Не все знают, что если бы не плотная упаковка ДНК вокруг белков-гистонов, все хромосомы одной клетки пришлось бы складывать в ядро, как двухметровую нить в спичечный коробок.
Каждый человек хоть раз слышал слово «хромосомы». В школе говорят, что они находятся в ядре каждой клетки и отвечают за наследственность. Но что это такое на самом деле, как они устроены и почему от них зависит цвет глаз, пол и даже некоторые болезни, знают не все. Хромосомы похожи на очень длинные нити, на которые намотана наша ДНК. Если распутать все хромосомы одной клетки, их общая длина составит больше метра, а толщина будет в тысячи раз тоньше волоса. Именно в таком компактном виде удобно хранить и передавать по наследству огромные объемы информации.
История изучения хромосом началась больше ста лет назад, и главные открытия связаны с именем американского ученого Томаса Моргана. Он ставил опыты на крошечных плодовых мушках дрозофилах и выяснил, как именно гены расположены внутри хромосом и как они передаются из поколения в поколение. Его выводы позже назвали хромосомной теорией наследственности. Сегодня эти знания помогают врачам находить причины генетических заболеваний, а ученым — понимать, почему мы так похожи на родителей, но при этом остаемся уникальными.
Особый интерес вызывают необычные структуры, например политенные хромосомы. Они встречаются у некоторых насекомых и в тысячу раз толще обычных, поэтому их отлично видно в обычный микроскоп. Или тельце Барра — маленькая темная точка в ядре клетки, по которой можно определить женский пол, даже не глядя на половые хромосомы. А еще многие ошибочно думают, что у человека 48 хромосом. На самом деле у здорового человека их 46, и эта разница в паре хромосом когда-то помогла ученым разобраться в эволюции. В этой статье мы подробно разберем, как устроены хромосомы, чем отличаются негомологичные хромосомы от гомологичных, как их классифицируют и почему открытия Моргана до сих пор лежат в основе современной генетики.
Исторический фундамент: хромосомная теория наследственности Моргана
В начале XX века ученые уже знали, что гены как‑то связаны с наследственностью, но никто не понимал, где именно они находятся и как работают. Этот вопрос решил американский биолог Томас Хант Морган. Он выбрал для своих опытов плодовых мушек дрозофил. Эти насекомые оказались очень удобными: они быстро размножаются, у них всего четыре пары хромосом, и у них легко заметить разные признаки, например цвет глаз или форму крыльев.
Морган и его команда долгие годы скрещивали мушек и наблюдали за потомством. Они заметили, что некоторые признаки передаются вместе, будто они сцеплены друг с другом. Например, если мушка имела белую окраску глаз, то с высокой вероятностью у нее оказывались и какие‑то особенности строения тела. Морган догадался, что такие признаки определяются генами, которые лежат в одной хромосоме рядом друг с другом. Так появилось понятие сцепленного наследования.
Дальше Морган обнаружил, что сцепление не бывает абсолютным. Иногда гены из одной пары хромосом разъезжаются по разным потомкам. Ученый объяснил это явлением кроссинговера — обмена участками между парными хромосомами. Когда клетки готовятся к делению, хромосомы обмениваются кусочками, и гены, которые лежали вместе, могут разойтись. Благодаря этому у живых существ появляются новые сочетания признаков.
На основе этих наблюдений Морган сформулировал основные положения хромосомной теории наследственности. Гены расположены в хромосомах в строго определенном линейном порядке, как бусины на нитке. Каждый ген занимает свое конкретное место, которое называют локусом. Гены из одной хромосомы наследуются вместе, но кроссинговер может разорвать эту связь, причем чем дальше гены друг от друга, тем вероятнее разрыв. Позже эту идею назвали законом Моргана.
Эта теория полностью изменила генетику. Вместо абстрактных «наследственных задатков» ученые получили реальные физические объекты — хромосомы, которые можно было увидеть в микроскоп, а потом и расшифровать. Работы Моргана показали, как конкретно передаются признаки от родителей к детям, и заложили основу для всех современных исследований ДНК и генов.
Анатомия хромосомы: строение и химический состав
Хромосому можно представить в виде нити, которая в определенные моменты жизни клетки становится очень плотной и хорошо видимой в микроскоп. Если посмотреть на хромосому в тот момент, когда клетка готовится к делению, она выглядит как буква X или палочка. Вся эта конструкция состоит из двух одинаковых половинок, которые называют хроматидами. Хроматиды соединены друг с другом в одном месте, которое называется центромера. Центромера нужна, чтобы во время деления клетки специальные нити (веретено деления) могли прикрепиться к хромосоме и растащить копии в разные дочерние клетки. Кончики хромосом защищены особыми участками — теломерами. Теломеры не дают хромосомам слипаться друг с другом и предохраняют их от повреждений.
Химический состав хромосом довольно простой, если говорить о главных компонентах. Бо́льшую часть массы хромосомы составляют две вещи: дезоксирибонуклеиновая кислота, которую все знают как ДНК, и белки, в основном гистоны. ДНК — это длинная молекула, на которой записаны гены. А гистоны выполняют роль каркаса или катушек. Длинная нить ДНК наматывается на белковые шарики из гистонов, как нитка на катушку. Такая намотка позволяет упаковать огромную молекулу в очень маленький объем. Если бы не гистоны, ДНК каждой клетки растянулась бы почти на два метра, но благодаря укладке она помещается в ядре, которое в тысячи раз меньше.
Упаковка хромосомы напоминает многоступенчатый процесс. Сначала ДНК наматывается на гистоны, образуя цепочку «бусин» — нуклеосом. Эта цепочка скручивается в спираль, потом спираль укладывается в петли, а петли — в еще более толстые спирали. Так тончайшая невидимая нить превращается в плотную палочку, которую можно разглядеть даже в школьный микроскоп. Когда клетка не делится, хромосомы раскручены и похожи на клубок очень тонких нитей. В таком виде гены работают: с них считывается информация для синтеза белков. Когда же клетке нужно разделиться, хромосомы плотно скручиваются, чтобы их было удобно переносить в новые клетки без потери генетического материала.
Классификация и типы хромосом
Ученым давно потребовалось как-то различать хромосомы между собой, потому что в одной клетке их может быть много. Самый простой способ классификации основан на том, где именно в хромосоме находится центромера — то самое место, к которому крепятся нити веретена деления. Если центромера ровно посередине, хромосома выглядит как буква X с равными плечами. Такие хромосомы называют метацентрическими. Если центромера смещена к одному из концов, одно плечо становится заметно длиннее другого, и это субметацентрические хромосомы. А когда центромера находится почти у самого края, хромосома похожа на палочку с очень коротким и длинным плечом — это акроцентрические хромосомы. Такое деление помогает генетикам быстро узнавать хромосомы под микроскопом и замечать, нет ли в них повреждений.
Очень важно различать понятия гомологичных и негомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы — это пара одинаковых хромосом, которые достались человеку от отца и от матери. Например, первая хромосома от папы и первая хромосома от мамы будут гомологичными. Они несут одни и те же гены, расположенные в одних и тех же местах, но сами гены могут быть в разных вариантах. Один вариант гена может давать карие глаза, а другой — голубые, но оба гена находятся на одном и том же месте в гомологичных хромосомах. А вот негомологичные хромосомы — это совершенно разные хромосомы из разных пар. Например, первая и вторая хромосомы негомологичны. Они содержат разные наборы генов и обычно не обмениваются участками во время деления клетки.
В каждой клетке человека есть два типа хромосом по их назначению. Большинство хромосом называют аутосомами. У человека их 22 пары, или 44 штуки. Аутосомы одинаковы у мужчин и женщин и отвечают за все основные признаки: рост, цвет волос, группу крови, форму носа и множество других черт. Оставшаяся одна пара — это половые хромосомы. У женщин это две хромосомы, которые обозначают буквой X, поэтому женский набор половых хромосом записывают как XX. У мужчин одна X-хромосома и одна Y-хромосома, то есть XY. Именно половые хромосомы определяют, родится ли мальчик или девочка. Кроме того, на X-хромосоме есть гены, не связанные с полом, например отвечающие за свертываемость крови или цветовое зрение, а Y-хромосома содержит гены, запускающие развитие мужского организма. Такое разделение хромосом на классы помогает врачам быстро находить возможные генетические проблемы и объяснять пациентам природу наследственных признаков.
Количество хромосом: мифы и реальность человека
Долгое время ученые не могли точно сосчитать хромосомы человека. В первой половине XX века многие исследователи называли число 48. Эта ошибка была связана с тем, что методы микроскопии тогда были несовершенными, а хромосомы в клетках человека очень маленькие и часто налегают друг на друга. Даже опытные цитологи ошибались, принимая одну хромосому за две или слипшиеся хромосомы — за одну. Так цифра 48 закрепилась в научных работах и учебниках на несколько десятилетий.
Все изменилось в 1955 году. Тогда американский генетик Джо Хин Тио и его коллега Альберт Леван применили новые методы подготовки клеток. Они добавили специальные вещества, которые заставляли хромосомы расходиться в стороны, и использовали более совершенные микроскопы. Рассматривая клетки легких человеческого эмбриона, Тио и Леван четко увидели 46 хромосом. Вскоре другие лаборатории подтвердили их результат, и с тех пор именно 46 считается нормальным числом хромосом для здорового человека.
Сегодня любой школьник знает, что в каждой клетке человека содержится 46 хромосом, которые объединены в 23 пары. Двадцать две пары — это аутосомы, одинаковые у всех людей независимо от пола. И одна пара — половые хромосомы, которые определяют, родится ли мальчик или девочка. Яйцеклетка и сперматозоид несут по 23 хромосомы, то есть половинный набор. Когда они сливаются при оплодотворении, восстанавливается полный набор из 46 хромосом — половина от папы и половина от мамы.
Откуда же взялась стойкая ассоциация человека с 48 хромосомами? Дело в том, что у ближайших родственников человека — человекообразных обезьян, например шимпанзе и горилл, — действительно 48 хромосом. У человека их на одну пару меньше. Оказалось, что в процессе эволюции две акроцентрические хромосомы предка человека слились своими концами в одну большую хромосому. Эта объединенная хромосома называется второй у человека, а у шимпанзе ей соответствуют две отдельные хромосомы. Вот почему иногда можно встретить устаревшие книги или статьи, где упоминаются 48 хромосом у человека. Это старая ошибка, которая сохранилась в некоторых источниках, но современная наука твердо знает правильное число — 46.
Особые хромосомы и тельца Барра
Не все хромосомы выглядят как обычные плотные палочки. В природе существует удивительное явление — политенные хромосомы. Они встречаются в некоторых клетках насекомых, например в слюнных железах личинок той самой плодовой мушки дрозофилы, на которой работал Морган. Эти хромосомы в сотни и тысячи раз толще обычных. Такая толщина появляется потому, что хромосома многократно копирует саму себя, но эти копии не расходятся по разным клеткам, а остаются плотно прижатыми друг к другу. В результате под микроскопом видна огромная полосатая структура, на которой отчетливо различимы темные и светлые полоски. Каждая полоска соответствует определенному участку хромосомы и группе генов. Ученые очень любят политенные хромосомы, потому что на них удобно изучать, как работают гены и как происходят перестройки хромосом. По изменению рисунка полосок можно заметить, где именно произошла мутация или обмен участками.
Другая интересная структура — тельце Барра. Это маленькое темное пятнышко, которое можно увидеть в ядре клетки под обычным микроскопом после специальной окраски. Назвали его в честь канадского ученого Мюррея Барра, который открыл это тельце в 1949 году. Тельце Барра есть только в клетках особей женского пола у млекопитающих, включая человека. У мужчин его обычно не находят. Долгое время это открытие использовали для определения пола в спорте, например на Олимпийских играх, или в судебной медицине, когда нужно было установить пол человека по следам биологических жидкостей.
Что же представляет собой тельце Барра с точки зрения генетики? В каждой клетке женщины есть две X-хромосомы, но для нормальной работы организма нужна только одна. Лишняя копия генов могла бы нарушить баланс, потому что у мужчин X-хромосома всего одна. Природа решила эту проблему простым способом: в каждой клетке женского организма одна из двух X-хромосом случайным образом выключается и плотно скручивается. В этом выключенном состоянии она и выглядит как темное тельце Барра. Выключение происходит на ранних стадиях развития эмбриона, и все клетки-потомки сохраняют ту же самую выключенную X-хромосому. Поэтому у женщин одни клетки работают с X-хромосомой от отца, а другие — с X-хромосомой от матери. Этот эффект можно заметить у кошек с черепаховой окраской: гены цвета шерсти находятся на X-хромосоме, и разные варианты окраски проявляются в разных участках тела в зависимости от того, какая из двух X-хромосом оказалась активной в каждой конкретной клетке. Так маленькое тельце Барра связано с удивительными явлениями, которые можно наблюдать даже у домашних питомцев.
Для чего все это знать
Хромосомная теория наследственности — это не просто страницы учебников по биологии. На ее основе работают врачи-генетики в больницах и диагностических центрах. Когда у пары долго не получается завести детей или у ребенка обнаруживаются необычные черты развития, врачи назначают анализ, который называется кариотипирование. Суть этого анализа проста: из крови пациента выделяют клетки, дожидаются момента, когда хромосомы становятся плотными и хорошо видимыми, а потом фотографируют их через микроскоп. Специалист разрезает фотографии и раскладывает хромосомы по парам в порядке уменьшения размера. Получившаяся картинка называется кариотипом. По кариотипу можно сразу увидеть, правильное ли число хромосом у человека и нет ли в них повреждений.
Самое известное генетическое заболевание, связанное с хромосомами, — это синдром Дауна. У людей с этим синдромом вместо двух копий 21-й хромосомы их три. Поэтому синдром Дауна называют трисомией по 21-й хромосоме. Такие люди имеют характерные черты лица, некоторую задержку умственного развития и особенности строения внутренних органов. Благодаря кариотипированию врачи могут поставить этот диагноз сразу после рождения ребенка или даже до родов, при пренатальной диагностике. Родители получают возможность подготовиться к появлению особого малыша и узнать, какая помощь ему потребуется.
Есть и другие хромосомные синдромы. Синдром Шерешевского–Тернера встречается только у девочек и женщин. При этом синдроме в клетках не хватает одной X-хромосомы, то есть вместо XX у них всего одна X. Такие женщины обычно низкого роста, имеют короткую шею с крыловидными складками и не могут иметь детей, потому что их яичники не развиваются должным образом. Синдром Клайнфельтера, наоборот, бывает только у мужчин. У них есть лишняя X-хромосома, то есть набор выглядит как XXY вместо обычного XY. Мужчины с этим синдромом часто высокого роста, имеют длинные ноги и руки, а также могут столкнуться с бесплодием и некоторыми особенностями развития.
Знание хромосомной теории помогает и в более простых житейских ситуациях. Например, многие наследственные болезни, такие как гемофилия (нарушение свертываемости крови) или дальтонизм (неспособность различать некоторые цвета), сцеплены с X-хромосомой. Это значит, что мужчины болеют ими чаще, потому что у них только одна X-хромосома. Если на ней окажется дефектный ген, заменить его нечем. А женщины могут быть носительницами, не болея сами, потому что вторая X-хромосома часто содержит нормальную копию гена. Врачи-генетики объясняют семьям, как передаются такие болезни, и помогают рассчитать риск рождения больного ребенка. Так работа Моргана, начавшаяся с маленьких мушек в простой лаборатории, превратилась в инструмент, который каждый день спасает и улучшает жизни людей.
Хромосомная теория наследственности, которую заложил Томас Морган больше ста лет назад, до сих пор остается прочным фундаментом всей современной генетики. Сегодня мы знаем, как устроены хромосомы, из чего они состоят, как их классифицируют и почему у человека именно 46 хромосом, а не 48. Мы можем объяснить, что такое политенные хромосомы и тельце Барра, и понимаем разницу между гомологичными и негомологичными хромосомами. Эти знания помогают врачам ставить диагнозы, объяснять пациентам природу наследственных заболеваний и даже заглядывать в будущее еще не родившихся детей. Простые мушки дрозофилы, которых разглядывал Морган, привели к открытиям, которые теперь работают на благо каждого человека.
Ранее ученые нашли белок, который контролирует обмен генами.