02. Половой процесс, мейоз и их варианты. Тетрадный анализ (Лекции по генетике)

Лекция 2ПОЛОВОЙ ПРОЦЕСС, МЕЙОЗ И ИХ ВАРИАНТЫ, НЕЙРОСПОРА КАКГАПЛОИДНЫЙ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ, ТЕТРАДНЫЙ АНАЛИЗ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru2.1. Половой процессВ конце предыдущей лекции мы подошли к таким важным для генетики понятиям, как«гомозигота», «гетерозигота». Однако они имеют смысл лишь для диплоидныхорганизмов.

Именно диплоидность делает генетику довольно сложной наукой. Поэтому,прежде чем двигаться дальше, полезно вспомнить о половом процессе. Что такое половойпроцесс и зачем он нужен?Молекулярная биология и цитология демонстрируют нам удивительные механизмыточного самовоспроизведения жизни. И в то же время половой процесс необходим длятого, чтобы воспроизводиться не вполне точно, и для этого выработались механизмы,часто еще более изощренные, чем те, которые обеспечивают точность.

Вы знаете осуществовании такого явления как эволюция. Само по себе его существование ужеговорит о том, что точность самокопирования биологических объектов не абсолютна.Действительно, чтобы выжить в неустойчивом мире неравновесных процессов,изменяться необходимо. Важнейший источник изменений – это ошибки при копированиинаследственной информации, известные как мутации. Все многообразие жизни, вконечном счете, возникло из счастливых (и не очень) ошибок.

Но мы все хорошо знаем,как редко случаются счастливые ошибки и как много бывает досадных. И хотя в высшейстепени терпеливая эволюция достигла таких впечатляющих (с нашейантропоцентрической точки зрения) результатов как раз на редких благоприятныхслучаях, одна житейская мудрость остается справедливой всегда: ломать - не строить.Специально заботиться о генерации ошибок не следует – они всегда происходят самисобой в избыточном количестве, в силу самой химической природы физического носителягенетической информации.Но существует и более привлекательный источник изменения – выбор из ужесуществующего разнообразия, как минимум совместимого с жизнью, и перебор разныхкомбинаций. Поэтому на всех уровнях организации жизни была предусмотренавозможность обмена генами между индивидуумами, так что перекомбинацияфункциональных генов порождает разнообразие технических решений, которое часто1оказывается востребованным жизнью.

Эти механизмы различны у прокариот и эукариот.У первых они проще и более гибкие, у вторых – сложнее и жестко упорядочены.2.2. Половой процесс у бактерий.Простота устройства прокариот делает обмен генетическим материалом между нимидовольно легким. Вспомним, что в классическом опыте Гриффитса невирулентнаякультура пневмококков приобретала вирулентность вследствие простого смешивания ее субитой нагреванием вирулентной культурой, где сохранялась неразрушенная ДНК,которая фактически просто прилипала к капсиду (клеточной стенке). (Отметим, чтонагревание убивало бактерий, но при этом сохранялся капсид и ДНК, и это иллюстрируеттот факт, что ДНК – весьма устойчивая молекула.) Действительно, для примерно 1%видов бактерий имеются специальные белковые механизмы для захвата в клеткучужеродной ДНК извне.

В то же время, у бактерий известен и специальный половойпроцесс, который, впрочем, довольно прост. Рассмотрим его на примере кишечнойпалочки (Escherichia coli). Помимо жгутиков, бактериальная клетка может нести тонкиеотростки – пили. Обычно они нужны, чтобы бактерия прикреплялась к субстрату. Естьособый тип отростков – F-пили. Их наличие кодируется особой плазмидой, называемой Fфактор – независимой небольшой кольцевой ДНК, произвольное число копий которойможет находиться в цитоплазме. Соответственно бактерию, которая несет эту плазмиду икак следствие имеет F-пили, можно назвать «мужской» (корректнее - F+ клеткой).

F-пилипредставляют собой трубочки, способные присоединяться к другой бактерии, какправило, своего вида (хотя понятие вида у бактерий очень размыто) и открываться в нее.Этот процесс называется конъюгацией.Конъюгация служит сигналом к внесению однонитевого разрыва в определенный сайтF-фактора. При этом надрезанный 5’-конец ДНК фактора проникает в F-пиль и далее в«женскую» клетку-акцептор, где к нему копмлиментарно достраивается вторая цепь.Одновременно то же самое происходит с оставшейся однонитчатой ДНК и в клеткедоноре, благодаря чему F-фактор реплицируется там по механизму катящегося кольца.Таким образом, F-фактор фактически инфицирует собой клетку, его не имеющую (Fклетку).

При совместном инкубировании F+ и F- клеток E. coli за один часинфицированными оказывается около 90% клеток. Небезынтересно, что две F+ клетки неконъюгируют.С определенной вероятностью F-фактор встраивается в бактериальную хромосому, абудучи встроенным, способен вырезаться из нее – это обратимый процесс. Клетки, в2которых F-фактор интегрирован в бактериальную хромосому, обозначаются как Hfrклетки (от high frequency recombination).

В результате, описанный выше механизмприводит к тому, что вслед за фрагментом ДНК F-фактора в клетку-акцептор начинаетподтягиваться и переходить и ДНК бактериальной хромосомы. Однако вся бактериальнаяхромосома переходит в клетку-акцептор крайне редко, как правило, конъюгацияобрывается раньше. В результате, клетка-акцептор получает фрагмент F-фактора (но нецелый F-фактор) и фрагмент бактериальной хромосомы.В клетке-акцепторе внедрившийся фрагмент чужеродной ДНК способен с некоторойвероятностью замещать соответствующий ему кусок хромосомы «женской» клетки помеханизму репарации двунитевых разрывов, так что бактериальная хромосома становитсярекомбинантной.Нетрудно понять, что этот половой процесс – как бы «незаконный».

F-фактор ведетсебя как геномный паразит, а конъюгация и f-пили несомненно являются всего лишьсредствами передачи инфекции. На этой основе, судя по всему, и возник полезный длясамой бактерии половой процесс; возможно, способность F-фактора встраиваться вбактериальную хромосому была поддержана естественным отбором.Скорость передачи ДНК при конъюгации постоянна при неизменной температуре. Напередачу всей бактериальной хромосомы при температуре 37оС у E.

coli уходит около 100минут. На постоянстве этой скорости основан метод ее генетического картирования путемпрерванной конъюгации: через определенное время после объединения «скрещиваемых»культур в одной суспензии их интенсивно встряхивают, что нарушает конъюгацию, послечего выясняют, какие гены от клеток-доноров оказались в составе рекомбинантныххромосом у клеток-акцепторов. На таких картах расстояния между генами дажеизмеряются в минутах.2.3. Половой процесс у эукариот.У эукариот ДНК гораздо больше, количество ее копий в клетке жестко регулируется,она плотно упакована и защищена в интерфазе двойной ядерной мембраной, а во времяделения клетки упакована еще более плотно. Поэтому для полового процесса эукариотыизобрели достаточно сложный механизм.

У эукариот он состоит из двух частей, которые умногоклеточных в той или иной мере разнесены в пространстве и времени. Первая егочасть, которая, собственно, и ответственна за объединение генетического материала двухиндивидуумов, очень проста и состоит в полном слиянии двух клеток и их ядер друг сдругом. Слияние происходит на стадии G1 клеточного цикла, т. е. до синтеза ДНК. Этот3момент обычно называется оплодотворением. Клетки, «намеревающиеся» слиться,принято называть гаметами. В результате слияния образуется одна клетка, ядро которойсодержит два более или менее одинаковых набора хромосом, полученных от каждой изгамет. Такая клетка называется зиготой. Зигота имеет два набора хромосом, которыеобычно имеют некие индивидуальные различия.

Каждой хромосоме одного набора,полученной от одной из слившихся клеток (одного родителя), соответствует ее гомолог хромосома второго набора, полученная от другой слившейся клетки (другого родителя).Клетка, в ядре которой имеется два набора гомологичных хромосом, называетсядиплоидной. Зиготы как правило диплоидны, как и все клетки, образовавшиеся за счетделения зиготы и ее потомков путем митоза.Если слияние клеток и ядер происходит регулярно, и каждый раз количество хромосомудваивается, то должен существовать механизм, способный снова разделять двагомологичных набора хромосом диплоидного ядра.

И такой механизм с необходимостьюдолжен быть более сложным. Этот механизм называется мейозом. Он представляет собойпроцесс, разделяющий каждую пару гомологичных хромосом диплоидной клетки ипомещающий каждый гаплоидный набор хромосом в две разные гаплоидные клетки. Темсамым открывается возможность для нового слияния гаплоидных клеток с образованиемдиплоидной зиготы. В результате, у эукариот любая форма жизни существуетпосредством чередования двух фаз – гаплоидной и диплоидной. Каждая фаза может бытьпредставлена множеством поколений клеток, размножающихся путем митотическогоделения, при котором диплоидное или гаплоидное состояние строго воспроизводится, тоесть без смены фазы.