Хромосоми – це основні структурні елементи клітинного ядра, які є носіями генів, у яких закодовано спадкову інформацію. Маючи здатність до самовідтворення, хромосоми забезпечують генетичний зв'язок поколінь.
Морфологія хромосом пов'язана зі ступенем їхньої спіралізації. Наприклад, якщо в стадії інтерфази (див. Мітоз, Мейоз) хромосоми максимально розгорнуті, тобто деспіралізовані, то з початком розподілу хромосоми інтенсивно спіралізуються та коротшають. Максимальної спіралізації та укорочення хромосоми досягають у стадії метафази, коли відбувається формування відносно коротких, щільних структур, що інтенсивно забарвлюються основними барвниками. Ця стадія є найбільш зручною для вивчення морфологічних характеристик хромосом.
Метафазна хромосома складається з двох поздовжніх субодиниць - хроматид [виявляє в будові хромосом елементарні нитки (так звані хромонеми, або хромофібрили) товщиною 200 Å, кожна з яких складається з двох субодиниць].
Розміри хромосом рослин і тварин значно коливаються: від часток мікрона до десятків мікронів. Середні довжини метафазних хромосом людини лежать у межах 1,5-10 мікронів.
Хімічною основою будови хромосом є нуклеопротеїди – комплекси (див.) з основними білками – гістонами та протамінами.
Мал. 1. Будова нормальної хромосоми.
А - зовнішній вигляд; Б - внутрішня будова: 1-первинна перетяжка; 2 – вторинна перетяжка; 3-супутник; 4 – центроміра.
Індивідуальні хромосоми (рис. 1) розрізняють по локалізації первинної перетяжки, тобто місця розташування центроміри (під час мітозу та мейозу до цього місця прикріплюються нитки веретена, підтягуючи її при цьому до полюса). При втраті центроміру фрагменти хромосом втрачають здатність розходитися під час поділу. Первинна перетяжка поділяє хромосоми на 2 плечі. Залежно від розташування первинної перетяжки хромосоми поділяють на метацентричні (обидва плечі рівної або майже рівної довжини), субметацентричні (плечі нерівної довжини) та акроцентричні (центроміра зміщена на кінець хромосоми). Крім первинної, у хромосомах можуть зустрічатися менш виражені вторинні перетяжки. Невелику кінцеву ділянку хромосом, відокремлену вторинною перетяжкою, називають супутником.
Кожен вид організмів характеризується своїм специфічним (за кількістю, розмірами та формою хромосом) так званим хромосомним набором. Сукупність подвійного, або диплоїдного набору хромосом позначають як каріотип.
Мал. 2. Нормальний хромосомний набір жінки (у правому нижньому кутку дві X-хромосоми).
Мал. 3. Нормальний хромосомний набір чоловіка (у правому нижньому кутку – послідовно Х- та Y-хромосоми).
У зрілих, яйцеклітинах і міститься поодинокий, або гаплоїдний, набір хромосом (n), що становить половину диплоїдного набору (2n), властивого хромосомам решти всіх клітин організму. У диплоїдному наборі кожна хромосома представлена парою гомологів, один із яких материнського, а інший батьківського походження. У більшості випадків хромосоми кожної пари ідентичні за розмірами, формою та генним складом. Виняток становлять статеві хромосоми, наявність яких визначає розвиток організму у чоловічому чи жіночому напрямі. Нормальний хромосомний набір людини складається з 22 пар аутосом та однієї пари статевих хромосом. У людини та інших ссавців жіноча визначається наявністю двох Х-хромосом, а чоловічий - однієї X- та однієї Y-хромосоми (рис. 2 і 3). У жіночих клітинах одна із Х-хромосом генетично неактивна і виявляється в інтерфазному ядрі у вигляді (див.). Вивчення хромосом людини в нормі та патології становить предмет медичної цитогенетики. Встановлено, що відхилення у числі чи структурі хромосом від норми, що виникають у статевих! клітинах або на ранніх етапах дроблення заплідненої яйцеклітини, викликають порушення нормального розвитку організму, зумовлюючи в деяких випадках виникнення частини спонтанних абортів, мертвонароджень, уроджених каліцтв та аномалій розвитку після народження (хромосомні хвороби). Прикладами хромосомних хвороб можуть бути хвороба Дауна (зайва G-хромосома), синдром Клайнфелтера (зайва Х-хромосома у чоловіків) і (відсутність у каріотипі Y- або однієї з Х-хромосом). У медичної практикихромосомний аналіз проводять або прямим методом (на клітинах кісткового мозку), або після короткочасного культивування клітин поза організмом (периферична кров, шкіра, ембріональні тканини).
Хромосоми (від грец. chroma - забарвлення і soma - тіло) - ниткоподібні структурні елементи клітинного ядра, що самовідтворюються, що містять в лінійному порядку фактори спадковості - гени. Хромосоми чітко видно в ядрі під час поділу соматичних клітин (мітозу) та під час поділу (дозрівання) статевих клітин – мейозу (рис. 1). У тому й іншому випадку хромосоми інтенсивно забарвлюються основними барвниками, і навіть видно на незабарвлених цитологічних препаратах у фазовому контрасті. В інтерфазному ядрі хромосоми деспіралізовані і не видно світловий мікроскоп, так як їх поперечні розміри виходять за межі роздільної здатності світлового мікроскопа. Саме тоді окремі ділянки хромосом як тонких ниток діаметром 100-500 Å можна розрізнити з допомогою електронного мікроскопа. Окремі ділянки хромосом, що не деспіралізувалися, в інтерфазному ядрі видно через світловий мікроскоп як інтенсивно барвні (гетеропікнотичні) ділянки (хромоцентри).
Хромосоми безперервно існують у клітинному ядрі, зазнаючи циклу оборотної спіралізації: мітоз-інтерфаза-мітоз. Основні закономірності будови та поведінки хромосом у мітозі, мейозі та при заплідненні однакові у всіх організмів.
Хромосомна теорія спадковості. Вперше хромосоми описали І. Д. Чистяков у 1874 р. та Страсбургер (Е. Strasburger) у 1879 р. У 1901 р. Вілсон (Є. В. Wilson), а у 1902 р. Саттон (W. S. Sutton) звернули увагу на паралелізм у поведінці хромосом та менделівських факторів спадковості – генів – у мейозі та при заплідненні та дійшли висновку, що гени знаходяться у хромосомах. У 1915-1920 pp. Морган (Т. Н. Morgan) та його співробітники довели це положення, локалізували в хромосомах дрозофіли кілька сотень генів і створили генетичні карти хромосом. Дані про хромосоми, отримані в першій чверті 20 століття, лягли в основу хромосомної теорії спадковості, згідно з якою спадкоємність ознак клітин та організмів у ряді їх поколінь забезпечується наступністю їх хромосом.
Хімічний склад та ауторепродукція хромосом. В результаті цитохімічних та біохімічних досліджень хромосом у 30 та 50-х роках 20 століття встановлено, що вони складаються з постійних компонентів [ДНК (див. Нуклеїнові кислоти), основних білків (гістонів або протамінів), негістонних білків] та змінних компонентів (РНК та пов'язаного з нею кислого білка). Основу хромосом складають дезоксирибонуклеопротеїдні нитки діаметром близько 200 Å (рис. 2), які можуть з'єднуватися в пучки діаметром 500 А.
Відкриття Уотсоном і Криком (J. D. Watson, F. Н. Crick) в 1953 р. будови молекули ДНК, механізму її авторепродукції (редуплікації) і нуклеїнового коду ДНК і розвиток молекулярної генетики, що виникла після цього, призвело до уявлення про гени як ділянки молекули ДНК. (Див. Генетика). Розкрито закономірності авторепродукції хромосом [Тейлор (J. Н. Taylor) та ін, 1957], що виявилися аналогічними закономірностям авторепродукції молекул ДНК (напівконсервативна редуплікація).
Хромосомний набір- Сукупність всіх хромосом у клітині. Кожен біологічний вид має характерний і постійний набір хромосом, закріпленим в еволюції даного виду. Розрізняють два основних типи наборів хромосом: одиночний, або гаплоїдний (у статевих клітинах тварин), що позначається n, і подвійний, або диплоїдний (у соматичних клітинах, що містить пари подібних, гомологічних хромосом від матері та батька), що позначається 2n.
Набори хромосом окремих біологічних видів значно різняться за кількістю хромосом: від 2 (кінська аскарида) до сотень та тисяч (деякі спорові рослини та найпростіші). Диплоїдні числа хромосом деяких організмів такі: людини – 46, горили – 48, кішки – 60, щури – 42, дрозофіли – 8.
Розміри хромосом у різних видівтакож різні. Довжина хромосом (у метафазі мітозу) варіює від 0,2 мк в одних видів до 50 мк в інших, а діаметр від 0,2 до 3 мк.
Морфологія хромосом добре виражена метафазі мітозу. Саме метафазні хромосоми використовують із ідентифікації хромосом. У таких хромосомах добре видно обидві хроматиди, на які поздовжньо розщеплена кожна хромосома і центромір (кінетохор, первинна перетяжка), що з'єднує хроматиди (рис. 3). Центромер видно як звужену ділянку, що не містить хроматину (див.); до нього кріпляться нитки ахроматинового веретена, завдяки чому центромір визначає рух хромосом до полюсів у мітозі та мейозі (рис. 4).
Втрата центроміра, наприклад при розриві хромосоми іонізуючими випромінюваннями або іншими мутагенами, призводить до втрати здатності шматка хромосоми, позбавленого центроміра (ацентричний фрагмент), брати участь у мітозі і мейозі і втрати його з ядра. Це може призвести до тяжкого пошкодження клітини.
Центромір поділяє тіло хромосоми на два плечі. Розташування центроміра строго постійно для кожної хромосоми і визначає три типи хромосом: 1) акроцентричні, або паличкоподібні, хромосоми з одним довгим і другим дуже коротким плечем, що нагадує голівку; 2) субметацентричні хромосоми з довгими плечима нерівної довжини; 3) метацентричні хромосоми з плечима однаковою чи майже однаковою довжини (рис. 3, 4, 5 та 7).
Мал. 4. Схема будови хромосом у метафазі мітозу після поздовжнього розщеплення центроміру: А та А1 – сестринські хроматиди; 1 – довге плече; 2 – коротке плече; 3 – вторинна перетяжка; 4-центромір; 5 – волокна веретена.
p align="justify"> Характерними рисами морфології певних хромосом є вторинні перетяжки (не володіють функцією центроміра), а також супутники - маленькі ділянки хромосом, з'єднані з іншим її тілом тонкою ниткою (рис. 5). Супутні нитки мають здатність формувати ядерця. Характерна структура в хромосомі (хромоміри) - потовщення або щільніше спіралізовані ділянки хромосомної нитки (хромонеми). Малюнок хромомер специфічний кожної пари хромосом.
Мал. 5. Схема морфології хромосоми в анафазі мітозу (хроматида, що відходить до полюса). А – зовнішній вигляд хромосоми; Б - внутрішня будова тієї ж хромосоми з двома її хромонемами (напівхроматидами): 1 - первинна перетяжка з хромомерами, складовими центромір; 2 – вторинна перетяжка; 3 – супутник; 4 – нитка супутника.
Число хромосом, їх розміри та форма на стадії метафази характерні для кожного виду організмів. Сукупність цих ознак набору хромосом називається каріотипом. Каріотип можна представити у вигляді схеми, яка називається ідіограмою (див. нижче хромосоми людини).
Статеві хромосоми. Гени, що детермінують підлогу, локалізовані у спеціальній парі хромосом - статевих хромосомах (ссавці, людина); в інших випадках іол визначається співвідношенням числа статевих хромосом та всіх інших, званих аутосомами (дрозофіла). У людини, як і в інших ссавців, жіноча стать визначається двома однаковими хромосомами, що позначаються як Х-хромосоми, чоловіча стать визначається парою гетероморфних хромосом: Х і Y. В результаті редукційного поділу (мейозу) при дозріванні ооцитів (див. Овогенез) у жінок усі яйця містять по одній Х-хромосомі. У чоловіків в результаті редукційного поділу (дозрівання) сперматоцитів половина сперміїв містить Х-хромосому, а друга половина Y-хромосому. Підлога дитини визначається випадковим заплідненням яйцеклітини спермієм, що несе Х- або Y-хромосому. В результаті виникає зародок жіночої (XX) або чоловічої (XY) статі. В інтерфазному ядрі у жінок одна з Х-хромосом помітна як глибка компактного статевого хроматину.
Функціонування хромосом та метаболізм ядра. Хромосомна ДНК є матрицею синтезу специфічних молекул інформаційної РНК. Цей синтез відбувається тоді, коли ця ділянка хромосоми деспіралізована. Прикладами локальної активації хромосом є: утворення деспіралізованих петель хромосом в ооцитах птахів, амфібій, риб (так звані Х-лампові щітки) і здуття (пуффів) певних локусів хромосом у багатонитчастих (політенних) хромосомах слинних залоз та інших секреторних. 6). Прикладом інактивації цілої хромосоми, тобто виключення її з метаболізму цієї клітини, є утворення однієї з Х-хромосом компактного тіла статевого хроматину.
Мал. 6. Політені хромосоми двокрилої комахи Acriscotopus lucidus: А і Б - ділянка, обмежена пунктирними лініями, в стані інтенсивного функціонування (пуфф); В - та сама ділянка в нефункціонуючому стані. Цифрами позначені окремі локуси хромосом (хромоміри).
Мал. 7. Хромосомний набір у культурі лейкоцитів периферичної крові чоловіка (2n=46).
Розтин механізмів функціонування політенних хромосом типу лампових щіток та інших типів спіралізації та деспіралізації хромосом має вирішальне значення для розуміння оборотної диференціальної активації генів.
Хромосоми людини. У 1922 р. Пейнтер (Т. S. Painter) встановив диплоїдне число хромосом людини (у сперматогоніях), що дорівнює 48. У 1956 р. Тіо і Леван (Н. J. Tjio, A. Levan) використовували комплекс нових методів дослідження хромосом людини : культуру клітин; дослідження хромосом без гістологічних зрізів на тотальних препаратах клітин; колхіцин, що призводить до зупинки мітозів на стадії метафази та накопичення таких метафаз; фітогемагглютінін, що стимулює вступ клітин у мітоз; обробку метафазних клітин гіпотонічним сольовим розчином Все це дозволило уточнити диплоїдне число хромосом у людини (воно дорівнювало 46) і дати опис каріотипу людини. 1960 р. у Денвері (США) міжнародна комісія розробила номенклатуру хромосом людини. Згідно з пропозиціями комісії, термін «каріотип» слід застосовувати до систематизованого набору хромосом поодинокої клітини (рис. 7 та 8). Термін "ідіотрамма" зберігається для уявлення про набір хромосом у вигляді діаграми, побудованої на підставі вимірювань та опису морфології хромосом кількох клітин.
Хромосоми людини пронумеровані (частково серійно) від 1 до 22 відповідно до особливостей морфології, що допускають їх ідентифікацію. Статеві хромосоми не мають номерів і позначаються як Х та Y (рис. 8).
Виявлено зв'язок низки захворювань та вроджених дефектів у розвитку людини із змінами у числі та структурі її хромосом. (Див. Спадковість).
також Цитогенетичні дослідження.
Всі ці досягнення створили міцну основу у розвиток цитогенетики людини.
Мал. 1. Хромосоми: А – на стадії анафази мітозу в мікроспороцитах трилистника; Б - на стадії метафази першого поділу мейозу в материнських клітинах пилку у традесканції. В обох випадках видно спіральну будову хромосом.
Мал. 2. Елементарні хромосомні нитки з діаметром 100 Å (ДНК + гістон) з інтерфазних ядер вилочкової залози теляти (електронна мікроскопія): А - ізольовані з ядер нитки; Б – тонкий зріз через плівку того ж препарату.
Мал. 3. Хромосомний набір Vicia faba (кінські боби) у стадії метафази.
Мал. 8. Хромосоми того ж, що на рис. 7, набору, систематизовані згідно з денверівською номенклатурою в пари гомологів (каріотип).
Самоподвоєння та закономірний розподіл статевих (X та Y) хромосом по дочірніх клітинах забезпечує передачу спадкової інформації. У хромосомному наборі людини 22 пари соматичних хромосом (аутосоми), абсолютно однакових у чоловіків і жінок, і одна пара статевих хромосом, що різняться залежно від статі. Поєднання пари Х-хромосом (XX) у зиготі визначає розвиток жіночого організму, поєднання XY - чоловічого.
На Y-хромосомі знаходяться лише фактори, пов'язані з визначенням статі (див. генетика статі), інших клінічно важливих генів немає. Х-хромосома, не маючи вирішального значення для детермінації статі та формування статевих ознак, має сотні клінічно значущих генів, зміни (мутації) яких здатні викликати безліч спадкових захворювань (гемофілію, міопатію Дюшенна і т. д.).
У зв'язку з тим, що у жінок дві Х-хромосоми, а у чоловіків одна, спадкування захворювань, гени яких локалізовані на Х-хромосомі, незвичайне: у більшості випадків такі хвороби проявляються у чоловіків і не виявляються у жінок.
Статеві хромосоми, або гоносоми, - хромосоми, набір яких відрізняє чоловічі та жіночі особини у тварин та рослин з хромосомним визначенням статі.
За традицією статеві хромосоми на відміну від аутосом, що позначаються порядковими номерами, позначаються літерами X, Y, Z або W. Відсутність статевої хромосоми позначається цифрою 0. Як правило, одна з статей визначається наявністю пари однакових статевих хромосом (XX або ZZ), а інша - комбінацією двох непарних хромосом або наявністю лише однієї статевої хромосоми (XY, ZW, X0, Z0).
Підлога, що має дві однакові статеві хромосоми, продукує гамети, що не відрізняються за статевими хромосомами, ця підлога називається гомогаметним. У підлоги, що визначається набором непарних статевих хромосом, половина гамет несе одну статеву хромосому, а половина гамет - іншу статеву хромосому, ця підлога називається гетерогаметним. У людини, як у всіх ссавців, гомогаметна стать - жіноча (XX), гетерогаметна стать - чоловіча (XY). У птахів, навпаки, гетерогаметна стать - жіноча (ZW), а гомогаметна - чоловіча (ZZ). У деяких випадках стать визначається не однією, а кількома парами статевих хромосом. Наприклад, качконіс має п'ять пар статевих хромосом, жіноча стать задається комбінацією XXXXXXXXXX, а чоловіча - XYXYXYXYXY.
Вивчення під мікроскопом каріотипу людини здійснюється за допомогою цитогенетичного методу.
Каріотип-Сукупність хромосом, характерних для соматичних клітин даного організму.
Ідеограма (систематизований каріотип)-графічне зображення хромосом з урахуванням їхньої абсолютної та відносної довжини, центромірного індексу, наявність другої перетяжки та супутника.
Поняття Каріотип запроваджено сов. генетиком Г. А. Левітським (1924). Каріотип - одне з найважливіших генетичних показників виду, т.к. кожен вид має свій Каріотип, що відрізняється від Каріотип близьких видів (на цьому заснована нова галузь систематики – так звана каріосистематика). Постійність Каріотип у клітинах одного організму забезпечується мітозом, а в межах виду – мейозом. Каріотип організму може змінюватися, якщо статеві клітини (гамети) зазнають змін під впливом мутацій. Іноді каріотип окремих клітин відрізняється від видового каріотипу в результаті хромосомних або геномних так званих соматичних мутацій. Каріотип диплоїдних клітин складається з 2 гаплоїдних наборів хромосом (геномів), отриманих від одного та інших батьків; кожна хромосома такого набору має гомолога з ін. Каріотип самців і самок можуть відрізнятися формою (іноді й числу) статевих хромосом, у разі вони описуються порізно. Хромосоми в каріотипі досліджують на стадії метафази мітозу. Каріотип обов'язково супроводжується мікрофотографією або замальовкою. Для систематизації Каріотип пари гомологічних хромосом розташовують, наприклад, за спадною довжиною, починаючи з довгої пари; пари статевих хромосом розташовують в кінці ряду.
Пари хромосом, що не розрізняються по довжині, ідентифікують за положенням центроміри (первинної перетяжки), яка ділить хромосому на 2 плечі, ядерцевого організатора (вторинної перетяжки), за формою супутника та ін ознаками. Досліджено Каріотип кілька тис. диких та культурних видів рослин, тварин та людини.
Аутосоми -парні хромосоми, однакові для чоловічих та жіночих організмів. У клітинах тіла людини 44 Аутосоми (22 пари)
Статеві хромосомихромосоми, що містять гени, що визначають статеві ознаки організму
У каріотипі (якісному та кількісному наборі хромосом) жінок статеві хромосоми однакові. У каріотипі чоловіка - одна велика рівноплеча статева хромосома, інша - маленька паличкоподібна хромосома.
Статеві хромосоми жінок позначають XX, а чоловічі статеві хромосоми – XY. Жіночий організмформує гамети з однаковими статевими хромосомами (гомогаметний організм), а чоловічий організм формує гамети неоднакові за статевими хромосомами (X та Y).
У птахів, метеликів та деяких видів риб гомогаметна чоловіча стать. У півня каріотип позначається XX, а курка - XY.
24. Підлога, її приречення (прогамне, сингамне, епігамне).
Підлога -це сукупність ознак та властивостей організму, що визначають його участь у розмноженні.
Підлога особини може визначатися:
а) до запліднення яйцеклітини сперматозоїдом (прогамне визначення статі);
б) у момент запліднення (сингамне визначення статі);
в) після запліднення (епігамне визначення статі).
До запліднення підлога визначається у деяких організмів в результаті поділу яйцеклітин на швидко і повільно ростуть. Перші (більші) після злиття з чоловічою гаметою дають самок, а другі (дрібні) - самців. У коловраток, здатних розмножуватися окрім звичайного статевого розмноження із заплідненням, партеногенетично, частина партеногенетичних яйцеклітин під час розвитку позбавляється половини хромосом. З таких яєць розвиваються самці, а решта дає початок самкам.
У морського кільчастого хробака бонелію визначення статі відбувається в процесі онтогенезу: якщо личинка сідає на дно, з неї розвивається самка, а якщо прикріплюється до хоботка дорослої самки, то самець.
У переважної більшості еукаріотів підлога закладається в момент запліднення і визначається генотипно хромосомним набором, який зигота отримує від батьків. Клітини чоловічих та жіночих особин тварин організмів розрізняються по парі хромосом. Цю пару називають статевими хромосомами (гетеросомами) на противагу іншим – аутосомам. Статеві хромосоми прийнято позначати як Х- і Y-хромосоми. Залежно від їх поєднання у організмів і організмів розрізняють 5 типів хромосомного визначення статі:
1) XX, ХО (O означає відсутність хромосом) зустрічається у видів Protenor (комахи);
2) XX, XY - він характерний, наприклад, для дрозофіли, ссавців (зокрема й у людини);
3) XY, XX – цей тип визначення статі характерний для метеликів, птахів, рептилій;
4) ХО, XX - спостерігається біля попелиці;
5) гаплодіплоїдний тип (2n, n) зустрічається, наприклад, у бджіл: самці розвиваються з незапліднених гаплоїдних яйцеклітин, самки - із запліднених диплоїдних.
Конкретні механізми, що пов'язують розвиток чоловічої чи жіночої статі з певним поєднанням статевих хромосом, у різних організмів різний. У людини, наприклад, стать визначається наявністю Y-хромосоми: в ній є ТДФ-ген, він кодує тестикул - детермінуючий фактор, який визначає розвиток чоловічої статі.
У дрозофіли ж у Y-хромосомі знаходиться ген фертильності, відповідальний за плідність самця, а стать визначається балансом числа Х-хромосом і числа наборів аутосом (звичайний диплоїдний організм містить, відповідно, два набори аутосом). У Х-хромосомах розташовані гени, що визначають розвиток на шляху самки, а в аутосомах - на шляху самця.
Якщо відношення кількості Х-хромосом до кількості наборів аутосом дорівнює 05, то розвивається самець, а якщо - 1, то самка.
Крім нормальних самців і самок іноді з'являються інтерсекси - особини, які за своїми статевими ознаками займають проміжне положення між чоловічою та жіночою статтю (не плутати з гермафродитами!). Це може бути викликане як анеуплоїдією по статевих хромосомах у гаметах, так і різними порушеннями (наприклад, гормональними) у процесі диференціювання статі.
Статеві хромосоми, на відміну від аутосом, позначаються не порядковими номерами, а літерами X, Y, W або Z, причому відсутність хромосоми позначається цифрою 0. При цьому одна з статей визначається наявністю пари однакових статевих хромосом (гомогометна підлога, XX або WW), а інший - комбінацією двох непарних хромосом або наявністю лише однієї статевої хромосоми (гетерогаметна підлога, XY, WZ або X0). У людини, як і у більшості ссавців, гомогаметна стать - жіноча (XX), гетерогаметна стать - чоловіча (XY). У птахів, навпаки, гетерогаметна стать - жіноча (WZ), а гомогаметна - чоловіча (WW). У амфібій та рептилій є види (наприклад, усі види змій) з гомогаметними самцями та гетерогаметними самками, а деякі черепахи (хрестогруда черепаха Staurotypus salvinii та чорна прісноводна черепаха Siebenrockiella crassicollis), навпаки, мають гетерогаметних самців. У деяких випадках (у качконоса) підлога визначається не однією, а п'ятьма парами статевих хромосом
Малюнок 13. Карта Х-хромосоми людини
На бабках показано, що форма XY еволюційно пізніша, ніж ХО. Інша точка зору - статеві хромосоми походять від звичайної пари аутосом, що несе гени, що визначають стать. Тому в одних видів (примітивніших) Y-хромосома така ж за розмірами, як і Х-хромосома, кон'югує з нею повністю або частково, бере участь у кросинговері. А в інших видів – вона маленька, з Х-хромосомою з'єднується кінець у кінець, без кросинговера. У процесі еволюції Y-хромосома чомусь втрачає активні гени, деградує та зникає, тому форма XY передує ХО.
Малюнок 14. Статеві хромосоми (Х та Y)
Y-хромосома – найваріабельніша хромосома геному. У людини вона генетично майже порожня (ген волохатості вух та перетинок між пальцями ніг). В інших видів може містити багато активних генів – у гуппі – близько 30 Y-генів забарвлення самців (і лише 1 аутосомний ген).
Y-хромосома Drosophila.Містить 9 генів: 6 визначають фертильність самців, 3 bobbed кластер генів рРНК. Активність генів bb призводить до формування ядерця. Ядрішкообразующий bb ген є і Х-хромосомі - сайт спаривания Х і Y хромосом - сайт collohaes. Відповідальними за кон'югацію є короткі послідовності нуклеотидів (240 п.н.), розташовані між рРНК генами в Х і Y - хромосомах. Видалення bb локусу - немає кон'югації статевих хромосом. Ще один ген - кристал - впливає на поведінку хромосом у мейозі. Його делеція – порушується розщеплення хромосом у мейозі.
У дрозофіли 6 факторів фертильності самців. У тому числі 3 дуже великі - займають по 10% Y- хромосоми кожен, тобто. за 4000 т.п.н.
У складі ДНК Y-хромосоми 2 типу послідовностей:
Y – специфічні – сімейства з 200-2000 копій, організовані в кластери тандемно повторених одиниць завдовжки 200-400 п.н. Розташовані, мабуть, у петлях.
Y-асоційовані (зустрічаються в інших хромосомах).
Y-хромосома людини
Y-хромосома є найменшою за розміром 24 хромосом у людини і містить близько 2-3% ДНК гаплоїдного геному, становлячи приблизно 51 Mb. З усього обсягу ДНК Y-хромосоми зараз секвеновано 21.8 Mb. Коротке плече Y-хромосоми (Yp) містить приблизно 11 Mb, а довге плече (Yq) - 40 Mb ДНК, з яких близько 7 Mb припадає на еухроматинову частину Yq і близько 3 Mb ДНК на центромірну ділянку хромосоми. Більша частина (~60%) довгого плеча Y-хромосоми є функціонально неактивним гетерохроматином, що має розмір близько 24 Мб. У Y-хромосомі виділяють кілька областей: псевдоаутосомні області (PARs); - еухроматинову область короткого плеча (Yp11); - еухроматинову область проксимальної частини довгого плеча (Yq11); - гетерохроматинову область дистальної частини довгого плеча (Yq12); - Область прицентромірного гетерохроматину.
Y-хромосома містить близько 100 функціональних генів. Через наявність на Х і Y-хромосомах (на теломерах) гомологічних PAR-регіонів, статеві хромосоми регулярно кон'югують і рекомбінують ділянками цих регіонів у зиготені та пахітен профази I мейозу. Однак більша частина (~95%) Y-хромосоми не бере участі в рекомбінації, і тому називається областю Y-хромосоми, що нерекомбінує (NRY - Non Recombinant Region Y chromosome).
Гетерохроматинова область довгого плеча Y-хромосоми є генетично інертною і містить різні типи повторів, у тому числі високоповторні послідовності двох сімейств DYZ1 і DYZ2, кожен з яких представлений приблизно 5000 і 2000 копіями відповідно.
На основі порівняльного аналізу генів гоносом X та Y в Y-хромосомі виділяють три групи генів:
1. PAR-гени (PAR - Pseudoautosomal Region; гени псевдоаутосомних областей PAR1 та PAR2), локалізовані в тіломірних областях Y-хромосоми;
2. X-Y гомологічні гени, локалізовані в нерекомбінуючих областях Yp та Yq;
3. 3. Y-специфічні гени, розташовані в нерекомбінуючих областях Yp та Yq.
Малюнок 15. Y-хромосома
Перша група представлена генами псевдоаутосомних областей (регіонів). Вони ідентичні для X- і Y-хромосом і успадковуються як аутосомні гени. PAR1-регіон розташований на кінці короткого плеча Y-хромосоми, він більше за розміром, ніж PAR2-регіон, локалізований на кінці довгого плеча Y-хромосоми, і його приблизно оцінюється в 2,6 Mb. Оскільки делеції PAR1 призводять до порушень кон'югації гоносом під час мейозу у чоловіків і можуть призвести до чоловічої безплідності, передбачається, що PAR-регіони мають суттєве значення для нормального перебігу сперматогенезу у чоловіків.
Друга група генів містить X-Y-гомологічні, але не ідентичні гени, які локалізовані в нерекомбінуючих районах Y-хромосоми (Yp і Yq). До неї включено 10 генів, представлених на Y-хромосомі однією копією, більшість з них експресуються у людини в багатьох тканинах та органах, включаючи яєчка та передміхурову залозу. Досі невідомо, чи ці X-Y-гомологічні гени функціонально взаємозамінні.
Третю групу генів складають 11 генів, які розташовані в районі Y-гоносоми (NRY), що не рекомбінує. Всі ці гени, за винятком гена SRY (Sex-Determining Region Y Chromosome, півдетермінуючий регіон Y-хромосоми), представленого однією копією, є мультикопійними, і їх копії розташовані на обох плечах Y-хромосоми. Деякі їх є генами-кандидатами на AZF-фактор (Azoospermia factor, чи чинник азооспермії).
Про точні функції більшості цих генів відомо мало. Продукти, що кодуються генами нерекомбінуючого регіону Y-хромосоми, виконують різні функції, наприклад, серед них є фактори транскрипції, цитокінові рецептори, протеїнкінази та фосфатази, які можуть впливати на клітинну проліферацію та/або передачу сигналів у клітині.
На довгому плечі Y-хромосоми розташований AZF (Azoospermia Factor) локус містить гени, що контролюють процес диференціювання статевих клітин, тобто. сперматогенез. У даному локусі виділяють 3 регіони - a (800 т.п.н.), b (3,2 млн пн), c (3,5 млн пн). Мікроделеції ділянок даного локусу є однією з основних генетичних причин чоловічої безплідності. Мікроделеції довгого плеча Y-хромосоми виявляються у 11% чоловіків з азооспермією та у 8% чоловіків з олігозооспермією тяжкого ступеня. При делеції всього с-регіону AZF локусу можливе виникнення блоку в мітозі та мейозі при сперматогенезі; на гістологічних препаратах у таких хворих у більшості насіннєвих канальців відсутні статеві клітини.
Для Y-хромосоми характерні специфічні риси, що різко відрізняють її від інших хромосом людини: 1) збіднення генами;
2) збагаченість блоками нуклеотидів, що повторюються. наявність значних гетерохроматинових районів;
3) наявність галузі гомології з Х-хромосомою - псевдоаутосомальної області (PAR) (Чорних, Курило, 2001).
Y-хромосома, як правило, не велика – 2-3% гаплоїдного геному. Тим не менш, що кодує здатності її ДНК у Homo sapiens достатньо принаймні для кількох тисяч генів. Однак у цього об'єкта в Y-хромосомі виявляється всього близько 40 збагачених ГЦ-парами так званих ЦрГ-острівців, які зазвичай фланкують більшість генів. Реальний же список генетичних функцій, пов'язаних із цією хромосомою, вдвічі менший. Фенотипічний вплив цієї хромосоми у мишей обмежений вагою тестисів, рівнем тестостерону, серологічного HY-антигена, чутливістю органів до андрогенів та сексуальною поведінкою. Більшість генів цієї хромосоми має X-хромосомні аналоги. Більшість Y-хромосомних послідовностей гомологічні ДНК Х-хромосоми або аутосом і лише частина їх суворо унікальна.
Наявність псевдоаутосомальних областей, що забезпечують мейотичне спарювання та рекомбінацію, зазвичай розглядається як необхідна умова фертильності. Цікаво, що розмір ділянки мейотичного спарювання істотно довше за PAR. У людини є два псевдоаутосомальні райони на вершині короткого і довгого плечей Х-хромосоми. Однак, тільки для першого з них встановлено облігатний обмін у мейозі, наявність хіазм, вплив на фертильність.
Висловлено припущення про походження статевих хромосом ссавців від предкової аутосоми внаслідок незалежних циклів: додавання – рекомбінація – деградація. PAR, за такою термінологією, є лише реліктом такого останнього додавання. Далі відбуваються деградація та втрата відповідних Y-хромосомних частин та інактивація Х-хромосоми. Всі гени, представлені в Y-хромосомі, або мають реальну селективну цінність (наприклад, SRY), або перебувають на шляху зникнення. Кожен Y-хромосомний ген, що швидко диергує, ампліфікується або схильний до зникнення, має свого гомолога в Х-хромосомі, більш консервативного та активного в обох статей. Так, Sox3, передбачуваний X-хромосомний гомолог SRY, кодує майже ідентичні продукти у людини, миші та сумчастих, експресується в нервовій системі обох статей. SRY швидко дивергує та активний тільки в гонадному горбку. Цей Y-хромосомний ген піддається ампліфікації у багатьох мишей та щурів.
Таким чином, Y-хромосома, єдина в геномі ссавців, не працює безпосередньо на реалізацію фенотипу. Її генетична значущість пов'язана з наступністю між поколіннями, зокрема з контролем гаметогенезу, первинною детермінацією статі. Жорсткий відбір діє лише на небагато її генів, решта ДНК більш пластична.
Предмет генетичних досліджень – явища спадковості та мінливості. Американський вчений Т-Х. Морган створив хромосомну теорію спадковості, що доводить, що кожен біологічний вид можна характеризувати певним каріотипом, який містить такі види хромосом, як соматичні та статеві. Останні представлені окремою парою, що відрізняється за чоловічою та жіночою особини. У цій статті ми вивчимо, яку будову мають жіночі та чоловічі хромосоми і чим вони відрізняються між собою.
Що таке каріотип?
Кожна клітина, що містить ядро, характеризується певною кількістю хромосом. Воно отримало назву каріотипу. У різних біологічних видів наявність структурних одиниць спадковості суворо специфічно, наприклад, каріотип людини становить 46 хромосом, у шимпанзе - 48, річкового раку - 112. Їхня будова, величина, форма відрізняються у особин, що належать до різних систематичних таксонів.
Число хромосом у клітині тіла називається диплоїдним набором. Він характерний для соматичних органів та тканин. Якщо в результаті мутацій каріотип змінюється (наприклад, у хворих на синдром Клайнфельтера кількість хромосом 47, 48), то такі особини мають знижену фертильність і в більшості випадків безплідні. Інше спадкове захворювання, пов'язане зі статевими хромосомами, – синдром Тернера-Шерешевського. Він зустрічається у жінок, які мають у каріотипі не 46, а 45 хромосом. Це означає, що в статевій парі є не дві х-хромосоми, а лише одна. Фенотипово це проявляється у недорозвиненні статевих залоз, слабо виражених вторинних статевих ознак і безплідності.
Соматичні та статеві хромосоми
Вони відрізняються як формою, так і набором генів, що входять до їхнього складу. Чоловічі хромосоми людини та ссавців входять у гетерогаметну статеву пару ХУ, що забезпечує розвиток як первинних, так і вторинних чоловічих статевих ознак.
У самців птахів статева пара містить дві однакові ZZ чоловічі хромосоми і називається гомогаметною. На відміну від хромосом, що детермінують стать організму, в каріотипі знаходяться спадкові структури, ідентичні як у чоловічої, так і в жіночої статі. Вони звуться аутосом. У каріотипі людини їх 22 пари. Статеві чоловічі та жіночі хромосоми утворюють 23 пари, тому каріотип чоловіка можна представити у вигляді загальної формули: 22 пари аутосом + ХУ, а жінки – 22 пари аутосом + ХХ.
Мейоз
Утворення статевих клітин - гамет, при злитті яких формується зигота, відбувається у статевих залозах: насінниках та яєчниках. У їх тканинах здійснюється мейоз - процес поділу клітин, що призводить до утворення гамет, що містять гаплоїдний набір хромосом.
Овогенез у яєчниках призводить до дозрівання яйцеклітин лише одного виду: 22 аутосоми + Х, а сперматогенез забезпечує дозрівання гомет двох видів: 22 аутосоми + Х або 22 аутосоми + У. У людини ж стать майбутньої дитини визначається в момент злиття ядер яйцеклітини та сперми. від каріотипу сперматозоїда.
Хромосомний механізм та визначення статі
Ми вже розглянули, коли відбувається визначення статі в людини - в останній момент запліднення, і залежить від хромосомного набору сперматозоїда. В інших тварин представники різної статі відрізняються кількістю хромосом. Наприклад, у морських черв'яків, комах, коників у диплоїдному наборі самців є лише одна хромосома зі статевої пари, а у самок - обидві. Так, гаплоїдний набір хромосом самця морського хробака ацирокантуса можна виразити формулами: 5 хромосом + 0 або 5 хромосом + х, а самки мають у яйцеклітині тільки один набір 5 хромосом + х.
Що впливає на статевий диморфізм?
Крім хромосомного, є ще й інші способи визначення статі. У деяких безхребетних - коловраток, - підлога визначається ще до моменту злиття гамет - запліднення, в результаті якого чоловічі та жіночі хромосоми утворюють гомологічні пари. Самки морської поліхети – динофілюса у процесі овогенезу утворюють яйцеклітини двох видів. Перші – дрібні, збіднені жовтком, – з них розвиваються самці. Інші - великі, з великим запасом поживних речовин - служать у розвиток самок. У медоносних бджіл - комах ряду Перетинчастокрилих - самки продукують два види яйцеклітин: диплоїдні та гаплоїдні. З незапліднених яєць розвиваються самці - трутні, та якщо з запліднених - самки, які є робочими бджолами.
Гормони та їх вплив на формування статі
У людини чоловічі залози – насінники – продукують статеві гормони низки тестостерону. Вони впливають як у розвиток (анатомічна будова зовнішніх і внутрішніх статевих органів), і на особливості фізіології. Під впливом тестостерону формуються вторинні статеві ознаки - будова скелета, особливості фігури, оволосіння тіла, тембр голосу. внутрішніх статевих органів, оволосіння тіла за жіночим типом, регулюють менструальний циклта перебіг вагітності.
У деяких хребетних тварин, риб, і земноводних біологічно активні речовини, що продукуються гонадами, сильно впливають на розвиток первинних та вторинних статевих ознак, а види хромосом при цьому не мають такого великого впливу на формування статі. Наприклад, личинки морських поліхет – бонеллії – під впливом жіночих статевих гормонів припиняють своє зростання (розміри 1-3 мм) і стають карликовими самцями. Вони живуть у статевих шляхах самок, які мають довжину тіла до 1 метра. У риб-чистильників самці містять гареми з кількох самок. Жіночі особини, крім яєчників, мають зачатки сім'яників. Як самець гине, одна з гаремних самок бере на себе його функцію (у її тілі починають активно розвиватися чоловічі гонади, що виробляють статеві гормони).
Регуляція статі
Вона здійснюється двома правилами: перше визначає залежність розвитку зародкових статевих залоз від секреції тестостерону і гормону MIS. Друге правило вказує на виняткову роль, яку відіграє У-хромосома. Чоловіча стать та всі відповідні йому анатомічні та фізіологічні ознаки розвиваються під впливом генів, що знаходяться в У-хромосомі. Взаємозв'язок і залежність обох правил у генетиці людини називається принципом зростання: у ембріона, що є бісексуальним (тобто має зачатки жіночих залоз - мюллерова протока і чоловічих гонад - вольфова каналу) диференціювання ембріональної статевої залози залежить від наявності або відсутності у карі.
Генетична інформація в У-хромосомі
Дослідженнями вчених-генетиків, зокрема Т-Х. Моргана було встановлено, що у людини і ссавців генний склад Х- і У-хромосом неоднаковий. Чоловічі хромосоми в людини немає деяких алелей, присутніх у Х-хромосомі. Проте в їхньому генофонді представлений ген SRY, що контролює сперматогенез, що призводить до формування чоловічої статі. Спадкові порушення цього гена в ембріоні призводить до розвитку генетичного захворювання – синдрому Суайра. В результаті жіноча особина, що розвивається з такого ембріона, містить у каріотипі ХУ статеву пару або тільки ділянку У-хромосоми, що містить генний локус. Він активізує розвиток гонад. У хворих жінок не диференціюються вторинні статеві ознаки і вони безплідні.
У-хромосома та спадкові захворювання
Як зазначалося раніше, чоловіча хромосома відрізняється від Х-хромосоми як розмірами (вона менша), так і формою (має вигляд гачка). Також для неї специфічний і набір генів. Так, мутація одного з генів У-хромосоми фенотипно проявляється появою пучка твердого волосся на мочці вуха. Ця ознака характерна лише для чоловіків. Відоме таке спадкове захворювання, спричинене синдром Клайнфельтера. Хворий чоловік має у каріотипі зайві жіночі чи чоловічі хромосоми: ХХУ чи ХХУУ.
Основними діагностичними ознаками є патологічне зростання молочних залоз, остеопороз, безплідність. Захворювання досить поширене: на кожні 500 новонароджених хлопчиків припадає 1 хворий.
Підсумовуючи, відзначимо, що в людини, як і в інших ссавців, стать майбутнього організму визначається в момент запліднення, внаслідок певної комбінації в зиготі статевих Х-і У-хромосом.