Цитологічні основи спадковості
PAGE 9
Тема 3. Цитологічні основи спадковості
3.1.Клітина як матеріальна основа спадковості. Будова клітини
3.2 Поділ клітин. Мітоз
3.3. Мейоз
3.4. Гаметогенез
3.5. Цитогенетика в селекції
3.6. Каріотип та його особливості
Термінологічний словник: Мітоз (гр.) – нитка; мейоз (гр. – зменшення; гаметогенез (гр.) – гамете – чоловік і дружина, генез – походження, розвиток; гаплоїд (гр.) – простий, одинарний; диплоїд (гр.) – диплом – подвійний, ейдос – вигляд; прокаріоти (гр) – про – попереду, раніше, карго – ядро, горіх; еукаріоти (гр.) – еу – добре, цілком та каріо; каріотип (гр.) – карго та типос – відбиток, тип; хромосоми (гр.) – хромо – колір, забарвлення та сома – тіло; гомологічні (гр.) – відповідні, подібні; негомологічні – різні, не подібні; екваційний (лат.) – вирівняний; редукційний (лат.) – повернутий, відведений назад; геном – сукупність генів в гаплоїдному наборі хромосом; дискретність (лат.) – переривчастість; комбінація (лат.) – сполучення, об'єднання; генеративний (лат.) – породжений; соматичний (гр.) – тілесний.; амніоцентез (лат.) – оцінка каріотипу плода; метаболізм (гр.) – зміни, перетворення..
3.1.Клітина як матеріальна основа спадковості. Будова клітини
Клітина, як матеріальна основа спадковості, є основним структурним елементом рослинних і тваринних організмів, вона забезпечує їхнє відтворення, розвиток і життєдіяльність.
Одні клітини існують як самостійні елементарні біологічні системи, це одноклітинні організми - протозої, або найпростіші, до яких відносяться інфузорії, джгутикові, споровики, мікроспоридії. Більшість найпростіших живе у водоймах, приймають участь в їх самоочищенні і вони є досить добрим кормом для риб.
Інша група клітин існує у складі багатоклітинного організму, у якому вони забезпечують сукупність взаємодій між клітиною, тканинами і органами за участю системних регуляторних механізмів, зокрема нейрогуморальної регуляції.
Усі клітини побудовані за єдиною структурою і поділяються в залежності від наявності у них ядра на еукаріотичні та прокаріотичні.
Еукаріоти – це одноклітинні та багатоклітинні рослинні і тваринні організми, у клітинах яких сформоване ядро.
Прокаріоти – це доядерні організми, які на відміну від еукаріот не мають типово сформованого ядра і ядерної мембрани.
Розміри клітин дуже різноманітні, від декількох часток мікрометрів до декількох десятків сантиметрів (жовток яйця птиці). Незалежно від типу всі клітини мають генетичний вміст, який забезпечує реалізацію усіх метаболічних (обмінних) процесів та термін їх існування. В еукаріотичних клітинах генетична інформація окрім ядра розміщується і в окремих включеннях плазми – мітохондріях, пластидах, плазмідах тощо. Будова клітин різних видів організмів подібна, а їх функція залежить від генетичної інформації, яка працює.
Все це дає можливість стверджувати:
- який би складний організм не був, він складається з клітин;
- всі обмінні (метаболічні) процеси відбуваються у клітині;
- всі обмінні процеси проходять під контролем генів.
Це і є основні цитогенетичні положення спадковості.
Будова клітини. Тіло високорозвинених організмів складається із мікроскопічних клітин, які не дивлячись на маленькі розміри мають надзвичайно складну будову. Розраховано, що якщо зібрати усі яйцеклітини із яких походить усе населення землі, т о вони помістилися б у одній чайні чашці, і то при цьому більшу частину займала б вода.
Підраховано, що людське тіло складається із приблизно 250 триліонів клітин. Мозок має приблизно 3 триліони клітин, число, яке після народження не змінюється.
Термін „клітина” запропонував у 1665 році англійський дослідник Р.Гук. Сучасний рівень методик дозволив вивчити клітину досить досконало.
Більшість клітин складається із двох основних частин – цитоплазми і ядра. Поверхня клітини покрита оболонкою, клітинною мембраною, яка є своєрідним каркасом і зберігає форму клітини. Через мембрану до клітини потрапляють розчинні поживні речовини і виділяються з неї.
Ядро – це сферичне тіло, розташоване майже у центрі клітини. Ядро є своєрідним серцем і мозком клітини, тому що воно несе генетичний матеріал, який керує синтезом речовин, необхідних для здійснення функцій клітини і організму та для відтворення виду.
Внутрішній скла ядра становить каріолімфа (ядерний сік). У каріолімфі знаходяться одне або кілька ядерець, а також значна кількість молекул ДНК. У процесі мітотичного ділення клітини нуклеопротеїди спіралізуються і переходять у хромосоми.
Хромосоми (від грецького хрома – колір, забарвлення та сома - тіло) - це структури клітинного ядра, які забезпечують передавання спадкової інформації від клітини до клітини, та від покоління до покоління. Вони утворюють хромосомний набір (каріотип). Кожний організм має чітко визначений за формою, розмірами і кількістю набір хромосом, який є нібито візитною карткою організму. Ядерце як і цитоплазма, утворене в основному з рибонуклеїнових та специфічних білків. Воно є центром синтезу і організації рибонуклеопротеїдів. Під час поділу ядра ядерця зникають і з’являються лише на стадії телофази.
Хромосоми мають продовгувату форму з розміщенням у тій чи іншій ділянці перетинкою – центромірою.
У клітинах більшості організмів хромосоми можна бачити лише під час клітинного поділу. При завершенні мітозу вони починають витягуватись до тих пір, поки не стають такими тонкими, що їх буває неможливо розрізнити за допомогою світлового мікроскопа.
Цитоплазма є основою клітини. У ній знаходяться і функціонують більшість клітинних органел, які зумовлюють життя клітини. Такі органели як апарат Гольджі, рибосоми, мітохондрії і лізосоми, мають чітко визначені функції, важливі для життєдіяльності клітини і всього організму.
Апарат Гольджі є у всіх клітинах, які мають протоплазму, і являє собою багатоярусну систему плоских мембранних мішків і мішечків. По периферії ці мішечки потовщуються й утворюють міхурчасті відгалуження. До складу апарата Гольджі обов’язково входить система мілких міхурців (везикул). Цей органоїд вперше спостерігав італійський гістолог Камілло Гольджі. Дослідженнями встановлено, що апарат Гольджі є первинним місцем синтезу молекул вуглеводів, які виконують важливі функції в організмі. Доведено, що білок, який синтезований із амінокислот у рибосомах, рухається до апарату Гольджі, де синтезовані із простих цукрів вуглеводи приєднуються до білкової молекули. Існує думка, що цей апарат у окремих клітинах є джерелом таких клітинних структур, як лізосоми.
Лізосоми – це дрібні мембранні порожні кульки. Їх особливість – інтенсивне нагромадження гідролітичних ферментів, що виконують роль внутрішньоклітинного травлення (гетерофогію). Лізосоми також забезпечують розщеплення речовин поза клітиною (аутофогію).
Рибосоми – не мембранні клітинні органоїди, що виконують біосинтез білка. Їх максимальна кількість знаходиться там, де відбувається синтез білка. Кожна рибосома складається із двох, неоднакових за розміром, частин і може ділитися на два фрагменти. Кожен фрагмент здатний синтезувати білок після об'єднання у рибосому.
Мітохондрії – органели, які забезпечують енергетичні потреби клітини. Це відбувається за рахунок перетворення енергії хімічного зв’язку поживних речовин у макроенергетичні зв’язки у вигляді аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ).
У мітохондріях відбувається ферментативне розщеплення вуглеводів, жирних амінокислот із звільненням енергії і перетворення у АТФ. Вони мають вигляд паличок, кульок, маленьких лінз, ниток розміром 0,2-7 мкм. Тіло мітохондрії складається з подвійної мембранної оболонки. Її внутрішня частина утворює велику кількість складок, перегородок, трубок, гребенів.
Мітохондрії мають нуклеїнові кислоти ДНК і РНК та повний апарат, який синтезує власні білки.
Мітохондрії є у всіх типах клітин, які мають ядро, за винятком бактерій та синьо-зелених водоростей. Найбільша кількість мітохондрій спостерігається у нервових клітинах
3.2. Поділ клітин. Мітоз
Передача спадкової інформації здійснюється в процесі розмноження клітин і при заплідненні.
Відомо два типи поділу клітин: мітоз, у результаті якого утворюються соматичні клітини, і мейоз, який призводить до утворення гамет, або статевих клітин.
Мітоз, або каріокінез, – складний процес поділу ядра, що забезпечує тотожній розподіл генетичного матеріалу між дочірніми клітинами і спадкоємність хромосом в ряду клітинних поколінь. В результаті мітозу материнські клітини з диплоїдним числом хромосом (2n) передають дочірнім клітинам аналогічний хромосомний набір.
Весь цикл клітини можна поділити на власне мітоз і період між мітозами, що називається інтерфазою. Під час інтерфази відбуваються найважливіші біосинтетичні процеси, що підготовляють клітину до наступного поділу.
Всі процеси мітозу динамічні, непереривні, але для кращого розуміння вони розбиті на чотири стадії: профаза, метафаза, анафаза і телофаза.
В першій стадії профази, протікають процеси, зв’язані з підготовкою клітини до поділу: центріолі починають розходитися до протилежних полюсів; навколо них з цитоплазми утворюються ахроматинові нитки, які разом з центріолями формують ахроматинове веретено; ядро починає розбухати; має місце активна спеціалізація хромосом, які або вкорочуються , або потовщуються; розчиняється ядерна оболонка, хромосоми потрапляють у цитоплазму (у цей час добре видно їх подвійну кількість).
Друга стадія мітозу – метафаза. Головна особливість - це формування метафазної пластинки, в якій хромосоми чітко розміщуються одна біля одної по екватору на однаковій відстані від центріолей. Стадія метафази – попередня дія анафази. Для того, щоб остання відбулася, необхідне: прикріплення однієї частини ниток веретена до хромосом, а друга їх частина залишається тягнутися від однієї центріолі до іншої (опорної нитки); відбувається формування опорних ниток; хромосомні нитки приєднуються до центромір – первинних перетинок хромосом; опірні нитки тягнуться від однієї центріолі до другої, як і раніше.
Далі настає коротка пауза, яка являє собою центральну частину мітозу. Саме у цей час найкраще вивчати будову хромосом і ті структурні зміни, які можуть з ними відбутися в результаті впливу мутагенних факторів. Для того щоб подовжити цю стадію, тривалість якої досить мала, використовують розчин колхіцину. Він не допускає розходження хромосом до полюсів.
З початком наступної стадії – анафази, знижується в’язкість цитоплазми, що надалі поліпшує рух хромосом. Нитки веретена починають скорочуватися за рахунок спіралізації, розтягуючи хромосоми тим самим до полюсів. У результаті цього процесу відбувається точне розходження хромосом до різних полюсів клітини. Внаслідок впливу негативних факторів можливе порушення нормального мітозу, що надалі призведе до аномального розвитку.
Телофаза є завершальною стадією мітозу. Вона супроводжується такими процесами: хромосоми, наближаючись до полюсів, тісно переплітаються одна з одною; у результаті деспіралізації починається витягування хромосом, внаслідок чого розрізнити їх просто неможливо; із цитоплазми утворюється ядерна оболонка, ядро розбухає; з’являється ядерце; відновлюється попередня будова інтерфазного ядра.
На останній стадії ділення клітини у тварин назовні у вигляді кільця з’являється перетинка, яка, поглиблюючись, ділить клітину на дві, тільки менших розмірів. У рослин цитоплазматична оболонка виникає всередині клітини і поширюється по периферії, розділяючи клітину навпіл.
Тривалість мітозу залежить від розмірів клітин, умов навколишнього середовища, зокрема температури. У тваринних клітинах мітоз триває 30-60 хвилин, а в рослин – 2-3 години.
3.3. Мейоз
Постійна кількість хромосом в послідовних поколіннях потомства забезпечується процесом мейозу, який здійснюється при дозріванні гамет, або статевих клітин – яйцеклітин і сперміїв. Мейоз, по суті, складається із двох клітинних поділів, за яких кількість хромосом зменшується удвічі, так що гамети отримують удвоє менше хромосом, ніж інші клітини тіла. Коли дві гамети при заплідненні з’єднуються, тоді знову відновлюється нормальна подвійна кількість хромосом.
Зменшення числа хромосом при мейозі здійснюється не хаотично, а з визначеною закономірністю: члени кожної пари хромосом розходяться у різні дочірні клітини. У результаті в кожну гамету попадає одна хромосома із кожної пари, тобто створюється один повний набір хромосом. Цей процес здійснюється шляхом попарного з’єднання подібних хромосом і подальшого розходження членів пари, кожна із яких відходить до одного із полюсів. Подібні хромосоми, які утворюються в результаті кон’югації при мейозі, називаються гомологічними хромосомами. Вони тотожні за величиною і формою і утримують подібні гени. Набір, який утримує по одній хромосомі кожного сорту, називається гаплоїдним; який вміщує по дві хромосоми кожного сорту, - диплоїдним. В гаметах знаходиться гаплоїдна кількість хромосом, а запліднена яйцеклітина і всі клітини організму, що розвиваються із зиготи, - диплоїдне число.
Мейоз – один із ключових механізмів спадковості та спадкової мінливості.
Процес мейозу протікає за двома, послідовними поділами клітин, які відповідно називаються першим (редукційним) і другим (екваційним) мейотичними поділами. У кожному із них розрізняють профазу, метафазу, анафазу і телофазу, які спостерігаються і в мітозі. Профаза першого мейотичного поділу (профаза І) найбільш тривала, ніж мітотична, і ділиться на п’ять стадій, кожна із яких має свої відмінні властивості:
лептотена – стадія лептотени (тонких ниток), перша стадія профази першого поділу мейозу. Утворені окремі нитки – хромосоми – називають моновалентними. Хромосоми у даній стадій мейозу довші і тонші ніж хромосоми на самій ранній профазі мітозу, вони слабо спіралізовані і нерозділені на хроматиди;
зиготена – стадія зиготени (з’єднання ниток). На стадії зиготени гомологічні (парні) хромосоми, кожна із яких вже складається з двох хроматид (хроматида - одна із двох половинок хромосом), розміщуються попарно, дуже щільно прилягають одна до одної по всій довжині, тобто кон’югують, утворюючи біваленти - двойні гомологічних хромосом.
Процес кон’югації тонких ниток хромосом носить назву синапсису. Подібна кон’югація відрізняється високою точністю. Вона здійснюється не просто між гомологічними хромосомами, а й у відповідно точно визначених точках гомологічних хромосом;
пахітена – стадія пахітени (товстих ниток). З’єднання гомологів стає настільки тісним, що уже важко відрізнити дві окремі хромосоми. Якраз під час кон’югації відбувається обмін ділянками між несестринськими (тобто які належать до різних хромосом) хроматидами, що носить назву кросинговер або перехрещування хромосом. На стадії пахітени закінчується утворення комплексу, хромосоми вкорочуються і потовщуються;
диплотена – стадія диплотени (подвійних ниток), або стадія чотирьох хроматид. Кожна із гомологічних хромосом біваленту розщеплюється на дві хроматиди, і таки чином біваленти мають по чотири хроматиди, або тетради. Хоча у деяких місцях тетради хроматиди відходять одна від одної, вони як завжди тісно контактують в інших місцях. Місця з’єднання хроматид різних хромосом називають хіазмами. Наявність хіазми забезпечує утримання моновалентів разом. Одночасно в процесі скорочування і, відповідно, потовщенням хромосом біваленту здійснюється їхнє взаємне відштовхування – розходження. З’єднання зберігається тільки у площині перехрестя – у хіазмах. Завершується обмін гомологічними ділянками хроматид;
стадія діакінезу характеризується максимальним скороченням диплотенних хромосом. Біваленти гомологічних хромосом відходять до периферії ядра, так що їх легко можна порахувати. На цьому завершується профаза І.
Метафаза І розпочинається з моменту зникнення ядерної оболонки. Біваленти розміщуються в екваторіальній площині клітини. Формується веретено поділу.
Анафаза І відрізняється повним зникненням взаємозв’язку гомологічних хромосом, відштовхуванням їх одна від одної і розходженням до різних полюсів. Відмітимо, що при мітозі розходились до полюсів однохроматидні хромосоми, а тут, при мейозі, розходяться хромосоми, кожна із яких складається із двох хроматид. Таким чином, іменно у анафазі здійснюється редукція – скорочення числа хромосом.
Телофаза І досить короткочасна і слабко відділена від попередньої фази. У телофазі І створюються два дочірніх ядра кожне з гаплоїдним (половинним) числом подвоєнних хромосом. Її нерідко розглядають як стан спокою між двома поділами мейозу – інтеркінез.
Другий поділ мейозу (екваційний) протікає в обох дочірніх ядрах так само, як у мітозі. Моновалентні хромосоми (кожна складається із двох хроматид) скорочуються (профаза ІІ) і орієнтуються в середній частині клітини – по екватору (метафаза ІІ). Заново утворюється веретено із ахроматинових ниток. У стадії анафази ІІ хроматиди відділяються одна від одної і швидко розходяться до різних полюсів. На кінець, у телофазі ІІ здійснюється створення ядер, деспіралізація хромосом. Чотири (тетрада) клітини, що утворилися мають гаплоїдний набір хромосом.
Біологічне значення мейозу полягає в тому, що як і мітоз, він забезпечує точний розподіл генетичного матеріалу у дочірні клітини. Разом з тим мейоз є засобом зростання комбінаційної мінливості, що пояснюється двома причинами. Перша з них полягає в тому, що виникає вільна, основана на випадковості комбінація хромосом у клітинах. Другою причиною зростання комбінаційної мінливості є кросинговер, в процесі якого виникають нові комбінації генів у межах хромосом.
Тому, у кожному послідуючому поколінні клітин, що поділилися, у результаті дії вказаних причин утворюються нові поєднання генів у гаметах, а при розмноженні тварин – нові поєднання генів батьків утворюють відповідно нові поєднання генів у їхнього потомства. Цей факт кожен раз відкриває нові можливості для дії добору і створення генетично різних форм, що дозволяє існувати групі тварин у постійно змінюваних умовах зовнішнього середовища. Таким чином, мейоз є засобом генетичної адаптації, який забезпечує у поколіннях надійність існування особин.
3.4. Гаметогенез
Гаметогенез ( від сл. гамета та генезис - походження). – процес розвитку і формування статевих клітин – гамет. Гаметогенез чоловічих гамет називається сперматогенезом, жіночих – оогенезом. Гамети у тварин утворюються в особливих органах – гонадах (статевих залозах): яйця – у яєчнику, спермії – у сім’яниках.
Гаметогенез складається із чотирьох основних етапів:
- розмноження первинних статевих клітин – гаметогоніїв шляхом кількох мітозів;
- ріст цих клітин, яких ще називають гаметоцитами;
- дозрівання гаметоцитів, їх поділ шляхом мейозу, наслідком якого є зменшення числа хромосом вдвічі з утворенням гаплоїдних оотид або сперматид;
- формування сперматозоїдів (або сперміїв) та яйцеклітин.
Диплоїдні клітини, із яких розвиваються гамети, називаються оогоніями і сперматогоніями. Їхня швидка проліферація (від лат. рroles – потомство і fero – несу – тобто розростання тканини тваринного чи рослинного організму шляхом розмноження клітин) методом мітозу (фаза розмноження) призводить до створення великої кількості клітин (ооцитів). Ці клітини ростуть, при чому так названі ооцити І порядку досягають значно більших розмірів, ніж сперматоцити І порядку. Надалі здійснюються одне за одним два поділи дозрівання: спочатку редукційне, у результаті якого створюються сперматоцити і ооцити ІІ порядку, а потім екваційне.
У результаті поділу дозрівання створюються чотири гаплоїдні клітини. Майбутні чоловічі гамети (сперматиди) однакові за розміром, а в особин жіночої статі продукти поділу дозрівання нерівноцінні: ооцит І порядку, відділяючи маленьке спрямовуюче, або полярне, тільце, перетворюється в ооцит ІІ порядку, а той, у свою чергу, відділяє ще одне полярне тільце і стає крупним, багатим на цитоплазму зрілим яйцем. Створені полярні тільця в подальшому розвитку не приймають участі.
Після поділів дозрівання яйце готове до запліднення. Сперматиди ще повинні у процесі сперматогенезу морфологічно перетворитися у рухливі спермії. Спермій у багато разів менший яйцеклітини. Типову для багатьох тварин форму мають спермії ссавців.
Спермій складається із трьох відділів: головки, шийки і хвоста. У головці знаходиться ядро і дуже мала кількість цитоплазми. По центральній осі шийки, обмотані мітохондріями, проходять двадцять мікротрубочок джгутика, який утворює хвіст. Між головкою і шийкою (середньою частиною) розміщені одна чи декілька центріолей. Кінчик головки прикритий комплексом Гольджі, який перетворився у акросому; створювані тут ферменти важливі для проникнення спермія у яйцеклітину при заплідненні.
Запліднення (сингамія). Найголовніше в процесі запліднення – це злиття чоловічого і жіночого пронуклеусів (гамет з гаплоїдним числом хромосом). Запліднення - процес видоспецифічний, тобто спермії одного виду організмів, як правило, не запліднюють яйця іншого виду. Вважається, що у запліднені приймають участь декілька хімічних речовин, які забезпечують проникнення у яйцеклітину спермія свого виду і перешкоджають проникненню чужих сперміїв. Яйце виробляє фертилізин – білкову речовину, яка взаємодіє з антифертилізином – речовиною, яка знаходиться на поверхні спермія. Фертилізин слугує фактором, що принаджує спермії даного виду; проте як тільки ці дві речовини вступили у взаємозв’язок, спермій міцно прикріплюється до мембрани яйця, а потів втягується у середину. При цьому в оболонці, яка покриває яйцеклітину, проходять зміни, після яких вона стає непроникливою для інших сперміїв.
У яйцеклітину проникає тільки ядро і одна із центріолей спермія. Ядро зливається з жіночим нуклеусом і починає формувати веретено першого поділу. Таким чином, спермій, проникаючи у яйце, виконує ряд функцій:
1) симулює яйце до розвитку;
2) вносить гаплоїдний набір хромосом у якості батьківського генетичного вкладу у заново формуючу зиготу;
3) вносить в яйце центріоль, яка бере участь у механізмі клітинного поділу.
Внаслідок запліднення (злиття двох гамет) утворюється зигота, яка містить диплоїдний набір хромосом і дає початок новому організмові.
Таким чином, усі клітини любого організму походять від зиготи.
3.5. Цитогенетика в селекції
Цитогенетика (від гр. цитос – клітина і генетика) - наука, що вивчає закономірності спадковості у взаємозв’язку з будовою і функціями внутрішньоклітинних структур. Досліджує переважно зміни структур хромосом, їхню поведінку в мейозі та мітозі, рекомбінації генів, переведення їх від клітини до клітини, від батьків – нащадкам.
На практиці цитогенетичні методи використовують у наступних випадках:
при виявленні числових і структурних аномалій хромосом у породах;
вивченні впливу на продуктивність та життєздатність хромосомних порушень;
встановленні філогенетичних зв’язків між групами тварин (вивченні історичного розвитку організмів окремих систематичних категорій і всього органічного світу);
вивченні еволюційного каріотипу тварин, побудові карт хромосом;
цитогенетичному контролі у процесі селекції тварин;
цитогенетичному аналізі бугаїв-плідників і маток донорів;
клонуванні тварин і молекул з клітинами;
вивченні хромосомних порушень, які можна використати для тестування.
Зазначені методи і становлять каріотипування клітини.
3.6. Каріотип та його особливості
Каріотип – це набір хромосом у соматичній клітині, який є типовим для даної групи тварин або рослин, за кількістю, формою і величиною. Поняття „каріотип” запровадив у 1924 році В.А.Левитський. Надалі у 1934 А.Сікото та у 1952 р. Ботольє запропонували символіку каріотипів і їх класифікацію.
Ознакою каріотипу є наявність пар гомологічних (однакових) хромосом.
Гомологи – це хромосоми, що мають однакову структуру, морфологію і розміри, але мають різне походження (одна материнська, а друга батьківська). Хромосоми із різних пар називаються не гомологічними хромосомами. Характерною особливістю еволюції каріотипів є незалежна від еволюційного рівня тварин або рослин кількість хромосом. Наприклад у людини – 46, у річкового рака – 200 хромосом. Це пояснює те, що не кількість хромосом, а якісні особливості генетичної інформації, записані в молекула ДНК, визначають розвиток і властивості індивідуума та виду.
Кількість хромосом у деяких видів тварин:
Велика рогата худоба – 60. Коні – 64. Собака – 78. Свиня – 58. Вівця – 54. Курка – 78. Кролик – 44. Норка – 30. Кішка – 38.
Серед усіх хромосом каріотипу розрізняють пари аутосом, які є однакові як для чоловічих, так і для жіночих особин, і одну пару статевих хромосом, які розрізняються залежно від статі. Статеві хромосоми жіночих особин ссавців позначають буквами ХХ і чоловічих особин – ХY, тому жіночу стать називають гомогаметною, чоловічу – гетерогаметною. У птиці, навпаки, жіноча стать гетерогаметна, чоловіча – гомогаметна.
Морфофункціональна організація хромосом здійснюється упродовж різних фаз циклічного поділу клітини під час яких структура хромосом знаходиться в залежності від ролі, яку в даний цикл клітини повинна виконувати генетична інформація. Стан функціональної активності генетичної інформації реєструється шляхом спіралізації і деспіралізації хромосомного циклу.
Спіралізація – це процес вкорочення й ущільнення хромосом, що передує поділу клітини (мітозу й мейозу). Спіралізація полегшує впорядковане розходження хромосом між дочірніми клітинами. Тому максимальна спіралізація відбувається у метафазі, де йде розподіл хромосом по дочірніх клітинах.
Деспіралізація – це процес розкручування хроматид під час завершення поділу клітин (мітозу або мейозу). Максимальну деспіралізацію спостерігають у період найвищої синтетичної діяльності хромосом – інтерфазі. У цей період відбувається реплікація (тобто, відновлення) хромосом і реалізація записаної в ній генетичної інформації.
Будова хромосом. Основні стадії поділу клітин, коли можна вивчати будову, або морфологію, хромосом це стадії метафази і анафази. На цих стадіях вони найбільш чітко видимі в клітині і характеризуються такими ознаками – поперечною перетинкою (центромірою), яка ділить хромосоми на два плеча і характерною для них довжиною.
У сільськогосподарських тварин хромосоми достатньо великі і зручні для вивчення. Виключення складає птиця, у якої. Крім декількох великих, є багато дрібних хромосом, що певною мірою ускладнює їхню ідентифікацію і локалізацію у тих чи інших генах.
Речовина, з якої побудовані хромосоми, називається хроматином. Розрізняють еухроматинові і гетерохроматинові ділянки хромосом. Перші в період поділу ядра менш спаралізовані і тому фарбуються слабше, ніж біль плотніший гетерохроматин. Є докази, що ділянки еухроматину утримують гени, тоді як ділянки гетерохроматину не мають генів або утримують їх дуже мало.
Залежно від розміщення (локалізації) центроміри хромосоми бувають:
- рівноплечими (метацентричними) (M), у них центроміра розміщена посередині або близько біля середини хромосоми;
- нерівноплечими (субметацентричними) (SH), це хромосоми з плечима різної довжини;
- акроцентричні (різке нерівнопліччя) (ST), де плече дуже мале, до них належать паличкоподібні хромосоми, у яких центроміра знаходиться на кінці;
- тілоцентрична – це тип метафазної хромосоми коли центроміра розташована майже на самому кінці;
- бувають також акроцентричні хромосоми з вторинною перетяжкою;
- деякі хромосоми мають невелику ділянку, яка прикріплена до основного тіла лише тонкою ниткою – це є супутник.
Каріотипування хромосом. Щоб дослідити будову хромосом у різних тварин, змін, які в них відбуваються, і різниці між ними, проводиться процес ідентифікації хромосом, який називається каріотипуванням. Така методика досить складна і потребує спеціальної підготовки і технологічного обладнання. Хромосоми ідентифікують за формою, яка визначається розміщенням центроміри, наявністю вторинних перетинок, супутників тощо. Для дослідження беруть препарати крові чи клітин. При вивченні структури хромосом застосовують два методи фарбування – тотальний і диференційний.
Препарати після фарбування фотографують і на відбитках визначають у першу чергу три основних параметри - центромірний індекс, плечовий індекс і відносну довжину.
Центромірний індекс – відношення довжини коротшого з двох плечей до довжини всієї хромосоми.
Плечовий індекс – відношення довгого плеча хромосом до коротшого.
Відносна довжина – відношення абсолютної довжини даної хромосоми до загальної довжини всієї хромосоми в гаплоїдному наборі.
Вирізані з фотографії аутосоми гаплоїдного набору розміщують зліва направо в порядку зменшення їх дожини, тобто будують ідеограму.
Крім того будується каріограма – розміщення гомологічних пар хромосом також зліва направо – у міру зменшення їх довжини.
Статеві хромосоми розміщують в кінці каріограми.
Визначаючи особливості каріотипів основних видів сільськогосподарських тварин, враховують загальну специфіку видових різниць каріотипів, відмічають кількість хромосом, їхню структуру, відношення еу – та гетерохроматичних зон, наявність генних комплексів.
Хромосомні відхилення в будові каріотипу виникають внаслідок забруднення навколишнього середовища кормів залишками отрутохімікатів, надлишками незасвоєних рослинами мінеральних добрив, радіонуклідами. Такий антропогенний тиск на хромосомний апарат домашніх тварин призводить до зростання в їхньому каріотипі хромосомних мутацій.
Мутація – від лат. мutatio – зміна.
Хромосомні мутації – це зміна типу, кількості і порядку розміщення нуклеотидів у генетичному матеріалі.
Відомо кілька типів структурних мутацій хромосом:
1. Кінцеві ділеції (дефіцитний або нестачі), при яких губляться кінцеві ділянки хромосом.
2. Інтерстиціальні ділеції – утворюються через випетлювання ділянки хромосоми; утворюються центричні (що мають центроміру) і сцентричні (безцентромірні) фрагменти.
3. Дублікації перетворення під час додавання генів або блоків генів.
4. Інверсії – повертання блоку генів посередині хромосоми на 180o.
5. Транслокація – переміщення ділянки хромосоми в самій хромосомі або обмін між різними хромосомами зумовлює виникнення рецепрогенної транслокації; об’єднання двох акроцентричних хромосом у ділянці центроміри призводить до утворення транслокації робертсонівського типу (робертсонівська транслокація).
Мутації хромосом. Розрізняють наступні типи мутацій хромосом:
1. Поліплоїдія – збільшення кількості гаплоїдних наборів хромосом. Поліплоїдні форми можуть бути триплоїдними (3n), тетраплоїдними (4n), пентаплоїдними (5n) і т.д.
2. Анеуплоїдні (гетерополоїдія) – зміна кількості хромосом, некратних гаплоїдному числу. При моносомії втрачається одна хромосома з числа гомологічних хромосом.
Додавання до набору однієї і більше хромосом 2n + 1 називається трисомією, що є окремим винятком полісомії.
Першою причиною численних мутацій хромосом є порушення нормального процесу розходження в анафазі мітозу та мейозу.
Цитологічні основи спадковості