Téma 32. Chromozómová teória dedičnosť. Morganov zákon

Úvod
1. T. G. Morgan - najväčší genetik 20. storočia.
2. Príťažlivosť a odpudivosť
3. Chromozomálna teória dedičnosti
4. Vzájomné usporiadanie génov
5. Mapy väzbových skupín, lokalizácia génov v chromozómoch
6. Cytologické mapy chromozómov
7. Záver
Bibliografia

1. ÚVOD

Tretí Mendelov zákon – pravidlo nezávislého dedenia postáv – má značné obmedzenia.
V Mendelových vlastných experimentoch a v prvých experimentoch uskutočnených po druhom objave Mendelových zákonov boli do štúdie zahrnuté gény nachádzajúce sa na rôznych chromozómoch, a preto sa nezistili žiadne nezrovnalosti s tretím Mendelovým zákonom. O niečo neskôr sa zistili skutočnosti, ktoré tomuto zákonu odporujú. Ich postupné hromadenie a štúdium viedli k ustanoveniu štvrtého zákona dedičnosti, nazývaného Morganov zákon (na počesť amerického genetika Thomasa Genta Morgana, ktorý ho ako prvý sformuloval a doložil) alebo pravidlo prepojenia.
V roku 1911 v článku „Voľná ​​segregácia ako protiklad k príťažlivosti v mendelovskej dedičnosti“ Morgan napísal: „Namiesto voľnej segregácie v mendelovskom zmysle sme našli „asociáciu faktorov“ lokalizovanú blízko seba na chromozómoch. Cytológia poskytla mechanizmus požadovaný experimentálnymi údajmi.
Tieto slová stručne formulujú hlavné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti, ktorú vypracoval T. G. Morgan.

1. T. G. MRGAN - NAJVÄČŠÍ GENETIC 20. storočia.

Thomas Gent Morgan sa narodil 25. septembra 1866 v Kentucky (USA). V roku 1886 absolvoval univerzitu tohto štátu. V roku 1890 získal T. Morgan titul doktora filozofie a nasledujúci rok sa stal profesorom na ženskej vysokej škole v Pensylvánii. Hlavné obdobie jeho života bolo spojené s Kolumbijskou univerzitou, kde od roku 1904 25 rokov pôsobil ako vedúci katedry experimentálnej zoológie. V roku 1928 bol pozvaný, aby viedol špeciálne pre neho postavené biologické laboratórium na California Institute of Technology v meste neďaleko Los Angeles, kde pracoval až do svojej smrti.
Prvé štúdie T. Morgana boli venované otázkam experimentálnej embryológie.
V roku 1902 mladý americký cytológ Walter Setton (1877-1916), ktorý pracoval v laboratóriu E. Wilsona (1856-1939), naznačil, že zvláštne javy charakterizujúce správanie chromozómov počas oplodnenia boli s najväčšou pravdepodobnosťou mechanizmom mendelovských vzorov. T. Morgan bol dobre oboznámený so samotným E. Wilsonom a s prácou jeho laboratória, a preto, keď v roku 1908 zistil v mužskej fyloxére prítomnosť dvoch odrôd spermií, z ktorých jedna mala ďalší chromozóm, predpoklad spojenie okamžite vyvstali charakteristiky pohlavia so zavedením vhodných chromozómov. T. Morgan teda prešiel k problémom genetiky. Prišiel s myšlienkou, že s chromozómami nie je spojené len pohlavie, ale možno sú v nich lokalizované aj iné dedičné sklony.
Skromný rozpočet univerzitného laboratória prinútil T. Morgana hľadať vhodnejší objekt pre experimenty pri štúdiu dedičnosti. Od myší a potkanov prechádza k ovocnej muške Drosophila, ktorej výber dopadol mimoriadne úspešne. Práca školy T. Morgana a potom väčšiny iných genetických výskumných inštitúcií sa zamerala na tento objekt. Hlavné objavy v genetike 20.-30. XX storočia spojené s Drosophila.
V roku 1910 bola publikovaná prvá genetická práca T. Morgana „Sex-Limited Heredity in Drosophila“, ktorá popisuje mutáciu bielych očí. Následná, skutočne gigantická práca T. Morgana a jeho kolegov umožnila prepojiť údaje cytológie a genetiky do jedného celku a vyvrcholila vytvorením chromozomálnej teórie dedičnosti. Hlavné diela T. Morgana „Štrukturálny základ dedičnosti“, „Génová teória“, „Experimentálne základy evolúcie“ a iné označujú progresívny rozvoj genetickej vedy.
Medzi biológmi dvadsiateho storočia. T. Morgan vyniká ako brilantný experimentálny genetik a ako výskumník širokého spektra problémov.
V roku 1931 bol T. Morgan zvolený za čestného člena Akadémie vied ZSSR a v roku 1933 bol vyznamenaný nobelová cena.

2. Príťažlivosť a odpor

Prvýkrát si odchýlku od pravidla nezávislého dedenia znakov všimli Bateson a Punnett v roku 1906, keď študovali povahu dedenia farby kvetov a tvaru peľu v sladkom hrášku. V hrášku hrachu je fialová farba kvetov (riadená génom B) dominantná nad červenou (v závislosti od génu B) a podlhovastý tvar zrelého peľu ("dlhý peľ") spojený s prítomnosťou 3 pórov, ktoré sú kontrolované. génom L, dominuje „okrúhly“ peľ s 2 pórmi, ktorých tvorbu riadi gén l.
Pri krížení fialového sladkého hrášku s dlhým peľom a červeného sladkého hrášku s okrúhlym peľom majú všetky rastliny prvej generácie fialové kvety a dlhý peľ.
V druhej generácii sa spomedzi 6 952 skúmaných rastlín našlo 4 831 rastlín s fialovými kvetmi a dlhým peľom, 390 s fialovými kvetmi a okrúhlym peľom, 393 s červenými kvetmi a dlhým peľom a 1 338 s červenými kvetmi a okrúhlym peľom.
Tento pomer dobre zodpovedá štiepeniu, ktoré sa očakáva, ak sa počas tvorby gamét prvej generácie gény B a L nachádzajú 7-krát častejšie v kombináciách, v ktorých boli nájdené v rodičovských formách (BL a bl) ako v nových kombináciách (Bl a bL) (tab. 1).
Zdá sa, že gény B a L, ako aj b a l, sa navzájom priťahujú a dajú sa od seba len ťažko oddeliť. Toto správanie génov sa nazývalo génová príťažlivosť. Predpoklad, že gaméty s génmi B a L v kombináciách, v ktorých boli prezentované v rodičovských formách, sa nachádzajú 7-krát častejšie ako gaméty s novou kombináciou (v tomto prípade Bl a bL), sa priamo potvrdil vo výsledkoch ako tzv. analyzovať kríže.
Pri krížení hybridov prvej generácie (F1) (genotyp BbLl) s recesívnym rodičom (bbll) sa získalo nasledovné rozdelenie: 50 rastlín s fialovými kvetmi a dlhým peľom, 7 rastlín s fialovými kvetmi a okrúhlym peľom, 8 rastlín s červenými kvetmi a dlhý peľ a 47 rastlín s červenými kvetmi a okrúhlym peľom, čo veľmi dobre zodpovedá očakávanému pomeru: 7 gamét so starými kombináciami génov na 1 gamétu s novými kombináciami.
V tých kríženiach, kde jeden z rodičov mal genotyp BBll a druhý genotyp bbLL, mala segregácia v druhej generácii úplne iný charakter. V jednom z týchto krížení F2 bolo 226 rastlín s fialovými kvetmi a dlhým peľom, 95 s fialovými kvetmi a okrúhlym peľom, 97 s červenými kvetmi a dlhým peľom a jedna rastlina s červenými kvetmi a okrúhlym peľom. V tomto prípade sa zdá, že gény B a L sa navzájom odpudzujú. Toto správanie dedičných faktorov sa nazývalo génové odpudzovanie.
Keďže príťažlivosť a odpudzovanie génov bolo veľmi zriedkavé, považovalo sa to za nejaký druh anomálie a za druh genetickej zvedavosti.
O niečo neskôr bolo objavených niekoľko ďalších prípadov príťažlivosti a odpudzovania hrášku (tvar kvetu a farba pazuchy listov, farba kvetu a tvar kvetnej plachty a niektoré ďalšie dvojice znakov), ale to nezmenilo celkové hodnotenie fenoménu príťažlivosť a odpudivosť ako anomália.
Hodnotenie tohto javu sa však v rokoch 1910-1911 dramaticky zmenilo. T. Morgan a jeho študenti objavili početné prípady príťažlivosti a odpudzovania u ovocnej mušky Drosophila, veľmi priaznivého objektu pre genetický výskum: jeho pestovanie je lacné a možno ho vykonávať v laboratórne podmienky vo veľmi širokom meradle je životnosť krátka a za jeden rok sa dá získať niekoľko desiatok generácií, riadené kríženia sú ľahko realizovateľné, existujú len 4 páry chromozómov vrátane páru sexuálnych, ktoré sú od seba jasne odlíšiteľné.
Vďaka tomu Morgan a jeho kolegovia rýchlo objavili veľké množstvo mutácií v dedičných faktoroch, ktoré určujú znaky, ktoré sú jasne viditeľné a ľahko sa študujú, a boli schopní vykonať početné kríženia, aby študovali povahu dedičnosti týchto znakov. Ukázalo sa, že mnohé gény v muche Drosophila sa nededia nezávisle od seba, ale sa navzájom priťahujú alebo odpudzujú a gény vykazujúce takúto interakciu by sa dali rozdeliť do niekoľkých skupín, v rámci ktorých všetky gény vykazovali viac či menej silne vyjadrenú vzájomnú príťažlivosť resp. odpudzovanie.
Na základe analýzy výsledkov týchto štúdií T. G. Morgan navrhol, že príťažlivosť prebieha medzi nealelomorfnými génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme a pretrváva, kým sa tieto gény od seba neoddelia v dôsledku zlomu chromozómov počas redukčné delenie a k odpudzovaniu dochádza v prípadoch, keď sa skúmané gény nachádzajú na rôznych chromozómoch toho istého páru homológnych chromozómov
Z toho vyplýva, že priťahovanie a odpudzovanie génov sú rôzne aspekty toho istého procesu, ktorého materiálnym základom je rozdielne usporiadanie génov v chromozómoch. Preto Morgan navrhol opustiť dva samostatné koncepty „príťažlivosti“ a „odpudzovania“ génov a nahradiť ich jedným všeobecný pojem„prepojenie génov“, berúc do úvahy, že závisí od ich umiestnenia v rámci jedného chromozómu v lineárnom poradí.

3. CHROMOZOMÁLNA TEÓRIA DEDIČSTVA

Po ďalšom štúdiu génovej väzby sa čoskoro zistilo, že počet väzbových skupín v Drosophila (4 skupiny) zodpovedá haploidnému počtu chromozómov v tejto muche a všetky gény študované dostatočne podrobne boli rozdelené medzi tieto 4 väzbové skupiny. Na začiatku vzájomného usporiadania gény v chromozóme zostali neznáme, ale neskôr bola vyvinutá technika na určenie poradia génov patriacich do rovnakej väzbovej skupiny na základe kvantifikácie sily väzby medzi nimi.
Kvantitatívne stanovenie sily génovej väzby je založené na nasledujúcich teoretických predpokladoch. Ak sú dva gény A a B v diploidnom organizme umiestnené na jednom chromozóme a recesívne alelomorfy týchto génov a a b sú umiestnené na inom chromozóme s ním homológnym, potom sa gény A a B môžu od seba oddeliť a vstúpiť do nových kombinácií s ich recesívne alelomorfy len v prípade, že chromozóm, v ktorom sa nachádzajú, je v oblasti medzi týmito génmi porušený a v mieste zlomu dochádza k spojeniu medzi úsekmi tohto chromozómu a jeho homológom.
Takéto zlomy a nové kombinácie chromozómových oblastí sa v skutočnosti vyskytujú počas konjugácie homológnych chromozómov počas redukčného delenia. Ale v tomto prípade k výmene sekcií zvyčajne nedochádza medzi všetkými 4 chromatidami, ktoré tvoria chromozómy bivalentov, ale iba medzi dvoma z týchto 4 chromatidov. Preto chromozómy vytvorené v dôsledku prvého delenia meiózy počas takýchto výmen pozostávajú z dvoch nerovnakých chromatidov - nezmenených a rekonštruovaných v dôsledku výmeny. V II delení meiózy sa tieto nerovnaké chromatidy rozchádzajú k opačným pólom a vďaka tomu haploidné bunky vznikajúce redukčným delením (spóry alebo gaméty) dostávajú chromozómy pozostávajúce z rovnakých chromatidov, ale len polovica haploidných buniek dostáva rekonštruované chromozómy a druhý polčas dostávajú nezmenené.
Táto výmena chromozómových úsekov sa nazýva prekríženie. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, k prekríženiu medzi dvoma génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme dochádza menej často, čím bližšie sú k sebe. Frekvencia kríženia medzi génmi je úmerná vzdialenosti medzi nimi.
Stanovenie frekvencie kríženia sa zvyčajne vykonáva pomocou takzvaného analytického kríženia (kríženie F1 hybridov s recesívnym rodičom), hoci na tento účel možno použiť aj F2 získané samoopeľením hybridov F1 alebo krížením hybridov F1 medzi sebou.
Toto určenie frekvencie kríženia môžeme zvážiť na príklade sily adhézie medzi génmi C a S v kukurici. Gén C určuje tvorbu farebného endospermu (farebné semená) a jeho recesívna alela c spôsobuje nesfarbený endosperm. Gén S spôsobuje tvorbu hladkého endospermu a jeho recesívna alela s určuje tvorbu zvrásneného endospermu. Gény C a S sa nachádzajú na rovnakom chromozóme a sú navzájom dosť silne spojené. V jednom z experimentov uskutočnených na kvantifikáciu sily adhézie týchto génov sa získali nasledujúce výsledky.
Rastlina s farebnými hladkými semenami, homozygotná pre gény C a S a majúca genotyp CCSS (dominantný rodič), bola krížená s rastlinou s nezafarbenými zvrásnenými semenami s genotypom CCSS (recesívny rodič). Prvá generácia F1 hybridov bola znovu skrížená s recesívnym rodičom (testovacie kríženie). Týmto spôsobom sa získalo 8368 semien F2, u ktorých sa zistilo nasledovné štiepenie na základe farby a vrások: 4032 farebných hladkých semien; 149 maľované pokrčené; 152 nelakovaný hladký; 4035 nefarbený vráskavý.
Ak počas tvorby makro- a mikrospór v hybridoch F1 boli gény C a S distribuované nezávisle od seba, potom by v testovacom krížení mali byť všetky tieto štyri skupiny semien zastúpené v rovnakom počte. Ale nie je to tak, pretože gény C a S sa nachádzajú na tom istom chromozóme, sú navzájom spojené a v dôsledku toho sa spory s rekombinovanými chromozómami obsahujúcimi gény Cs a cS vytvárajú iba v prítomnosti kríženia medzi gény C a S, ktoré sa vyskytujú pomerne zriedkavo.
Percento kríženia medzi génmi C a S možno vypočítať pomocou vzorca:

X = a + b / n x 100 %,

Kde a je počet krížení cez zrná jednej triedy (zrná s genotypom Cscs, odvodené z kombinácie gamét Cs hybridu F1 s gamétami cs recesívneho rodiča); c je počet prechodových zŕn druhej triedy (cScs); n je celkový počet zŕn získaných ako výsledok analýzy kríženia.
Diagram znázorňujúci dedičnosť chromozómov obsahujúcich spojené gény v kukurici (podľa Hutchinsona). Dedičné správanie génov pre farebný (C) a bezfarebný (c) aleurón, plný (S) a vrásčitý (s) endosperm, ako aj chromozómy nesúce tieto gény pri vzájomnom krížení dvoch čistých typov a pri spätnom krížení F1 s je indikovaná dvojitá recesívna.
Nahradením počtu zŕn rôznych tried získaných v tomto experimente do vzorca dostaneme:

X = a + b / n x 100 % = 149 + 152 / 8368 x 100 % = 3,6 %

Vzdialenosť medzi génmi vo väzbových skupinách sa zvyčajne vyjadruje ako percento kríženia alebo v morganidoch (morganid je jednotka vyjadrujúca silu väzby, pomenovaná na návrh A. S. Serebrovského na počesť T. G. Morgana, rovná 1 % kríženia koniec). V tomto prípade môžeme povedať, že gén C sa nachádza vo vzdialenosti 3,6 morganidov od génu S.
Teraz môžete použiť tento vzorec na určenie vzdialenosti medzi B a L v sladkom hrášku. Nahradením čísel získaných z analytického kríženia a uvedených vyššie do vzorca dostaneme:

X = a + b / n x 100 % = 7 + 8 / 112 x 100 % = 11,6 %

V hrášku sa gény B a L nachádzajú na rovnakom chromozóme vo vzdialenosti 11,6 morganidov od seba.
Rovnakým spôsobom T. G. Morgan a jeho študenti určili percento kríženia medzi mnohými génmi zahrnutými v rovnakej väzbovej skupine pre všetky štyri väzbové skupiny Drosophila. Ukázalo sa, že percento kríženia (alebo vzdialenosť v morganidoch) medzi rôznymi génmi, ktoré sú súčasťou rovnakej väzbovej skupiny, sa ukázalo byť výrazne odlišné. Spolu s génmi, medzi ktorými dochádzalo k prekríženiu veľmi zriedkavo (asi 0,1 %), existovali aj gény, medzi ktorými sa spojenie nezistilo vôbec, čo naznačuje, že niektoré gény sú umiestnené veľmi blízko seba, zatiaľ čo iné sú veľmi blízko seba. ďaleko.

4. RELATÍVNE UMIESTNENIE GÉNOV

Aby sa zistilo umiestnenie génov, predpokladalo sa, že sú usporiadané v lineárnom poradí na chromozómoch a že skutočná vzdialenosť medzi dvoma génmi je úmerná frekvencii kríženia medzi nimi. Tieto predpoklady otvorili možnosť určenia relatívnej polohy génov v rámci väzbových skupín.
Predpokladajme, že vzdialenosti (% prekročenia) medzi tromi génmi A, B a C sú známe a že sú 5 % medzi génmi A a B, 3 % medzi B a C a 8 % medzi génmi A a C.
Predpokladajme, že gén B sa nachádza napravo od génu A. V ktorom smere od génu B by sa mal nachádzať gén C?
Ak predpokladáme, že gén C sa nachádza naľavo od génu B, potom by sa v tomto prípade vzdialenosť medzi génom A a C mala rovnať rozdielu vo vzdialenostiach medzi génmi A - B a B - C, t.j. 5 % - 3 % = 2 %. Ale v skutočnosti je vzdialenosť medzi génmi A a C úplne iná a rovná sa 8%. Preto je predpoklad nesprávny.
Ak teraz predpokladáme, že gén C sa nachádza napravo od génu B, potom by sa v tomto prípade vzdialenosť medzi génmi A a C mala rovnať súčtu vzdialeností medzi génmi A – B a génmi B – C, t.j. 5 % + 3 % = 8 %, čo plne zodpovedá experimentálne stanovenej vzdialenosti. Preto je tento predpoklad správny a umiestnenie génov A, B a C na chromozóme možno schematicky znázorniť takto: A – 5 %, B – 3 %, C – 8 %.
Po stanovení relatívnych polôh 3 génov je možné určiť umiestnenie štvrtého génu vo vzťahu k týmto trom tak, že poznáme jeho vzdialenosť len od 2 z týchto génov. Môžeme predpokladať, že vzdialenosť génu D od dvoch génov - B a C spomedzi 3 vyššie uvedených génov A, B a C je známa a že sa rovná 2 % medzi génmi C a D a 5 % medzi génmi B a D Pokus umiestniť gén D naľavo od génu C je neúspešný pre zjavný nesúlad medzi rozdielom vo vzdialenosti medzi génmi B – C a C – D (3 % – 2 % = 1 %) k danej vzdialenosti medzi génmi. B a D (5 %). A naopak, umiestnenie génu D napravo od génu C dáva úplnú zhodu medzi súčtom vzdialeností medzi génmi B - C a génmi C - D (3 % + 2 % = 5 %) k danej vzdialenosti medzi génmi. B a D (5 %). Keď sme určili umiestnenie génu D vzhľadom na gény B a C, bez ďalších experimentov môžeme vypočítať vzdialenosť medzi génmi A a D, pretože by sa mala rovnať súčtu vzdialeností medzi génmi A - B a B - D. (5 % + 5 % = 10 %).
Pri štúdiu spojenia medzi génmi zahrnutými v rovnakej väzbovej skupine sa opakovane vykonala experimentálna kontrola vzdialeností medzi nimi, ktorá bola predtým vypočítaná rovnakým spôsobom ako vyššie pre gény A a D, a vo všetkých prípadoch bola veľmi dobrá. bola dosiahnutá dohoda.
Ak je známe umiestnenie 4 génov, povedzme A, B, C, D, potom k nim možno „pripojiť“ piaty gén, ak sú známe vzdialenosti medzi génom E a niektorými dvoma z týchto 4 génov a vzdialenosti medzi génmi E a ďalšie dva gény sa môžu vypočítať štvornásobne tak, ako to bolo urobené pre gény A a D v predchádzajúcom príklade.

5. MAPY VÄZKOVÝCH SKUPÍN, LOKALIZÁCIA GÉNOV V CHROMOZÓMOCH

Postupným spájaním ďalších a ďalších génov s pôvodnými troma alebo štyrmi spojenými génmi, pre ktoré boli predtým stanovené ich relatívne polohy, sa zostavili mapy väzbových skupín.
Pri zostavovaní máp skupín spojok je dôležité zvážiť množstvo funkcií. Bivalent môže zažiť nie jednu, ale dve, tri a ešte viac chiazmat a krížení súvisiacich s chiazmatami. Ak sú gény umiestnené veľmi blízko seba, potom je pravdepodobnosť, že na chromozóme medzi takýmito génmi vzniknú dve chiazmaty a dôjde k dvom výmenám vlákien (dve kríženia), zanedbateľná. Ak sú gény umiestnené relatívne ďaleko od seba, pravdepodobnosť dvojitého prekríženia v chromozómovej oblasti medzi týmito génmi v rovnakom páre chromatíd sa výrazne zvyšuje. Medzitým druhé kríženie v rovnakom páre chromatidov medzi skúmanými génmi v skutočnosti ruší prvé kríženie a eliminuje výmenu týchto génov medzi homológnymi chromozómami. Preto sa počet prekrížených gamét znižuje a zdá sa, že tieto gény sú umiestnené bližšie k sebe, než v skutočnosti sú.

Schéma dvojitého kríženia v jednom páre chromatíd medzi génmi A a B a génmi B a C. I - moment kríženia; II - rekombinované chromatidy AcB a aCb.
Navyše, čím ďalej sú od seba študované gény umiestnené, tým častejšie medzi nimi dochádza k dvojitému kríženiu a tým väčšie je skreslenie skutočnej vzdialenosti medzi týmito génmi spôsobené dvojitým krížením.
Ak vzdialenosť medzi skúmanými génmi presahuje 50 morganidov, potom je vo všeobecnosti nemožné zistiť spojenie medzi nimi priamym určením počtu prekrížených gamét. V nich, rovnako ako v génoch v homológnych chromozómoch, ktoré nie sú navzájom spojené, počas analytického kríženia iba 50% gamét obsahuje kombináciu génov odlišnú od tých, ktoré boli prítomné v hybridoch prvej generácie.
Preto pri zostavovaní máp väzbových skupín sa vzdialenosti medzi vzdialene umiestnenými génmi neurčujú priamym určením počtu skrížených gamét v testovacích kríženiach zahŕňajúcich tieto gény, ale sčítaním vzdialeností medzi mnohými blízko umiestnenými génmi umiestnenými medzi nimi.
Tento spôsob zostavovania máp väzbových skupín umožňuje presnejšie určiť vzdialenosť medzi relatívne vzdialenými (nie viac ako 50 morganidami) umiestnenými génmi a identifikovať spojenie medzi nimi, ak je vzdialenosť väčšia ako 50 morganidov. V tomto prípade sa vytvorilo spojenie medzi vzdialene umiestnenými génmi v dôsledku skutočnosti, že sú spojené so stredne umiestnenými génmi, ktoré sú zase navzájom spojené.
Pre gény umiestnené na opačných koncoch chromozómov II a III Drosophila - vo vzdialenosti viac ako 100 morganidov od seba, bolo možné zistiť skutočnosť ich umiestnenia v rovnakej väzbovej skupine identifikáciou ich spojenia s medziproduktom. gény a prepojenie týchto medziľahlých génov medzi vami.
Vzdialenosti medzi vzdialene lokalizovanými génmi sú určené sčítaním vzdialeností medzi mnohými intermediárnymi génmi a len vďaka tomu sú stanovené pomerne presne.
V organizmoch, ktorých pohlavie je riadené pohlavnými chromozómami, dochádza k prekríženiu iba v homogametickom pohlaví a chýba v heterogametickom pohlaví. U Drosophila sa teda prekríženie vyskytuje len u samíc a chýba (presnejšie, vyskytuje sa tisíckrát menej často) u samcov. V tomto ohľade gény samcov tejto muchy, ktoré sa nachádzajú na rovnakom chromozóme, vykazujú úplnú väzbu bez ohľadu na ich vzájomnú vzdialenosť, čo uľahčuje identifikáciu ich polohy v rovnakej väzbovej skupine, ale znemožňuje určiť vzdialenosť medzi nimi.
Drosophila má 4 väzbové skupiny. Jedna z týchto skupín je dlhá asi 70 morganidov a gény zahrnuté v tejto väzbovej skupine sú jasne spojené s dedičnosťou pohlavia. Preto možno považovať za isté, že gény zahrnuté v tejto väzbovej skupine sa nachádzajú na pohlavnom X chromozóme (v 1 páre chromozómov).
Druhá väzbová skupina je veľmi malá a jej dĺžka je len 3 morganidy. Niet pochýb o tom, že gény zahrnuté v tejto väzbovej skupine sa nachádzajú v mikrochromozómoch (IX pár chromozómov). Ale ďalšie dve väzbové skupiny majú približne rovnakú veľkosť (107,5 morganidov a 106,2 morganidov) a je dosť ťažké rozhodnúť, ktorému z párov autozómov (II a III páry chromozómov) zodpovedá každá z týchto väzbových skupín.
Na vyriešenie problému umiestnenia väzbových skupín vo veľkých chromozómoch bolo potrebné použiť cytogenetickú štúdiu množstva chromozómových prestavieb. Týmto spôsobom bolo možné stanoviť, že o niečo väčšia väzbová skupina (107, 5 morganidov) zodpovedá páru chromozómov II a o niečo menšia väzbová skupina (106, 2 morganidov) sa nachádza v páre chromozómov III.
Vďaka tomu sa zistilo, ktoré chromozómy zodpovedajú každej väzbovej skupine v Drosophila. Ale aj potom zostalo neznáme, ako sa skupiny génových väzieb nachádzajú v ich zodpovedajúcich chromozómoch. Nachádza sa napríklad pravý koniec prvej väzbovej skupiny v Drosophila blízko kinetickej konstrikcie chromozómu X alebo na opačnom konci tohto chromozómu? To isté platí pre všetky ostatné skupiny spojok.
Otvorená zostala aj otázka, do akej miery vzdialenosti medzi génmi vyjadrené v morganidoch (v % crossing over) zodpovedajú skutočným fyzickým vzdialenostiam medzi nimi v chromozómoch.
Aby sme to všetko zistili, bolo treba najmenej pre niektoré gény stanoviť nielen relatívnu polohu vo väzbových skupinách, ale aj ich fyzickú polohu v zodpovedajúcich chromozómoch.
To sa ukázalo ako možné až po tom, čo sa ako výsledok spoločného výskumu genetika G. Mellera a cytológa G. Payntera zistilo, že vplyvom röntgenových lúčov u Drosophila (ako u všetkých živých organizmov) dochádza k prenosu ( translokácia) úsekov jedného chromozómu na druhý. Keď sa určitá časť jedného chromozómu prenesie do inej, všetky gény nachádzajúce sa v tejto časti stratia spojenie s génmi umiestnenými vo zvyšku darcovského chromozómu a získajú spojenie s génmi v chromozóme príjemcu. (Neskôr sa zistilo, že pri takýchto prestavbách chromozómov nedochádza len k presunu úseku z jedného chromozómu na druhý, ale k vzájomnému prenosu úseku prvého chromozómu na druhý a z neho úseku druhého chromozómu sa prenesie na miesto oddeleného úseku v prvom).
V prípadoch, keď dôjde k chromozómovému zlomu pri oddeľovaní oblasti prenesenej na iný chromozóm medzi dvoma génmi umiestnenými blízko seba, umiestnenie tohto zlomu možno určiť pomerne presne tak na mape väzbových skupín, ako aj na chromozóme. Na väzbovej mape sa bod zlomu nachádza v oblasti medzi extrémnymi génmi, z ktorých jeden zostáva v predchádzajúcej väzbovej skupine a druhý je zahrnutý v novej. Na chromozóme je miesto zlomu určené cytologickými pozorovaniami zmenšenia veľkosti darcovského chromozómu a zväčšenia veľkosti recipientného chromozómu.
Translokácia úsekov z chromozómu 2 na chromozóm 4 (podľa Morgana). Horná časť obrázku ukazuje väzbové skupiny, stredná časť ukazuje chromozómy zodpovedajúce týmto väzbovým skupinám a spodná časť ukazuje metafázové platne somatickej mitózy. Čísla označujú počty väzbových skupín a chromozómov. A a B - „dolná“ časť chromozómu sa presunula na chromozóm 4; B – „horná“ časť chromozómu 2 sa presunula na chromozóm 4. Genetické mapy a chromozómové platničky sú heterozygotné pre translokácie.
V dôsledku štúdia veľká kvantita rôznych translokácií, ktoré vykonali mnohí genetici, boli zostavené takzvané cytologické mapy chromozómov. Lokality všetkých študovaných zlomov sú vyznačené na chromozómoch a vďaka tomu sa pre každý zlom určí umiestnenie dvoch susedných génov vpravo a vľavo od neho.
Cytologické mapy chromozómov predovšetkým umožnili zistiť, ktoré konce chromozómov zodpovedajú „pravému“ a „ľavému“ koncu zodpovedajúcich väzbových skupín.
Porovnanie „cytologických“ máp chromozómov s „genetickými“ (spojovacími skupinami) poskytuje základný materiál na objasnenie vzťahu medzi vzdialenosťami medzi susednými génmi exprimovanými v morganidoch a fyzickými vzdialenosťami medzi rovnakými génmi v chromozómoch pri štúdiu týchto chromozómov pod mikroskopom.
Porovnanie „genetických máp“ chromozómov I, II a III Drosophila melanogaster s „cytologickými mapami“ týchto chromozómov v metafáze na základe translokačných údajov (podľa Levitského). Sp je miesto pripevnenia závitov vretena. Zvyšok naznačuje rôzne gény.
O niečo neskôr sa uskutočnilo trojité porovnanie umiestnenia génov na „genetických mapách“ väzieb, „cytologických mapách“ bežných somatických chromozómov a „cytologických mapách“ obrovských slinných žliaz.
Okrem Drosophila boli zostavené pomerne podrobné „genetické mapy“ väzbových skupín pre niektoré ďalšie druhy rodu Drosophila. Ukázalo sa, že u všetkých dostatočne podrobne študovaných druhov sa počet väzbových skupín rovná haploidnému počtu chromozómov. V Drosophila, ktorá má tri páry chromozómov, sa teda našli 3 väzbové skupiny, v Drosophila s piatimi pármi chromozómov - 5 a v Drosophila so šiestimi pármi chromozómov - 6 väzbových skupín.
Spomedzi stavovcov je najlepšie preštudovaná myš domáca, u ktorej už bolo vytvorených 18 väzbových skupín, pričom párov chromozómov je 20. U ľudí, ktorí majú 23 párov chromozómov, je známych 10 väzbových skupín. Kurča s 39 pármi chromozómov má iba 8 väzbových skupín. Niet pochýb o tom, že s ďalším genetickým štúdiom týchto objektov sa počet identifikovaných väzbových skupín v nich zvýši a pravdepodobne bude zodpovedať počtu párov chromozómov.
Z vyšších rastlín je geneticky najviac skúmaná kukurica. Má 10 párov chromozómov a našlo sa 10 pomerne veľkých väzbových skupín. Pomocou experimentálne získaných translokácií a niektorých ďalších chromozomálnych preskupení sú všetky tieto väzbové skupiny obmedzené na presne definované chromozómy.
V niektorých vyšších rastlinách, ktoré boli dostatočne podrobne študované, sa tiež zistila úplná zhoda medzi počtom väzbových skupín a počtom párov chromozómov. Jačmeň má teda 7 párov chromozómov a 7 väzbových skupín, paradajka má 12 párov chromozómov a 12 väzbových skupín, snapdragon má haploidný počet chromozómov 8 a bolo vytvorených 8 väzbových skupín.
Spomedzi nižších rastlín je najpodrobnejšie geneticky študovaná huba vačnatca. Má haploidný počet chromozómov 7 a bolo vytvorených 7 väzbových skupín.
V súčasnosti sa všeobecne uznáva, že počet väzbových skupín vo všetkých organizmoch sa rovná ich haploidnému počtu chromozómov, a ak je u mnohých zvierat a rastlín počet slávnych skupín väzba je menšia ako ich haploidný počet chromozómov, potom to závisí len od toho, že ešte nie sú dostatočne geneticky preštudované a v dôsledku toho v nich bola identifikovaná len časť existujúcich väzbových skupín.

ZÁVER

V dôsledku toho môžeme citovať úryvky z diel T. Morgana:
„...Keďže dochádza k prepojeniu, zdá sa, že delenie dedičnej substancie je do určitej miery obmedzené. Napríklad u ovocnej mušky Drosophila je známych asi 400 nových typov mutantov, ktorých znaky sú len štyri väzbové skupiny...
...Členovia prepojenej skupiny niekedy nemusia byť navzájom tak úplne prepojení, ...niektoré recesívne znaky jednej série môžu byť nahradené divokými znakmi z inej série. Avšak aj v tomto prípade sú stále považované za spojené, pretože zostávajú spojené spolu častejšie, než je pozorovaná takáto výmena medzi sériami. Táto výmena sa nazýva CROSS-ING-OVER - cross over. Tento výraz znamená, že medzi dvoma zodpovedajúcimi sériami spojenia môže dôjsť správna výmena ich časti, na ktorých sa podieľa veľké množstvo génov...
Génová teória stanovuje, že vlastnosti alebo vlastnosti jednotlivca sú funkciou párových prvkov (génov) zabudovaných do dedičnej substancie vo forme určitého počtu väzbových skupín; potom stanovuje, že členovia každého páru génov, keď zárodočné bunky dozrievajú, sú rozdelené v súlade s prvým Mendelovým zákonom, a preto každý dozrieva sexuálna bunka obsahuje ich len jeden sortiment; tiež stanovuje, že členovia patriaci k rôzne skupiny väzby sú distribuované nezávisle počas dedenia podľa druhého Mendelovho zákona; rovnakým spôsobom stanovuje, že niekedy existuje prirodzená výmena - krížová - medzi zodpovedajúcimi prvkami dvoch väzbových skupín; nakoniec stanovuje, že frekvencia kríženia poskytuje údaje dokazujúce lineárne usporiadanie prvkov vo vzťahu k sebe ... “

BIBLIOGRAFIA

1. Všeobecná genetika. M.: Vyššia škola, 1985.
2. Čítanka o genetike. Vydavateľstvo Kazanskej univerzity, 1988.
3. Petrov D. F. Genetika so základmi selekcie, M.: Vyššia škola, 1971.
4. Biológia. M.: Mir, 1974.

Chromozomálna teória dedičnosti formulovaný v rokoch 1911-1926. T. H. Morgan na základe výsledkov svojho výskumu. S jej pomocou sa objasnil materiálny základ zákonov dedičnosti ustanovených G. Mendelom a prečo sa v určitých prípadoch od nich dedenie určitých vlastností odchyľuje.

Základné ustanovenia

Základné ustanovenia chromozomálne teórie dedičnosti takéto:

• gény sú umiestnené na chromozómoch v lineárnom poradí;
• rôzne chromozómy majú rôzne sady génov, t.j. každý z nehomologických chromozómov má svoj vlastný jedinečný súbor génov;
• každý gén zaberá chromozóm konkrétnu oblasť; alelické gény zaberajú identické oblasti v homológnych chromozómoch;
• všetky gény na jednom chromozóme tvoria spojovaciu skupinu, vďaka ktorej sú niektoré vlastnosti zdedené spojené; sila adhézie medzi dvoma génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme je nepriamo úmerná vzdialenosti medzi nimi;
• väzba medzi génmi jednej skupiny je prerušená v dôsledku výmeny úsekov homológnych chromozómov v profáze prvého meiotického delenia (proces kríženia)
• každý biologické druhy charakterizovaný určitým súborom chromozómov (karyotyp) - počtom a štruktúrnymi znakmi jednotlivých chromozómov.

Chromozomálna teória dedičnosti, teória, podľa ktorej chromozómy obsiahnuté v bunkovom jadre sú nositeľmi génov a sú materiálnym základom dedičnosti, to znamená, že kontinuita vlastností organizmov v sérii generácií je určená kontinuitou ich chromozómov.

Príbeh

Chromozomálna teória dedičnosti vznikla začiatkom 20. storočia na základe bunkovej teórie a použitie hybridologickej analýzy na štúdium dedičných vlastností organizmov.

V roku 1902 V. Sutton v USA upozornil na paralelizmus v správaní chromozómov a Mendelovu tzv. „Dedičné faktory“ a T. Boveri v Nemecku predložili chromozomálnu hypotézu dedičnosti, podľa ktorej dedičné faktory(neskôr nazývané gény) Mendelovské gény sú lokalizované v chromozómoch. Prvé potvrdenie tejto hypotézy bolo získané pri štúdiu genetického mechanizmu určovania pohlavia u zvierat, keď sa zistilo, že tento mechanizmus je založený na distribúcii pohlavných chromozómov medzi potomkami. Ďalšie zdôvodnenie X. t patrí americkému genetikovi T. H. Morganovi, ktorý poznamenal, že prenos niektorých génov (napríklad génu, ktorý spôsobuje biele oči u samíc Drosophila pri krížení s červenookými samcami) je spojený s prenosom pohlavného X chromozómu, to znamená, že znaky sa dedia na pohlavie (u ľudí je známych niekoľko desiatok takýchto znakov, vrátane niektorých dedičných chýb - farbosleposť, hemofília atď.).

Dôkaz tejto teórie získal v roku 1913 americký genetik K. Bridges, ktorý objavil chromozómovú nondisjunkciu počas meiózy u samice Drosophila a poznamenal, že poruchy v distribúcii pohlavných chromozómov sú sprevádzané zmenami v dedičnosti pohlavovo viazaných znakov.

S rozvojom teórie sa zistilo, že gény umiestnené na rovnakom chromozóme tvoria jednu spojovaciu skupinu a mali by sa dediť spoločne; počet väzbových skupín sa rovná počtu párov chromozómov, konštantný pre každý typ organizmu; znaky, ktoré závisia od spojených génov, sa tiež dedia spoločne. V dôsledku toho by mal mať zákon o nezávislej kombinácii charakteristík obmedzené uplatnenie; Znaky, ktorých gény sa nachádzajú na rôznych (nehomologických) chromozómoch, sa musia dediť nezávisle. Fenomén neúplného prepojenia génov (keď sa spolu s rodičovskými kombináciami vlastností nachádzajú aj ich nové rekombinantné kombinácie u potomkov krížencov) podrobne študoval Morgan a jeho kolegovia (A.G. Sturtevant a ďalší) a slúžil ako opodstatnenie lineárneho usporiadania génov v chromozómoch. Morgan navrhol, že spojené gény homológnych chromozómov, ktoré sú v kombináciách a u rodičov, v meióze v heterozygotnej forme ® môžu meniť miesta, v dôsledku čoho sa vedľa gamét AB a ab tvoria gaméty Ab a aB. K takýmto rekombináciám dochádza v dôsledku zlomov v homológnych chromozómoch v oblasti medzi génmi a ďalšieho spojenia zlomených koncov v novej kombinácii: Skutočnosť tohto procesu, nazývaného pretínanie chromozómov alebo kríženie, dokázal v roku 1933, vedec K. Stern pri pokusoch s Drosophila a americkí vedci H. Creighton B. McClintock - s kukuricou. Čím ďalej sú spojené gény od seba, tým väčšia je pravdepodobnosť prechodu medzi nimi. Závislosť frekvencie kríženia na vzdialenostiach medzi spojenými génmi sa použila na zostavenie genetických máp chromozómov. V 30-tych rokoch 20 vo F. Dobzhanskom ukázal, že poradie umiestnenia génov na genetických a cytologických mapách chromozómov sa zhoduje.

Podľa predstáv Morganovej školy sú gény diskrétnymi a ďalej nedeliteľnými nositeľmi dedičnej informácie. Avšak objav v roku 1925 sovietskymi vedcami G. A. Nadsonom a G. S. Filippovom a v roku 1927 americkým vedcom R. Mellerom o vplyve röntgenových lúčov na výskyt dedičných zmien (mutácií) u Drosophila, ako aj využitie röntgenových lúčov na urýchlenie mutačného procesu u Drosophila umožnilo sovietskym vedcom A. S. Serebrovskému, N. P. Dubininovi a ďalším formulovať v rokoch 1928-30 myšlienky o deliteľnosti génu na menšie jednotky umiestnené v lineárnej sekvencii a schopné mutačných zmien. V roku 1957 tieto myšlienky ešte spresnila práca amerického vedca S. Benzera s bakteriofágom T4. Použitie röntgenových lúčov na stimuláciu chromozomálnych prestavieb umožnilo N. P. Dubininovi a B. N. Sidorovovi objaviť v roku 1934 vplyv polohy génu (objavený v roku 1925 Sturtevantom), teda závislosť prejavu génu od jeho polohy na chromozóme. . Vznikla myšlienka o jednote diskrétnosti a kontinuity v štruktúre chromozómu.

Chromozomálna teória dedičnosti sa rozvíja v smere prehlbovania poznatkov o univerzálnych nositeľoch dedičnej informácie – molekulách deoxyribonukleovej kyseliny (DNA). Zistilo sa, že súvislá sekvencia purínových a pyrimidínových báz pozdĺž reťazca DNA (deoxyribonukleová kyselina) tvorí gény, intergénové intervaly, znaky začiatku a konca čítania informácií v géne; určuje dedičný charakter syntézy špecifických bunkových proteínov a následne dedičný charakter metabolizmu. DNA (kyselina deoxyribonukleová) tvorí materiálny základ väzbovej skupiny u baktérií a mnohých vírusov (u niektorých vírusov je nositeľom dedičnej informácie kyselina ribonukleová) molekuly DNA (kyselina deoxyribonukleová), ktoré sú súčasťou mitochondrií, plastidov a iných bunkových organel, slúžia ako materiálne nosiče cytoplazmatickej dedičnosti .

Chemická technológia, vysvetľujúca zákonitosti dedičnosti znakov u zvierat a rastlinných organizmov, hrá v poľnohospodárstve dôležitú úlohu. (poľnohospodárska) veda a prax. Chovateľom poskytuje metódy na šľachtenie plemien zvierat a odrôd rastlín s požadovanými vlastnosťami. Niektoré ustanovenia chemického zákona umožňujú vykonávať poľnohospodárske práce racionálnejšie. (poľnohospodárska) výroba. Fenomén pohlavne viazanej dedičnosti mnohých vlastností v poľnohospodárstve. (poľnohospodárske) zvieratá umožnili pred vynájdením metód na umelú reguláciu pohlavia u priadky morušovej vyradiť kukly menej produktívneho pohlavia, vyvinúť metódu na oddeľovanie kurčiat podľa pohlavia štúdiom kloaky – vyradiť kohútiky atď. Mimoriadne dôležité pre zvýšenie produktivity mnohých poľnohospodárskych produktov. (poľnohospodárske) plodiny majú využitie polyploidie. Štúdium ľudských dedičných chorôb je založené na znalostiach vzorcov chromozomálnych prestavieb.

Video k téme

Reťazené dedičstvo. Chromozomálna teória dedičnosti.

Chromozomálna teória dedičnosti.

Základné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti. Chromozomálna analýza.

Tvorba chromozómovej teórie. V rokoch 1902-1903 Americký cytológ W. Setton a nemecký cytológ a embryológ T. Boveri nezávisle identifikovali paralelizmus v správaní génov a chromozómov pri tvorbe gamét a oplodnení. Tieto pozorovania vytvorili základ pre predpoklad, že gény sú umiestnené na chromozómoch. Experimentálne dôkazy o lokalizácii špecifických génov na konkrétnych chromozómoch však získal až v roku 1910 americký genetik T. Morgan, ktorý v nasledujúcich rokoch (1911-1926) podložil chromozomálnu teóriu dedičnosti. Podľa tejto teórie je prenos dedičnej informácie spojený s chromozómami, v ktorých sú gény lokalizované lineárne, v určitej sekvencii. Sú to teda chromozómy, ktoré predstavujú materiálny základ dedičnosti.

Chromozomálna teória dedičnosti- teória, podľa ktorej sú chromozómy obsiahnuté v bunkovom jadre nositeľmi génov a predstavujú materiálny základ dedičnosti, to znamená, že kontinuita vlastností organizmov v niekoľkých generáciách je určená kontinuitou ich chromozómov. Chromozomálna teória dedičnosti vznikla začiatkom 20. storočia. založený na bunkovej teórii a bol použitý na štúdium dedičných vlastností organizmov prostredníctvom hybridologickej analýzy.

Základné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti.

1. Gény sú lokalizované na chromozómoch. Okrem toho rôzne chromozómy obsahujú nerovnaký počet génov. Okrem toho je súbor génov každého z nehomologických chromozómov jedinečný.

2. Alelické gény obsadzujú identické lokusy na homológnych chromozómoch.

3. Gény sú umiestnené na chromozóme v lineárnej sekvencii.

4. Gény na jednom chromozóme tvoria väzbovú skupinu, to znamená, že sa dedia prevažne spojené (spolu), vďaka čomu dochádza k spojenému dedeniu niektorých znakov. Počet väzbových skupín sa rovná haploidnému počtu chromozómov daného druhu (u homogametického pohlavia) alebo je väčší o 1 (u heterogametického pohlavia).

5. Väzba je prerušená v dôsledku kríženia, ktorého frekvencia je priamo úmerná vzdialenosti medzi génmi na chromozóme (preto je sila väzby v inverzný vzťah na vzdialenosti medzi génmi).

6. Každý biologický druh je charakterizovaný určitým súborom chromozómov – karyotypom.

Reťazené dedičstvo

Nezávislá kombinácia vlastností (tretí Mendelov zákon) sa uskutočňuje za predpokladu, že gény, ktoré určujú tieto vlastnosti, sú v rôzne páry homológne chromozómy. V dôsledku toho je v každom organizme počet génov, ktoré sa môžu nezávisle kombinovať v meióze, obmedzený počtom chromozómov. V organizme však počet génov výrazne prevyšuje počet chromozómov. Napríklad pred érou molekulárnej biológie sa študovalo viac ako 500 génov v kukurici, viac ako 1 000 v muche Drosophila a asi 2 000 génov u ľudí, pričom majú 10, 4 a 23 párov chromozómov. Že počet génov v vyšších organizmov je niekoľko tisíc, to bolo jasné už W. Settonovi na začiatku 20. storočia. To dalo dôvod predpokladať, že veľa génov je lokalizovaných na každom chromozóme. Gény umiestnené na tom istom chromozóme tvoria spojovaciu skupinu a dedia sa spoločne.

T. Morgan navrhol nazývať spoločné dedičstvo génov spojené dedičstvom. Počet väzbových skupín zodpovedá haploidnému počtu chromozómov, pretože väzbová skupina pozostáva z dvoch homológnych chromozómov, v ktorých sú lokalizované rovnaké gény. (U jedincov heterogametického pohlavia, napríklad u samcov cicavcov, v skutočnosti existuje ešte jedna väzbová skupina, pretože chromozómy X a Y obsahujú rôzne gény a predstavujú dva rôzne skupiny spojka. Ženy majú teda 23 skupín spojok a muži 24).

Spôsob dedičnosti spojených génov sa líši od dedičnosti génov lokalizovaných v rôznych pároch homológnych chromozómov. Ak teda pri nezávislej kombinácii diheterozygotný jedinec tvorí štyri typy gamét (AB, Ab, aB a ab) v rovnakých množstvách, potom so spojenou dedičnosťou (pri absencii kríženia) tvorí ten istý diheterozygot iba dva typy gamét. gaméty: (AB a ab) tiež v rovnakých množstvách. Posledne menované opakujú kombináciu génov v chromozóme rodiča.

Zistilo sa však, že okrem bežných (neskrížených) gamét vznikajú aj ďalšie (prekrížené) gaméty s novými kombináciami génov – Ab a aB – ktoré sa líšia od kombinácií génov v chromozómoch rodičov. Dôvodom vzniku takýchto gamét je výmena úsekov homológnych chromozómov alebo kríženie.

K prekríženiu dochádza v profáze I meiózy počas konjugácie homológnych chromozómov. V tomto čase sa časti dvoch chromozómov môžu prekrížiť a vymeniť si svoje časti. V dôsledku toho sa objavujú kvalitatívne nové chromozómy obsahujúce úseky (gény) materských aj otcovských chromozómov. Jedince, ktoré sú získané z takýchto gamét s novou kombináciou alel, sa nazývajú prekrížené alebo rekombinantné.

Frekvencia (percento) kríženia medzi dvoma génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme je úmerná vzdialenosti medzi nimi. K prekríženiu medzi dvoma génmi dochádza menej často, čím bližšie sú k sebe. Keď sa vzdialenosť medzi génmi zväčšuje, zvyšuje sa pravdepodobnosť, že ich prekríženie oddelí na dvoch rôznych homológnych chromozómoch.

Vzdialenosť medzi génmi charakterizuje silu ich spojenia. Existujú gény s vysokým percentom väzby a tie, kde je väzba takmer nedetegovateľná. Avšak s reťazeným dedičstvom maximálna frekvencia prekročenie nepresahuje 50 %. Ak je vyššia, potom sa pozoruje voľná kombinácia medzi pármi alel, nerozoznateľná od nezávislej dedičnosti.

Biologický význam Crossing over je extrémne vysoký, pretože genetická rekombinácia umožňuje vytvárať nové, predtým neexistujúce kombinácie génov a tým zvyšovať dedičnú variabilitu, čo poskytuje organizmu široké možnosti adaptácie na rôzne podmienky prostredia. Osoba špeciálne vykonáva hybridizáciu, aby získala potrebné kombinácie na použitie pri šľachtiteľskej práci.

Trakcia a prejazd. Z princípov genetickej analýzy uvedených v predchádzajúcich kapitolách jasne vyplýva, že nezávislú kombináciu znakov je možné uskutočniť len za podmienky, že gény určujúce tieto znaky sa nachádzajú na nehomologických chromozómoch. V dôsledku toho je v každom organizme počet párov znakov, pre ktoré sa pozoruje nezávislá dedičnosť, obmedzený počtom párov chromozómov. Na druhej strane je zrejmé, že počet znakov a vlastností organizmu riadeného génmi je extrémne veľký a počet párov chromozómov u každého druhu je relatívne malý a konštantný.

Zostáva predpokladať, že každý chromozóm neobsahuje jeden gén, ale veľa. Ak je to tak, potom sa tretí Mendelov zákon týka distribúcie chromozómov, nie génov, t.j. jeho účinok je obmedzený.

Fenomén spojeného dedičstva. Z tretieho Mendelovho zákona vyplýva, že pri krížení formy, ktoré sa líšia v dvoch pároch génov (AB A ab), ukazuje sa, že je to hybrid AaBb, tvoria štyri typy gamét AB, Ab, aB A ab v rovnakých množstvách.

V súlade s tým sa pri analýze kríženia uskutočňuje delenie 1:1:1:1, t.j. kombinácie vlastností charakteristických pre rodičovské formy (AB A ab), vyskytujú s rovnakou frekvenciou ako nové kombinácie (Ab A aB),- 25 % každý. Ako sa však hromadili dôkazy, genetici sa čoraz častejšie začali stretávať s odchýlkami od nezávislej dedičnosti. V niektorých prípadoch nové kombinácie funkcií (Ab A aB) V Fbúplne chýbali - medzi génmi pôvodných foriem bola pozorovaná úplná väzba. Ale častejšie u potomstva prevládali v tej či onej miere rodičovské kombinácie vlastností a nové kombinácie sa vyskytovali s menšou frekvenciou, ako sa očakávalo pri nezávislej dedičnosti, t.j. menej ako 50 %. V tomto prípade sa teda gény častejšie dedili v pôvodnej kombinácii (súviseli), ale niekedy sa táto väzba prerušila, čím vznikli nové kombinácie.

Morgan navrhol nazývať spoločné dedičstvo génov, obmedzujúce ich voľnú kombináciu, spojenie génov alebo spojené dedičstvo.

Crossing over a jeho genetický dôkaz. Za predpokladu, že na jednom chromozóme sa nachádza viac ako jeden gén, vzniká otázka, či alely jedného génu v homológnom páre chromozómov môžu meniť miesta a presúvať sa z jedného homológneho chromozómu na druhý. Ak by k takémuto procesu nedošlo, potom by sa gény spojili iba náhodnou divergenciou nehomologických chromozómov v meióze a gény nachádzajúce sa v jednom páre homológnych chromozómov by sa vždy dedili spojené – ako skupina.

Výskum T. Morgana a jeho školy ukázal, že gény sa pravidelne vymieňajú v homológnom páre chromozómov. Proces výmeny identických úsekov homológnych chromozómov s génmi, ktoré obsahujú, sa nazýva chromozómové kríženie alebo kríženie, ktoré poskytuje nové kombinácie génov umiestnených na homológnych chromozómoch. Ukázalo sa, že fenomén kríženia, ako aj prepojenia, je spoločný pre všetky zvieratá, rastliny a mikroorganizmy. Prítomnosť výmeny identických úsekov medzi homológnymi chromozómami zabezpečuje výmenu alebo rekombináciu génov a tým výrazne zvyšuje úlohu kombinovanej variability v evolúcii. Kríženie chromozómov možno posudzovať podľa frekvencie výskytu organizmov s novou kombináciou charakteristík. Takéto organizmy sa nazývajú rekombinanty.

Gamety s chromozómami, ktoré prešli prekrížením, sa nazývajú skrížené a tie, ktoré neprešli, sa nazývajú neprekrížené. Organizmy, ktoré vznikli kombináciou skrížených gamét hybridu s gamétami analyzátora, sa nazývajú skrížené alebo rekombinanty a tie, ktoré vznikli v dôsledku neskrížených gamét hybridu, sa nazývajú neskrížené alebo nerekombinantné.

Morganov zákon spájania. Pri analýze rozdelenia v prípade kríženia sa pozornosť upriamuje na určitý kvantitatívny pomer tried kríženia a neprekríženia. Obe počiatočné rodičovské kombinácie znakov, vytvorené z neprekrížených gamét, sa objavujú u potomkov analyzujúceho kríženia v rovnakých kvantitatívnych pomeroch. Vo vyššie uvedenom experimente s Drosophila bolo približne 41,5 % oboch jedincov. Celkovo tvorili nekrížené mušky 83 % z celkového počtu potomkov. Obidve triedy kríženia sú identické aj v počte jednotlivcov a ich súčet je 17 %.

Frekvencia kríženia nezávisí od alelického stavu génov zapojených do kríženia. Ak letí a sú použité ako rodič, potom pri analýze kríženia kríženia ( b + vg A bvg+) a necrossover ( bvg A b + vg +) jedinci sa objavia s rovnakou frekvenciou (17 a 83 %) ako v prvom prípade.

Výsledky týchto experimentov ukazujú, že génová väzba skutočne existuje a len v určitom percente prípadov je prekrížená. Dospelo sa teda k záveru, že medzi homológnymi chromozómami môže dochádzať k vzájomnej výmene identických oblastí, v dôsledku čoho sa gény nachádzajúce sa v týchto oblastiach párových chromozómov presúvajú z jedného homológneho chromozómu do druhého. Neprítomnosť prekríženia (úplného spojenia) medzi génmi je výnimkou a je známa len u heterogametického pohlavia niekoľkých druhov, napríklad Drosophila a priadky morušovej.

Prepojená dedičnosť vlastností, ktoré Morgan študoval, sa nazývala Morganov zákon o väzbe.Keďže medzi génmi dochádza k rekombinácii a samotný gén nie je rozdelený prekrížením, začal sa považovať za jednotku kríženia.

Crossover množstvo. Veľkosť kríženia sa meria pomerom počtu krížených jedincov k celkovému počtu jedincov v potomstve z analyzovaného kríženia. K rekombinácii dochádza recipročne, t.j. dochádza k vzájomnej výmene medzi rodičovskými chromozómami; to núti triedy kríženia, aby sa počítali spolu ako výsledok jednej udalosti. Hodnota kríženia je vyjadrená v percentách. Jedno percento prechodu sa rovná jednej jednotke vzdialenosti medzi génmi.

Lineárne usporiadanie génov na chromozóme. T. Morgan navrhol, že gény sú umiestnené lineárne na chromozómoch a frekvencia kríženia odráža relatívnu vzdialenosť medzi nimi: čím častejšie dochádza k kríženiu, tým sú gény na chromozóme od seba ďalej; čím menej často dochádza k prekríženiu, tým sú k sebe bližšie.

Jeden z Morganových klasických experimentov na Drosophila, dokazujúci lineárne usporiadanie génov, bol nasledujúci. Samice heterozygotné pre tri spojené recesívne gény, ktoré určujú žltú farbu tela y, biela farba očí w a rozoklané krídla bi, boli krížené so samcami homozygotnými pre tieto tri gény. V potomstve sa získalo 1,2 % krížených múch, ktoré vznikli krížením medzi génmi pri A w; 3,5 % – z prechodu medzi génmi w A bi a 4,7 % - medzi pri A bi.

Z týchto údajov je jasné, že percento kríženia je funkciou vzdialenosti medzi génmi. Od vzdialenosti medzi extrémnymi génmi pri A bi rovná súčtu dvoch vzdialeností medzi nimi pri A w, w A bi, treba predpokladať, že gény sú na chromozóme umiestnené postupne, t.j. lineárne.

Reprodukovateľnosť týchto výsledkov v opakovaných experimentoch naznačuje, že umiestnenie génov v chromozóme je prísne fixné, to znamená, že každý gén zaujíma svoje špecifické miesto v chromozóme - lokus.

Základné princípy chromozomálnej teórie dedičnosti – párovanie alel, ich redukcia v meióze a lineárne usporiadanie génov v chromozóme – zodpovedajú modelu jednovláknového chromozómu.

Jednoduché a viacnásobné kríže. Po prijatí stanoviska, že na chromozóme môže byť veľa génov a že sú umiestnené na chromozóme v lineárnom poradí a každý gén zaberá špecifické miesto v chromozóme, Morgan pripustil, že kríženie medzi homológnymi chromozómami môže nastať súčasne v niekoľkých bodoch. . Túto domnienku dokázal aj na drozofile a následne úplne potvrdil na rade ďalších živočíchov, ako aj na rastlinách a mikroorganizmoch.

Prechod, ktorý sa vyskytuje iba na jednom mieste, sa nazýva jednoduchý, v dvoch bodoch súčasne - dvojitý, v troch - trojitý atď., t.j. môže byť viacero.

Čím ďalej sú gény na chromozóme od seba, tým väčšia je pravdepodobnosť dvojitého kríženia medzi nimi. Percento rekombinácií medzi dvoma génmi presnejšie odráža vzdialenosť medzi nimi, čím je menšia, pretože v prípade malej vzdialenosti sa znižuje možnosť dvojitých výmen.

Na zohľadnenie dvojitého kríženia je potrebné mať ďalší marker umiestnený medzi dvoma skúmanými génmi. Vzdialenosť medzi génmi sa určuje nasledovne: dvojnásobné percento tried s dvojitým krížením sa pripočíta k súčtu percent tried s jednoduchým krížením. Zdvojnásobenie percenta dvojitých prekrížení je potrebné vzhľadom na skutočnosť, že každé dvojité prekríženie nastáva v dôsledku dvoch nezávislých samostatných prerušení v dvoch bodoch.

Rušenie. Zistilo sa, že prekríženie, ku ktorému dochádza na jednom mieste chromozómu, potláča prekríženie v blízkych oblastiach. Tento jav sa nazýva interferencia Pri dvojitom prekrížení je rušenie obzvlášť silné v prípade malých vzdialeností medzi génmi. Ukázalo sa, že zlomy chromozómov sú navzájom závislé. Stupeň tejto závislosti je určený vzdialenosťou medzi prasklinami, ktoré sa vyskytujú: keď sa človek vzďaľuje od miesta prasknutia, zvyšuje sa možnosť ďalšieho prasknutia.

Interferenčný efekt sa meria pomerom počtu pozorovaných dvojitých diskontinuít k počtu možných, za predpokladu úplnej nezávislosti každej z diskontinuít.

Lokalizácia génov. Ak sú gény umiestnené lineárne na chromozóme a frekvencia kríženia odráža vzdialenosť medzi nimi, potom je možné určiť umiestnenie génu na chromozóme.

Pred určením polohy génu, teda jeho lokalizácie, je potrebné určiť, na ktorom chromozóme sa gén nachádza. Gény umiestnené na rovnakom chromozóme a zdedené spojené tvoria spojovaciu skupinu.Je zrejmé, že počet spojovacích skupín v každom druhu musí zodpovedať haploidnej sade chromozómov.

Doteraz boli väzbové skupiny identifikované v najviac geneticky študovaných objektoch a vo všetkých týchto prípadoch sa našla úplná zhoda počtu väzbových skupín s haploidným počtom chromozómov. Takže v kukurici ( Zea mays) haploidná sada chromozómov a počet väzbových skupín sú 10, v hrášku ( Pisum sativum) - 7, ovocné mušky (Drosophila melanogaster) - 4, myši domáce ( Mus musculus) - 20 atď.

Pretože gén zaberá špecifické miesto vo väzbovej skupine, umožňuje to stanoviť poradie génov na každom chromozóme a zostaviť genetické mapy chromozómov.

Genetické mapy. Genetická mapa chromozómov je diagramom relatívneho umiestnenia génov nachádzajúcich sa v danej väzbovej skupine. Boli zostavené zatiaľ len pre niektoré z geneticky najštudovanejších objektov: Drosophila, kukurica, paradajky, myši, Neurospora, coli atď.

Genetické mapy sú zostavené pre každý pár homológnych chromozómov. Skupiny spojok sú očíslované.

Aby bolo možné kresliť mapy, je potrebné študovať vzory dedičnosti veľké číslo génov. Napríklad u Drosophila bolo študovaných viac ako 500 génov lokalizovaných v štyroch väzbových skupinách; v kukurici viac ako 400 génov lokalizovaných v desiatich väzbových skupinách atď. Pri zostavovaní genetických máp sa uvádza väzbová skupina, úplný alebo skrátený názov génov, vzdialenosť v percentách od jedného z koncov chromozómu, braná ako nulový bod; niekedy je indikované umiestnenie centroméry.

V mnohobunkových organizmoch je génová rekombinácia recipročná. U mikroorganizmov môže byť jednostranná. V mnohých baktériách, napríklad E. coli ( Escherichia coli), prenos genetickej informácie nastáva počas konjugácie buniek. Jediný chromozóm baktérie, ktorý má tvar uzavretého prstenca, sa pri konjugácii vždy v určitom bode zlomí a prechádza z jednej bunky do druhej.

Dĺžka prenesenej oblasti chromozómu závisí od trvania konjugácie. Zdá sa, že sekvencia génov na chromozóme je konštantná. Z tohto dôvodu sa vzdialenosť medzi génmi na takejto kruhovej mape nemeria v percentách, ale v minútach, čo odráža trvanie konjugácie.

Cytologický dôkaz kríženia. Po zistení fenoménu crossing overu pomocou genetických metód bolo potrebné získať priamy dôkaz o výmene úsekov homológnych chromozómov, sprevádzanej génovou rekombináciou. Vzory chiazmat pozorované v profáze meiózy môžu slúžiť len ako nepriamy dôkaz tohto javu; nie je možné konštatovať výmenu, ku ktorej došlo priamym pozorovaním, pretože homológne chromozómy, ktoré si vymieňajú úseky, sú zvyčajne úplne identické vo veľkosti a tvare.

Na porovnanie cytologických máp obrovských chromozómov s genetickými, Bridges navrhol použiť koeficient prekríženia. Na tento účel vydelil celkovú dĺžku všetkých chromozómov slinných žliaz (1180 μm) celkovou dĺžkou genetických máp (279 jednotiek). . V priemere tento pomer dopadol na 4,2. Preto každá jednotka kríženia na genetickej mape zodpovedá 4,2 μm na cytologickej mape (pre chromozómy slinných žliaz). Keď poznáte vzdialenosť medzi génmi na genetickej mape chromozómu, môžete porovnať relatívnu frekvenciu kríženia v jeho rôznych oblastiach. Napríklad v X- Chromozómové gény Drosophila pri A ec sú vo vzdialenosti 5,5 %, preto by vzdialenosť medzi nimi v obrovskom chromozóme mala byť 4,2 μm X 5,5 = 23 μm, ale priame meranie dáva 30 μm. Takže v tejto oblasti X-prekríženie chromozómov sa vyskytuje menej často ako je priemer.

V dôsledku nerovnomernej implementácie výmen po dĺžke chromozómov sú gény, keď sú zakreslené na mape, na nej rozmiestnené s rôznou hustotou. V dôsledku toho možno distribúciu génov na genetických mapách považovať za indikátor možnosti kríženia pozdĺž dĺžky chromozómu.

Mechanizmus kríženia. Ešte pred objavom kríženia chromozómov genetickými metódami pozorovali cytológovia, ktorí študovali profázu meiózy, fenomén vzájomného prepletenia chromozómov, ich vytváranie tvarov v tvare χ - chiasmus (χ je grécke písmeno „chi“). V roku 1909 F. Janssens navrhol, že chiazmata sú spojené s výmenou chromozómových úsekov. Následne tieto obrázky slúžili ako ďalší argument v prospech hypotézy genetického kríženia chromozómov, ktorú v roku 1911 predložil T. Morgan.

Mechanizmus kríženia chromozómov je spojený so správaním homológnych chromozómov v profáze I meiózy.

Crossover nastáva v štádiu štyroch chromatíd a je spojený s tvorbou chiazmat.

Ak v jednom bivalente nebola jedna výmena, ale dve alebo viac, tak v tomto prípade vzniká niekoľko chiazmat. Keďže v bivalente sú štyri chromatidy, potom je zrejmé, že každá z nich má rovnakú pravdepodobnosť výmeny sekcií s ktoroukoľvek inou. V tomto prípade sa výmeny môžu zúčastniť dve, tri alebo štyri chromatidy.

Výmena v sesterských chromatidách nemôže viesť k rekombinácii, pretože sú geneticky identické, a preto takáto výmena nedáva zmysel ako biologický mechanizmus kombinovanej variácie.

Somatické (mitotické) kríženie. Ako už bolo spomenuté, dochádza k prekríženiu v profáze I meiózy počas tvorby gamét. Existuje však somatické alebo mitotické kríženie, ku ktorému dochádza počas mitotického delenia somatických buniek, najmä embryonálnych tkanív.

Je známe, že homológne chromozómy v profáze mitózy zvyčajne nekonjugujú a sú umiestnené nezávisle na sebe. Niekedy je však možné pozorovať synapsiu homológnych chromozómov a postavy podobné chiazmatám, ale nepozoruje sa žiadne zníženie počtu chromozómov.

Hypotézy o mechanizme kríženia. Existuje niekoľko hypotéz týkajúcich sa mechanizmu kríženia, ale žiadna z nich úplne nevysvetľuje fakty génovej rekombinácie a cytologické vzorce pozorované počas tohto procesu.

Podľa hypotézy, ktorú navrhol F. Janssens a rozvinul K. Darlington, pri synapsii homológnych chromozómov v bivalente vzniká dynamické napätie, ktoré vzniká v súvislosti so špirálovaním chromozómových závitov, ako aj pri vzájomnom spletení chromozómov. homológy v bivalente. V dôsledku tohto napätia sa jedna zo štyroch chromatíd zlomí. Zlom, narušujúci rovnováhu v bivalente, vedie ku kompenzačnému zlomu v striktne identickom bode na akejkoľvek inej chromatíde tej istej bivalenty. Potom dôjde k vzájomnému zjednoteniu zlomených koncov, čo vedie k prekríženiu. Podľa tejto hypotézy chiazmata priamo súvisia s prekrížením.

Podľa hypotézy K. Sachsa chiazmata nie sú výsledkom kríženia: najprv sa vytvoria chiazmata a potom dôjde k výmene. Keď sa chromozómy v dôsledku mechanického namáhania rozchádzajú k pólom, v miestach chiazmat dochádza k zlomom a výmene zodpovedajúcich úsekov. Po výmene chiazma zmizne.

Význam ďalšej hypotézy, ktorú navrhol D. Belling a zmodernizoval I. Lederberg, je ten, že proces replikácie DNA sa môže recipročne prepínať z jedného vlákna na druhé; reprodukcia, ktorá začala na jednej matrici, sa v určitom bode prepne na vlákno matrice DNA.

Faktory ovplyvňujúce kríženie chromozómov. Crossing je ovplyvnený mnohými faktormi, genetickými aj environmentálnymi. Preto v reálnom experimente môžeme hovoriť o frekvencii prechodu, pričom treba mať na pamäti všetky podmienky, za ktorých bola stanovená. Prechod medzi heteromorfmi prakticky chýba X- A Y- chromozómy. Ak by k nemu došlo, chromozomálny mechanizmus určovania pohlavia by sa neustále ničil. Blokovanie kríženia medzi týmito chromozómami je spojené nielen s rozdielom v ich veľkosti (nie vždy sa to pozoruje), ale je tiež spôsobené Y- špecifické nukleotidové sekvencie. Predpokladom synapsie chromozómov (alebo ich úsekov) je homológia nukleotidových sekvencií.

Prevažná väčšina vyšších eukaryotov sa vyznačuje približne rovnakou frekvenciou kríženia u homogametických aj heterogametických pohlaví. Sú však druhy, u ktorých crossover chýba u jedincov heterogametického pohlavia, kým u jedincov homogametického pohlavia prebieha normálne. Táto situácia sa pozoruje u heterogametického samca drozofily a samice priadky morušovej. Je príznačné, že frekvencia mitotického kríženia u týchto druhov u samcov a samíc je takmer rovnaká, čo svedčí o rozdielnych prvkoch riadenia jednotlivých štádií genetickej rekombinácie v pohlavnom resp. somatické bunky. V heterochromatických oblastiach, najmä pericentromérnych oblastiach, je frekvencia kríženia znížená, a preto môže byť skutočná vzdialenosť medzi génmi v týchto oblastiach zmenená.

Boli objavené gény pôsobiace ako krížové inhibítory , ale sú aj gény, ktoré zvyšujú jeho frekvenciu. Niekedy môžu vyvolať značný počet krížení u samcov drozofily. Preskupenia chromozómov, najmä inverzie, môžu tiež pôsobiť ako krížové zvodiče. Narúšajú normálnu konjugáciu chromozómov v zygotene.

Zistilo sa, že frekvenciu prekračovania ovplyvňuje vek organizmu, ako aj exogénne faktory: teplota, žiarenie, koncentrácia solí, chemické mutagény, lieky, hormóny. S väčšinou týchto vplyvov sa frekvencia prekračovania zvyšuje.

Vo všeobecnosti je prekríženie jedným z pravidelných genetických procesov riadených mnohými génmi, a to priamo aj prostredníctvom fyziologický stav meiotické resp mitotických buniek. Frekvencia rôznych typov rekombinácií (meiotické, mitotické kríženie a sesterské, chromatidové výmeny) môže slúžiť ako miera účinku mutagénov, karcinogénov, antibiotík atď.

Morganove zákony dedičnosti a z nich vyplývajúce princípy dedičnosti. Diela T. Morgana zohrali obrovskú úlohu pri vzniku a rozvoji genetiky. Je autorom chromozomálnej teórie dedičnosti. Objavili zákony dedenia: dedenie pohlavne spojených vlastností, prepojené dedičstvo.

Z týchto zákonov vyplývajú tieto zásady dedičnosti:

1. Faktorový gén je špecifický lokus chromozómu.

2. Génové alely sa nachádzajú v identických lokusoch homológnych chromozómov.

3. Gény sú na chromozóme umiestnené lineárne.

4. Crossing je pravidelný proces výmeny génov medzi homológnymi chromozómami.

Mobilné prvky genómu. V roku 1948 objavil americký výskumník McClintock v kukurici gény, ktoré sa presúvajú z jednej časti chromozómu do druhej a tento jav nazval transpozícia a samotné gény riadia prvky (CE). 1. Tieto prvky sa môžu presúvať z jedného miesta na druhé; 2. ich integrácia do daného regiónu ovplyvňuje aktivitu génov nachádzajúcich sa v blízkosti; 3. strata EC v danom lokuse zmení predtým mutabilný lokus na stabilný; 4. v miestach, kde sú prítomné EC, môžu nastať delécie, translokácie, transpozície, inverzie a zlomy chromozómov. V roku 1983 bola Nobelova cena udelená Barbare McClintock za objav mobilných genetických prvkov.

Prítomnosť transponovateľných prvkov v genómoch má rôzne dôsledky:

1. Pohyby a zavádzanie transponovateľných prvkov do génov môže spôsobiť mutácie;

2. Zmena stavu aktivity génu;

3. Tvorba chromozomálnych preskupení;

4. Tvorba telomér.

5. Účasť na horizontálnom prenose génov;

6. Transpozóny na báze P elementu sa využívajú na transformáciu v eukaryotoch, klonovanie génov, hľadanie zosilňovačov a pod.

V prokaryotoch existujú tri typy transponovateľných prvkov: IS prvky (inzercie), transpozóny a niektoré bakteriofágy. Elementy IS sú vložené do akejkoľvek časti DNA, často spôsobujú mutácie, ničia kódujúce alebo regulačné sekvencie a ovplyvňujú expresiu susedných génov. Bakteriofág môže spôsobiť mutácie vložením.

Podstata chromozomálnej teórie dedičnosti. V rokoch 1902-1903 Americký cytológ W. Setton a nemecký cytológ a embryológ T. Boveri nezávisle navrhli, že gény sa nachádzajú na chromozómoch. Experimentálne dôkazy o lokalizácii špecifických génov v konkrétnych chromozómoch však získal až v roku 1910 americký genetik T. Morgan, ktorý v nasledujúcich rokoch (1911 - 1926) doložil chromozomálna teória dedičnosti. Podľa tejto teórie, prenos dedičnej informácie je spojený s chromozómami, v ktorých sú gény lokalizované lineárne, v určitej sekvencii. Sú to teda chromozómy, ktoré predstavujú materiálny základ dedičnosti.

Reťazené dedičstvo. Nezávislá kombinácia vlastností (tretí Mendelov zákon) sa uskutočňuje pod podmienkou, že gény, ktoré určujú tieto vlastnosti, sú umiestnené v rôznych pároch homológnych chromozómov. V dôsledku toho je v každom organizme počet génov, ktoré sa môžu nezávisle kombinovať v meióze, obmedzený počtom chromozómov. V organizme však počet génov spravidla výrazne prevyšuje počet chromozómov. Napríklad v kukurici bolo študovaných viac ako 500 génov, viac ako 1 000 u muchy Drosophila a asi 2 000 génov u ľudí, pričom majú 10, 4 a 23 párov chromozómov. To dalo dôvod predpokladať, že veľa génov je lokalizovaných na každom chromozóme. Gény lokalizované na rovnakom chromozóme tvoria spojovaciu skupinu a dedia sa spolu.

T. Morgan navrhol nazvať spoločné dedičstvo génov spojené dedičstvo. Počet väzbových skupín zodpovedá haploidnej sade chromozómov, pretože každá väzbová skupina pozostáva z dvoch homológnych chromozómov, v ktorých sú lokalizované rovnaké gény.

Dedičnosť spojených génov sa líši od dedičnosti génov lokalizovaných v rôznych pároch homológnych chromozómov. Ak sa teda dihybrid skombinuje nezávisle, vytvorí štyri typy gamét (AB, Av, a B, au) V rovnaké množstvá, potom ten istý dihybrid tvorí iba dva typy gamét: AB A au tiež v rovnakých množstvách. Posledne menované opakujú kombináciu génov v chromozóme rodiča.

Zistilo sa však, že okrem týchto gamét (AB A av) vznikajú ďalšie - Av A aB – s novými kombináciami génov. Dôvodom vzniku nových gamét je výmena úsekov homológnych chromozómov, alebo prekríženie.

Kríženie sa vyskytuje v profáze I meiózy počas konjugácie homológnych chromozómov (obr.). V tomto čase sa môžu časti dvoch chromozómov krížiť a vymieňať si svoje úseky (gény), výsledkom čoho sú chromozómy s rôznymi kombináciami génov. Jedince, ktoré sa získajú z takýchto gamét s novou kombináciou alel, sa nazývajú prejsť, alebo rekombinantný.

Zoberme si jeden z prvých experimentov T. Morgana, ktorý študoval prepojenú dedičnosť. Pri krížení ovocných mušiek, ktoré sa líšili v dvoch pároch alternatívnych znakov (sivé s normálnymi krídlami a čierne s primitívnymi krídlami), boli získané jedince diheterozygotné pre tieto gény. Všetky muchy, v súlade so zákonom o uniformite hybridov prvej generácie, boli sivé s normálnymi krídlami.

Ďalej sa uskutočnilo analytické kríženie - diheterozygotná samica bola krížená so samcom homozygotným pre oba recesívne gény (čierne telo a rudimentárne krídla). Ak sa dva páry alelických génov, ktoré určujú tieto alternatívne znaky, nachádzali na rôznych chromozómoch, potom by sa v druhej generácii počas analytického kríženia dali očakávať štyri rôzne fenotypy v rovnakých pomeroch: sivé telo, normálne krídla; sivé telo, rudimentárne krídla; čierne telo, normálne krídla; čierne telo, rudimentárne krídla.

V skutočnosti sa v dôsledku takéhoto kríženia pozorujú prevažne dve triedy: sivé mušky s normálnymi krídlami a čierne mušky so základnými krídelkami (tvoria 83 %); dve ďalšie triedy – sivé muchy so základnými krídlami a čierne muchy s normálnymi krídlami – boli v malom počte (17 %).

Získaný výsledok naznačuje úzku súvislosť medzi génmi, ktoré určujú farbu tela a dĺžku krídel, čo sa môže stať len vtedy, keď sa oba tieto gény nachádzajú na rovnakom chromozóme.

Dôvodom objavenia sa malého počtu múch s novými kombináciami znakov je kríženie, čo vedie k novej rekombinantnej kombinácii génových alel na homológnych chromozómoch. Tieto výmeny sa vyskytujú s pravdepodobnosťou 17 % a nakoniec produkujú dve triedy rekombinantov s rovnakou pravdepodobnosťou, každá 8,5 %.

Frekvencia (percento) kríženia medzi dvoma génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme závisí od vzdialenosti medzi nimi. K prekríženiu medzi dvoma génmi dochádza menej často, čím bližšie sú k sebe.

Vzdialenosť medzi génmi charakterizuje silu spojenia a vyjadruje sa v Morganidy(na počesť T. Morgana) alebo v percento rekombinácie(prejsť). Morganidae je genetická vzdialenosť, pri ktorej dochádza k prekríženiu s pravdepodobnosťou 1 %.

Biologický význam prechodu je mimoriadne veľký. Genetická rekombinácia umožňuje vytvárať nové, predtým neexistujúce kombinácie génov a tým zvyšovať dedičnú variabilitu, ktorá poskytuje organizmom široké možnosti adaptácie na rôzne podmienky prostredia. Osoba špeciálne vykonáva hybridizáciu, aby získala potrebné kombinácie na použitie pri šľachtiteľskej práci.

Genetické mapy. Spojenie génov lokalizovaných na jednom chromozóme nie je absolútne. Cross over, ku ktorému dochádza počas procesu meiózy medzi homológnymi chromozómami, vedie k rekombinácii (redistribúcii) génov. T. Morgan a jeho spolupracovníci K. Bridges, A. Sturtevant a G. Möller experimentálne ukázali, že znalosť fenoménu prepojenia a kríženia umožňuje nielen stanoviť väzbovú skupinu génov, ale aj zostaviť genetické mapy chromozómov, ktoré označujú poradie génov v chromozóme a relatívne vzdialenosti medzi nimi.

Genetická mapa chromozómov je diagramom relatívneho usporiadania génov umiestnených v rovnakej väzbovej skupine. Genetické mapy sú zostavené pre každý pár homológnych chromozómov.

Možnosť takéhoto mapovania je založená na stálosti percenta kríženia medzi určitými génmi. Ak je známe relatívne usporiadanie génov na chromozóme (ich poradie a vzdialenosť medzi nimi), možno ho znázorniť vo forme diagramu (obr.).

Genetické mapy chromozómov boli zostavené pre mnoho organizmov: hmyz (Drosophila, komár, šváb atď.), huby (kvasinky, Aspergillus), mnohé protisty, baktérie a vírusy.

Prítomnosť genetickej mapy naznačuje vysoký stupeň poznania určitého druhu organizmu a je predmetom veľkého vedeckého záujmu. Takýto organizmus je výborným objektom pre ďalšiu experimentálnu prácu, ktorá má nielen vedecký, ale aj praktický význam. Najmä znalosť genetických máp umožňuje plánovať prácu na získavaní organizmov s určitými kombináciami znakov, čo sa dnes v šľachtiteľskej praxi hojne využíva. Vytváranie kmeňov mikroorganizmov schopných syntetizovať proteíny, hormóny a iné komplexné proteíny potrebné pre farmakológiu a poľnohospodárstvo organickej hmoty, možné len na základe metód genetické inžinierstvo, ktoré sú zase založené na znalostiach genetických máp zodpovedajúcich mikroorganizmov.

Ľudské genetické mapy môžu byť užitočné aj pri vývoji zdravia a medicíny. Poznatky o lokalizácii génu na konkrétnom chromozóme sa využívajú pri diagnostike množstva závažných dedičných ľudských chorôb.

Základné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti. Analýza javov viazanej dedičnosti, kríženia, porovnanie genetických a cytologických máp nám umožňuje formulovať hlavné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti:

1. Gény sú lokalizované na chromozómoch.

2. Gény sú na chromozóme umiestnené lineárne.

3. Gény sú lokalizované na rovnakom chromozóme, dedia sa spolu a tvoria spojovaciu skupinu. Počet väzbových skupín sa rovná haploidnej sade chromozómov.

4. Väzba medzi génmi lokalizovanými na tom istom chromozóme je neúplná, môže medzi nimi dôjsť k prekríženiu. Frekvencia kríženia je miera vzdialenosti medzi génmi umiestnenými na rovnakom chromozóme.

1. Čo je to spojková skupina? Aký je počet väzobných skupín v bunkách? rôzne organizmy? 2. Aké fakty získané štúdiom prepojenia a kríženia medzi génmi potvrdzujú chromozomálnu teóriu dedičnosti? 3. Aké sú genetické mapy chromozómov a aké sú vyhliadky na ich použitie? 4. Aké sú hlavné ustanovenia chromozomálnej teórie dedičnosti?

Článok do súťaže „bio/mol/text“: V roku 2015 uplynie 100 rokov chromozomálna teória dedičnosti. Jeho hlavné ustanovenia sformulovali T. Morgan, A. Sturtevant, G. Möller a K. Bridges v knihe „The Mechanism of Mendelian Inheritance“, vydanej v New Yorku v roku 1915. A neskôr Thomas Morgan dostal prvú „genetickú“ Nobelovu cenu - za objav úlohy chromozómov v dedičnosti. Medzinárodná konferencia „Chromozóm 2015“, ktorá sa konala v auguste 2015 v Akademickom meste Novosibirsk, bola venovaná výročiu teórie chromozómov. Nižšie uvedený text obsahuje komentáre autora plagát o histórii výskumu chromozómov, prezentované na konferencii a teraz na „Biomolekule“ – v „najživšej“ súťažnej nominácii“ Vizuálne o neviditeľnom».

Poznámka!

Kompletnejšie informácie nájdete v knihe - Koryakov D.E., Zhimulev I.F. . Novosibirsk: Vydavateľstvo SB RAS, 2009 - 258 s., ISBN 978-5-7692-1045-7

Sponzorom nominácie „Najlepší článok o mechanizmoch starnutia a dlhovekosti“ je nadácia Science for Life Extension Foundation. Cenu publika sponzoroval Helicon.

Sponzori súťaže: Biotechnologické výskumné laboratórium 3D Bioprinting Solutions a vedecká grafika, animačné a modelovacie štúdio Visual Science.

Nižšie uvedený text je stručným komentárom k plagátu a kompletnejšie informácie nájdete v knihe: Koryakov D.E., Zhimulev I.F. Chromozómy. Štruktúra a funkcie. Novosibirsk: Vydavateľstvo SB RAS, 2009 - 258 s., ISBN 978-5-7692-1045-7.

Kliknutím na obrázok ho zväčšíte (otvorí sa v samostatnom okne).

Genetická úloha chromozómov

Každý organizmus reprodukuje iba svoj vlastný druh a dokonca aj v najmenších črtách vzhľadu a správania detí je možné vidieť podobnosti s ich rodičmi. Prvý krok k pochopeniu, prečo sa tak deje, urobil mních z rakúskeho mesta Brunn (dnes je to české Brno) G. Mendel ( G. Mendel). V roku 1865 na stretnutí Brunn Society of Natural Scientists vypracoval správu s názvom „ Pokusy na rastlinných hybridoch» ( Versuche über Pflanzen-Hybriden), a v roku 1866 ho uverejnil v zborníku prác tohto spolku. Prírodovedný mních opísal výsledky kríženia rôznych foriem hrachu a navrhol prítomnosť špeciálnych faktorov, na ktorých vonkajšie znaky rastliny. Vzory dedenia týchto faktorov boli neskôr tzv Mendelove zákony. Súčasníci však nepochopili význam tohto objavu a zabudli naň a až v roku 1900 G. de Vries ( H. de Vries, Holandsko), K. Correns ( C. Correns, Nemecko) a E. Čermák ( E. Tschermak, Rakúsko) nezávisle znovuobjavili Mendelove zákony.

Dávno pred všetkými týmito štúdiami, ktoré by sa teraz nazývali genetická analýza, vedci zaoberajúci sa botanikou, zoológiou, embryológiou, histológiou a fyziológiou položili základy cytogenetika- náuka o chromozómoch. V rôznych článkoch a knihách sa uprednostňuje objavovanie chromozómov Iný ľudia, no najčastejšie sa ako rok ich objavenia označuje rok 1882 a ich objaviteľom je nemecký anatóm W. Flemming ( W. Flemming). Bolo by však spravodlivejšie povedať, že chromozómy neobjavil, ale iba ich zozbieral a usporiadal do svojej základnej knihy“ Bunková hmota, jadro a delenie buniek» ( Zellsubstanz, Kern und Zellteilung) všetko, čo sa o nich v tom čase vedelo. Samotný termín „chromozóm“ zaviedol do vedy nemecký histológ H. Waldeyer ( H. Waldeyer) v roku 1888 a doslovne preložený výraz znamená „maľované telo“.

Teraz je ťažké povedať, kto urobil prvý popis chromozómov. V roku 1842 švajčiarsky botanik K. Naegeli ( C. Nägeli) publikoval prácu, v ktorej zobrazil určité telieska, ktoré vznikajú na mieste jadra pri delení buniek pri tvorbe peľu v ľaliách a tradescantiách. Možno to boli prvé kresby chromozómov. Prvý (1873) Detailný popis mitóza pri plochý červ Mesostoma ehrenbergii Predpokladá sa, že patrí nemeckému zoológovi A. Schneiderovi ( F.A. Schneider). Opísal nielen jednotlivé štádiá mitózy, ktoré sme videli predtým, ale celý sled zložitých zmien v jadre: objavenie sa vláknitých teliesok na ich mieste, ich divergenciu v opačných smeroch a tvorbu nových jadier v jadre. dcérske bunky. Ďalším typom delenia je meióza- prvýkrát podrobne opísal E. van Beneden ( E. van Benedena, Belgicko) v roku 1883, pri pozorovaní tvorby gamét u škrkavky. Zistil, že pri meióze sa počet chromozómov zníži na polovicu a počas oplodnenia sa obnoví a napriek rozdielom vo veľkosti sa do zygoty dostanú samčie a samičie gaméty. rovnaký počet chromozómov.

* - Trochu o mieste a účele mobilných genetických prvkov v pro- a eukaryotických genómoch: “ Mobilné genetické prvky prokaryotov: stratifikácia „spoločnosti“ vagabundov a domácich zvierat», « Ľudský genóm: užitočná kniha alebo lesklý časopis?», « Je odpadová DNA hnacou silou evolúcie cicavcov?» - Ed.

Ďalšou možnosťou výmeny pozemkov je výmena sesterských chromatidov(SHO). Ak počas kríženia dôjde k výmene chromatíd rôzne chromozómy, potom v prípade SCO dochádza vo vnútri k výmene chromatíd jeden chromozómov. Americký genetik D. Taylor ( J Taylor) v roku 1958.

Prekročenie, aj keď nejednoznačné, je spojené s vytvorením špeciálnej štruktúry v profáze meiózy z páru homológnych chromozómov - synaptonemálny komplex. Objavili ho v roku 1956 nezávisle dvaja americkí cytológovia: M. Moses ( M. Mojžiš) u rakov a D. Focetta ( D. Fawcett) v myši.

Chromozómová diverzita

Ak chromozómy chápeme ako akýchkoľvek nosičov dedičnej informácie, tak sú mimoriadne rôznorodé čo do veľkosti, tvaru, vzhľad, zloženie a počet. Chromozómy vírusov a baktérií môžu byť kruhové alebo lineárne. Chromozómy chloroplastov a mitochondrií majú tvar prstenca. Jadrové chromozómy eukaryotov majú lineárny tvar a sú vo forme X- a V-teliesok rôzne tvary zvyčajne prichádzajú na myseľ pri zmienke o chromozómoch. Nazývajú sa mitotický alebo metafáza, keďže tento vzhľad majú počas delenia - mitózy (a metafáza je jedným z jej štádií).

V roku 1912 ruský botanik a cytológ S.G. Navashin ukázal, že metafázové chromozómy majú individuálny súbor charakteristík, vrátane veľkosti, pomeru dĺžky ramien, prítomnosti satelitov a zúžení. Pomocou polohy centroméry alebo pomeru dĺžky ramena S.G. Navashin navrhol klasifikáciu mitotických chromozómov, ktorá sa používa dodnes: metacentrické, submetacentrické, akrocentrické a telocentrické.

Číslo chromozómu odlišné typy organizmy sa môžu značne líšiť: od dvoch (v niekoľkých rastlinných druhoch a jednom z austrálskych mravcov) po 1440 v paprade Ophioglossum reticulatum a dokonca 1600 pre morské rádiolárie Aulacantha scolymantha. U ľudí je počet chromozómov 46 a bol stanovený až v roku 1955 a publikovaný v roku 1956 cytogenetikom čínskeho pôvodu D. Chio ( J. Tjio) v spolupráci so svojím nadriadeným A. Levanom ( A. Levan) vo Švédsku. O niekoľko mesiacov neskôr číslo potvrdil britský C. Ford ( C. Ford) a D. Hamerton ( J. Hamerton). O určenie počtu ľudských chromozómov sa pokúšali už od konca 19. storočia. V rôznych prípadoch sa to ukázalo rôzne významy: 18, 24, 47 alebo 48 – a až v roku 1955 sa presvedčili, že ľudia majú chromozómov 46. Na počesť tejto udalosti bola postavená pamätná tabuľa s vyobrazením samotnej metafázovej platne, z ktorej sa počítali chromozómy. Je zvláštne, že počet šimpanzích chromozómov (48) bol určený o 15 rokov skôr.

Všeobecne sa uznáva, že počet chromozómov v každom druhu živých organizmov je konštantný a vo veľkej väčšine prípadov je to tak. U niektorých živočíchov a rastlín sa však vyskytujú tzv nadpočetný, alebo dodatočné, chromozómy. Všetky chromozómy hlavnej sady sú tzv A chromozómy. Sú vždy prítomné a strata alebo pridanie aspoň jedného z nich vedie k vážnym následkom. Ďalšie chromozómy sa nazývajú B chromozómy a ich hlavnými črtami sú voliteľnosť prítomnosti a nestálosť čísla. Nadpočetné chromozómy prvýkrát objavil E. Wilson ( E. Wilson, USA) v roku 1906 od chyby Metapodius terminalis.

Zvláštny typ chromozómu tzv "lampbrush" chromozómy, možno vidieť v profáze prvého meiotického delenia pri tvorbe oocytov u vtákov, rýb, plazov a obojživelníkov. Prvýkrát sa o nich zmienil vo svojej základnej knihe (1882) V. Fleming, ktorý objavil tieto chromozómy v axolotl. Svoje meno dostali pre podobnosť s kefou na čistenie petrolejových lámp.

Veľmi zvláštne miesto medzi všetkými typmi chromozómov zaujíma polyténové chromozómy, ktoré vyzerajú ako dlhé hrubé šnúry s priečnymi pruhmi. Objavil ich francúzsky embryológ E. Balbiani ( E. Balbiani) v roku 1881 v jadrách buniek slinných žliaz lariev komárov Chironomus plumosus. Polyténové chromozómy zohrávali významnú úlohu vo vývoji genetiky, cytogenetiky a molekulárnej biológie. S ich pomocou sa ukázala lineárnosť usporiadania génov a jednoznačne sa dokázala genetická úloha chromozómov. Chromozomálny polymorfizmus vo voľne žijúcich populáciách bol prvýkrát opísaný na polyténových chromozómoch Drosophila. Práve na polyténových chromozómoch boli objavené gény pre proteíny tepelného šoku – zložky systému, ktorý chráni bunky všetkých organizmov pred stresormi. Polyténové chromozómy zohrali kľúčovú úlohu pri štúdiu systému kompenzácie dávkovania u Drosophila.

Evolúcia chromozómov a genómov

V moderných cytogenetických štúdiách zohráva dôležitú úlohu rozdielne sfarbenie. Prvýkrát schopnosť chromozómov farbiť sa rozdielne (teda nerovnako dlhé) preukázal Angličan S. Darlington ( C. Darlington) a L. La Cour ( L. La Cour) v roku 1938. Ďalšou dôležitou výskumnou metódou je in situ hybridizácia, ktorý umožňuje určiť polohu akéhokoľvek fragmentu DNA na chromozóme. Metóda je založená na schopnosti nukleových kyselín vytvárať dvojvláknové molekuly, DNA-DNA aj RNA-DNA. Túto metódu vynašiel v roku 1969 D. Goll ( J. Gall) a M. Pardue ( M. Pardue) z USA a H. John ( H. John), M. Birnstiel ( M. Birnstiel) a K. Jones ( K. Jones) z Veľkej Británie.

Kombinácia týchto metód umožňuje detailne študovať vývoj chromozómov a genómov* a nemenným spoločníkom evolučného procesu sú chromozomálne preskupenia. Ako sa druh vyvíja, v jeho chromozómoch nevyhnutne dochádza k preskupeniam, ktoré menia poradie génov v porovnaní s predkami. Čím ďalej sa druhy od seba pohybujú, tým viac ich odlišuje chromozomálne preskupenia a tým viac sa mení poradie génov. Známy odlišné typy prestavby: delécie (strata), duplikácie (zdvojenie) a translokácie (pohyb) chromozómových úsekov, ktoré objavil K. Bridges v rokoch 1916, 1919 a 1923, resp. Ďalším typom sú inverzie (otočenie úseku chromozómu o 180°), ktoré opísal v roku 1921 A. Sturtevant. Okrem toho existuje špeciálny typ preskupenia nazývaný Robertsonova translokácia (alebo centrická fúzia). Prvý to opísal Američan W. Robertson ( W. Robertson) v roku 1916 v porovnaní sady chromozómov príbuzné druhy kobyliek. Podstatou tohto preskupenia je fúzia dvoch akrocentrických chromozómov do jedného metacentrického alebo submetacentrického. Existuje aj opačný proces – centrická separácia. V tomto prípade je meta- alebo submetacentrický chromozóm rozdelený na dva akrocentrické.

* - Na biomolekule nájdete pôsobivý výber článkov, ktoré sa tak či onak dotýkajú evolúcie genómov a zmien genetický kód: « Vírusové genómy v systéme evolúcie», « Pod „génovým akordeónom“», « Allopolyploidia, alebo ako sa rôzne genómy naučili žiť pod jednou strechou», « Kompletné genómy galapágskych piniek konečne odhalili mechanizmy ich evolúcie», « Ako bol zostavený eukaryotický genóm: endosymbióza VS. nepretržitý horizontálny prenos»; « Tajomný kód nášho genómu», « Evolúcia genetického kódu», « Pri počiatkoch genetického kódu: spriaznené duše», « Také rôzne synonymá"a atď. - Ed.

Poloha chromozómov v jadre

Na konci 19. storočia T. Boveri predložil myšlienku, že chromozómy v interfázovom jadre nie sú náhodne zmiešané, ale každý z nich zaberá svoj vlastný priestor. V roku 1909 vymyslel termín „ chromozomálne územie" Prvý dôkaz o existencii chromozomálnych území získal až v roku 1982 nemecký bádateľ T. Kremer ( T. Cremer) so spoluautormi. Neskôr tieto oblasti vizualizovali pomocou fluorescenčných farbív rôznych farieb. Ukázalo sa, že veľké chromozómy sa oveľa častejšie nachádzajú v periférnej časti jadra, zatiaľ čo malé sú sústredené najmä v centrálnej časti. Okrem toho sa na periférii jadra nachádzajú oblasti chromozómov, ktoré sú ochudobnené o gény. Naopak, oblasti obohatené génmi sa nachádzajú bližšie k stredu jadra.

Zloženie chromozómov. DNA

Chromozómy sú štruktúry tvorené komplexným komplexom DNA, RNA a proteínov. Takýto komplex je tzv chromatín.

ako DNA Chemická látka otvorené a zvýraznené v čistej forme mladý švajčiarsky výskumník F. Miescher ( F. Miescher), pôsobiaci v rokoch 1868–1869 na univerzite v nemeckom meste Tübingen. Študoval chemické zloženie leukocytov, ktorých zdrojom bol hnis z obväzov z miestnej chirurgickej kliniky. F. Miescher vyvinul metódu separácie jadier a cytoplazmy buniek a analyzoval zloženie jadier. Okrem bielkovín a lipidov objavil látku, ktorú nazval nukleín(od slova jadro- jadro) a je teraz známy ako DNA. Skutočnosť, že DNA je nositeľom dedičnej informácie, prvýkrát zistil v roku 1944 Američan O. Avery ( O. Avery), K. MacLeod ( C. MacLeod) a M. McCarthy ( M. McCarty) v experimentoch s infikovaním myší pneumokokmi.

Štruktúru molekuly DNA vo forme dvojitej špirály rozlúštil v roku 1953 F. Crick ( F. Crick), D. Watson ( J. Watson), M. Wilkins ( M. Wilkins) a R. Franklin ( R. Franklin), ktorý pracoval v Spojenom kráľovstve. Za tento objav dostali prví traja výskumníci v roku 1962 Nobelovu cenu (história objavu bola fascinujúco opísaná v knihe „ Dvojitý helix» James Watson, vysoko odporúčané - Ed.). Rosalind Franklinová nie je medzi príjemcami, keďže štyri roky predtým zomrela na rakovinu. Je známe, že molekula DNA pozostáva zo sekvencie štyroch typov nukleotidov: adenínu, tymínu, guanínu a cytozínu*. Za vývoj metódy na určenie ich postupnosti ( sekvenovanie) v roku 1980 bola udelená Nobelova cena P. Bergovi ( P. Berg, USA), W. Gilbert ( W. Gilbert, USA) a F. Sanger ( F. Sanger, Veľká Británia).

* - Okrem štyroch „klasických“ nukleotidov sa v DNA nachádzajú aj ich epigeneticky modifikované varianty: metylcytozín a metyladenín (“ Šiesta báza DNA: od objavu po uznanie"). A pre niektoré bakteriofágy Bacillus subtilis je opísané zahrnutie „RNA“ uracilu do DNA - Červená.

Ak bolo najprv sekvenovanie proces náročný na prácu, ktorý umožňoval „čítať“ naraz iba malý fragment, potom s vývojom technológie bolo možné určiť napríklad úplnú sekvenciu ľudskej mitochondriálnej DNA (1981). Ambiciózny projekt bol spustený v roku 1990 s cieľom úplne sekvenovať ľudský genóm a prvý výsledok bol predstavený v roku 2001 (biomolekula: „ Ľudský genóm: ako to bolo a ako to bude"). Zároveň sekvenovanie jeden genóm stál kolosálne množstvo - stovky miliónov dolárov. Technológia však nestojí na mieste a objavenie sa nových metód znížilo náklady tisíckrát*. Sekvenovanie celého genómu sa stalo samozrejmosťou a projekt Genome 10K bol spustený v roku 2009. Jeho cieľom je sekvenovanie a kompletné „zostavenie“ 10-tisíc zvieracích genómov do chromozómov.

* - Moorov „zákon“ je absolútne odsúdený na to, aby dosiahol svoje koncové body v rôznych vedách (všade, kam ho bolo možné dotiahnuť). Biológia dokonca predbehla elektroniku: postupné znižovanie nákladov na sekvenovanie vyvrcholilo v roku 2007, čím sa priblížila éra rutinného čítania genómov na vidieckych staniciach zdravotníckych asistentov. povinné zdravotné poistenie. Je pravda, že v dohľadnej dobe budete musieť ešte vynaložiť - 1 000 dolárov plus cestovné: « Technológia: 1 000 dolárov za genóm" Ale aj o tom sa dalo len snívať pred príchodom nových metód sekvenovania DNA: “ 454-sekvenovanie (vysokovýkonné pyrosekvenovanie DNA)" A na pochopenie základných (na bunkovej úrovni) procesov vývoja tela a víťazstva nad rakovinou je stále o čom snívať: “ Sekvenovanie jednej bunky (verzia Metazoa)» - Ed.

Nové technológie umožnili rozvoj takých oblastí, ako je štúdium starovekej DNA (biomolekuly: „ Staroveká DNA: Pozdravy z minulosti"). Bolo možné extrahovať DNA z kostí starých desiatky tisíc rokov a v roku 2008 bol napríklad sekvenovaný mitochondriálny genóm neandertálca. Štúdium starodávnej DNA a celej modernej DNA molekulárna biológia nemožno si predstaviť bez použitia PCR - polymeráza reťazová reakcia . Za jeho objavenie Američan K. Mullis ( K. Mullis) získal Nobelovu cenu v roku 1993.

Zloženie chromozómov. Veveričky

DNA v chromozómoch prechádza niekoľkými po sebe nasledujúcimi úrovňami balenia a na úplne prvej úrovni sa dvojitá špirála DNA ovinie okolo proteínovej gule, čím sa vytvorí nukleozóm(biomolekula: " Histón sa valí, valí sa smerom k DNA"). Globula obsahuje štyri druhy bielkovín tzv históny. V roku 1982 anglický molekulárny biológ A. Klug ( A. Klug) dostal Nobelovu cenu za rozlúštenie trojrozmernej štruktúry nukleozómov. Nepriamo boli nukleozómy ocenené ďalšou Nobelovou cenou – v roku 1910 ju dostal nemecký biochemik A. Kossel ( A. Kossel) na štúdium chemické zloženie látok, ktoré tvoria jadro bunky, vrátane objavu histónov.

C-terminálne časti molekúl histónu sú pevne zložené, zatiaľ čo N-terminálne časti nemajú špecifickú štruktúru a voľne sa rozchádzajú do strán. V rokoch 1963–1964 sa zistilo, že niektoré aminokyselinové zvyšky v histónoch môžu byť kovalentne modifikované, to znamená acetylované alebo metylované. Teraz sa zoznam modifikácií výrazne rozšíril; na aminokyselinové zvyšky môžu byť pripojené obe relatívne jednoduché skupiny - metyl, acetyl, fosfát - a zložité veľké molekuly: biotín, oligopeptidy alebo ADP-ribózové reťazce. Modifikácie sa objavujú hlavne na N- a v oveľa menšej miere aj na C-koncových častiach molekúl histónu.

Podľa teórie histónového kódu, modifikácie, ktoré sú prítomné na nukleozómoch v danej oblasti chromatínu, nie sú náhodné, ale „kódujú“ nejaký proces. Tento pohľad formuloval v rokoch 2000–2001 B. Shtral ( B. Strahl, USA), S. Ellis ( C. Allis, USA) a T. Jenuwine ( T. Jenuwein, Rakúsko). Schematicky môže byť proces histónového kódu zložený z troch etáp. V prvej fáze fungujú enzýmy, ktoré modifikujú určité zvyšky v histónoch. V druhej fáze sa na modifikované aminokyseliny viažu proteíny, ktoré majú na tento účel špeciálne domény. Každá z domén je vhodná len na „svoju“ úpravu. V poslednom štádiu tieto naviazané proteíny priťahujú ďalšie proteínové komplexy, čím sa spustí nejaký proces.

* - O jasných vyhliadkach a triezvych pochybnostiach v oblasti aplikácie iPSC: “ Francúzskym výskumníkom sa podarilo omladiť bunky storočných ľudí», « Snehová guľa problémov s pluripotenciou». - Ed.

Heterochromatín

Jedným z predmetov štúdia rôznych epigenetických procesov je heterochromatín. Ako tmavšie úseky chromozómov ho objavil v roku 1907 nemecký cytológ S. Guthertz ( S. Gutherz), a termíny „heterochromatín“ a „euchromatín“ zaviedol v roku 1928 ďalší nemecký cytológ E. Heitz ( E. Heitz). Stručne povedané, euchromatín je časť chromozómov, v ktorej sa nachádza prevažná väčšina génov, zatiaľ čo heterochromatín sú najmä oblasti s nekódujúcou DNA pozostávajúcou z krátkych, opakovane sa opakujúcich sekvencií. Okrem toho sa eu- a heterochromatín líšia v čase replikácie počas S fázy bunkový cyklus. Tento rozdiel prvýkrát opísal v roku 1959 A. Lima de Faria ( A. Lima de Faria, USA), študujúci proces replikácie DNA v semenníkoch kobyliek Melanoplus diferenciál. Ukázal, že heterochromatín začína aj končí replikáciu svojej DNA neskôr ako euchromatín.

Dôležitou vlastnosťou heterochromatínu je schopnosť inaktivovať euchromatické gény, ktoré sa v ňom nachádzajú. Tento jav sa nazýva efekt polohy typu mozaiky. Objavil ju v roku 1930 G. Möller v Drosophile. V dôsledku chromozomálnej prestavby sa gen biely dostal do heterochromatínu. Tento gén je zodpovedný za červenú farbu očí a ak nefunguje, oči zbelie. G. Möller vyrábal muchy, ktorých oči neboli ani červené, ani biele, ale bodkované a rôzne muchy mali škvrny rôznych tvarov a veľkostí. Vysvetľuje to skutočnosť, že samotný gén zostáva nedotknutý, ale v niektorých očných bunkách je iba náhodne inaktivovaný a v iných funguje.

Napriek mnohoročnému výskumu je proces tvorby heterochromatínu stále do značnej miery nejasný, najmä jeho úplne prvá fáza. Predpokladá sa, že kľúčovú úlohu v ňom zohráva proces podobný RNA interferencia(biomolekula: " O všetkých RNA na svete, veľkých aj malých"). Za objavenie tohto javu sa zaslúžili dvaja Američania E. Fire ( Požiar) a K. Mello ( C. Mello) získal Nobelovu cenu v roku 2006. Interferenčný proces je zložitý a viacstupňový, ale bez toho, aby sme zachádzali do detailov, zavedenie dvojvláknovej RNA homológnej s génom do bunky vedie k inaktivácii tohto génu.

teloméry

Intenzívny výskum telomér začal po tom, čo Američania E. Blackburn ( E. Blackburn) a D. Goll sekvenovali teloméru nálevníka Tetrahymena thermophila. Ukázalo sa, že teloméry obsahujú sekvenciu šiestich nukleotidov opakovaných 20 až 70-krát. V roku 1985 K. Greider ( C.Greider) a E. Blackburn, stále v tom istom nálevníku, objavili enzým tzv telomeráza, ktorej úlohou je dokončiť stavbu telomér. V roku 2009 E. Blackburn, K. Greider a D. Szostak ( J. Szostak, USA) dostal Nobelovu cenu za štúdium telomér a objav enzýmu telomerázy (biomolekula: " „Nestarnúca“ Nobelova cena: v roku 2009 bola ocenená práca o teloméroch a telomeráze», « Je starnutie cenou, ktorú treba zaplatiť za potlačenie rakovinových nádorov?»).

Kompenzácia dávky

Obrovské množstvo druhov živých organizmov, vrátane ľudí, má nehomologické pohlavné chromozómy, napríklad X a Y. V tomto prípade je potrebný proces tzv. kompenzácia dávky. Jeho podstata je nasledovná: keďže počet autozómov je rovnaký u mužov aj žien, rovnaký bude aj počet autozomálnych génov, a teda aj počet ich produktov. Ale počet produktov syntetizovaných z génov umiestnených na pohlavnom chromozóme u jedného pohlavia bude 2-krát väčší ako u druhého. Výsledkom je nepomer, ktorý treba nejako regulovať, teda vyrovnať „dávku génov“. Systém kompenzácie dávky (biomolekula: „ , USA) predložili hypotézu, podľa ktorej je u samíc cicavcov jeden z dvoch chromozómov X inaktivovaný a jeho výber je náhodný. Týmto spôsobom systém kompenzácie dávkovania cicavcov vyrovnáva počet pracujúcich chromozómov X u rôznych pohlaví: u mužov je len jeden chromozóm X a u žien iba jeden z dvoch chromozómov.

V Drosophila príroda vynašla iný mechanizmus, v podstate opačný ako mechanizmus cicavcov: jediný Mužský chromozóm X je hyperaktivovaný a funguje ako dva X chromozómy u žien. Skutočnosť, že celková aktivita dvoch kópií génu z chromozómu X u žien a jednej kópie u mužov Drosophila je rovnaká, bola objavená na úsvite vývoja genetiky. Urobili to K. Stern v roku 1929 a G. Möller v roku 1931, takže Drosophila je prvým organizmom, v ktorom bola nájdená kompenzácia dávkovania.

A nakoniec...

Niekoľko slov o objave, ktorý priamo nesúvisí s chromozómami, ale veľmi aktívne sa používa, a to aj na štúdium rôznych aspektov života chromozómov. V roku 2008 O. Shimomura ( O. Šimomura), M. Chalfie ( M.Chalfie) a R. Tsien ( R. Tsien) z USA dostal Nobelovu cenu za objav, izoláciu a aplikáciu zelený fluorescenčný proteín (GFP) medúza Aequorea victoria. Pomocou molekulárnej manipulácie môžete skombinovať gén proteínu GFP s génom akéhokoľvek iného proteínu a vytvoriť chimérický proteín, ktorý bude vykonávať svoju pôvodnú funkciu a bude svietiť na zeleno. To umožňuje vidieť, v ktorých bunkách proteín funguje, v jadre alebo cytoplazme, v ktorých častiach chromozómov. Okrem zelených (GFP) sú v súčasnosti známe aj červené (RFP) a žlté (YFP) fluorescenčné proteíny*.

* - Nasledujúce materiály hovoria o rozmanitosti fluorescenčných proteínov a ich aplikácii v biologickom výskume: „ Fluorescenčná Nobelova cena za chémiu», « Fluorescenčné proteíny: rozmanitejšie, ako ste si mysleli!», « „Poďme nakresliť“ živú bunku" A o bioluminiscencii v suchozemských a morských organizmoch a práci systému luciferín-luciferáza - články: “ Bioluminiscencia: Znovuzrodenie», « Mikroskopická žiara v kozmickom meradle». - Ed.