ОСНОВЫ ГЕНЕтики - Издательский центр "Академия"
advertisement
Высшее профессиональное образование Бакалавриат А. Ю. Асанов, Н. С. Демикова, В. Е. Голимбет ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ Под редакцией проф. А. Ю. Асанова Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования, обучающихся по направлениям подготовки «Психолого-педагогическое образование» профиль «Социальная педагогика и психология» и «Специальное (дефектологическое) образование» УДК 601.4:575(075.8) ББК 28.04я73 А90 Р е ц е н з е н т ы: проф. Б. П. Пузанов (зав. кафедрой олигофренопедагогики Московского педагогического государственного университета); д-р мед. наук., проф. В. П. Щипков (кафедра биологии Российского университета дружбы народов) Асанов А. Ю. А90 Основы генетики : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / А. Ю. Асанов, Н. С. Демикова, В. Е. Голимбет; под ред. А. Ю. Асанова. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 288 с.: ил. — (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5-7695-8801-3 Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлениям подготовки «Психолого-педаго­ гическое образование» профиль «Специальная педагогика и психология» и «Специальное (дефектологическое) образование» (квалификация «бакалавр»). В учебнике рассмотрены строение и функционирование клеток, основные положения формальной генетики человека, молекулярные и цитогенетические основы наследственности, клинико-генетические особенности наследственных болезней. Подробно описан клинико-генеалогический метод и дана общая характеристика наследственных болезней. Рассмотрены заболевания, являющиеся предметом изучения дефектологии. Для студентов учреждений высшего профессионального образования. УДК 601.4:575(075.8) ББК 28.04я73 Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается ISBN 978-5-7695-8801-3 © Асанов А. Ю., Демикова Н. С., Голимбет В. Е., 2012 © Образовательно-издательский центр «Академия», 2012 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2012 Черпает воду решетом тот, кто учится без книги. (древнегреческое изречение) ВВЕДЕНИЕ Наследственность и изменчивость у человека являются предметом изучения генетики человека на всех уровнях его организации: молекулярном, клеточном, тканевом, организменном, популяционном. На протяжении долгой истории научной (в большей степени натурфилософской) мысли преобладающими были метафизиче­ские представления о наследственности и изменчивости. Уже в далекие времена, когда начался период одомашнивания различных животных, предпринимались попытки улучшить их полезные качества. Решая эти задачи, человечество интуитивно опиралось на биологические закономерности наследования. Начиная с трудов Гиппократа, Аристотеля, Платона, других древнегреческих врачей и философов, появляются первые теоретические объяснения явления наследственности. В XVIII — XIX вв. изучением проблемы наследования занимались такие выдающиеся ботаники и врачи, как И. Кельейтер, Т. Найт, Ш. Ноден, П. Мопертюи и др. Было известно, что некоторые признаки родителей, в том числе и нежелательные, например болезни, могут наследоваться потомками. Однако основоположником генетики как науки по праву считается великий чешский исследователь Грегор Мендель, открывший главные законы наследования признаков. Величайшая заслуга Менделя — разработанный им гибридологический метод анализа явлений наследования, позволивший ему открыть в 1865 г. корпускулярную природу наследственности. История развития генетики представляет собой череду гениальных открытий и фундаментальных обобщений. Хронология важнейших открытий в области общей генетики, генетики человека и медицинской генетики приведена ниже. 1866 г. — Г. Мендель опубликовал в бюллетене общества естествоиспытателей г. Брюнна (ныне Брно, Чехия) результаты своей работы по изучению наследования признаков. 1869 г. — Ф. Мишер обнаружил в клетках нуклеиновую кислоту (ДНК). 1900 г. — появление генетики как науки о наследственности и изменчивости: трое ученых — Г. де Фриз (Голландия), К. Корренс (Германия) и Э. Чермак (Австрия) независимо друг от друга переоткрыли законы Менделя и признали его приоритет. 1902 г. — А. Гаррод ввел понятие «врожденные ошибки метаболизма». 3 1910 г. — Т. Г. Морган и его ученики А. Стартевант, К. Бриджес, Г. Меллер сформулировали хромосомную теорию наследственности. 1945 г. — Дж. Бидл и Э. Тейтум сформулировали положение «один ген — один белок». 1952 г. — А. Херши и М. Чейз доказали, что носителем генетической информации является ДНК. 1953 г. — Дж. Уотсон и Ф. Крик определили строение молекулы ДНК. 1955 г. — С. Очоа и А. Корнберг провели ферментный синтез ДНК и РНК. 1956 г. — Ж. Тио и А. Леван установили число хромосом в соматических клетках человека. 1957 г. — В. Ингрем показал роль гена в определении последовательности аминокислот в молекуле белка. 1958 г. — М. Мезельсон и Ф. Сталь доказали полуконсервативный механизм удвоения (репликации) ДНК. 1959 г. — Ж. Лежен показал, что причиной синдрома Дауна (врожденной аномалии развития) является геномная мутация. 1961 г. — М. Ниренберг и Х. Корана расшифровали генетический код. 1970 г. — Х. Корана искусственно синтезировал ген. 1981 г. — выявлен первый ген, вызывающий рак. 1982 г. — начало практического применения первого генноинженерного препарата инсулина человека. 1984 г. — А. Джефрис открыл профили ДНК (метод ДНК-дактило­ скопии). 1988 г. — предложена новая парадигма медицины — патологическая анатомия генома человека (В. МакКьюсик). 1989 — 1996 гг. — выявлены дефектные гены, вызывающие различные заболевания, в том числе муковисцидоз, болезни Гентингтона, Паркинсона и многие другие. 1998 г. — установлен полный геном многоклеточного организма. 1989 — 1999 гг. — расшифрованы геномы многих организмов. 2003 г. — завершились работы по международному проекту «Геном человека». Достижения в области геномики, протеомики и новейших моле­ кулярно-генетических технологий (генодиагностика, генотерапия и генная инженерия) открывают огромные возможности эффективной профилактики и лечения тяжелой наследственной патологии, выявления индивидуальной предрасположенности к наследственно обусловленным многофакторным заболеваниям. Использование генетически модифицированных и трансгенных растений, животных и бактерий является важным шагом на пути создания новых лекарственных препаратов и решения продовольственной проблемы, актуальной для многих регионов мира. 4 Генетика человека — самостоятельный раздел генетики, изучающий закономерности наследственности и изменчивости у людей в норме и патологии. Генетика человека в настоящее время — одна из важнейших основ теоретической и практической медицины. Среди основоположников отечественной медицинской генетики — выдающийся невролог и генетик С. Н. Давиденков (1880 — 1961), который первым использовал методы генетики в клинической практике для анализа ряда наследственных заболеваний нервной системы. Задачи генетики человека условно можно подразделить на академические, направленные на изучение фундаментальных основ и закономерностей генетики, и прикладные, направленные на использование достижений генетики человека в практической деятельности врачей, психологов, педагогов и педагогов-дефектологов, других специалистов. Многие методы изучения генетики человека используют для диагностики наследственных заболеваний. В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что организм является результатом сложного взаимодействия генетиче­ской программы, унаследованной от родителей, и разнообразных, постоянно меняющихся условий внешней среды. Генетическая программа, с одной стороны, передаваясь из поколения в поколение, обеспечивает воспроизведение типологических характеристик человека как представителя биологического вида и унаследование некоторых, в том числе и патологических, признаков родителей, с другой — создает каждый раз (на основе генетических явлений и закономерностей) уникальную в своей генотипической индивидуальности особь. Наследственная информация, реализующаяся в процессе индивидуального развития организма, обеспечивает формирование всех признаков и свойств, но не стабильных, неизменных по отношению к среде, а способных к определенной изменчивости. Размах возможной вариабельности ответов на любые воздействия (физические, химические, в том числе лекарственные, психологические, педагогические) ограничен нормой реакции, которая определяется работой наследственного аппарата. Благодаря успехам генетики и научно-техническим достижениям возрастает процент распознавания генетически обусловленной патологии в структуре заболеваемости, смертности и инвалидизации населения. Так, в странах с развитой системой здравоохранения генетические факторы обусловливают 80 % случаев умственной отсталости, 70 — врожденной слепоты, 50 — врожденной глухоты, 40 — 50 — спонтанных абортов и выкидышей, 20 — 30 % младенческой смертности. Среди причин госпитализации детей в неспециализированные больницы наследственные болезни составляют от 20 до 40 %. Другими словами, в среднем каждый четвертый ребенок, поступивший в больницу общего профиля, — это ребенок с наследственной патоло- 5 гией. Естественно, что среди детей с умственной отсталостью, туго­ ухостью, глухотой и потерей зрения больных с наследственными заболеваниями гораздо больше. Развитие генетики, которая достигла в настоящее время небывалых успехов, способствует формированию нового подхода к осмыслению медицинских, психологических, педагогических, поведенческих и других проблем, связанных с различными аспектами жизни человека. Предварительные результаты близнецовых и семейных исследований, направленных на изучение вклада генетических факторов в формирование свойств темперамента и некоторых личностных особенностей, нашли блестящее подтверждение в результатах молекулярногенетических исследований. Исследования генетического контроля некоторых нейромедиаторных систем мозга позволили обнаружить и идентифицировать генетические системы, формирующие основы и механизмы памяти, приводящие к развитию алкоголизма, наркомании, агрессивного поведения. Задачи формирования у человека адекватного поведения, выработки определенных навыков, адаптации к изменяющимся условиям жизни, обучения необходимо решать на основе понимания генетических особенностей человека, причин и структуры дефектов, а также характера их взаимодействия с другими системами организма. Знание процессов возникновения и становления аномалии у ребенка является предпосылкой успешного и квалифицированного педагогического воздействия. Контрольные вопросы и задания 1. Назовите дату рождения генетики как новой науки о наследственности и изменчивости. С какими событиями эта дата связана? 2. В чем состоит главная заслуга Грегора Менделя? 3. Какая доля случаев умственной отсталости обусловлена генетическими факторами? 4. Какая доля случаев врожденной глухоты и тугоухости вызвана наследственными заболеваниями? 5. Какую долю среди госпитализированных детей составляют больные наследственными болезнями? 6. Перечислите основные задачи генетики человека как прикладной науки. 7. Существуют ли принципиальные различия генетического контроля развития нормальных и патологических признаков? РАЗ Д Е Л I ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ГЕНЕТИКИ Гл а в а 1 ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ 1.1. Клеточная теория Все живые организмы, за исключением вирусов, состоят из клеток. Клетки, чаще всего представленные микроскопическими образованиями, обладают всеми важнейшими свойствами живого: саморегуляцией, самовоспроизведением, единством структуры и функции, историческим развитием и т. д. В клетках постоян­но происходят процессы обмена веществ и превращения энергии. Наука, изучающая строение и функционирование клеток, называется цитологией (от греч. kуtos — клетка и logos — наука). Развитие и становление цитологии во многом определялось совершенствованием микроскопической техники, поскольку клетки трудно изучать невооруженным глазом. В 1665 г. английский естествоиспытатель Р. Гук впервые сообщил о существовании клеток. Он рассматривал под усовершенствованным им микроскопом тонкие срезы пробки и обнаружил мелкие пустые поры и ячейки, которые назвал клетками. Строго говоря, в срезе пробки Р. Гук наблюдал мертвые клеточные стенки, лишенные наполнявшего их живого содержимого. Исследуя под микроскопом различные части других растений, в частности моркови, лопуха, папо­ ротника, он обнаружил все тот же план строения, что и у пробки. В 1677 г. М. Мальпиги сообщил о клеточном строении всех изученных им растений. Видный ученый XVII в. А. ван Левенгук, исследуя под микроскопом каплю воды, обнаружил простейшие одноклеточные организмы. Долгое время основным структурным компонентом клетки признавалась ее оболочка. После того как в начале XIX в. произошло техническое улучшение качества линз, быстро возросло внимание к 7 исследованиям с применением микроскопа. В 1825 г. чешский ученый Я. Пуркинье показал, что внутри клетки находится студенистое веще­ ство, позднее названное цитоплазмой. Английский ботаник Р. Браун описал ядро клетки. Немецкий ботаник М. Шлейден в 1837 г. пришел к заключению, что все растительные клетки содержат ядра. В 1839 г. немецкий зоолог Т. Шванн, обобщив собственные экспериментальные данные и результаты других ученых, сформулировал концепцию, известную в настоящее время как клеточная теория. Согласно клеточной теории, клетка является основным элементом жизни и любые организмы состоят из одной или многих клеток. Действительно, несмотря на колоссальное разнообразие живых существ (различающихся размером, формой, средой обитания, способом передвижения, энергообеспечения и т. д.), основу их морфофункциональной организации составляют клетки. В 1855 г. Р. Вирхов добавил к этим двум постулатам фундаментальное положение: «Omnis cellula ex cellulae» — «Всякая клетка от клетки». Иными словами, третье положение клеточной теории гласит, что все клетки образуются только в результате деления других клеток. Современное содержание клеточной теории может быть кратко сформулировано следующим образом: основной структурной и функциональной единицей живых организмов является клетка. Клеточная теория является важнейшим достижением естество­ знания. Она сыграла выдающуюся роль в развитии не только биологии и медицины, но и многих других разделов науки о человеке. Последующие успехи цитологии и цитогенетики были связаны с развитием и совершенствованием методов исследований. Центральная роль ядра в клеточном делении была доказана после изобретения метода окрашивания цитологических препаратов В. Флемингом в 1879 г. Совершенствование световых микроскопов позволило получать новые сведения о строении клетки и некоторых ее структур. Однако разрешающая способность светового микроскопа ограничена: минимальное расстояние, на котором он позволяет различить две точки, составляет примерно 200 мм. При таком разрешении некоторые клеточные структуры не видны, а исследование других существенно затруднено. Крупным шагом вперед оказалось изобретение в 1930-х гг. электрон­ ного микроскопа выдающимся российским изобретателем В. Зво­ рыкиным и фазовоконтрастного микроскопа Ф. Зернике. Увеличение в 100 тыс. раз, которое обеспечивает электронный микроскоп, позволяет изучать самые мелкие детали клеточных органелл. Современные достижения цитологии и цитогенетики связаны с развитием химических, физических методов и технологий (от рентгеноструктурного анализа до компьютерных баз данных). В многоклеточных организмах каждая клетка специализирована для выполнения, как правило, одной из функций, необходимых для обеспечения жизнедеятельности организма в целом. 8 В зависимости от выполняемой функции клетки могут значительно различаться по размеру, форме, расположению в различных тканях и органах, другим внешним и внутренним характеристикам. Выделяют следующие основные виды специализации клеток многоклеточного организма: • восприятие внешних и внутренних раздражителей; • координация всех функций (клетки нервной и эндокринной систем); • движение и опора; • защита организма (клетки покровных тканей и иммунной системы); • получение питательных веществ или их синтез; • перенос питательных, биологически активных веществ, газов и т. п.; • удаление продуктов распада; • размножение. 1.2. Строение животной клетки. Основные органеллы и их функции Все живые организмы в зависимости от типа составляющих их клеток разделяют на эукариоты (клетки, имеющие ядро) и прокариоты (клетки, у которых оформленное ядро отсутствует). К эукариотам относятся самые разнообразные организмы: высшие растения, грибы, одноклеточные амебы и многоклеточные животные. Отдельные клетки из разных частей какого-либо высшего организма могут существенно различаться по форме, размерам и функциям. Однако, несмотря на различия, клетки как многоклеточных, так и одноклеточных организмов в принципе сходны по своему строению, а различия в деталях обусловлены функциональной специализацией клеток. Основные элементы всех эукариотических клеток — цитоплазма и ядро. Любая клетка содержит множество структурных единиц меньшего размера, называемых органеллами (рис. 1.1). Органеллы выполняют специфические функции, например, вырабатывают энергию или участвуют в делении клетки. Они окружены со всех сторон жидкой цитоплазмой, а сама клетка отграничена от окружающей среды липидно-белковой оболочкой, называемой клеточной мембраной. Через клеточную мембрану осуществляется пассивный и активный перенос различных веществ внутрь и наружу. Пассивный транспорт осуществляется без энергетических затрат путем диффузии и осмоса. Диффузия — процесс переноса молекул и некоторых веществ через мембраны из области высокой концентрации в область низкой. Перенос веществ против градиента концентрации (активный транспорт) 9 осуществляется с помощью особых белков — переносчиков, для функционирования которых необходимы энергетические затраты (АТФ). Транспорт крупных частиц и макромолекул происходит путем эндо- и экзоцитоза (от лат. endo — внутрь; exo — наружу). Цитоплазма животной клетки — сложно организованная система, представляющая собой основную массу клетки. Она состоит из коллоидного раствора белков и других органических веществ: 85 % этого раствора — вода, 10 % — белки и 5 % — другие соединения. По своей структуре цитоплазма неоднородна. В ней расположены пластинчатые структуры, или мембраны, которые образуют сложную систему разветвленных каналов. Это так называемая эндо­плазма­ тическая сеть, или ретикулум. Различают гладкий эндоплазматический ретикулум (ГЭР) и шероховатый эндоплазматический ретикулум (ШЭР). ГЭР представляет собой систему гладких внутриклеточных мембран и содержит ферменты, обезвреживающие ядовитые вещества (в частности, оксидазы). На мембранах ГЭР происходят синтез липидов и гидролитическое расщепление гликогена. ШЭР — система внутриклеточных мембран с прикрепленными к ним много- Рис. 1.1. Строение животной клетки 10 численными рибосомами, которыми и обусловлена шероховатость. Часть ШЭР находится в прямом контакте с ядерной мембраной. На мембранах ШЭР синтезируются различные виды белков. Дисковидные мембраны и связанные с ними многочисленные пузырьки образуют так называемый комплекс Гольджи. В нем происходит концентрация веществ, которые затем либо используются в клетке, либо секретируются во внеклеточную среду. На рибосомах, представляющих собой сложные органеллы, осуществляется синтез белка. Рибосомы расположены на мембранах эндоплазматической сети (ШЭР) или свободно в цитоплазме. В их состав входят белки и рибонуклеиновые кислоты (РНК) примерно в равном количестве. Палочковидные органеллы диаметром около 1 мкм и длиной около 7 мкм, называемые митохондриями, имеют двойную мембрану. Пространство, ограниченное внутренней мембраной, — митохондриальный матрикс — содержит рибосомы и митохондриальную кольцевую ДНК, специфические РНК, соли кальция и магния. В митохондриях за счет окислительно-восстановительных процессов вырабатывается энергия, которая накапливается в виде молекул адено­зин­три­ф осфата (АТФ). Количество митохондрий в одной клетке может достигать нескольких тысяч. Митохондрии способны к самовоспроизведению. Органеллы в виде пузырьков, покрытые мембраной, лизосомы (от греч. lysis — разрушение и soma — тельце), содержат ферменты, расщепляющие белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Лизосомы служат «пищеварительной системой» клетки. В случае разрушения собственной мембраны лизосомы могут переваривать и содержимое цитоплазмы клетки, происходит так называемый автолизис (самопереваривание). Овальные микротельца, ограниченные мембраной, пероксисомы, содержат ферменты окисления аминокислот и фермент каталазу, разрушающий перекись водорода (Н 2О2), которая образуется при метаболизме аминокислот и является высокотоксичным соединением. Каталаза, таким образом, выполняет защитную функцию. В центре клетки или рядом с ядром обычно располагается «клеточный центр» — центросома, состоящая из двух центриолей и центросферы — особым образом организованного участка цитоплазмы. Центросома участвует в процессе деления клетки, создавая веретено деления. Ядро клетки представляет собой носитель генетического материала и место, где осуществляется его воспроизведение и функционирование. Оно имеет сложное строение, изменяющееся в процессе клеточного деления. Ядро состоит из кариоплазмы (ядерный сок), нескольких ядрышек и ядерной оболочки. В кариоплазме содержатся обязательные элементы ядра — хромосомы. ДНК хромосом в ядре обычно находятся в комплексе с белками. Такие ДНК-белковые ком- 11 плексы называются хроматином (от греч. chrоma — цвет, краска) по их способности хорошо окрашиваться красителями. На последних этапах, предшествующих делению клетки, ядерный материал (хроматин) претерпевает определенные физико-химические изменения, приводящие к конденсации нитеобразных структур ядра. Эти образования немецкий морфолог В. Вальдейер (1888) предложил назвать хромосомами (от греч. chrоma — цвет и sоma — тело). В интерфазных клетках хроматин распределен по всему ядру или располагается в виде отдельных глыбок. Это обусловлено тем, что во время интерфазы хромосомы деконденсированы (раскручены) и представлены очень длинными нитями, которые служат матрицами для синтеза РНК, в свою очередь представляющую собой матрицу для синтеза белков. Деконденсированные хромосомы и образуют нити хроматина. Максимальная конденсация хроматина происходит во время митотического деления клеток с образованием хромосом. Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух слоев, разделенных перинуклеарным пространством. По всей поверхности ядерной оболочки равномерно распределены ядерные поры, через которые происходит перенос веществ, как из ядра, так и в обратном направлении. Ядрышко — область внутри ядра, производное некоторых хромосом. В нем локализованы гены, кодирующие молекулы рибосомных РНК. Плотная центральная зона ядрышка содержит ДНК-белковые комплексы, и здесь происходит транскрипция генов рибосомных РНК. Ядро может содержать от одного до нескольких ядрышек. Рассмотренные органеллы представляют собой обязательные элементы клетки. В некоторых случаях в цитоплазме клетки выявляются различные включения, не относящиеся к обязательным компонентам. Это различные продукты метаболизма (белки, жиры, пигментные зерна, кристаллы солей мочевой кислоты и т. п.). При необходимости они могут быть использованы самой клеткой или организмом либо выведены из организма. 1.3. Клеточный цикл и его периоды Клеточный цикл — это период жизнедеятельности клетки от конца одного деления до конца следующего, который состоит, таким образом, из стадии относительного покоя, или интерфазы, и деления клетки. В интерфазе хромосомы находятся в деспирализированном (раскрученном) состоянии и поэтому не видны под световым микроскопом. Поначалу исследователи полагали, что ядро, пребывающее в неделящемся состоянии, находится в состоянии покоя. На самом деле именно в интерфазе в ядре отмечается наибольшая активность метаболических (обменных и синтетических) процессов, а клетка 12 Рис. 1.2. Клеточный цикл у эукариот выполняет обычные для нее функции или подготавливается к последующему делению (рис. 1.2). В интерфазе выделяют три стадии: G1 — пресинтетическая, S — синтетическая и G2 — постсинтетическая. Если число хромосом в одиночном или гаплоидном (от греч. haploos — одинарный) наборе обозначить n, а количество ДНК — с, то двойной, или диплоидный (от греч. diploos — двойной), набор генетического материала обозначается соответственно 2n2с. Сразу после деления клетка вступает в период G1. Это период, в течение которого клетка готовится к началу синтеза ДНК, происходящего в течение фазы S; клетка растет, синте­зируются РНК, различные белки, накапливаются продукты, необходимые для удвоения хромосом, увеличивается количество рибосом и митохондрий. Набор генетического материала в периоде G1 — 2n2c. Главное событие, происходящее в S-фазе, — это репликация (удвоение) количества ДНК (2n4c). В постсинтетический период (G2) происходит активное накопление энергии и ферментов, необходимых для последующего деления, набор генетического материала — 2n4с. После G2-фазы наступает непрямое деление клетки, или митоз. Собственно митотическое деление занимает лишь незначительную часть клеточного цикла. В жизненном цикле клетки выделяют также период (G0), в течение которого происходит рост, дифференциация, и функционирование клеток в структуре специализированной ткани. Как правило, специализация сопровождается потерей способности к делению. 13 Новые клетки возникают в результате деления уже существу­ющих клеток. При делении одноклеточного организма из старого (материнского) организма возникают два новых. Многоклеточный организм развивается из одной-единственной клетки: ее многочисленное потомство возникает путем многократных клеточных делений. Этот процесс продолжается в течение всей жизни: по мере роста и развития, а также регенерации, репарации (замещения) отслуживших клеток. Открытие фундаментального закона, сформулированного Р. Вирховом (1855), о том, что всякая клетка происходит от клетки, положило начало пристальному изучению процессов клеточного деления. В 1882 г. В. Флеминг сообщил, что при делении ядра клетки хромосомы (сам термин был предложен позже) делятся вдоль. Годом позже Э. ван Бенеден обратил внимание на то, что хромосо- Рис. 1.3. Митотическое деление клетки 14 мы, распределяющиеся между дочерними клетками, с точностью повторяют строение материнской (старой) хромосомы. В это же время Э. Страсбургер, В. Ру и О. Гетвиг сформулировали «ядерную гипотезу наследственности». Таким образом, материальная непрерывность и преемственность наследственных свойств в ряду клеточных поколений и поколений индивидов осуществляется путем размножения организмов, центральным моментом которого является деление клетки. Митоз — деление соматической клетки. Наиболее универсальным способом деления соматических клеток, т. е. клеток тела (от греч. soma — тело), является митоз. Этот вид деления клеток был впервые описан в 1882 г. немецким гистологом В. Флемингом, который наблюдал возникновение и поведение нитчатых структур в ядре в период деления. Отсюда происходит и название процесса деления — митоз (от греч. mitos — нить). При митотическом делении ядро клетки претерпевает ряд строго упорядоченных последовательных изменений. В митозе выделяют несколько фаз: профазу, прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1.3). Профаза — первая стадия подготовки к делению. В профазе сетчатая структура ядра постепенно превращается в видимые (хромосомные) нити за счет спирализации, укорочения и утолщения хромосом. В этот период можно наблюдать двойную природу хромосом: каждая хромосома выглядит продольно удвоенной. Эти половинки хромосом, называемые сестринскими хроматидами, — результат редупликации (удвоения) хромосом в S-фазе, они удерживаются вместе одним общим участком — центромерой. Начинается расхождение центриолей к полюсам и образование веретена деления. Содержание генетического материала — 2n4с. Прометафаза характеризуется продолжением спирализации хромосомных нитей, исчезновением ядерной оболочки, смешением кариолимфы и цитоплазмы с образованием миксоплазмы, которая облегчает движение хромосом к экваториальной плоскости клетки. Формула генетического материала — 2n4с. Метафаза — стадия, на которой все хромосомы располагаются в зоне экватора клетки, образуя так называемую «метафазную пластинку». На стадии метафазы хромосомы имеют самую малую длину, поскольку в это время они наиболее сильно спирализованы и конденсированы. Эта стадия наиболее пригодна для подсчета числа хромосом в клетке, изучения и описания их строения, определения размеров и т. д. Расположение хромосом по отношению друг к другу случайное. Веретено деления полностью сформировано, и нити веретена прикрепляются к центромерам хромосом. Формула генетического материала остается прежней — 2n4с. Анафазой называют следующую фазу митоза, когда делятся центромеры хромосом. Нити веретена деления растаскивают сестринские 15 хроматиды, которые с этого момента можно называть дочерними хромосомами, к различным полюсам клетки. Таким образом обеспечивается согласованное и точное распределение хромосомного материала в дочерние клетки, в каждой из которых его содержание составляет 2n2с. Телофаза — заключительная стадия митоза, на которой дочерние хромосомы деспирализуются и постепенно утрачивают видимую индивидуальность. Образуется оболочка ядра, начинается симметричное разделение тела клетки с формированием двух независимых клеток с формулой генетического материала 2n2с, каждая из которых вступает в период G1 интерфазы. И цикл повторяется снова. Биологическое значение митоза состоит в следующем: • события, происходящие в процессе митоза, приводят к образованию двух генетически идентичных дочерних клеток, каждая из которых содержит точные копии генетического материала предковой (материнской) клетки; • митоз обеспечивает рост и развитие организма в эмбриональном и постэмбриональном периоде — организм взрослого человека состоит примерно из 1014 клеток, для чего требуется приблизительно 47 циклов клеточного деления единственной оплодотворенной спермием яйцеклетки (зиготы); • митоз является универсальным, эволюционно закрепленным механизмом регенерации, т. е. восстановления утраченных или функционально устаревших клеток организма. Мейоз — деление, обеспечивающее созревание половых клеток. Возникновение многоклеточности сопровождается специализацией тканей организма: наряду с появлением соматических тканей (костная, мышечная, соединительная и т. д.) обособляется генеративная ткань, дающая начало половым клеткам. Половое размножение возникло в процессе эволюции как высшая форма воспроизведения организмов, обеспечивающая многократное увеличение численности потомства по сравнению с численностью родительских организмов, и, что самое главное, возникновение многих форм наследственной изменчивости. Эти два фактора во многом способствовали естественному отбору наиболее приспособленных особей и тем самым существенно определяли скорость эволюционных преобразований. При половом размножении преемственность между поколениями обеспечивается только через половые клетки — яйцеклетку и сперматозоид (см. гл. 2). В процессе митотического деления каждая дочерняя клетка получает от материнской полный двойной набор хромосом. Если бы яйцеклетка и сперматозоид обладали полным набором генетических характеристик (2n2с), свойственным клеткам тела, то при их слиянии образовался бы организм с удвоенным набором (4n4с). Например, в соматических клетках организма человека содержится 46 хромосом. Если бы яйцеклетка и сперматозоид чело- 16 17 В результате мейоза образуются четыре гаплоидные клетки — гаметы. На рисунке представлены три пары хромосом. Пояснения см. в тексте Рис. 1.4. Мейотическое деление клетки. века содержали по 46 хромосом, то при их слиянии образовалась бы зигота с 92 хромосомами. В следующем поколении проявились бы потомки со 184 хромосомами и т. д. Вместе с тем хорошо известно, что количество хромосом является строгой видовой характеристикой, а изменение их числа приводит либо к гибели организма на ранних этапах эмбрионального развития, либо к тяжелым заболеваниям. Следовательно, должен существовать механизм, обеспечивающий при образовании половых клеток уменьшение числа хромосом точно в два раза. Этим механизмом служит мейоз (от греч. mio-sis — уменьшение). Мейоз включает два последовательных деления. В результате первого деления число хромосом в ядре уменьшается ровно в два раза. Именно поэтому первое деление мейоза иногда называют редукционным, т. е. уменьшающим. Второе деление мейоза в основных чертах повторяет митоз и называется эквационным (уравнительным). Мейоз состоит из ряда последовательных фаз, в которых хромосомы претерпевают специфические изменения (рис. 1.4). Фазы, относящиеся к первому делению, обозначаются римской цифрой I, а отно­ сящиеся ко второму — цифрой II. В каждом делении мейоза по аналогии с митозом различают профазу, метафазу, анафазу и телофазу. К первому делению относят изменения ядра от профазы I до телофазы I. Профаза I имеет принципиальные отличия от профазы митоза. Она состоит из пяти основных стадий: лептотены, зиготены, пахитены, диплотены и диакинеза. Самая ранняя стадия профазы I — лептотена. На этой стадии появляются тонкие перекрученные нити хромосом. Число видимых в световом микроскопе нитей равно диплоидному числу хромосом. Двойственное строение хромосомных нитей (сестринские хроматиды) постепенно выявляется по мере усиления спирализации. На стадии зиготены происходит взаимное притяжение (конъюгация) парных, или гомологичных, хромосом, одна из которых была привнесена отцовской половой клеткой, другая — материнской. В митозе подобного процесса нет. Конъюгировавшая пара хромосом называется бивалентом. В нем четыре хроматиды, но они еще не различимы под микроскопом. Во время конъюгации родительских хромосом между несестринскими хроматидами может произойти обмен участками, приводящий к генетическому феномену — кроссинговеру. Стадия пахитены — самая продолжительная стадия профазы первого деления. Дальнейшая спирализация приводит к утолщению хромосом. Двойственное строение хромосом становится четко различимым: каждая хромосома состоит из двух хроматид, объединенных одной центромерой. Четыре хроматиды, объединенные попарно двумя центромерами, образуют тетраду. На стадии пахитены можно 18 видеть ядрышки, прикрепленные к определенным участкам хромосом (области вторичных перетяжек). В следующей стадии — диплотене — начинается процесс отталкивания друг от друга ранее конъюгировавших хромосом. Этот процесс начинается с области центромер. Точки соприкосновения несе­ стринских хроматид как бы «сползают» к концам хромосом, обра­зуя Х-образные фигуры, называемые хиазмами. Образование хиазм — видимое проявление кроссинговера, приводящего к обмену гомологичных участков несестренских хроматид и таким образом существенно увеличивающего наследственную изменчивость благодаря появлению хромосом с новыми комбинациями аллелей. Последняя стадия профазы I — диакинез. В диакинезе усиливает­ ся спирализация хромосом, уменьшается число хиазм вследствие их передвижения к концам хромосом. Биваленты перемещаются в экваториальную плоскость. Исчезают оболочка ядра и ядрышки. Окончательное формирование веретена деления завершает профазу I. Метафаза I — стадия, на которой биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости клетки, образуя метафазную пластинку. Хромосомы при этом сильно спирализованы — утолщены и укорочены. Число бивалентов вдвое меньше, чем число хромосом в соматической клетке организма, т. е. равно гаплоидному. Анафаза I приводит к уменьшению числа хромосом в каждой дочерней клетке ровно вдвое: гомологичные хромосомы, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид, расходятся к противоположным полюсам клетки. При этом как «отцов­ская», так и «материнская» хромосомы бивалента с равной вероятностью могут попадать в любую из дочерних клеток. Телофаза I очень короткая. Она характеризуется формированием новых ядер и ядерной мембраны. Интеркинез — особый период, следующий за телофазой I. В интеркинезе в отличие от интерфазы митоза отсутствует S-период и, следовательно, не происходит репликации ДНК и удвоения числа хромосом. Каждая хромосома перед профазой II уже удвоена (состоит из двух сестринских хроматид). За интеркинезом наступает второе мейотическое деление — эквационное, которое включает те же фазы, что и митоз. Уже в начале второго мейотического деления клетка содержит 23 хромосомы, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид. В профазе II формируется новое веретено деления, в метафазе II хромосомы вновь располагаются в экваториальной плоскости клетки. Во время анафазы II за счет деления центромеры к полюсам расходятся сестринские хроматиды, и в телофазе II образуются дочерние клетки с гаплоидным числом хромосом. Таким образом, диплоидная клетка, вступившая в мейоз, образует четыре дочерние клетки с гаплоидным набором хромосом. Биологическое значение мейоза состоит в следующем: 19 • благодаря мейозу обеспечивается преемственность в ряду поколений организмов, размножающихся половым путем, в то время как митоз выполняет ту же задачу в ряду клеточных поколений; • мейоз — один из важнейших этапов процесса полового размножения; • в процессе мейоза происходит редукция числа хромосом от диплоидного числа (46 у человека) до гаплоидного (23); • мейоз обеспечивает комбинативную наследственную изменчивость, являющуюся предпосылкой генетического разнообразия людей и генетической уникальности каждого индивида и обусловленную двумя событиями — случайным распределением негомологичных хромосом и кроссинговером, т. е. взаимным обменом гомологичных районов хроматид при образовании хиазм; • при мейозе происходит редукция числа хромосом, необходимая для формирования половых клеток (гамет) человека и других эукариот, поэтому его называют делением созревания. Контрольные вопросы и задания 1. Перечислите основные положения клеточной теории. 2. Дайте характеристику основным органоидам клетки. 3. Укажите, какая из перечисленных функций является основной для митохондрий: защитная функция, выработка энергии, участие в делении клетки, участие в синтезе белков. 4. Укажите, на каких из перечисленных внутриклеточных структур осуществляется синтез белка: клеточная мембрана, хроматин, рибосомы, митохондрии. 5. Что входит в химический состав рибосом: только белки, только ДНК, белки и ДНК, белки и РНК? 6. Дайте определение митоза. 7. Укажите фазы митоза. 8. В чем состоит генетическое значение митоза? 9. Дайте определение мейоза. Назовите основные стадии мейоза. 10.В чем заключается биологический смысл мейоза?
