Одно из основных правил наследования признаков является правило равнозначной функции аллеля, полученного от отца и от матери. Однако, как показали подробные исследования, это правило может не соблюдаться.
Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма.
Следовательно, генетический импринтинг - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно,
транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства.
В итоге, фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга.
Механизм импринтинга наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов.
Функции генов взаимосвязаны и могут изменяться вплоть до дифференциального выключения одного из аллелей на протяжении всего онтогенеза. Такое явление объясняется генетическим импринтингом, т.е. механизмом, с помощью которого различается активность генов в зависимости от того, от какого родителя они получены - материнского или отцовского организма.
Следовательно, генетический импринтинг - это эпигенетический (надгенетический – не кодируемый) процесс маркировки (обозначения) некоторых локусов хромосом одного из родителей, что сопровождается выключением экспрессии расположенных в маркированных локусах генов. Таким образом, в участках генома, подверженных импринтингу, происходит моноаллельная (а не биаллельная) экспрессия генов. При этом в одних случаях импринтингу подвергаются отцовские гены, и, следовательно,
транскрибируются материнские, а в других - материнские, и, следовательно, транскрибируются отцовские, что приводит к отклонению от менделевских законов. Речь идёт о стойких функциональных различиях экспрессии гомологичных генов у потомства.
В итоге, фенотипическое проявление конкретного гена может меняться из-за трёх причин: его делеции, мутации в нём и эпигенетического выключения экспрессии, т.е. импринтинга.
Механизм импринтинга наиболее вероятно заключается в специфическом метилировании цитозиновых оснований ДНК, что приводит к выключению транскрипции генов.
Регуляция экспрессии генов у эукариот протекает намного сложнее. Различные типы клеток многоклеточного эукариотического организма синтезируют ряд одинаковых белков и в то же время они отличаются друг от друга набором белков, специфичных для клеток данного типа. Уровень продукции зависит от типа клеток, а также от стадии развития организма. Регуляция экспрессии генов осуществляется на уровне клетки и на уровне организма.
Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.
Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.
1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.
2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.
3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.
4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т.е. сплайсингом.
5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.
Гены эукариотических клеток делятся на два основных вида: первый определяет универсальность клеточных функций, второй – детерминирует (определяет) специализированные клеточные функции. Функции генов первой группы проявляются во всех клетках. Для осуществления дифференцированных функций специализированные клетки должны экспрессировать определенный набор генов.
Хромосомы, гены и опероны эукариотических клеток имеют ряд структурно-функциональных особенностей, что объясняет сложность экспрессии генов.
1. Опероны эукариотических клеток имеют несколько генов - регуляторов, которые могут располагаться в разных хромосомах.
2. Структурные гены, контролирующие синтез ферментов одного биохимического процесса, могут быть сосредоточены в нескольких оперонах, расположенных не только в одной молекуле ДНК, но и в нескольких.
3. Сложная последовательность молекулы ДНК. Имеются информативные и неинформативные участки, уникальные и многократно повторяющиеся информативные последовательности нуклеотидов.
4. Эукариотические гены состоят из экзонов и интронов, причем созревание и-РНК сопровождается вырезанием интронов из соответствующих первичных РНК-транскриптов (про-и-РНК), т.е. сплайсингом.
5. Процесс транскрипции генов зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК полностью блокирует синтез РНК.
В процессе синтеза катаболических ферментов (расщепляющих суб-страты) у прокариот происходит индуцируемый синтез ферментов. Это дает клетке возможность приспосабливаться к условиям окружающей среды и экономить энергию, прекращая синтез соответствующего фермента, если потребность в нем исчезает.
Для индукции синтеза катаболических ферментов обязательны следующие условия:
1. Фермент синтезируется только тогда, когда расщепление соответствующего субстрата необходимо для клетки.
2. Концентрация субстрата в среде должна превысить определенный уровень, прежде чем соответствующий фермент сможет образоваться.
Наиболее хорошо изучен механизм регуляции экспрессии генов у кишечной палочки на примере lac-оперона, контролирующего синтез трех катаболических ферментов, расщепляющих лактозу. Если в клетке много глюкозы и мало лактозы, промотор остается неактивным, а на операторе находится белок репрессор - блокируется транскрипция lac-оперона.
Когда количество глюкозы в среде, а следовательно и в клетке, уменьшается, а лактозы увеличивается, происходят следующие события: количество циклического аденозинмонофосфата увеличивается, он связывается с САР -белком - этот комплекс активирует промотор, с которым соединяется РНК-полимераза ; в это же время избыток лактозы соединяется с белком-репрессором и освобождает от него оператор - путь для РНК-полимеразы открыт, начинается транскрипция структурных генов lac -оперона. Лактоза выступает в качестве индуктора синтеза тех ферментов, которые её расщепляют.
Лактозный оперон будет находиться в состоянии экспрессии до тех пор, пока в клетке уровень индуктора - лактозы не будет доведен до определенного уровня, характерного для данной клетки (принцип обратной связи). Тогда белок репрессор освободится от лактозы, займет свое место на операторе и транскрипция оперона прекратится.
Для индукции синтеза катаболических ферментов обязательны следующие условия:
1. Фермент синтезируется только тогда, когда расщепление соответствующего субстрата необходимо для клетки.
2. Концентрация субстрата в среде должна превысить определенный уровень, прежде чем соответствующий фермент сможет образоваться.
Наиболее хорошо изучен механизм регуляции экспрессии генов у кишечной палочки на примере lac-оперона, контролирующего синтез трех катаболических ферментов, расщепляющих лактозу. Если в клетке много глюкозы и мало лактозы, промотор остается неактивным, а на операторе находится белок репрессор - блокируется транскрипция lac-оперона.
Когда количество глюкозы в среде, а следовательно и в клетке, уменьшается, а лактозы увеличивается, происходят следующие события: количество циклического аденозинмонофосфата увеличивается, он связывается с САР -белком - этот комплекс активирует промотор, с которым соединяется РНК-полимераза ; в это же время избыток лактозы соединяется с белком-репрессором и освобождает от него оператор - путь для РНК-полимеразы открыт, начинается транскрипция структурных генов lac -оперона. Лактоза выступает в качестве индуктора синтеза тех ферментов, которые её расщепляют.
Лактозный оперон будет находиться в состоянии экспрессии до тех пор, пока в клетке уровень индуктора - лактозы не будет доведен до определенного уровня, характерного для данной клетки (принцип обратной связи). Тогда белок репрессор освободится от лактозы, займет свое место на операторе и транскрипция оперона прекратится.
Оперон - это блок генов, участвующих в обеспечении транскрипции генов, ответственных за синтез определенного генопродукта.
Схема оперона:
Регуляторная часть оперона:
А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК- полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне.
П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается ферментом РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция.
О - ген-оператор, управляющей работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белка-репрессора прекращает транскрипцию.
Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli).
Цистронная часть оперона: В, С, Д, Е – структурные гены, кодирующие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно.
Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерывному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона.
Схема оперона:
Регуляторная часть оперона:
А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК- полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне.
П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается ферментом РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция.
О - ген-оператор, управляющей работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белка-репрессора прекращает транскрипцию.
Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli).
Цистронная часть оперона: В, С, Д, Е – структурные гены, кодирующие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно.
Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерывному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона.
Организмы, обладающие способностью регулировать свою генетическую активность, хорошо адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды.
Наличие таких регуляторных систем характерно для всех эукариотических и прокариотических клеток. Специфические механизмы регуляции активности (экспрессии) генов были установлены французскими исследователями Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году. Они предложили гипотезу "оперона", которая впоследствии была названа классической, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии. На базе этого исследования была впервые разработана модель структурно-функциональной организации оперона. В настоящее время оперонная теория получила экспериментальное подтверждение.
Наличие таких регуляторных систем характерно для всех эукариотических и прокариотических клеток. Специфические механизмы регуляции активности (экспрессии) генов были установлены французскими исследователями Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 году. Они предложили гипотезу "оперона", которая впоследствии была названа классической, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии. На базе этого исследования была впервые разработана модель структурно-функциональной организации оперона. В настоящее время оперонная теория получила экспериментальное подтверждение.
Митохондрии содержат кольцевую двухцепочечную ДНК, которую обозначили 25-й хромосомой человек (мт ДНК). Гены этой хромосомы не содержат интронов.
В каждой соматической клетке содержится около 1000 митохондрий, а суммарная ДНК в них составляете 0,5% от общего количества ДНК в организме. Код мт ДНК слегка отличается от универсального, в этой ДНК транскрибируются обе цепи.
Геном митохондрий был полностью секвенирован в 1981 году. Он содержит 16 569 пар нуклеотидов и кодирует 2 р-РНК, 22 т-РНК и 13 полипептидов.
Последние входят в состав ферментных компонентов окислительного фосфорилирования, 66 субъединиц дыхательной цепи кодируется в ядре.
Мт ДНК наследуется по материнской линии. В зиготе насчитывается около 2 500 материнских митохондрий и от 0 до 4 – отцовских. При этом не исключено, что после оплодотворения репликация отцовских митохондрий блокируется. Комбинативная изменчивость мт ДНК (мейоз) отсутствует. Нуклеотидный состав меняется только за счет мутаций.
Мутации генов мт ДНК лежат в основе «митохондриальных наследственных болезней». Они передаются из поколения в поколение и имеют некоторые общие черты.
1. Болезнь передается только по материнской линии.
2. Болеют и девочки, и мальчики.
3. Больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям.
Примером митохондриальных генных болезней являются: атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальные миопатии и др.
В каждой соматической клетке содержится около 1000 митохондрий, а суммарная ДНК в них составляете 0,5% от общего количества ДНК в организме. Код мт ДНК слегка отличается от универсального, в этой ДНК транскрибируются обе цепи.
Геном митохондрий был полностью секвенирован в 1981 году. Он содержит 16 569 пар нуклеотидов и кодирует 2 р-РНК, 22 т-РНК и 13 полипептидов.
Последние входят в состав ферментных компонентов окислительного фосфорилирования, 66 субъединиц дыхательной цепи кодируется в ядре.
Мт ДНК наследуется по материнской линии. В зиготе насчитывается около 2 500 материнских митохондрий и от 0 до 4 – отцовских. При этом не исключено, что после оплодотворения репликация отцовских митохондрий блокируется. Комбинативная изменчивость мт ДНК (мейоз) отсутствует. Нуклеотидный состав меняется только за счет мутаций.
Мутации генов мт ДНК лежат в основе «митохондриальных наследственных болезней». Они передаются из поколения в поколение и имеют некоторые общие черты.
1. Болезнь передается только по материнской линии.
2. Болеют и девочки, и мальчики.
3. Больные отцы не передают болезни ни дочерям, ни сыновьям.
Примером митохондриальных генных болезней являются: атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальные миопатии и др.
Ген - это информационная структура, состоящая из нуклеотидов ДНК (а у вирусов и РНК), неделимая в функциональном отношении, способная к неограниченной репликации и направляющая развитие и функционирование организма, обеспечивая в том числе и транскрипцию других генов.
Обширная многолетняя (1990-2000 гг.) программа "Геном человека", заключающаяся в последовательном секвенировании участков генома человека, установила, что генотип человека - это всего лишь 30000 генов. Сотни генов получены человеком, вероятно, в результате горизонтальной передачи, начиная от бактерий, – у человека и бактерий одинаковы более 600 генов; геном мышей и человека совпадает на 90%; шимпанзе и человека - различается на 1% нуклеотидных последовательностей.
В геноме каждый ген может быть представлен несколькими формами – аллелями: в гаплоидном геноме - одним аллелем (любым), в диплоидном – двумя (доминантным и рецессивным), в генофонде популяции – несколькими (более, чем двумя). Если у гетерозигот оба аллеля одинаково активны и каждый участвует в синтезе 50% продукта, считается, что оба имеют равные дозы. Однако, дозы гена могут быть и разные. В крови у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии содержится 65% нормального гемоглобина и 35% аномального (НЬS).Молекулярный механизм разных доз аллельных генов до сих пор неясен.
В зависимости от выполняемой функции различают гены: структурные – транскрибируются во все виды РНК; регуляторные – регулируют процесс транскрипции; модуляторы – изменяют активность структурных генов.
Согласно хромосомной теории, каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус. Однако, существуют прыгающие или блуждающие гены, которые называются транспозоны (мобильные элементы геномов). У прокариот плазмиды способны переносить генетическую информацию между бактериями, частично или целиком встраиваясь в геном клетки-хозяина. К таким плазмидам относятся факторы F (от английского fertility-плодовитость) и гены устойчивости к лекарственным препаратам в плазмидах R.
Обширная многолетняя (1990-2000 гг.) программа "Геном человека", заключающаяся в последовательном секвенировании участков генома человека, установила, что генотип человека - это всего лишь 30000 генов. Сотни генов получены человеком, вероятно, в результате горизонтальной передачи, начиная от бактерий, – у человека и бактерий одинаковы более 600 генов; геном мышей и человека совпадает на 90%; шимпанзе и человека - различается на 1% нуклеотидных последовательностей.
В геноме каждый ген может быть представлен несколькими формами – аллелями: в гаплоидном геноме - одним аллелем (любым), в диплоидном – двумя (доминантным и рецессивным), в генофонде популяции – несколькими (более, чем двумя). Если у гетерозигот оба аллеля одинаково активны и каждый участвует в синтезе 50% продукта, считается, что оба имеют равные дозы. Однако, дозы гена могут быть и разные. В крови у гетерозигот по гену серповидноклеточной анемии содержится 65% нормального гемоглобина и 35% аномального (НЬS).Молекулярный механизм разных доз аллельных генов до сих пор неясен.
В зависимости от выполняемой функции различают гены: структурные – транскрибируются во все виды РНК; регуляторные – регулируют процесс транскрипции; модуляторы – изменяют активность структурных генов.
Согласно хромосомной теории, каждый ген занимает в хромосоме свое определенное место - локус. Однако, существуют прыгающие или блуждающие гены, которые называются транспозоны (мобильные элементы геномов). У прокариот плазмиды способны переносить генетическую информацию между бактериями, частично или целиком встраиваясь в геном клетки-хозяина. К таким плазмидам относятся факторы F (от английского fertility-плодовитость) и гены устойчивости к лекарственным препаратам в плазмидах R.
ГЕНОМ - полный состав ДНК диплоидного набора хромосом ядер соматических клеток, т.е. совокупность всех генов и межгенных участков. Таким образом, геном-полный набор инструкций для формирования и функционирования индивида.
Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Геномика подразделяется на структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную и медицинскую.
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных организмов. В частности, вопросы диагностики наследственных болезней, генотерапии, вирулентности болезнетворных микроорганизмов.
Общее количество ДНК в хромосомах ядра соматической клетки человека составляет 6,4 х 109 пар нуклеотидов - это 95% всей ДНК клетки. Внехромосомный геном клетки - митохондриальный, это 0,5% от всей ДНК клетки. Кроме того, небольшое количество ДНК составляют кольцевые молекулы (150 - 20000 пар нуклеотидов) в ядре и цитоплазме. Природа их у человека пока неясна.
Кодирующая часть ДНК составляет 3-5% (по другим данным 1-2%), назначение неинформативной части ДНК - неизвестно. В кодирующей части ДНК различают как уникальные гены, т.е. представленные только одной копией, так и избыточные гены, имеющие до 104 копий,- это гены для т-РНК, р- РНК, гистоновых белков. Эти копии расположены рядом друг с другом (тандемно) и разделены идентичными спейсерами.
Любые изменения в структуре ДНК- ведут к генетическому полиморфизму. Главная форма генетического полиморфизма – однонуклеотидный полиморфизм, т.е. различие в ДНК разных людей соответствует одной паре нуклеотидов на каждые 1000-2000 нуклеотидов. Таким образом, два человека на 99,9% идентичны по нуклеотидным последовательностям и только 0,1% различий по одному нуклеотиду создает огромные индивидуальные фенотипические вариации.
Общие принципы построения геномов и их структурно-функциональную организацию изучает геномика, которая проводит секвенирование, картирование и идентификацию функций генов и внегенных элементов. Геномика подразделяется на структурную, функциональную, сравнительную, эволюционную и медицинскую.
Медицинская геномика решает прикладные вопросы клинической и профилактической медицины на основе знаний геномов человека и патогенных организмов. В частности, вопросы диагностики наследственных болезней, генотерапии, вирулентности болезнетворных микроорганизмов.
Общее количество ДНК в хромосомах ядра соматической клетки человека составляет 6,4 х 109 пар нуклеотидов - это 95% всей ДНК клетки. Внехромосомный геном клетки - митохондриальный, это 0,5% от всей ДНК клетки. Кроме того, небольшое количество ДНК составляют кольцевые молекулы (150 - 20000 пар нуклеотидов) в ядре и цитоплазме. Природа их у человека пока неясна.
Кодирующая часть ДНК составляет 3-5% (по другим данным 1-2%), назначение неинформативной части ДНК - неизвестно. В кодирующей части ДНК различают как уникальные гены, т.е. представленные только одной копией, так и избыточные гены, имеющие до 104 копий,- это гены для т-РНК, р- РНК, гистоновых белков. Эти копии расположены рядом друг с другом (тандемно) и разделены идентичными спейсерами.
Любые изменения в структуре ДНК- ведут к генетическому полиморфизму. Главная форма генетического полиморфизма – однонуклеотидный полиморфизм, т.е. различие в ДНК разных людей соответствует одной паре нуклеотидов на каждые 1000-2000 нуклеотидов. Таким образом, два человека на 99,9% идентичны по нуклеотидным последовательностям и только 0,1% различий по одному нуклеотиду создает огромные индивидуальные фенотипические вариации.
В формировании признаков пола выделяют четыре уровня:
- хромосомное определение пола;
- определение пола на уровне гонад;
- фенотипическое определение пола (половых признаков);
- психологическое определение пола.
Хромосомное определение пола у животных и человека происходит в момент оплодотворения. Для человека это формирование кариотипа 46 XX или 46 ХУ, что определяется гаметой гетерогаметного пола. У человека женский пол гомогаметный, а мужской пол гетерогаметный. У птиц и бабочек, наоборот, самцы гомогаметные, а самки - гетерогаметные. У прямокрылых насекомых самки гомогаметны, с кариотип XX, а самцы гетерогаметны - ХО, у последних отсутствует у-хромосома.
Определение пола на уровне гонад у человека начинается с того, что на 3 - й неделе эмбрионального развития в энтодерме желточного мешка появляются первичные зародышевые клетки, которые под действием хемотаксических сигналов мигрируют в область закладки гонад (половых желез). Дальнейшее развитие признаков пола определяется наличием или отсутствием в кариотипе у-хромосомы.
Семенники развиваются, если имеется Y-хромосома. Под контролем у-хромосомы в первичных зародышевых клетках начинает синтезироваться Н-Y-антиген, который кодируется структурным аутосомным геном, контролируемым Y-хромосомой. Для превращения зачатка гонады в семенник достаточно уже малой концентрации Н-Y-антигена. На развитие семенников также оказывает влияние, по меньшей мере, ещё 19 генов: аутосомных и сцепленных с Х-хромосомой. А под действием хориогонического гонадотропина, секретируемого плацентой матери, в семенниках начинают вырабатываться мужские половые гормоны (андрогены) - это тестостерон и 5-дигидро-тестостерон.
- хромосомное определение пола;
- определение пола на уровне гонад;
- фенотипическое определение пола (половых признаков);
- психологическое определение пола.
Хромосомное определение пола у животных и человека происходит в момент оплодотворения. Для человека это формирование кариотипа 46 XX или 46 ХУ, что определяется гаметой гетерогаметного пола. У человека женский пол гомогаметный, а мужской пол гетерогаметный. У птиц и бабочек, наоборот, самцы гомогаметные, а самки - гетерогаметные. У прямокрылых насекомых самки гомогаметны, с кариотип XX, а самцы гетерогаметны - ХО, у последних отсутствует у-хромосома.
Определение пола на уровне гонад у человека начинается с того, что на 3 - й неделе эмбрионального развития в энтодерме желточного мешка появляются первичные зародышевые клетки, которые под действием хемотаксических сигналов мигрируют в область закладки гонад (половых желез). Дальнейшее развитие признаков пола определяется наличием или отсутствием в кариотипе у-хромосомы.
Семенники развиваются, если имеется Y-хромосома. Под контролем у-хромосомы в первичных зародышевых клетках начинает синтезироваться Н-Y-антиген, который кодируется структурным аутосомным геном, контролируемым Y-хромосомой. Для превращения зачатка гонады в семенник достаточно уже малой концентрации Н-Y-антигена. На развитие семенников также оказывает влияние, по меньшей мере, ещё 19 генов: аутосомных и сцепленных с Х-хромосомой. А под действием хориогонического гонадотропина, секретируемого плацентой матери, в семенниках начинают вырабатываться мужские половые гормоны (андрогены) - это тестостерон и 5-дигидро-тестостерон.
Все, что изложено выше относительно химического состава и структуры хромосом эукариот, типично и для хромосом человека. Некоторой детализации требует информация, позволяющая идентифицировать с большей степенью точности любую хромосому человека.
1956 год - шведы Тио и Леван, англичане Форд и Хамертон установили, что ядро диплоидной клетки человека содержит 46 хромосом – это хромосомный набор или кариотип человека; в 1960 – Мурхед и сотр. (США) разработали метод приготовления препаратов хромосом из кратковременной культуры лимфоцитов; в 1968-70 гг. разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом, что позволило однозначно идентифицировать все хромосомы человека - все эти манипуляции производились и производятся только на метафазных хромосомах, ибо они различимы лучше всего, т.к. они максимально укорочены и утолщены, лежат свободно одна от другой, располагаются все в одной плоскости клетки (экваториальной); кроме того, исследуются только те метафазные хромосомы, хроматиды которых отделились друг от друга в области плечей, а в центромерной части еще соединены.
Совокупность всех метафазных хромосом, расположенных относительно произвольно в экваториальной плоскости клетки, именуется метафазной пластинкой или просто хромосомным набором. После приготовления препаратов хромосом, которые можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки (в зависимости от целей важно, конечно, количество метафаз), хромосомы окрашиваются, ибо только после этого их можно различить в световой микроскоп, получить микрофотографию, идентифицировать и, расположив их в определенном порядке, т.е. составив кариограмму, получить целостное представление о кариотипе конкретного человека. Кариограмма - это те же хромосомы метафазной пластинки, но расположенные упорядоченно. Принцип упорядоченности общий для всего вида и определяется идеограммой. Идиограмма - это графическое изображение гаплоидного набора хромосом (можно и диплоидного) и расположение их по группам в зависимости от формы и величины. Группы располагаются в порядке уменьшения величины входящих в них хромосом.
В современных цитогенетических лабораториях процесс составления кариограммы компьютеризирован.
1956 год - шведы Тио и Леван, англичане Форд и Хамертон установили, что ядро диплоидной клетки человека содержит 46 хромосом – это хромосомный набор или кариотип человека; в 1960 – Мурхед и сотр. (США) разработали метод приготовления препаратов хромосом из кратковременной культуры лимфоцитов; в 1968-70 гг. разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом, что позволило однозначно идентифицировать все хромосомы человека - все эти манипуляции производились и производятся только на метафазных хромосомах, ибо они различимы лучше всего, т.к. они максимально укорочены и утолщены, лежат свободно одна от другой, располагаются все в одной плоскости клетки (экваториальной); кроме того, исследуются только те метафазные хромосомы, хроматиды которых отделились друг от друга в области плечей, а в центромерной части еще соединены.
Совокупность всех метафазных хромосом, расположенных относительно произвольно в экваториальной плоскости клетки, именуется метафазной пластинкой или просто хромосомным набором. После приготовления препаратов хромосом, которые можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки (в зависимости от целей важно, конечно, количество метафаз), хромосомы окрашиваются, ибо только после этого их можно различить в световой микроскоп, получить микрофотографию, идентифицировать и, расположив их в определенном порядке, т.е. составив кариограмму, получить целостное представление о кариотипе конкретного человека. Кариограмма - это те же хромосомы метафазной пластинки, но расположенные упорядоченно. Принцип упорядоченности общий для всего вида и определяется идеограммой. Идиограмма - это графическое изображение гаплоидного набора хромосом (можно и диплоидного) и расположение их по группам в зависимости от формы и величины. Группы располагаются в порядке уменьшения величины входящих в них хромосом.
В современных цитогенетических лабораториях процесс составления кариограммы компьютеризирован.
Еще одним примером клеток, в которых хорошо различимы транскрипционно активные хромосомы, являются незрелые яйцеклетки, или ооциты. Усиленный синтез РНК в них сопровождается растяжением длинных хроматиновых петель, к которым присоединены многочисленные новообразованные транскрипты, упакованные в РНК-комплексы. Эти, так называемые, хромосомы типа ламповых щеток хорошо видны в световой микроскоп, хотя они не очень конденсированы.
Хромосомы типа ламповых щеток появляются во время диплонемы мейоза при образовании половых клеток у большинства позвоночных, беспозвоночных и зеленых водорослей. Содержание ДНК в таких хромосомах соответствует норме, они не политенны (каждая хромосома содержит две молекулы ДНК).
В хромосомах типа ламповых щеток, помимо петлеобразной укладки суперспирали в виде ерша, имеются отдельные значительно вытянутые симметричные петли, выступающие над поверхностью основной структуры хромосомной укладки.
Обычно во время клеточного деления РНК не синтезируется, а хромосомы типа ламповых щеток, по-видимому, создают запас РНК для последующих стадий развития. Наблюдаемые структуры типа ламповых щеток представляют собой транскрипционно активный хроматин и не являются типичными для соматических клеток.
Хромосомы типа ламповых щеток появляются во время диплонемы мейоза при образовании половых клеток у большинства позвоночных, беспозвоночных и зеленых водорослей. Содержание ДНК в таких хромосомах соответствует норме, они не политенны (каждая хромосома содержит две молекулы ДНК).
В хромосомах типа ламповых щеток, помимо петлеобразной укладки суперспирали в виде ерша, имеются отдельные значительно вытянутые симметричные петли, выступающие над поверхностью основной структуры хромосомной укладки.
Обычно во время клеточного деления РНК не синтезируется, а хромосомы типа ламповых щеток, по-видимому, создают запас РНК для последующих стадий развития. Наблюдаемые структуры типа ламповых щеток представляют собой транскрипционно активный хроматин и не являются типичными для соматических клеток.
Чтобы уловить изменения в структуре хроматина на уровне индивидуальных генов, необходимо изучать растянутые интерфазные хромосомы. В обычных клетках это невозможно, потому что нити интерфазного хроматина слишком тонки и запутаны. Благодаря же явлению политении на интерфазных хромосомах отчетливо видны многочисленные поперечные полосы, частота чередования которых позволяет предположить, что они соответствуют индивидуальным генам.
Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные. Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух, комаров), в макронуклеусе инфузории и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, т.к. гомологичные хромосомы бывают тесно спарены. Клетки с такими хромосомами вырастают до необычно большого размера.
Возникают политенные хромосомы вследствие многократно повторяющегося процесса редупликации ДНК. При этом разные участки ДНК редуплицируются в разной степени. Большинство генетически информативных областей реплицируются 1000 раз, а некоторые - более чем 30 тыс. раз. При этом циклы редупликации ДНК не сопровождаются делением клетки. По существу, политенные хромосомы представляют собой пучки множества неполностью разделенных, тесно прилежащих друг к другу индивидуальных хроматиновых нитей. В частности, политенные хромосомы слюнных желез личинки Drosophila содержат 1024 таких нити. Итак, интерфазные политенные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп, хроматиновые петли в них располагаются в линейном порядке, при окрашивании этих хромосом заметны перемежающиеся поперечные полосы: темные - диски и светлые - междисковые участки. Предполагают, что именно диски содержат 1024 плотно уложенных гомологичных петли индивидуального петельного участка и расположенные там гены. Структурная организация и функция ДНК междисковых участков пока что неизвестна.
Политенные хромосомы (гигантские хромосомы) содержат во много раз больше ДНК, чем обычные. Они не изменяют своей формы на протяжении всего митотического цикла и достигают длины до 0,5 мм, а толщины до 25 мкм. Они встречаются, например, в слюнных железах двукрылых (мух, комаров), в макронуклеусе инфузории и в тканях завязи бобов. Чаще всего они видны в гаплоидном числе, т.к. гомологичные хромосомы бывают тесно спарены. Клетки с такими хромосомами вырастают до необычно большого размера.
Возникают политенные хромосомы вследствие многократно повторяющегося процесса редупликации ДНК. При этом разные участки ДНК редуплицируются в разной степени. Большинство генетически информативных областей реплицируются 1000 раз, а некоторые - более чем 30 тыс. раз. При этом циклы редупликации ДНК не сопровождаются делением клетки. По существу, политенные хромосомы представляют собой пучки множества неполностью разделенных, тесно прилежащих друг к другу индивидуальных хроматиновых нитей. В частности, политенные хромосомы слюнных желез личинки Drosophila содержат 1024 таких нити. Итак, интерфазные политенные хромосомы хорошо видны в световой микроскоп, хроматиновые петли в них располагаются в линейном порядке, при окрашивании этих хромосом заметны перемежающиеся поперечные полосы: темные - диски и светлые - междисковые участки. Предполагают, что именно диски содержат 1024 плотно уложенных гомологичных петли индивидуального петельного участка и расположенные там гены. Структурная организация и функция ДНК междисковых участков пока что неизвестна.