ХРОМОСОМНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

Хромосомні основи спадковості були закладені дос­лідженнями Т.Бовері та В.Сеттена у 1902 р. під час першого етапу розвитку науки генетики, значно рані­ше, ніж були відкриті молекулярні механізми.

Дослідженнями гістологів та цитологів, які працю­вали на різних експериментальних моделях, було вста­новлено, що кожному видові живих істот відповідає власна кількість та будова хромосом, що у більшості живих істот — подвійний (диплоїдний, 2п) комплект хромосом у соматичних клітинах, та що у разі статево­го розмноження в істот різної статі склад хромосом однієї пари (статеві хромосоми) різний. Дозрілі ста­теві клітини мають гаплоїдний (п) набір хромосом внаслідок редукції у мейозі.

Диплоїдність відновлюється під час запліднення, що і призводить до початку нового життя, тобто означає старт, від якого для цієї нової істоти починається відлік часу.

Хромосома — це одна кільцева двоспіральна моле­кула ДНК, намотана на ланцюжок гістонових бубликів,

внаслідок чого утворюється її 4-рівнева спіралізація. Чим щільніший зв'язок ДНК з гістонами, тим більша спіралізація хромосоми, остання більше інактивована, генетична інформація виключена з процесу. Найвищий ступінь спіралізації хромосом спостерігається під час останніх фаз мітозу (анафаза, телофаза), що зберігає генетичний матеріал від ушкоджень під час його роз­поділу між дочірніми клітинами. Найменша спіралі­зація хромосом та порівняно слабкий зв'язок ДНК з гістонами існує у О_о-фазі клітинного циклу, коли кліти­на здійснює свою диференційовану функцію. У цей пе­ріод інтерфази експресується основна кількість дієздат­них генів, працюють «кухонні» гени — однакові у всіх клітинах організму, які забезпечують власні потреби клітин в РНК, білках, ліпо- та глікопротеїдах, фермен­тах, енергії та ін. У цей час здійснюється і спеціалізова­на функція клітин диференційованих тканин та органів, працюють гени «розкоші», продукти яких необхідні всім клітинам організму та виділяються у міжклітин­не середовище у вигляді ферментів, гормонів, нейро-пептидів тощо. У фазі G,, в яку входять клітини при підготовці до ділення, починають функціонувати гени, що забезпечують розмноження, у цитоплазмі накопи­чуються необхідні білки та енергетичні сполуки. Клітина входить у S-період, тобто період синтезу ДНК. До по­чатку S-періоду так звана інтерфазна хромосома має одну хроматиду і по одному плечу з різних боків цен-троміри.

Під час напівконсервативного матричного синтезу утворюються нові дочірні нитки ДНК, що комплемен­тарні материнській нитці; хромосоми одержують дру­гу хроматиду, поєднану в ділянці центроміри з існую­чою. У цей час припиняється експресія генів, що пра­цювали у попередні періоди, і хромосома починає швид­ко спіралізуватися. Через період G₂, в якому з'явля­ються структури мітотичного веретена (також внаслі­док функціонування відповідних генів), клітина вхо-

дить в мітоз, послідовно проходячи профазу (розпад мембрани ядра, неодночасова спіралізація хромосом), метафазу (коли добре сформовані двохроматидні хро­мосоми розміщуються по екватору клітини, нанизані центромірою на нитки веретена), анафазу (хромосома розділяється вздовж по центромірі на дві поодинокі хроматиди, що розходяться до різних полюсів верете­на) та телофазу (однохроматидні хромосоми почина­ють створювати нові ядра і власні клітинні оболонки кожної нової клітини). Замість однієї материнської клітини виникають дві нові — дочірні, замість однієї старої — дві новонароджені. Доки клітини діляться, вони не вмирають, не старіють, а омолоджуються. На рівні одноклітинних організмів час можна повернути назад.

Кількість хромосом, що містять всі гени організму, постійна дляїкожного виду. Tjio та Levan (1948) впер­ше визначили, що в кожній клітині тіла людини знахо­диться 46 хромосом, тобто для людини є властивим набір хромосом 2п=46, або 23 пари хромосом, з яких одна пара статевих хромосом (XX у жінок і XY у чо­ловіків) та 22 пари аутосом, однакових у осіб різної статі. Статеві клітини утворюються внаслідок двох послідовних мейотичних поділів клітин гермінативно­го епітелію, під час яких один із поділів настає без періоду синтезу ДНК (екваційний поділ, або редукція кількості хромосом). Тому кожна дозріла стагева клітина має гаплоїдний, половинний (п) набір хромосом. Су­купність генів, що міститься у хромосомах гаплоїдних клітин, зветься геномом. Усі яйцеклітини мають 22+Х хромосоми, сперматозоїди мають 22+Х хромосоми або 22+Y хромосоми (у співвідношенні 1:1). Стать май­бутньої дитини (46, XX або 46, XY) залежить від набо­ру хромосом сперматозоїда, що запліднив яйцеклітину. В той же час яйцеклітина може мати різну вибіркову чутливість до тих чи інших сперматозоїдів. Жіночий організм повністю диплоїдний, чоловічий — гемізигот-

ний за X- та Y-хромосомами. Тобто чоловічі клітини мають всі гени, що розташовані в аутосомах, у подвійній кількості (як і у жінок), а гени, розташовані в статевих хромосомах, у чоловіків існують в одному екземплярі. В результаті статевого розмноження дівчинка отримує кожний ген і від матері, і від батька, а хлопчик отримує гени, що розташовані в Х-хромосомі тільки від матері, а ті, що містяться в Y-хромосомі — тільки від батька. Цей механізм лежить в основі зчепленого зі статтю ус­падкування. Розміщення генів у хромосомах та їх зчеп­лене успадкування зумовлює відхилення від закону Менделя про незалежне розщеплення спадкових ознак у нащадків другого покоління (онуки) у разі полі-гібридного схрещування. Це розщеплення обмежуєть­ся групами зчеплення, кількість яких збігається з гап­лоїдним комплектом хромосом (п)+1. У людини таких груп 24=22+X+Y. Y-хромосома значно менша за X і містить менше ДНК, генів, інформації. Різниця в кількості генів у генотипах чоловіків та жінок дещо компенсується спіралізацією в інтерфазових клітинах жіночого організму однієї з двох Х-хромосом. У сома­тичній клітині жінки працює в більшості випадків одна Х-хромосома, інша ж інактивована, дуже спіралізована і виявляється у вигляді брилки хроматину трикутної, овальної чи округлої форми, що розташована найчасті­ше біля мембрани ядра. Ця структура має назву хро­матин статевий, або тільця Барра (канадський гістолог, який вперше звернув на неї увагу) і використовується для швидкого визначення статі особи, в якої взяли клітини на дослідження, а також для визначення змін кількості Х-хромосом.

Інактивації підлягають різні Х-хромосоми в різних^ клітинах вибірково. В одних клітинах інактивована Х-хромосома материнського походження, в інших — батьківського. Це збільшує мозаїчність жіночого органі­зму, порівняно з чоловічим. Людина — не тільки клон однієї клітини (зиготи), вона — мозаїка у відповід-

ності до роботи різних генів у різних клітинах, що пов'язано з диференційованою функцією поліпотентних клітин багатоклітинного організму. 46 хромосом люди­ни складають її каріотип. Найчастіше каріотип вив­чається у період метафази лімфоцитів периферійної крові людини після їх підкультивування поза організ­мом та спеціального приготування фарбування препа­ратів (рис. 6).

Наявність у клітинах дишюїдних організмів двох екземплярів кожної хромосоми визначає присутність у них двох екземплярів кожного гена, що розташовані в однакових локусах (ізолокусах) гомологічних хро­мосом і називаються алелями. Гени бувають алёльни-ми (розташовані в ізолокусах та кодують одну озна­ку) та неалельними (різняться за локалізацією, струк­турою та функцією). Організм, в геномі якого містяться однакові алелі одного гена, зветься гомозиготним за цим геном, а той, що має різні алелі, — гетерозиготним. Деякі гени налічують велику кількість різних варі­антів у популяції (кожен організм має тільки два з них). Вони кодують поліморфні білки, що різняться за структурою та функцією. Наприклад, гени, що відпові­дають за білки еритроцитів та визначають основні гру­пи крові, існують у вигляді трьох різних варіантів: ген A (J^A) кодує білок А, ген B(J^B) кодує білок В, ген О (J°) взагалі не кодує.

Наявність у генотипі J° J° зумовлює гомозиготність (два однакових алелі) та І (0) групу крові, набір J^AJ^A також засвідчує гомозиготність, але вже II (А) групу крові, яка буде тою ж при гетерозиготності — J^A J°. Така ж ситуація можлива у випадку III (В) групи крові: гомозиготний набір J^B J^B або гетерозиготний — J^BJ°. IV (АВ) група крові — завжди наслідок гетеро­зиготності J^A J^B. Ген, який кодує альфа-1-інгібітор про­теаз, налічує більше 60 різних алелів, а ген глюкозо-6-фосфатдегідрогенази — більш як 100 різновидів.

Що ж таке різні алелі? Звідки вони беруться? Різні варіанти генів спричинюють урізноманітнення живих істот у межах одного виду та є джерелом еволюції, тобто утворюються внаслідок мутаційної мінливості ви­хідного гена.