Hromozomska teorija nasljeđa. Ključne točke

Tema 32. Hromozomska teorija nasljeđa. Morganov zakon

Uvod
1. T. G. Morgan - najveći genetičar XX veka.
2. Privlačenje i odbijanje
3. Hromozomska teorija nasljeđa
4. Međusobni raspored gena
5. Mape grupa veza, lokalizacija gena u hromozomima
6. Citološke karte hromozoma
7. Zaključak
Bibliografija

1. UVOD

Mendelov treći zakon - pravilo nezavisnog nasljeđivanja osobina - ima značajna ograničenja.
U eksperimentima samog Mendela i u prvim eksperimentima provedenim nakon ponovnog otkrivanja Mendelovih zakona, u studiju su uključeni geni koji se nalaze na različitim kromosomima, te kao rezultat nisu pronađena nikakva odstupanja s Mendelovim trećim zakonom. Nešto kasnije pronađene su činjenice koje su u suprotnosti sa ovim zakonom. Njihovo postepeno akumuliranje i proučavanje dovelo je do uspostavljanja četvrtog zakona naslijeđa, nazvanog Morganov zakon (u čast američkog genetičara Thomasa Genta Morgana, koji ga je prvi formulirao i potkrijepio), odnosno pravila veza.
Godine 1911., u članku „Slobodno cijepanje nasuprot privlačnosti u Mendelovom naslijeđu“, Morgan je napisao: „Umjesto slobodnog cijepanja u mendelskom smislu, pronašli smo „asocijaciju faktora“ lociranih blizu jedan drugom u hromozomima. Citologija je pružila mehanizam koji zahtijevaju eksperimentalni podaci.
Ove riječi ukratko formuliraju glavne odredbe hromozomske teorije nasljeđa koju je razvio T. G. Morgan.

1. T. G. MORGAN - NAJVEĆI GENETIČAR 20. VEKA

Thomas Gent Morgan rođen je 25. septembra 1866. godine u Kentakiju (SAD). Godine 1886. diplomirao je na univerzitetu te države. Godine 1890. g. T. Morgan je doktorirao, a sljedeće godine postao je profesor na Ženskom koledžu u Pensilvaniji. Glavni period njegovog života vezan je za Univerzitet Kolumbija, gdje je od 1904. godine 25 godina obavljao dužnost šefa odjela za eksperimentalnu zoologiju. Godine 1928. pozvan je da vodi biološku laboratoriju posebno izgrađenu za njega na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, u gradu blizu Los Angelesa, gdje je radio do svoje smrti.
Prve studije T. Morgana posvećene su pitanjima eksperimentalne embriologije.
Godine 1902. mladi američki citolog Walter Setton (1877-1916), koji je radio u laboratoriji E. Wilsona (1856-1939), sugerirao je da su neobične pojave koje karakteriziraju ponašanje hromozoma tokom oplodnje, po svoj prilici, mehanizam Mendelovih obrazaca. T. Morgan je bio dobro upoznat sa samim E. Wilsonom i sa radom njegove laboratorije, pa je stoga, kada je 1908. godine ustanovio prisustvo dvije varijante sperme kod muškaraca filoksere, od kojih je jedna imala dodatni hromozom, odmah se pojavila pretpostavka o povezanosti polnih osobina sa uvođenjem odgovarajućih hromozoma. Tako se T. Morgan okrenuo problemima genetike. Imao je pretpostavku da nije samo spol povezan s hromozomima, već su, možda, u njima lokalizirane i druge nasljedne sklonosti.
Skroman budžet univerzitetske laboratorije primorao je T. Morgana da potraži prikladniji predmet za eksperimente na proučavanju nasljeđa. Od miševa i pacova prelazi na voćnu mušicu Drosophila, čiji se izbor pokazao izuzetno uspješnim. Ovaj objekat je bio u fokusu rada škole T. Morgan, a potom i većine drugih genetskih naučnih institucija. Najveća otkrića u genetici 20-30-ih godina. 20ti vijek povezan sa Drosophila.
Godine 1910. objavljen je prvi genetski rad T. Morgana "Seks-ograničeno nasljeđe kod drozofile", posvećen opisu mutacije bijelih očiju. Naknadni, zaista gigantski rad T. Morgana i njegovih kolega omogućio je povezivanje podataka citologije i genetike u jedinstvenu cjelinu i kulminirao stvaranjem hromozomske teorije nasljeđa. Kapitalna djela T. Morgana "Strukturne osnove nasljeđa", "Teorija gena", "Eksperimentalne osnove evolucije" i drugih obilježavaju progresivni razvoj genetičke nauke.
Među biolozima dvadesetog veka. T. Morgan se ističe kao briljantan eksperimentalni genetičar i kao istraživač širokog spektra problema.
Godine 1931. T. Morgan je izabran za počasnog člana Akademije nauka SSSR-a, 1933. godine dobio je Nobelovu nagradu.

2. PRIVLAČENJE I ODBIJANJE

Prvi put odstupanje od pravila nezavisnog nasljeđivanja karaktera uočili su Batson i Pennett 1906. godine proučavajući prirodu nasljeđivanja boje cvijeta i oblika polena kod slatkog graška. Kod slatkog graška ljubičasta boja cvijeta (kontrolisana genom B) dominira nad crvenom (ovisno o genu B), a duguljasti oblik zrelog polena („dugi polen“), povezan s prisustvom 3 pore, koji je kontroliran L gen, dominira "okruglim" polenom sa 2 pore, čije formiranje kontroliše gen l.
Kada se ljubičasti slatki grašak sa dugim polenom ukrsti sa crvenim slatkim graškom sa okruglim polenom, sve biljke prve generacije imaju ljubičaste cvjetove i dugi polen.
U drugoj generaciji, među 6952 proučavane biljke, pronađena je 4831 biljka s ljubičastim cvjetovima i dugim polenom, 390 s ljubičastim cvjetovima i okruglim polenom, 393 s crvenim cvjetovima i dugim polenom, te 1338 sa crvenim cvjetovima i okruglim polenom.
Ovaj odnos se dobro slaže sa očekivanom segregacijom ako se tokom formiranja prve generacije gameta geni B i L javljaju 7 puta češće u kombinacijama u kojima su bili u roditeljskim oblicima (BL i bl) nego u novim kombinacije (Bl i bL) (tabela 1).
Čini se da su geni B i L, kao i b i l, privučeni jedan drugome i da se teško mogu odvojiti jedan od drugog. Ovo ponašanje gena nazvano je privlačnošću gena. Pretpostavka da se gamete sa genima B i L u takvim kombinacijama kakve su predstavljene u roditeljskim oblicima nalaze 7 puta češće od gameta sa novom kombinacijom (u ovom slučaju Bl i bL) direktno je potvrđena u rezultatima zvanim analizirajući ukrštanja.
Ukrštanjem hibrida prve generacije (F1) (genotip BbLl) sa recesivnim roditeljem (bbll) dobijeno je split: 50 biljaka sa ljubičastim cvetovima i dugim polenom, 7 biljaka sa ljubičastim cvetovima i okruglim polenom, 8 biljaka sa crvenim cvetovima i dugog polena i 47 biljaka sa crvenim cvjetovima i zaobljenim polenom, što vrlo dobro odgovara očekivanom omjeru: 7 gameta sa starim kombinacijama gena prema 1 gameta sa novim kombinacijama.
U onim ukrštanjima gdje je jedan od roditelja imao genotip BBll, a drugi bbLL genotip, cijepanje u drugoj generaciji imalo je potpuno drugačiji karakter. U jednom takvom F2 ukrštanju pronađeno je 226 biljaka s ljubičastim cvjetovima i dugim polenom, 95 sa ljubičastim cvjetovima i okruglim polenom, 97 sa crvenim cvjetovima i dugim polenom i jedna biljka sa crvenim cvjetovima i okruglim polenom. U ovom slučaju, izgleda da se geni B i L odbijaju. Ovo ponašanje naslednih faktora nazvano je odbijanje gena.
Budući da je privlačenje i odbijanje gena bilo vrlo rijetko, smatralo se nekom vrstom anomalije i nekom vrstom genetske radoznalosti.
Nešto kasnije pronađeno je još nekoliko slučajeva privlačnosti i odbijanja kod slatkog graška (oblik cvijeta i boja pazuha lista, boja cvijeta i oblik cvijetnog jedra i još neki parovi karaktera), ali to nije promijenilo opću ocjenu fenomena privlačnosti. i odbojnost kao anomalija.
Međutim, ocjena ovog fenomena se dramatično promijenila nakon 1910-1911. T. Morgan i njegovi učenici otkrili su brojne slučajeve privlačenja i odbijanja u voćnoj mušici Drosophila, veoma povoljnom objektu za genetska istraživanja: njen uzgoj je jeftin i može se provoditi u laboratorijskim uvjetima u vrlo velikim razmjerima, životni vijek je kratak. i nekoliko desetina se može dobiti u jednoj godini.generacije, kontrolisano ukrštanje je lako sprovesti, postoje samo 4 para hromozoma, uključujući i par dobro prepoznatljivog pola.
Zahvaljujući tome, Morgan i njegovi saradnici ubrzo su otkrili veliki broj mutacija u nasljednim faktorima koji određuju dobro izražene i lako proučavane osobine, te su uspjeli provesti brojna ukrštanja kako bi proučili prirodu nasljeđivanja ovih osobina. Istovremeno se pokazalo da se mnogi geni u mušici Drosophila ne nasljeđuju nezavisno jedan od drugog, već se međusobno privlače ili odbijaju, te je bilo moguće podijeliti gene koji pokazuju takvu interakciju u nekoliko grupa, unutar kojih su svi geni pokazali manje ili više izraženo međusobno privlačenje.ili odbojnost.
Na osnovu analize rezultata ovih studija, T. G. Morgan je sugerirao da se privlačnost odvija između nealelomorfnih gena smještenih na istom kromosomu i da traje sve dok se ovi geni ne odvoje jedan od drugog kao rezultat lomljenja hromozoma tokom redukcijske diobe i odbijanja. nastaje kada se proučavani geni nalaze na različitim hromozomima istog para homolognih hromozoma
Iz toga slijedi da su privlačenje i odbijanje gena različiti aspekti jednog procesa, čija je materijalna osnova različit raspored gena u hromozomima. Stoga je Morgan predložio da se napuste dva odvojena koncepta "privlačnosti" i "odbijanja" gena i da se zamijene jednim općim konceptom "povezivanja gena", vjerujući da to ovisi o njihovoj lokaciji unutar istog kromosoma u linearnom redu.

3. HROMOSOMSKA TEORIJA NASLJEDNOSTI

Daljnjim proučavanjem povezivanja gena, ubrzo je ustanovljeno da broj vezanih grupa kod Drosophile (4 grupe) odgovara haploidnom broju hromozoma u ovoj mušici, a svi dovoljno detaljno proučavani geni su raspoređeni u ove 4 grupe veza. U početku je međusobni raspored gena unutar hromozoma ostao nepoznat, ali je kasnije razvijena tehnika za određivanje redosleda gena u istoj grupi vezivanja, na osnovu kvantitativnog određivanja snage veze između njih.
Kvantitativno određivanje snage veze gena zasniva se na sljedećim teorijskim pretpostavkama. Ako se dva gena A i B u diploidnom organizmu nalaze na istom hromozomu, a recesivni alelomorfi ovih gena a i b nalaze se na drugom njemu homolognom hromozomu, tada se geni A i B mogu odvojiti jedan od drugog i ući u nove kombinacije sa njihovim recesivnim alelomorfima samo u slučaju da je hromozom u kojem se nalaze prekinuti u području između ovih gena, a na mestu loma će doći do veze između delova ovog hromozoma i njegovog homologa.
Takvi prekidi i nove kombinacije hromozomskih segmenata se zapravo dešavaju tokom konjugacije homolognih hromozoma tokom redukcione deobe. Ali u ovom slučaju, razmjena mjesta obično se ne događa između sve 4 hromatide koje čine hromozome bivalenta, već samo između dvije od ove 4 hromatide. Dakle, hromozomi nastali kao rezultat prve podjele mejoze, pri takvim razmjenama, sastoje se od dvije nejednake hromatide - nepromijenjene i rekonstruirane kao rezultat razmjene. U II diviziji mejoze, ove nejednake hromatide divergiraju na suprotne polove i zbog toga haploidne ćelije koje nastaju redukcionom deobom (spore ili gamete) dobijaju hromozome koji se sastoje od identičnih hromatida, ali samo polovina haploidnih ćelija dobija rekonstruisane hromozome, a drugo poluvrijeme ostaje nepromijenjeno.
Ova razmjena dijelova hromozoma naziva se crossing. Ceteris paribus, prelaz između dva gena koji se nalaze na istom hromozomu dešava se rjeđe, što su bliže jedan drugom. Učestalost križanja između gena proporcionalna je udaljenosti između njih.
Određivanje učestalosti ukrštanja obično se vrši pomoću tzv. analitičkih ukrštanja (ukrštanje F1 hibrida sa recesivnim roditeljem), iako se u tu svrhu može koristiti i F2 dobijen samooprašivanjem hibrida F1 ili međusobno ukrštanje F1 hibrida.
Ovakvu definiciju učestalosti križanja može se razmotriti na primjeru snage veze između C i S gena u kukuruzu. Gen C određuje formiranje obojenog endosperma (obojenog sjemena), a njegov recesivni alel c uzrokuje neobojeni endosperm. S gen uzrokuje stvaranje glatkog endosperma, a njegov recesivni alel s određuje formiranje naboranog endosperma. C i S geni nalaze se na istom hromozomu i prilično su čvrsto povezani jedni s drugima. U jednom od eksperimenata sprovedenih da se kvantifikuje snaga veze ovih gena, dobijeni su sledeći rezultati.
Biljka sa obojenim glatkim sjemenkama, homozigotna za gene C i S i koja ima CCSS genotip (dominantni roditelj), ukrštena je sa biljkom neobojenog naboranog sjemena sa ccss genotipom (recesivni roditelj). Hibridi prve generacije F1 su ponovo ukrštani sa recesivnim roditeljem (analizno ukrštanje). Tako je dobijeno 8368 semena F2, kod kojih je konstatovano cijepanje u boji i naboranosti: 4032 obojene glatke sjemenke; 149 obojeno naborano; 152 nefarbana glatka; 4035 nefarbana naborana.
Ako su tokom formiranja makro- i mikrospora kod F1 hibrida geni C i S bili raspoređeni nezavisno jedan od drugog, onda bi u analizirajućem ukrštanju sve ove četiri grupe semena trebalo da budu zastupljene u istoj količini. Ali to nije slučaj, budući da se C i S geni nalaze na istom kromosomu, povezani su jedni s drugima i kao rezultat toga spore s rekombiniranim kromosomima koji sadrže Cs i cS gene nastaju samo ako dođe do križanja. između C i S gena, što se dešava relativno rijetko.
Procenat prelaska između C i S gena može se izračunati pomoću formule:

X \u003d a + b / n x 100%,

Gdje je a broj ukrštenih zrna iste klase (zrna sa genotipom Cscs, koja potiču iz kombinacije Cs gameta hibrida F1 sa cs gametama recesivnog roditelja); c - broj ukrštanja zrna druge klase (cScs); n je ukupan broj zrna dobijenih kao rezultat analize ukrštanja.
Dijagram koji pokazuje nasljeđivanje hromozoma koji sadrže povezane gene u kukuruzu (prema Hutchinsonu). Nasljedno ponašanje gena za obojeni (C) i bezbojni (c) aleuron, puni (S) i naborani (s) endosperm, kao i hromozoma koji nose ove gene pri ukrštanju dva čista tipa između sebe i pri povratnom ukrštanju F1 sa dvostrukim indikovana je recesivna.
Zamjenom broja zrna različitih klasa dobivenih u ovom eksperimentu u formulu, dobivamo:

X \u003d a + b / n x 100% \u003d 149 + 152 / 8368 x 100% = 3,6%

Udaljenost između gena u grupama veza obično se izražava kao postotak ukrštanja, ili u morganidima (morganid je jedinica koja izražava snagu veze, nazvana na prijedlog A. S. Serebrovsky u čast T. G. Morgana, jednaka 1% od prelaz preko). U ovom slučaju možemo reći da se C gen nalazi na udaljenosti od 3,6 morganida od S gena.
Sada možete koristiti ovu formulu za određivanje udaljenosti između B i L u slatkom grašku. Zamjenom brojeva dobijenih tokom analize ukrštanja i datih gore u formulu, dobijamo:

X \u003d a + b / n x 100% \u003d 7 + 8 / 112 x 100% = 11,6%

U slatkom grašku, B i L geni se nalaze na istom hromozomu na udaljenosti od 11,6 morganida jedan od drugog.
Na isti način, T. G. Morgan i njegovi studenti odredili su postotak križanja između mnogih gena koji pripadaju istoj grupi povezivanja za sve četiri grupe veza Drosophila. U isto vrijeme, pokazalo se da je postotak križanja (ili udaljenosti u morganidima) između različitih gena koji su dio iste grupe veza naglo različit. Pored gena među kojima se ukrštanje dešavalo vrlo rijetko (oko 0,1%), postojali su i geni među kojima nije pronađena nikakva veza, što je ukazivalo na to da su neki geni locirani vrlo blizu jedan drugom, dok su drugi vrlo blizu jedan drugom. Daleko.

4. ODNOS GENA

Da bi se saznala lokacija gena, pretpostavljeno je da se oni nalaze u hromozomima u linearnom redu i da je prava udaljenost između dva gena proporcionalna učestalosti prelaska između njih. Ove pretpostavke su otvorile mogućnost određivanja međusobnog rasporeda gena unutar grupa veza.
Pretpostavimo da su udaljenosti (% prelaska) između tri gena A, B i C poznate i da su 5% između gena A i B, 3% između B i C i 8% između gena A i C.
Pretpostavimo da se gen B nalazi desno od gena A. U kom pravcu od gena B treba da se nalazi gen C?
Ako pretpostavimo da se gen C nalazi lijevo od gena B, tada bi u ovom slučaju udaljenost između gena A i C trebala biti jednaka razlici u udaljenosti između gena A - B i B - C, odnosno 5% - 3 % = 2%. Ali u stvarnosti, udaljenost između gena A i C je prilično različita i iznosi 8%. Stoga je pretpostavka pogrešna.
Ako sada pretpostavimo da se gen C nalazi desno od gena B, tada bi u ovom slučaju udaljenost između gena A i C trebala biti jednaka zbroju udaljenosti između gena A - B i gena B - C, tj. 5% + 3% = 8 %, što u potpunosti odgovara empirijski utvrđenoj udaljenosti. Stoga je ova pretpostavka tačna, a lokacija gena A, B i C u hromozomu može se shematski prikazati na sljedeći način: A - 5%, B - 3%, C - 8%.
Nakon utvrđivanja relativnog položaja 3 gena, lokacija četvrtog gena u odnosu na ova tri može se odrediti znajući njegovu udaljenost od samo 2 od ova gena. Može se pretpostaviti da je udaljenost gena D od dva gena - B i C od 3 gena A, B i C o kojima se govorilo poznata poznata i da iznosi 2% između gena C i D i 5% između gena B i D. Pokušaj da se gen D smjesti lijevo od gena C je neuspješan zbog jasnog neslaganja između razlike u udaljenosti između gena B - C i C - D (3% - 2% = 1%) do date udaljenosti između gena C i D (5%). I, naprotiv, postavljanje D gena desno od C gena daje punu korespondenciju između zbira udaljenosti između B - C gena i C - D gena (3% + 2% = 5%) na datu udaljenost između B i D gena (5%). Čim smo utvrdili lokaciju gena D u odnosu na gene B i C, bez dodatnih eksperimenata, možemo izračunati i razdaljinu između gena A i D, jer ona treba da bude jednaka zbroju udaljenosti između gena A - B i B - D (5% + 5% = 10%).
U proučavanju povezanosti gena koji pripadaju istoj veznoj grupi, eksperimentalna provjera udaljenosti između njih, prethodno izračunatih na ovaj način, kao što je gore urađeno za gene A i D, više puta je vršena iu svim slučajevima vrlo dobra dogovor je postignut.
Ako je poznata lokacija 4 gena, recimo A, B, C, D, onda se peti gen može "prikačiti" za njih ako su poznate udaljenosti između E gena i bilo koja dva od ova 4 gena, te udaljenosti između E gen i druga dva gena četvorostruki se mogu izračunati kao što je to urađeno za gene A i D u prethodnom primeru.

5. MAPA GRUPA VEZA, LOKALIZACIJA GENA U HROMOZOMIMA

Postepenim povezivanjem sve više i više novih gena za originalni triplet ili četvorku povezanih gena, za koje je prethodno utvrđen njihov međusobni raspored, sastavljane su mape grupa veza.
Prilikom sastavljanja mapa grupa veza, važno je uzeti u obzir brojne karakteristike. Bivalent može doživjeti ne jedan, već dva, tri, ili čak više chiasmata i ukrštanja povezanih s chiasmama. Ako su geni locirani vrlo blizu jedan drugome, onda je vjerovatnoća da će se na hromozomu između takvih gena pojaviti dvije kijazme i da će doći do dvije razmjene niti (dva ukrštanja) je zanemarljiva. Ako su geni relativno udaljeni jedan od drugog, vjerovatnoća dvostrukog križanja u području hromozoma između ovih gena u istom paru hromatida značajno raste. U međuvremenu, drugo ukrštanje u istom paru hromatida između proučavanih gena, zapravo, poništava prvi crossover i eliminiše razmjenu ovih gena između homolognih hromozoma. Stoga se smanjuje broj ukrštenih gameta i čini se da su ovi geni locirani bliže jedan drugom nego što stvarno jesu.
Šema dvostrukog ukrštanja u jednom paru hromatida između gena A i B i gena B i C. I - trenutak ukrštanja; II - rekombinovane hromatide AsB i aCb.
Štaviše, što su proučavani geni dalje locirani jedan od drugog, to se češće javlja dvostruki crossingover između njih i to je veće izobličenje prave udaljenosti između ovih gena uzrokovano dvostrukim križanjem.
Ako udaljenost između proučavanih gena prelazi 50 morganida, tada je općenito nemoguće otkriti vezu između njih direktnim određivanjem broja ukrštenih gameta. Kod njih, kao i kod gena u homolognim hromozomima koji nisu međusobno povezani, prilikom analiziranja ukrštanja samo 50% gameta sadrži kombinaciju gena koja se razlikuje od onih koji su bili u hibridima prve generacije.
Stoga, kada se mapiraju grupe veza, udaljenosti između široko raspoređenih gena se ne određuju direktnim određivanjem broja crossover gameta u test ukrštanjima koja uključuju ove gene, već zbrajanjem udaljenosti između mnogih blisko raspoređenih gena koji se nalaze između njih.
Ova metoda mapiranja grupa veza omogućava preciznije određivanje udaljenosti između relativno udaljenih (ne više od 50 morganida) lociranih gena i otkrivanje veze između njih ako je udaljenost veća od 50 morganida. U ovom slučaju, veza između udaljenih gena uspostavljena je zbog činjenice da su oni povezani sa srednje lociranim genima, koji su, pak, međusobno povezani.
Dakle, za gene koji se nalaze na suprotnim krajevima hromozoma Drosophila II i III - na udaljenosti većoj od 100 morganida jedan od drugog, bilo je moguće utvrditi činjenicu njihove lokacije u istoj grupi veza zbog identifikacije njihove veze sa međugeni i povezanost ovih međugena između vas.
Udaljenosti između udaljenih gena određuju se zbrajanjem udaljenosti između mnogih međugena, i samo zbog toga su relativno točne.
U organizmima čiji je spol kontroliran spolnim hromozomima, crossover se događa samo u homogametnom spolu i izostaje u heterogametnom. Dakle, kod Drosophile se crossover događa samo kod ženki, a izostaje (tačnije, javlja se hiljadu puta rjeđe) kod mužjaka. S tim u vezi, geni mužjaka ove muhe, koji se nalaze na istom kromosomu, pokazuju potpunu povezanost bez obzira na njihovu udaljenost jedan od drugog, što olakšava identifikaciju njihove lokacije u istoj grupi povezivanja, ali onemogućuje određivanje. udaljenost između njih.
Drosophila ima 4 grupe veza. Jedna od ovih grupa duga je oko 70 morganida, a geni uključeni u ovu grupu veza jasno su povezani sa nasljeđivanjem spola. Stoga se može smatrati sigurnim da se geni uključeni u ovu grupu povezivanja nalaze na polnom X hromozomu (u 1 paru hromozoma).
Druga grupa vezivanja je vrlo mala, a njena dužina je samo 3 morganida. Nema sumnje da su geni uključeni u ovu grupu veza locirani na mikrohromozomima (IX par hromozoma). Ali druge dvije vezne grupe imaju približno istu vrijednost (107,5 morganida i 106,2 morganida) i prilično je teško odlučiti kojem od parova autosoma (II i III par hromozoma) odgovara svaka od ovih grupa veza.
Da bi se riješio problem lokacije veznih grupa u velikim hromozomima, bilo je potrebno koristiti citogenetsku studiju brojnih rearanžmana hromozoma. Na taj način je bilo moguće utvrditi da drugom paru hromozoma odgovara nešto veća grupa vezivanja (107,5 morganida), a nešto manja grupa (106,2 morganida) se nalazi u trećem paru hromozoma.
Zahvaljujući tome, ustanovljeno je koji hromozomi odgovaraju svakoj od grupa veza u Drosophila. Ali čak i nakon toga, ostalo je nepoznato kako se grupe gena nalaze u njihovim hromozomima. Da li se, na primjer, desni kraj prve grupe vezivanja kod Drosophile nalazi blizu kinetičke konstrikcije X hromozoma ili na suprotnom kraju ovog hromozoma? Isto važi i za sve ostale grupe veza.
Ostalo je otvoreno i pitanje u kojoj mjeri udaljenosti između gena, izražene u morganidima (u % križanja), odgovaraju stvarnim fizičkim udaljenostima između njih u hromozomima.
Da bi se sve ovo saznalo, bilo je potrebno, barem za neke gene, utvrditi ne samo relativni položaj u grupama veza, već i njihov fizički položaj u odgovarajućim hromozomima.
Pokazalo se da je to moguće izvesti tek nakon što je, kao rezultat zajedničkog istraživanja genetičara G. Mellera i citologa G. Payntera, ustanovljeno da je pod utjecajem rendgenskih zraka kod drozofile (kao i kod svih živih organizmi) dolazi do prijenosa (translokacije) dijelova jednog hromozoma u drugi. Kada se određena regija jednog hromozoma prenese na drugu, svi geni koji se nalaze u ovoj regiji gube vezu sa genima koji se nalaze u ostatku hromozoma donora i stiču vezu sa genima u hromozomu primaoca. (Kasnije je ustanovljeno da se ovakvim rearanžiranjem hromozoma ne prenosi samo dio s jednog hromozoma na drugi, već i međusobni prijenos dijela prvog hromozoma u drugi, a iz njega se prenosi dio drugog hromozoma prebačen na mjesto izdvojenog odjeljka u prvom).
U onim slučajevima kada se lom hromozoma tokom odvajanja regije prenesene na drugi kromosom dogodi između dva gena koja se nalaze blizu jedan drugome, lokacija ovog prekida može se prilično precizno odrediti kako na karti grupe veza i na hromozomu. Na mapi veze, mjesto prekida je u području između ekstremnih gena, od kojih jedan ostaje u staroj grupi povezivanja, a drugi je uključen u novu. Na hromozomu, mjesto loma određuje se citološkim opažanjima smanjenjem veličine hromozoma donora i povećanjem veličine hromozoma primaoca.
Translokacija sekcija sa hromozoma 2 na hromozom 4 (prema Morganu). Gornji dio slike prikazuje grupe veza, srednji dio prikazuje hromozome koji odgovaraju ovim vezanim grupama, a donji prikazuje metafazne ploče somatske mitoze. Brojevi označavaju brojeve vezanih grupa i hromozoma. A i B - "donji" dio hromozoma se preselio u hromozom 4; B - "gornji" dio hromozoma 2 se preselio u hromozom 4. Genetske mape i hromozomske ploče su heterozigotne za translokacije.
Kao rezultat proučavanja velikog broja različitih translokacija, koje su proveli mnogi genetičari, sastavljene su takozvane citološke karte hromozoma. Lokacije svih proučavanih prekida su označene na hromozomima i zahvaljujući tome se za svaki prekid utvrđuje lokacija dva susedna gena desno i levo od njega.
Citološke mape hromozoma su prije svega omogućile da se utvrdi koji krajevi kromosoma odgovaraju "desnom" i "lijevom" kraju odgovarajućih grupa veza.
Poređenje "citoloških" mapa hromozoma sa "genetskim" (veznim grupama) daje suštinski materijal za razjašnjavanje odnosa između udaljenosti između susednih gena, izraženih u morganidima, i fizičkih udaljenosti između istih gena u hromozomima kada se ti hromozomi proučavaju pod mikroskop.
Poređenje "genetskih mapa" hromozoma I, II i III Drosophila melanogaster sa "citološkim mapama" ovih hromozoma u metafazi na osnovu podataka o translokaciji (prema Levitskom). Sp - mjesto pričvršćivanja navoja vretena. Ostalo su različiti geni.
Nešto kasnije izvršeno je trostruko poređenje lokacije gena na "genetskim kartama" povezivanja, "citološkim kartama" običnih somatskih hromozoma i "citološkim kartama" divovskih pljuvačnih žlijezda.
Pored Drosophila, prilično detaljne "genetičke mape" vezanih grupa sastavljene su za neke druge vrste roda Drosophila. Pokazalo se da je kod svih dovoljno detaljno proučavanih vrsta broj vezanih grupa jednak haploidnom broju hromozoma. Tako su kod drozofile, koja ima tri para hromozoma, pronađene 3 grupe vezivanja, kod drozofile sa pet pari hromozoma - 5, a kod drozofile sa šest parova hromozoma - 6 vezanih grupa.
Kod kičmenjaka bolje je od ostalih proučen kućni miš, u kojem je već utvrđeno 18 vezanih grupa, dok pari hromozoma ima 20. Kod osobe sa 23 para hromozoma poznato je 10 vezanih grupa. Pile sa 39 pari hromozoma ima samo 8 grupa veza. Nesumnjivo, daljim genetskim proučavanjem ovih objekata, broj identifikovanih grupa veza u njima će se povećati i verovatno će odgovarati broju parova hromozoma.
Među višim biljkama, kukuruz je genetski najbolje proučavan. Ona ima 10 pari hromozoma i pronađeno je 10 prilično velikih grupa veza. Uz pomoć eksperimentalno dobijenih translokacija i nekih drugih hromozomskih preuređivanja, sve ove grupe veza su ograničene na strogo određene hromozome.
U nekim višim biljkama, dovoljno detaljno proučavanim, takođe je ustanovljena potpuna korespondencija između broja vezanih grupa i broja parova hromozoma. Dakle, ječam ima 7 pari hromozoma i 7 veza, paradajz ima 12 parova hromozoma i 12 vezanih grupa, zmajevi imaju haploidni broj hromozoma 8 i ustanovljene su 8 grupe vezivanja.
Među nižim biljkama, torbarska gljiva je genetski najtemeljnije proučena. Ima haploidni broj hromozoma jednak 7 i ustanovljeno je 7 grupa veza.
Danas je općenito prihvaćeno da je broj vezanih grupa u svim organizmima jednak njihovom haploidnom broju hromozoma, a ako je kod mnogih životinja i biljaka broj poznatih grupa veza manji od njihovog haploidnog broja hromozoma, onda to zavisi samo od činjenica da su još genetski proučavane, nedovoljno i kao rezultat toga, u njima je identifikovan samo dio postojećih grupa veza.

ZAKLJUČAK

Kao rezultat toga, možemo citirati odlomke iz djela T. Morgana:
»... Kako dolazi do povezivanja, ispada da je podjela nasljedne supstance u određenoj mjeri ograničena. Na primjer, oko 400 novih vrsta mutanata poznato je u voćnoj mušici Drosophila, čije karakteristike čine samo četiri grupe veza...
... Članovi grupe veza ponekad možda nisu tako u potpunosti povezani jedni s drugima ... neke od recesivnih osobina jedne serije mogu biti zamijenjene likovima divljeg tipa iz druge serije. Međutim, čak i u ovom slučaju, oni se i dalje smatraju povezanim, jer ostaju povezani zajedno češće nego što se uočava takva razmjena između serija. Ova razmjena se naziva crossover (CROSS-ING-OVER) - ukrštanje. Ovaj pojam znači da između dvije odgovarajuće serije karika može doći do ispravne razmjene njihovih dijelova, u kojoj učestvuje veliki broj gena...
Teorija gena utvrđuje da su karakteristike ili svojstva pojedinca funkcija uparenih elemenata (gena) ugrađenih u nasljednu supstancu u obliku određenog broja vezanih grupa; dalje utvrđuje da se članovi svakog para gena, kada zametne ćelije sazriju, razdvajaju prema Mendelovom prvom zakonu, i da stoga svaka zrela zametna ćelija sadrži samo jedan njihov asortiman; također utvrđuje da se članovi koji pripadaju različitim vezanim grupama raspoređuju nezavisno u nasljeđivanju, u skladu s drugim Mendelovim zakonom; na isti način, utvrđuje da ponekad postoji redovna razmena-ukrštanje - između elemenata dve grupe veza koje odgovaraju jedna drugoj; konačno, utvrđuje da frekvencija ukrštanja daje podatke koji dokazuju linearni raspored elemenata u odnosu jedan na drugi..."

BIBLIOGRAFIJA

1. Opća genetika. Moskva: Viša škola, 1985.
2. Zbornik o genetici. Izdavačka kuća Kazanskog univerziteta, 1988.
3. Petrov D. F. Genetika sa osnovama selekcije, Moskva: Viša škola, 1971.
4. Biologija. M.: Mir, 1974.

Poglavlje 13 Porijeklo hromozomske teorije nasljeđa. (V.N. Soifer)

Genetika - nauka o nasledstvu i njegovoj varijabilnosti - razvijena je početkom 20. veka, nakon što su istraživači skrenuli pažnju na zakone G. Mendela, otkrivene 1865. godine, ali ignorisani 35 godina. Za kratko vrijeme genetika je izrasla u razgranatu biološku nauku sa širokim spektrom eksperimentalnih metoda i pravaca. Njegov brzi razvoj bio je uzrokovan kako zahtjevima poljoprivrede, kojoj je bio potreban detaljan razvoj problema nasljednosti kod biljaka i životinja, tako i uspjehom bioloških disciplina, kao što su morfologija, embriologija, citologija, fiziologija i biokemija, koje su popločale način za dublje proučavanje zakonitosti nasljeđa i materijalnih nosilaca.nasljedni faktori. Naziv genetika za novu nauku je predložio engleski naučnik W. Batson 1906. godine.

Eksperimenti hibridizacije biljaka. Akumulacija informacija o naslijeđenim osobinama

Pokušaji da se shvati priroda prijenosa osobina nasljeđivanjem sa roditelja na djecu činjeni su još u antici. Razmišljanja o ovoj temi nalaze se u delima Hipokrata, Aristotela i drugih mislilaca. U 17. - 18. veku, kada su biolozi počeli da shvataju proces oplodnje i da traže da li je misterija oplodnje povezana sa početkom - muškim ili ženskim, sporovi o prirodi nasledstva su se ponovo pokrenuli. Čuvena borba između preformista („animalkulista“ i „ovista“) mnogo je učinila da se razjasni priroda ovog procesa kod životinja. Kod biljaka je spolnu diferencijaciju otkrio R. Ya. Kammerarius (1694), koji je u eksperimentima sa spanaćem, konopljom i kukuruzom otkrio da je oprašivanje neophodno za zametanje plodova.

Dakle, do kraja XVII vijeka. pripremljen je naučni teren za početak eksperimenata na hibridizaciji biljaka. Prvi uspjesi u ovom pravcu postignuti su početkom 18. vijeka. Vjeruje se da je Englez T. Fairchild dobio prvi interspecifični hibrid ukrštanjem karanfila Dianthus barbatus i D. caryophyllus. Sa proizvodnjom drugih hibrida počela se širiti praksa hibridizacije, ali su botaničari i dalje nastavili smatrati kontroverznim pitanje prisutnosti dvaju spolova u biljkama i njihovog sudjelovanja u oplodnji. Godine 1759. Sanktpeterburška akademija nauka je čak raspisala poseban konkurs za razjašnjavanje ovog pitanja. Godine 1760. C. Linnaeus je nagrađen nagradom za svoj rad "Proučavanje spola u biljkama" ("Disquisitio de sexu plantarum"), koji je dobio interspecifični hibrid kozje brade (Tragopogon), koji lako proizvodi hibride u prirodnim uvjetima. Međutim, Linnaeus nije razumio suštinu hibridizacije i ulogu polena u ukrštanju. Naučno potkrijepljeno rješenje ovog pitanja postignuto je eksperimentima člana Ruske akademije nauka I. G. Kelreitera.

Godine 1760. Kellreuter je započeo prve pažljivo osmišljene eksperimente za proučavanje prijenosa znakova pri ukrštanju biljaka. Godine 1761. - 1766., skoro četvrt stoljeća prije L. Spallanzanija, koji je proučavao problem križanja na životinjskim objektima, Kelreuter je u eksperimentima s duhanom, drogom i karanfilićem pokazao da je nakon prenošenja polena jedne biljke u tučak druge biljke koji se razlikuje po svojim morfološkim karakteristikama, biljke formiraju jajnike i sjemenke, dajući biljke sa svojstvima srednjih za oba roditelja. Kao rezultat toga, Kölreuter je došao do zaključka od fundamentalne važnosti: oba roditeljska organizma sudjeluju u formiranju potomstva i prenošenju osobina koje se prate kod potomaka. Kellreuter je uveo i metodu povratnog ukrštanja s jednim od prvobitnih roditelja, zahvaljujući kojoj je uspio dokazati nasljeđivanje osobina i jednakost muških i ženskih elemenata u formiranju kćeri jedinki. Tačna metoda ukrštanja koju je razvio Kölreuter dovela je do brzog napretka u proučavanju nasljednog prijenosa osobina.

Krajem XVIII - početkom XIX vijeka. Engleski uzgajivač biljaka T. E. Knight, ukrštajući različite sorte, suočio se s problemom kombiniranja osobina roditelja u potomstvu. Odabirom različitih parova za ukrštanje, otkrio je da svaku sortu karakterizira kompleks malih osobina svojstvenih njoj. Broj znakova po kojima se dvije varijante razlikuju jedna od druge, što je veći, to je niži stepen njihove povezanosti. Važan zaključak Knighta bio je otkriće nedjeljivosti malih osobina u raznim križanjima. Diskretnost naslednog materijala, proklamovana u antici, dobila je prvo naučno opravdanje u njegovim istraživanjima. Najt je zaslužan za otkriće "elementarnih naslednih osobina".

Daljnji značajni uspjesi u razvoju metode ukrštanja vezani su za francusku školu uzgajivača, posebno s njenim najistaknutijim predstavnicima - O. Sazhre i C. Naudin. Interesi oba naučnika formirani su pod direktnim uticajem Kelreutera i Knighta. Napravili su iskorak u odabiru istraživačkih objekata, prešavši u potpunosti na eksperimente sa relativno brzo razvijajućim biljkama (povrtnim kulturama), čiji je vegetacijski ciklus ograničen na nekoliko mjeseci. Predstavnici porodice bundeva postali su omiljeni objekti Sazhrea i Naudina.

Sazhreovo najveće dostignuće bilo je otkriće fenomena dominacije. Prilikom ukrštanja sorti koje se razlikuju po nasljednim sklonostima, često je uočio potiskivanje osobine jednog roditelja osobinom drugog. Ovaj fenomen se u najvećoj meri manifestovao u prvoj generaciji nakon ukrštanja, a potom su se potisnute osobine ponovo otkrile kod nekih potomaka narednih generacija. Tako je Sazhre potvrdio da elementarne nasljedne osobine ne nestaju tokom ukrštanja. Naudin je sasvim nezavisno došao do istog zaključka 1852-1869. Ali Naudin je otišao još dalje, započevši kvantitativnu studiju rekombinacije nasljednih sklonosti tijekom ukrštanja. Očigledno je bio svjestan da bi upravo kvantitativni opis rezultata ukrštanja mogao pružiti istraživačima nit koja bi omogućila razumijevanje suštine procesa koji se odvijaju tokom hibridizacije. Međutim, Naudin se usput razočarao. Neispravna metodološka tehnika - istovremeno proučavanje velikog broja karakteristika - dovela je do takve konfuzije u rezultatima da je bio primoran da odustane od pokušaja. Značajnu količinu nesigurnosti u interpretaciju rezultata unijeli su i objekti koje je Naudin koristio: on još uvijek nije mogao razumjeti ulogu samooprašivača u provođenju takvih eksperimenata. Nedostaci svojstveni eksperimentima Naudina i njegovih prethodnika otklonjeni su u radu G. Mendela.

Razvoj prakse hibridizacije doveo je do daljeg prikupljanja informacija o prirodi ukrštanja. Važna zapažanja o kombinacijama znakova u križanjima počela su se gomilati kao rezultat aktivnosti vrtlara i botaničara. Praksa je zahtijevala rješavanje pitanja očuvanja nepromijenjenih svojstava "dobrih" biljaka, kao i pronalaženje načina za kombinovanje potrebnih osobina svojstvenih nekoliko roditelja u jednoj biljci. Slične zadatke postavljali su i stočari, ali su oni uvijek visili u zraku, jer su počivali na nepoznavanju zakona prenošenja nasljednih osobina. Ovaj problem još nije bilo moguće riješiti eksperimentalno. U takvim uvjetima pojavile su se razne spekulativne hipoteze o prirodi nasljeđa.

Spekulativne hipoteze o prirodi nasljeđa

Najosnovnija hipoteza ove vrste, koja je u određenoj mjeri poslužila kao model za slične konstrukcije drugih biologa, bila je "privremena hipoteza pangeneze" C. Darwina, iznesena u posljednjem poglavlju njegovog djela "Promjena u domaćem Životinje i kultivisane biljke" (1868). Ovdje je Darwin sažeo cjelokupnu literaturu o ukrštanjima i fenomenima naslijeđa*.

* (Nešto ranije, analizu fenomena naslijeđa kod ljudi napravio je P. Luke u svojoj opsežnoj monografiji Traite philosophique et physiologique de l "heredite naturelle" (1847-1850).)

Prema njegovim zamislima, u svakoj ćeliji svakog organizma u velikom broju nastaju posebne čestice - gemule, koje imaju sposobnost da se šire po tijelu i skupljaju (koncentriraju) u ćelije koje služe za seksualnu ili vegetativnu reprodukciju (jaja, spermatozoidi, biljni pupoljci). Prilikom oplodnje, gemule dvije zametne ćelije se spajaju u zigotu. Neki od gemula tada stvaraju nove ćelije (slične onima od kojih su formirane), a neke ostaju u neaktivnom stanju i mogu se prenijeti na sljedeće generacije. Darwin je pretpostavio da se gemule pojedinačnih ćelija mogu promijeniti tokom ontogeneze svake individue i dovesti do izmijenjenih potomaka. Tako se pridružio pristalicama nasljeđivanja stečenih karakteristika. Osim toga, smatrao je da, budući da se kompleks nasljednih osobina sastoji od diskretnih faktora nasljeđa (gemule), onda, shodno tome, organizam ne stvara svoju vrstu u cjelini, već svaka pojedinačna jedinica stvara svoju vrstu"*.

* (C. Darwin. Soch., tom 4. M., Izdavačka kuća Akademije nauka SSSR-a, 1951, str.758.)

Darwinovu pretpostavku o nasljeđivanju stečenih osobina eksperimentalno je opovrgnuo F. Galton (1871). Poduzimanjem transfuzije krvi sa crnih zečeva na bijele. Galton nije pronašao nikakvu promjenu u osobinama kod potomaka. Na osnovu toga, raspravljao je s Darwinom, tvrdeći da su gemule koncentrisane samo u zametnim stanicama biljaka i životinja i pupoljcima biljaka koje se vegetativno razmnožavaju, te da gemule ne prelaze iz vegetativnih u generativne dijelove. Galton je pribjegao analogiji, upoređujući generativne organe s rizomom nekih biljaka, svake godine dajući nove zelene izdanke, iz čega je njegova hipoteza nazvana "hipoteza rizoma".

Spekulativnu hipotezu o prirodi naslijeđa predložio je botaničar K. Naegeli u svom radu "Mehaničko-fiziološka teorija evolucije" (1884). Naegeli je, razmišljajući o kontradikciji između jednakog doprinosa oca i majke formiranju potomstva i značajno različite veličine spermatozoida i jajašca, sugerirao da se nasljedne sklonosti prenose samo dijelom ćelijske supstance, koju je nazvao idioplazma. Ostalo (stereoplazma), prema njegovom mišljenju, ne nosi nasljedne karakteristike. Naegeli je također sugerirao da se germplazma sastoji od molekula povezanih jedni s drugima u velike filamentne strukture - micele, grupisane u snopove i formiraju mrežu koja prodire u sve stanice tijela. Autor nije znao činjenice koje podržavaju njegov model. Tokom ovih godina, pažnja još nije bila privučena hromozomima kao nosiocima nasljednih informacija, a Naegelijeva hipoteza se u izvjesnom smislu pokazala proročkom. Pripremila je biologe za ideju strukturirane prirode materijalnih nosilaca nasljeđa. Poznata je bila i hipoteza intracelularne pangeneze G. de Vriesa.

Po prvi put ideju o diferenciranju (nejednakih nasljednih) podjela jezgara stanica embrija u razvoju iznio je V. Roux 1883. Rouxovi zaključci su imali veliki utjecaj na A. Weismana. Oni su mu poslužili kao polazna tačka za stvaranje teorije germinativne plazme, koja je finalizirana 1892. Weisman je jasno ukazao na nosioca nasljednih faktora - hromozoma. Vjerovao je da u jezgrima stanica postoje posebne čestice zametne plazme - biofore, od kojih svaka određuje zasebno svojstvo stanica. Biofore su, prema Weismanu, grupisane u determinante - čestice koje određuju specijalizaciju ćelije. Budući da u tijelu postoji mnogo različitih tipova stanica, determinante jednog tipa grupišu se u strukture višeg reda (ids), a potonje formiraju hromozome (ili idante, prema Weismanovoj terminologiji).

Prvo Ru (1883), a zatim Weisman sugerirali su linearni raspored nasljednih faktora u hromozomima (zrna hromatina, prema Ru i id, prema Weismanu) i njihovo uzdužno cijepanje tokom mitoze, što je u velikoj mjeri anticipirala buduću hromozomsku teoriju nasljeđa.

Razvijajući ideju nejednake podjele, Weisman je logično došao do zaključka da u tijelu postoje dvije jasno razgraničene ćelijske linije - zametna (ćelije germinalnog puta) i somatska. Prvi, koji osiguravaju kontinuitet prijenosa nasljednih informacija, su "potencijalno besmrtni" i sposobni da daju početak novog organizma. Potonji nemaju ovu imovinu. Identifikacija dvije kategorije ćelija bila je od velikog pozitivnog značaja za kasniji razvoj genetike. To je, posebno, bio početak teorijskog opovrgavanja ideje o nasljeđivanju stečenih osobina. U isto vrijeme, Weismanova teorija nasljeđa također je sadržavala pogrešnu pretpostavku da je pun skup determinanti sadržan samo u zametnim stanicama.

Radovi ovih biologa odigrali su izuzetnu ulogu u pripremi naučne misli za formiranje genetike kao nauke. Do kraja XIX veka. zahvaljujući radu citologa koji su otkrili hromozome i proučavali mitotiku (I. D. Chistyakov, 1872; A. Schneider, 1873; E. Strasburger, 1875; Schleicher, 1878; V. Flemming, 1892; i dr.) i meiotic , 1883; T. Boveri, O. Hertwig, 1884) nuklearne podjele, pripremljeno je tlo za razumijevanje preraspodjele nasljednog materijala među ćelijama kćeri tokom njihove diobe. W. Waldeyer je 1888. predložio termin hromozom. Detaljno je proučavan proces oplodnje kod životinja i biljaka (O. Gertwig, 1876; N. N. Gorožankin, 1880; E. Strasburger, 1884; i drugi). Rad botaničara i uzgajivača stoke otvorio je put brzom priznavanju G. Mendelovih zakona nakon njihovog ponovnog otkrića 1900. godine.

G. Mendelovo otkriće zakona nasljeđivanja

Čast da otkrije kvantitativne obrasce koji prate formiranje hibrida pripada češkom botaničaru amateru Johannu Gregoru Mendelu. U njegovim radovima, rađenim u periodu od 1856. do 1863. godine, otkriveni su temelji zakona naslijeđa.

Mendel je ovako formulisao problem svog istraživanja. “Do sada,” napomenuo je u “Uvodnim napomenama” svog rada, “nije bilo moguće uspostaviti univerzalni zakon za formiranje i razvoj hibrida” i nastavio: “Konačno rješenje ovog pitanja može se postići samo kada se izvrše detaljni eksperimenti u raznim postrojenjima Ko god pregleda rad u ovoj oblasti uveriće se da među brojnim eksperimentima nijedan nije izveden u tolikom obimu i na takav način da bi bilo moguće utvrditi broj različitih eksperimenata. forme u kojima se pojavljuju potomci hibrida, te oblike sa sigurnošću rasporediti među pojedine generacije i uspostaviti njihove međusobne brojčane odnose" *.

* (G. Mendel. Eksperimenti na hibridima biljaka. M., "Nauka", 1965, str. 9 - 10.)

Prvo na šta je Mendel skrenuo pažnju bio je izbor objekta. Za svoje istraživanje Mendel je odabrao grašak Pisum sativum L. Razlog za ovaj izbor je, prvo, taj što je grašak strog samooprašivač, što je naglo smanjilo mogućnost unošenja neželjenog stranog polena; drugo, tada je postojao dovoljan broj sorti graška koje su se razlikovale po jednoj, dvije, tri i četiri nasljedne osobine.

Mendel je dobio 34 sorte graška sa raznih sjemenskih farmi. Dvije godine je provjeravao da li su dobijene sorte zaražene, da li zadržavaju nepromijenjene karakteristike u razmnožavanju bez ukrštanja. Nakon ove vrste provjere odabrao je 22 sorte za eksperimente.

Možda je najvažnije u cijelom radu bilo određivanje broja znakova po kojima bi se ukrštene biljke trebale razlikovati. Mendel je po prvi put shvatio da se samo počevši od najjednostavnijeg slučaja - razlike između roditelja u jednom atributu - i postupnim komplikacijom problema, može nadati da će se raspetljati splet činjenica. Stroga matematika njegovog razmišljanja je ovdje izašla na vidjelo s posebnom snagom. Upravo je ovaj pristup postavljanju eksperimenata omogućio Mendelu da jasno isplanira dalju komplikaciju početnih podataka. Ne samo da je precizno odredio u koju fazu rada treba preći, već je i matematički striktno predvidio budući rezultat. U tom pogledu, Mendel je stajao iznad svih savremenih biologa koji su proučavali fenomene naslednosti već u 20. veku.

Mendel je započeo s eksperimentima ukrštanja sorti graška koje se razlikuju po jednom svojstvu (monohibridno ukrštanje). U svim eksperimentima bez izuzetka sa 7 parova sorti, potvrđen je fenomen dominacije u prvoj generaciji hibrida, koji su otkrili Sazhre i Naudin. Mendel je uveo koncept dominantnih i recesivnih osobina, definišući dominantne osobine koje prelaze u hibridne biljke potpuno nepromenjene ili gotovo nepromenjene, i recesivne one koje postaju latentne tokom hibridizacije. Tada je Mendel po prvi put mogao kvantificirati učestalost pojavljivanja recesivnih oblika među ukupnim brojem potomaka za slučajeve mono-, di-, tri-hibridnih i složenijih ukrštanja. Mendel je posebno naglasio prosječnu prirodu obrasca koji je otkrio.

Za dalju analizu nasljedne prirode nastalih hibrida, Mendel je proučavao još nekoliko generacija hibrida ukrštenih jedni s drugima. Kao rezultat toga, sljedeće generalizacije od fundamentalnog značaja dobile su čvrsto naučno opravdanje:

1. Fenomen neekvivalencije nasljednih elementarnih osobina (dominantnih i recesivnih), uočili Sazhre i Naudin.

2. Fenomen cijepanja karakteristika hibridnih organizama kao rezultat njihovog naknadnog ukrštanja. Utvrđeni su kvantitativni obrasci cijepanja.

3. Otkrivanje ne samo kvantitativnih obrazaca cijepanja prema vanjskim, morfološkim karakteristikama, već i utvrđivanje odnosa dominantnih i recesivnih sklonosti među oblicima koji se ne razlikuju od dominantnih, ali su mješovite (heterozigotne) prirode. Mendel je potvrdio ispravnost potonjeg stava, osim toga, povratnim ukrštanjem sa roditeljskim oblicima.

Tako se Mendel približio problemu odnosa između nasljednih sklonosti (nasljednih faktora) i njima određenih karakteristika organizma.

Izgled organizma (fenotip, po terminologiji W. Johannsena, 1909) zavisi od kombinacije nasljednih sklonosti (zbir nasljednih sklonosti organizma postao je, na prijedlog Johannsena, nazvan genotip, 1909). Ovaj zaključak, koji je neminovno proizašao iz Mendelovih eksperimenata, on je detaljno razmatrao u odeljku "Embrionalne ćelije hibrida" istog dela "Eksperimenti na biljnim hibridima". Mendel je bio prvi koji je jasno formulisao koncept diskretne nasljedne sklonosti, neovisne u svojoj manifestaciji od drugih sklonosti * . Ove sklonosti su koncentrisane, prema Mendelu, u germinalnim (jaje) i polenovim ćelijama (gamete). Svaka gameta nosi jedan depozit. Tokom oplodnje, gamete se spajaju u zigotu; u isto vrijeme, ovisno o raznolikosti gameta, zigota koja je nastala iz njih će dobiti određene nasljedne sklonosti. Zbog rekombinacije nagiba prilikom ukrštanja nastaju zigoti koji nose novu kombinaciju nagiba, što određuje razlike među jedinkama. Ova odredba je bila osnova Mendelovog fundamentalnog zakona - zakona čistoće gameta. Njegova pretpostavka o postojanju elementarnih nasljednih sklonosti - gena potvrđena je cjelokupnim kasnijim razvojem genetike i dokazana istraživanjima na različitim nivoima - organizmičkom (metode ukrštanja), subćelijskom (citološke metode) i molekularnom (fizičko-hemijske metode). Na sugestiju W. Batsona (1902), organizmi koji imaju iste sklonosti počeli su se nazivati ​​homozigotima, a oni koji sadrže različite sklonosti odgovarajuće osobine nazivani su heterozigotima za ovu osobinu.

* (Kasnije je W. Johannsen (1909) ove sklonosti nazvao genima.)

Eksperimentalne studije i teorijska analiza rezultata ukrštanja, koje je sproveo Mendel, nadmašile su razvoj nauke za više od četvrt veka. U to vrijeme se gotovo ništa nije znalo o materijalnim nosiocima naslijeđa, mehanizmima pohranjivanja i prenošenja genetskih informacija i unutrašnjem sadržaju procesa oplodnje. Čak su i spekulativne hipoteze o prirodi naslijeđa o kojima se govorilo gore formulirane kasnije. Ovo objašnjava zašto Mendelov rad nije dobio nikakvo priznanje u svoje vrijeme i ostao je nepoznat sve do drugog ponovnog otkrića Mendelovih zakona od strane K. Corrensa, K. Čermaka i G. de Vriesa 1900. godine.

Razvoj biometrijskih metoda za proučavanje nasljedstva

Individualne razlike, čak i između blisko povezanih organizama, nisu nužno povezane sa razlikama u genetskoj strukturi ovih jedinki; mogu biti uzrokovani različitim životnim uslovima. Stoga je zaključke o genetskim razlikama između vrsta, varijeteta, varijeteta i linija moguće izvesti samo na osnovu analize velikog broja jedinki. Prvi koji je skrenuo pažnju na matematičke obrasce u individualnoj varijabilnosti bio je belgijski matematičar i antropolog A. Catlet. Bio je jedan od osnivača statistike i teorije vjerovatnoće. Catle je posebnu pažnju posvetio proučavanju odstupanja, u nizu sličnih jedinki, od prosječne kvantitativne karakteristike ispitivane osobine. Međutim, sa genetičke tačke gledišta, pitanje mogućnosti nasljeđivanja odstupanja od prosječne kvantitativne karakteristike osobine uočene kod pojedinačnih jedinki ostalo je najvažnije. Značaj ovog pitanja postao je posebno očigledan nakon Darwinovog stvaranja teorije prirodne selekcije. U čisto praktične svrhe, bilo je potrebno utvrditi hoće li se i u kojoj mjeri naslijediti one pojedinačne promjene koje se često uočavaju u oplemenjivačkoj praksi kod pojedinih biljaka i mogu li se fiksirati u potomstvu.

Nekoliko istraživača bavilo se ovim pitanjem. Po svom značaju isticao se rad Galtona, koji je prikupio podatke o nasljeđivanju visine kod ljudi. Analizirao je visinu 204 para i 928 njihove odrasle djece. Galton je potom proučavao nasljeđivanje veličine cvjetnog vjenčića kod slatkog graška i došao do zaključka da se samo mali dio odstupanja uočenih kod roditelja prenosi na potomstvo. Galton je pokušao svom zapažanju dati matematički izraz, čime je pokrenuo veliki niz radova o matematičkim i statističkim osnovama nasljeđivanja.

Galtonov sljedbenik C. Pearson nastavio je ovaj rad u većem obimu. Grupa istraživača se brzo formirala oko Pirsona i osnovala časopis Biometrija (1902).

Obrazloženje engleskih biometrija o prirodi miješanja roditeljskih osobina tokom ukrštanja, potkrijepljeno matematičkim proračunima, ali ne uzimajući u pravilu u obzir biološku suštinu fenomena naslijeđa, pogođeno je drugim otkrićem Mendelovih zakona. . Najozbiljnija i najklasičnija studija o pitanjima koja su postavili Galton, Pirson i njihovi sljedbenici provedena je 1903-1909. V. Johannsen, koji je glavnu pažnju posvetio proučavanju genetski homogenog materijala (potomstvo od inbreedinga, koje je Johannsen nazvao čistom linijom). Analiza koju je sproveo Johannsen omogućila mu je da dođe do istinskog razumijevanja uloge naslijeđenih (genotipskih) i nenaslijeđenih komponenti u individualnoj varijabilnosti. Na osnovu dobijenih rezultata Johansen je dao preciznu definiciju genotipa i fenotipa i postavio temelje za savremeno shvatanje uloge individualne varijabilnosti. Johansenovi zaključci, dobijeni u eksperimentima s biljkama, ubrzo su potvrđeni zoološkim materijalom.

Citološke osnove genetike

Mendelova predviđanja potvrđena su i na sasvim drugom nivou istraživanja. 70-ih - 80-ih godina XIX vijeka. opisana je mitoza i ponašanje hromozoma tokom ćelijske deobe, što sugeriše da su ove strukture odgovorne za prijenos nasljednih potencija sa ćelije majke na ćelije kćeri. Podjela materijala hromozoma na dva jednaka dijela bila je najbolji dokaz u prilog hipotezi da je u hromozomima koncentrisana genetska memorija. Ovo gledište je dodatno ojačano nakon opisa procesa koji prethode sazrevanju zametnih ćelija i oplodnji (vidi Poglavlje 26). Proučavanje hromozoma kod životinja i biljaka dovelo je do zaključka da se svaka vrsta živih bića odlikuje strogo određenim brojem hromozoma. Ovaj broj je postao pouzdana sistematska karakteristika.

Otkrio E. van Beneden (1883), činjenica da je broj hromozoma u telesnim ćelijama (somatskim ćelijama) duplo veći nego u zametnim ćelijama lako se može objasniti jednostavnim rezonovanjem: budući da se tokom oplodnje jedra zametnih ćelija spajaju (i samim tim se u jednom hromozomu ovih jezgara ujedinjuju u jezgro) i pošto broj hromozoma u somatskim ćelijama ostaje konstantan, stalnom udvostručavanju broja hromozoma tokom uzastopnih oplodnji se mora odupreti procesom koji dovodi do smanjenja u njihovom broju u gametama tačno upola. Tačan opis procesa redukcijske podjele (mejoze), sprovedenog 90-ih godina 19. stoljeća, omogućio je to već početkom 20. stoljeća. pravilno procijeniti obrasce nasljeđa koje je ustanovio Mendel.

Godine 1900., nezavisno jedan od drugog, tri botaničara - K. Korrens u Njemačkoj, G. de Vries u Holandiji i E. Chermak u Austriji otkrili su u svojim eksperimentima pravilnosti koje je ranije otkrio Mendel i, naišavši na njegov rad, ponovo ga objavili u 1.901 Ova publikacija je izazvala duboko zanimanje za kvantitativne obrasce nasljeđa. Citolozi su otkrili materijalne strukture čija uloga i ponašanje mogu biti jedinstveno povezani s Mendelovim obrascima. Godine 1903., W. Setton, mladi saradnik poznatog američkog citologa E. Wilsona, vidio je takvu vezu. Mendelove hipotetičke ideje o nasljednim faktorima, o prisutnosti jednog skupa faktora u gametama i dvostrukog skupa faktora u zigotima, potkrijepljene su studijama hromozoma. T. Boveri (1902) je iznio dokaze u prilog učešća hromozoma u procesima nasljednog prijenosa, pokazujući da je normalan razvoj morskog ježa moguć samo ako su prisutni svi hromozomi.

Ustanovljavajući činjenicu da su hromozomi ti koji nose nasljedne informacije, Setton i Boveri su postavili temelje za novi pravac u genetici - hromozomsku teoriju nasljeđa.

Utemeljenje hromozomske teorije nasljeđa

Prema Mendelovim zakonima, manifestacija svakog nasljednog faktora ne ovisi o drugim faktorima. Njegova analiza mono-, di- i tri-hibridnih ukrštanja eksperimentalno je potvrdila ovaj zaključak.

Nakon ponovnog otkrivanja Mendelovih pravilnosti, počelo je proučavanje ovih pravilnosti kod svih vrsta životinjskih i biljnih vrsta. Jedan od naizgled neuspjeha zadesio je W. Batsona i R. Pennetta, koji su 1906. proučavali nasljeđivanje boje vjenčića i oblika polena u slatkom grašku. Prema Mendelu, distribucija fenotipova u dihibridnim ukrštanjima treba da bude u odnosu 9:3:3:1. Umjesto toga, Batson i Pennet su registrovali podjelu od 35:3:3:10. Stvoren je utisak da faktori ljubičaste boje i naborani polen teže da ostanu zajedno pri rekombinovanju sklonosti. Autori su ovu pojavu nazvali "međusobnom privlačnošću faktora", ali nisu uspjeli otkriti njenu prirodu.

1909. T. G. Morgan je započeo detaljnu studiju ovog pitanja. Prije svega, jasno je formulirao početnu hipotezu. Sada, kada se već znalo da su nasljedne sklonosti u hromozomima, bilo je prirodno odgovoriti na pitanje da li će se numerički zakoni koje je uspostavio Mendel uvijek ispuniti? Mendel je sasvim opravdano vjerovao da bi takve pravilnosti bile istinite ako i samo ako se proučavani faktori kombinuju nezavisno jedan od drugog u formiranju zigota. Sada, na osnovu hromozomske teorije naslijeđa, treba priznati da je to moguće samo kada se geni nalaze na različitim hromozomima. Ali pošto je broj ovih potonjih mali u odnosu na broj gena, bilo je za očekivati ​​da će geni koji se nalaze na istom hromozomu zajedno preći iz gameta u zigote. Stoga će odgovarajuće osobine naslijediti grupe.

Ovu pretpostavku potvrdili su Morgan i njegove kolege K. Bridges i A. Sturtevant u studijama sa voćnom mušicom Drosophila (Drosophila melanogaster). Izbor ovog objekta iz više razloga može se smatrati velikim uspjehom. Prvo, Drosophila ima vrlo kratak period razvoja (samo 10 - 12 dana); drugo, zbog svoje visoke plodnosti, omogućava rad sa ogromnom populacijom; treće, može se lako uzgajati u laboratoriji; konačno, ona ima samo četiri para hromozoma.

Ubrzo je kod Drosophile otkriven veliki broj raznih mutacija, odnosno oblika koje karakteriziraju različite nasljedne karakteristike. Kod normalne ili, kako genetičari kažu, divljeg tipa drozofile, boja tijela je sivkasto-žućkasta, krila su siva, oči su tamno ciglasto crvene, ljuske koje prekrivaju tijelo i vene na krilima imaju dobro definiran raspored. . Kod muva mutanta koje su povremeno pronađene, ovi znaci su se mijenjali: tijelo je, na primjer, bilo crno, oči su bile bijele ili druge boje, krila su bila rudimentarna, itd. Neke jedinke su nosile ne jednu, već nekoliko mutacija odjednom; na primjer, muva sa crnim tijelom mogla bi, osim toga, imati rudimentarna krila. Raznolikost mutacija omogućila je Morganu da započne genetske eksperimente. Prije svega, dokazao je da se geni koji se nalaze na istom hromozomu prenose zajedno prilikom ukrštanja, odnosno da su međusobno povezani. Jedna vezana grupa gena nalazi se na jednom hromozomu. Morgan je također dobio snažnu potvrdu hipoteze o povezanosti gena u hromozomima u proučavanju takozvanog naslijeđa vezanog za spol.

Zahvaljujući citološkim i genetskim eksperimentima (A, Sturtevant, K. Bridges, G. J. Möller, 1910), bilo je moguće utvrditi učešće određenih hromozoma u određivanju pola. Kod Drosophile, na primjer, zajedno sa tri para hromozoma (autosoma) koji nisu povezani sa određivanjem pola, pronađen je i par polnih hromozoma. Zauzvrat, ispostavilo se da su spolni hromozomi dva tipa - dugi štapićasti X hromozomi i mali zakrivljeni Y hromozomi. Njihove kombinacije određuju spol muhe. Dalji eksperimenti su pokazali da kod Drosophile, kao i kod većine sisara (uključujući ljude), vodozemaca, riba i većine biljaka, ulazak dva X hromozoma u zigotu dovodi do formiranja ženske jedinke, dok spajanje jednog X hromozoma i jedan Y hromozom daje muško *. Dakle, sve ženske gamete su iste - nose jedan X hromozom; muški pojedinci daju dva tipa gameta: polovina sadrži X hromozom, polovina Y hromozom. Dakle, pri oplodnji polovina zigota dobija set XX hromozoma, a polovina - XY, a odnos polova je 1:1.

* (Kod većine ptica, insekata i delova biljaka određivanje pola se dešava na drugačiji način: muški pol se dobija kombinacijom dva X hromozoma; ženski spol karakterizira kombinacija X i Y hromozoma)

Utvrđivanjem da se gen za boju očiju Drosophile nalazi na X hromozomu, te praćenjem ponašanja gena u potomstvu određenih mužjaka i ženki, Morgan i njegove kolege dobili su uvjerljivu podršku hipotezi o povezanosti gena.

Stoga se u razvoju genetike mogu razlikovati dvije važne faze. Prva, zasnovana na hibridološkim studijama, povezana je sa Mendelovim otkrićem – dokazom o prisutnosti elementarnih nasljednih faktora, utvrđivanjem prirode interakcije ovih faktora (pravilo dominacije – recesivnost) i rasvjetljavanjem kvantitativnih obrazaca cijepanja. karaktera tokom prelaska. Druga faza, povezana sa uspjehom citoloških studija, završila se dokazom da su hromozomi nosioci nasljednih faktora. Morgan je formulisao i eksperimentalno dokazao stav o povezanosti gena u hromozomima. Konkretno, u Drosophila melanogaster su genetskim metodama pronađene četiri grupe vezivanja, što se poklapa sa podacima citoloških studija. Sljedeće na redu je bilo pitanje redoslijeda u kojem su geni raspoređeni na hromozomima.

Problem intrahromozomske lokalizacije gena

Pažljiva analiza pojave mutacija kod drozofile omogućila je otkrivanje velikog broja raznolikih nasljednih promjena, a pokazalo se da svaki gen može dovesti do značajnog broja mutacija. Na primjer, pronađeni su mutanti s crvenim, bijelim, ljubičastim, eozinskim, granatnim, slonovača, crvenim, mliječnim, cinober očima. Druge gene karakteriše slična varijabilnost.

Kako se otkrivalo sve više i više novih mutacija, količina informacija o. lokalizacija pojedinih gena u određenom hromozomu. Ključ za rješavanje pitanja lokacije gena duž dužine hromozoma bilo je Morganovo proučavanje fenomena narušavanja spajanja gena kao rezultat izmjene sekcija između hromozoma (od jednog do nekoliko gena u dužini), koje je on naziva crossing over (na engleskom crossover).

Bitan korak u proučavanju križanja bilo je utvrđivanje činjenice da se određeni geni kreću od kromosoma do kromosoma sa određenom frekvencijom specifičnom za njih. Morgan je sugerirao da što su geni udaljeniji duž dužine hromozoma, to lakše može doći do prelaska između njih, jer da bi se odvojili blisko ležeći geni, potrebno je da jaz prođe između njih. Verovatnoća takvog jaza je očigledno mala. A ako je tako, onda postotak pojedinaca kod kojih je došlo do križanja od ukupnog broja proučavanih pojedinaca može poslužiti kao mjera udaljenosti između gena u hromozomu. Za izvanredan rad na polju genetike, Morgan je 1933. godine dobio Nobelovu nagradu.

Godine 1913. Sturtevant je sastavio prvu mapu spolnog X hromozoma Drosophila, izgrađenu na osnovu numeričkih podataka o povezivanju i križanju uočenih u šest spolno vezanih gena. Do 1916. stotine gena je već bilo proučavano u Drosophili, i oni su mapirani na sva četiri hromozoma. Metoda genetskog mapiranja razvijena na Drosophila prenesena je na biljke (kukuruz, zmaj) i životinje (miševi).

Izrada genetskih karata je veoma naporna procedura. Genske strukture hromozoma mogu se lako dešifrovati u onim organizmima koji se brzo razmnožavaju. Posljednja okolnost je glavni razlog zašto postoje najdetaljnije karte za Drosophila, niz bakterija i bakteriofaga, a najmanje detaljne za biljke. Mapiranje dugovječnih organizama (životinje, trajnice) je stvar budućnosti.

Treba napomenuti da su čisto genetske metode za određivanje lokalizacije gena u hromozomima, na ovaj ili onaj način, pružile samo indirektne dokaze o kromosomskoj teoriji nasljeđa, a neki genetičari su nastavili da osporavaju potonju (na primjer, R. Goldschmidt, 1917. ). Fenomen nedisjunkcije polnih hromozoma (1913, 1916) i gubitak četvrtog hromozoma (1921) koji je otkrio C. Bridges u Drosophili poslužili su kao direktni dokaz ove teorije. U ovim slučajevima, genetska predviđanja zasnovana na ukrštanju potvrđena su ispitivanjem kariotipa pod mikroskopom.

Konačno, dobijeni su direktni citološki dokazi o postojanju crossingovera kod Drosophile. Davne 1909. godine belgijski istraživač F. Janssens došao je do neobične činjenice. U profazi prve mejotičke podjele, upareni hromozomi su se približavali jedan drugom, poredali paralelno, a zatim, dodirujući krajeve, brzo se zatvarali.

Uprkos punom kontaktu između hromozoma daždevnjaka sa kojima je Janssens radio, obrisi svakog od hromozoma bili su jasno vidljivi. Zahvaljujući tome, bilo je moguće primijetiti da je prilikom uvrtanja hromozoma na mjestu njihovog preplitanja, koje je on nazvao hijazma, došlo do zamjene dijelova hromozoma.

Međutim, prisustvo razmjene nije bilo moguće sa sigurnošću potvrditi citološkim metodama sve dok njemački istraživač K. Stern (1931) nije upotrijebio takozvani fenomen translokacije, odnosno prijenos odvojenog dijela jednog hromozoma na drugi hromozom. Uz pomoć translokacije uspio je prenijeti komadić Y hromozoma Drosophila u X hromozom, nakon čega se potonji lako mogao otkriti na citološkim preparatima. Osim toga, rezultirajuća linija muva nosila je dvije genetske razlike (njihov X hromozom je imao dva lako uočljiva fenotipski takozvana markirajuća recesivna gena).

Druga faza rada bila je odabir linije od dvije mušice sa translokacijom različite vrste. U ovom slučaju, zapažanja su vršena na X hromozomu, koji je bio pocijepan na pola, nakon čega se jedna od njegovih polovica pridružila malom Y hromozomu. Preostali dio X hromozoma opet se dobro razlikovao i citološki i genetski – dominantni su bili njegovi markirajući geni.

Dakle, Stern je imao dvije linije Drosophila, koje su se jedna od druge jasno razlikovale X hromozomima. Povezavši oba označena X hromozoma u zigotu jedne ženke, čekao je ukrštanje, prepoznajući ga po prirodi ekspresije gena. Citološkom analizom ćelija potomaka muhe nastalih ukrštanjem, uspio je otkriti rezultat križanja u vizualnom obliku pod mikroskopom: dugi X hromozom zamijenio je svoj veliki dio s malim dijelom kratkog X hromozoma, zbog čega su sada oba hromozoma bila približno iste dužine. Kasnije je sličan eksperiment na kukuruzu izveo B. McClintock (1944).

Vještačko dobijanje mutacija

Najveće dostignuće eksperimentalne genetike bilo je otkriće mogućnosti umjetnog izazivanja mutacija korištenjem raznih fizičkih i kemijskih agenasa. G. A. Nadson i G. S. Filippov (1925) dobili su mutacije u kvascu pod dejstvom radijuma i rendgenskih zraka; G. Möller * (1927) - uz pomoć rendgenskih zraka kod Drosophile, i L. Stadler (1928) - kroz izlaganje istim zracima u kukuruzu.

* (Za proučavanje fenomena povezivanja i križanja, kao i otkriće umjetne mutageneze, G. Möller je 1946. godine dobio Nobelovu nagradu.)

Započeo je novi, izuzetno plodan period u proučavanju problema varijabilnosti. Za kratko vrijeme proučavan je mutageni učinak zračenja na mnogim objektima. Utvrđeno je da pod uticajem zračenja mogu nastati mutacije bilo koje vrste. Istovremeno, za proučavanje problema uticaja energije zračenja na biološke sisteme, rasvetljavanje mutagene aktivnosti različitih vrsta zračenja bilo je od odlučujućeg značaja. Pokazalo se da su sve poznate vrste zračenja sposobne izazvati nasljedne promjene. Sredinom 1930-ih formulisana je teorija koja opisuje kinetičke zavisnosti inaktivirajućih i mutagenih efekata jonizujućeg zračenja - takozvana "teorija mete". Najvažniji eksperimenti, koji su postali osnova ove teorije, izvedeni su u periodu 1931-1937. N. V. Timofeev-Resovsky, M. Delbryuk, R. Zimmer i drugi istraživači.

Važno dostignuće na putu ka veštačkoj proizvodnji mutacija bio je rad V. V. Saharova (1932, 1938) i M. E. Lobaševa (1934, 1935) o hemijskoj mutagenezi. Saharov je pokazao mutageno dejstvo joda, a Lobašev - amonijaka. Novu fazu u proučavanju uloge hemijskih faktora u procesu mutacija otkrili su I. A. Rapoport (1943, 1946, 1947) i S. Auerbach (1943), koji su ukazali na snažno mutageno dejstvo pojedinih hemikalija.

Trenutno je poznat veliki broj supstanci koje pojačavaju proces mutacije. Razvijena je teorija djelovanja mutagenih spojeva na nasljedne strukture, a intenzivno se razvijaju problemi specifičnosti djelovanja mutagena.

Klasifikacija mutacija

Velika količina akumuliranog materijala u području proučavanja nasljedne varijabilnosti omogućila je stvaranje klasifikacije tipova mutacija.

Utvrđeno je postojanje tri klase mutacija – genske, hromozomske i genomske. Prva klasa uključuje promjene koje utiču na samo jedan gen. U tom slučaju, ili je rad gena potpuno poremećen i, posljedično, tijelo gubi jednu od svojih funkcija, ili se njegova funkcija mijenja. Kromosomske mutacije, odnosno promjene u strukturi hromozoma, zauzvrat, dijele se na nekoliko tipova. Pored translokacija o kojima smo gore govorili, može doći do udvostručavanja, utrostručenja, itd. pojedinih dijelova hromozoma. Takve mutacije se nazivaju duplikacije. Ponekad slomljeni komad hromozoma može ostati u istom hromozomu, ali će biti naopako; u ovom slučaju, redoslijed gena u hromozomu se mijenja. Ova vrsta mutacije naziva se inverzija. Ako je dio hromozoma izgubljen, to se naziva delecija ili nedostatak. Sve ove vrste hromozomskih preuređivanja objedinjene su pod opštim pojmom - hromozomske aberacije.

Konačno, mutacije se mogu izraziti u promjeni broja hromozoma. Takve mutacije se nazivaju genomske. Pokazalo se da se pojedinačni hromozomi mogu duplicirati ili izgubiti, što rezultira stvaranjem heteroploida. Češće se skup hromozoma višestruko povećava i nastaju poliploidi, odnosno ćelije ili čitavi organizmi sa viškom skupova hromozoma.

Proučavanje skupova hromozoma (kariotipova) različitih vrsta otkrilo je široku rasprostranjenost poliploidije u prirodi, posebno među biljkama, za mnoge od kojih je opisan veliki broj poliploidnih serija. Na primjer, predstavnici roda Triticum su raspoređeni u takvom redu - Triticum toposossite ima 14 hromozoma (diploida); Tr. turgidum, Tr. durum nosi 28 hromozoma (tetraploida); u Tr. vulgare i Tr. spelta, broj hromozoma je 42 (heksaploidi). U rodu Solanum praćeni su sljedeći nizovi: 12, 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 144 hromozoma (haploidni broj hromozoma u ovom rodu može se umnožiti do 24 puta). Rod Rosa karakteriše broj: 14, 21, 28, 35, 42, 56 hromozoma. Poliploidne serije ne sadrže nužno članove sa udvostručenim, četverostrukim, šesterostrukim itd. skupovima hromozoma. Dakle, u rodu Crepis se uočava izražena poliploidija, ali se broj hromozoma u nizu povećava na sljedeći način: 6, 8, 10, 12, 16, 18, 24, 40, 42. Takvih rodova ima mnogo u biljno carstvo.

Umjetna proizvodnja poliploida

Nakon otkrića prirodnih poliploida, bilo je moguće umjetno dobiti poliploide različitih organizama. Ovo otkriće je bilo najvažnije dostignuće eksperimentalne genetike.

Jedan od prvih veštačkih poliploida bili su paradajz i velebilje sa četvorostrukim skupovima hromozoma, koje je dobio G. Winkler 1916. godine. Otkrićem poliploidogenih supstanci (kolhicin alkaloid, proizvod sublimacije ulja - acetanaften, itd.) postalo je moguće neobično ubrzati proizvodnju poliploida i na njihovoj osnovi započeti selekciju novih, visokoprinosnih sorti biljaka.

Godine 1927. G.D. Karpechenko je po prvi put u svijetu stvorio novi organizam, koji nije pronađen u prirodi, nazvan Raphanobrassica, u kojem su se hromozomi rotkvice (Raphanus) kombinirali s hromozomima kupusa (Brassica) metodom poliploidije. Ovisno o sadržaju hromozoma ove ili one vrste u stanicama nove biljke, mijenjao se i oblik njenih plodova. Dakle, sa jednakim brojem tih i drugih hromozoma, plod je bio pola retko, pola kupus; sa kombinacijom 9 retkih hromozoma i 18 hromozoma kupusa, dve trećine kupusa i jedna trećina retke itd. vrste. Švedski genetičar A. Müntzing (1930) je metodom ukrštanja uspio dobiti treću - 32-hromozomsku vrstu - G. tetrahit (1932) od dvije 16-hromozomske vrste pikulnika (Galeopsis speciosa, G. pubescens).

Kasnije je otkriveno da poliploidija nije ograničena na biljni svijet. Koristeći isti metod poliploidizacije, B. L. Astaurov je 40-ih godina ostvario proizvodnju fertilnih hibrida ukrštanjem svilenih buba dvije vrste Bombux mori i B. mandarina.

Proučavanje genetske osnove evolucije

Dokaz stava o nenestajanju recesivnih osobina pri ukrštanju organizama, koji je iznio Mendel, pokazao se vrlo važnim za razvoj evolucijske doktrine. Ova odredba je omogućila da se prevaziđe prigovor engleskog matematičara F. Jenkina, da se nasljedne promjene koje se ponovo javljaju u prirodi ne mogu širiti u prirodi zbog "raspadanja" među masom normalnih nepromijenjenih jedinki koja ih okružuje. Nakon ponovnog otkrivanja Mendelovih zakona i dokaza da se faktori koji određuju razvoj nasljednih osobina prenose na potomke bez fragmentacije, "Jenkipova noćna mora" je raspršena. Postalo je jasno da sve mutacije koje se javljaju prirodno ne nestaju, već idu ili u recesivno stanje ili ostaju dominantne (vidi i Poglavlje 17).

K. Pearson je 1904. godine obrazložio tzv. zakon stabilizirajućeg ukrštanja, prema kojem se, u uvjetima slobodnog ukrštanja, za bilo koji početni odnos broja homozigotnih i heterozigotnih roditeljskih oblika, kao rezultat prvog ukrštanja, a uspostavlja se ravnotežno stanje unutar zajednice. Godine 1908. engleski matematičar G. Hardy došao je do zaključka da je u beskonačno velikim populacijama u prisustvu slobodnog ukrštanja, u odsustvu pritiska mutacija, migracija i selekcije, relativan broj homozigota (i dominantnih i recesivnih) i heterozigota. individue će ostati konstantne pod uslovom jednakosti proizvoda broja homozigotnih (dominantnih recesivnih) individua na kvadrat polovine broja heterozigotnih oblika. Dakle, prema Hardyjevom zakonu (koji se često naziva i Hardy-Weibergov zakon), u populaciji u prisustvu slobodnog ukrštanja, mora postojati potpuno definirana i ravnotežno održavana distribucija mutantnih oblika. Treba naglasiti da iako je matematički rigorozna forma ovih pravilnosti dala sasvim jasnu predstavu o genetskim osnovama evolucijskog procesa, te pravilnosti evolucijski biolozi dugo vremena nisu prepoznavali. Između darvinizma i genetike postojao je ponor, a rad u jednoj oblasti odvijao se potpuno izolovano od rada u drugoj.

Tek 1926. S. S. Četverikov je objavio veliki rad, koji je po prvi put skrenuo pažnju na opšti biološki značaj proračuna Pirsona, Hardija i dr. Četverikov je detaljno ispitao biološke i genetske osnove evolucije (uloga mutacija, ili varijacije gena, po njegovoj terminologiji, širenje mutacija, uslovi slobodnog ukrštanja, uloga prirodne selekcije i izolacije, uloga genotipske sredine) i postavio temelje nove naučne discipline – populacione genetike. Dalji razvoj populacione genetike povezan je s radovima S. Wrighta, R. Fishera, N. P. Dubinina, F. G. Dobzhanskog i drugih.

Četverikov i njegovi učenici N.K. Belyaev, S.M. Gershenzon, P.F. Rokitsky i D.D. Romashov prvi su izvršili eksperimentalnu genetsku analizu prirodnih populacija Drosophila, koja je u potpunosti potvrdila njihovu zasićenost recesivnim mutacijama. Slične rezultate su dobili E. A. i N. V. Timofeev-Resovsky u proučavanju populacija drozofila (1927 - 1931), kao i drugi istraživači.

Četverikovljeve ideje poslužile su kao osnova za dalje proučavanje populacione genetike. Pravilnosti koje su izveli Pirson i Hardi važile su samo za "idealne" populacije. Naknadna analiza zaključaka ovih autora pokazala je da su oni primjenjivi samo na apstraktnu, neograničenu populaciju; u stvarnim populacijama postoji odstupanje stvarne učestalosti mutacija od očekivane. Ovaj proces se odvija prema probabilističkim zakonima i dovodi do oštrog restrukturiranja genetske strukture populacije. Budući da samo dvije individue od cjelokupnog potomstva bilo kog para roditelja dođu u pubertet i u prosjeku daju potomstvo, mogućnost održavanja novonastale mutacije u populaciji ovisi o mnogim faktorima (vjerovatnost njene smrti; učestalost ponavljanja mutacije). ista mutacija; razlike u broju preostalih potomaka od različitih roditelja, stepen izolacije u populaciji itd.).

Utvrđeno je da je postojanost i širenje mutacija u populaciji određeno genetsko-automatskim procesima. Detaljnu analizu ovih procesa izvršili su Romašov (1931), Dubinjin (1931) i Rajt (1921, 1931). Potonji ih je nazvao "fenomen drifta gena u populaciji", a Četverikov - "genetičko-stohastičkim", naglašavajući njihovu vjerovatnoću-statističku prirodu. Statistička analiza, potkrijepljena eksperimentima na stvarnim populacijama, pokazala je da u prosjeku od 104 različite mutacije koje se istovremeno javljaju, nakon 100 generacija ostaje oko 150 mutacija, a nakon 500 generacija samo 40*. Tako se, kao rezultat genetsko-automatskih procesa, mnoge mutacije u nastajanju uništavaju, a samo neke se dovode do nivoa primjetnih koncentracija. Budući da selekcija u populaciji jako ovisi o prosječnim koncentracijama alela, povećanje broja pojedinačnih mutacija zbog genetski automatskih procesa trebalo bi dovesti do naglog povećanja stope selekcije u populaciji. Zbog vjerovatnoće prirode genetski automatskih procesa, oni mogu ili eliminirati pojedinačne mutacije ili povećati njihov broj, omogućavajući selekciji da izvrši mehanizam "pokušaja i pogreške". Genetsko-automatski procesi konstantno dovode rijetke mutacije na nivo selekcijske akcije i na taj način pomažu ovoj potonjoj da brzo "revidira" nove varijante mutanata. Ako selekcija odbije mutacije, one brzo prelaze u zonu niskih koncentracija ili potpuno nestaju iz populacije; ako se pokupe selekcijom, brzo se šire kroz populaciju, zaobilazeći dugu fazu niske koncentracije koja je nedostupna selekciji. Dakle, genetski automatski procesi ubrzavaju evoluciju novih mutacija smanjujući rane faze reprodukcije novonastalih mutacija.

* (I. P. Dubinin. Evolucija stanovništva i radijacija. M., Atomizdat, 1966.)

Detaljno proučavanje genetičke strukture prirodnih populacija i brzine širenja mutacija u prirodi sada je postala oblast biologije koja se aktivno razvija na osnovu matematičkih metoda. Od velikog značaja za razvoj ove oblasti su modelski eksperimenti u kojima se proučava sudbina eksperimentalno stvorenih populacija i utvrđuje uloga različitih oblika izolacije i selekcije.

Problem fragmentacije gena

Do početka 30-ih godina XX veka. osnove teorije gena. Već prva dostignuća hibridološke analize pokrenula su problem diskretnosti nasljednog materijala. U Mendelovim eksperimentima ova ideja je dobila pouzdanu eksperimentalnu potvrdu. Smatralo se da je gen odgovoran za razvoj jedne osobine i da se prenosi prilikom ukrštanja kao nedjeljiva cjelina. Otkriće mutacija i crossing u početku je također potvrdilo nedjeljivost gena. Dakle, A. Catell je dobio druge mutante od mutantnih (žutih) voćnih mušica, ali svaka nova mutacija je zahvatila cijeli gen. N. V. Timofeev-Resovsky (1925-1929), G. Möller (1928) i M. Demerets (1928), primivši takozvane reverzne mutacije (tj. pretvaranje muva mutanata u normalne), pobrinuli su se da jedno stanje gen potpuno zamijenjen novim. Prilikom proučavanja crossing overa, također je utvrđeno da se tokom ovog procesa mogu prenijeti dijelovi hromozoma različite dužine, ali minimalni preneseni dio odgovara jednom genu. Prekidi unutar gena nikada nisu uočeni. Kao rezultat generalizacije svih ovih podataka, definicija gena je dobila sljedeću formulaciju: gen je elementarna jedinica nasljeđa, koju karakterizira dobro definirana funkcija, koja mutira tokom križanja u cjelini. Drugim riječima, gen je jedinica genetske funkcije, mutacije i križanja.

Godine 1928., ova naizgled dobro uspostavljena teorija o nedjeljivosti gena doživjela je svoje prvo ograničenje. Neposredno nakon otkrića mutagenog djelovanja rendgenskih zraka, korišteni su u mnogim laboratorijama širom svijeta za dobivanje mutacija. Takav rad je obavljen u laboratoriji A. S. Serebrovskog na Biološkom institutu. K. A. Timiryazev. Godine 1928., u istoj laboratoriji, N.P. Dubinin je počeo da istražuje uticaj rendgenskih zraka na Drosophila i otkrio neobičnu mutaciju. Formiranje čekinja na tijelu muha kontrolira poseban šiljasti gen. Mutacija scute gena, koju je prvi otkrio američki genetičar Payne (1920.), više puta se javljala u eksperimentima, a kada se pojavi, razvoj devet čekinja je potisnut. Scute mutacija koju je identifikovao Dubinin potisnula je razvoj samo četiri seta. Budući da je pojam mutacije cijelog gena bio općeprihvaćen, pojava takve mutacije se činila potpuno neshvatljivom. U sljedećem eksperimentu pronađena je mutacija koja je zahvatila ne 4 ili 9, već 18 čekinja na tijelu muhe. Drugim riječima, kao da su dva gena oštećena odjednom. Dubinin je ove mutacije označio kao scute-1, scute-2 i scute-3. Postalo je jasno da gen nije nedjeljiva genetska struktura, već je to regija hromozoma, čiji pojedinačni dijelovi mogu mutirati nezavisno jedan od drugog. Ovaj fenomen nazvan je stepenasti alelomorfizam Serebrovskog.

Nakon N. P. Dubinina, I. I. Agol je pronašao četvrtu mutaciju - scute-4, koja se nije poklapala s prve tri; A. E. Gaisinovich - scute-5; tada je A. S. Serebrovsky otkrio mutaciju scute-b; S. G. Levit - scute-7; B. N. Sidorov - scute-8; N. P. Dubinin - mutacije scute-9, scute-10, scute-11, scute-13, scute-15, scute-16, scute-17; H. I. Shapiro - scute-12; L. V. Trajekt - scute-14. Tako je konačno dokazan fenomen fragmentacije gena.

Jedna od glavnih prednosti rada na proučavanju stepenastih alelomorfa bila je kvantitativna metoda brojanja mutanata. Nakon što su razvili sistem koji je omogućio kvantifikaciju rezultata svake mutacije, Serebrovsky, Dubinin i drugi autori su istovremeno otkrili fenomen dodavanja jednog mutantnog gena drugom. U ovom slučaju, poremećena funkcija jednog gena korigovana je normalnom funkcijom drugog gena. Drugi gen bi, zauzvrat, mogao biti defektan u drugoj regiji, normalan u prvom genu. Ovaj fenomen je naknadno ponovo otkriven u mikroorganizmima i nazvan je komplementacija. Za niz radova o hromozomskoj teoriji nasljeđa i teoriji mutacija, Dubinjin je 1966. godine dobio Lenjinovu nagradu.

Međutim, nakon što su pokazali mutacijsko cijepanje gena, Serebrovski i osoblje njegove laboratorije, međutim, dugo vremena nisu mogli potvrditi cijepanje gena pomoću ukrštanja. Činjenica je da je moć razlučivanja križanja u odnosu na hromozome viših organizama vrlo ograničena. Da bi se otkrio prekid gena, bilo je potrebno testirati ogroman broj muva. Takav eksperiment organiziran je tek 1938. godine, kada su N. P. Dubinin, N. N. Sokolov i G. G. Tinyakov uspjeli da razbiju scute gen i citološki testiraju svoj rezultat na divovskim hromozomima pljuvačnih žlijezda Drosophila. Konačno rješenje pitanja da li se gen dijeli ne samo mutacijom, već i mehanički, postignuto je u radovima M. Greena (1949), E. Lewisa (1951) i G. Pontecorvoa (1952). Konačno je utvrđeno da je pogrešno smatrati gen neobično stabilnom, dalje nedjeljivom strukturom. Došlo je vrijeme da se razvije nova teorija gena, da se odrede specifične fizičke strukture odgovorne za implementaciju različitih genetskih funkcija. Zbog čisto tehničkih poteškoća, ove probleme nije bilo moguće riješiti na složenim višećelijskim organizmima, jer je za to bilo potrebno proučavati desetine i stotine hiljada muha. Mikroorganizmi su priskočili u pomoć.

Prelazak na genetičko istraživanje mikroorganizama bio je veliki korak naprijed u proučavanju genetskih problema. Novi predmeti proučavanja imali su prednost u tome što su davali ogromne populacije, izuzetno brzo se razmnožavali, imali su izuzetno jednostavan genetski aparat (njihovi hromozomi se sastoje od jednog molekula DNK), imali su jasne, dobro odabrane mutante. Razvojem eksperimenata na mikroorganizmima, genetika je prešla na molekularni nivo istraživanja, što je donijelo rješenje mnogih tajni organizacije živih bića.

I oplodnju. Ova zapažanja su formirala osnovu za pretpostavku da se geni nalaze na hromozomima. Međutim, eksperimentalni dokaz lokalizacije specifičnih gena u specifičnim hromozomima dobio je tek godine američki genetičar T. Morgan, koji je u narednim godinama (-) potkrijepio kromosomsku teoriju nasljeđa. Prema ovoj teoriji, prijenos nasljednih informacija povezan je s hromozomima, u kojima su geni lokalizirani linearno, u određenom nizu. Dakle, hromozomi su materijalna osnova naslijeđa.

Formiranje hromozomske teorije olakšali su podaci dobijeni proučavanjem genetike pola, kada su ustanovljene razlike u setu hromozoma kod organizama različitih polova.

Sex Genetics

Slična metoda određivanja spola (XY-tip) svojstvena je svim sisavcima, uključujući i ljude, čije stanice sadrže 44 autosoma i dva X hromozoma kod žena ili XY hromozoma kod muškaraca.

Na ovaj način, Određivanje spola tipa XY, ili tip drozofile i čovjeka, - najčešći način određivanja spola, karakterističan za većinu kralježnjaka i neke beskičmenjake. Tip X0 se nalazi kod većine pravokrilaca, buba, buba, paukova, koji uopšte nemaju Y hromozom, pa mužjak ima genotip X0, a ženka XX.

Kod svih ptica, većine leptira i nekih gmizavaca, mužjaci su homogametnog pola, dok su ženke heterogametne (XY tip ili XO tip). Polni hromozomi kod ovih vrsta su označeni slovima Z i W, kako bi se istakao ovaj način određivanja pola; dok je skup muških hromozoma označen simbolom ZZ, a ženskih simbolom ZW ili Z0.

Dokazi da spolni hromozomi određuju spol organizma dobiveni su proučavanjem nedisjunkcije polnih hromozoma kod Drosophile. Ako oba polna hromozoma padaju u jednu od gameta, a nijedan u drugu, onda kada se takve gamete spoje sa normalnim, mogu se dobiti jedinke sa skupom polnih hromozoma XXX, XO, XXY itd. Ispostavilo se da u Drosophila, jedinke sa skupom XO su mužjaci, a sa skupom XXY - ženke (kod ljudi - obrnuto). Osobe sa XXX skupom imaju hipertrofirane ženske osobine (superženke). (Pojedinci sa svim ovim hromozomskim aberacijama su sterilni kod Drosophile.) Kasnije je dokazano da je kod Drosophile pol određen omjerom (ravnotežom) između broja X hromozoma i broja skupova autosoma.

Nasljeđivanje spolno vezanih osobina

U slučaju kada su geni koji kontroliraju formiranje određene osobine lokalizirani u autosomima, dolazi do nasljeđivanja bez obzira na to koji je od roditelja (majka ili otac) nosilac ispitivane osobine. Ako se geni nalaze na polnim hromozomima, priroda nasljeđivanja osobina se dramatično mijenja. Na primjer, kod Drosophile, geni koji se nalaze na X kromosomu, po pravilu, nemaju alele na Y kromosomu. Iz tog razloga, recesivni geni na X hromozomu heterogametnog pola gotovo uvijek se pojavljuju u jednini.

Osobine čiji se geni nalaze na polnim hromozomima nazivaju se spolno vezanim osobinama. Fenomen nasljeđivanja vezanog za spol otkrio je T. Morgan u Drosophili.

X- i Y-hromozomi kod ljudi imaju homolognu (pseudoautosomalnu) regiju, gdje su lokalizirani geni, čije se nasljeđivanje ne razlikuje od nasljeđivanja autosomnih gena.

Pored homolognih regiona, X- i Y-hromozomi imaju nehomologne regione. Nehomologna regija Y hromozoma, pored gena koji određuju muški spol, sadrži gene za pletenje između prstiju na nogama i dlakavih ušiju kod ljudi. Patološke osobine vezane za nehomolognu regiju Y hromozoma prenose se na sve sinove, jer oni dobijaju Y hromozom od oca.

Nehomologna regija X hromozoma sadrži niz gena važnih za život organizama. Budući da heterogametni spol (XY) ima X hromozom u jednini, osobine određene genima nehomolognog dijela X hromozoma će se pojaviti čak i ako su recesivne. Ovo stanje gena naziva se hemizigotnim. Primjer ove vrste X-vezanih recesivnih osobina kod ljudi je hemofilija, Duchenneova mišićna distrofija, atrofija optičkog živca, sljepoća za boje (sljepilo za boje) itd.

Hemofilija je nasljedna bolest u kojoj krv gubi sposobnost zgrušavanja. Rana, čak i ogrebotina ili modrica, mogu uzrokovati obilno vanjsko ili unutrašnje krvarenje, koje često završava smrću. Ova bolest se javlja, uz rijetke izuzetke, samo kod muškaraca. Utvrđeno je da su oba najčešća oblika hemofilije (hemofilija A i hemofilija B) uzrokovana recesivnim genima koji se nalaze na X hromozomu. Žene heterozigotne za ove gene (nosioce) imaju normalno ili blago smanjeno zgrušavanje krvi.

Fenotipska manifestacija hemofilije kod djevojčica će se uočiti ako je majka djevojčice nosilac gena za hemofiliju, a otac hemofiličar. Sličan obrazac nasljeđivanja karakterističan je i za druge recesivne, spolno vezane osobine.

Povezano nasljeđivanje

Nezavisna kombinacija osobina (Mendelov treći zakon) izvodi se pod uslovom da se geni koji određuju ove osobine nalaze u različitim parovima homolognih hromozoma. Stoga je u svakom organizmu broj gena koji se mogu samostalno kombinirati u mejozi ograničen brojem kromosoma. Međutim, u organizmu broj gena znatno premašuje broj hromozoma. Na primjer, prije ere molekularne biologije, proučavano je više od 500 gena u kukuruzu, više od 1.000 u mušici Drosophila i oko 2 hiljade gena kod ljudi, dok oni imaju 10, 4 i 23 para hromozoma, respektivno. Činjenica da je broj gena u višim organizmima nekoliko hiljada bila je jasna još W. Settonu početkom 20. vijeka. To je dalo razlog za pretpostavku da su mnogi geni lokalizirani u svakom kromosomu. Geni koji se nalaze na istom hromozomu formiraju vezu i zajedno se nasljeđuju.

T. Morgan je predložio da se zajedničko nasljeđivanje gena nazove povezanim nasljeđivanjem. Broj veznih grupa odgovara haploidnom broju hromozoma, budući da se grupa povezivanja sastoji od dva homologna hromozoma u kojima su lokalizovani isti geni. (Kod jedinki heterogametnog pola, na primjer, kod mužjaka sisara postoji zapravo još jedna vezana grupa, budući da X i Y hromozomi sadrže različite gene i predstavljaju dvije različite grupe vezivanja. Tako žene imaju 23 grupe vezivanja, a kod muškaraca - 24).

Način nasljeđivanja povezanih gena razlikuje se od nasljeđivanja gena koji se nalaze u različitim parovima homolognih hromozoma. Dakle, ako, nezavisnom kombinacijom, diheterozigot formira četiri tipa gameta (AB, Ab, aB i ab) u jednakim količinama, onda sa povezanim nasleđem (u nedostatku ukrštanja), isti diheterozigot formira samo dve vrste gamete: (AB i ab) takođe u jednakim količinama. Potonji ponavljaju kombinaciju gena u roditeljskom hromozomu.

Utvrđeno je, međutim, da pored običnih (necrossover) gameta nastaju i druge (crossover) gamete sa novim kombinacijama gena - Ab i aB, koje se razlikuju od kombinacija gena u roditeljskim hromozomima. Razlog za pojavu ovakvih gameta je izmjena dijelova homolognih hromozoma, odnosno crossing over.

Crossing se javlja u profazi I mejoze tokom konjugacije homolognih hromozoma. U ovom trenutku, dijelovi dva hromozoma mogu preći i zamijeniti svoje dijelove. Kao rezultat, nastaju kvalitativno novi hromozomi koji sadrže dijelove (gene) i majčinih i očevih hromozoma. Jedinke koje su dobijene iz takvih gameta s novom kombinacijom alela nazivaju se crossingover ili rekombinantne.

Učestalost (procenat) ukrštanja između dva gena koja se nalaze na istom hromozomu proporcionalna je udaljenosti između njih. Ukrštanje između dva gena se događa rjeđe što su bliži jedan drugom. Kako se rastojanje između gena povećava, vjerovatnoća da će ih križanje razdvojiti na dva različita homologna hromozoma raste sve više i više.

Udaljenost između gena karakterizira snagu njihove veze. Postoje geni sa visokim procentom povezanosti i oni kod kojih veza gotovo da nije otkrivena. Međutim, sa povezanim nasljeđivanjem, maksimalna frekvencija ukrštanja ne prelazi 50%. Ako je veći, onda postoji slobodna kombinacija između parova alela, koja se ne razlikuje od nezavisnog nasljeđivanja.

Biološki značaj ukrštanja je izuzetno velik, budući da genetska rekombinacija omogućava stvaranje novih, ranije nepostojećih kombinacija gena i na taj način povećava nasljednu varijabilnost, što pruža široke mogućnosti organizmu da se prilagodi različitim uvjetima okoline. Osoba posebno provodi hibridizaciju kako bi dobila potrebne kombinacije za korištenje u oplemenjivačkom radu.

Koncept genetske mape

T. Morgan i njegovi saradnici C. Bridges, A. G. Sturtevant i G. J. Meller eksperimentalno su pokazali da poznavanje fenomena povezivanja i ukrštanja omogućava ne samo da se uspostavi veza gena, već i da se izgrade genetske mape hromozoma, koje ukazuju na redoslijed rasporeda gena na hromozomu i relativne udaljenosti između njih.

Genetska mapa hromozoma je dijagram međusobnog rasporeda gena koji su u istoj grupi veza. Takve mape se sastavljaju za svaki par homolognih hromozoma.

Mogućnost ovakvog mapiranja zasniva se na konstantnosti procenta križanja između određenih gena. Genetske karte hromozoma sastavljene su za mnoge vrste organizama: insekte (drozofila, komarac, žohar, itd.), gljive (kvasac, aspergilus), bakterije i viruse.

Prisustvo genetske karte ukazuje na visok stepen proučavanja određene vrste organizma i predstavlja veliki naučni interes. Takav organizam je odličan predmet za dalji eksperimentalni rad, koji ima ne samo naučni već i praktični značaj. Konkretno, poznavanje genetskih karata omogućava planiranje rada na dobivanju organizama s određenim kombinacijama svojstava, što se danas široko koristi u oplemenjivačkoj praksi. Dakle, stvaranje sojeva mikroorganizama sposobnih da sintetiziraju proteine, hormone i druge složene organske tvari neophodne za farmakologiju i poljoprivredu moguće je samo na osnovu metoda genetskog inženjeringa, koje se pak temelje na poznavanju genetskih mapa odgovarajućih mikroorganizama.

Ljudske genetske karte mogu se takođe pokazati korisnim u zdravstvu i medicini. Znanje o lokalizaciji gena u određenom hromozomu koristi se u dijagnozi niza teških nasljednih bolesti čovjeka. Već sada postoji mogućnost genske terapije, odnosno korekcije strukture ili funkcije gena.

Glavne odredbe hromozomske teorije nasljeđa

Analiza fenomena povezanog nasljeđivanja, križanja, poređenje genetskih i citoloških karata omogućavaju nam da formuliramo glavne odredbe hromozomske teorije nasljeđa:

• Geni se nalaze na hromozomima. Štaviše, različiti hromozomi sadrže nejednak broj gena. Osim toga, skup gena za svaki od nehomolognih hromozoma je jedinstven.
• Alelni geni zauzimaju iste lokuse na homolognim hromozomima.
• Geni se nalaze na hromozomu u linearnom nizu.
• Geni jednog hromozoma formiraju veznu grupu, odnosno nasljeđuju se pretežno vezano (zajednički), zbog čega dolazi do povezanog nasljeđivanja nekih osobina. Broj vezanih grupa jednak je haploidnom broju hromozoma date vrste (u homogametnom polu) ili više za 1 (u heterogametnom polu).
• Veza se prekida kao rezultat ukrštanja, čija je učestalost direktno proporcionalna udaljenosti između gena u hromozomu (dakle, snaga veze je obrnuto proporcionalna udaljenosti između gena).
• Svaku biološku vrstu karakterizira određeni skup hromozoma - kariotip.

Izvori

• N. A. Lemeza L. V. Kamlyuk N. D. Lisov "Priručnik za biologiju za kandidate za univerzitete"

Bilješke

Wikimedia fondacija. 2010 .

Osnivač teorije, Thomas Gent Morgan, američki genetičar, nobelovac, iznio je hipotezu o ograničenosti Mendelovih zakona.

U svojim eksperimentima koristio je voćnu mušicu Drosophila, koja ima kvalitete važne za genetske eksperimente: nepretencioznost, plodnost, mali broj hromozoma (četiri para) i mnoge različite alternativne osobine.

Morgan i njegovi učenici su ustanovili sljedeće:

1. Oznake i svojstva organizma određuju geni. Geni su lokalizirani u hromozomima i tamo su locirani linearno na određenoj udaljenosti jedan od drugog.

2. Geni koji se nalaze na istom hromozomu se nasljeđuju zajedno ili su povezani, formirajući grupe veza. Broj vezanih grupa jednak je haploidnom setu hromozoma: 4 u mušici - Drosophila, 23 - kod ljudi.

3. Između homolognih hromozoma može doći do razmene mesta (crossing over) tokom mejoze; kao rezultat križanja nastaju gamete čiji hromozomi sadrže nove kombinacije gena.

4. Po učestalosti ukrštanja može se suditi o udaljenosti i redosledu gena u hromozomu. Što je veća udaljenost, to je veća frekvencija skretnice. Za jedinicu udaljenosti između gena uzima se 1 morganid (1% križanja) ili postotak pojavljivanja crossover individua. Sa vrijednošću ove vrijednosti od 10 morganida, može se tvrditi da je učestalost ukrštanja hromozoma na tačkama lokacije ovih gena 10% i da će se nove genetske kombinacije otkriti kod 10% potomaka.

5. Da bi se utvrdila priroda lokacije gena u hromozomima i odredila učestalost prelaska između njih, izrađuju se genetske mape. Mapa odražava redoslijed gena na hromozomu i udaljenost između gena na istom hromozomu.

Pravilnosti koje je otkrila Morganova škola, a potom i potvrđene na brojnim objektima, poznate su pod općim nazivom hromozomska teorija nasljeđa. . Glavne odredbe hromozomske teorije nasljeđa su sljedeće:

1. Geni se nalaze na hromozomima. Svaki hromozom jeste

grupa genske veze. Broj vezanih grupa u svakoj vrsti jednak je haploidnom broju hromozoma.

2. Svaki gen u hromozomu zauzima određeno mjesto (lokus).

Geni su raspoređeni linearno na hromozomima.

3. Može doći do razmene između homolognih hromozoma

alelni geni.

4. Udaljenost između gena u hromozomu je proporcionalna procentu

prelazeći između njih.

Djelovanje zakona teorije nasljeđa proteže se i na čovjeka.

Nasljeđivanje spolno vezanih osobina

Kromosomski skup stanica određene osobe (kariotip) sastoji se od dvije vrste hromozoma: autozomi (isti hromozomi za oba pola) i polni hromozomi (X- i Y-hromozomi, u kojima se muškarci i žene razlikuju). Kombinacija polnih hromozoma određuje spol određene osobe. U većini organizama (posebno kod ljudi), ženski spol odgovara skupu XX hromozoma (tj. sva formirana jajašca normalno sadrže jedan X hromozom), a muški pol odgovara XY hromozomima (tokom spermatogeneze, oni čine 50% spermatozoida koji sadrže X hromozom i 50% spermatozoida koji sadrže Y hromozom). Naziva se spol koji ima dva X hromozoma homogametičan, i XY - heterogametičan

Međutim, u prirodi postoji niz izuzetaka od ovog pitanja. Tako, na primjer, kod nekih insekata, vodozemaca, ptica itd., muški organizam će imati dva X hromozoma, a ženski organizam će imati XY; kod pravokrilaca je ženski pol homogametičan (XX), a muški je heterogametičan (X0), tj. bez Y hromozoma. Obično se u ovim slučajevima X hromozom označava sa Z, a Y hromozom sa W.

znakovi, čiji se geni nalaze na polnim hromozomima nazivaju se podno vezano. X- i Y-hromozomi imaju zajedničke homologne regije. Sadrže gene koji određuju osobine koje se jednako nasljeđuju i kod muškaraca i kod žena.

Osim homolognih regija, X i Y hromozomi imaju nehomologne regije, dok nehomologna regija X hromozoma sadrži gene koji su prisutni samo na X hromozomu, a nehomologna regija Y hromozoma sadrži gene koji su prisutni samo na Y hromozomu. Nehomologne regije X hromozoma sadrže niz gena. Na primjer, kod ljudi se ovim područjima prenose bolesti kao što su hemofilija, atrofija optičkog živca, dijabetes melitus, sljepoća za boje, a kod muva Drosophila, na primjer, boja tijela i boja očiju

Obrazac nasljeđivanja hemofilije kod ljudi:

X H - gen odgovoran za normalno zgrušavanje krvi;

X h - gen koji uzrokuje inkoagulaciju krvi (hemofiliju).

R X N X h Ο  X N Y

zdrav nosilac gena

hemofilija

G X N, X h X N, Y

F 1 H N H N, H N H h, H N Y, H h Y

zdrav nosilac - zdrav bolesnik

Gen koji kontroliše zgrušavanje krvi (H) je dominantan, a njegov alel hemofilije (h) je recesivan, pa ako je žena heterozigotna za ovaj gen (X H X h), neće razviti hemofiliju. Muškarci imaju samo jedan X hromozom i ako ima gen za hemofiliju (h), onda muškarac ima hemofiliju.

Djevojčica koja boluje od hemofilije može se roditi samo iz braka žene heterozigotne na hemofiliju i muškarca koji boluje od ove bolesti, ali su takvi slučajevi rijetki.

Kod jedinki heterogametnog pola (XY), određeni broj alela lokaliziranih u nehomolognim regijama ne formira alelne parove; nose samo jedan par alela. Takvo stanje, kada su dati region hromozoma i aleli lokalizovani u njemu, predstavljeni u jednini, naziva se hemizigotnost. Hemizigotnost je prisutna u malom broju alela lokaliziranih u nehomolognim regijama ljudskog Y hromozoma. Njihov prijenos ide isključivo po muškoj liniji, a sami znakovi nazivaju se holandskim. Tako, na primjer, razvoj primarnih i sekundarnih spolnih karakteristika muškog spola, dlakavost ušne školjke (hipertrihoza) itd.