Генный уровень организации материала наследственности и изменчивости. Организации наследственного материала. Кариотип и его характеристика.
Общая цель. На основании знания организации генетического материала эукариотов уметь дифференцировать различные типы хромосом.
Конкретные цели
1. Уметь идентифицировать структурные компоненты хромосом (центромера, теломера) и различные формы хромосом (мета-, субмета- и акроцентрические) в кариотипе человека и растений.
2. Ознакомиться с кариотипами различных животных.
3. Изучить основные закономерности (правило постоянства, правило парности, правило индивидуальности, правило непрерывности)
4. Научиться определять степень гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации.
Мотивационная характеристика. Кариотипирование различных видов животных.
Задание для самоподготовки
Знать: 1) строение и химический состав хромосом; 2) структурные компоненты хромосом; 3) типы хромосом; 4) уровни компактизации наследственного материала в хромосоме; 5) понятие кариотипа и правила хромосом; 6) понятие политении; 7) понятие об эу- и гетерохроматине (структурном и факультативном); 8) половой хроматин и его формы в соматических клетках человека (эпителий щеки, лейкоциты крови); 9) диагностику хромосомных болезней человека по половому хроматину соматических клеток.
Аудиторная работа
Содержание. Изучить: 1) строение хромосом насекомых; 2) геномы различных видов животных; 3) степень гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации
Оборудование. 1. Таблицы: хромосомный набор разных видов животных.
Работа 1. Строение хромосом
Хромосомы – это нитевидные тела, видимые внутри ядра клетки после ее окрашивания на соответствующей стадии клеточного деления (метафазе.)
Хромосомы перед делением клетки состоят из двух хромотид, соединенных между собой в одной точке, называемой центромерой или первичной перетяжкой (рис.19, 20).
На некоторых хромосомах имеется вторичная перетяжка. Концевые участки хромосом имеют особую структуру и называются теломерами. Термин ―теломера предложил Г.Мѐллер еще в 1932 г. В его представлении она означала не только физический конец хромосомы, но и присутствие ―терминального гена со специальной функцией запечатывания (пломбирования) хромосомы, которое делало ее недоступной для вредных воздействий (хромосомных перестроек, делеций, действия нуклеаз и т.д.). Наличие терминального гена не подтвердилось в последующих исследованиях, однако функция теломеры была определена точно.
Позднее выявили еще одну функцию. Так как на концах хромосом обычный механизм репликации не работает, в клетке есть другой путь, поддерживающий стабильные размеры хромосом при клеточном делении. Эту роль выполняет специальный фермент, теломераза,
Рис.19. Схема тонкого строения хромосомы:
1-спирально закрученная нить ДНК (хроматида); 2-центомера; 3-вторичная перетяжка; 4-спутник; 5-хромонема.
Рис. 20. Строение хромосомы.
которая действует подобно другому ферменту, обратной транскриптазе: использует одноцепочечную РНК-матрицу для синтеза второй цепи и восстановления концов хромосом. Таким образом, теломеры во всех организмах выполняют две важные задачи: защищают концы хромосом и поддерживают их длину и целостность. Теломеры препятствуют соединению хромосом. В результате деления клетки длина теломеры уменьшается. Каждое деление всѐ больше уменьшает теломеру, постепенно делая геном всѐ более уязвимым. Это может приводить к различным патологиям.
На микроскопическом уровне отсутствие теломерной защиты проявляется в первую очередь в том, что хромосомы попросту начинают «приклеиваться» друг к другу незащищѐнным концами. Однако до недавнего времени науке не было точно известно, сколько раз может делиться клетка, прежде чем теломера перестанет спасать еѐ. Очевидно, сокращение теломер в основном происходит в процессе старения. Но к этому могут приводить и другие процессы, в частности, некоторые мутации.
В своѐм исследовании Бэйрд изучил человеческие клетки, не имевшие каких-либо значительных отклонений в строении теломер. В эксперименте учѐные отслеживали случаи, когда концы хромосом начали слипаться друг с другом.
Теломеры состоят из повторяющейся последовательности шести нуклеотидных оснований (одинаковой у всех позвоночных). Как оказалось, средняя длина теломер, при которой хромосомы начинают соединяться друг с другом, составляет 12,8 таких последовательностей. Интересно, что это значение было получено в результате опытов по изучению не аномального развития, а нормального деления клеток. В зависимости от места расположения центромеры на хромосомах они могут быть: метацентрическими (равноплечие); субметацентрическими (неравноплечие); акроцентрическими, у которых одно плечо очень короткое и не всегда четко различимо; телоцентрическими (с одним плечом).
Животные разных видов отличаются соотношением метацентриков, субметацентриков, акроцентриков и телоцентриков. Например, у крупного рогатого скота, овец, лошадей и других животных преобладают акроцентрики, у свиней имеются хромосомы всех типов (см. вклейка рис.21,22).
Совокупность количественных и структурных особенностей набора хромосом в соматических клетках одного вида называют кариотипом.
Изучение кариотипа разных видов животных и растений позволило выявить ряд общих закономерностей их строения:
1. Правило постоянства числа хромосом состоит в том, что ядра соматических клеток животных и растений каждого вида, содержат характерный для них, постоянный набор хромосом. Так, у крупного рогатого скота 60 хромосом, у овец 54, у свиней 38, лошадей 64, кошки 36, собаки 78, кур, индеек 80, уток 80, гусей 82, человека 46.
2. Правило парности хромосом. В ядрах соматических клеток хромосомы парные. Пары хромосом одинаковые по величине, по форме и строению называют гомологичными.
Гомологичные пары образуются в результате объединения материнских и отцовских хромосом при оплодотворении (в зиготе). Парный набор хромосом в соматических клетках называют диплоидным. В половых клетках (яйцеклетках и сперматозойдах) одинарный или гаплоидный набор хромосом. В них находится по одной хромосоме от каждой пары имеющихся в соматических клетках.
3. Правило индивидуальности хромосом заключается в том, что хромосомы одних пар по форме, величине и строению отличаются от других.
4. Правило непрерывности хромосом, характеризуется тем, что перед делением соматических клеток хромосомы удваиваются, воспроизводя тем самым точные свои копии.
Кариотип женской особи отличается от кариотипа мужской особи по одной паре хромосом, получивших название половые. У женских особей млекопитающих половые хромосомы составляют гомологическую пару и их обозначают ХХ. У мужских особей половые хромосомы негомологичные – ХУ. У птиц женские особи имеют негомологичную пару половых хромосом (ZW), мужские – гомологичную (ZZ). Остальные хромосомы, имеющиеся у женских и мужских особей, называются аутосомами.
В отличие от млекопитающих и птиц важную роль в эволюции рыб (карповых, лососевых, осетровых и др.) играла полиплоидия, при которой в соматических клетках происходит кратные увеличение числа хромосом. Полиплоидом по происхождению является, например, карп, который имеет вдвое больше хромосом, чем большинство других карповых рыб (линь, лещ, плотва и др.).
У некоторых рыб в пределах одного вида наблюдается хромосомный полиморфизм (одновременное присутствие в пределах популяции нескольких форм одного и того же признака). Хромосомной полиморфизм у рыб выражается в разном числе и строении хромосом. Так, например, у горбуши 2n=52-54, у радужной форели –58-62, осетра - 126 - 130.
Число хромосом у разных видов рыб варьирует от 12 до 248. У основных видов, представляющих интерес для товарного рыбоводства диплоидный набор хромосом следующий: карп-100, пелядь-74, радужная форель-58-62, белый амур-48, белый толстолобик-48, серебристый карась-100, сом-60, буффало-99-100, линь-48, белуга-116-118, стерлядь-60, сцуха-18.
У разных видов рыб женские и мужские особи могут иметь в качестве половых хромосом как гомологичную пару (ZZ), так и негомологичную (ZW).