Реферат: Кариотип человека

Наиболее ясное представле­ние о рисунке дифференци­ального окрашивания хромо­сом по всей длине можно получить при окраске препаратов по G-методике, используя краситель Гимзы (рис. 10). На таких препаратах хромосомы выглядят поперечно исчер­ченными, по-разному окрашенными сегментами («ban­ding»). Рисунок каждой пары хромосом является специ­фичным для нее. Размеры сегментов неодинаковые. В мел­ких хромосомах групп F и G рисунок образуется единич­ными сегментами, в крупных хромосомах их много. Общее количество окрашенных и неокрашенных сегментов в нор­мальном хромосомном наборе средней степени конденса­ции, в соответствии с Парижской номенклатурой, равно 322. В прометафазных хромосомах их число увеличива­ется до 1000 и более.

На Парижской конференции по номенклатуре в цитогенетике человека была разработана и в настоящее время вошла в практику цитогенетического анализа система обо­значения сегментов нормальных хромосом и хромосом, подвергшихся тем или иным структурным перестройкам (ParisConference, 1971). На рис. 11 приведен пример этой системы для аутосомы 1.

Независимо от того, как решается вопрос о природе диф­ференциальной окрашиваемости хромосом, основанные на этом феномене цитологические карты имеют исключитель­ное значение для развития цитогенетики человека. С их помощью удается отнести генетические маркеры не просто к тому или иному хромосомному плечу, а к определенному району хромосомы. В медицинской цитогенетике стало реальным выявление происхождения аномальных хромо­сом вплоть до точного описания районов.

Второй вид дифференциального окрашивания хромосом вскрывает специфичность околоцентромерных районов в хромосомах человека. В разных хромосомах размеры С-сегментов разные, они особенно велики в аутосомах 1, 9 и 16. Однако идентифицировать по этой окраске сходные по величине и форме хромосомы не удается. В Y-хромосоме С-хроматин локализуется в дистальной части длинного плеча. В одной и той же хромосоме у разных индивидов его содержание может различаться.

Глава 2. Мейотические хромосомы.

Мейоз объединяет серию раз­личных процессов, в ходе которых первичные зародыше­вые клетки дифференцируются в зрелые половые клетки. В начале этой серии сперматогонии (оогонии) превраща­ются в первичные сперматоциты (ооциты). Центральным событием является первое мейотическое деление сперматоцита (ооцита), в ходе которого хромосомы испытывают особенно сложные специфические преобразования в пери­од профазы. Первая мейотическая профаза разделяется, как известно, на пять стадий: лептотену, зиготену, пахитену, диплотену и диакинез. В отличие от митоза, профаза которого в цитогенетическом анализе практически не ис­пользуется, профазные хромосомы первого мейотического деления представляют очень большой интерес для цитоге-нетики человека. Метафазные хромосомы первого мейоти­ческого деления, являющиеся бивалентами гомологичных хромосом, представляют собой менее дифференцированные структуры по сравнению с метафазными митотическими хромосомами. Хромосомы второго мейотического деления почти не используются в цитогенетике человека.

Протекание мейоза в мужском и женском организме значительно различается в нескольких отношениях: пери­од онтогенеза, продолжительность отдельных фаз, морфоло­гия митотических преобразований.

У мужчин мейотические деления начинаются в пери­од полового созревания и протекают непрерывно на про­тяжении всего последующего половозрелого состояния. Этот процесс в отличие от женского мейоза не носит ци­клического характера. В семенниках одновременно созрева­ет большое количество гамет, поэтому гонады половозрело­го мужчины могут служить источником мейотически деля­щихся клеток в любой момент. На хромосомных препаратах одновременно удается видеть различные мейо­тические фигуры, от сперматогониальных метафаз до ме-тафаз второго мейотического деления. Продолжительность преобразований от сперматогоний до сперматозоидов зани­мает около 8—9 нед. Длительность отдельных стадий весь­ма различна, поэтому клетки разных стадий встречаются с неодинаковой частотой. Наиболее важные для цитогене-тического анализа стадии пахитены и диакинеза обычно представлены достаточным числом клеток.[3]

В женском организме мейоз протекает в два этапа, раз­деленных большим промежутком времени. Первый этап, включающий формирование оогоний и прохождение пер­вого мейотического деления, проходит в эмбриональных яичниках. К моменту рождения девочки в яичниках все оогоний дифференцированы в ооциты, а последние прошли стадии лептотены — пахитены и остановились в стадии диплотены. Пребывание в этой стадии, получившей назва­ние диктиотены, продолжается весь постнатальный период жизни женщины. Последующее развитие клетки из ста­дии диктиотены в зрелую яйцеклетку происходит цикли­чески, по одной клетке ежемесячно, и заканчивается ову­ляцией. Изложенное объясняет, почему ранние стадии пер­вого мейотического деления у женщины можно анализиро­вать лишь в раннем эмбриональном периоде, а последую­щие стадии в обычных условиях изучению недоступны.

Основные сведения по организации мейотических хромосом человека получены при изучении клеток семен­ников. Можно выделить следующие аспекты этих исследо­ваний.

Анализ линейной структуры индивидуальных хромосом. Характерной особенностью структуры мейотических хро­мосом, выраженной преимущественно на первых стадиях профазы мейоза, является их хромомерное строение (рис. 12). Из данных по цитологии мейотических хромо­сом некоторых видов растений хорошо известна индивиду­альность хромомерного строения каждой хромосомы («Ци­тология и генетика мейоза» В. В. Хвостовой и Ю. В. Богда­нова, 1975). К сожалению, индивидуальные биваленты в хромосомном наборе человека, как мужском, так и жен­ском, можно выделить лишь в поздней пахитене, когда они значительно сокращены и хромомерность их строения су­щественно утрачена. Тем не менее в результате несколь­ких попыток пахитенного анализа хромосом получены пер­вые сведения о морфологии бивалентов акроцентрических и некоторых других хромосом (под ред. А. А. Прокофьевой-Бельговской, 1969; Hungeriord, 1973).

В идентификации пахитенных бивалентов с определен­ным успехом применены С- и Q-методы дифференциаль­ной окраски (Goetz, 1975). Обнаружено полное совпадение между рисунками G-окрашивания и хромомерным строе­нием пахитенных хромосом, а также между рисунками ок­рашенных по G-методу мейотических и митотических хро­мосом (Lucianie. a., 1975).

Хромосомная конъюгация и образование хиазм. Иссле­дование диакинеза — метафазы I мейоза в клетках муж­чин показало, что гомологичная конъюгация является обя­зательной для всех хромосом человека, включая короткие. В том или ином биваленте имеется от 1 до 6 хиазм; по данным разных авторов, их общее число на хромосомный набор колеблется от 35 до 66 (Ford, 1973). Распределение хиазм в индивидуальных бивалентах стало возможным анализировать после того, как каждый бивалент удалось идентифицировать на основе последовательной окраски по Q- и С-технике (Hulten, 1974). По данным Hulten (1974), средняя частота хиазм в индивидуальных аутосомах про­порциональна длине хромосомы. На нее не влияют числен­ные или структурные нарушения в других хромосомах. По-видимому, хиазмы формируются в определенных райо­нах каждой хромосомы. Выяснение числа и локализации хиазм в каждой хромосоме имеет важное значение при их генетическом картировании.

Идентификация хромосомных аномалий. Явление конъ­югации гомологичных хромосом в мейозе используется для индентификации многих хромосомных перестроек, за­трагивающих линейную структуру хромосомы. Делеции, вставки, инверсии, реципрокные транслокации, дуплика-ции приводят к изменению конфигурации бивалента. Воз­никают униваленты, триваленты и т. д. В сочетании с анализом митотических хромосом исследование морфоло­гии мейотических хромосом в пахитене, диакинезе и мета-фазе I неоднократно проводилось в случаях численных или структурных изменений аутосом, половых хромосом у мужчин с бесплодием (А. А. Прокофьева-Бельговская и В. К. Борджадзе, 1971; Kjessler, 1966; Hulten, 1974, и др.). Субмикроскопическая или надмолекулярная организация хромосомного аппарата изучена совершенно недоста­точно. Если о строении хромосомы на уровне световой микроскопии и о молекулярном строении наследственно­го материала в настоящее время накоплена обширная информация, то промежуточные ступени ультраструктур­ной организации хромосомы остаются в основном неиз­вестными. Нет пока никаких фактических предпосылок ставить вопрос о возможной специфике ультраструктур­ной организации генетического аппарата человека.

Наиболее ценную информацию о тонкой структуре функционирующих хромосом принесло исследование политенных хромосом, которые являются специфической, но естественной моделью хромосом интерфазного ядра в клетках двукрылых, и хромосом типа «ламповых щеток», обнаруживающихся в ооцитах амфибий в мейотической профазе I. Большие размеры этих хромосом позволили провести тщательное их изучение под световым микро­скопом. В результате этих исследований сформулирова­ны положения, которые рассматриваются как принципи­альные для организации хромосом эукариотов в целом (И. И. Кикнадзе, 1972).

В интерфазном ядре хромосомные районы, соответст­вующие эухроматину, имеют хромомерное строение. Каждая хромомера является структурной и функциональ­ной единицей хромосомы как продольно дифференциро­ванной органеллы. Дифференциальная транскрипция этих единиц структурно обеспечивается деконденсацией упако­ванного в ней дезоксирибонуклеопротеида, что выражается в форме пуфов в политенных хромосомах, или петель в хромосомах типа «ламповых щеток».

Методом исследования тонкой структуры интерфазных ядер, не обладающих политенными хромосомами, а также метафазных хромосом является электронная микроскопия (Ю. С. Ченцов, В. Ю. Поляков, 1974). К сожалению, на ос­новании результатов, полученных этим методом, пока не удалось составить цельного представления об ультраструк­туре интерфазного ядра. На электронограммах ультратон­ких срезов основная обнаруживаемая морфологическая единица — это нить в разных сечениях диаметром 10 нм и меньше. На препаратах хроматина, распластываемого на поверхности водного мениска, обнаруживаются протяжен­ные нити около 23—25 нм в диаметре.

Несмотря на многочисленные исследования митотических или мейотических хромосом, данные по их ультра­структуре, которые позволили бы создать непротиворечи­вую модель упаковки элементарной хромосомной нити во время клеточного деления, остаются скудными. Наиболь­шая информация получена по ультраструктуре специали­зированных районов хромосом: центромерного района, ядрышка, синаптонемального комплекса в мейотическпх хромосомах. Данные электронной микроскопии целых изо­лированных хромосом использованы для их идентифика­ции, при этом специальное внимание уделено метафазным хромосомам человека (Bahr, Larsen, 1974). Этот метод по­зволил обнаружить неравномерную плотность упаковки элементарных хромосомных нитей по длине хромосом, и рисунок этой неравномерности оказался совпадающим с линейной дифференцированностыо структуры хромосомы, выявляемой под световым микроскопом. Элементарные фибриллы на электронограммах целых распластанных хро­мосом имеют размер порядка 25—30 нм. Биохимическое исследование таких фибрилл и соответствующие расчеты дают основание заключить, что молекулы нуклеопротеидов находятся в них в сверхскрученном состоянии и что, кро­ме гистонов, фибриллы содержат другие белки.

Достаточно полное освещение вопросов молекулярной генетики и хромосомной организации в многочисленных специальных монографиях и руководствах (С. Е. Бреслер, 1973; И. П. Ашмарин, 1974; Г. Стент, 1974, и др.) исклю­чают необходимость подробного рассмотрения этих вопро­сов в данной книге. Сравнительно новый молекуляр­ный аспект хромосомной организации воз­ник в связи с разработкой методов фракционирования тотальной ДНК генома по повторяемости сходных нуклеотидных последовательностей и методов гибридизации ну­клеиновых кислот на хромосомных препаратах. Эти ме­тоды открыли возможность выяснения локализации раз­ных фракций ДНК в хромосомном наборе. Важными находками, полученными в этой новой области, погранич­ной между молекулярной и цитологической генетикой, бы­ли: а) обнаружение в геноме эукариотов, помимо ДНК с уникальными последовательностями, большой доли ДНК с одинаковыми или близкими последовательностями нуклеотидов, повторяющимися многие сотни и тысячи раз (Г. П. Георгиев, 1973; С. А. Лимборская, 1975); б) обнару­жение неравномерной локализации ДНК с разными харак­теристиками в хромосомном наборе: ДНК с наибольшим числом повторяющихся последовательностей локализуется в гетерохроматиновых районах хромосом.

К настоящему времени фракционирование ДНК и опре­деление хромосомной локализации фракций проведено на многих видах организмов. Каждый вид характеризуется своей специфической структурой генома в отношении со­става ДНК и спецификой их распределения по хромосо­мам набора. Многие работы этого направления выполнены на клетках человека. Полученные в них результаты по­дытожены А. Ф. Захаровым (1977) и Jones (1973).

ДНК генома человека может быть фракционирована на ДНК с уникальными копиями (около 64%) и ДНК с пов­торяющимися последовательностями. По скорости ренатурации, которая отражает повторяемость нуклеотидных по­следовательностей, последняя фракция может быть под­разделена на ДНК с малой (13,4%), промежуточной (12,3%) и высокой (10,3%) скоростью ренатурации моле­кул ДНК. Таким образом, в геноме человека около 10% всей ДНК имеет высокую многократность повторения оди­наковых последовательностей.

Методом градиентного ультрацентрифугирования в группе ДНК с высокой повторяемостью последовательно­стей выделены по крайней мере четыре типа так называе­мых сателлитных ДНК. Помимо этих видов ДНК, в экс­периментах с гибридизацией ДНК — РНК исследована хромосомная локализация ДНК, кодирующая синтез 5S, 18S и 28S рибосомных РНК. В настоящее время распре­деление разных типов ДНК в хромосомах человека выри­совывается следующим образом.

ДНК с низкой и промежуточной повторяемостью нуклеотидных копий обнаруживается во всех хромосомах, причем она локализуется по всей длине их плеч.

ДНК с высокой повторяемостью нуклеотидных копий обнаруживается преимущественно в околоцентромерных и отчасти теломерных районах. Сателлитные индивидуаль­ные ДНК распределены в разных хромосомах неравномер­но. Так, сателлитной ДНК I и IV особенно богата Y-xpoмосома, в хромосомах 1 и 16 больше всего содержится сателлитной ДНК II, а в хромосоме 9 — III. Рибосомная ДНК 18S и 28S заключена почти исключительно в корот­ких плечах всех 10 акроцентрических хромосом. Дистальная часть длинного плеча аутосомы 1 — преимущественное место для пистронов, кодирующих 5S РНК. Не исключена возможность, что методом гибридизации ДНК с РНК insitu удастся картировать не только полигенные ло-кусы, но также структурные гены, повторяющиеся малое число раз (Rotterdam. Conference, 1974).

Две важнейшие черты генетической организации эукариотов - дифференциальная активность структурных ге­нов и большая доля генов, регулирующих этот процесс,— должны иметь основой соответствующую структурную ор­ганизацию хромосомы. Десятилетия упорного труда цитогенетиков значительно приблизили нас сегодня к понима­нию того, как в хромосоме взаимодействуют структура и функция, как хромосома осуществляет свою сложную роль интеграции системы генов.

Первая фундаментальная черта структурно-функцио­нальной организации хромосомы состоит в существовании двух разных функциональных типов хромосомного мате­риала — эухроматина и гетерохроматина.Их основное раз­личие заключается в транскрипционной активности.

Отсутствие генетической активности у гетерохроматина обусловлено либо его бедностью структурными генами (структурный гетерохроматин), либо временным выклю­чением участка хромосомы, несущего такие гены, из гене­тической транскрипции (факультативный гетерохроматин, гетерохроматинизация).

Второй важнейшей чертой хромосомной организации яв­ляется линейная расчлененность хромосомы па участки, состоящие из хроматина разного типа. Каждая хромосо­ма отличается своим уникальным порядком расположения гетеро- и эухроматиновых районов.

Подразделенность хроматина по генетическому значе­нию хорошо коррелирует с различием типов хроматина и по ряду других характеристик: состоянию конденсации в интерфазном ядре и хронологии конденсации в митотическом и мейотическом цикле; времени репликации ДНК;

отношению к окраске флуорохромами или нефлуоресци­рующими красителями; чувствительности к повреждающе­му действию химических мутагенов; химическим особен­ностям ДНК и, по-видимому, белков, входящих в состав хроматина; фенотипическим проявлениям хромосомных перестроек. Для гетерохроматина характерны конденсиро­ванное состояние в интерфазном ядре, опережающая кон­денсация в профазе митоза и мейоза, возможность отста­вать в конденсации спонтанно или под влиянием некото­рых воздействий в метафазе митоза. По сравнению с эухроматином гетерохроматиновые районы хромосом ре­продуцируются в более поздние отрезки S-периода. При дифференциальной окраске по G- и С-методике гетерохро­матиновые сегменты сохраняют способность к окрашива­нию (G-сегменты) и даже усиленно красятся (С-сегменты). В цитогенетике хорошо известна неравномерность распределения по длине хромосомы ее структурных по­вреждений, индуцируемых мутагенными веществами: по­вышенной повреждаемостью отличаются именно гетеро­хроматиновые районы. ДНК с неоднократно повторяющи­мися нуклеотидными последовательностями характерна именно для гетерохроматина. В отличие от эухроматина, содержащего уникальные гены, дисбаланс по которым от­рицательно отражается на фенотипе организма, изменения в количестве гетерохроматина не влияют или значительно меньше влияют на развитие признаков организма.