ЦИТОЛОГІЧНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ План 1 2 3

ЦИТОЛОГІЧНІ ОСНОВИ СПАДКОВОСТІ

План: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Цитогенетика як наука Клітина як матеріальна основа спадковості Хромосоми як носії спадкової інформації Цитологічні основи нестатевого розмноження Цитологічні основи статевого розмноження Практичне значення цитогенетики для тваринництва

1. Цитогенетика як наука До початку XX століття завдяки спостереженням, проведеним на різноманітних рослинних і тваринних клітинах, були встановлені багато деталей їхньої будови, відкритий мітоз, вивчений хід овоґенезу, сперматогенезу і запліднення. Зіставлення цих великих цитологічних відкриттів з результатами гібридологічних дослідів привело до нового більш глибокого розуміння природи спадковості і послужило могутнім поштовхом до швидкого подальшого прогресу генетики. Весь період розвитку генетики від часу відкриття законів Г. Менделем до 50 -х років ХХ сторіччя (до вивчення генетичних явищ на молекулярному рівні) був ознаменований синтезом гібридологічних і цитологічних даних, що виразилися у створенні цитогенетики. Цитогенетика − наука, яка вивчає закономірності спадковості у взаємозв'язку з будовою і функціями органоїдів клітини. Основний предмет досліджень цитогенетики − хромосоми, їх морфологія, структурна і хімічна організація, функції і поведінка в клітинах.

Методи цитогенетики Цитогенетика використовує методи генетики і цитології і тісно пов'язана з розділами цих наук − молекулярною генетикою, цитохімією, каріологією і каріосистематикою. Основним методом цитогенетики є каріологічний аналіз – дослідження кількості, розмірів, форми і фізико-хімічних властивостей хромосом, як основних носіїв спадковості.

Цитогенетика поділяється на загальну цитогенетику, яка вивчає загальні клітинні основи спадковості, і цитогенетику рослин, тварин та людини. Плодом тісного зближення генетики і цитології стала хромосомна теорія спадковості – найважливіше узагальнення, яке багато в чому визначило подальший розвиток генетики, і справило великий вплив на багато інших галузей біології.

2. Клітина як матеріальна основа спадковості Після відкриття мітозу, мейозу, овоґенезу, сперматогенезу і запліднення німецькі учені А. Вейсман, О. Гертвіг і Е. Страсбургер висунули гіпотезу, що спадкові ознаки передаються ядром. Цю думку було підтверджено численними експериментально-цитологічними й експериментально-ембріологічними роботами.

Дуже переконливі дані про відносну роль ядра і цитоплазми у спадковості були отримані в СРСР Б. Л. Астауровим у досвідах із шовкопрядами Андрогенез у шовковичного шовкопряда: Б. Л. Астауров у незапліднених яйцях шовковичного шовкопряда тепловим шоком і опроміненнями рентгенівськими променями руйнував ядра. Потім такі яйця осіменяв. При цьому ядра двох сперміїв, які проникли в яйце, зливалися і утворювали ядро зиготи. Розвинені з таких андрогенних зигот особини завжди були самцями і точно повторюють фенотип своїх батьків. Це було особливо помітно, якщо яйця належали самкам однієї породи, а спермії – самцям іншої.

Провідна роль ядра у спадковості доведена на прісноводній амебі За всіма ознаками амеби з пересадженими ядрами ставали цілком схожими на амеб того штаму, від якого вони одержали ядро. Вони передавали ці ознаки без зміни наступним поколінням (в одному випадку це було простежено більш ніж у 300 поколіннях амеби з пересадженим ядром).

Про провідну роль ядра у спадковості у рослин свідчить дослід на морській водорості ацетабулярії Різні види ацетабулярій відрізняються за формою шапочки. Якщо зрощувати відрізане стебельце одного виду з ризоїдом іншого, то шапочка, яка регенерує на стебельці, має форму, властиву виду, якому належить ядро.

Прямим свідчення про відносне значення ядра і цитоплазми у спадковості вищих тварин є досліди з пересадження ядер різних земноводним (тритонів, аксолотлів, ропух, жаб) За допомогою мікроманіпулятора з яйця земноводного, яке почало розвиватися, видаляли ядро і замість нього пересаджували ядро, взяте з клітки зародка іншої раси того ж чи близького виду. З таких яєць виходили ембріони, пуголовки і дорослі жаби того підвиду, від якого вони одержали ядро. У той же час потрібно відзначити, що відомі випадки успадкування ознак через цитоплазму, а точніше її органоїди. Доказами цього є, наприклад, пластидна спадковість.

Клітина є матеріальним носієм спадковості. Провідну роль у передачі спадкової інформації від клітин до клітини відіграє ядро, яке тісно пов’язане з цитоплазмою. Ядро перебуває у системі зворотного зв’язку з цитоплазмою. Цитоплазма змінюється під впливом генів, які зосереджені у ядрі, але у результаті цього змінюється і середовище (яким і є сама цитоплазма), у якому діють гени. Тому, єдність ядра і цитоплазми нерозривна і постійна.

3. Хромосоми як носії спадкової інформації Хромосоми є безпосередніми носіями спадкової інформації у ядрі. Опосередковані докази ролі хромосом у спадковості: ü хромосоми є постійними органоїдами клітини; ü на відміну від інших органоїдів, відрізняються постійністю числа і форми у певних видів; ü поділ клітин і весь процес статевого розмноження сприяють збереженню постійності хромосом у дочірніх клітинах і в наступних поколіннях.

Прямим доказом ролі хромосом у спадковості є дослід Блекслі Вивчаючи рослину дурман, яка має 12 пар хромосом, Блекслі встановив, що при появі у каріотипі зайвої хромосоми змінювався ряд ознак даної рослини. За зовнішнім виглядом можна встановити, у якій саме парі зайва одна хромосома. Коробочки дурману: 1 – нормальної диплоїдної рослини з 24 (2 n) хромосомами; 2 -13 – рослини, які мають 24+1 хромосому (трисоміки)

Хімічний склад і морфологічна будова хромосом Речовину, яка утворює хромосоми, називають хроматином, у склад якого входить одна молекула ДНК та основні білки-гістони. Хромосоми існують у ядрі протягом всього життя клітини, але залежно від стадії мають різну форму і величину. Спостерігати і вивчати морфологічну будову хромосоми можна лише у стані їх спіралізації, яка відбувається під час поділу клітини (у метафазі мітозу).

У період інтерфази – це деспіралізовані нитки ДНК, які досягають декількох сантиметрів у довжину і мають товщину 20 -30 нм. У такому стані їх не можна побачити у світловий мікроскоп. У період мітозу хромосоми спіралізовані і мають вигляд компактних тілець характерної форми, довжиною 1, 5 -10 мкм і товщиною 0, 2 -2 мкм, які помітні у світловий мікроскоп. Для того, щоб хромосома могла прийняти такі розміри, вона повинна укоротитись в 10 тисяч разів, тобто сконденсуватися. Схема спіралізації хромонем в мітотичному циклі: 1 – інтерфаза, хромосоми слабоспіралізовані; 2, 3, 4 – профаза, посилення спіралізації хромонем, утворення двох хроматид; 5 – прометафаза, поява чотирьох напівхроматид; 6 – метафаза, максимальна спіралізація, помітні велика і мала спіраль; 7 – анафаза; 8 – телофаза (одна з дочірніх хромосом), спіралізація хромонем

Схема компактизації молекули ДНК з утворенням метафазної хромосоми

Схема будови метафазної хромосоми Рівні компактизації хромосоми: Хромомери – це щільно складені петлі ДНК, які включають 50 -70 тисяч пар нуклеотидів (відповідає розміру одного гена), скріплені негістоновими білками. Хромонеми – нитки помітні у світловому мікроскопі, які утворюються за рахунок зближення хромомерів. Хроматида – нитка, яка утворюється за рахунок конденсації хромонем. Хромосома має одну чи дві хроматиди залежно від фази поділу.

Схема будови метафазної хромосоми: 1 – морфологія; 2 – внутрішня структура хроматиди Повністю конденсована мітотична хромосома має два плеча, які називають теломерами, між якими є первинна перетяжка, або центромера (кінетохор) – ділянка, до якої приєднуються нитки веретена під час поділу клітини. Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. Деякі вторинні перетяжки пов’язані з формуванням ядерця, тому їх називається ядерцевим організатором. Ця ділянка хромосоми має складну структуру і відповідає за синтез рибосомної РНК. Іноді вторинна перетяжка може бути дуже довга, а іноді вона відділяє від основного тіла хромосоми невелику ділянку, яка називається супутником. Мітотична хромосома оточена матриксом – сумішшю рибонуклеопротеїдів, білків та інших речовин, які передають дочірніми клітинам матеріал, необхідний для формування ядерця і початкового етапу білкового синтезу в молодих клітинах.

Типи метафазних хромосом 1 – метацентрична (рівноплеча); 2 – субметацентрична (слабонерівноплеча); 3 – акроцентрична (різконерівноплеча); 4 – телоцентрична (одноплеча); 5 – центрична із вторинною перетяжкою; 6 – супутнична

Для вивчення та ідентифікації парних хромосом використовують спеціальне фарбування, при якому різні їх ділянки забарвлюються з різною інтенсивністю: гетерохроматинові – інтенсивно забарвлені, еухроматинові – слабо забарвлені. Диференційоване фарбування хромосом людини (схематично)

Каріотип – сукупність хромосом певного розміру і форми у соматичних клітинах певного виду організмів. Кількість хромосом у каріотипі певного виду не залежить від рівня його організації і систематичного положення. Найчастіше зустрічаються каріотипи, які нараховують від 10 до 60 хромосом, але відомі і з двома, а також десятками і навіть сотнями хромосом. У всіх статевих клітинах організмів одинарний, або гаплоїдний набір хромосом (1 n). У результаті злиття двох гаплоїдних статевих клітин утворюються соматичні клітини з подвійним, або диплоїдним набором хромосом (2 n).

Диплоїдний набір деяких тварин Організм 2 n Людина 46 Миша хатня 40 Муха хатня 12 Шимпанзе 48 Пацюк сірий 42 Мушка плодова 8 Макака резус 42 Кріль 44 Комар-пискун 6 Кінь 64 Норка 30 Бджола медоносна самець самка 16 32 Осел 62 Курка домашня 78 Шовкопряд шовковичний 56 Свиня домашня 38 Голуб 80 Попелиця оранжерейна 12 Вівця домашня 54 Ящірка прудка 38 Воша головна 12 Корова 60 Жаба озерна 26 Тарган рудий самець самка 23 24 Коза домашня 60 Ропуха 24 Кліщ собачий 28 Кішка 38 Квакша 24 Черв’як дощовий 36 Лисиця 38 Окунь 48 Гідра прісноводна 32 Собака домашній 78 Сазан 104 Малярійний плазмодій 2

У диплоїдному наборі розрізняють гомологічні і статеві хромосоми Гомологічні хромосоми, або аутосоми – парні хромосоми диплоїдного набору, які мають однакову форму і розмір та розміщення гетеро- і еухроматинових ділянок. У цій парі одна хромосома – материнська, друга – батьківська. Статеві хромосоми – це пара негомологічних хромосом диплоїдного набору, за якими розрізняються самці і самки.

Каріотипи соматичних клітин деяких тварин і рослин в метафазі 1 – лісової жаби (26); 2 – вівці (54); 3 – людини (46); 4 – котячої аскариди (8); 5 – комара Anophelus (6); 6 – дрозофіли самця и самки (8); 7 – жита (14); 8 – твердої пшениці (42); 9 – люпину жовтого (48); 10 – проса (36); 11 – курки (78); 12 – великої рогатої худоби (60); 13 – коня (64)

4. Цитологічні основи нестатевого розмноження У основі нестатевого розмноження клітин та організмів лежить мітоз. Клітини, які розмножуються мітозом протягом свого існування проходять життєвий цикл - період існування клітини від одного поділу до іншого, який включає інтерфазу і мітоз. Схема життєвого циклу клітини

Мітоз – непрямий поділ еукаріотичних клітин, який складається з ділення ядра (каріокінезу) і ділення цитоплазми (цитокінезу). Мітоз супроводжується морфологічною перебудовою ядер і цитоплазми клітини. Це безперервний процес, у якому кожна стадія непомітно переходить в іншу, але для зручності вивчення виділяють чотири фази: профазу, метафазу, анафазу і телофазу. Біологічне значення мітозу: забезпечення сталості генетичної інформації у поколіннях клітин.

Амітоз – це прямий поділ інтерфазного ядра шляхом перетяжки без спіралізації хромосом. Клітина, в якій відбувся амітоз, надалі в нормальний мітотичний цикл не вступає, тому що хромосоми розділяється між дочірніми клітинами нерівномірно. Амітоз зустрічається у тих випадках, коли необхідне швидке накопичення маси клітин, наприклад, у клітинах тканин тимчасово існуючих утворів (плідні оболонки, фолікулярні клітини яєчника), при регенерації. Амітозом діляться клітини і при патологічних процесах – запаленнях та злоякісному рості.

Ендомітозом називають такий процес, при якому в результаті блокування мітозу на певних його етапах, утворюються клітини зі збільшеним вмістом ДНК. На відміну від мітозу при ньому зберігається інтерфазне ядро: хромосоми деспіралізовані, наявні ядерце та ядерна оболонка. При ендомітозі збільшене ядро, не змінюючи своєї будови, ділиться на дві (або три) більш-менш рівномірні частини шляхом перешнурування (утворення перегородки). У більшості випадків цей поділ не супроводжується діленням клітини, результатом чого є утворення двоядерної клітини. Процес ендомітозу спостерігається у волокнах скелетних м'язів, міокарді, мезотелії, шипуватому шарі багатошарових епітеліїв шкірного типу, паренхімі печінки, екзокринній частині підшлункової залози, нейронах вегетативного відділу нервової системи, покривному шарі перехідного епітелію сечових шляхів, клітинах плаценти, мегакаріоцитах.

5. Цитологічні основи статевого розмноження Статеве розмноження – це виникнення і розвиток нащадків із заплідненої яйцеклітини – зиготи, яка утворюється внаслідок злиття жіночої і чоловічої статевих клітин. У основі розвитку статевих клітин лежить мейоз. Мейоз – складний непрямий поділ незрілих генеративних клітин, внаслідок якого утворюються статеві клітини – гамети. Це особливий спосіб поділу клітини, у результаті якого відбувається редукція (зменшення) кількості хромосом і перехід клітин з диплоїдного стану у гаплоїдний.

Схема мейозу Біологічне значення мейозу: ü забезпечення сталості генетичної інформації у кількох поколіннях організмів; ü підвищення рівня комбінаційної мінливості, що відкриває нові можливості для дії відбору і створення генетично різних форм. Це дозволяє групі тварин існувати в умовах середовища, які постійно змінюються; ü створення стадійно молодих клітин (гамет) і позбавлення клітини від небезпеки загибелі

У тварин статеві клітини утворюються з ембріональних, а сам процес утворення називається гаметогенезом Овоґенез – гаметогенез, у результаті якого утворюються жіночі статеві клітини, сперматогенез – чоловічі. Овоґенез і сперматогенез мають свої особливості протікання, але разом з тим мають багато спільного, тому їх поділяють на чотири періоди - розмноження, росту, дозрівання та формування.

Схема гаметоґенезу

Запліднення – процес проникнення (сингамії) сперматозоїда в яйцеклітину і злиття (каріогамія) їх ядер з утворенням зиготи з диплоїдним набором хромосом. ü ü ü Після запліднення хромосом. відновлюється диплоїдний набір У результаті каріогамії гомологічні хромосоми, які розходяться у мейозі у попереднього покоління, знову об’єднуються в одному ядрі зиготи. Незважаючи на величезну кількість сперматозоїдів, що приходяться на одну яйцеклітину, запліднення здійснюється, як правило, лише за участі одного.

Явище, при якому у яйцеклітину проникає лише один сперматозоїд, називають моноспермією, декілька – поліспермією. Поліспермія поширена у безхребетних (молюсків, голкошкірих, комах) та зустрічається у хребетних (акул, амфібій, рептилій і птахів). У ссавців у нормі поліспермія зустрічається рідко (12%). Виключенням є Однопрохідні, у яких це явище, можливо, є правилом У випадку поліспермії, з жіночим пронуклеусом зливається тільки один чоловічий пронуклеус, інші елімінуються. Поліспермна каріогамія, тобто злиття декількох пронуклеусів, у нормі не виявлена. Проникнення в цитоплазму яйцеклітини декількох сперміїв і злиття з її ядром тільки одного з них давно наводили на думку, що даний процес не є чисто механічним. Допускається можливість вибірковості в процесі каріогамії, тобто здатність жіночого пронуклеуса "вибирати" і зливатися з певним чоловічої пронуклеусом.

Рідкісні типи статевого розмноження ü Партеногенез ü Гіногенез ü Андрогенез

Партеногенез – розвиток зародка з незаплідненої яйцеклітини. Розрізняють: соматичний чи диплоїдний, і генеративний, чи гаплоїдний. При генеративному (гаплоїдному) зародок розвивається з галоїдної яйцеклітини (у медоносної бджоли трутні розвиваються з незапліднених гаплоїдних яєць шляхом партеногенезу). При соматичному (диплоїдному) яйцеклітина не ділиться, якщо і ділиться, два гаплоїдних ядра, зливаючись разом, відновлюють диплоїдний набір хромосом (автокаріогамія); у такий спосіб у клітинах тканин зародка зберігається диплоїдний набір хромосом.

Поширеність у партеногенезу природі і практичне значення Поширеність у природі: зустрічається у нижчих ракоподібних, коловерткок, перетинчастокрилих (бджоли, оси), відомий у птахів (індики). Партеногенез можна стимулювати штучно, викликаючи активацію незапліднених яєць шляхом впливу різними агентами. Практичне значення: має велике значення для вивчення спадковості, тому що при цьому потомство одержує спадкову інформацію тільки від матері.

Гіногенез – розвиток зародка з незаплідненої яйцеклітини, який відбувається винятково за рахунок жіночого ядра і стимульований сперматозоїдами, які проникли в яйцеклітину (псевдогамія). Відомий у круглих червів, молінезії, срібного карася.

Андрогенез – розвиток зародка здійснюється тільки за рахунок чоловічих ядер, які зливаються, і материнської цитоплазми. Відомий у шовковичного (Habrobracon juglandіs), шовкопряда, паразитичної оси

6. Значення цитогенетики для тваринництва Методи цитогенетики використовують при: ü виявленні та вивченні хромосомних порушень тварин; ü вивченні впливу хромосомних аномалій на продуктивність і життєздатність тварин; ü встановленні еволюційного каріотипу тварин; ü побудові карт хромосом; ü цитогенетичному контролі плідників і маток у процесі селекції тварин; ü клонуванні тварин та ін. Використання досягнень цитологічної генетики невпинно зростає. Тому вже неможливо уявити собі тваринництва без використання її досягнень.