Павел Бородин - Кошки и гены
Вы, конечно, знаете, что гены, не болтаются в клетках по отдельности, но организованы в хромосомы.
У кошки 19 пар хромосом. Мы говорили с вами о том, что для обеспечения надежности у всех высших организмов каждый ген представлен как минимум в двух экземплярах, а поскольку гены организованы в хромосомы, то, следовательно, и каждая хромосома должна быть в двух экземплярах. Хромосомы, несущие аллели одних и тех же генов, называются гомологичными хромосомами, или гомологами.
Хромосомы - это сложные комплексы ДНК с различными белками, которые служат для упаковки ДНК. Эти белки выполняют функцию регуляции активности генов: закрывают и плотно упаковывают те гены, которые не должны считываться в данной клетке [зачем нервной клетке печеночные белки?], и наоборот, открывают для считывания те гены, которые несут информацию о строении белков, нужных данной клетке в данный момент.
Плотно упакованные участки легко отличить от свободно лежащих при специфическом окрашивании гистологическими красителями. Поскольку в разных хромосомах находятся разные гены, то и окрашиваются разные хромосомы по-разному. Кроме того, хромосомы отличаются друг от друга по количеству находящихся в них генов, то есть по количеству ДНК, что находит свое цитологическое выражение в разных размерах хромосом.
Легко заметить, что каждая пара, гомологичных хромосом имеет совершенно специфичный рисунок полос. Именно по этому рисунку ее легко отличить от остальных. Вы видите, что каждая хромосома представлена в двух экземплярах. У кошек каждой отдельной хромосоме вы можете найти ее пару. У котов 18 хромосом имеют гомологов, а еще две хромосомы оказываются разными и по размеру, и по характеру полосатости. Это так называемые половые хромосомы. У самок они одинаковые — гомологичные — и называются Х-хромосомами, а у самцов разные. Одна из них Х-хромосома, а другая, гораздо меньшего размера, — Y-хромосома. О роли половых хромосом в определении пола мы поговорим позже. Сейчас же отметим, что остальные хромосомы, кроме половых, называются аутосомами.
Получение наибольшего количества полос, выявление более мелких полос в пределах более крупных позволяет повысить надежность идентификации не только отдельных хромосом, но и районов внутри хромосом. Последнее очень важно, поскольку дает возможность следить за судьбой этих районов при их перемещении по кариотипу (так называется хромосомный набор] в ходе эволюции. Сама эта работа — получение максимальной полосатости — во многом остается искусством. Поэтому тот, кто получит больше полос, считает себя чемпионом и очень этими полосами гордится.
Довольно любопытно было бы узнать, в какой хромосоме и в каком участке ее находится тот или иной ген. Оставим пока в стороне вопрос, зачем нам это знать. (Я вообще считаю этот вопрос глупым. Что значит, зачем знать? Затем, что это неизвестно!]. Разберемся сначала с тем, как это можно узнать.
По распределению полос вы можете легко опознать конкретные хромосомы в гибридных клетках. Например, в клеточных гибридах хомяка с кошкой. Нет, конечно, кошку с хомяком никто не скрещивал. Речь идет именно о клеточных гибридах. Как их получить? Нужно взять культуры фибробластов (активно делящихся клеток соединительной ткани) обоих видов и смешать их. Существуют методы, облегчающие слияние этих клеток друг с другом. Из этого слияния и получаются гибриды клеток, содержащие хромосомы обоих видов: кошки и хомяка. В процессе клеточных делений при культивировании гибридных клеток в питательной среде происходит постепенная утеря тех или иных хромосом. Чьи (кошачьи или хомячьи) и какие именно (первая, вторая или десятая) хромосомы теряются, мы можем установить по специфическому рисунку полосатости оставшихся хромосом.
Что это дает для решения задачи картирования? Допустим, мы обнаружили, что в гибридном клоне №1232 (клоном мы называем группу клеток, которая возникла в результате деления одной- единственной клетки) утеряна Л1-хромосома кошки. Проведя биохимический анализ клеток этого клона, мы установили, что в них присутствует только хомячий вариант фермента эстеразы D, а кошачий утерян. Тогда логично сделать вывод, что именно в Al- хромосоме локализован ген, кодирующий структуру этого фермента.
В последнее время получил распространение и другой подход к картированию. Были выделены или искусственно синтезированы фрагменты ДНК, соответствующие тем или иным генам. Показано, что гены, выполняющие одинаковые функции у разных видов, имеют идентичную или чрезвычайно сходную последовательность оснований в ДНК. Такие гены называют гомологичными. Как можно проверить гомологию двух фрагментов ДНК? Довольно просто. Нам не нужно расшифровывать последовательность каждого' из них. Если последовательности гомологичны, то они в подходящих условиях будут гибридизоваться друг с другом: образовывать двойную спираль гибридной молекулы ДНК. Более того, оказалось, что эти фрагменты могут гибридизоваться и с гомологичными участками ДНК в фиксированных хромосомах прямо на предметном стекле. Именно на этой особенности базируется метод картирования хромосом гибридизацией с генами, мечеными радиоактивными изотопами.
Хромосомные карты домашней кошки.
Слева — схемы хромосом кошки, справа — списки генов, для которых определено место их локализации на хромосомах.
Пусть у нас есть человеческий ген, например, коллагена. Мы метим его изотопом водорода - тритием, и затем наносим на препарат фиксированных хромосом кошки. Этот фрагмент ДНК будет преимущественно гибридизоваться с теми районами ДНК кошки, где находятся гомологичные последовательности. По засвечиванию фотоэмульсии над местом связывания нашего меченого фрагмента мы можем картировать интересующий нас ген в совершенно определенном районе совершенно определенной хромосомы кошки.
В последние годы метод картирования генов, основанный на гибридизации фрагментов ДНК с ДНК хромосом, получил очень широкое распространение. Только вот радиоактивными изотопами для этого уже практически не пользуются. Их заменили безопасные и гораздо более красивые флуоресцентные метки. Фотографии препаратов хромосом, полученных с использованием флуоресцентных красителей, можно увидеть на сайте Института цитологии и генетики СО РАН http://www.bionet.nsc.ru/microscopy/pages/photos.html
С помощью этих и других методов на сегодняшний день Савгуст 2008) на генетической карте кошке локализовано 1793 гена. Показать их на одном рисунке абсолютно невозможно. Если вас интересует положение того или иного гена, вы можете найти его в базе данныхпо генам кошки по адресу
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/cat/
Хромосомная организация наследственного материала обеспечивает его точную передачу от материнских клеток дочерним. Как вы помните, каждая из нитей ДНК достраивает себе комплементарную копию. В результате из одной «двойной молекулы ДНК образуются две двойных. Каждая из них отдельно одевается в белковые одежды.
При делении клеток тела — соматических клеток — происходит точное распределение дочерних хромосом по дочерним клеткам, так что каждая сестринская клетка получает по одной из сестринских хромосом. Этот процесс, который называется митозом, обеспечивает полную идентичность генетической информации во всех соматических клетках одной особи.
В процессе формирования половых клеток (в мейозе) происходит не одно, а два деления удвоенных хромосом. В ходе подготовки к первому делению гомологичные пары хромосом сближаются и выравниваются по длине. При этом они могут обмениваться гомологичными участками. Этот процесс обмена называется кроссинговером. Чем ближе друг к другу на хромосоме находятся два гена, тем реже между ними происходит кроссинговер. На этом принципе строится метод генетического картирования. Именно этим методом было определено положение на хромосомах кошки генов, определяющих ее окраску.
После завершения кроссинговера наступает первое деление мейоза, в ходе которого, в отличие от митоза, в дочерние клетки расходятся не сестринские, а гомологичные хромосомы. Между первым и вторым делением мейоза удвоения ДНК (и, следовательно, хромосом) не происходит. Во втором делении мейоза в дочерние клетки расходятся уже сестринские хромосомы. Благодаря такой организации мейоза, сформированные половые клетки — гаметы — получают гаплоидный, одинарный, набор хромосом.
Каждая из гомологичных хромосом и, значит, каждый из аллельных генов находится в половой клетке не в двух, а в одном- единственном экземпляре. Диплоидность вновь восстанавливается после оплодотворения. Оплодотворенная яйцеклетка содержит уже диплоидный набор генов и хромосом и будет в ходе митотических делений передавать всем соматическим клеткам совершенно одинаковый набор наследственных инструкций, по которым и будут строиться тело и душа вновь возникающего организма.
