Жасушаның тұқым қуалау апараты. Хромосомалар
Жасушаның бөлінуі кезіндегі хромосома жағдайларын алғаш 1870 жылдардың соңында сипаттап жазғандар Флемминг, Страсбургер және т.б. болды. 1875 жылы Гертвиг ұрықтану кезінде гаметалардағы екі ядроның қосылуына байланысты хромосомалар санының екі еселенетінін көрсетті. Сәл кейінірек 1883 жылы Ван Бенненден хромосомалардың ата- аналардан ұрпақтарына бірдей берілетіні жайлы айтты. Тірі жасушаларды фиксациялап, соңынан боялған кезде ядро ішінде кейбір бояулармен жақсы боялатын, әсіресе негіздік бояуларды мол сіңіретін тығыз денешіктер бар зоналар байқалған. Жақсы боялатын қабілетіне байланысты ядроның бұл құрам бөлігін Флемминг 1880 жылы «хроматин» деп аталады. Ал «хромосома» термині ғылымға 1880 жылы Бальдейер енгізген. Мейоздық бөліну кезіндегі хромосомалар жағдайын байқаған ғалым Ру олардың тұқым қуалаушылыққа қатынасы бар екенін мәлімдеген. Содан бергі зерттеу нәтижелерін қорыта келе хромосомалар сол жасушадағы хромосомалардан тыс механизмдермен әрекеттесе отырып, бірінішіден, тұқым қуалау ақпаратының сақталуын жэне оның дұрыс көшіріліп жазылуын реттейді, екіншіден, генетикалық материалдың екі еселенуін, сондай-ақ, оның ұрпақтан ұрпаққа берілуін қамтамасыз етеді деген тұжырым жасалды.
Хромосомалардың химиялық құрамы. Хроматиннің негіздік бояуларды сіңіру қабілеті оның қышқылдық қасиетінің болуында. Өйткені хроматиннің құрамында ДНҚ (35-40%), гистонды және гистонды емес ақуыздар (60-65%) болады. ДНҚ организмнің тұқым қуалаушылығы сияқты қасиеттерінің материалдық негізі екендігі жоғарыда айтылды. Онда организмнің даму бағдарламасы, яғни биологиялық ақпарат жазылған. Әр организм түрінің жасушаларында оның өзіне тән тұрақты ДНҚ мөлшері бар. Хроматинді құрайтын гистонды ақуыздар 5 түрлі: Н1,Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Гистонды емес ақуыздардың қатарына, құрылымдық ақуыздар, реттеуші ақуыздар және фермент молекулалары жатады. Бұлардан басқа хроматин құрамында аз мөлшерде РНҚ молекуласы, Са, М§, Ғе иондары да кездеседі. Кез келген эукариоттық хромосомада бактерия жасушасындағы тәрізді бір қос тізбекті ДНҚ молекуласы болады. Бірақ бұл ДНҚ-ның диаметрі 2нм, ұзындығы орташа есеппен 5 сантиметрге тен. Әйтсе де, оның жиі ширатылуына, әсіресе метафаза кезінде күшті оралып тығыздалған күйде болуына сай оның ұзындыгы 10 мың есеге жуық қысқарып, хромосомаға толық сиып тұрады. Мұндай хромосоманың ұзындығы небәрі бірнеше микрон ғана. Бұл жағдайды түсіну үшін хромосома ішіндегі ДНҚ молекуласы тығыздалуының 3 түрлі деңгейін қарастыру қажет. Хромосомадағы ДНҚ тығыздалуының 3 түрлі деңгейі электрондық микроскопияның көмегімен 1974 жылы толық зерттеліп анықталды. Ол мәліметтер бойынша, хромосомада бір-біріне өте жақын орналасқан үзіктерден (фрагменттерден) тұратын тізбек болады. Тізбектегі қайталанып отыратын әр үзік нуклеосомадан және оны екінші нуклеосомалар байланыстырушы буын линкер участігінен тұрады. Әр нуклеосома Н2А, Н2В, НЗ, Н4 гистонды ақуыздарының екі-екі молекулаларынан құралған диск тәрізді (октамер) денешік. Оның диаметрі 11 нм-ге жуық, дискінің сыртын орай 146-148 жұп нуклеотидті қамтитын ДНҚ молекуласы орналасқан. Екі нуклеосоманың арасындагы динкер 15 000 жұп нуклеотидтерден тұратын ДНҚ-ның шағын учаскесінен жэне Н1 гистонның бір молекуласынан құралған. Бұл құрылымға байланысты ДНҚ-ның узындығы 2см, диаметрі 10-11 нм үшінші деңгейлері біршама аз зерттелген. Екінші деңгейдің құрылымы Н1 гистонына байланысты. Мұнда хроматиндегі диаметрі 20-30 нм ұзындығы 1,2 мм келетін фибрилдердің сыртынан перпендикуляр бағытта нуклеосома тізбегі спираль тэрізді оралып солеонид орамдары қалыптасады. Орамдарды ұстап тұруда Н1 гистонды үлкен рөл атқарады. Әр орамға 6-7 нуклеосомадан келеді. Бұл деңгейде ДНҚ-ның тығыздалу дәрежесі 50 есеге жуықтайды. Үшінші деңгейде хромосома ішіндегі гистонды емес ақуыз молекулаларына солеонид фибрилдері ілмек тәрізденіп бекиді. Әр ілмектің ұзындыгы ондаған микрон шамамен 20000-80000 жұп нуклеотидті қамтиды. Мұндай әр ілмек бір-бір транскриптонға сәйкес келеді деген пікір айтылады. Осы үшін деңгейдің соңында ДНҚ молекуласының тығыздалуы 20- 800 есеге дейін артып, нәтижесінде диаметрі 100-200 нм болатын интерфазалық хромонема түзіледі.
Эукариоттар геномының құрылым ерекшеліктері
Геном деп гаплоидты хромосомалар жиынтығындағы барлық гендер жиынтығын айтады. Прокариоттармен салыстырғанда эукариоттарда тұқым қуалау материалының мөлшері айтарлықтай көп. Ашытқы саңырауқұлағының геномы 2% 3×107 жұп нуклеотидтерден тұрса, адам геномында Зх109жұп нуклеотидтер және 100 мыңға жуық ген бар. | Адамның диплоидты хромосомалар жиынтығы бар жасушаларындағы ондай ДНҚ-ның жалпы ұзындығы 174 см-ге жуық. Көп уақыт, тіпті 1970 жылдарға дейін бактериялар мен жануарлар геномдарының құрылысы бір біріне ұқсас, айырмасы тек гендердің санында деп есептеліп келді. Бірақ эукариотгардың генетикалық құрылымын тереңірек зерттеудің нәтижесі олардың ДНҚ-сында көптеген жиі қайталанатын нуклеотидтер жүйесіиің бар екенін анықтады. Ақпараты бар ДНҚ бөліктері ақпараты жоқ учаскелермен алмасып отырады. Мұндай транскрипцияланбайтын учаскелер бірнеше рет қайталанған біркелкі көшірмелер түрінде болады. Эукариотгар геномын қайталанатын көшірмелер санына байланысты 3-ке бөледі: а) жиі қайталанатын ДНҚ, б) орташа қайталанатын ДНҚ, в) сирек қайталанатын ДНҚ.
Хромосомалық ДНҚ-ның 5-15%-тсе жуығы жиі (шамамен 100 мың, кейде бірнеше млн рет) қайталанатын қысқа учаскелерден тұрады. Ол учаскелерде ондаған, бірнеше жүздеген жұп нуклеотидтер болады. Мұны сателлиттік ДНҚ деп атайды Жиі қайталанатын ДНҚ учаскелері хромосомалардың центромералары маңында жэне теломераларында шоғырланған. Хромосомалардағы сателлиттік ДНҚ әдетте структуралық (конститутивтік) гетерохроматин учаскелеріне сәйкес келеді. Адамның У-хромосомасы мен 1,9 және 16 хромосоманың центромерадан тыс аймақтарында сателлиттік ДНҚ орналасқан. Бұл жерлерде транскрипция жүрмейді.
Хромосомалық ДНҚ-ның 10-15%-ке жуығы орташа қайталанатын учаскелерден (10-100 мың рет) тұрады. Бұлардың да қызметі толық анықталмаған. Орташа қайталанатын учаскелердің кейбір бөліктерінде транскрипция жүреді. Онда барлық жасушалардың дамып жетілу үрдістерін анықтайтын гендер (рибосомалық РНҚ, гистондар, тасымалдаушы РНҚ-ға) орналасқан. Рибосомалық РНҚ- ның гені әдетте кейбір хромосомадағы ядроиіық ұйымдастырушы аудандардың бөлігі болып табылады. Адамда ядрошық ұйымдастырушы аудандар 13-15, 21 жэне 22-жұп акроцентрлік хромосомалардың қысқа иіндерінде орналасқан.
ДНҚ-ның қалған бөлігі (55-75%) сирек қайталанатын нуклеотидтер жүйесінен тұрады. Бұл учаскелер біршама ұзындау келіп, ондағы нуклеотидтердің саны едәуір көп (2 мыңға жуық жұп нуклеотидтер) болады. Бір немесе бірнеше ғана көшірмесі бар мұндай ДНҚ бөліктері орташа қайталанатын учаскелердің ара-арасында шашырап орналасқан. Ақуыздардың синтезіне жауапты көпшілік жақсы зерттеліп сипатталған, белгілі гендер осы сирек қайталанатын учаскелерде болады.
Эухроматин және гетерохроматин. ДНҚ-ның сирек, орташа және жиі қайталанатын нуклеотидтер жүйесіне бөлінуіне байланысты хромосомалық материалдардың екі типін ажыратады: эухроматин және гетерохроматин. Гетерохроматинді учаскелер жасушаның бүкіл тіршілігі бойы күшті ширатылған күйде болады. Мұндай учаскелер негіздік бояуларды мол сіңіріп жақсы боялады. Гетерохроматин структуралық (конститутивтік) және факультативті болып екіге бөлінеді. Структуралық гетерохроматинде жиі қайталанатын гендер орналасқан. Олар барлық аутосомдар және жыныстық X-хромосоманың центромера маңында болады. Түрлі хромосомалардағы структуралық гетерохроматиннің мөлшері әр түрлі. Әсіресе, көбірек шоғырланған жерлері 1,-9,-16 хромосомалардың ұзын иіндері. Акроцентрлік хромосомалардың қысқа иіндерінде де гетерохроматинді учаскелерді кездестіруге болады. Факультативті гетерохромартин жасушалық циклдық бір кезеңде ғана гомологтық хромосомалардың біреуінде болады. Оның қызметі онтогенез барысында кейбір гендердің мөлшерін азайту. Мысалы, әйел адамдарда жыныстық екі X – хромосоманың біреуі активтілігін жойып, жыныс хроматиніне немесе Барр денешігіне айналадьі: Эухроматинді учаскелер деспиральданған, яғни тарқатылган күйде болады, сондықтан бояуды аз сіңіріп, нашар боялады. Олар генетикалық ақпарат жазылған сирек қайталанатын гендерден құралған. Ол гендерде нуклеотидтер саны өте көп және қайталанбай белгілі бір қатаң тәртіппен орналасады. Интерфазалық ядрода эухроматин генетикалық активтілік көрсетіп, оның ДНҚ-сы тарқатылған жерлерінде транскрипция жүріп жатады. Тұқым қуалайтын бүкіл генетикалық материалдың 80-90%-ті осы эухроматинді учаскелерде шоғырланган.1 Хромосома құрылымдағы аса маңызды белгі оның ұзына бойы осы аталған хроматин типтерінен тұратын учаскелерге жіктелуі. Олай болса, хромосома типтерінен тұратын учаскелерге жіктелуі. Олай болса, әр хромосома өз бойындагы гетеро және эухроматинді учаскелердің мөлшерімен, орналасу ретімен ерекшеленеді.
Политенді (алып) хромосомалар. Хромосомалардың ұзына бойы эу және гетерохроматинді учаскелерге жіктелуі политенді немесе алып хромосомаларда айқын көрінеді. Мұндай хромосомалар қосқанатты насекомалар сілекей бездері, ішек және мальпиги түтікшелерінің жасушаларында, сонымен қатар қарапайымдар типінің өкілдерінде кездеседі. Алып хромосомалар сомалық және жыныс жасушаларындагы қалыпты хромосомалардан 100-200 есе ұзын және ондагы хромонемалар да 1000 есесге жуық артық болады. Өйткені политенияға байланысты әр 2 хромонема 9-11 рет еселеніп, жіпшелері бір бірінен ажырамай жанаса орналасқан күйде қалады. Соның нәтижесінде хромонемалар буылтықтар – дискілер түзейді. Олар жақсы боялып көлденең сызықтар тэрізді көрінеді. Дискілердің көлемі мен морфологиясы әр хромосома үшін тұрақты көрсеткіш болып табылады. Политенді хромосомаларды әдетте гендердің цитологиялық картасын жасауда, онтогенез барысында гендердің қызметін зерттеуде, сондай-ақ түрлі мутациялық өзгерістерді анықтау мақсатында пайдаланады.
Хромосомалардың құрылысы, типтері және ережелері
Хромосомалар өзара ұқсас екі ұзынша бөліктерден – хроматидтерден тұрады. Хроматидтер – хромонемалардан, ал хромонемалар ДНП-дан тұрады. ДНП – дезоксинуклеопротеидтің 35-40%-ке жуығын ДНҚ, 60-65 %-ке жуығын гистонды және гистонды емес ақуыздар құрайды. Хромосоманың маңызды құра бөлігі оның центромерасы (бірінші реттік тартылыс). Центромера арқылы хромосома бөліну ұршығының жіпшелеріне бекиді. Центромера хромосоманы ұзщын және қысқа иіндерге бөледі. Ол иіндердің шеткі ұштарын теломералар деп атайды. Центромераның орналауына байланысты хромосоманың мынандай типтерін ажыратады: метацентрлік (тең иінділер), субметацентрлік (бір шама тең иінділер) және акроцентрлік немесе субакроцентрлік (иіндері тең емес) хромосомалар. Адам хромосомаларының 1-3 жұптары және жыныстық X- хромосома метацентрлік болса 2,6-12,16-20 жұп хромосомалары субметацентрлік, ал 4-5,13-15,21-22 жұптар және жыныстық У – хромосома акроцентрлік немесе субакроцентрлік хромосомалар жатады. Бірқатар хромосомаларда олардың иіндерін қосымша денешіктердің (серіктерін) бөліп тұратын екінші реттік тартылыс (вторичная перетяжка) болады. Ядро ішінде мұндай хромосомалар бір-біріне тыгыз жанасып жақындаса алады. Бұл кезде хромосома серіктерін иіндерімен байланыстырушы жіңішке жіпшелер ядрошықтардың түзілуіне жағдай жасайды. Адам хромосомалардагы мұндай учаскелерді ядрошық ұйымдастырушылар деп атайды. Жоғарыда айтылғандай екінші тартылыста рРНҚ-ға жауапты гендер орналасқандықтан рибосомалық РНҚ-ның синтезі мен толық қалыптасуы ядрошықта жүреді.
Хромосома ережелері. Кез келген организм түрінде оның өзіне ғана тән белгілі және тұрақты хромосома саны болады. Мысалы, жылқы аскаридасының жасушасында – 2 хромосома, жеміс шыбыны дрозофилада – 8, гидрада – 12, адамда – 46 т.б. Бұл ерекшелік хромосомалар санының тұрақтылық ережесі деп аталады. Барлык тірі организмдерде хромосома саны жұп, яғни пішініне, көлеміне сай екі- екіден бірігіп гомологтық жұптар кұрайды. Мысалы, жылқы аскаридасында – 1 жұп, дрозофилада – 4 жұп, адамда – 23 жұп т.б. Бұл хромосомалардың жұптық ережесі. Безгек плазмодиі – 2, Гидра – 32, Тарақан – 48, Бөлме шыбыны – 12, Жасыл бақа – 26, Кептер – 80, Үй қояны – 44, Шимпанзе – 48, Адам – 46.
Әр гомологтық жұптар көлемі, пішіндері, центромераларының орналасуы, гетерохроматинді учаскелері т.б. белгілері бойынша өзара ұқсас, басқа жұптан ерекше болып келеді. Мұны хромосомалардың жеке – даралық ережесі деп атайды. Жасушаның немесе организмнің көбеюі барысында бұл ерекшеліктер толық сақталып ұрпақтан – ұрпаққа беріледі. Өйткені жасушаның бөлінуі алдында хромосомалар екі еселенуге қабілетті келеді. Олай болса, әр хромосомадан қалыптасып түзіледі. Бұл хромосомалардың үздіксіз ережесі болып табылады.
Кариотип жайлы түсінік. Адам кариотипі. Ғылыми зерттеулер жүргізуде цитологиялық техниканың жеткіліксіздігіне байланысты көп уақыт адам хромосомаларының жалпы саны – 48 деп есептеліп келді. Тек, 1956 жыы Швед цитологтары Тио жэне Леван адам ұрығының өкпе фибробластарын өте жетілдірілген цитологиялық нұсқауларды пайдаланып зерттеу нәтижесінде адам хромосомаларының саны – 46 деп көрсетті. Сол жылы (1956) ағылшын ғалымдары Форд жэне Хамертон өз жұмыстарын қорыта келе бұл мәліметтердің дұрыстығын дәлелдеді. Сомалық жасушаларда хромосомалар жұп күйінде болады. Оны диплоидтық жиынтық деп атайды (2п), ал жыныс жасушаларында әр жұптан бір- бір хромосомадан болады, оны гаплоидты жиынтық (п) деп атайды. Ұрықтану кезінде жыныс жасушалары қосылып, түзілген зиготада диплоидты жиынтық қалпына келеді. (п+п=2п). Қандай да болмасын организм түрінің сомалық жасушаларындагы нақты саны, көлемі мен пішіні бар хромосомалардың толық диплоидты жиынтыгын кариотип деп атайды. Сонымен, адам кариотипінде 46 хромосома бар. Олар 23 жұп құрайды. Әйел жэне еркек жыныстарында біркелкі ұқсас келетін 22 жұпты аутосомалар деп, соңгы екі түрлі хромосомалардан (XX, ХУ) тұратын жұбын жыныс хромосомалары деп атайды. Әйел адамның қалыпты кариотипті 46ХХ, ер адамда 46ХУ деп белгіленген. Кариотипті зерттеу үшін сүйектің қызыл кемігінің, терінің, ұрық және дәнекер ұлпасының жасушалары, көбінесе қан лейкоциттері пайдаланылады. Жеке бөліп алынған қан жасушаларын арнайы қоректік ортада өсіріп митоздық бөлінудің басталуын тездету мақсатында фитогемагглютининмен өңдейді. Мұндай жасушалардан 3 тәуліктен кейін (72 сағат) препарат даярлауға болады. Қарқынды жүріп жатқан митоздық бөлінуді тоқтату үшін колхицинмен әсер етіп прометафаза кезіндегі ахроматин жіпшелерінің түзілуіне кедергі лсасалады. Экватор жазықтығына орналасқан хромосомаларды бір бірінен бөліп ажыратып орналастыру үшін 10-30 мин. гипотониялық ерітіндімен өңдеп, артынша сірке қышқылы және этил спиртінің қоспасымен фиксациялайды. Осындай өңдеуден өткен хромосомалар ең соңында Романовский-Гимза бояумен (бояудың рутиндік әдісі) немесе 2% -тік ацетокарминмен бояп, даяр препараттағы жарық микроскобының астында суретке түсіріп алады. Суреттегі хромосомаларды жекелеп қырқып хромосома жұптарын, сандарын дұрыс анықтау мақсатында оларды идиограмма түрінде орналастырады.
Хромосомаларды классификациялау
1960 жылы қабылданған халықаралық Денвер классификациясы бойынша хромосомаларды мөлшеріне қарай ең ірісінен бастап 1 нөмір деп орналастырып, аутосомалардың соңғы ең кіші жұбын 22-нөмір деп белгілейді. Ал 23- жұпты әйел адамдарда екі X- хромосома, ер адамдарда X және У – хромосомалар құрайды. Бұларды жыныс хромосомалары деп атайды. Мөлшері мен пішіні ұқсас хромосома жұптары топтарға біріктіріледі: А(1-3),В (4-5), С(6-12), Д(13-15), Е(16-18), Ғ(19-20), 0(21-22) топтары жыныстық X – хромосома С – тобына, ал У – хромосома – О тобына жатады. Бұл классификацияның кемшілігі сол, кейбір топтардағы хромосома жұптарын ажырату қиын. Мысалы, С тобында жеті жұп хромосома бар, көпшілігі мөлшері шамалас. Сондықтан кейінгі кезде хромосомаларды бояудың дифференциялды әдістері (С>,ОД және С)қолданылып жүр. Осы әдістерімен бояу нәтижесінде гомологтық жұптарды оңай ажыратуға мүмкіндік туды. 1971 жылы Парижде адам хромосомаларының картасы жасалып, оның арнайы көрсеткіштері белгіленеді. Ол карта бойынша хромосома иіндері аудандарға, ал аудандар сегменттерге бөлінеді. Аудандар мен сегменттерді белгілеу центромерадан теломераға қарай багытталып жүргізіледі. Хромосома иіндерін латын әріптерімен: үзын иінді – ср қысқа иінді – р деп, ал аудандар мен сегменттер ретін араб цифрларымен белгілейді;. Мысалы эстераза Д ферментін анықтайтын геннің орны – 13р14 деп көрсетіледі, яғни бұл ген 13 хромосоманың қысқа иініндегі 1- ауданның 4-сегментінде орналасқан. Дифференциалды бояу әдісін пайдалану арқылы адамның жыныстық X – хромосомасындағы 96 локус анықталып, оның кейбіреулері картаға түсіріледі. Адам хромосомаларында орналасқан 200-ден артық геннің орны белгілі.
Ұқсас материалдарды қарай кетіңіз:
