямі цитологічні докази існування кросинговера у дрозофіли. Ще 1909 р. бельгійський дослідник Ф. Янсенс натрапив на цікавий факт. У профазі першого мейотичного поділу парні хромосоми підходили один до одного, вишиковувалися паралельно, а потім, торкнувшись кінцями, швидко стулялися.

Незважаючи на повний контакт між хромосомами саламандр, з якими працював Янсенс, контури кожної з хромосом було видно досить чітко. Завдяки цьому вдалося зауважити, що під час перекручування хромосом у місці їхнього переплетення, яке він назвав хіазмою, відбувся обмін шматками хромосом.

Однак з достовірністю підтвердити методами цитології наявність обміну не вдавалося доти, поки німецький дослідник К. Штерн (1931) не використовував так зване явище транслокації, тобто перенесення шматка, що відірвався, однієї хромосоми на іншу хромосому. Йому вдалося за допомогою транслокації перенести шматок Y-хромосоми дрозофіли до Х-хромосоми, після чого останню легко можна було виявити на цитологічних препаратах. Крім того, лінія мух, що при цьому виникла, несла дві генетичні відмінності (їх Х-хромосома мала дві легко виявлені фенотипно так звані маркуючі рецесивні гени).

Другим етапом роботи був відбір лінії двох мух із транслокацією іншого роду. У цьому випадку спостереження велися над Х-хромосомою, що розірвалася навпіл, після чого одна з її половин приєдналася до маленької Y-хромосоми. Шматок Х-хромосоми, що залишився, знову-таки був добре відмінним як цитологічно, так і генетично - маркуючі гени у неї були домінантними.

Таким чином, у Штерна виявилися дві лінії дрозофіл, що чітко відрізнялися один від одного Х-хромосомами. Поєднавши обидві марковані Х-хромосоми в зиготі однієї самки, він дочекався кросинговера, розпізнавши його характером прояви генів. Цитологічно проаналізувавши клітини потомства мухи, отриманої в результаті кросинговеру, він зміг виявити результат кросинговеру в наочній формі під мікроскопом: довга Х-хромосома обмінялася своєю великою ділянкою з маленьким шматком короткої Х-хромосоми, внаслідок чого обидві хромосоми мали тепер приблизно однакову довжину. Пізніше аналогічний експеримент на кукурудзі зробила Б. Мак-Клінток (1944).

Штучне одержання мутацій

Найбільшим досягненням експериментальної генетики було виявлення можливості штучно викликати мутації за допомогою різноманітних фізичних та хімічних агентів. Г. А. Надсон і Г. С. Філіппов (1925) отримали мутації у дріжджів під дією радію та рентгенових променів; Г. Меллер * (1927) - за допомогою рентгенових променів у дрозофіли, а Л. Стадлер (1928) - за допомогою впливу цими ж променями у кукурудзи.

* (За вивчення явищ зчеплення та кросинговера, а також відкриття штучного мутагенезу Г. Меллеру було присуджено у 1946 р. Нобелівську премію.)

У вивченні проблеми мінливості розпочався новий, винятково плідний період. У короткий термін мутагенний ефект опромінення було досліджено на багатьох об'єктах. Було встановлено, що під дією опромінення можуть виникати будь-які мутації типів. Разом про те вивчення проблеми впливу променистої енергії на біологічні системи вирішальне значення мало з'ясування мутагенної активності різних пологіввипромінювань. Виявилось, що все відомі видивипромінювань здатні викликати спадкові зміни. В середині 30-х років була сформульована теорія, що описує кінетичні залежності інактивуючого та мутагенного ефекту іонізуючих випромінювань- Так звана "теорія мішені". Найважливіші експерименти, що стали основою цієї теорії, були виконані в період 1931 – 1937 рр. М. В. Тимофеєвим-Ресовським, М. Дельбрюком, Р. Циммером та іншими дослідниками.

Важливим досягненням шляху до штучному отриманню мутацій стали роботи У. У. Сахарова (1932, 1938) і М. Є. Лобашева (1934, 1935) з хімічного мутагенезу. Сахаров показав мутагенну дію йоду, а Лобашев – амонію. Новий етап вивчення ролі хімічних чинників у процесі мутацій було відкрито І. А. Рапопортом (1943, 1946, 1947) та Ш. Ауербах (1943), які вказали на потужну мутагенну дію деяких хімічних речовин.

В даний час відома велика кількість речовин, що посилюють мутаційний процес. Розроблено теорію дії мутагенних сполук на спадкові структури, інтенсивно розробляються проблеми специфічності дії мутагенів.

Класифікація мутацій

Великий матеріал, що накопичився у сфері вивчення спадкової мінливості, дозволив створити класифікацію типів мутацій.

Було встановлено існування трьох класів мутацій – генних, хромосомних та геномних. До першого класу відносяться зміни, що зачіпають лише один ген. У цьому випадку або повністю порушується робота гена і, отже, організм втрачає одну з функцій або змінюється його функція. Хромосомні мутації, т. е. зміни у структурі хромосом, своєю чергою, поділяються кілька типів. Крім транслокацій, про які йшлося вище, може статися подвоєння, потроєння і т. д. окремих ділянок хромосоми. Такі мутації називають дуплікацією. Шматок хромосоми, що іноді відірвався, може залишитися в тій же хромосомі, але опиниться в перевернутому вигляді; при цьому порядок розташування генів у хромосомі змінюється. Цей тип мутацій називають інверсією. Якщо втрачається ділянка хромосоми, говорять про делецію, або нестачу. Усі ці типи хромосомних перебудов об'єднують під загальним терміном – хромосомні аберації.

Нарешті, мутації можуть виражатися зміні числа хромосом. Такі мутації називають геномними. Виявилося, що окремі хромосоми можуть подвоюватись або губитися, внаслідок чого утворюються гетероплоїди. Найчастіше набір хромосом збільшується в кратне число разів і виникають поліплоїди, тобто клітини або цілі організми з надмірними наборами хромосом.

Вивчення наборів хромосом (каріотипів) різних видів виявило широку поширеність поліплоїдії в природі, особливо серед рослин, для багатьох з яких описано велику кількість поліплоїдних рядів. Наприклад, представники роду Triticum розташовуються в такий ряд - Triticum топососит має 14 хромосом (диплоїди); Tr. turgidum, Tr. durum несуть 28 хромосом (тетраплоїди); у Tr. vulgare та Tr. spelta число хромосом дорівнює 42 (гексаплоїди). У роді Solanum простежений ряд: 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 144 хромосом (гаплоїдна кількість хромосом у цьому роді може множитися до 24 разів). Рід Rosa характеризується поряд: 14, 21, 28, 35, 42, 56 хромосом. Поліплоїдні ряди не обов'язково містять члени з подвоєними, вчетверенними, ушестереними тощо наборами хромосом. Так, у роді Crepis спостерігається чітко виражена поліплоїдія, але число хромосом у ряду зростає так: 6, 8, 10, 12, 16, 18, 24, 40, 42. Таких пологів у рослинному царстві багато.

Штучне отримання поліплоїдів

Після виявлення природних поліплоїдів вдалося штучно одержати поліплоїди різних організмів. Це відкриття стало найважливішим досягненням експериментальної генетики.

Одними з перших штучних поліплоїдів виявилися томати і паслін з вченими наборами хромосом, отримані Г. Вінклером в 1916 р. З відкриттям поліплоїдогенних речовин (алкалоїд колхіцин, продукт сублімації нафти - ацетанафтен та ін) стало можливим надзвичайно прискорити отримання поліплоїдів. селекцію нових, високоврожайних сортів рослин

У 1927 р. Г. Д. Карпеченко методом поліплоїдії вперше у світі створив новий організм, що не зустрічається в природі, названий Raphanobrassica, в якому хромосоми редьки (Raphanus) об'єдналися з хромосомами капусти (Brassica). Залежно від вмісту хромосом тієї чи іншої у клітинах нової рослини змінювалася форма його плодів. Так, при рівній кількості тих та інших хромосом плід був наполовину рідкісним, наполовину капустяним; при поєднанні 9 редисових хромосом і 18 капустяних він на дві третини був капустяним і на третину рідинним і т.д. Шведський генетик А. Мюнтцинг (1930), застосувавши метод схрещувань, зумів з двох 16-хромосомних видів пікульника (Galeopsis speciosa, G. pubescens) отримати третій – 32-хромооомний – G. tetrahit (1932).

Надалі було з'ясовано, що поліплоїдія не обмежується світом рослин. Застосувавши той самий метод поліплоїдизації, Б. Л. Астауров досяг у 40-х роках отримання плідних гібридів при схрещуванні шовкопрядів двох видів Воmbух mori та В. mandarina.

Вивчення генетичних засад еволюції

p align="justify"> Доказ положення про незникнення рецесивних ознак при схрещуванні організмів, висунутого Менделем, виявилося дуже важливим для розвитку еволюційного вчення. Це становище дозволило подолати заперечення, висловлене англійським математиком Ф. Дженкіном, ніби спадкові зміни, що виникають у природі, не можуть поширюватися в природі через "розчинення" серед навколишньої маси нормальних незмінних особин. Після перевідкриття законів Менделя і докази, що фактори, що визначають розвиток успадкованих ознак, передаються нащадкам не дроблячись, "кошмар Джен-кіпа" був розвіяний. Стало ясно, що всі мутації, що виникають у природних умовах, не зникають, а переходять або в рецесивний стан, або залишаються домінантними (див. розділ 17).

У 1904 р. К. Пірсон обґрунтував так званий закон стабілізуючого схрещування, згідно з яким в умовах вільного схрещування за будь-якого вихідного співвідношення чисельності гомозиготних і гетерозиготних батьківських форм у результаті першого ж схрещування всередині спільноти встановлюється стан рівноваги. У 1908 р. англійський математик Г. Харді дійшов висновку, що в необмежено великих популяціях за наявності вільного схрещування, за відсутності тиску мутацій, міграцій і відбору відносна чисельність гомозиготних (як домінантних, так і рецесивних) і гетерозиг рівності добутку числа гомозиготних (домінантних на рецесивних) особин квадрату половини числа гетерозиготних форм. Таким чином, згідно із законом Харді (називається часто також законом Харді - Вейберга), у популяції за наявності вільного схрещування має існувати певний і рівноважно підтримуваний розподіл мутантних форм. Слід наголосити, що хоча математично строга форма зазначених закономірностей давала цілком чітке уявлення про генетичні основи еволюційного процесу, ці закономірності тривалий час не були визнані біологами-еволюціоністами. Між дарвінізмом та генетикою існувала прірва, а роботи в одній області велися у повному відриві від робіт в іншій.

Лише в 1926 р. С. С. Четвериковим була опублікована велика робота, що вперше привернула увагу до загальнобіологічного значення викладок Пірсона, Харді та ін. умовах вільного схрещування, роль природного відбору та ізоляції, роль генотипного середовища) та заклав основи нової наукової дисципліни - популяційної генетики. Подальший розвиток популяційної генетики було з роботами З. Райта, Р. Фішера, М. П. Дубініна, Ф. Р. Добжанського та інших.

Четвериков та її учні М. До. Бєляєв, З. М. Гершензон, П. Ф. Рокицький і Д. Д. Ромашов вперше здійснили експериментально-генетичний аналіз природних популяцій дрозофіли, який повністю підтвердив їхню насиченість рецесивними мутаціями. Аналогічні результати були отримані Е. А. і Н. В. Тимофєєвими-Ресовськими при вивченні популяцій дрозофіли (1927 – 1931), а також іншими дослідниками.

Ідеї ​​Четверикова послужили основою подальшого вивчення генетики популяцій. Закономірності, виведені Пірсоном і Харді, були справедливі лише " ідеальних " популяцій. Подальший аналіз висновків цих авторів показав, що вони придатні лише абстрактної, не обмеженою за чисельністю популяції; у реальних популяціях спостерігається відхилення фактичної частоти збереження мутацій від очікуваної. Цей процес здійснюється згідно з імовірнісними законами і призводить до різкої перебудови генетичної структури популяції. Оскільки з усього потомства будь-якої пари батьків досягають статевої зрілості і дають потомство в середньому тільки дві особи, то можливість збереження в популяції новоствореної мутації залежить від багатьох причин (ймовірності її загибелі; частоти повторного виникнення такої ж мутації; відмінностей у чисельності нащадків, що залишаються від різних батьків, ступеня ізоляції в популяції тощо).

Було встановлено, що збереження та поширення мутацій у популяції визначається генетико-автоматичними процесами. Детальний аналіз цих процесів було проведено Ромашовим (1931), Дубініним (1931) та Райтом (1921, 1931). Останній назвав їх " явищем дрейфу генів у популяції " , а Четвериков - " генетико-стохастическими " , підкресливши їх вероятностно-статистическую природу. Статистичний аналіз, Підкріплений експериментами в реальних популяціях, показав, що в середньому з 104 різних одночасно виникли мутацій через 100 поколінь залишається близько 150 мутацій, а через 500 поколінь - лише 40 *. Таким чином, в результаті генетико-автоматичних процесів знищується безліч мутацій, що виникають, і лише деякі доводяться до рівня помітних концентрацій. Оскільки відбір у популяції сильно залежить від середніх концентрацій алелей, підвищення чисельності окремих мутацій з допомогою генетико-автоматичних процесів має призводити до різкого збільшення швидкості відбору популяції. В силу імовірнісної природи генетико-автоматичних процесів вони можуть усувати окремі мутації, то піднімати їх чисельність, дозволяючи добору здійснювати механізм "проб і помилок". Генетико-автоматичні процеси постійно виносять рідкісні мутації рівня дії відбору і цим допомагають останньому швидко "переглянути" нові варіанти мутантів. Якщо відбір бракує мутації, вони швидко йдуть у зону низьких концентрацій чи зовсім зникають із популяції; якщо відбір їх підхоплює, вони швидко поширюються популяції, минаючи довгу фазу перебування в низькій концентрації, недоступну добору. Таким чином, генетико-автоматичні процеси прискорюють еволюцію нових мутацій за рахунок скорочення ранніх етапів розмноження новостворених мутацій.

* (І. П. Дубінін. Еволюція популяцій та радіація. М., Атоміздат, 1966.)

Детальне вивчення генетичної структури природних популяцій та швидкості поширення мутацій у природі перетворилося зараз на галузь біології, що активно розробляється на основі математичних методів. p align="justify"> Велике значення для розвитку цієї області мають модельні експерименти, в яких досліджується доля експериментально створених популяцій і визначається роль різних форм ізоляції та відбору.

Проблема подрібнення гена

На початку 1930-х XX в. склалися основи теорії гена. Вже перші здобутки гібридологічного аналізу поставили проблему дискретності спадкового матеріалу. У дослідах Менделя це уявлення отримало надійне експериментальне підтвердження. Вважалося, що ген відповідає за розвиток однієї ознаки і передається при схрещування як неподільне ціле. Відкриття мутацій та кросинговера спочатку також підтверджували неподільність генів. Так, А. Кател отримав з мутантних (жовтих) дрозофіл інших мутантів, але при цьому будь-яка нова мутація захоплювала весь ген. Н. В. Тимофєєв-Ресовський (1925-1929), Г. Меллер (1928) і М. Демерець (1928), отримавши так звані зворотні мутації (тобто перетворивши мутантних мух на нормальних), переконалися, що один стан гена повністю змінюється новим. При вивченні кросинговера було також встановлено, що під час цього процесу можуть передаватися шматки хромосом різної довжини, але мінімальна ділянка, що передається, відповідає одному гену. Розривів у межах гена ніколи не спостерігали. В результаті узагальнення всіх цих даних визначення гена отримало таке формулювання: ген - це елементарна одиниця спадковості, що характеризується цілком певною функцією, що мутує під час кросинговеру як ціле. Інакше висловлюючись, ген - одиниця генетичної функції, мутації і кросинговера.

У 1928 р. ця, здавалося, цілком усталена теорія неподільності гена зазнала перше обмеження. Відразу після виявлення мутагенної дії рентгенових променів вони були використані у багатьох лабораторіях світу для одержання мутацій. Така робота велася й у лабораторії А. С. Серебровського у Біологічному інституті ім. К. А. Тімірязєва. У 1928 р. у тій же лабораторії Н. П. Дубінін почав досліджувати дію рентгенових променів на дрозофіл та виявив незвичайну мутацію. Утворення щетинок на тілі мух контролюється спеціальним геном scute. Мутація гена scute, вперше виявлена ​​американським генетиком Пейном (1920), неодноразово виникала експериментах, і за її появі придушувався розвиток дев'яти щетинок. Мутація scute, виявлена ​​Дубініним, придушувала розвиток лише чотирьох щетинок. Оскільки загальноприйнятим було уявлення про цілісне мутування гена, поява такої мутації здавалося абсолютно незрозумілою. У наступному експерименті було знайдено мутацію, що зачіпала вже не 4 або 9, а 18 щетинок на тілі мухи. Іншими словами, було пошкоджено ніби одразу два гени. Дубінін позначив ці мутації символами scute-1, scute-2 та scute-3. Стало ясно, що ген не є неподільною генетичною структурою, а є область хромосоми, окремі ділянки якої можуть мутувати незалежно один від одного. Це було названо Серебровським ступінчастим алеломорфізмом.

Слідом за Н. П. Дубініним І. І. Агол знайшов четверту мутацію - scute-4, що не збігалася з першими трьома; А. Є. Гайсинович – scute-5; потім А. С. Серебровський виявив мутацію scute-б; С. Г. Левіт – scute-7; Б. Н. Сидоров – scute-8; Н. П. Дубінін - мутації scute-9, scute-10, scute-11, scute-13, scute-15, scute-16, scute-17; H. І. Шапіро - scute-12; Л. Ст Феррі - scute-14. Тим самим було явище подрібнення гена було остаточно доведено.

Однією з великих переваг робіт з вивчення ступінчастих алеломорфів був кількісний методобліку мутантів. Розробивши систему, що дозволяла кількісно оцінювати результат кожної мутації, Серебровський, Дубінін та інші автори тоді розкрили явище доповнення одного мутантного гена іншим. У цьому порушена функція одного гена виправлялася нормальної функцією іншого гена. Другий ген, своєю чергою, міг бути дефектний у іншому ділянці, нормальному в першого гена. Це явище було згодом перевідкрите на мікроорганізмах і отримало назву комплементації. За цикл робіт з хромосомної теорії спадковості та теорії мутацій Дубінін був удостоєний 1966 р. Ленінської премії.

Показавши мутаційну дробність гена, Серебровський і його лабораторії, проте, тривалий час було неможливо підтвердити дробимість гена з допомогою кросинговера. Справа в тому, що роздільна здатність кросинговеру щодо хромосом вищих організмів дуже обмежена. Щоб виявити розрив гена, потрібно перевірити величезну кількість мух. Організувати такий експеримент вдалося лише у 1938 р., коли М. П. Дубінін, Н. Н. Соколов та Г. Г. Тиняков змогли розірвати ген scute та перевірити свій результат цитологічно на гігантських хромосомах слинних залоз дрозофіли. Остаточне вирішення питання, чи ділимо ген як мутаційно, а й механічно, було досягнуто роботах М. Гріна (1949), Еге. Льюїса (1951) і Р. Понтекорво (1952). Було остаточно встановлено, що вважати ген надзвичайно стійкою, далі неподільною структурою неправильно. Настав час розробити нову теорію гена, визначити конкретні фізичні структури, відповідальні реалізацію різних генетичних функцій. Вирішити ці проблеми на складних багатоклітинних організмах через суто технічні труднощі було неможливо, бо цього необхідно було досліджувати десятки і сотні тисяч мух. На допомогу прийшли мікроорганізми.

Перехід до генетичних досліджень на мікроорганізмах став найбільшим кроком уперед у вивченні генетичних проблем. Нові об'єкти дослідження мали ту перевагу, що вони давали величезні популяції, надзвичайно швидко розмножувалися, мали гранично простий генетичний апарат (їх хромосоми складаються з однієї молекули ДНК), у них були чіткі, добре селекціоновані мутанти. З розвитком експериментів на мікроорганізмах генетика перейшла молекулярний рівень досліджень, які принесли розгадку багатьох таємниць організації живого.

Хромосомна теорія спадковості

Формування хромосомної теорії

У 1902-1903 pp. американський цитолог У. Сеттон та німецький цитолог та ембріолог Т. Бовері незалежно один від одного виявили паралелізм у поведінці генів та хромосом у ході формування гамет та запліднення. Ці спостереження стали основою припущення, що гени розташовані в хромосомах. Проте експериментальний доказ локалізації конкретних генів у конкретних хромосомах було отримано лише 1910 р. американським генетиком Т. Морганом, який у роки (1911—1926) обгрунтував хромосомну теорію спадковості. Згідно з цією теорією, передача спадкової інформації пов'язана з хромосомами, в яких лінійно, у певній послідовності, локалізовані гени.

Морган та його учні встановили таке:

1. Гени, які розташовані в одній хромосомі, успадковуються спільно або зчеплено.

2. Групи генів, що розташовані в одній хромосомі, утворюють групи зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному набору хромосом у гомогаметних особин і п+1 у гетерогаметних особин.

3. Між гомологічними хромосомами може відбуватися обмін ділянками (кросинговер); в результаті кросин-говер виникають гамети, хромосоми яких містять нові комбінації генів.

4. Частота кросинговеру між гомологічними хромосомами залежить від відстані між генами, локалізованими в одній хромосомі. Чим ця відстань більша, тим вища частота кросинговера. За одиницю відстані між генами приймають 1 морганіду (1% кросинговеру) або відсоток появи кросоверних особин. При значенні цієї величини 10 морганід можна стверджувати, що частота перехрестя хромосом у точках розташування даних генів дорівнює 10% і що в 10% потомства будуть виявлені нові генетичні комбінації.

5. Для з'ясування характеру розташування генів у хромосомах та визначення частоти кросинговера між ними будують генетичні карти. Карта відображає порядок розташування генів у хромосомі та відстань між генами однієї хромосоми. Ці висновки Моргана та його співробітників отримали назву хромосомної теорії спадковості. Найважливішими наслідками цієї теорії є сучасні уявлення про ген як про функціональну одиницю спадковості, його подільність та здатність до взаємодії з іншими генами.

Таким чином, саме хромосоми є матеріальною основою спадковості.

Формуванню хромосомної теорії сприяли дані, отримані щодо генетики статі, коли було встановлено розбіжності у наборі хромосом в організмів різних статей.

Генетика статі

Підлога, як і будь-яка інша ознака організму, спадково детермінована. Найважливіша роль генетичної детермінації статі й у підтримці закономірного співвідношення статей належить хромосомному апарату.

Розглянемо хромосомне визначення статі. Відомо, що у роздільностатевих організмів співвідношення статей зазвичай становить 1:1, тобто чоловічі та жіночі особини зустрічаються однаково часто. Це співвідношення збігається з розщепленням в схрещуванні, що аналізує, коли одна з схрещуваних форм є гетерозиготною (Аа), а інша — гомозиготною за рецесивними алелями (аа). У потомстві у разі спостерігається розщеплення щодо 1Аа:1аа. Якщо підлога успадковується за таким же принципом, то цілком логічно було б припустити, що одна підлога має бути гомозиготною, а інша — гетерозиготною. Тоді розщеплення по підлозі має бути у кожному поколінні рівним 1.1, що й спостерігається насправді.

При вивченні хромосомних наборів самців та самок ряду тварин між ними були виявлені деякі відмінності. Як у чоловічих, і у жіночих особин переважають у всіх клітинах є пари однакових (гомологічних) хромосом, але з однієї парі хромосом вони різняться. Такі хромосоми, якими самці і самки відрізняються друг від друга, називають статевими хромосомами. Ті з них, які є парними в однієї зі статей, називають X-хромосомами. Непарна статева хромосома, що є у особин лише однієї статі, була названа У-хромосомою. Хромосоми, щодо яких між самцями та самками немає відмінностей, називають аутосомами.

У птахів, метеликів і плазунів самці є гомога-метною підлогою, а самки - гетерогаметним (типу XY або типу ХО). Статеві хромосоми у цих видів іноді позначають буквами Z та W, щоб виділити таким чином даний спосіб визначення статі; при цьому самці позначаються символом ZZ, а самки символом ZW або Z0.

Наслідування ознак, зчеплених зі статтю

У тому випадку, коли гени, що контролюють формування тієї чи іншої ознаки, локалізовані в аутосомах, успадкування здійснюється незалежно від того, хто з батьків (мати чи батько) є носієм ознаки, що вивчається. Якщо гени перебувають у статевих хромосомах, характер успадкування ознак різко змінюється.

Ознаки, гени яких локалізовані у статевих хромосомах, називаються ознаками, зчепленими зі статтю. Це було відкрито Т. Морганом.

Хромосомні набори різних статей відрізняються за будовою статевих хромосом. Ознаки, що визначаються генами статевих хромосом, називають зчепленими зі статтю. Характер спадкування залежить від розподілу хромосом у мейозі. У гетерогаметних статей ознаки, зчеплені з Х-хромосомою і не мають алелю в У-хромосомі, виявляються навіть у тому випадку, коли ген, що визначає розвиток цих ознак, - рецесивний. Підлога організму визначається в момент запліднення і залежить від хромосомного набору зиготи, що утворилася. У птахів гетерогаметні є самки, а гомогаметними - самці.

Зчеплене успадкування

Незалежне комбінування ознак (третій закон Менделя) здійснюється за умови, що гени, що визначають ці ознаки, знаходяться в різних парахгомологічних хромосом. Отже, у кожного організму кількість генів, здатних незалежно комбінуватися в мейозі, обмежена кількістю хромосом. Однак у організмі кількість генів значно перевищує кількість хромосом.
У кожній хромосомі локалізовано безліч генів. Гени, локалізовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення та успадковуються разом.

Спільне успадкування генів X Морган запропонував назвати зчепленим успадкуванням. Число груп зчеплення відповідає гаплоїдним набором хромосом, оскільки групу зчеплення становлять дві гомологічні хромосоми, в яких локалізовані однакові гени.

Спосіб успадкування зчеплених генів відрізняється від успадкування генів, локалізованих у різних парах гомологічних хромосом. Так, якщо при незалежному комбінуванні дигібрид утворює чотири типи гамет (АВ, Аb, аВ і аb) у рівних кількостях, то такий же дигібрид утворює лише два типи гамет: (АВ та аb) теж у рівних кількостях. Останні повторюють комбінацію генів у хромосомі батька.

Було встановлено, що крім звичайних гамет виникають й інші —Аb і аВ — з новими комбінаціями генів, відмінними від батьківської гамети. Причиною виникнення нових гамет є обмін ділянками гомологічних хромосом, або кросинговер.

Кросинговер відбувається у профазі I мейозу під час кон'югації гомологічних хромосом. У цей час частини двох хромосом можуть перехрещуватися та обмінюватися своїми ділянками. В результаті виникають якісно нові хромосоми, що містять ділянки (гени) як материнських, так і батьківських хромосом. Особи, які виходять з таких гамет з новим поєднанням алелів, отримали назву кросинговірних або рекомбінантних.

Частота (відсоток) перехреста між двома генами, які розташовані в одній хромосомі, пропорційна відстані між ними. Кросинговер між двома генами відбувається тим рідше, чим ближче один до одного вони розташовані. У міру збільшення відстані між генами дедалі більше зростає ймовірність того, що кросинговер розведе їх за двома різними гомологічними хромосомами.

Відстань між генами характеризує силу їхнього зчеплення. Є гени з високим відсотком зчеплення і такі, де зчеплення майже виявляється. Однак при зчепленому наслідуванні максимальна величина кросинговеру не перевищує 50%. Якщо ж вона вища, то спостерігається вільне комбінування між парами алелів, що не відрізняється від незалежного спадкування.

Біологічне значення кросинговера надзвичайно велике, оскільки генетична рекомбінація дозволяє створювати нові, які раніше не існували комбінації генів і тим самим підвищувати спадкову мінливість, яка дає широкі можливості адаптації організму в різних умовах середовища. Людина спеціально проводить гібридизацію з метою отримання необхідних варіантів комбінацій для використання у селекційній роботі.

Поняття про генетичну карту

Т. Морган та його співробітники К. Бріджес, А. Стертеванті Г. Меллер експериментально показали, що знання явищ зчеплення та кросинговера дозволяє не тільки встановити групу зчеплення генів, але й побудувати генетичні карти хромосом, на яких вказано порядок розташування генів у хромосомі та відносні відстані між ними.

Генетичною картою хромосом називають схему взаємного розташування генів, що у одній групі зчеплення. Такі карти складаються кожної пари гомологічних хромосом.

Можливість подібного картування заснована на сталості відсотка кросинговеру між певними генами. Генетичні карти хромосом складені багатьох видів організмів.

Наявність генетичної карти свідчить про високого ступенявивченості того чи іншого виду організму і становить великий науковий інтерес. Такий організм є чудовим об'єктом щодо подальших експериментальних робіт, мають не лише наукове, а й практичне значення. Зокрема, знання генетичних карт дозволяє планувати роботи з одержання організмів із певними поєднаннями ознак, що тепер широко використовується у селекційній практиці.

Порівняння генетичних карт різних видів живих організмів сприяє також розумінню еволюційного процесу.

Основні положення хромосомної теорії спадковості

Гени локалізовані у хромосомах. При цьому різні хромосоми містять неоднакове число генів. Крім того, набір генів кожної з негомологічних хромосом унікальний.

Алельні гени займають однакові локуси в гомологічних хромосомах.

Гени розташовані в хромосомі у лінійній послідовності.

Гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення, завдяки ньому відбувається зчеплене успадкування деяких ознак. При цьому сила зчеплення перебуває у зворотній залежності від відстані між генами.

Кожен біологічний вид характеризується певним набором хромосом каріотипом.

Ув'язнені у ядрі клітини, є носіями генів і є матеріальну основу спадковості, тобто. Спадкоємність властивостей організмів у ряді поколінь визначається наступністю їх хромосом. Х. т.з. виникла на початку 20 ст. на основі клітинної теорії та використання для вивчення спадкових властивостей організмів гібридологічного аналізу.

У 1902 У. Сеттон у США, який звернув увагу на паралелізм у поведінці хромосом та менделівських т.з. "Спадкових факторів", і Т. Бовері в Німеччині висунули хромосомну гіпотезу спадковості, згідно з якою менделівські спадкові фактори (назва згодом генами) локалізовані в хромосомах. Перші підтвердження цієї гіпотези були отримані щодо генетичного механізму визначення статі у тварин, коли було з'ясовано, що в основі цього механізму лежить розподіл статевих хромосом серед нащадків. Подальше обґрунтування Х. т.з. належить американському генетику Т. Х. Моргану, який помітив, що передача деяких генів (наприклад, гена, що зумовлює білоокість у самок дрозофіли при схрещуванні з червоноокими самцями) пов'язана з передачею статевої Х-хромосоми, тобто що успадковуються ознаки, статтю (у людини відомо кілька десятків таких ознак, у тому числі деякі спадкові дефекти - дальтонізм, гемофілія та ін.).

Доказ Х. т. зв. було отримано в 1913 американським генетиком К. Бріджес, який відкрив нерозбіжність хромосом в процесі мейозу у самок дрозофіли і відзначив, що порушення в розподілі статевих хромосом супроводжується змінами в успадкування ознак, зчеплених зі статтю.

З розвитком Х. т. зв. було встановлено, що гени, розташовані в одній хромосомі, становлять одну групу зчеплення і повинні успадковуватись спільно; число груп зчеплення дорівнює числу пар хромосом, постійному кожному за виду організмів ; ознаки, залежні від зчеплених генів, також успадковуються разом. Внаслідок цього закон незалежного комбінування ознак повинен мати обмежене застосування; незалежно повинні успадковуватись ознаки, гени яких розташовані в різних (негомологічних) хромосомах. Явище неповного зчеплення генів (коли поряд з батьківськими поєднаннями ознак у потомстві від схрещувань виявляються і нові, рекомбінантні, їх поєднання) було докладно досліджено Морганом та його співробітниками (А. Г. Стертевантом та ін) і послужило обґрунтуванням лінійного розташування генів. Морган припустив, що зчеплені гени гомологічних хромосом, що знаходяться у батьків у поєднаннях і в мейозі у гетерозиготної форми можуть змінюватися місцями, в результаті чого поряд з гаметами АВ і ab утворюються гамети Ab і аВ. Подібні перекомбінації відбуваються завдяки розривам гомологічних хромосом на ділянці між генами і подальшому з'єднанню розірваних кінців у новому поєднанні: Реальність цього процесу, названого перехрестом хромосом, або кросинговером, була доведена в 1933 ньому, вченим К. Штерном у. Крейтономі Б. Мак-Клінток - з кукурудзою. Чим далі один від одного розташовані зчеплені гени, тим більша ймовірність кросинговеру між ними. Залежність частоти кросинговера від відстаней між зчепленими генами була використана для побудови генетичних карт хромосом. У 30-х роках. 20 ст. Ф. Добржанський показав, що порядок розміщення генів на генетичних та цитологічних картах хромосом збігається.

Згідно з уявленнями школи Моргана, гени є дискретними і далі неподільними носіями спадкової інформації. Однак відкриття в 1925 радянськими вченими Г. А. Надсоном і Г. С. Філіпповим, а в 1927 американським вченим Г. Меллер впливу рентгенівських променів на виникнення спадкових змін (мутацій) у дрозофіли, а також застосування рентгенівських променів для прискорення дозволили радянським вченим А. С. Серебровського, Н. П. Дубініна та ін. сформулювати в 1928-30 уявлення про подільність гена на більш дрібні одиниці, розташовані в лінійній послідовності і здатні до мутаційних змін. У 1957 ці уявлення були підтверджені роботою американського вченого С. Бензера з бактеріофагом Т4. Використання рентгенівських променів для стимулювання хромосомних перебудов дозволило Н. П. Дубінін і Б. Н. Сидорову виявити в 1934 ефект положення гена (відкритий в 1925 Стертевантом), тобто залежність прояву гена від місця розташування його на хромосомі. Виникло уявлення про єдність дискретності та безперервності у будові хромосоми.

Х. т.з. розвивається у напрямку поглиблення знань про універсальні носії спадкової інформації - молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Встановлено, що безперервна послідовність пуринових та піримідинових основ уздовж ланцюга ДНК утворює гени, міжгенні інтервали, знаки початку та кінця зчитування інформації в межах гена; визначає спадковий характер синтезу специфічних білків клітини та, отже, спадковий характер обміну речовин. ДНК становить матеріальну основу групи зчеплення у бактерій та багатьох вірусів (у деяких вірусів носієм спадкової інформації є рибонуклеїнова кислота) ; молекули ДНК, що входять до складу мітохондрій, пластид та ін органідів клітини, служать матеріальними носіями цитоплазматичної спадковості.

Х. т. н., пояснюючи закономірності успадкування ознак у тварин та рослинних організмів, відіграє важливу роль у с.-г. науці та практиці. Вона озброює селекціонерів методами виведення порід тварин та сортів рослин із заданими властивостями. Деякі положення Х. т. зв. дозволяють раціональніше вести с.-г. Виробництво. Так, явище зчепленого зі статтю успадкування ряду ознак у с.-г. тварин дозволило до винаходу методів штучного регулювання статі у шовковичного шовкопряда вибраковувати кокони менш продуктивної статі, до розробки способу поділу курчат по підлозі дослідженням клоаки - відбраковувати півників і т.п. Найважливіше значення підвищення врожайності багатьох с.-г. культур має використання поліплоїдії. На знанні закономірностей хромосомних перебудов ґрунтується вивчення спадкових захворювань людини.

Закономірності,відкриті школою Моргана, а потім підтверджені н поглиблені на численних об'єктах, відомі під загальною назвою хромосомної теорії спадковості.

Основні положення її такі:

1. Гени перебувають у хромосомах; кожна хромосома являє собою групу зчеплення генів; число груп зчеплення у кожного виду дорівнює числу пар хромосом.

2. Кожен ген у хромосомі займає певне місце (локус); гени у хромосомах розташовані лінійно.

3. Між гомологічними хромосомами відбувається обмін алельними генами.

4. Відстань між генами (локусами) в хромосомі пропорційно числу кросинговера між ними.

У клітинах кожного організму є кілька хромосом. Генів у них дуже багато. Людина має 23 пари (46) хромосом, генів близько 100 000. Гени перебувають у хромосомах. В одній хромосомі локалізовано багато генів. Хромосома з усіма генами, що знаходяться в ній, утворює групу зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдного набору хромосом. Людина має 23 групи зчеплення. Гени, що знаходяться в одній хромосомі, зчеплені не зовсім. Під час мейозу під час кон'югації хромосом гомологічні хромосоми обмінюються частинами. Це явище називають кросинговером, який може статися у будь-якій ділянці хромосоми. Чим далі розташовані один від одного локуси в одній хромосомі, тим частіше між ними може відбуватися обмін ділянками (рис. 76).

У мухи дрозофіли гени довжини крил (V – довгі та v – короткі) та забарвлення тіла (В – сіра та b – чорна) знаходяться в одній парі гомологічних хромосом, тобто. відносяться до однієї групи зчеплення. Якщо схрестити муху, що має сірий колір тіла та довгі крила, з мухою чорного кольору з короткими крилами, то в першому поколінні всі мухи матимуть сірий колір тіла та довгі крила (рис. 77).

Внаслідок схрещування дигетерозиготного самця з гомозиготною рецесивною самкою мухи будуть схожі на батьків. Це тому, що гени, що у однієї хромосомі, успадковуються зчеплено. У самця мухи дрозофіли повне зчеплення. Якщо схрестити дигетерозиготну самку з гомозиготним рецесивним самцем, то частина мух буде схожа на батьків, а у

Рис. 76.Кросинговер.

1 - Дві гомологічні хромосоми; 2 - їхперехрест під час кон'югації; 3 - Дві нові комбінації хромосом.

Інша частина відбудеться перекомбінація ознак. Таке успадкування має місце для генів однієї групи зчеплення, між якими може статися кросинговер. Це приклад неповного зчеплення генів.

Основні положення хромосомної теорії спадковості

. Гени перебувають у хромосомах.

. Гени у хромосомі розташовані лінійно.

Рис. 77.Зчеплене успадкування генів забарвлення тіла та стану крил у плодової мухи.

Ген сірого кольору (В) домінує над геном чорного кольору тіла (b), ген довгих крил (V) – над геном коротких крил (v). В і V знаходяться в одній хромосомі.

а - повне зчеплення генів внаслідок відсутності перехреста хромосом у самців дрозофіли: РР - самка сіра з довгими крилами (BBVV) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv); F 1 - сірий самець з довгими крилами (BbVv) схрещений із чорною короткокрилою самкою (bbvv); F 2 - оскільки у самця не відбувається кросинговера, з'являться два види нащадків: 50% - чорних короткокрилих та 50% - сірих з нормальними крилами; б - неповне (часткове) зчеплення ознак унаслідок перехреста хромосом у самок дрозофіли: РР - самка з довгими крилами (BBVV) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv); F 1 - сіра самка з довгими крилами (BbVv) схрещена з чорним короткокрилим самцем (bbvv). F 2 - оскільки у самки відбувається гомологічних кросинговер хромосом, утворюються чотири типи гамет і з'являться чотири види нащадків: некросовери - сірі з довгими крилами (BbVv) і чорні короткокрилі (bbvv), кросовери - чорні з довгими крилами (bbVv), сірі короткокрилі Bbvv).

. Кожен ген займає певне місце – локус.

. Кожна хромосома є групою зчеплення. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному числу хромосом.

Між гомологічними хромосомами відбувається обмін алельними генами. Відстань між генами пропорційна відсотку кросинговеру між ними.

Запитання для самоконтролю

1. Де є гени?

2. Що таке група зчеплення?

3. Чому дорівнює кількість груп зчеплення?

4. Як зчеплені гени у хромосомах?

5. Як успадковується ознака довжини крил та кольору тіла у мухи дрозофіли?

6. Нащадки з якими ознаками проявиться при схрещуванні гомозиготної самки з довгими крилами та сірим кольоромтіла з гомозиготним чорним самцем із короткими крилами?

7. Нащадок із якими ознаками з'явиться при схрещуванні дигетерозиготного самця з гомозиготною рецесивною самкою?

8. Яке зчеплення генів має місце у самця дрозофіли?

9. Яке потомство буде при схрещуванні дигетерозиготної самки з гомозиготним рецесивним самцем?

10. Яке зчеплення генів має місце у самки дрозофіли?

11. Якими є основні положення хромосомної теорії спадковості?

Ключові слова теми «Хромосомна теорія спадковості»

гени

група зчеплення

довжина

клітини

кон'югація

кросинговер

крила

лінійно локус місце муха

спадковість

обмін

забарвлення

організм пари

перекомбінація

покоління

становище

нащадки

відстань

результат

батьки

самець

самка

схрещування

тіло

теорія

ділянка

хромосоми

колір

частина

людина

число

Хромосомний механізм визначення статі

Фенотипові відмінності між особами різної статі обумовлені генотипом. Гени перебувають у хромосомах. Є правила індивідуальності, сталості, парності хромосом. Диплоїдний набір хромосом називають каріотипом.У жіночому та чоловічому каріотипі 23 пари (46) хромосом (рис. 78).

22 пари хромосом однакові. Їх називають аутосомами. 23 пара хромосом - статеві хромосоми.У жіночому каріотипі одина-

Рис. 78.Каріотипи різних організмів.1 - Людину; 2 - Комара; 3 рослини скерди.

кові статеві хромосоми ХХ. У чоловічому каріотипі статеві хромосоми XY. Y-хромосома дуже мала і містить мало генів. Поєднання статевих хромосом у зиготі визначає стать майбутнього організму.

При дозріванні статевих клітин у результаті мейозу гамети одержують гаплоїдний набір хромосом. У кожній яйцеклітині є 22 аутосоми + Х-хромосоми. Підлога, що утворює гамети, однакові за статевою хромосомою, називають гомогаметною статтю. Половина сперматозоїдів містить - 22 аутосоми + Х-хромосоми, а половина 22 аутосоми + Y. Підлога, що утворює гамети, різні за статевою хромосомою, називають гетерогаметною. Стать майбутньої дитини визначається на момент запліднення. Якщо яйцеклітина запліднена сперматозоїдом, що має Х-хромосому, розвивається жіночий організм, якщо Y-хромосому – чоловічий (рис. 79).

Рис. 79.Хромосомний механізм утворення статі.

Імовірність народження хлопчика чи дівчинки дорівнює 1:1 чи 50%:50%. Таке визначення статі характерне для людини та ссавців. У деяких комах (коники та таргани) немає Y-хромосоми. Самці мають одну Х – хромосому (Х0), а самки – дві (ХХ). У бджіл самки мають 2n набір хромосом (32 хромосоми), а самці - n (16 хромосом). У жінок у соматичних клітинах дві статеві Х-хромосоми. Одна з них утворює глибину хроматину, яка помітна в інтерфазних ядрах при обробці реактивом. Ця глибка – тільце Барра. У чоловіків тільце Барра відсутнє, тому що у них лише одна Х-хромосома. Якщо при мейозі в яйцеклітину потрапляє відразу дві ХХхромосоми і така яйцеклітина буде запліднена сперматозоїдом, то зигота матиме більше хромосом.

Наприклад, організм із набором хромосом ХХХ (трисомія по Х-хромосомі)за фенотипом - дівчинка. У неї недорозвинені статеві залози. У ядрах соматичних клітин виділяються два тільця Барра.

Організм із набором хромосом ХХY (синдром Клайнфельтера)за фенотипом - хлопчик. У нього недорозвинені сім'яники, відзначається фізична та розумова відсталість. Є тільце Барра.

Хромосоми ХО (моносомія за Х-хромосомою)- Визначають синдром Шерешевського-ТернераОрганізм із таким набором – дівчинка. У неї недорозвинені статеві залози, малий ріст. Нема тільця Барра. Організм, що не має Х-хромосоми, а містить тільки Y-хромосому - нежиттєздатний.

Спадкування ознак, гени яких перебувають у Х- або Y-хромосомах, називають успадкуванням, зчепленим зі статтю. Якщо гени перебувають у статевих хромосомах, вони успадковуються зчеплено зі статтю.

Людина в Х-хромосомах має ген, що визначає ознаку згортання крові. Рецесивний ген спричинює розвиток гемофілії. У Х-хромосомі є ген (рецесивний), який відповідає за вияв дальтонізму. У жінок дві Х-хромосоми. Рецесивна ознака (гемофілія, дальтонізм) проявляється тільки в тому випадку, якщо гени, що відповідають за нього, будуть перебувати у двох Х-хромосомах: X h X h; X d X d. Якщо в одній Х-хромосомі буде домінантний ген Н або D, а в іншій – рецесивний h або d, то гемофілії чи дальтонізму не буде. У чоловіків одна Х-хромосома. Якщо в ній є ген H або h, ці гени обов'язково виявлять свою дію, тому що Y-хромосома не несе цих генів.

Жінка може бути гомозиготною або гетерозиготною за генами, локалізованими в Х-хромосомі, але рецесивні гени виявляються тільки в гомозиготному стані.

Якщо гени знаходяться в Y-хромосомі (голандричне успадкування),то ознаки, ними обумовлені, передаються від батька синові. Наприклад, через Y-хромосому успадковується волохатість вух. У чоловіків одна Х-хромосома. Усі гени, що у ній, зокрема і рецесивні, виявляються у фенотипі. У гетерогаметної статі (чоловічої) більшість генів, локалізованих у Х-хромосомі, знаходяться в гемізиготномустані, тобто не мають алельної пари.

Y-хромосома містить деякі гени, гомологічні генам Х-хромосоми, наприклад гени геморагічного діатезу, загальної кольорової сліпоти та ін. Ці гени успадковуються як через Х-, так і через Y-хромосому.

Запитання для самоконтролю

1. Які правила хромосом є?

2. Що таке каріотип?

3. Скільки аутосом у людини?

4. Які хромосоми у людини відповідають за розвиток статі?

5. Яка ймовірність народження хлопчика чи дівчинки?

6. Як визначають підлогу у коників і тарганів?

7. Як визначають підлогу у бджіл?

8. Як визначають підлогу у метеликів та птахів?

9. Що таке тільце Барра?

10. Як можна визначити наявність тільця Барра?

11.Чим можна пояснити появу більшого чи меншого числа хромосом у каріотипі?

12.Що таке зчеплене зі статтю спадкування?

13. Які гени у людини успадковуються зчеплено зі статтю?

14. Як і чому виявляють свою дію рецесивні гени, зчеплені зі статтю у жінок?

15. Як і чому виявляють свою дію рецесивні гени, зчеплені з Х-хромосомою у чоловіків?

Ключові слова теми "Хромосомне визначення статі"

автосоми

метелики

ймовірність

волохатість вух

гамети

генотип

гени

гетерогаметна підлога

глибка хроматину

гомогаметна підлога

дальтонізм

дівчинка

дія

жінка

зигота

індивідуальність

каріотип

коники

хлопчик

мейоз

ссавець

момент

моносомія

чоловік

набір

комахи

успадкування

носій

обробка реактивом запліднення

організм

особина

парність

пари

стать

статеві клітини

потомство

правила

ознака

птахи

бджоли

розвиток

відмінності

народження

зріст

згортання крові сім'яники синдром Дауна

синдром Клайнфельтера

синдром Шершевського-Тернера

сліпота

дозрівання

стан

поєднання

сперматозоїди

син

таргани

тільце Барра

трисомія

Y-хромосома

фенотип

хромосома

Х-хромосома

людина

ядро

яйцеклітина

І запліднення. Ці спостереження стали основою припущення, що гени розташовані в хромосомах. Проте експериментальний доказ локалізації конкретних генів у конкретних хромосомах було отримано лише у р. американським генетиком Т. Морганом, який у наступні роки (-) обгрунтував хромосомну теорію спадковості. Згідно з цією теорією, передача спадкової інформації пов'язана з хромосомами, в яких лінійно, у певній послідовності, локалізовані гени. Таким чином, саме хромосоми є матеріальною основою спадковості.

Формуванню хромосомної теорії сприяли дані, отримані щодо генетики статі, коли було встановлено розбіжності у наборі хромосом в організмів різних статей.

Генетика статі

Подібний метод визначення статі (XY-тип) притаманний всім ссавцям, зокрема й людині, клітини якого містять 44 аутосоми і дві X-хромосоми в жінок чи XY-хромосоми в чоловіків.

Таким чином, XY-тип визначення статі, або тип дрозофіли та людини, - найпоширеніший спосіб визначення статі, характерний більшості хребетних і деяких безхребетних . Х0-тип зустрічається у більшості прямокрилих, клопів, жуків, павуків, у яких Y-хромосоми немає зовсім, тому самець має генотип Х0, а самка - XX.

У всіх птахів, більшості метеликів і деяких плазунів самці є гомогаметною статтю, а самки - гетерогаметною (типу XY або типу ХО). Статеві хромосоми у цих видів позначають літерами Z і W, щоб виділити таким чином даний спосіб визначення статі; при цьому набір хромосом самців позначають символом ZZ, а самки символом ZW або Z0.

Докази того, що статеві хромосоми визначають стать організму, були отримані при вивченні нерозбіжності статевих хромосом у дрозофіли. Якщо в одну з гамет потраплять обидві статеві хромосом, а в іншу - жодної, то при злитті таких гамет з нормальними можуть вийти особини з набором статевих хромосом ХХХ, ХО, ХХУ та ін. З'ясувалося, що у дрозофіли особини з набором ХО - самці , а з набором ХХУ – самки (у людини – навпаки). Особи з набором ХХХ мають гіпертрофовані ознаки жіночої статі (надсамки). (Особи з усіма цими хромосомними абераціями у дрозофіли стерильні). Надалі було доведено, що у дрозофіли стать визначається співвідношенням (балансом) між числом X-хромосом і числом наборів аутосом.

Наслідування ознак, зчеплених зі статтю

У тому випадку, коли гени, що контролюють формування тієї чи іншої ознаки, локалізовані в аутосомах, успадкування здійснюється незалежно від того, хто з батьків (мати чи батько) є носієм ознаки, що вивчається. Якщо гени перебувають у статевих хромосомах, характер успадкування ознак різко змінюється. Наприклад, у дрозофіли гени, локалізовані в X-хромосомі, як правило, не мають алелів в У-хромосомі. З цієї причини рецесивні гени в X-хромосомі гетерогаметної статі практично завжди виявляються, будучи в однині.

Ознаки, гени яких локалізовані у статевих хромосомах, називаються ознаками, зчепленими зі статтю. Явище успадкування, зчепленого зі статтю, було відкрито Т. Морганом у дрозофіли.

Х- та У-хромосоми у людини мають гомологічний (псевдоаутосомний) ділянку, де локалізовані гени, успадкування яких не відрізняється від успадкування аутосомних генів.

Крім гомологічних ділянок, X-і У-хромосоми мають негомологічні ділянки. Негомологічна ділянка У-хромосоми, крім генів, що визначають чоловічу стать, містить гени перетинок між пальцями ніг і волохатих вух у людини. Патологічні ознаки, зчеплені з негомологічною ділянкою У-хромосоми, передаються всім синам, оскільки вони отримують від батька У-хромосому.

Негомологічна ділянка X-хромосоми містить у своєму складі низку важливих для життєдіяльності організмів генів. Оскільки у гетерогаметної статі (ХУ) X-хромосома представлена ​​в однині, то ознаки, що визначаються генами негомологічної ділянки X-хромосоми, будуть проявлятися навіть у тому випадку, якщо вони рецесивні. Такий стан генів називається гемізиготним. Прикладом такого роду X-зчеплених рецесивних ознак у людини є гемофілія, м'язова дистрофія Дюшена, атрофія зорового нерва, дальтонізм (колірна сліпота) та ін.

Гемофілія – це спадкова хвороба, при якій кров втрачає здатність згортатися. Поранення, навіть подряпина або забій, можуть викликати рясні зовнішні або внутрішні кровотечі, які нерідко закінчуються смертю. Це захворювання зустрічається, за рідкісними винятками, тільки у чоловіків. Було встановлено, що обидві найпоширеніші форми гемофілії (гемофілія А та гемофілія В) обумовлена ​​рецесивними генами, локалізованими у X-хромосомі. Гетерозиготні за даними генами жінки (носійки) мають нормальну або дещо знижену згортання крові.

Фенотипічний прояв гемофілії у дівчаток спостерігатиметься у тому випадку, якщо мати дівчинки є носієм гена гемофілії, а батько – гемофіліком. Подібна закономірність успадкування характерна і для інших рецесивних, зчеплених зі статтю ознак.

Зчеплене успадкування

Незалежне комбінування ознак (третій закон Менделя) здійснюється за умови, що гени, що визначають ці ознаки, знаходяться у різних парах гомологічних хромосом. Отже, у кожного організму кількість генів, здатних незалежно комбінуватися в мейозі, обмежена кількістю хромосом. Однак у організмі кількість генів значно перевищує кількість хромосом. Наприклад, у кукурудзи до ери молекулярної біології було вивчено понад 500 генів, у мухи дрозофіли – понад 1 тис., а у людини – близько 2 тис. генів, тоді як хромосом у них 10, 4 та 23 пари відповідно. Те, що кількість генів у вищих організмів становить кілька тисяч, було зрозуміло вже У. Сеттон на початку XX століття. Це дало підставу припустити, що у кожній хромосомі локалізовано безліч генів. Гени, локалізовані в одній хромосомі, утворюють групу зчеплення та успадковуються разом.

Спільне успадкування генів Т. Морган запропонував назвати зчепленим успадкуванням. Число груп зчеплення відповідає гаплоїдному числу хромосом, оскільки групу зчеплення становлять дві гомологічні хромосоми, в яких локалізовані однакові гени. (У особин гетерогаметної статі, наприклад, у самців ссавців, груп зчеплення насправді на одну більше, так як X-і У-хромосоми містять різні гениі є дві різні групи зчеплення. Таким чином, у жінок 23 групи зчеплення, а у чоловіків – 24).

Спосіб успадкування зчеплених генів відрізняється від успадкування генів, локалізованих у різних парах гомологічних хромосом. Так, якщо при незалежному комбінуванні дигетерозиготна особина утворює чотири типи гамет (АВ, Ab, аВ і ab) в рівних кількостях, то при зчепленому успадкування (без кросинговера) така ж дигетерозигота утворює тільки два типи гамет: (АВ і ab) теж в рівних кількостях. Останні повторюють комбінацію генів у хромосомі батька.

Було встановлено, проте, крім звичайних (некросоверных) гамет виникають інші (кросоверные) гамети з новими комбінаціями генів - Ab і аВ, відмінними від комбінацій генів у хромосомах батька. Причиною виникнення таких гамет є обмін ділянками гомологічних хромосом, або кросинговер.

Кросинговер відбувається у профазі I мейозу під час кон'югації гомологічних хромосом. У цей час частини двох хромосом можуть перехрещуватися та обмінюватися своїми ділянками. В результаті виникають якісно нові хромосоми, що містять ділянки (гени) як материнських, так і батьківських хромосом. Особи, які виходять з таких гамет з новим поєднанням алелів, отримали назву кросинговірних або рекомбінантних.

Частота (відсоток) перехреста між двома генами, які розташовані в одній хромосомі, пропорційна відстані між ними. Кросинговер між двома генами відбувається тим рідше, чим ближче один до одного вони розташовані. У міру збільшення відстані між генами дедалі більше зростає ймовірність того, що кросинговер розведе їх за двома різними гомологічними хромосомами.

Відстань між генами характеризує силу їхнього зчеплення. Є гени з високим відсотком зчеплення і такі, де зчеплення майже виявляється. Однак при зчепленому наслідуванні максимальна частота кросинговеру не перевищує 50%. Якщо ж вона вища, то спостерігається вільне комбінування між парами алелів, що не відрізняється від незалежного спадкування.

Біологічне значення кросинговера надзвичайно велике, оскільки генетична рекомбінація дозволяє створювати нові, що раніше не існували комбінації генів і тим самим підвищувати спадкову мінливість, яка дає широкі можливості адаптації організму в різних умовах середовища. Людина спеціально проводить гібридизацію з метою отримання необхідних варіантів комбінацій для використання у селекційній роботі.

Поняття про генетичну карту

Т. Морган та його співробітники К. Бріджес, А. Г. Стертевант та Г. Дж. Меллер експериментально показали, що знання явищ зчеплення та кросинговера дозволяє не тільки встановити групу зчеплення генів, але й побудувати генетичні карти хромосом, на яких вказано порядок розташування генів у хромосомі та відносні відстані між ними.

Генетичною картою хромосом називають схему взаємного розташування генів, що у одній групі зчеплення. Такі карти складаються кожної пари гомологічних хромосом.

Можливість подібного картування заснована на сталості відсотка кросинговеру між певними генами. Генетичні карти хромосом складено багатьом видів організмів: комах (дрозофіла, комар, тарган та інших.), грибів (дріжджі, аспергілл), для бактерій і вірусів.

Наявність генетичної карти свідчить про високий рівень вивченості того чи іншого виду організму і становить великий науковий інтерес. Такий організм є чудовим об'єктом щодо подальших експериментальних робіт, мають не лише наукове, а й практичне значення. Зокрема, знання генетичних карт дозволяє планувати роботи з одержання організмів із певними поєднаннями ознак, що тепер широко використовується у селекційній практиці. Так, створення штамів мікроорганізмів, здатних синтезувати необхідні для фармакології та сільського господарства білки, гормони та інші складні органічні речовини, можливе лише на основі методів генної інженерії, які, у свою чергу, базуються на знанні генетичних карток відповідних мікроорганізмів.

Генетичні карти людини також можуть виявитися корисними у охороні здоров'я та медицині. Знання про локалізації гена у певній хромосомі використовуються при діагностиці низки важких спадкових захворювань людини. Вже тепер з'явилася можливість генної терапії, тобто виправлення структури чи функції генів.

Основні положення хромосомної теорії спадковості

Аналіз явищ зчепленого успадкування, кросинговера, порівняння генетичної та цитологічної карт дозволяють сформулювати основні положення хромосомної теорії спадковості:

• Гени локалізовані у хромосомах. При цьому різні хромосоми містять неоднакове число генів. Крім того, набір генів кожної з негомологічних хромосом унікальний.
• Алельні гени займають однакові локуси в гомологічних хромосомах.
• Гени розташовані в хромосомі у лінійній послідовності.
• Гени однієї хромосоми утворюють групу зчеплення, тобто успадковуються переважно зчеплено (спільно), завдяки чому відбувається зчеплене успадкування деяких ознак. Число груп зчеплення дорівнює гаплоїдному числу хромосом даного виду (у гомогаметної статі) або більше на 1 (у гетерогаметної статі).
• Зчеплення порушується в результаті кросинговера, частота якого прямо пропорційна відстані між генами в хромосомі (тому сила зчеплення знаходиться у зворотній залежності від відстані між генами).
• Кожен біологічний вид характеризується певним набором хромосом-каріотипом.

Джерела

• Н. А. Лемеза Л. В. Камлюк Н. Д. Лісов «Посібник з біології для вступників до ВНЗ»

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .