X!! И П Ш U П П

Рис. 1.2. 23 пары хромосом человека.

Короткое плечо (вверх от центромеры) — плечо р, длинное плечо (вниз от центроме­ры) — плечо q. Окрашенные с помощью специальных химических веществ диски на хромосомах используются для опознания хромосом и описания хромосомных коорди­нат генов. Хромосомные координаты задаются посредством упоминания номера хро­мосомы, ее плеча и номера диска. Например, символ 6р25 означает: диск 5 на локусе 2 короткого плеча хромосомы 6. XY— половые хромосомы

одного из родителей, т.е. одна хромосома в организм человека прихо­дит от отца, вторая — от матери. Двадцать две пары хромосом называ­ются аутосомами, их набор одинаков для особей мужского и женско­го полов. Двадцать третья пара — это пара, которая определяет пол и соответственно различается по своей структуре у мужчин и женщин: женщины являются носителями двух Х-хромосом, а мужчины — од­ной Х- и одной Y-хромосомы (рис, 1.2).

Число хромосом в клетках тела человека в два раза больше, чем в его половых клетках — гаметах. Следовательно, в гамете каждый ген представлен только одной копией; иначе говоря, каждая гамета со­держит лишь один аллель данного гена. В процессе формирования га­мет хромосомный набор делится случайным образом надвое, хромо­сомы каждой пары расходятся по разным половым клеткам, и каждая гамета получает, таким образом, случайный набор хромосом, а сле­довательно, случайный набор генов.

При слиянии гамет образуется зигота — оплодотворенная яйце­клетка, в которой оказывается по две хромосомы каждого типа, обра­зующие пары гомологичных хромосом — по одной от мужской и жен­ской гаметы. Оплодотворенное яйцо диплоидно, как и подавляющее большинство клеток организма, которому (путем клеточного деле­ния, или митоза) оно дает начало; диплоидны, в частности, и те клетки, из которых затем образуются гаметы. Каждая из таких гамето-образующих клеток претерпевает особое деление — мейоз. В процессе мейоза гомологичные хромосомы обмениваются участками (кроссин-говер), так что четыре гаметы, происходящие от клетки-прародите­ля, могут содержать разные комбинации генов. Этот обмен — одна из многих «лотерей» наследственности, разыгрываемых природой (под­робнее об этом — в гл. IV). Еще одна «лотерея» разыгрывается, напри­мер, в момент встречи мужской и женской клеток. Если не принимать в расчет кроссинговер, то теоретически может возникнуть 223 , т.е. при­мерно 8 миллионов, различных равновероятных комбинаций хромо­сом. Следовательно, при оплодотворении число равновероятных ком­бинаций может достигать 8^-10х 8^-10= 64' 1012 (64 триллиона комби­наций). Кто из нас может представить себе такое число? Таков еще один «прием» природы, обеспечивающий нашу неповторимость: каж­дый из нас, как и наши родители, дедушки, бабушки и их предки, является продуктом уникальной генетической комбинации.

Митоз (греч. mitos — нить) происходит следующим образом: в процессе деления клетки делятся на две «дочерние клетки», каждая из которых, в свою очередь, еще раз делится на две клетки, и т.д. Биологическое значение мито­за состоит в строго одинаковом распределении редуплицированных (точно скопированных) хромосом между дочерними клетками, что обеспечивает об­разование генетически равноценных клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений.

Большинство клеток нашего организма проходят типичный клеточный цикл, длящийся в среднем примерно 24 часа (примерно 8 часов занимает стадия

начального роста клетки; примерно 6 часов — репликация хромосом, во вре­мя которой активно синтезируется ДНК; примерно 5 часов — вторичный рост клетки, и, наконец, непосредственный процесс образования двух дочерних клеток занимает примерно час). Другие клетки делятся только в ограничен­ный период времени (например, нейробласты, предшественники нервных кле­ток) или только вследствие повреждения (например, клетки печени).

Мейоз (греч. meiosis — уменьшение) представляет собой особый способ деления клеток, приводящий к редукции числа хромосом и к переходу клетки из диплоидного состояния в гаплоидное. В результате мейоза формируются половые клетки — гаметы. Как и в митозе, этот процесс начинается с удво­ения количества хромосом, но каждая клетка при мейозе делится дважды, поэтому исходная диплоидная (т.е. создающая парные хромосомы) клетка производит 4 гаметы, каждая из которых содержит гаплоидное число хромо­сом (по одной хромосоме из каждой пары). Один из членов каждой гомологи­ческой хромосомной пары попадает в одну из производимых гаметных клеток.

Хромосомный набор (число, размер, форма хромосом) человека называется его кариотипом. Обычно описание хромосомного набора проводится на определенных стадиях митоза. В это время их фиксиру­ют, окрашивают, и тогда каждая хромосома становится отчетливо видимой. На рис. 1.3 изображена микрофотография хромосом челове­ка (мужчины): их 46, или 23 пары, включая одну пару половых хромо­сом (Х- и Y-хромосомы).

Несмотря на то что мейоз и митоз - процессы чрезвычайно точ­ные, в ходе деления клетки возможны ошибки. Хромосомные ошибки называются хромосомными аберрациями (или хромосомными перестрой­ками), они ведут к искажению нормального кариотипа человека. По­добные ошибки возникают спонтанно, но чаще под влиянием опре-

деленных средовых факторов (так называемых мутагенов). Различают два вида хромосом­ных перестроек: а) перестрой­ки, затрагивающие одну хро­мосому, это — делеции, дефи-шенсы (концевые нехватки хромосом), дупликации, ин­версии, и б) перестройки, зат­рагивающие две хромосомы — транслокации, в основе кото­рых лежит обмен участками между негомологичными хро­мосомами.

В некоторых случаях в ходе мейоза хромосомы не расхо­дятся, и одна из гамет полу­чает две копии одной хромосомы, а другая — ни одной.

При слиянии гаметы, содержа­щей «лишнюю» хромосому, с нормальной гаметой развивает­ся организм, содержащий три копии одной хромосомы. Этот феномен известен под названи­ем трисомия (подробнее о нем см. гл. II, IV). Рис. 1.4 воспроиз­водит микрофотографию кари­отипа человека с трисомией хромосомы 15. При слиянии же нормальной гаметы с гаметой, потерявшей в мейозе одну из хромосом, развивается орга­низм, содержащий только одну копию данной хромосомы. Это явление называется моносомией.

Хромосомы имеют очень сложное строение, но уже в

1924 г., не зная об этих сложностях, биолог Р. Фёльген показал, что в них содержится ДНК. Однако ученым понадобилось еще несколько десятилетий, чтобы соотнести ДНК с так называемыми «единицами наследственности» и прийти к выводу, что ДНК организована и гены (о структуре ДНК — в гл. IV), которые, в свою очередь, располагают­ся в линейном порядке на хромосомах. Распределение генов по хро­мосомам неравномерно: на некоторых хромосомных участках концен­трация генов высока, на других - относительно низка.

Каждый ген имеет свои хромосомные координаты. Для удобства обозначения этих координат хромосомы поделены на специальные единицы, называемые локусами. Локусы неодинаковы по своей дли­не, но, тем не менее, они используются как специальные «дорожные столбы», обозначающие дистанции, пройденные по хромосоме. Если принять длину всех хромосом генома человека за 100%, то гены, кон­тролирующие синтез белков (так называемые структурные гены), со­ставят примерно 5% всего хромосомного материала. Среди остальных 95% относительно небольшая часть его организована в гены-регуля­торы, т.е. гены, управляющие активностью других генов. Насколько сегодня известно, большая часть хромосом состоит из последователь­ностей нуклеотидов, вообще ничего не кодирующих.