Треххромосомные и пятихромосомные дрозофилы

Поначалу казалось, что воспроизвести в лаборатории феномен изменения числа хромосом будет проще простого. Но стоило столкнуться с этой проблемой на практике — и оптимизм пропал.

Первое затруднение связано с количеством хромосом в клетках тела и в половых клетках. При созревании последних число хромосом в них уменьшается ровно вдвое по сравнению с числом хромосом в остальных клетках тела. В природе для такого уменьшения существует особый механизм — редукционное деление. Перед образованием половых клеток происходит редукция числа хромосом. Из восьмихромосомных клеток образуются четыреххромосомные, из 10 — 5, из 12 — 6, и т. д. Парные хромосомы сливаются, а затем дважды делятся продольно. Когда из пары получается четыре одинаковых дочерних хромосомы, процесс заканчивается. Значит, если попытаться искусственно подсунуть клетке лишнюю. хромосому, то она станет лишней в буквальном смысле слова. Парной хромосомы у нее не окажется. Такая неожиданная гостья может привести клетку к гибели. Редукционное деление клетки с непарной хромосомой остановится на полпути.

Но допустим, что все-таки удалось получить особь, у которой число хромосом изменилось на одну. В этом случае нужно, чтобы и у особи противоположного пола число хромосом изменилось также на одну, иначе оплодотворение будет идти неправильно и клетка погибнет.

К сожалению, это осложнение не последнее. Есть и еще препятствие. В каждой хромосоме имеется маленькая центромера. В микроскоп можно видеть, как во время деления клеток внутри них возникают нити, собранные на двух полюсах клеток, а другими концами присоединенные к хромосомам, расположившимся по экватору клеток. Эти нити и растаскивают хромосомы в разные стороны, давая начало дочерним клеткам. Оказалось, что нити присоединяются к центромерам. У каждой хромосомы есть по одной центромере, за потерю которой клетка расплачивается смертью.

Несмотря на все затруднения, в 1934 году советский генетик, двадцатисемилетний профессор Николай Петрович Дубинин сумел изменить число хромосом у дрозофилы. Из нормальных четыреххромосомных мух он получил сначала муху с тремя хромосомами, а двумя годами позже — пятихромосомную дрозофилу.

Дубинин решил объединить вместе две хромосомы — маленькую четвертую и крючкообразную У-хромосому.

Ученый начал с того, что стал бомбардировать рентгеновскими лучами самцов дрозофил. Узнать сразу, сцепились или нет четвертая и У-хромосомы, Дубинин, конечно, не мог. «Ведь чтобы рассмотреть хромосому, необходимо убить муху или даже ее личинку и, стало быть, лишиться возможности получить от нее потомство», — отмечал Н. К. Кольцов, рассказывая об этой работе. О том, что произошло с хромосомами внутри ядер клеток, можно было судить лишь по косвенным показателям — внешним признакам организмов.

После просмотра 3457 самцов и их потомства Дубинин заметил самца, у которого поведение генов в потомстве было ненормальным. Генетические данные указывали, что гены, сидящие в четвертой хромосоме и в игрек-хромосоме, передаются у него совместно.

Появление признаков, управляемых генами четвертой хромосомы только у мужских особей, было первым указанием на сцепление вместе хромосом.

Когда от этого самца получили большое потомство, мух удалось проверить и цитологическими методами. Просмотр препаратов хромосом под микроскопом подтвердил: четвертая хромосома и игрек-хромосомы действительно объединились в одну структуру.

Помните, говоря о центромерах, я упоминал, что каждая хромосома несет одну центромеру и к последней присоединяется нить веретена. Но если четвертая и игрек-хромосомы объединились, то, видимо, в такой структуре окажется две центромеры, а это так же плохо, как если бы центромер не было ни одной. К хромосоме присоединились бы две нити, и они разорвали бы такую «парную» хромосому. Но этого не случилось, и Дубинин решил проверить почему.

Увидеть место расположения центромеры у обычной четвертой хромосомы почти невозможно: сама четвертая хромосома слишком мала и плохо видна, не говоря уже о центромере. Тогда Дубинин использовал увеличенную копию этой малютки — хромосому слюнных желез. У нее удалось разглядеть, что место прикрепления нити веретена расположено на самом конце четвертой хромосомы.

Четвертая хромосома дрозофилы в клетках слюнных желез.
Увеличенные размеры хромосом в этих клетках позволяют рассмотреть детали их строения.
В частности, видно, что центромера расположена на самом конце хромосомы.

Микрохромосома присоединялась к игрек-хромосоме именно этим концом, а для присоединения нужно, чтобы концы обеих хромосом оголились. Не удивительно, что когда у четвертой хромосомы оголился конец, то оторвался именно сегмент с цетромерой, а все генетические признаки остались нетронутыми. Образовавшаяся двойная хромосома имела только одну центромеру, и угроза разрыва была устранена.

Но, получив самца с тремя хромосомами, Дубинин сделал только полдела.

Чтобы иметь действительно полноценных треххромосомных мух, надо было добиться уменьшения на одну числа хромосом и у самок.

Раз можно было подсадить четвертую хромосому на У, то наверно можно соединить ее и с Х-хромосомой. Тогда и самки стали бы треххромосомными. Но помните, как много пришлось затратить усилий, чтобы суметь сцепить даже с помощью бомбардировки рентгеновскими лучами две хромосомы?

Дубинин решил пойти более простым путем. Известно, что перекрест двух хромосом случается в тысячи раз чаще, чем их мутации. А раз в руках уже имеется линия мух с объединенными хромосомами, то и следует ею воспользоваться. Надо создать условия для перекреста двойной хромосомы с Х-хромосомой.

Кроме того, и затруднение с центромерой четвертой хромосомы не возникло бы: ведь тот кусок, который присоединился к игреку, потерял центромеру.

Претворив идею в жизнь, Дубинин получил самку, у которой четвертая хромосома сцепилась с Х-хромосомой и тем самым стала треххромосомной.

Оставалось скрестить ее с треххромосомным самцом.

Поставленная задача — получение треххромосомной линии дрозофилы — была выполнена. Н. П. Дубинин воспроизвел в эксперименте то, что совершалось в природе за долгие века эволюционного развития. Спустя два года он столь же изящно расправился и с другой задачей — из четыреххромосомной мухи получил линию с пятью хромосомами в клетках.