Муха
Я - теж муха:
Мій короткий вік.
А чим ти, муха,
Не людина?
ВІЛЬЯМА БЛЕЙК.
"Муха"
Якщо почистити фрукти і те, що вважається неїстівним, день-другий не виносити на смітник,
можна помітити, як навколо цього при рідного рослинного матеріалу розвинеться своя особливе життя. Навколо відкинутих людиною залишків їжі
почнуть роїтися маленькі мушки розміром принаймні на порядок, як кажуть математики (тобто приблизно в 10 разів), менше, ніж звичайні кімнатні
мухи. Вони настільки малі, що, якщо заведеться всього декілька штук, їх можна й не помітити. Розміри мушок становлять лише 2-3,5 мм. Однак це крихітне
створення увійшло в історію науки, а отже, і в історію людства як безцінний об'єкт генетичних досліджень.
В російська мова вже міцно увійшло їх на звання - дрозофіла, в точності повторює латинське найменування роду
мух сімейства плодових мушок Drosophilia. На земній кулі існує понад 1000 видів цих чарівних істот, і найбільше поширення вони одержали в
субтропіках і тропіках - на одних тільки Гавайських островах мешкає понад 300 видів дрозофіли. На території ж нашої країни їх на порядок менше. Найбільш
використовуваним в науці видом є Drosophilia melanogaster.
Самі плодові мушки живляться соком рослин, гниючими рослинними рештками, а личинки - мікроорганізмами.
Їх життєвий цикл дуже короткий, і розвиток від яйця до мухи займає в середньому 10 діб. Можна отримати масу задоволення, годинами розглядав ці крихітні
створення під мікроскопом з невеликим збільшенням, краще під Бінокулярним мікроскопом, що дозволяє отримувати об'ємне зображення. У ньому легко розгледіти
деталі будови переливаються крилець, напрочуд красиво посаджені очі, прямі або вілочкообразние щетини і багато, багато іншого. Малі розміри,
плодючість і ряд інших переваг перед більшістю живих організмів на довгий час зробили дрозофілу головним об'єктом генетики, і не один нобелівський
лауреат крім свого могутнього інтелекту зобов'язаний і їй своїми вищими науковими досягненнями.
Одним з нобелівських лауреатів, якому дрозофіли зробили неоціненну послугу, був чудовий
американський зоолог і генетик Томас Хант Морган. Саме його ім'я використовувалося для шельмування вітчизняних біологів в період "лисенківщини", коли
були введені лайливі тоді слова вейсманістів-морганістів, менделістів-морганістів або просто морганістів.
Морган народився в 1866 р. в сім'ї дипломата. Мати його була онукою композитора Френсіса Скопа Лі
склавши американський національний гімн. Чи не зазнаючи впливу біологів, Томас з дитинства цікавився біологічними об'єктами - він приносить у дім
скам'янілості, зібрав колекцію різних птахів, а перші свої наукові дослідження він виконав, використовуючи морських павуків.
У 1902 р. американський біолог Уільям С. Саттон висловив припущення, що одиниці спадковості
(гени) розміщуються в хромосомах. Морган вирішив його спростувати, вважаючи, що хромосоми не є носіями спадковості, а виникають на ранніх
стадіях розвитку. Тепер ми вже знаємо, що в кінці кінців він змінив свою думку на протилежну, довівши пряму роль хромосом у процесах
успадкування макроскопічних ознак живих організмів. Для виконання цієї роботи в 1908 р. кращого об'єкта, ніж дрозофіла, Морган знайти не зміг. Йому
знадобилося виростити і вивчити кілька мільйонів мушок, щоб прийти до твердого переконання, що хромосоми прямо пов'язані зі спадковістю. І це
тільки один вчений. Дрозофілу використовували напевно не менше декількох сотень генетиків, і, отже, число мушок, знадобиться науці, можна порівняти з
чисельністю людей на земній кулі.
Результати деяких експериментів Моргана з дрозофіли, здавалося, суперечили менделевської
закону незалежного успадкування, згідно з яким кожен організм має генами, контролюючими та або інша ознака, і успадкування однієї ознаки,
наприклад статі, не залежить від спадкування іншого - наприклад кольору очей. Виявилося, що деякі ознаки все ж пов'язані між собою, тобто їх поєднання
зустрічається у нащадків ніж випливає з законів Менделя.Так, наприклад, белоглазий - мутантний ознака - майже завжди зустрічається тільки у самців. Це явище
Морган назвав зчепленням з підлогою. Тенденція до зчеплення підказало вченому, що гени, мабуть, розташовуються на одній і тій же хромосомі тісній близькості
один до одного. Було виявлено що таких зчеплених груп у дроздофіли - чотири, і ця величина в точності збіглася числом пар хромосом
Свої експерименти Морган проводив у приміщенні, яке він називав Мушина кімнатою. У 1914 р. в цю
кімнату з'явився студент-випускник Герман Джозеф Меллер, якому згодом на тій же дрозофілі судилося відкрити мутації під дією рентгенівського
випромінювання. А поки Морган, Меллер і інші співробітники намагалися відповісти на запитання, чому гени, розташовані на одній і тій самій хромосомі, успадковувалися
рідше, ніж цього можна чекати. Вони припустили, що хромосоми, зібрані в пари, можуть розщеплюватися і обмінюватися своїми ділянками,
генами, і назвали цей процес Кросинговер. Припущення грунтувалося на виявленому бельгійським вченим Ф. А. Янсен в 1909 р. (за допомогою світлового
мікроскопа) тісному переплетенні хромосом.
Морган міркував так: чим більше відстань між двома генами в одній хромосомі, тим більша ймовірність
розриву. Якщо це правда, то гени не будуть успадковуватися разом, і навпаки - гени, розташовані в хромосомі близько один від одного, мають менше шансів бути
розділеними, тобто вірна гіпотеза американського генетика Альфреда Генрі Стертеванта про те, що зчеплення двох генів у хромосомі визначається величиною
лінійного відстані між ними. Іншими словами, була висловлена чудова думка, що, гени розташовані вздовж хромосоми лінійно, тобто являють собою
лінійну матрицю. Використовуючи дані про частоти Кросинговер, Морган першим почав складати хромосомні (або генетичні) карти, де в лінійній
послідовності вказувалися гени, відповідальні за той чи інший макроскопічний ознака (колір очей або черевця, формою щетинок або крил і
т.д.). Так, якщо частота обміну між двома генами дорівнює 5, то це означає, що вони розташовані в одній і тій же хромосомі на відстані 5 умовних лінійних
одиниць. Надалі ім'я Моргана, як раніше імена ряду інших видатних вчених, наприклад Дальтона, Ньютона, Джоуля, Ангстрема та інших, стали
використовувати для найменування цих одиниць, і в даний час вони називаються морганідамі. У 1933 р. Т. X. Моргану була присуджена Нобелівська премія з
фізіології та медицині за відкриття, пов'язані з роллю хромосом у спадковості.
Морган вивчав в основному мимоволі виникають мутації. Але вони можуть бути викликані і
штучно, наприклад шляхом фізичних або хімічних впливів. Першим фізичним мутагенним фактором було рентгенівське випромінювання. Його використовував
учень Моргана Герман Меллер. Хімічного мутагенезу ще в 30-і рр.. відкрив наш співвітчизник Йосип Абрамович Рапопорт, герой Великої Вітчизняної війни (він
двічі був представлений до звання Героя Радянського Союзу) і справжній герой науки в часи боротьби з "лисенківщини". Проте опублікувати свої
результати про мутагенну дію формальдегіду та інших карбонільних з'єднань він зміг лише в 1946 р. одночасно з шотландкою Шарлоттою Ауербах,
що повідомила в науковій друку про аналогічні властивості іприту. І знову об'єктом дослідження було непримітна мушка.
Річард Ексел (Richard Axel) і його колеги вивчили функції двох десятків генів, відповідальних за сприйняття
смаку у дрозофіли. Про це - стаття в Cell від 9 березня.
Група Ексель продовжила дослідження молекулярних біологів з Єльського університету Пітера Клайна і
Джона Карлсона, ідентифікували комплекс генів під загальною назвою GR. Ці гени відповідають за формування смакових
рецепторів дрозофіл: закодовані ними білки присутні переважно в хоботком, ніжках і вусиках комах.
Ексел і його колеги виявили велику схожість між GR і нюховими генами дрозофіли. Це
дозволяє припустити, що у віддалених предків мух за розпізнавання смаку і запаху відповідали одні й ті ж гени, і лише в процесі еволюції поступово
відбулося їх поділ на "смакові" та "нюхові".
Дослідники вважають, що подальше вивчення білків, що відповідають за розпізнавання смаку і
запаху, може призвести до революції в сільському господарстві. Розібравшись у структурі молекул; можна буде створювати екологічно чисті препарати,
здатні зробити сільськогосподарські культури несмачними або погано пахнуть для комах-шкідників.
Відмінності в організації ЕУ-і гетерохроматину дрозофіли.
Найбільш істотні властивості ЕУ-і гетерохроматі на, що характеризують відмінності в їх організації, при
ведены в табл. 1.
Навіть першого погляду на цю таблицю достатньо щоб побачити, наскільки ЕУ-і гетерохроматин
різні за будовою та функціонування. Деякі з властивостей дуже цікаві, і ми розглянемо їх більш детально.
Ефект положення мозаїчного типу
Одним з дивних властивостей гетерохроматину є його здатність передавати компактізованное
стан на еухроматіновие фрагменти хромосом, перенесені в його сусідство з допомогою хромосомних перебудов (рис. 2). Гени у перенесеному фрагменті
інактивуються, хоча і не у всіх клітинах одного і того ж органу. Наприклад, якщо ген w + у дрозофіли, що забезпечує нормальний червоний
колір очей у мухи, переноситься за допомогою інверсії In (l) wm4 в
У результаті на фоні нормально забарвлених ділянок очі
будуть з'являтися плями з нефарбованих білих клітин, у яких ген w + інактивувати - утворюється як би мозаїка з пофарбованих і нефарбованих клітин
(див. рис. 2). Це явище; зване ефектом положення мозаїчного типу, в даний час вивчають досить інтенсивно, оскільки дослідники вважають,
що воно є зручною моделлю для розуміння генетичного контролю механізмів компактизації - декомпактізаціі хроматину.
Рис. 2. Схема, що ілюструє ефект положення мозаїчного типу - генетичну інактивацію
еухроматінового фрагмента хромосоми, що містить ген w + , перенесеного в
сусідство гетерохроматину
У всіх цих роботах було зроблено сенсаційне відкриття: спадковість можна навмисно змінювати в
лабораторних умовах. Останню крапку в дослідженні хромосом і генів як лінійних матриць, мабуть, поставив ще один наш співвітчизник, лауреат
Кімберовской премії (премії з генетики, доповнює Нобелівські з фізіології і медицині) Микола Володимирович Тимофєєв-Ресовський, який
спільно з німецькими вченими Клаусом Ціммерманом і Максом Дельбрюк (ще одним Нобелівським лауреатом) в 30-х рр.. визначив розмір гена. І вже не в
умовних одиницях, а в звичайних одиницях довжини (наприклад, в нанометрів). Отримані величини чудово співпали з пізнішими даними про розміри ДНК.
Гени Y-хромосоми.
Ще на зорі народження генетики, в 1916 році, американський учений К. Бріджес встановив, що
експериментально отримані самці дрозофіли без Y-хромосоми (тобто ХВ на відміну від нормальних самців XY) мають
нормальну життєздатність і будову всіх органів, але вони повністю стерильні. У наступних експериментах було показано, що Y-хромосома дрозофіли
містить тільки дев'ять генів, з яких шість впливають на здатність самців залишати нащадка (фертильність). Решта три гени - це bobbed (bb), серія або кластер генів, що кодують Хвороби і
активність яких приводить до утворення ядерця (треба згадати, що другий ядришкообразующій ген bb у дрозофіли знаходиться також в
гетерохроматіновом районі, але Х-хромосоми). Ген bb, що складається з повторених фрагментів, займає близько 5% всієї ДН К Y-хромосоми.
У межах гена bb знаходяться ділянки, які контролюють процес кон'югація хромосом в мейозі. Річ у
те, що в мейозі спаровуються гомологічні хромосоми за рахунок кон'югації гомологічних послідовностей нуклеотидів ДНК. Оскільки статеві Х-та Y-хромосоми морфологічно і функціонально абсолютно
різні, питання про механізми спаровування цих елементів у мейотіческой профазі I досить актуальне. Починаючи з 1930-х років накопичувалися дані про наявність
ділянок спаровування в гетерохроматин Х-хромосоми, в районі локалізації гена bobbed. Їх назвали
сайтами collohores (col).
У 1990 році вдалося показати, що відповідальними за впізнання Х-та Y-хромосом і їх подальшу
кон'югацію та розбіжності в мейозі є короткі послідовності нуклеотидів довжиною в 240 П.М., розташовані в проміжках між генами
Хвороби, як у Х-, так і Y-хромосомі. Ділянка локалізації локусу з/займає в Y-хромосомі близько 7% її довжини. Видалення bb за допомогою
хромосомних нестач (поділок) повністю порушує правильну кон'югацію статевих хромосом.
Ще один ген - crystal (cry) впливає на поведінку хромосом в мейозі і правильне формування гамет. Розриви
ділянки хромосом, займаного цим геном, не призводять до розвитку будь-яких фенотипічних змін у самців дрозофіл. Однак при повному або частковому
видаленні цієї ділянки за допомогою поділок в первинних сперматоцітах, в клітинах, з яких утворюються сперматозоїди, з'являються білкові кристали, а під час
мейозу порушується розщеплення хромосом. Цікаво відзначити, що є ще один ген, розташований в еухроматину Х-хромосоми, - Stellate (Ste), що взаємодіє з геном crystal. При цьому,
якщо в Х-хромосомі присутній стандартний алель гена Stellate (Ste +), кристали мають ігловідную форму, якщо мутантний Ste-- вони набувають вигляду зірки. Ген Ste + був
клонований, і в результаті аналізу ДНК було показано, що він містить тандемної повторену (до 200 разів) послідовність довжиною
1250 П.М. Потрібна ступінь повторення цього фрагмента відповідає аллели Ste +
(ігловідние кристали у Ste +/0 самців, тобто тих, які не мають Y-хромосоми). Високий ступінь повторене призводить до утворення
звездовідних кристалів у Ste-/ О. Транскрипт гена Ste -
знаходять в насінниках. Ген Ste + кодує бета-субодиницю ферменту казеїн-кінази-2. Цей білок, мабуть, залучений в процеси
конденсації хромосом і їх подальшого розбіжності по гамет.
Присутність нормального алелі гена crystal інгібує накопичення
РНК гена Ste +. За існуючими уявленнями СГУ + контролює активність гена
Ste +: видалення Y-хромосоми призводить до сверхпродукціі Ste +-PHK, в результаті чого надлишок білка цього гена кристалізується
в сперматоцітах і порушує їх функціональні можливості, що і призводить до стерильності.
У D. melanogaster знайдено шість чинників фертильності самців (kl-5, kl-3,
kl-2, kl-1, ks-I і ks-2 нарис. З)
З них три дуже великих: kl-5, kl-3 і ks-1 - займають по 10% Y-хромосом кожен, тобто приблизно по 4000 т.п.н.
Цікаво проявляється активність факторів фертильності у дрозофіли. У 1961 році три німецьких вчених (GF Меуег, О. Hess, W. Beermann) описали особливі ниткоподібні структури в ядрах, що розвиваються
сперма тоцітов D. melanogaster, які згодом став називати петлями (рис. 5). Такі структури знайшли фактично у
всіх 50 досліджуваних видів дрозофіли. Показано, що петлі - це декомпактізованние, а отже, активні ділянки Y-хромосом. У них
синтезується РНК і накопичуються білки. Кожна петля ядрі даного виду дрозофіли має характерні розміри, ультраструктури і зовнішній вигляд (див. рис.
5). В інших видів морфологія набору петель інша.
Про те, що петлі формуються з матеріалу Y-xpомосоми, свідчать наступні факти.
1. У самців, що не мають Y-хромосоми (ХО), немає і петель, а у особин з двома Y-хромосомами (XYY) вони присутні в подвійному наборі.
Якщо відбувається делеції частині Y-хромосоми, виявляються не всі петлі. В лініях з дуплікації частин Y-хромосом число петель відповідно
збільшується.
2. У міжвидових гібридів морфологія петель така ж, як і у виду - донора Y-хромосоми.
Більш детальний аналіз показав, що гени ферментільності самців локалізовані в петлях.
1.Сначала були встановлені кореляції між числом генів і петель. Потім, використовуючи хромосомні - перебудови,
встановили пряме відповідність до їх локалізації. Так, фактор kl-5 відповідає петлі А, покільки і зашморг, і фактор розташовуються між точками
розривів одних і тих же перебудов (див. рис. 3). Фактор kl-3 розташований в петлі B , ks-1 - в петлі С.
2. При видаленні делеції хоча б однієї петлі самець стає стерильним.
Після отримання клонів ДНК із Y-хромосом дрозофіл з'явилася можливість аналізу молекулярної організації
цієї хромосоми. Загальна довжина петель складає близько 1000 мкм, або 1/12 всієї довжини ДНК в Y-хромосомі. Опції інших 11/12 поки невідомі. До складу ДНК
Y-хромосоми входять два типи повторених послідовностей.
Рис. 3. Загальний вигляд ядра спермотоціта у самця Drosofilia hydei (з [1], з .62). TR , P ,
THD , CL , THP , NS - назви петель, С - Центромера, N
- Ядерце
Висновок:
Таким чином, муха Дрозофіла грає велику роль, як об'єкт генетичних досліджень.
Дослідження її генів принесло відома багатьом генетикам. Вивчаючи гени дрозофіли, вчені відкрили багато законів, таких як: закон Моргана - зчепленого
успадкування генів і закон Менделя. До того ж у дрозофіли знайшли багато різних генів, відповідальних за успадкування деяких ознак. Надалі багато хто з
цих відкриттів застосовувалися до людей. І якщо б не було цих мух, вчені ще довго б не відкрили закони успадкування у людей.
Таблиця 1.
Властивості
еухроматину
гетерохроматин
Частка геному
67%
33%
Розташування в хромосомах
Плечі хромосом
У пріцентромерних областях, вся Y-хромосом
Стан компактності в клітинному
У ході мітотичного і мейоті -
Протягом усього клітинного циклу
Цикл
чеського поділок
Компактізующее вплив на наближений
Не має
Ділянки еухроматину, наближені до гетеро
ные ділянки хромосом (ефект положе
хроматину, також стають компактними,
ня мозаїчного типу)
гени в них інактивуються
Здатність об'єднуватися з іншими
Не відзначена
Гетерохроматіновие ділянки об'єднуйте;
районами хромосом
утворюючи хромоцентри
Освіта хромосомних перебудов
Звичайна частота виявлення
Підвищена частота виявлення
Розташування в клітинному ядрі
За всім обсягом ядра
Головним чином на ядерній оболонці
Час синтезу ДНК в клітинному циклі
Перші 3/4 періоду синтезу ДНК
Остання половина S-періоду. Завершення
в інтерфазі (S-періоду)
процесу реплікації ДНК сильно затримано
Диференціальна забарвлення специфічні
Відсутність забарвлення
Інтенсивна забарвлення
кими барвниками (С-забарвлення)
Фракції ДНК за ступенем повторене
-90% унікальних послідовник
Основна маса ДНК представлена високопое
ностей і -10% помірно повторювали
тореннимі фракціями, меншою степів
ренних
помірними повторами і зовсім мало Уникал!
них послідовностей
Наявність особливих компактізующіх бел
Майже відсутня
Рясно присутній по всьому гетерохромг
ков, наприклад білка НР1
тину
Варіювання кількості матеріалу в
Помітне варіювання НЕ обна
Варіювання кількості гетерохроматину un
хромосомах
ружено
роко представлено в кожній хромосомі
Генетичне зміст
Основна частина всіх генів геному
Гени майже відсутні
локалізована в еухроматину
Література:
«Соросівський Освітній Журнал» том 6 № 2 2000
І. Ф. Жімулев «Молекулярна і генетична організація гетерохромотіна
в хромосомах дрозофіли ».
Біологія № 14 1996.
А.А. Замятнін «Хромосомні матриці, або Ода на честь плодової мушки-дрозофіли»
Газета «Пошук» № 11 2001
