Otwarte przez GT Morgan i jego uczniowie w latach 1911-1926 udowodnili, że trzecie prawo Mendla wymaga uzupełnień: skłonności dziedziczne nie zawsze są dziedziczone niezależnie, czasami są przekazywane całymi grupami – są ze sobą powiązane. Ustalone wzorce lokalizacji genów w chromosomach przyczyniły się do wyjaśnienia mechanizmów cytologicznych praw Gregora Mendla i opracowania genetycznych podstaw teorii naturalna selekcja. Takie grupy mogą przenieść się do innego homologicznego chromosomu po sprzężeniu podczas profazy 1 mejozy.

Postanowienia teorii chromosomów:

• 1) Przekazywanie informacji dziedzicznej wiąże się z chromosomami, w których geny leżą liniowo, w określonych loci.
• 2) Każdy gen jednego chromosomu homologicznego odpowiada genowi allelicznemu innego chromosomu homologicznego.
• 3) Geny alleliczne mogą być takie same u homozygot i różne u heterozygot.
• 4) Każdy osobnik w populacji zawiera tylko 2 allele, a gamety - jeden allel.
• 5) W fenotypie cecha objawia się obecnością 2 genów allelicznych.
• 6) Stopień dominacji w wielu allelach wzrasta od skrajnie recesywnej do skrajnie dominującej. Na przykład u królika kolor sierści zależy od genu recesywnego „c” - genu albinizmu. Dominujący w stosunku do "c" będzie gen "ch" - kolor himalajski (gronostajowy) - białe ciało, pojedyncze oczy, ciemne koniuszki nosa, uszu, ogona i kończyn. gen "chc" - szynszyla - jasnoszary Jeszcze bardziej dominujący będzie gen "ca" - agouti, kolor ciemny Najbardziej dominujący będzie gen C - kolor czarny, dominuje wszystkie allele - C, ca, chc, ch , s.
• 7) Dominacja i recesywność alleli nie są bezwzględne, lecz względne. Ta sama cecha może być dziedziczona w sposób dominujący LUB recesywny. Na przykład dziedziczenie epicanthus u Negroidów jest dominujące, u mongoloidów jest recesywne, u rasy białej ten allel jest nieobecny. Nowo pojawiające się allele są recesywne. Dominują stare.
• 8) Każda para chromosomów charakteryzuje się pewnym zestawem genów, które tworzą grupy sprzężenia, często dziedziczone razem.
• 9) Liczba grup sprzężonych jest równa liczbie chromosomów w zestawie haploidalnym.
• 10) Przemieszczanie się genów z jednego chromosomu homologicznego do drugiego w profazie 1 mejozy następuje z określoną częstotliwością, która jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między genami – im mniejsza odległość między genami, tym większa siła adhezji między nimi, i wzajemnie.
• 11) Jednostką odległości między genami jest morganid, który jest równy 1% potomstwa z krzyżówki. Na przykład gen czynnika Rh i gen owalocytozy są oddalone od siebie o 3 morganidy, a gen odpowiedzialny za ślepotę barw i hemofilię o 10 morganidów.

Zapisy teorii chromosomów zostały udowodnione cytologicznie i eksperymentalnie przez Morgana na muszce owocowej Drosophila.

Dziedziczenie cech, których geny znajdują się na chromosomach płci X i Y, nazywa się dziedziczeniem sprzężonym z płcią. Na przykład u ludzi geny recesywne odpowiedzialne za ślepotę barw i hemofilię znajdują się na chromosomie płci X. Rozważ dziedziczenie hemofilii u ludzi:

h - gen hemofilii (krwawienie);

H - gen prawidłowego krzepnięcia krwi.

Cecha recesywna przejawia się u chłopców, u dziewcząt jest tłumiona przez dominujący alleliczny gen H.

Dziedziczenie cechy następuje naprzemiennie – od płci do płci, od matki do synów, od ojca do córek.

Zewnętrzna manifestacja cechy - fenotyp - zależy od kilku warunków:

• 1) obecność 2 depozytów dziedzicznych od obojga rodziców;
• 2) na drodze interakcji między genami allelicznymi (dominujące, recesywne, kodominujące);
• 3) o warunkach oddziaływania między genami nie allelicznymi (oddziaływanie komplementarne, epistatyczne, polimeryzm, plejotropia);
• 4) z lokalizacji genu (w autosomie lub chromosomie płci);
• 5)na warunkach otoczenie zewnętrzne.

Dziedziczenie powiązane. Chromosomalna teoria dziedziczności.

Chromosomalna teoria dziedziczności.

Główne postanowienia chromosomowej teorii dziedziczności. Analiza chromosomowa.

Powstanie teorii chromosomów. W latach 1902-1903. Amerykański cytolog W. Setton oraz niemiecki cytolog i embriolog T. Boveri niezależnie ujawnili równoległość w zachowaniu genów i chromosomów podczas tworzenia gamet i zapłodnienia. Obserwacje te dały podstawę do założenia, że ​​geny znajdują się na chromosomach. Jednak eksperymentalny dowód na lokalizację określonych genów w określonych chromosomach uzyskał dopiero w 1910 r. amerykański genetyk T. Morgan, który w kolejnych latach (1911-1926) uzasadnił chromosomową teorię dziedziczności. Zgodnie z tą teorią przekazywanie informacji dziedzicznych wiąże się z chromosomami, w których geny są zlokalizowane liniowo, w określonej kolejności. Zatem to właśnie chromosomy są materialną podstawą dziedziczności.

Chromosomalna teoria dziedziczności- teoria, zgodnie z którą chromosomy zamknięte w jądrze komórkowym są nosicielami genów i stanowią materialną podstawę dziedziczności, to znaczy ciągłość właściwości organizmów w wielu pokoleniach jest zdeterminowana ciągłością ich chromosomów. Teoria chromosomowa dziedziczności powstała na początku XX wieku. oparty na teorii komórkowej i służył do badania dziedzicznych właściwości organizmów analizy hybrydologicznej.

Główne postanowienia chromosomowej teorii dziedziczności.

1. Geny znajdują się na chromosomach. Co więcej, różne chromosomy zawierają nierówną liczbę genów. Ponadto zestaw genów dla każdego z niehomologicznych chromosomów jest unikalny.

2. Geny alleliczne zajmują te same loci w chromosomach homologicznych.

3. Geny znajdują się na chromosomie w sekwencji liniowej.

4. Geny jednego chromosomu tworzą grupę sprzężoną, to znaczy są dziedziczone w przeważającej mierze połączone (wspólnie), dzięki czemu zachodzi sprzężone dziedziczenie niektórych cech. Liczba grup sprzężonych jest równa haploidalnej liczbie chromosomów danego gatunku (w płci homogametycznej) lub więcej o 1 (w płci heterogametycznej).

5. Połączenie jest zerwane w wyniku krzyżowania, którego częstotliwość jest wprost proporcjonalna do odległości między genami w chromosomie (więc siła połączenia jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między genami).

6. Wszyscy gatunek charakteryzuje się pewnym zestawem chromosomów - kariotypem.

Dziedziczenie połączone

Niezależne połączenie cech (trzecie prawo Mendla) przeprowadza się pod warunkiem, że geny określające te cechy znajdują się w różnych parach homologicznych chromosomów. Dlatego w każdym organizmie liczba genów, które mogą niezależnie łączyć się w mejozie, jest ograniczona liczbą chromosomów. Jednak w organizmie liczba genów znacznie przewyższa liczbę chromosomów. Na przykład przed erą biologii molekularnej badano ponad 500 genów w kukurydzy, ponad 1000 u muszki Drosophila i około 2000 genów u ludzi, podczas gdy mają one odpowiednio 10, 4 i 23 pary chromosomów. Już na początku XX wieku W. Setton wiedział, że liczba genów w organizmach wyższych wynosi kilka tysięcy. Dało to powód do założenia, że ​​w każdym chromosomie zlokalizowanych jest wiele genów. Geny zlokalizowane na tym samym chromosomie tworzą grupę sprzężoną i są dziedziczone razem.

T. Morgan zaproponował nazwanie wspólnego dziedziczenia genów dziedziczeniem powiązanym. Liczba grup sprzężonych odpowiada haploidalnej liczbie chromosomów, ponieważ grupa sprzężeń składa się z dwóch homologicznych chromosomów, w których zlokalizowane są te same geny. (U osobników płci heterogametycznej, na przykład u samców ssaków, w rzeczywistości istnieje jeszcze jedna grupa sprzężeń, ponieważ chromosomy X i Y zawierają różne geny i reprezentują dwie różne grupy powiązań. Tak więc kobiety mają 23 grupy powiązań, a mężczyźni 24).

Sposób dziedziczenia sprzężonych genów różni się od dziedziczenia genów zlokalizowanych w różnych parach homologicznych chromosomów. Tak więc, jeśli z niezależną kombinacją osobnik dwuheterozygotyczny tworzy cztery typy gamet (AB, Ab, aB i ab) w równych ilościach, to ze sprzężonym dziedziczeniem (przy braku krzyżowania) ta sama diheterozygota tworzy tylko dwa typy gamety: (AB i ab) również w równych ilościach. Te ostatnie powtarzają kombinację genów w chromosomie rodzica.

Stwierdzono jednak, że oprócz zwykłych (nieskrzyżowanych) gamet powstają również inne (skrzyżowane) gamety z nowymi kombinacjami genów – Ab i aB, które różnią się od kombinacji genów w chromosomach rodzica. Przyczyną pojawienia się takich gamet jest wymiana fragmentów chromosomów homologicznych lub krzyżowanie.

Przejście następuje w profazie I mejozy podczas koniugacji chromosomów homologicznych. W tym czasie części dwóch chromosomów mogą się krzyżować i wymieniać swoimi częściami. W rezultacie powstają jakościowo nowe chromosomy, zawierające sekcje (geny) zarówno chromosomów matczynych, jak i ojcowskich. Osobniki uzyskane z takich gamet z nową kombinacją alleli nazywane są cross-over lub rekombinantami.

Częstość (procent) krzyżowania się dwóch genów znajdujących się na tym samym chromosomie jest proporcjonalna do odległości między nimi. Przejście między dwoma genami występuje rzadziej, im bliżej siebie znajdują. Wraz ze wzrostem odległości między genami wzrasta prawdopodobieństwo, że skrzyżowanie rozdzieli je na dwa różne homologiczne chromosomy.

Odległość między genami charakteryzuje siłę ich powiązania. Są geny z wysoki procent sprzęgło i te, w których sprzęgło prawie nie jest wykrywane. Jednak przy dziedziczeniu połączonym maksymalna częstotliwość podziału nie przekracza 50%. Jeśli jest wyższy, to istnieje dowolna kombinacja par alleli, nie do odróżnienia od niezależnego dziedziczenia.

znaczenie biologiczne krzyżowanie jest niezwykle duże, ponieważ rekombinacja genetyczna pozwala tworzyć nowe, wcześniej nieistniejące kombinacje genów i tym samym zwiększać zmienność dziedziczna co daje szerokie możliwości adaptacji organizmu do różne warunkiśrodowisko. Osoba specjalnie przeprowadza hybrydyzację w celu uzyskania niezbędnych kombinacji do wykorzystania w pracy hodowlanej.

Sprzęganie i krzyżowanie. Z zasad analizy genetycznej zarysowanych w poprzednich rozdziałach jasno wynika, że ​​niezależne połączenie cech może wystąpić tylko wtedy, gdy geny determinujące te cechy znajdują się na chromosomach niehomologicznych. W konsekwencji w każdym organizmie liczba par cech, dla których obserwuje się niezależne dziedziczenie, jest ograniczona liczbą par chromosomów. Z drugiej strony oczywiste jest, że liczba cech i właściwości organizmu kontrolowanego przez geny jest niezwykle duża, a liczba par chromosomów w każdym gatunku jest stosunkowo niewielka i stała.

Pozostaje założyć, że każdy chromosom zawiera nie jeden gen, ale wiele. Jeśli tak, to trzecie prawo Mendla dotyczy rozmieszczenia chromosomów, a nie genów, czyli jego działanie jest ograniczone.

Zjawisko dziedziczenia powiązanego. Z trzeciego prawa Mendla wynika, że ​​krzyżując formy różniące się dwiema parami genów (AB oraz ab), zdobądź hybrydę AaBb, produkcja czterech rodzajów gamet AB, AB, AB oraz ab w równych ilościach.

Zgodnie z tym podział 1: 1: 1: 1 odbywa się w krzyżu analizującym, tj. kombinacje cech charakterystycznych dla form macierzystych (AB oraz ab), występują z taką samą częstotliwością jak nowe kombinacje (Ab oraz aB),- 25% każdy. Jednak w miarę gromadzenia faktów genetycy coraz częściej spotykali się z odchyleniami od niezależnego dziedziczenia. W niektórych przypadkach nowe kombinacje funkcji (Ab oraz ab) w Pełne wyżywienie całkowicie nieobecny - zaobserwowany pełna przyczepność między genami form pierwotnych. Częściej jednak u potomstwa w takim czy innym stopniu dominowały rodzicielskie kombinacje cech, a nowe kombinacje występowały z mniejszą częstotliwością niż oczekiwano przy niezależnym dziedziczeniu, tj. mniej niż 50%. Tak więc w tym przypadku geny były częściej dziedziczone w pierwotnej kombinacji (były połączone), ale czasami to powiązanie było zerwane, dając nowe kombinacje.

Wspólne dziedziczenie genów, które ogranicza ich swobodne łączenie, Morgan zaproponował nazwanie sprzężeniem genów lub dziedziczeniem powiązanym.

Przeprawa i jej dowód genetyczny. Jeśli zakłada się, że na tym samym chromosomie znajduje się więcej niż jeden gen, powstaje pytanie, czy allele jednego genu w homologicznej parze chromosomów mogą zmieniać miejsca, przenosząc się z jednego homologicznego chromosomu do drugiego. Gdyby taki proces nie zachodził, wówczas geny byłyby łączone tylko przez losową segregację chromosomów niehomologicznych w mejozie, a geny znajdujące się w tej samej parze chromosomów homologicznych byłyby zawsze dziedziczone w grupie połączonej.

Badania T. Morgana i jego szkoły wykazały, że geny są regularnie wymieniane w homologicznej parze chromosomów. Proces wymiany identycznych fragmentów chromosomów homologicznych z zawartymi w nich genami nazywany jest krzyżowaniem lub krzyżowaniem chromosomów, które zapewnia nowe kombinacje genów zlokalizowanych na chromosomach homologicznych. Zjawisko krzyżowania, a także sprzężenia okazało się wspólne dla wszystkich zwierząt, roślin i mikroorganizmów. Obecność wymiany identycznych regionów między homologicznymi chromosomami zapewnia wymianę lub rekombinację genów, a tym samym znacznie zwiększa rolę kombinacyjnej zmienności w ewolucji. Krzyżowanie chromosomów można ocenić na podstawie częstotliwości występowania organizmów o nowej kombinacji cech. Takie organizmy nazywane są rekombinantami.

Gamety z chromosomami, które przeszły crossover, nazywane są crossover, a te, które nie przeszły crossover, nazywane są non-crossover.W związku z tym organizmy, które powstały z połączenia hybrydowych gamet krzyżowych z gametami analizującymi, nazywane są crossoverami lub rekombinantami , a te, które powstały w wyniku niekrzyżowanych gamet hybrydowych, nazywane są niekrzyżowanymi lub nierekombinowanymi.

Prawo sprzężenia Morgana. W analizie podziału w przypadku crossovera zwraca się uwagę na pewien stosunek ilościowy klas crossover i non-crossover. Obie początkowe rodzicielskie kombinacje cech, utworzone z gamet niekrzyżowanych, są równe w potomstwie analizowanej krzyżówki. ilościowo. W tym eksperymencie z Drosophila było około 41,5% obu osobników. W sumie muchy niekrzyżowane stanowiły 83% ogólnej liczby potomstwa. Obie klasy crossover są również takie same pod względem liczby osobników, a ich suma wynosi 17%.

Częstotliwość krzyżowania nie zależy od stanu allelicznego genów biorących udział w krzyżowaniu. Jeśli muchy i są używane jako rodzic, to analizując skrzyżowanie krzyżowe ( b+vg oraz bvg +) i nieskrzyżowane ( bvg oraz b+b.+) osoby będą pojawiać się z taką samą częstotliwością (odpowiednio 17 i 83%) jak w pierwszym przypadku.

Wyniki tych eksperymentów pokazują, że połączenie genów naprawdę istnieje i tylko w pewnym odsetku przypadków jest zerwane z powodu krzyżowania. Stwierdzono zatem, że identyczne regiony mogą być wymieniane między chromosomami homologicznymi, w wyniku czego geny zlokalizowane w tych regionach sparowanych chromosomów przenoszą się z jednego chromosomu homologicznego do drugiego. Brak krzyżowania (pełnego sprzężenia) między genami jest wyjątkiem i jest znany tylko w heterogametycznej płci kilku gatunków, na przykład u Drosophila i jedwabnika.

Połączone dziedziczenie cech badanych przez Morgana nazwano prawem powiązania Morgana.Ponieważ rekombinacja zachodzi między genami, a sam gen nie jest rozdzielany przez krzyżowanie, uznano go za jednostkę krzyżowania.

Kwota crossover. Wartość krzyżowania mierzy się stosunkiem liczby osobników skrzyżowanych do całkowitej liczby osobników w potomstwie z analizy krzyżówek. Rekombinacja zachodzi na zasadzie wzajemności, tj. wzajemna wymiana odbywa się między chromosomami rodzicielskimi; obliguje to do liczenia klas crossoverów razem jako wyniku jednego zdarzenia. Wartość crossover jest wyrażona w procentach. Jeden procent przekroczenia to jednostka odległości między genami.

Liniowy układ genów na chromosomie. T. Morgan zasugerował, że geny są zlokalizowane liniowo na chromosomach, a częstotliwość krzyżowania odzwierciedla względną odległość między nimi: im częściej dochodzi do krzyżowania, tym dalej geny znajdują się od siebie w chromosomie; im mniej crossovera, tym bliżej siebie.

Jeden z klasycznych eksperymentów Morgana na Drosophila, udowadniający liniowy układ genów, był następujący. Samice heterozygotyczne pod względem trzech połączonych recesywnych genów, które określają żółty kolor ciała tak, biały kolor oczu w i rozwidlone skrzydła bi, skrzyżowano z samcami homozygotycznymi pod względem tych trzech genów. U potomstwa uzyskano 1,2% krzyżówek, które powstały ze skrzyżowania między genami w oraz w; 3,5% - od skrzyżowania między genami w oraz bi i 4,7% pomiędzy w oraz b.i.

Z tych danych jasno wynika, że ​​procent krzyżowania jest funkcją odległości między genami. Ponieważ odległość między skrajnymi genami w oraz bi równa się sumie dwóch odległości między w oraz w, w oraz bi, należy przyjąć, że geny znajdują się na chromosomie sekwencyjnie, tj. liniowo.

Powtarzalność tych wyników w powtarzanych eksperymentach wskazuje, że lokalizacja genów w chromosomie jest ściśle ustalona, ​​tj. każdy gen zajmuje swoje określone miejsce w chromosomie - locus.

Główne postanowienia chromosomowej teorii dziedziczności - parowanie alleli, ich redukcja w mejozie i liniowy układ genów w chromosomie - odpowiadają jednoniciowemu modelowi chromosomu.

Krzyżyki pojedyncze i wielokrotne. Przyjmując stanowisko, że w chromosomie może być wiele genów i są one zlokalizowane w chromosomie w kolejności liniowej, a każdy gen zajmuje określone locus w chromosomie, Morgan przyznał, że krzyżowanie chromosomów homologicznych może zachodzić jednocześnie w kilku punktach . Założenie to udowodnił również na Drosophila, a następnie całkowicie potwierdził na wielu innych zwierzętach, a także na roślinach i mikroorganizmach.

Przejście, które występuje tylko w jednym miejscu, nazywa się pojedynczym, w dwóch punktach jednocześnie - podwójnym, w trzech - potrójnym itd., czyli może być wiele.

Im bardziej oddalone są geny na chromosomie, tym większe prawdopodobieństwo podwójnego skrzyżowania między nimi. Procent rekombinacji między dwoma genami dokładniej odzwierciedla odległość między nimi, tym jest ona mniejsza, gdyż w przypadku niewielkiej odległości zmniejsza się możliwość podwójnej wymiany.

Aby uwzględnić podwójne krzyżowanie, konieczne jest posiadanie dodatkowego markera zlokalizowanego między dwoma badanymi genami. Wyznaczenie odległości między genami odbywa się w następujący sposób: do sumy udziałów procentowych klas pojedynczych skrzyżowań dodaje się dwukrotność procentu podwójnych skrzyżowań. Podwojenie procentu podwójnych zwrotnic jest konieczne, ponieważ każda podwójna zwrotnica jest spowodowana dwoma niezależnymi pojedynczymi przerwami w dwóch punktach.

Ingerencja. Ustalono, że krzyżowanie zachodzące w jednym miejscu na chromosomie hamuje krzyżowanie w pobliskich regionach. Zjawisko to nazywa się interferencją.W przypadku podwójnego krzyżowania interferencja jest szczególnie wyraźna w przypadku małych odległości między genami. Przerwania chromosomów są od siebie zależne. Stopień tej zależności zależy od odległości między pojawiającymi się przerwami: w miarę oddalania się od przerwy zwiększa się prawdopodobieństwo kolejnej przerwy.

Efekt interferencji mierzony jest stosunkiem liczby zaobserwowanych nieciągłości podwójnych do liczby możliwych, przy założeniu całkowitej niezależności każdej z nieciągłości.

lokalizacja genu. Jeżeli geny znajdują się liniowo na chromosomie, a częstotliwość krzyżowania odzwierciedla odległość między nimi, to można określić położenie genu na chromosomie.

Przed określeniem pozycji genu, czyli jego lokalizacji, konieczne jest ustalenie, na którym chromosomie ten gen się znajduje. Geny znajdujące się na tym samym chromosomie i dziedziczone w sposób powiązany tworzą grupę sprzężoną.Oczywiste jest, że liczba grup sprzężonych w każdym gatunku musi odpowiadać haploidalnemu zestawowi chromosomów.

Do tej pory grupy sprzężeń zostały zidentyfikowane w najbardziej przebadanych genetycznie obiektach i we wszystkich tych przypadkach stwierdzono pełną zgodność między liczbą grup sprzężeń a liczbą haploidów chromosomów. Tak, kukurydza Zea mays) haploidalny zestaw chromosomów i liczba grup sprzężonych wynosi 10, w grochu ( Pisum sativum) - 7, Drosophila melanogaster - 4, myszy domowe ( Mus mięśnie) - 20 itd.

Ponieważ gen zajmuje określone miejsce w grupie sprzężeń, pozwala to ustalić kolejność genów w każdym chromosomie i budować mapy genetyczne chromosomów.

mapy genetyczne. Mapa genetyczna chromosomów to diagram względnego rozmieszczenia genów w danej grupie sprzężeń. Do tej pory zostały skompilowane tylko dla niektórych z najbardziej genetycznie przebadanych obiektów: Drosophila, kukurydza, pomidory, myszy, neurospory, Escherichia coli itp.

Mapy genetyczne są tworzone dla każdej pary chromosomów homologicznych. Grupy sprzęgieł są ponumerowane.

Aby zmapować, konieczne jest zbadanie wzorców dziedziczenia dużej liczby genów. Na przykład u Drosophila zbadano ponad 500 genów zlokalizowanych w czterech grupach sprzężeń, w kukurydzy ponad 400 genów zlokalizowanych w dziesięciu grupach sprzężeń i tak dalej. Podczas kompilowania map genetycznych wskazuje się grupę sprzężeń, pełną lub skróconą nazwę genów, odległość w procentach od jednego z końców chromosomu, przyjętą jako punkt zerowy; czasami wskazane jest miejsce centromeru.

W organizmach wielokomórkowych rekombinacja genów jest wzajemna. W mikroorganizmach może być jednostronny. Tak więc w wielu bakteriach, na przykład w Escherichia coli ( Escherichia coli), przenosić Informacja genetyczna występuje podczas koniugacji komórek. Jedyny chromosom bakterii, który ma kształt zamkniętego pierścienia, zawsze pęka w pewnym momencie podczas koniugacji i przechodzi z jednej komórki do drugiej.

Długość przeniesionego segmentu chromosomu zależy od czasu trwania koniugacji. Sekwencja genów w chromosomie jest stała. Z tego powodu odległość między genami na takiej mapie pierścienia jest mierzona nie w procentach przekroczenia, ale w minutach, co odzwierciedla czas trwania koniugacji.

Cytologiczne dowody przejścia. Gdy metodami genetycznymi udało się ustalić zjawisko krzyżowania, konieczne było uzyskanie bezpośrednich dowodów na wymianę odcinków homologicznych chromosomów, której towarzyszyła rekombinacja genów. Wzory chiazmy obserwowane w profazie mejozy mogą służyć jedynie jako pośredni dowód tego zjawiska, nie można stwierdzić wymiany, która miała miejsce na podstawie bezpośredniej obserwacji, ponieważ chromosomy homologiczne wymieniające się segmentami są zwykle absolutnie takie same pod względem wielkości i kształtu .

Aby porównać mapy cytologiczne chromosomów olbrzymich z mapami genetycznymi, Bridges zasugerował zastosowanie współczynnika crossover, dzieląc całkowitą długość wszystkich chromosomów gruczołów ślinowych (1180 μm) przez całkowitą długość map genetycznych (279 jednostek). Średnio wskaźnik ten wynosił 4,2. Dlatego każda jednostka krzyżowania na mapie genetycznej odpowiada 4,2 mikronom na mapie cytologicznej (dla chromosomów gruczołów ślinowych). Znając odległość między genami na mapie genetycznej dowolnego chromosomu, można porównać względną częstotliwość krzyżowania w różnych jego regionach. Na przykład w X- Geny chromosomu Drosophila w oraz ec znajdują się w odległości 5,5%, dlatego odległość między nimi w gigantycznym chromosomie powinna wynosić 4,2 μm X 5,5 = 23 μm, ale pomiar bezpośredni daje 30 μm. Więc w tym obszarze? X- Przejście przez chromosomy jest mniejsze niż średnia norma.

Ze względu na nierównomierną realizację wymian na długości chromosomów, gdy są one mapowane, geny są na nim rozmieszczone z różnymi gęstościami. Dlatego dystrybucję genów na mapach genetycznych można uznać za wskaźnik możliwości krzyżowania się na długości chromosomu.

Mechanizm zwrotnicy. Jeszcze przed odkryciem krzyżowania chromosomów metodami genetycznymi cytolodzy, badając profazę mejozy, obserwowali zjawisko wzajemnego owijania się chromosomów, tworzenia przez nie figur w kształcie litery - chiazmu (χ to grecka litera „chi”). W 1909 F. Jansens zasugerował, że chiasmata są związane z wymianą regionów chromosomowych. Następnie zdjęcia te posłużyły jako dodatkowy argument na rzecz hipotezy genetycznego skrzyżowania chromosomów wysuniętej przez T. Morgana w 1911 roku.

Mechanizm krzyżowania chromosomów jest związany z zachowaniem chromosomów homologicznych w profazie I mejozy.

Przejście następuje na etapie czterech chromatyd i ogranicza się do powstawania chiasmata.

Jeśli w jednym biwalentu nie było jednej wymiany, ale dwie lub więcej, wówczas w tym przypadku powstaje kilka chiasmat. Ponieważ w biwalentnym są cztery chromatydy, to oczywiście każda z nich ma równe prawdopodobieństwo wymiany miejsc z innymi. W takim przypadku w wymianie mogą uczestniczyć dwie, trzy lub cztery chromatydy.

Wymiana w obrębie chromatyd siostrzanych nie może prowadzić do rekombinacji, ponieważ są one genetycznie identyczne iz tego powodu taka wymiana nie ma sensu jako biologiczny mechanizm kombinacyjnej zmienności.

Przejście somatyczne (mitotyczne). Jak już wspomniano, przechodzenie następuje w profazie I mejozy podczas tworzenia gamet. Istnieje jednak przejście somatyczne lub mitotyczne, które odbywa się podczas podziału mitotycznego komórek somatycznych, głównie tkanek embrionalnych.

Wiadomo, że chromosomy homologiczne w profazie mitozy zwykle nie ulegają koniugacji i są zlokalizowane niezależnie od siebie. Czasami jednak można zaobserwować synapsę chromosomów homologicznych i figur przypominających chiazmę, ale nie obserwuje się zmniejszenia liczby chromosomów.

Hipotezy dotyczące mechanizmu crossovera. Istnieje kilka hipotez dotyczących mechanizmu crossover, ale żadna z nich nie wyjaśnia w pełni faktów rekombinacji genów i obserwowanych w tym przypadku wzorów cytologicznych.

Zgodnie z hipotezą zaproponowaną przez F. Jansensa, a rozwiniętą przez C. Darlingtona, w procesie synapsy chromosomów homologicznych w grupie dwuwartościowej powstaje napięcie dynamiczne, które powstaje w związku ze spiralizacją nitek chromosomowych, a także we wzajemnym zawijanie homologów w biwalentnym. Z powodu tego napięcia pęka jedna z czterech chromatyd. Przerwa, zaburzająca równowagę w chromatydzie dwuwartościowym, prowadzi do pęknięcia wyrównawczego w dokładnie identycznym punkcie w dowolnej innej chromatydzie tego samego dwuwartościowego. Potem następuje wzajemne połączenie złamanych końcówek, prowadzące do przejścia. Zgodnie z tą hipotezą, chiasmata są bezpośrednio związane z przejściem.

Zgodnie z hipotezą K. Sachsa, skrzyżowania nie są wynikiem krzyżowania: najpierw powstają skrzyżowania, a następnie następuje wymiana. Wraz z rozbieżnością chromosomów do biegunów z powodu naprężeń mechanicznych w miejscach skrzyżowania dochodzi do pęknięć i wymiany odpowiednich odcinków. Po wymianie chiazm znika.

Znaczenie innej hipotezy, zaproponowanej przez D. Bellinga i zmodernizowanej przez I. Lederberga, polega na tym, że proces replikacji DNA może naprzemiennie przełączać się z jednej nici na drugą; reprodukcja, zaczynając od jednej matrycy, przechodzi z pewnego punktu do nici matrycy DNA.

Czynniki wpływające na skrzyżowanie chromosomów. Na krzyżowanie wpływa wiele czynników, zarówno genetycznych, jak i środowiskowych. Dlatego w prawdziwym eksperymencie można mówić o częstotliwości podziału, mając na uwadze wszystkie warunki, w jakich została wyznaczona. Przejście jest praktycznie nieobecne między heteromorficznymi X- oraz Tak-chromosomy. Gdyby tak się stało, mechanizm chromosomowej determinacji płci byłby nieustannie niszczony. Zablokowanie przechodzenia między tymi chromosomami wiąże się nie tylko z różnicą w ich wielkości (nie zawsze jest to obserwowane), ale także z powodu Tak specyficzne sekwencje nukleotydowe. Warunek wymagany synapsa chromosomów (lub ich odcinków) – homologia sekwencji nukleotydowych.

Zdecydowana większość wyższych eukariontów charakteryzuje się w przybliżeniu taką samą częstotliwością krzyżowania zarówno u płci homogametycznej, jak i heterogametycznej. Istnieją jednak gatunki, u których krzyżowanie nie występuje u osobników płci heterogametycznej, podczas gdy u osobników płci homogametycznej przebiega normalnie. Taką sytuację obserwuje się u heterogametycznych samców Drosophila i samic jedwabników. Znamienne jest, że częstość krzyżowania mitotycznego u tych gatunków u samców i samic jest praktycznie taka sama, co wskazuje na różne elementy kontroli poszczególnych etapów rekombinacji genetycznej w komórkach zarodkowych i somatycznych. W regionach heterochromatycznych, w szczególności w regionach pericentromerowych, częstotliwość krzyżowania jest zmniejszona, a zatem prawdziwa odległość między genami w tych regionach może zostać zmieniona.

Odkryto geny blokujące krzyżowanie , ale są też geny, które zwiększają jego częstotliwość. Czasami mogą wywołać zauważalną liczbę krzyżowań u samców Drosophila. Przegrupowania chromosomowe, w szczególności inwersje, mogą również działać jako blokady zwrotnicy. Zaburzają normalną koniugację chromosomów w zygotenie.

Stwierdzono, że na częstość krzyżowania ma wpływ wiek organizmu, a także czynniki egzogeniczne: temperatura, promieniowanie, stężenie soli, mutageny chemiczne, leki, hormony. Pod większością tych wpływów wzrasta częstotliwość krzyżowania.

Ogólnie rzecz biorąc, krzyżowanie jest jednym z regularnych procesów genetycznych kontrolowanych przez wiele genów zarówno bezpośrednio, jak i poprzez stan fizjologiczny komórek mejotycznych lub mitotycznych. Częstotliwość różnych typów rekombinacji (mejotyczna, mitotyczna crossover i siostrzana wymiana chromatyd) może służyć jako miara działania mutagenów, kancerogenów, antybiotyków itp.

Prawa dziedziczenia Morgana i wynikające z nich zasady dziedziczenia. Prace T. Morgana odegrały ogromną rolę w tworzeniu i rozwoju genetyki. Jest autorem chromosomowej teorii dziedziczności. Odkryli prawa dziedziczenia: dziedziczenie cech związanych z płcią, dziedziczenie powiązane.

Z tych praw wynikają następujące zasady dziedziczności:

1. Czynnik-gen jest specyficznym locus chromosomu.

2. Allele genów znajdują się w identycznych loci chromosomów homologicznych.

3. Geny są zlokalizowane liniowo na chromosomie.

4. Crossing over to regularny proces wymiany genów między homologicznymi chromosomami.

Ruchome elementy genomu. W 1948 roku amerykański badacz McClintock odkrył w kukurydzy geny, które przenoszą się z jednej części chromosomu do drugiej i nazwał to zjawisko transpozycją, a same geny kontrolują elementy (CE). 1.Te elementy można przenosić z jednego miejsca do drugiego; 2. ich integracja z danym regionem wpływa na aktywność położonych w pobliżu genów; 3. utrata CE w danym locus przekształca poprzednio zmienny locus w stabilny; 4. W miejscach, w których obecne są EC, mogą wystąpić delecje, translokacje, transpozycje, inwersje, a także pęknięcia chromosomów. W 1983 roku Nagrodę Nobla przyznano Barbarze McClintock za odkrycie ruchomych elementów genetycznych.

Obecność elementów transpozycyjnych w genomach ma różne konsekwencje:

1. Ruch i wprowadzanie elementów ruchomych do genów może powodować mutacje;

2. Zmiana stanu aktywności genów;

3. Powstawanie rearanżacji chromosomowych;

4. Powstawanie telomerów.

5. Udział w horyzontalnym transferze genów;

6. Transpozony oparte na elemencie P są wykorzystywane do transformacji u eukariontów, klonowania genów, poszukiwania wzmacniaczy itp.

W prokariotach występują trzy typy elementów ruchomych - elementy IS (insercje), transpozony i niektóre bakteriofagi. Elementy IS są wstawiane w dowolny region DNA, często powodując mutacje, niszcząc sekwencje kodujące lub regulatorowe i wpływając na ekspresję sąsiednich genów. Bakteriofag może powodować mutacje w wyniku insercji.

§ 5. T.G. Morgan i jego teoria chromosomów

Thomas Gent Morgan urodził się w 1866 roku w Kentucky (USA). Po ukończeniu uniwersytetu w wieku dwudziestu lat Morgan otrzymał tytuł doktora nauk ścisłych w wieku dwudziestu czterech lat, aw wieku dwudziestu pięciu lat został profesorem.

Od 1890 roku Morgan zajmuje się embriologią eksperymentalną. W pierwszej dekadzie XX wieku lubił kwestie dziedziczności.

Brzmi to paradoksalnie, ale na początku swojej działalności Morgan był zagorzałym przeciwnikiem nauk Mendla i zamierzał obalić jego prawa dotyczące przedmiotów zwierzęcych - królików. Jednak powiernicy Uniwersytetu Columbia uznali to doświadczenie za zbyt kosztowne. Morgan rozpoczął więc badania nad tańszym przedmiotem - muszką owocową Drosophila, po czym nie tylko nie doszedł do zaprzeczenia praw Mendla, ale stał się godnym następcą jego nauk.

Badacz w eksperymentach z Drosophila tworzy chromosomowa teoria dziedziczności- największe odkrycie, zajmujące ekspresją N. K. Koltsova, „to samo miejsce w biologii, co teoria molekularna w chemii i teoria struktur atomowych w fizyce”.

W latach 1909-1911. Morgan i jego równie znamienici uczniowie A. Sturtevant, G. Moeller, C. Bridges wykazali, że trzecie prawo Mendla wymaga znaczących uzupełnień: skłonności dziedziczne nie zawsze są dziedziczone niezależnie; czasami są przekazywane w całych grupach - połączonych ze sobą. Takie grupy zlokalizowane na odpowiednim chromosomie mogą przenieść się do innego chromosomu homologicznego podczas koniugacji chromosomów podczas mejozy (profaza I).

Sformułowano teorię pełnego chromosomu T. G. Morgan w okresie od 1911 do 1926. Z jego wyglądem i dalszy rozwój teorię tę zawdzięcza nie tylko Morganowi i jego szkole, ale także pracy znacznej liczby naukowców, zarówno zagranicznych, jak i krajowych, wśród których przede wszystkim należy wymienić N. K. Koltsova oraz A. S. Serebrovsky (1872-1940).

Zgodnie z teorią chromosomów przekazywanie informacji dziedzicznych jest związane z chromosomami, w którym liniowo, w określonym miejscu (od łac. umiejscowienie- miejsce), geny kłamią. Ponieważ chromosomy są sparowane, każdy gen na jednym chromosomie odpowiada sparowanemu genowi na drugim chromosomie (homologu) leżącemu w tym samym locus. Te geny mogą być takie same (u homozygot) lub różne (u heterozygot). Nazywa się różne formy genów, które powstają w wyniku mutacji z oryginału allele, lub allelomorfy(z greckiego allo - inny, morph - forma). Allele wpływają na manifestację cechy na różne sposoby. Jeśli gen istnieje w więcej niż dwóch stanach allelicznych, to takie allele w populacje* tworzą serię tzw. alleli wielokrotnych. Każdy osobnik w populacji może zawierać dowolne dwa (ale nie więcej) alleli w swoim genotypie, a każda gameta może zawierać odpowiednio tylko jeden allel. Jednocześnie w populacji mogą znajdować się osobniki z dowolnymi allelami tej serii. Allele hemoglobiny są przykładem alleli wielokrotnych (patrz Rozdział I, § 5).

* (Populacja (z łac. popularus - populacja) to grupa osobników tego samego gatunku, zjednoczona przez wzajemne krzyżowanie, w pewnym stopniu odizolowana od innych grup osobników tego gatunku.)

Stopień dominacji w szeregu alleli może wzrosnąć od skrajnie recesywnego genu do skrajnie dominującego. Można przytoczyć wiele przykładów tego typu. Tak więc u królików recesywna seria genów wiele alleli to gen c, który determinuje rozwój bielactwa*. Dominujący w stosunku do tego genu będzie gen c h ubarwienia himalajskiego (gronostajowego) (różowe oczy, białe ciało, ciemne czubki nosa, uszu, ogona i kończyn); nad tym genem, jak również nad genem c, dominuje gen koloru jasnoszarego (szynszyla) c ch. Jeszcze bardziej dominującym stadium jest gen agouti - ca (dominuje nad genami c, c h i c ch). Najbardziej dominujący z całej serii, gen C koloru czarnego dominuje nad wszystkimi „niższymi stopniami alleli” – genami c, ch, c ch, c a.

* (Brak pigmentu (patrz rozdział VII, § 5).)

Dominacja, podobnie jak recesywność alleli, nie jest absolutną, ale ich względną własnością. Stopień dominacji i recesywności może być różny. Ta sama cecha może być dziedziczona w sposób dominujący lub recesywny.

Na przykład fałda nad wewnętrznym kącikiem oka (epicanthus) jest dziedziczona głównie u mongoloidów, a recesywnie u negroidów (Buszmeni, Hotentoci).

Z reguły nowo pojawiające się allele są recesywne, przeciwnie, allele starych odmian roślin lub ras zwierząt (jeszcze bardziej dzikie gatunki) są dominujące.

Każda para chromosomów charakteryzuje się pewnym zestawem genów, które tworzą grupę sprzężoną. Dlatego grupy o różnych cechach są czasami dziedziczone razem ze sobą.

Ponieważ komórki somatyczne Drosophila zawierają cztery pary chromosomów (2n = 8) a komórki płciowe zawierają o połowę mniej (1n = 4), muszka owocowa ma cztery grupy sprzęgło; podobnie u ludzi liczba grup sprzężeń jest równa liczbie chromosomów zestawu haploidów (23).

Dla szeregu organizmów (Drosophila, kukurydza) i niektórych ludzkich chromosomów* skompilowano mapy chromosomalne lub genetyczne, które są schematycznym rozmieszczeniem genów w chromosomach.

* (Do tej pory ustalić dokładną lokalizację ludzkich genów (jeśli weźmiemy pod uwagę Łączna geny) odniosły sukces tylko w pojedynczych i stosunkowo rzadkich przypadkach, na przykład w przypadku cech związanych z chromosomami płci.)

Jako przykład podajmy mapę chromosomów części chromosomu Drosophila X (ryc. 24). Z większą lub mniejszą dokładnością mapa ta odzwierciedla sekwencję genów i odległość między nimi. Możliwe było określenie odległości między genami za pomocą analiz genetycznych i cytologicznych skrzyżowania, które zachodzi podczas koniugacji chromosomów homologicznych podczas zygonemy profazy I mejozy (zob. rozdział II, § 7).

Przemieszczanie się genów z jednego chromosomu do drugiego następuje z określoną częstotliwością, który jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między genami: im krótsza odległość, tym wyższa procent krzyżowania(jednostka odległości między genami pochodzi od Morgana morganida i jest równa minimalnej odległości w chromosomie, którą można zmierzyć przez skrzyżowanie). Zwrotnica pokazano na ryc. 25.

Obecnie znane jest ścisłe powiązanie niektórych loci genów i dla nich obliczono procent krzyżowania. Połączone geny determinują na przykład ekspresję Czynnik Rh oraz geny systemu MN krwi (o dziedziczeniu właściwości krwi, patrz rozdział VII, § 3). W niektórych rodzinach udało się prześledzić powiązanie czynnika Rh z owalocytozą(obecność około 80-90% erytrocytów w kształcie owalnym - anomalia przebiega z reguły bez objawy kliniczne), co daje około 3% crossovera. Do 9% krzyżowania obserwuje się między genami kontrolującymi przejawy grup krwi ABO a czynnikiem Lu. Wiadomo, że gen, który wpływa na anomalię budowy paznokci i kolana, jest również powiązany z loci układu ABO; procent krzyżowania między nimi wynosi około 10. Grupy sprzężenia (i w konsekwencji mapy chromosomów) ludzkich chromosomów X i Y są znacznie lepiej zbadane (patrz rozdział VII, § 6). Wiadomo na przykład, że geny warunkujące rozwój ślepota barw(daltonizm barw) i hemofilia(krwawienie); procent nakładania się między nimi wynosi 10.

Słuszność hipotezy Morgana potwierdzili na początku wieku Kurt Stern (badania cytologiczne) i współpracownicy Morgana Theophilus Painter (cytolog) i Calvin Bridges (genetyk) na gigantycznych chromosomach gruczołów ślinowych larw Drosophila (podobnych do giganta). chromosomy innych muchówek). Na ryc. 26 pokazuje część gigantycznego chromosomu gruczoł ślinowy Larwy Chironomus (ochotki).

Podczas badania gigantycznych chromosomów za pomocą konwencjonalnego mikroskopu świetlnego wyraźnie widoczne jest poprzeczne prążkowanie, utworzone przez naprzemienne jasne i ciemniejsze paski dysków - chromomery; tworzą je silnie spiralnie skręcone, gęsto przylegające obszary.

Nazywa się tworzenie takich gigantycznych chromosomów politenia, czyli reduplikacja chromosomów bez zwiększania ich liczby. Jednocześnie zduplikowane chromatydy pozostają obok siebie, ściśle przylegając do siebie.

Jeśli chromosom składający się z pary chromatyd podwaja się kolejno dziewięć razy, to liczba nici (chromonemów) w takim politenowym chromosomie wyniesie 1024. Ze względu na częściową despiralizację chromonemów, długość takiego chromosomu wzrasta w porównaniu do zwykły 150-200 razy.

W 1925 Sturtevant pokazał swoją obecność nierówna zwrotnica: w jednym z homologicznych chromosomów mogą znajdować się dwa identyczne loci, w których znajdują się np. geny wpływające na kształt oka Drosophila - Bar, a w drugim - ani jedno locus. W ten sposób muchy z wyraźnym znakiem wąskich pasiastych oczu (gen ultra-bar)(patrz rys. 31).

Oprócz cytologicznych dowodów na poprawność teorii chromosomów przeprowadzono eksperymenty genetyczne - krzyżowanie różne wyścigi Drosophila. Tak więc wśród wielu powiązanych genów u muszki owocowej są dwa geny recesywne: gen koloru ciała czarnego ( czarny) i gen szczątkowych skrzydeł ( szczątkowy).

Nazwijmy je genami aib. Odpowiadają one dwóm dominującym allelom: genowi szarego ciała i normalnie rozwiniętym skrzydłom (A i B). Podczas krzyżowania czystorasowych much aabb i AABB, cała pierwsza generacja hybryd będzie miała genotyp AaBb. Teoretycznie w drugiej generacji należy spodziewać się następujących wyników (F 2).

Jednak w niewielkim, ale stałym odsetku przypadków napotkano niezwykłe potomstwo z niezwykłych gamet. W każdym krzyżowaniu zaobserwowano około 18% takich gamet (9% Ab i 9% aB).

Występowanie takich wyjątków dobrze tłumaczy proces crossover. Tak więc i badania genetyczne umożliwiło ustalenie, że naruszenie przyczepności - przejście, prowadzące do wzrostu zmienności kształtu, jest statystycznie stałe.

Podsumowując, zauważamy, że cała linia przepisy genetyki klasycznej przeszły dziś szereg zmian.

Wielokrotnie używaliśmy terminów „geny dominujące” i „recesywne” (allele) i cechy. Jednak ostatnie badania wykazały, że tak zwane geny recesywne mogą w rzeczywistości wcale nie być recesywne. Bardziej poprawne jest stwierdzenie, że geny recesywne dają bardzo słabą widoczną lub niewidoczną manifestację w fenotypie. Ale w tym ostatnim przypadku allele recesywne, zewnętrznie niewidoczne w fenotypie, można wykryć za pomocą specjalnych technik biochemicznych. Ponadto ten sam gen w pewnych warunkach środowiskowych może zachowywać się jako dominujący, w innych - jako recesywny.

Ponieważ rozwój wszystkich organizmów następuje w zależności i pod wpływem środowiska zewnętrznego, na manifestację genotypu w określonym fenotypie mają również wpływ czynniki środowiskowe (temperatura, pokarm, wilgotność i skład gazu atmosfery, jej ciśnienia, obecności form chorobotwórczych dla danego organizmu, składu chemicznego wody, gleby itp. oraz dla człowieka, zjawisk porządku społecznego). Fenotyp nigdy nie pokazuje wszystkich możliwości genotypowych. Dlatego w różnych warunkach objawy fenotypowe podobnych genotypów mogą się znacznie różnić od siebie. Tak więc zarówno genotyp, jak i środowisko są zaangażowane (w większym lub mniejszym stopniu) w manifestację cechy.

Rozwój nauki przyrodnicze, w szczególności cytologia, a pojawienie się silniejszych mikroskopów przyczyniło się do badań genetyki. Wielu naukowców zajmowało się problematyką dziedziczenia od końca XIX wieku. Na początku XX wieku Thomas Morgan, na podstawie danych badaczy, sformułował główne postanowienia chromosomowej teorii dziedziczności.

Fabuła

Za autora teorii chromosomów uważany jest amerykański biolog i laureat Nagrody Nobla Thomas Morgan. To on zbadał i opisał mechanizm powiązanego dziedziczenia, a także sformułował główne postanowienia teorii dziedziczenia chromosomowego. Morgan oparł się jednak na pracach swoich poprzedników - biologów, genetyków, fizjologów.

Ryż. 1. Tomasz Morgan.

W tabeli przedstawiono krótką historię powstania teorii Morgana.

Rok	Naukowiec	Co zrobiłeś
	Iwan Czystyakow	Zaobserwowano dystrybucję materiału genetycznego między jądrami komórki roślinnej
	Oscar Hertwig	Obserwowana fuzja gamet w szkarłupni. Stwierdzono, że jądro niesie informacje dziedziczne
	Edwarda Strasburgera	Obserwowane rozszczepienie jądrowe w roślinach. Porównaj komórki roślinne i zwierzęce. Doszedł do wniosku, że podział we wszystkich komórkach zachodzi w ten sam sposób. Później wprowadził wiele terminów genetyki (gameta, mejoza, haploidalny i diploidalny zestaw chromosomów, poliploidia)
	Edwarda van Benedena	obserwowana mejoza. Ujawniono, że część informacji dziedzicznych pochodzi od ojca, część - od matki
	Heinrich Waldeyer	Wprowadzono termin „chromosom”. Przed nim używano terminów „segment chromatyny” i „element chromatyny”.
	Theodore Boveri i William Setton	Niezależnie od siebie ujawniono związek czynników dziedzicznych według Mendla i chromosomów. Czynniki te nazwano później genami. Stwierdzono, że geny znajdują się na chromosomach
		Opublikował wyniki wieloletniej pracy. Wraz z kolegami i studentami – Calvin Bridges, Alfred Sturtevant, Hermann Möller – sformułował teorię dziedziczenia chromosomów. Od 1909 roku prowadzono eksperymenty z owocami Drosophila i ujawniono mechanizmy powiązanego dziedziczenia oraz sposób ich naruszania - krzyżowania.

W 1933 Thomas Morgan otrzymał Nagrodę Nobla za wkład w fizjologię i medycynę. Decyzją o nagrodzie była jego praca nad rolą chromosomów w procesach dziedziczenia.

Przepisy prawne

Wielu badaczy niezależnie doszło do tych samych wniosków. W pierwszej dekadzie XX wieku poznano rolę chromosomów w dziedziczeniu, wprowadzono termin „gen”, zidentyfikowano chromosomy płciowe i sposoby przekazywania informacji dziedzicznych. Przełomową pracą było badanie prowadzone przez Morgana. Dzięki obserwacjom pokoleń owocowych Drosophila i w oparciu o zgromadzoną wiedzę, główne postanowienia chromosomowej teorii dziedziczności Morgana:

• geny odpowiedzialne za dziedziczenie cech znajdują się na chromosomach;
• geny ułożone są liniowo, każdy gen ma swoje miejsce w chromosomie - locus;
• zestaw genów na każdym chromosomie jest unikalny;
• grupy genów położone blisko siebie są dziedziczone połączone;
• liczba sprzężonych genów jest równa haploidalnemu zestawowi chromosomów i jest stała dla każdego gatunku (osoba ma 23 pary chromosomów, a więc 23 pary sprzężonych genów);
• spójność chromosomów zostaje zerwana podczas krzyżowania (crossover) - procesu wymiany części chromosomów w profazie I mejozy;
• im dalej od siebie połączone grupy genów znajdują się na chromosomie, tym większe prawdopodobieństwo przejścia.

Ryż. 2. Dziedziczenie powiązane.

Eksperymenty Morgana wykazały, że geny znajdujące się na tym samym chromosomie są dziedziczone połączone, wpadając w jedną gametę, tj. dwie cechy są zawsze dziedziczone razem. Zjawisko to nazwano prawem Morgana.

Ryż. 3. Przejście.

Na przełom XIX i XX wieku badano główne etapy podziału komórek. Czas życia komórki od jej powstania do podziału wynosi cykl komórkowy. Cykl komórkowy podzielony jest na etapy, z których najjaśniejszym pod względem morfologicznym jest mitoza lub faktyczny podział komórek. Okres między mitozami nazywa się interfaza. Kluczową rolę w mitozie odgrywa: chromosomy- takie struktury w jądrach komórkowych, które są wyraźnie widoczne podczas podziału pod mikroskopem świetlnym i przy zastosowaniu specyficznych metod barwienia. Nazywa się substancja barwiąca chromosomy chromatyna. Istnienie chromosomów po raz pierwszy wykazał Fleming w 1882 roku. Termin chromosom został po raz pierwszy wprowadzony przez Waldeera w 1888 roku (z greckiego: chroma – kolor; soma – ciało).

Nazywa się zestaw chromosomów w jednej komórce kariotyp. Liczba i morfologia chromosomów odnoszą się do specyficzne cechy. Różne rodzaje organizmy różnią się kariotypem, przy czym takie różnice nie są obserwowane w obrębie tego samego gatunku, a anomalie kariotypu są najczęściej związane z ciężkimi stanami patologicznymi. Każdy chromosom ma ważny region funkcjonalny zwany centromer. Centromer dzieli chromosom na dwa ramiona: krótki (p) oraz długie (q) . Chromosomy dzieli się na grupy w zależności od ich długości i lokalizacji centromeru. W wyższych komórkach somatycznych każdy chromosom jest reprezentowany przez dwie kopie, czyli zestaw diploidalny. I tylko w komórkach zarodkowych jest pojedynczy lub zestaw haploidalny chromosomy. Zapewnia to specjalna forma podziału komórek zarodkowych - mejoza.

Pierwsze obszerne badania nad strukturą i morfologią chromosomów w naszym kraju przeprowadzili na obiektach roślinnych w latach 20. ubiegłego wieku wybitny cytolog i embriolog S.G. Navashin i jego utalentowani uczniowie - M.S. Navashin, G.A. Levitsky , L.N. Delaunay. W 1924 r. G. A. Levitsky opublikował pierwszy na świecie podręcznik dotyczący cytogenetyki: „Material Foundations of Heredity”, w którym w szczególności wprowadził pojęcie kariotypu w znaczeniu, w jakim ten termin jest dziś używany.

Rozważmy bardziej szczegółowo główne etapy cyklu komórkowego - ryc. 5, etapy mitozy - ryc. 6 i mejoza - ryc. 7.

Rysunek 5. Cykl komórkowy

Komórka, która zakończyła dzielenie, znajduje się w fazie G 0. Najdłuższym etapem interfazy jest okres względnego spoczynku komórki - G 1 , czas jego trwania może się znacznie różnić. Mniej więcej w połowie etapu G 1 znajduje się punkt kontrolny, po osiągnięciu którego komórka nieuchronnie wchodzi w podział. Po G 1 rozpoczyna się bardzo ważny etap syntetyczny S, podczas którego każdy chromosom jest duplikowany, tworząc dwa chromatydy połączone ze sobą pojedynczym centromerem. Następnie następuje przygotowanie do mitozy – stadium G 2 i sama mitoza – stadium M.

Rysunek 6. Mitoza

Z kolei mitoza dzieli się również na etapy. Na scenie profaza następuje zanik błony jądrowej, kondensacja lub zagęszczenie chromosomów w wyniku ich spiralizacji, migracja centrioli do przeciwnych biegunów, prowadząca do polaryzacji komórki i powstawanie wrzeciono rozszczepienia składa się z mikrotubul. Od jednego bieguna do drugiego rozciągają się nici mikrotubul, do których przyczepiane są centromery chromosomów. Podczas miesiączki metafaza Centromery znajdują się wzdłuż równika komórki prostopadle do osi wrzeciona. W tym okresie chromosomy są szczególnie wyraźnie widoczne, ponieważ są w najbardziej zwartym stanie. Na scenie anafaza Następuje separacja centromerów, chromatydy zamieniają się w niezależne chromosomy i unoszone przez centromery zaczynają przemieszczać się do przeciwległych biegunów komórki wzdłuż nici wrzeciona rozszczepienia. Na ostatnim etapie - telofaza- Następuje despiralizacja chromosomów, zanika wrzeciono podziału, tworzy się błona jądrowa i oddziela się cytoplazma. Na etapie interfazy, w konwencjonalnej mikroskopii świetlnej, chromosomy nie są widoczne jako oddzielne struktury, barwione są jedynie losowo rozmieszczone w jądrze ziarna chromatyny.

Rysunek 7. Mejoza

Mejoza występuje tylko podczas formowania się komórek zarodkowych i obejmuje dwa podziały komórkowe: mejozaI lub podział redukcyjny i mejoza II. Podczas profazy I mejozy chromosomy homologiczne sprzęgają się (fujają) ze sobą na całej swojej długości, tworząc dwuwartościowy. W tym czasie może nastąpić wymiana miejsc między chromatydami nie siostrzanymi - przechodzić przez lub rekombinacja homologiczna (ryc. 8.)

Rysunek 8. Zwrotnica

W punkcie rekombinacji powstaje struktura krzyża widoczna w mikroskopie świetlnym - chiasma. Wymiana zachodzi tylko między dwiema z czterech chromatyd. Chiasmata powstają losowo, a ich liczba zależy średnio od długości chromosomu: im dłuższy chromosom, tym więcej chiasmata. Na etapie metafazy biwalenty ustawiają się w płaszczyźnie równikowej, podczas gdy centromery są zorientowane losowo względem biegunów komórki. Na etapie anafazy chromosomy homologiczne oddzielają się od siebie i zaczynają przesuwać się w kierunku przeciwnych biegunów. W tym przypadku rozszczepienie centromeru nie występuje, a chromatydy siostrzane są połączone. Mogą jednak nie być już identyczne ze względu na zaistniałe skrzyżowanie. Tak więc podczas mejozy I z jednej komórki diploidalnej powstają dwie komórki haploidalne. Nazywa się interwał między pierwszym i drugim działem mejozy interkineza. Może być dość długi, podczas gdy chromosomy są rozbite i wyglądają tak samo jak w interfazie. Należy podkreślić, że na tym etapie nie występuje podwojenie chromatyd.

W profazie mejozy II zostaje przywrócone wrzeciono podziału, chromosomy znajdują się w płaszczyźnie równikowej. W anafazie II centromer dzieli się, a chromosomy przesuwają się na przeciwne bieguny. Tak więc na jeden akt podwojenia chromosomów występują dwa kolejne cykle podziału komórki. Po zakończeniu telofazy II, diploidalna komórka rodzicielska dzieli się na cztery haploidalne komórki zarodkowe, a powstałe gamety nie są do siebie identyczne - znajdują się w nich fragmenty chromosomów matczynego i ojcowskiego w różnych kombinacjach.

Badając procesy mitozy i mejozy, W. Setton i E. Boveri w 1902 r. doszli do wniosku, że postulowane przez Mendla czynniki dziedziczne lub geny znajdują się w chromosomach, ponieważ zachowanie chromosomów odpowiada zachowaniu tych czynników dziedzicznych . Rzeczywiście, Mendel zasugerował, że komórki somatyczne zawierają dwie kopie czynnika dziedzicznego odpowiedzialnego za tę samą cechę lub, jak już ustaliliśmy, dwa allele tego samego genu. Te allele mogą być identyczne - AA lub aaa lub inny - Ach. Ale tylko jeden z alleli wchodzi do komórek zarodkowych - ALE lub a. Przypomnijmy, że chromosomy homologiczne w komórkach somatycznych również występują w dwóch kopiach, a tylko jeden z nich dostaje się do gamet. Podczas zapłodnienia przywracany jest podwójny zestaw chromosomów i alleli genów.

Bezpośrednie dowody na lokalizację genów w chromosomach uzyskali później T. Morgan (1910) i C. Bridges (1916) w eksperymentach na Drosophila. Wracając do praw Mendla, zauważamy, że niezależne połączenie jest ważne tylko dla tych cech, których geny są w różne chromosomy. Allele rodzicielskie genów zlokalizowane na tym samym chromosomie mają duże prawdopodobieństwo wspólnego wejścia do tej samej komórki zarodkowej. Tak więc idea genu pojawiła się jako odcinek chromosomu lub chromosomu umiejscowienie, który odpowiada za jedną cechę i jednocześnie jest jednostką rekombinacji i mutacji prowadzącą do zmiany fenotypu.

Chromosomy organizmów wyższych składają się z euchromatyna oraz heterochromatyna, który zachowuje swoją zwartą pozycję przez cały cykl komórkowy. To właśnie heterochromatyna jest widoczna w jądrach międzyfazowych w postaci zabarwionych granulek. Duża ilość heterochromatyny zlokalizowana jest w rejonie centromeru i na końcach chromosomów, które nazywane są telomery. Chociaż funkcje heterochromatyny nie są do końca poznane, przyjmuje się, że odgrywa ona ważną rolę w utrzymaniu integralności strukturalnej chromosomów, w ich prawidłowym oddzieleniu podczas podziału komórkowego, a także w regulacji funkcji genów. Euchromatyna na preparatach ma jaśniejszy kolor i najwyraźniej w tych obszarach jest zlokalizowana większość geny. Rearanżacje chromosomowe często występują w obszarze heterochromatyny. Ogromną rolę w badaniu struktury i funkcji heterochromatycznych i euchromatycznych regionów chromosomów ma nasza wybitna rodaczka Aleksandra Aleksiejewna Prokofiewa-Belgowska. Po raz pierwszy szczegółowe opis morfologiczny dziesięć największych ludzkich chromosomów i różne grupy mniejsze chromosomy są przedstawione w pracach wiodących krajowych cytologów M. S. Navashina i A. G. Andresa w połowie lat 30. ubiegłego wieku.

W 1956 roku Thio i Levi, stosując preparaty histologiczne do leczenia kolchicyną, ustalili, że ludzie mają 46 chromosomów, składających się z 23 różnych par. Kolchicyna opóźnia podział komórek na etapie metafazy, kiedy chromosomy są najbardziej skondensowane, a zatem dogodne do rozpoznania. Na ryc. 9 przedstawia schemat barwienia różnicowego ludzkich chromosomów.

Rysunek 9. Schemat barwienia różnicowego ludzkich chromosomów

U kobiet oba chromosomy każdej pary są całkowicie homologiczne pod względem kształtu i wzoru barwienia. U mężczyzn ta homologia jest zachowana tylko dla 22 par chromosomów, które nazywane są autosomy. Pozostała para u mężczyzn składa się z dwóch różnych chromosomy płci -XorazTak. U kobiet chromosomy płci są reprezentowane przez dwa homologiczne chromosomy X. Tak więc normalny kariotyp kobiety jest zapisany jako (46, XX), a dla mężczyzn - (46, XY). Tylko jeden zestaw chromosomów wchodzi do komórek zarodkowych zarówno mężczyzn, jak i kobiet. Wszystkie jajeczka mają 22 autosomy i chromosom X, ale plemniki różnią się - połowa z nich ma ten sam zestaw chromosomów co jaja, a druga połowa ma chromosom Y zamiast chromosomu X. Podczas zapłodnienia przywracany jest podwójny zestaw chromosomów. W tym przypadku, kto się urodzi - dziewczynka czy chłopiec - zależy od tego, który plemnik brał udział w zapłodnieniu, ten niosący chromosom X czy ten niosący chromosom Y. Z reguły jest to proces losowy, więc dziewczęta i chłopcy rodzą się z mniej więcej równym prawdopodobieństwem.

Na początkowych etapach analizy kariotypu człowieka indywidualna identyfikacja mogła być przeprowadzona tylko w odniesieniu do pierwszych trzech największych chromosomów. Pozostałe chromosomy podzielono na grupy w zależności od ich wielkości, lokalizacji centromeru oraz obecności satelity lub satelity- małe zwarte fragmenty oddzielone od chromosomu cienkimi przewężeniami. Na ryc. 10 pokazuje rodzaje chromosomów: akrocentryczny, metacentrycy oraz submetacentrycy z lokalizacją odpowiednio centromeru na końcu chromosomu, w środkowej i pośredniej pozycji.

Rysunek 10. Typy chromosomów

Zgodnie z przyjętą klasyfikacją u ludzi wyróżnia się 7 grup chromosomów: A, B, C, D, E, F i G lub 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 7. Dla lepszej identyfikacji chromosomów, są ułożone w grupy lub kariogram. Na ryc. 11 przedstawia żeński kariotyp i jego kariogram.

Rycina 11. Kariotyp żeński i jego kariogram

Na początku lat 70. XX wieku opracowano metody barwienia różnicowego chromosomów za pomocą barwienia Giemsy (metody G-, R-, C-, Q-). Jednocześnie na chromosomach ujawnia się charakterystyczne poprzeczne prążkowanie, tzw. dyski lub Zespoły, którego lokalizacja jest specyficzna dla każdej pary chromosomów. Metody barwienia różnicowego chromosomów umożliwiają identyfikację nie tylko każdego chromosomu, ale także poszczególnych regionów chromosomów, numerowanych kolejno od centromeru do telomeru, a także segmentów w obrębie regionów. Na przykład rekord Xp21.2 oznacza krótkie ramię chromosomu X, region 21, segment 2. Ten rekord jest bardzo wygodny do określenia, czy geny lub inne elementy genomu należą do pewnych loci chromosomowych. W szczególności gen miodystrofii Duchenne'a jest zlokalizowany w regionie Xp21.2 - DMD. W ten sposób stworzono podstawy metodologiczne do badania cech kariotypu w różne rodzaje organizmów, określając jego indywidualną zmienność i anomalie w określonych stanach patologicznych. Gałąź genetyki zajmująca się badaniem chromosomów i ich anomalii nazywa się cytogenetyka. Pierwsze mapy cytogenetyczne ludzkich chromosomów zostały opracowane przez CB Bridges i Sturtevant.

W pierwszej połowie XX wieku chromosomowa teoria dziedziczności została znacznie rozwinięta. Wykazano, że geny są ułożone liniowo na chromosomach. Geny na jednej formie chromosomu grupa sprzęgła i są dziedziczone razem. W wyniku krzyżowania mogą powstawać nowe kombinacje alleli genów jednego chromosomu, a prawdopodobieństwo tego zdarzenia wzrasta wraz ze wzrostem odległości między genami. Wprowadzono jednostki miary dystansu genetycznego - centymorgany lub morganidy, nazwany na cześć założyciela chromosomowej teorii dziedziczności - Thomasa Morgana. Uważa się, że dwa geny tego samego chromosomu znajdują się w odległości 1 centymorgana (cM), jeśli prawdopodobieństwo ich przejścia podczas mejozy wynosi 1%. Oczywiście centymorgany nie są jednostkami bezwzględnymi do pomiaru odległości w chromosomach. Zależą bezpośrednio od krzyżowania, które może występować z różną częstotliwością w różnych częściach chromosomów. W szczególności w obszarze heterochromatyny krzyżowanie jest mniej intensywne.

Należy zauważyć, że opisany powyżej charakter podziału komórek somatycznych i zarodkowych – mitozy i mejozy, obowiązuje dla eukariota, czyli takie organizmy w komórkach, w których znajdują się jądra. Bakterie należące do klasy prokariota, nie ma jąder, ale jeden chromosom jest obecny w komórce i z reguły ma kształt pierścienia. Wraz z chromosomem komórki prokariotyczne w dużej liczbie kopii mogą zawierać znacznie mniejsze struktury pierścieniowe zwane plazmidy.

W 1961 r. M. Lyon wysunął hipotezę, że u kobiet jeden z chromosomów X jest inaktywowany. I w różne komórki Chromosomy X pochodzenia ojcowskiego i matczynego mogą być inaktywowane. W analizie żeńskiego kariotypu unieczynniony chromosom X pojawia się jako zwarta, dobrze wybarwiona, zaokrąglona struktura chromatyny zlokalizowana blisko błony jądrowej. to Ciało Barra lub płeć heterochromatyna. Jego identyfikacja jest najważniejsza w prosty sposób diagnostyka cytogenetyczna płci. Przypomnijmy, że w chromosomie Y praktycznie nie ma homologów genów chromosomu X, jednak inaktywacja jednego z chromosomów X prowadzi do tego, że dawka większości genów zlokalizowanych w chromosomach płci u mężczyzn i kobiet jest taka sama, że Oznacza to, że inaktywacja chromosomu X u kobiet jest jednym z mechanizmów kompensacji dawki genów. Nazywa się proces inaktywacji chromosomu X lionizacja i on nosi losowy znak. Dlatego w ciele kobiet stosunek komórek z inaktywowanym chromosomem X pochodzenia ojcowskiego lub matczynego będzie w przybliżeniu taki sam. Tak więc kobiety heterozygotyczne dla mutacji w genie zlokalizowanym na chromosomie X mają fenotyp mozaikowy - jedna część komórek zawiera normalny allel, a druga zawiera zmutowany.