big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Введение в генетику человека

Как и у всех органических форм, наследственность у человека связана с передачей по поколениям ядерных структур — хромосом, представляющих собой нуклеопротеиды, состоящие из ДНК и белка.

В истории общей цитогенетики человеку как объекту исследования долго не везло, он считался совершенно не подходящим для изучения его хромосом. Однако Ж. Тжио и А. Леван предложили новую технику. В культурах ткани клеток легких они установили, что число пар хромосом у человека равно 23 (2n=46). Новая техника приготовления препаратов, например, на лейкоцитах человека, позволяет в течение нескольких дней определить состав и строение хромосом у любого человека. Из категории неподходящих объектов человек перешел ныне в разряд наиболее удобных для исследований по структуре хромосом. В настоящее время во многих лабораториях мира преимущественно на клетках из культур тканей ведутся обширные работы радиации, химических и канцерогенных соединений. Исследуется целый ряд вопросов, и в первую очередь последствия радиации у людей после облучения, путем взятия у них лейкоцитов крови или других тканей.

Именно цитогенетика человека совместно с биохимической генетикой человека и генетикой популяций обеспечивают в наши дни значительный прогресс общей генетики человека.

Исследования по хромосомам человека исключительно точны и объективны, они базируются на строгом подходе к описанию ядерных структур. Эти основы зафиксированы в специальном соглашении, достигнутом генетиками и цитологами в Денвере (США) в 1960 г. на международной комиссии, которая разработала систему классификации хромосом человека. По этой системе каждая из пар хромосом, а они все отличаются величиной и формой, обозначена специальным номером. Самая большая пара хромосом длиной около десяти микрон обозначена 1. Затем идут номера аутосом согласно уменьшению их размера от 2 до 22. Половые хромосомы получили буквенное обозначение, их пара у мужчин обозначена как ХYи женщин — XX (рис. 100).

Все хромосомы обладают глубокими генетическими различиями, ибо каждая из них несет часть из той целостной генетической информации, которая свойственна всему набору хромосом. По форме хромосомы человека могут быть разделены на двуплечие хромосомы и на хромосомы, у которых одно плечо имеет особую форму, получившую название спутника. В зависимости от положения центромеры двуплечие хромосомы имеют разную форму. Так, первая пара хромосом (рис. 100) состоит из очень больших хромосом, и, поскольку центромера расположена в этой хромосоме, в ее середине, она имеет два одинаковых плеча. У второй хромосомы одно плечо короче другого. Третья пара хромосом, так же как и первая, имеет центральное расположение центромер, но она меньше по размерам и т. д. Пары хромосом 13, 14, 15-я, а также 21-я и 22-я отличаются наличием спутников. У этих хромосом центромеры локализованы сразу за спутниками и имеют почти терминальное положение. В результате при наличии двух хроматид в метафазе эти хромосомы выглядят как «уголки».

Хромосомы человека (мужчины) в составе 22 пар аутосом и пары половых хромосом (X, Y)

Микрофотография спирализованных хромосом у Tradescantia

Все эти пять пар хромосом называют акроцентрическими.

Укорочение хромосом по мере их приближения к метафазе хорошо вызывается прекращением процесса их спирализации (рис. 101).

Набор хромосом мужчины отличается от набора хромосом женщины по структуре одной пары. Эта пара половых хромосом у женщины представлена двумя одинаковыми Х-хромосомами (рис. 102). У мужчин пара половых хромосом гетероморфна. В этой паре одна хромосома представлена большой обычной Х-хромосомой, которая свойственна также ядрам клеток женщин. Другая хромосома в паре половых хромосом мужчины представлена маленькой акроцентрической Y-хромосомой (рис. 103). Таким образом, набор хромосом человека состоит из одной пары половых хромосом и 22 пар аутосом. Каждая пара хромосом составлена из гомологов, один из которых получен от отца, другой — от матери. В целом каждый человек имеет в ядрах своих клеток 23 хромосомы от отца и 23 хромосомы от матери. В процессе созревания половых клеток (в мейозе) происходит попарная конъюгация гомологов. Обмен участков хромосом при кроссинговере и независимая комбинаторика хромосом из разных пар приводит к сложнейшему взаимосочетанию и взаимодействию наследственности отца и матери данной особи в ее потомстве. Наряду с появлением мутаций все эти процессы обеспечивают появление гигантской изменчивости в популяциях человека, где каждая особь совершенно индивидуальна в генетическом отношении.

Попытаемся представить себе хотя бы порядок величины той изменчивости, которая может быть свойственна расщеплению у человека. При наличии 23 пар хромосом и независимого расхождения гомологов при мейозе гаметы могут нести самые различные сочетания исходных отцовских и материнских хромосом. Наиболее редким сочетанием хромосом в гаметах является повторение исходных гамет отца и матери, от слияния которых возник данный организм. Это гаметы с 23 материнскими или 23 отцовскими хромосомами. Чем ближе к средней перекомбинации между числом отцовских и материнских хромосом, тем больше вероятность появления таких гамет. Если бы мы подсчитали все возможные типы сочетаний хромосом при любом браке, то обнаружили бы, что число этих типов гамет равно 8 388 608. Число комбинаций равно 2n, где п равно числу пар комбинируемых хромосом. Это показывает, что увеличение числа пар хромосом связано с увеличенными возможностями наследственной изменчивости при образовании типов гамет (табл. 12).

Набор 46 хромосом женщины, половые хромосомы обозначены как XX

Набор 46 хромосом мужчины, половые хромосомы обозначены как XY

Хромосомы человека

Однако различия во взаимосочетаниях гомологов из разных пар — это лишь часть тех преобразований в генетической информации, которые наступают в процессах созревания зародышевых клеток у человека. Во время мейоза протекают еще процессы кроссинговера, которые ведут к обмену участков между гомологичными хромосомами, полученными в свое время данной особью от отца и от матери. Нарушается целостность качественного содержания исходных материнских и отцовских хромосом. Генетическая информация внутри пар хромосом претерпевает сложные процессы взаимообменов. Цитологические наблюдения показали, что хромосомы у всех организмов, в том числе и у человека, состоят из нитей, построенных как бы из мелких бус —хромомеров (рис. 104). Молекулярная, генная структура лежит еще глубже. Кроссинговер — этот тончайший инструмент, вызывающий взаимообмены генетической информации в паре гомологичных хромосом, действует на молекулярном уровне. Он может проходить не только между генами, но даже и отделять части генов. Каждая хромосома человека содержит вдоль по своей длине тысячи генов внутри молекулярных структур ДНК. Вполне понятно значение кроссинговера. Если сочетания 23 хромосом дали нам 8 388608 типов гамет, то какие же возможности таятся при действии кроссинговера?

Явление кроссинговера детально изучено на цитологическом уровне. Оно происходит в профазе мейоза и осуществляется при наличии четырех гомологичных хроматид, ибо каждая хромосома в паре после синтеза ДНК расщепляется на две хроматиды.

Кроссинговер проходит между двумя хроматидами: в четверном комплексе хроматид от двух гомологов он обменивает хроматиды гомологичными участками, т. е. идет в гомологичных локусах хромосомы. Таким образом, будучи инструментом создания новых сочетаний внутри генетической информации, заключенной в паре хромосом, кроссинговер не нарушает и целостности генетической информации особи. Поскольку комбинативная изменчивость служит одним из главных источников новообразований при эволюции, вполне понятно, что с рекомбинациями

Одиночный кроссинговер на стадии четырёх хроматид

Двойной кроссинговер по двум хроматидам из четырёх

генов путем кроссинговера мы встречаемся по всему миру живых существ — от вирусов до человека.

Одиночный кроссинговер может вызвать обмен любыми участками гомологичных хромосом. На рисунке 105 показана лишь одна из возможностей кроссинговера в паре хроматид. Обмен может осуществляться в любом гомологичном локусе вдоль по всей длине хроматиды, стало быть, любые по величине участки этих хроматид могут обменяться местами.

Картины обменов усложняются, когда происходит не двойной (рис. 106), а более сложный (рис. 107) кроссинговер, захватывающий не две хроматиды, как это было показано на рисунке 106, а три или даже четыре хроматиды. В этом случае при трех обменах из четырех гамет три, а при четырех все четыре спермия несут кроссоверные хромосомы.

На рисунке 108 представлены цитологические картины мейоза в зародышевых клетках мужчины. Мы видим, что на стадии конъюгации гомологов и образования хиазм (рис. 108, б) хроматиды многократно обвиваются одна вокруг другой. Это позволяет осуществляться не только одиночному, но и двойному и более сложным кроссинговерам в пределах одной пары хроматид. В этом случае хроматиды обмениваются своими внутренними участками, как это показано на рисунках 105, 106, 107.

Процессы кроссинговера протекают и при образовании яйцеклеток. В результате возникает гигантское число возможностей перекомбинирования генетической информации, заложенной в разных участках хромосомы. Однако участки хромосом оказывают свой эффект в создании изменчивости только в том случае, если они содержат разные гены. Гетерозиготность у человека исключительно велика, она касается по меньшей мере 5% генов. Если условно принять, что у человека имеется 100 000 генов, тогда в среднем каждая пара хромосом из 23 имела бы около 25 различных аллелей в гетерозиготном состоянии, в целом 5023. Количество комбинаций в результате обменов во всех парах хромосом представляет собой фантастическую цифру. Женщина способна родить всего лишь нескольких детей. Количество используемых яйцеклеток — это исчезающе малая величина от возможных комбинаций наследственности, способных осуществиться при мейозе. У мужчин общее количество спермиев независимо от их использования оценивается величиной 1011.

Двойной кроссинговер, между тремя и четырьмя хроматидами

Мейоз в сперматогенезе человека

Это число составляет лишь долю в две миллиардных от общего числа возможных комбинаций — 5023. Сходство детей с родителями обусловлено тем, что какие бы комбинации хромосом и их участков ни возникали при образовании зародышевых клеток у их родителей, все равно каждый ребенок одну половину генов получает от отца, а вторую половину генов от матери.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.