Хромосомы
Хромосомы — нуклеопротеидная структура в ядре эукариотической клетки (которая содержит ядро), они становятся хорошо заметны в определённых фазах клеточного цикла (во время мейоза или митоза).
Хромосомы
Хромосомы человека были открыты сравнительно недавно — в 1902 году. Точное их число стало известно только двадцать лет назад. О числе генов у человека еще идут споры — оценки колеблются от двух тысяч до ста тысяч пар в каждой клетке. Но уже составлена первая хромосомная карта человека.
Хромосомная карта человека — это схема расположения генов в хромосомах. Составить такую карту человеческих хромосом — задача, казалось бы, безнадежная.
Получены хромосомные карты организмов, широко применяемых в лаборатории для генетических опытов,- мухи дрозофилы, домовой мыши, бактерии кишечная палочка, а также некоторых растений — кукурузы, томата.
У бактерии около 1000 генов, и найдено местоположение почти всех их. Из 5000 генов дрозофилы известно положение почти двух тысяч. Карты составлены на основании многих тысяч опытов по скрещиванию особей с разными признаками и регистрации того, как эти признаки передаются потомству. Естественно, к человеку такой метод неприменим. Здесь допустимо только наблюдение.
В ядре каждой клетки человеческого организма содержится 46 хромосом: 22 пары обычных и 1 пара половых. У женщины последняя пара состоит из двух одинаковых хромосом — XX, у мужчины в этой паре две разных хромосомы — X и У. Как известно, главный компонент хромосом — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
Общая длина молекул ДНК в каждой клетке человека — около четырех метров. Генетическая информация записана вдоль нити ДНК, и синтезирующие механизмы клетки, читая эту запись, строят по ее указаниям различные белки.
Это структурные белки, служащие как бы строительными блоками организма, многочисленные ферменты, от которых зависят биохимические процессы и развитие организма, иммуноглобулины, борющиеся против вторжений микробов, и многие другие жизненно важные соединения.
Ген — это участок ДНК, содержащий указания по синтезу того или иного белка.
Хромосомы человека различаются по своим размерам и по внешности. Это позволило закрепить за ними номера.
Разглядеть же в хромосомах отдельные гены пока не удается. Да и все равно по их внешнему виду нельзя было бы сказать, какова их функция.
И приходится выявлять их только по результатам их работы — по особенностям внешнего облика человека, по составу его крови, по особенностям функционирования организма.
Представьте, что инженеру поставлена сложная задача — понять устройство и составить схему неизвестного прибора, причем разбирать его или проводить с ним какие-либо опыты запрещено, можно только смотреть на результаты его работы.
Генетика изучает наследственные болезни
Примерно в таком же положении и генетики, изучающие наследственный аппарат человека, правда, они имеют возможность наблюдать не один, а множество экземпляров того сложного «прибора», устройство которого им предстоит разгадать.
Приходится им иметь дело и с «поломками» изучаемого механизма — наследственными болезнями, неисправностями генетического аппарата. Их изучение нередко помогает облегчить участь больных, частично компенсировать ошибку природы.
Но если даже генетик может лишь указать причину болезни, объяснить, где именно произошла поломка в тонком механизме, это знание в дальнейшем поможет борьбе с болезнью. А сейчас оно обогатит теоретический багаж науки, чтобы в предвидимом будущем его смог использовать «генетический инженер», исправляя ошибочные записи на нити ДНК.
Примерно в таком же положении находилась и физиология человека до открытия безвредных для человека способов изучения его организма, до широкого применения лабораторных животных в качестве приближенных моделей человека. Открытия физиологов часто основывались на изучении редких болезней, и во многих случаях они позволили позже найти способы лечения.
Какие же нарушения генетического аппарата позволили начать составление генетической карты? Это, например, так называемые делеции — пропажа отдельных участков хромосом. Чтобы рассмотреть хромосомы, обычно берут пробу крови и окрашивают лейкоциты специальными красками, «липнущими» только к хромосомам.
Если при изучении хромосом человека, страдающего наследственным заболеванием, оказывается, что одна из них имеет делецию, можно предполагать, что в исчезнувшем кусочке хромосомы как раз и был тот самый ген, отсутствие которого привело к данному заболеванию. Так, в хромосоме 18 были найдены гены, отсутствие которых сказывается в замедленном умственном развитии и некоторых врожденных уродствах.
В этой же хромосоме нашли ген врожденной лысости. В хромосоме 21 по случаям делеции найдены гены, отсутствие которых ведет к болезням костей. В большинстве случаев,когда мы не знаем, что же именно делает в норме этот ген, отсутствие которого сказывается так тяжело, приходится называть его не по тому белку, который в нем закодирован, а по болезни, которая появляется, когда его нет. Например, ген краниостеноза.
По делециям выявлены также гены, отвечающие за производство некоторых белков крови (а от белкового состава зависят группы крови) и ферментов. Иногда в хромосомном наборе встречается так называемая трисомия — одна из хромосом имеется в ядре не в двойном, а в тройном количестве.
На ранних стадиях развития человеческого эмбриона в нем вырабатывается особый тип гемоглобина, который позже исчезает. Но у детей с трисомией хромосомы 13 этот эмбриональный гемоглобин сохраняется, что позволяет думать, что ген, контролирующий его синтез, содержится именно в этой хромосоме.
Случаи других хромосомных нарушений, так называемых транслокаций, тоже помогают выявлять гены. Транслокация — обрыв участка одной хромосомы и включение его в другую, а иногда в эту же самую, но в неположенном месте.
Болезни при этом, как правило, не возникают, так как гены не теряются, а лишь оказываются в другом окружении. С помощью транслокаций удалось выявить местоположение генов, отвечающих за некоторые группы крови.
Понятно, что все гены, передача которых по наследству зависит от пола ребенка, располагаются на хромосоме X. Сейчас на ней найдено довольно много генов, некоторые из них ответственны за наследственные заболевания. Так, поломка одного из генов этой хромосомы вызывает гемофилию — несвертываемость крови.
Женщины имеют две Х-хромосомы, и если неисправен один из генов сворачивания крови, другой выполняет работу за двоих. Но у мужчин, как уже сказано, Х-хромосома одна, и если ее ген окажется неисправным, человек будет страдать гемофилией.
Кроме того, на Х-хромосоме локализованы гены, отсутствие которых вызывает дальтонизм, скрытую форму диабета, слабость иммунной системы, различные варианты альбинизма, кожную болезнь ихтиоз и некоторые другие заболевания.
Отсутствие этих генов тоже выражается только на мужчинах. На Х-хромосоме нашли также гены двух групп крови и ген синтеза глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, фермента, участвующего в усвоении Сахаров и в дыхании.
А вот на У-хромосоме пока не удалось выявить ни одного гена. Но полагают, что здесь находятся два гена, отвечающих за развитие признаков, свойственных мужчине.
Метод картирования генов
В последние годы разработан новый метод картирования генов человека. Он уже помог заполнить много белых пятен.
У генетиков появилась возможность, которую они не принимали в расчет,— возможность экспериментировать.
В 1960 году французские ученые Ж. Барски, С. Сорьель и Ф. Корнферт сумели слить две клетки из культуры тканей мыши.
Гибридная клетка оказалась вдвое крупнее и имела число хромосом, равное сумме хромосомных наборов исходных клеток.
С тех пор клеточные гибриды стали получать во многих лабораториях мира.
В 1965 году метод был усовершенствован и открылась возможность сливать мышиные клетки не только с мышиными, но и с клетками других млекопитающих.
Еще через два года американские исследователи показали, что можно таким способом гибридизировать клетки человека и мыши.
Для этого используются обычно выращиваемые в питательной среде клетки удаленных злокачественных опухолей. Они быстро растут и менее капризны, чем здоровые. Сейчас получены гибриды клеток: «человек — мышь», «человек — крыса», «крыса — мышь» и «человек — человек».
У таких межвидовых гибридных клеток обнаружилось интересное свойство, которое и позволило использовать их для генетического картирования. Когда они делятся (а затем делится и их потомство), хромосомы одного из родительских видов постепенно теряются — предсказать заранее, какого именно, нельзя. Например, гибриды «человек — мышь» всегда теряют человеческие хромосомы, а «человек — крыса» — крысиные.
Эту постепенную потерю хромосом можно использовать для того, чтобы проследить, какие белки перестают синтезироваться в гибридных клетках при потере той или иной хромосомы. Современные тонкие методы анализа (например, хроматография, электрофорез) позволяют проанализировать клетки и сравнить, какие белки в них вырабатывались сначала и каких стало не хватать после первого деления, после второго и так далее.
Одновременно изучаются хромосомные наборы поделившихся клеток, и ведется учет потерянных хромосом. Предположим, из клетки исчезает фермент тимидинкиназа. Анализ хромосом показал, что потерялась 17-я хромосома человека.
Вывод: в ней и находится ген, управляющий синтезом тимидинкиназы. Так обнаружено местонахождение генов синтеза ферментов лактикодегидрогеназы (11-я хромосома), пептидазы С (1-я хромосома). Подтверждено и то, что было известно ранее,— что ген глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы находится в хромосоме X.
Удается выводить культуры клеток с определенными транслокациями (напомним, что транслокация — перенос кусочка хромосомы в другую).
Они интересны тем, что по ним можно установить не только в какой хромосоме находится тот или иной ген, но и в каком именно участке этой хромосомы он локализован.
При потере хромосомы, присвоившей чужой кусочек с тем или иным геном, сразу становится ясно, какой именно ген она унесла с собой (разумеется, если собственные ее гены уже зарегистрированы).
Искусственно получая клетки с разными транслокациями, можно «выбрасывать» поочередно отдельные кусочки хромосом и таким образом точно локализовать отдельные гены.
Метод межвидовых гибридов развивается теперь так быстро, что для установления связи между исчезновением очередной хромосомы и пропажей белка приходится применять ЭВМ.
Все эти методы выявления генов (и еще некоторые, более сложные и относящиеся скорее к биохимии, чем к генетике) позволили пока найти место примерно ста генов человека. Составление подробной карты наследственности поможет вначале предсказывать наследственные болезни еще до рождения ребенка, а позже и проводить операции на генетическом аппарате, заменять его дефектную деталь новой, взятой из нормальной клетки или синтезированной в лаборатории (работы по синтезу генов успешно ведутся).
По мнению некоторых специалистов, через пять — десять лет станет возможной диагностика практически всех наследственных заболеваний на ранних стадиях развития эмбриона. К этому времени, видимо, на генетической карте человека будет известно местоположение примерно тысячи генов.
