Kromosomal teori om ärftlighet

Kromosomal teori om ärftlighet  - en teori enligt vilken överföring av ärftlig information i ett antal generationer är associerad med överföring av kromosomer , där gener är lokaliserade i en viss och linjär sekvens . Denna teori formulerades i början av 1900-talet, det huvudsakliga bidraget till dess skapelse gjordes av den amerikanske cytologen W. Sutton, den tyske embryologen T. Boveri och den amerikanske genetikern T. Morgan med deras medarbetare K. Bridges , A. Sturtevant och G. Möller [1] .

1902 - 1903 avslöjade W. Sutton och T. Boveri, oberoende av varandra, parallellism i beteendet hos de mendelska faktorerna ärftlighet (gener) och kromosomer. Dessa observationer låg till grund för antagandet att gener finns på kromosomer. Experimentella bevis på lokaliseringen av gener i kromosomer erhölls senare av T. Morgan och hans medarbetare, som arbetade med fruktflugan Drosophila melanogaster [2] . Från och med 1911 bevisade denna grupp empiriskt att gener är ordnade linjärt på kromosomerna; att gener på samma kromosom ärvs på ett länkat sätt ; att kopplat arv kan brytas på grund av överkorsning [3] . Huvudslutsatserna av den kromosomala teorin om ärftlighet som formulerades av dem publicerades 1915 i boken "The Mechanism of Mendelian Inheritance" [4] .

1933 tilldelades Thomas Morgan Nobelpriset i fysiologi eller medicin för att ha upptäckt kromosomernas roll i ärftligheten [5] .

Enligt N. V. Timofeev-Resovsky , uttryckt av honom 1964, "... var all experimentell genetik under 1900-talet inget annat än utveckling och analys av detaljerna i kromosomteorin om ärftlighet" [6] .

Första beskrivningar av kromosomer

Det första steget i skapandet av kromosomteorin om ärftlighet kan betraktas som de första beskrivningarna av kromosomer under uppdelningen av somatiska celler , gjorda under andra hälften av 1800-talet i verk av I. D. Chistyakov (1873), A. Schneider ( 1873), och främst E. Strasburger (1875) och O. Buechli (1876). Begreppet "kromosom" fanns ännu inte på den tiden, och istället talade man om "segment" som kromatinhärvan bryts upp i, eller om "kromatinelement". Termen "kromosom" föreslogs senare av G. Waldeyer i hans sammanfattande artikel från 1888 [7] .

Parallellt med studiet av somatiska mitoser studerades också befruktningsprocessen , både i djur- och växtriket . Fusionen av frökärnan med äggkärnan observerades först i tagghudingar av O. Hertwig (1876), och bland växter i liljor av Strassburger (1884). Det var på grundval av dessa observationer som båda 1884 kom till slutsatsen att cellkärnan är bärare av organismens ärftliga egenskaper [7] .

Fokus för uppmärksamheten från kärnan som helhet till dess individuella kromosomer överfördes först efter att det för den tiden extremt viktiga verket av E. van Beneden (1883) [8] dök upp . När han studerade befruktningsprocessen hos spolmask , som har ett mycket litet antal kromosomer - endast 4 i somatiska celler, lyckades han märka att kromosomerna i den första delningen av ett befruktat ägg kommer hälften från kärnan i spermien och hälften från äggets kärna [9] . Således upptäcktes för det första det faktum att könsceller har hälften så många kromosomer jämfört med somatiska celler, och för det andra väcktes frågan om kromosomer som speciella permanenta enheter i cellen för första gången [7] .

Individualitet av kromosomer. Verk av Boveri

Nästa steg är kopplat till utvecklingen av begreppet kromosomindividualitet. Ett av de första stegen var att fastställa att de somatiska cellerna i olika vävnader i samma organism har samma antal kromosomer. Den österrikiske zoologen Karl Rabl var den förste att påpeka detta klart och ganska definitivt 1885 i sin artikel "Om celldelning" [10] [11] . Den experimentella underbyggnaden av kromosomernas individualitetslag tillhandahålls av den tyske zoologen Theodor Boveris verk, nämligen ett antal klassiska studier om kromosomer: "Etudes on the cell" (1887-1890 och vidare), "Data on the cell". strukturen av kromatinsubstansen i kärnan" (1904), etc. ][13[12] Redan från de allra första verken, publicerade 1887 och 1888, uttalade sig Boveri resolut för att "kromatinelement är oberoende element som behåller denna självständighet även i den vilande kärnan". Således, enligt denna uppfattning, även om kromosomerna är tydligt synliga endast under mitos, försvinner kromosomerna inte ens i interfasstadiet, utan behåller sin isolering och oberoende. Boveri lade också fram en hypotes om den kvalitativa skillnaden mellan kromosomer, enligt vilken varje kromosom skiljer sig i sin inre ärftliga sammansättning från andra kromosomer som utgör samma kärna [7] . I en serie lysande experiment (1902-1907) på sjöborreägg befruktade med två spermier, visade Boveri att utvecklingsstörningar uppstår när fördelningen av kromosomer störs. Baserat på en stor mängd statistiskt material visade Boveri att normal utveckling kräver närvaron av alla kromosomer som är inneboende i arten [14] .

meiosforskning. Suttons hypotes. Theory of chiasmotypy

Ett nödvändigt steg i bildandet av kromosomteorin om ärftlighet var skapandet av en tydlig bild av transformationerna av kromosomerna i meios. En sådan bild skapades av många forskares ansträngningar i slutet av 1800-talet och under det första decenniet av 1900-talet. Samtidigt skapades hela terminologin som beskriver meiosprocessen, som fortfarande används idag [15] .

Upptäckaren av meios är den ovannämnde belgiske forskaren Eduard van Beneden, som, när han studerade befruktningsprocessen i hästens rundmask, 1883 beskrev i detalj två på varandra följande delningar under äggets mognad och den åtföljande bildandet av polära kroppar. [9] . På grund av det ringa antalet kromosomer i spolmasken, vars diploida uppsättning är 4 kromosomer, kunde E. van Beneden också visa att hos spolmasken införs gametkärnor under befruktningen i zygoten med en lika stor och haploid uppsättning kromosomer. Fenomenet meios med dess huvudsakliga konsekvens - minskningen av antalet kromosomer - förutspåddes av A. Weisman kort (1887) efter denna upptäckt av E. van Beneden [15] .

År 1901 kom Thomas H. Montgomery , som studerade meios i onychophora Peripatus och vissa insekter, till den viktiga slutsatsen att kromosomerna konjugerade i meiosprofas I representerar ett par homologa kromosomer av moderns och faderns ursprung [16] [17] .

Två år efter återupptäckten av Mendels lagar , 1902, ledde forskning om processen för spermatogenes hos gräshoppan Brachystola magna den unge amerikanske zoologen Walter Sutton till den djärva hypotesen att fördelningen av kromosomer bland dotterceller under gametogenes kan utgöra grunden för Mendels lag om oberoende arv av egenskaper . I sitt arbete skrev han:

Jag vill uppmärksamma möjligheten att sammanfogningen av ett par faderns och moderns kromosomer och deras efterföljande separation under en reduktionsdelning kan representera den fysiska grunden för Mendels ärftlighetslag.[fjorton]
  Originaltext  (engelska) : 
Jag kan slutligen fästa uppmärksamheten på sannolikheten att sammanslutningen av faderns och moderns kromosomer i par och deras efterföljande separation under den reducerande delning som antytts ovan kan utgöra den fysiska grunden för den mendelska ärftlighetslagen.
[19]

Suttons förslag mötte dock inte omedelbart erkännande, främst på grund av hans naturs spekulativa natur. Det ansågs också vara ett mysterium hur man skulle ta sig ur motsägelsen i samband med det begränsade antalet kromosompar och det extremt stora antalet tecken [20] .

År 1909 föreslog den belgiske cytologen Frans Alfons Janssens , baserat på sina observationer av den första uppdelningen av meios i den kaliforniska salamandern Batrachoseps attenuatus , en teori om kromosomutbyte, som han kallade teorin om chiasmotypi. Enligt denna teori, i profas I av meios, konjugerar homologa kromosomer av maternellt och faderligt ursprung sida vid sida, som var och en består av två kromatider. I det här fallet vrids kromosomerna runt varandra, rivs sönder och återansluts vid korsningspunkten (chiasm) på ett sådant sätt att i två av de fyra kromatiderna, är segmenten av moderligt och faderligt ursprung ömsesidigt kombinerade. Chiasmotypi, enligt Janssens, skulle kunna tjäna som en cytologisk grund för den mendelska lagen om oberoende arv av egenskaper [21] [22] .

Upptäckten av länkat arv

I sin artikel från 1903 "Chromosomes in heredity" föreslog W. Sutton att en kromosom skulle innehålla flera gener, som han kallade allelomorfer, som borde ärvas tillsammans [23] . Denna typ av arv - kopplat arv  - upptäcktes 1905 av William Batson och hans elever och kallade det "gametisk koppling " .  I experiment med sötärtan Lathyrus odoratus fann de, som studerade nedärvningen av kronbladsfärg och pollenform, att det inte finns något oberoende arv för detta par egenskaper, det vill säga att det par egenskaper som kännetecknar moderväxten tenderar att ärvas. tillsammans, men dessa egenskaper är inte helt kopplade [24] . För att förklara fenomenet han upptäckte skapade Batson en extremt artificiell teori om reduplicering, utan att ta hänsyn till hypotesen som uttrycktes av den unge W. Sutton [20] . Kopplingen mellan kromosomer och fenomenet gametisk länkning föreslogs 1906 av den engelske botanikern Robert Heath Lock i sin bok Recent Progress in the Study of Variation, Heredity and Evolution , som fungerade som en lärobok i genetik för många forskare på den tiden, inklusive sådana välkända genetiker som Hermann Möller och Robert Fischer [25] [4] .

Upptäckt av könskromosomer

En viktig källa till bevis för kromosomernas roll i ärftlighet var upptäckten av speciella "sex" kromosomer relaterade till könsbestämning . I början av 1900-talet beskrevs "ytterligare" kromosomer i insekter av flera forskare . Den amerikanska forskaren Clarence McClung ( CE McClung ) föreslog 1904 att dessa kromosomer, som observerades i endast hälften av spermierna hos män av olika insektsarter, är "könsbestämmande". År 1905 bekräftades denna gissning nästan samtidigt av Edmund Wilson , som upptäckte i Protenor buggen en skillnad i antalet kromosomer hos män och kvinnor (kromosomal könsbestämning, typ XO/XX ), och Nettie Stevens , som avslöjade skillnader i en kromosompar mellan hanar och honor i skalbaggen Tenebrio (kromosomal könsbestämning, typ XY/XX ) [14] . I sitt arbete fastställde McClung, Wilson och Stevens närvaron av en fullständig korrelation mellan beteendet i meios av könskromosomer och könsbestämning [15] .

Verk av Morgan och hans skola

1909 började den amerikanske zoologen Thomas Hunt Morgans laboratorium vid Columbia University använda fruktflugan Drosophila melanogaster för genetiska experiment [26] . Många mutationer som uppträdde i laboratorieuppfödningen av Drosophila gjorde det först och främst möjligt att upptäcka gener som ärvts " könsbundna ". Den första mutationen som beskrivs var w -mutationen (från engelskan  white  - white), som orsakar den vita färgen på flugans ögon. En publikation om denna mutation dök upp 1910, där Morgan noterade att nedärvningsmönstret för w -mutationen sammanfaller med nedärvningen av könsbestämmande kromosomer i Drosophila [27] [28] . Snart beskrevs ytterligare två könsbundna mutationer, och när han studerade deras gemensamma arv, kom Morgan till slutsatsen att gener måste organiseras linjärt på kromosomen, och deras länkade arv kan störas på grund av överkorsning, vilket sker som han tidigare hade gjort. föreslog i sin teori chiasmotype Janssens [29] . 1913 ordnade Alfred Sturtevant, en student till Morgan, de sex könsbundna generna på den första genetiska kartan i ordning efter hur ofta mutationerna av dessa gener ärvs tillsammans [30] . Ett av de mest eleganta bevisen på sambandet mellan gener och kromosomer kom från en annan av Morgans elever, Calvin Bridges. Han tillskrev de sällsynta fallen av undantag i nedärvningen av könsbundna mutationer till feljusteringen av X-kromosomerna under meios i kvinnlig Drosophila. Han beskrev Drosophila-honor med en onormal XXY-karyotyp istället för den normala XX-karyotypen, medan de när det gäller könsbundna egenskaper var fullständiga kopior av deras mödrar, vilket tydde på att båda X-kromosomerna ärvdes från modern. Således stöddes korsningsexperimenten av cytologiska observationer [31] .

De viktigaste bestämmelserna i kromosomteorin om ärftlighet

Analys av fenomenen kopplat arv, korsning, jämförelse av genetiska och cytologiska kartor tillåter oss att formulera huvudbestämmelserna i kromosomteorin om ärftlighet:

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Koryakov D.E., Zhimulev I.F. Kromosomer. Struktur och funktioner. - Novosibirsk: Iz-vo SO RAN, 2009. - S. 12. - 258 sid. — ISBN 978-5-7692-1045-7 .
  2. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , sid. 153-181.
  3. ↑ Gaisinovich, 1988 , sid. 240.
  4. ↑ 1 2 Morgan TH, Sturtevant AH, Muller HJ, Bridges CB Mekanismen för mendelsk ärftlighet . - New York: Henry Holt and Company, 1915. - 262 sid.
  5. ↑ Nobelpriset i fysiologi eller medicin  1933 . Nobel Media AB 2013. Hämtad 11 december 2013.
  6. ↑ Timofeev-Resovsky N. V. Genetik, evolution, metodikens betydelse inom naturvetenskap . - Jekaterinburg: Tokmas-Press, 2009. - 144 sid.
  7. ↑ 1 2 3 4 Filipchenko Yu.A. Genetik . - L . : Tryckeri "Tryckerigården", 1929. - 379 sid.
  8. ↑ Beneden, van E. Recherches sur la maturation de l'oeuf, la fecondation et la division cellulaire. . — Leipzig, Paris, 1883.
  9. ↑ 1 2 Hamoir G. Upptäckten av meios av E. Van Beneden, ett genombrott i den morfologiska fasen av ärftlighet  // Int. J. Dev. Biol. 36: 9 - 15 (1992. - 1992. - T. 36. - S. 9-15 .
  10. ↑ Vermel E. M. Historia om cellens lära . — M .: Nauka, 1970. — 237 sid.
  11. ↑ Carl Rabl. Über Zelltheilung  (tyska)  // Morphologisches Jahrbuch. - Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1885. - Nr. 10 . - S. 214-330 . Arkiverad från originalet den 23 september 2015.
  12. ↑ Boveri, T. Zellenstudien II. Die Befruchtung und Teilung des Eies von Ascaris megalocephala . - Jena Z. Naturwiss.. - 1888. - Vol. 22. - s. 685-882.
  13. ↑ Boveri, T. Ergebnisse über die Constitution der chromatischen Substanz des Zellkerns . - Jena: Verlag von Gustav Fischer, 1904.
  14. ↑ 1 2 3 Gaisinovich, 1988 , sid. 238.
  15. ↑ 1 2 3 Cytology and genetics of meiosis / V. V. Khvostova, Yu. F. Bogdanov. - M . : Nauka, 1975. - S. 15-27. — 432 sid.
  16. ↑ Montgomery TH Några observationer och överväganden om könscellernas mognadsfenomen  // Biologisk bulletin. - 1904. - V. 6 , nr 3 . - S. 137-158 .
  17. ↑ Sturtevant, 2001 , sid. 33-38.
  18. ↑ Crow EW, Crow JF 100 år sedan: Walter Sutton och kromosomteorin om ärftlighet  // Genetik. - 2002. - T. 160 , nr 1 . - S. 1-4 .
  19. ↑ Sutton W. Om morfologin hos kromosomgruppen i Brachystola magna  // Biol Bull. - 1902. - T. 4 . - S. 24-39 .
  20. ↑ 1 2 Gaisinovich, 1988 , sid. 239.
  21. ↑ Koszul R, Meselson M, Van Doninck K, Vandenhaute J, Zickler D. Hundraårsminnet av Janssens chiasmatypteori  // Genetik. - 2012. - T. 191 , nr 2 . - S. 309-17 .
  22. ↑ Janssens FA , Koszul R., Zickler D. La Theorie de la Chiasmatypie: Nouvelle interpretation des cinèses de maturation  // Genetics. - 2012. - T. 191 , nr 2 . - S. 319-346 .
  23. ↑ Sutton W.S. Kromosomerna i ärftlighet  //  The Biological Bulletin. - 1903. - Vol. 4 , nr. 5 . - S. 231-250 .
  24. ↑ McPeek, MS En introduktion till rekombinations- och länkanalys // Genetisk kartläggning och DNA-sekvensering / Terry Speed, Michael S. Waterman. - Springer, 1996. - S. 1-14. - ISBN 978-1-4612-6890-1 .
  25. ↑ Edwards A. W. Robert Heath Lock och hans lärobok i genetik, 1906.  // Genetik. - 2013. - T. 194 , nr 3 . - S. 529-37 . - doi : 10.1534/genetics.113.151266 .
  26. ↑ Thomas H. Morgan - Biografisk  . nobelprize.org. Nobel Media AB 2013. Hämtad 1 april 2014.
  27. ↑ Miko I. Thomas Hunt Morgan och Sex Linkage  //  Nature Education. - 2008. - Vol. 1 , nej. 1 . — S. 143 .
  28. ↑ Morgan TH Sex begränsat arv i Drosophila   // Vetenskap . - 1910. - Vol. 32 , nr. 812 . - S. 120-122 .
  29. ↑ Morgan T.H. Slumpmässig segregation kontra koppling i mendelskt arv . - 1911. - T. 34 , nr 873 . - S. 384-384 .
  30. ↑ Sturtevant AH Det linjära arrangemanget av sex könsbundna faktorer i Drosophila, vilket framgår av deras associationssätt  // Journal of experimental zoology. - 1913. - T. 14 , nr 1 . - S. 43-59 . Arkiverad från originalet den 21 april 2014.
  31. ↑ Bridges CB Direkt bevis genom icke-disjunktion att de könsbundna generna från Drosophila bärs av X-kromosomen  // Science. - 1914. - T. 40 , nr 1020 . - S. 107-109 .

Litteratur