Прокариоты: бактерии и сине-зеленые водоросли

Простейшие клеточные организмы - это прокариоты (буквально «предъядерные»). К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Диаметр самых мелких бактерий составляет около 0,1 мкм (100 нм), т.е. они меньше наиболее крупных вирусов, однако крупные бактерии, имеющие форму палочки, достигают длины 60 мкм при поперечном диаметре 6 мкм. Бактерии могут иметь сферическую форму, форму палочек или спиралей (рис. 1.4). Клеточная мембрана бактерий окружена прочной клеточной стенкой. Их наследственное вещество заключено в единственной хромосоме, однако ядерной мембраны, отделяющей хромосому от остальной клетки, у бактерий нет (почему они и названы прокариотами). У бактерий нет также митохондрий и некоторых других органелл, характерных для цитоплазмы высших (эукариотических) клеток.

Некоторые бактерии, например Escherichia coli, обитающая в кишечнике человека и других млекопитающих, и Pneumococcus pneumoniae - возбудитель бактериальной пневмонии, активно используются в генетических исследованиях.

У сине-зеленых водорослей, так же как и у бактерий, есть клеточная стенка, однако ядерная мембрана и некоторые цитоплазматические органеллы отсутствуют. В отличие от бактерий сине-зеленые водоросли, как правило, образуют грозди или нити, состоящие из множества клеток.

Бактерии и сине-зеленые водоросли обычно размножаются простым делением клетки, которое происходит после дупликации (удвоения) хромосомы.

18

Организация и передача генетического материала

Одноклеточные и многоклеточныеэукариоты

К эукариотам (буквально «обладающие настоящим ядром») относятся все клеточные организмы, кроме бактерий и сине-зеленых водорослей. В эукариотических клетках есть ядерная мембрана, ограничивающая ядро, в котором находятся по крайней мере две хромосомы. В хромосомах эукариот ДНК образует комплексы с определенными белками, которые называются гистонами (см. гл. 4). Кроме того, в эукариотических клетках присутствуют определенные органеллы и структуры, которых нет у прокариот: митохондрии, хлоропласты (только в клетках растений), аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум и вакуоли (рис. 1.5).

Эукариоты могут быть как одноклеточными, так и многоклеточными. Из одноклеточных эукариот наиболее часто в генетических экспериментах используются водоросль Chlamidomonas reinhardi, инфузория Paramecium aurelia, дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Из многоклеточных эукариот объектами генетических исследований часто бывают грибы Neurospora crassa и Aspergillus nidulans, кукуруза (Zea mays), плодовая мушка (Drosophila melanogaster), домовая мышь (Mus musculus) и человек (Homo sapiens).

Рис. 1.5. Схема строения эукариотической клетки (на рисунке -клетки млекопитающего). Хорошо заметная органелла ядра -это ядрышко.

1. Введение19

Рис. 1.6. Жизненный цикл организмов, размножающихся половым путем. В результате оплодотворения женской гаметы мужской гаметой образуется зигота. Зигота многократно последовательно митотически делится, давая начало множеству клеток организма. Те клетки, из которых формируются гаметы, называются клетками зародышевой линии. Они также размножаются митотически, но затем претерпевают мейоз, в результате которого число хромосом уменьшается вдвое. При половом размножении диплоидная и гаплоидная (гаметная) фазы обязательно чередуются.

Размножение у эукариот может быть бесполым (вегетативным) или половым. При бесполом размножении единственный родительский организм делится на две или несколько частей, причем из каждой вырастает по новой особи. Бесполое размножение широко распространено у растений: из маленького кусочка растения, отделенного надлежащим образом, при соответствующих условиях может образоваться новое растение. Картофель, например, легче разводить клубнями, чем семенами, а большинство фруктовых деревьев разводят черенками. Бесполое размножение встречается также у грибов и некоторых низших животных, например у плоских червей.

При половом размножении происходит слияние двух половых клеток или гамет; они образуют одну клетку, называемую зиготой, из которой развивается новый организм. Обычно гаметы принадлежат разным родителям. Исключением из этого правила является самооплодотворение, при котором обе гаметы производятся одним родительским организмом.

Жизненный цикл развития и полового размножения многоклеточных

20 Организация и передача генетического материала

Таблица 1.1. Диплоидное число хромосом (2N) различных видов животных и растений

Вид	Число хромосом
Человек Homo sapiens	46
Шимпанзе Pan troglodytes	48
Макак-резус Масаса mulatto	48
Лошадь Equus caballus	64
Осел Equus asinus	62
Собака Canis familiaris	78
Кошка Fetts domesticus	38
Домовая мышь Mus muscu/us	40
Крыса Rattus norvégiens	42
Опоссум Didelphys virginiana	22
Курица Gallus domesticus	78
Индейка Meleagris gallopavo	82
Лягушка Rana pipiens	26
Меченосец Platypoecilus maculatus	48
Морская звезда Asterias forbesi	36
Тутовый шелкопряд Bombyx mori	56
Комнатная муха Musca domestica	12
Плодовая мушка Drosophila melanogaster	8
Комар Culex pipiens	6
Таракан Blatta germanica	23♂, 24♀
Рак-отшельник Eupagurus ochotensis	254
Белый дуб Quercus alba	24
Желтая сосна Pinus ponderosa	24
Слива Prunus cerasus	32
Капуста Brassica oleracea	18
Редька Raphanus sativus	18
Горох огородный Pisum sativum	14
Душистый горошек Lathyrus odoratus	14
Фасоль Phaseolus vulgaris	22
Огурец Cucumis sativus	14
Хлопчатник Gossypium hirsutum	52
Картофель Solanum tuberosum	48
Помидоры Solanum lycopersicum	24
Табак Nicotiana tabacum	48
Пшеница мягкая яровая Triticum aestivum	42
Пшеница английская Triticum turgidum	28
Ячмень Hordeum vulgäre	14
Рожь Secale céréale	14
Рис Oryza saliva	24
Львиный зев Antirrhinum majus	16
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae	34
Зеленая водоросль Acetabularia mediterranea	20

эукариот схематически изображен на рис. 1.6. Число хромосом в клетке, характерное для данного вида, сохраняется постоянным из поколения в поколение, поскольку существуют два типа деления клеток: один для образования соматических клеток (или клеток тела) и другой для образования гамет. Процесс деления соматических клеток называется митозом. При митозе все хромосомы дуплицируются (удваиваются) перед началом деления клетки. В процессе митоза дуплицированные хромосомы распределяются поровну между двумя дочерними клетками. В результате все соматические клетки организма обладают одинаковым

/. Введение21

Рис. 1.7. 46 хромосом мужчины. В нижней части фотографии гомологичные хромосомы изображены попарно. Специально используемая методика окраски выявляет поперечную исчерченность, индивидуальную для каждой хромосомы. На этих хромосомах метафазной пластинки можно различить около 400 темных и светлых полос (Prof. W. Roy Breg, Yale University).

числом хромосом. Посредством митоза делятся также одноклеточные эукариоты. Гаметы образуются в процессе мейоза. При мейозе каждая клетка делится дважды, а число хромосом удваивается лишь один раз. Вот почему число хромосом в гаметах вдвое меньше, чем в соматических клетках. Пара гамет (одна мужская половая клетка и одна женская) сливается в процессе, который называется оплодотворением. Образующаяся

Организация и передача генетического материала

при этом зигота имеет число хромосом, характерное для соматических клеток организма. Митоз и мейоз более подробно описаны в следующих разделах.

Если число хромосом в гамете обозначить буквой N, то число хромосом в зиготе будет равно 2N, по половине от каждой из гамет. Если зигота делится митотически, то в каждой из двух дочерних клеток количество хромосом составит 2N. В процессе развития эти клетки делятся снова и снова, и каждая из клеток многоклеточного организма содержит по 2N хромосом. Организм продуцирует также гаметы, но они возникают в результате мейоза, и каждая из них содержит лишь по N хромосом. Когда две гаметы при оплодотворении сливаются, восстанавливается число 2N, характерное для данного вида организмов и сохраняющееся из поколения в поколение. Число хромосом в клетках различных эукариот может быть весьма различным. У некоторых видов хромосомное число равно двум; у других оно может достигать нескольких сотен (табл. 1.1). Клетки с двойным набором хромосом, т.е. соматические клетки, мы будем называть диплоидными; клетки с одинарным набором хромосом, т.е. гаметы, называются гаплоидными.

В диплоидных организмах две хромосомы одной пары называют гомологичными; хромосомы, не являющиеся членами одной пары, называются негомологичными. У раздельнополых организмов, к которым относится большинство животных, обычно одна из пар хромосом ответственна за определение пола; хромосомы этой пары называются половыми. Все остальные хромосомы носят название аутосом. Две половые хромосомы в отличие от всех других гомологичных хромосом не обязательно одинаковы по размеру и форме. Один из полов (у млекопитающих и многих насекомых это самцы, а у бабочек и птиц-самки) называется гетерогаметным, поскольку у представителей этого пола половые хромосомы (обычно обозначаемые буквами X и Y) резко отличаются друг от друга. Противоположный пол называется гомогаметным, особи этого пола обладают сходными половыми хромосомами (а именно Х-хромосомами). Таким образом, у людей, мышей и дрозофил самцы характеризуются парой половых хромосом XY, а самки-XX (рис. 1.7). У некоторых видов Y-хромосома вовсе отсутствует; гетерогаметный пол в таком случае обозначается символом ХО, тогда как гомогаметный - по-прежнему символом XX.

Митоз

Митозом называется процесс деления ядра клетки, в результате которого из одной клетки образуются две дочерних, причем число хромосом в каждой из них совпадает с числом хромосом в родительской клетке. Хромосомы удваиваются в течение особого периода клеточного цикла, предшествующего митозу. Этот период называется S, по первой букве слова "synthesis", поскольку в течение этого периода происходит синтез ДНК хромосом. S-периоду предшествует период G₁ (от слова "gap"-перерыв), а за ним следует период G₂. В течение периодов G₁ и G₂ рост клеток и метаболизм продолжаются, однако репликации хромосом не происходит. Если мы обозначим митоз буквой М, то последовательность событий на протяжении клеточного цикла может быть представлена в виде G₁SG₂M (рис. 1.9). Затем цикл повторяется снова и снова, пока продолжается процесс деления клеток (пролиферация!

1. Введение 23

Дополнение 1.1. Хромосомы

Хромосомы представляют собой длинные нитевидные образования, которые во время деления клетки сжимаются, становясь короче и плотнее, так что в каждой можно различить центромеру и одно или два плеча хромосомы. В зависимости от расположения центромеры выделяются три типа хромосом (см. рис. 1.8); 1. Метацентрические, у которых плечи имеют примерно одинаковую длину (т.е. центромера расположена посредихромосомы). 2. Акроцентрические, у которых длины плеч сильно различаются (т. е. центромера сдвинута к одному из концов хромосомы). 3. Телоцентрические, у которых хорошо заметно лишь одно плечо (т.е. центромера находится на самом конце хромосомы или очень близко от него).	Рис. 1.8. Первая, пятая и тринадцатая хромосомы человека представляют на этом рисунке соответственно метацентрический, акроцентрический и телоцентрический типы хромосом.
Негомологичные хромосомы можно отличить друг от друга по размеру и положению центромеры. Некоторые участки хромосом называютсягетерохроматиновыми («окрашенными по-другому»), поскольку они сохраняют плотную компактную структуру в интерфазе и на ранних стадиях профазы клеточного деления. Другие участки хромосом или целые хромосомы называются эухроматиновыми («нормально окрашенными»). Расположение гетерохроматиновых участков учитывают при идентификации хромосом. Хотя митоз - это процесс, происходящий без резких переключений, однако определенные ключевые события позволяют выделить четыре стадии митоза: профазу, метафазу, анафазу и телофазу (рис. 1.10
Рис. 1.9. Клеточный цикл. Период синтеза ДНК (S) отделен от предшествовавшего и последующего митозов (М) двумя «перерывами», g1- и G2-периодами соответственно. Относительная продолжительность S-, М- и G-периодов у различных организмов различна.

Рис. 1.10. Четыре стадии митоза. Дупликация хромосомного материала происходит в интерфазе, предшествующей началу профазы.

Рис. 1.11. Митоз у пиона, Paeonia californica, 2N = 10 (χ 850). (Dr. Marta S. Walters, University of California, Santa Barbara, and the late Prof. Spencer W. Brown, University of California, Berkely.)

26 Организация и передача генетического материала

и 1.11). О клетках, не участвующих в митозе, говорят, что они находятся в интерфазе; последовательные митозы всегда разделены интерфазным периодом, в течение которого происходит синтез ДНК.

Профаза. Эта стадия характеризуется постепенным уплотнением (конденсацией) и спирализацией хромосом, в результате чего они становятся различимы под микроскопом, образуя нитевидные структуры. Видно, что каждая хромосома состоит из двух копий, расположенных вдоль друг друга и соединенных центромерой. Эти копии, пока они не разошлись, называются сестринскими хроматидами. Другим характерным событием профазы является постепенное исчезновение ядрышка, содержимое которого распределяется по всему ядру. У большинства организмов в профазе начинает разрушаться ядерная мембрана.

Метафаза. У большинства организмов в этот период исчезает ядерная мембрана и хромосомы, прикрепленные центромерами к нитям веретена, оказываются в цитоплазме. На этой стадии хромосомы собираются в плоскости, расположенной посередине между полюсами веретена. Образовавшаяся метафазная пластинка представляет собой наиболее характерную особенность метафазы.

Анафаза. Обычно это самая короткая стадия митоза. Каждая центромера делится пополам (при этом хроматиды становятся хромосомами), и две дочерние центромеры устремляются к противоположным полюсам веретена, увлекая за собой по одной из двух дочерних хромосом.

Телофаза. Два набора хромосом группируются у противоположных полюсов веретена. Здесь они начинают раскручиваться и удлиняться, приобретая форму интерфазных хромосом. Вокруг каждого набора хромосом образуется ядерная мембрана, и вновь возникают ядрышки. Клеточное деление (цитокинез) также полностью завершается на этой стадии.

Мейоз

Мейоз – это два последовательных деления ядра, которые приводят к образованию гамет. Во время мейоза каждая клетка делится дважды, в то время как хромосомы удваиваются лишь один раз, в результате чего число хромосом в гамете оказывается вдвое меньше их числа в исходной клетке. Два последовательных деления обозначаются терминами мейоз I и мейоз II. В каждом из этих двух мейотических делений можно выделить четыре стадии: профаза, метафаза, анафаза и телофаза (рис. 1.12 и 1.13). Предшествующая мейозу интерфаза полностью аналогична митотической интерфазе; дупликация хромосом происходит в течение S-периода.

МейозI

Профаза I. Это очень сложная стадия, которую обычно подразделяют на пять подстадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез. Для лептотены характерно начало спирализации и уплотнения хромосом; они приобретают нитевидную форму и похожи на хромосомы в начале профазы митоза.

На стадии зиготены гомологичные хромосомы конъюгируют, т.е. соединяются друг с другом наподобие застежки «молния». Такое соединение гомологичных хромосом называется синопсисом. Это важное ге-

1 Введение 27

Рис. 1.12. Стадии мейоза. Репликация (удвоение) хромосомного материала происходит в Sпериоде премейотической интерфазы. В первом мейотическом делении происходит уменьшение вдвое числа центромер, однако каждая центромера прикреплена к дуплицированной хромосоме. Во втором делении мейоза происходит деление центромер и превращение каждой дуплицированной хромосомы в пару самостоятельных хромосом.

28 Организация и передача генетического материала

Лептотена	Зиготена
Пахитена	Диплотена
Диакинез	Метафаза I
Анафаза I	Телофаза I

1. Введение 29

Интерфаза	Профаза II
Метафаза II	Анафаза II
Телофаза II	Интерфаза
Рис. 1.13. Мейоз у самца кузнечика Chorthippus parallelus, 2N = 17 (у самки 2N = 18) (х 1500). Из четырех образовавшихся ядер (см. последнюю фотографию) два содержат по девять хромосом, а два -по восемь, поскольку в них отсутствует Х-хромосома. (Prof. James L. Walters, University of California, Santa Barbara.)

нетическое событие, поскольку оно делает возможным обмен участками между гомологичными хромосомами, называемый кроссинговером. Две сцепленные таким образом хромосомы называются бивалентом. Бивалент, таким образом, состоит из четырех хроматид. Стадия пахитены характеризуется укорочением и утолщением бивалентов.

На стадии диплотены две гомологичные хромосомы почти расходятся, однако сестринские хроматиды, остаются соединенными общей центромерой. Кроме того, у гомологичных хромосом остаются одна или несколько зон контакта, которые называются хиазмами. Каждая хроматида может образовывать хиазмы с любой из хроматид гомологичной хромосомы, так что хиазмами могут быть связаны две, три или все

30 Организация и передача генетического материала

Рис. 1.14. Четыре типа хиазм. А. Одиночная хиазма. Б. Две хиазмы, затрагивающие пару хроматид. В. Две хиазмы, связывающие три хроматиды. Г. Две хиазмы, связывающие все четыре хроматиды.

четыре хроматиды бивалента, хотя каждая хиазма затрагивает лишь пару хроматид (рис. 1.14). Число хиазм в биваленте может быть различным, но обычно их бывает две-три. Например, в мейозе у человека (у женщин) в среднем можно наблюдать две-три хиазмы на бивалент, хотя число хиазм в длинных хромосомах обычно больше, чем в коротких. Наличие хиазм свидетельствует о том, что между хроматидами происходит кроссинговер (т.е. обмен участками).

Диакинез характеризуется максимальным утолщением и спирализацией хромосом, принимающих форму коротких толстых палочек. У большинства организмов на этой стадии хиазмы перемещаются в направлении от центромер к концам хромосом и исчезают. В результате к концу диакинеза контакт между хроматидами сохраняется лишь на одном или обоих концах (рис. 1.15). После завершения диакинеза ядерная мембрана и ядрышки растворяются.

Метафаза I. Биваленты прикрепляются центромерами к нитям веретена и собираются в метафазной пластинке, причем центромеры гомологичных хромосом располагаются на противоположных сторонах пластинки. В метафазе I мейоза гомологичные хромосомы связаны друг с другом переместившимися к концам хромосом хиазмами в отличие от метафазы митоза, когда гомологичные хромосомы не образуют пары.

Анафаза I. Центромеры каждой пары гомологичных хромосом расходятся к полюсам веретена, увлекая за собой по паре хроматид каждой хромосомы. Соединенные ранее концы гомологичных хромосом расходятся, и хромосомы все более удаляются друг от друга. Важное отличие от митотической анафазы состоит в том, что в анафазе I мейоза центромеры не делятся.

Телофаза I. После того как перемещение хромосом к полюсам веретена в анафазе завершено, вокруг каждого набора гомологичных хромосом образуется ядерная мембрана, и клетка делится на две дочерние.

Интерфаза между мейозом I и мейозом II обычно проходит быстро или отсутствует вовсе. Ее важное отличие от интерфазы, предшествующей мейозу I или митозу, состоит в том, что синтеза новой ДНК в промежутке между мейозом I и мейозом II не происходит.

Рис. 1.15. Во время диакинеза хиазмы сдвигаются к концам бивалентов.

/. Введение 31