Хромосома как носитель наследственной информации
хромосома как носитель наследственной информации
Содержание
. Хромосомная теория наследственности
. Хромосомный уровень определения пола
3. Поведение хромосом в митозе и мейозе
4. Классификация хромосом
5. Методы дифференциальной окраски хромосом
. Структура хромосом
7. Хромосомные мутации
. Хромосомная теория наследственности
В 1902-1903 гг. Т.Бовери (Германия) и У.Сэттон (США) независимо друг от друга пришли к заключению, что в клетке носителями генетической информации являются хромосомы. На основе этих представлений в 1910 г. были сформулированы основные положения хромосомной теории наследственности - одного из фундаментальных обобщений классической генетики.
Термин «хромосома» предложен В.Вальдеером еще в 1888г. (от греческих слов «хрома» - цвет и «сома» - тело). Первое упоминание о хромосомах принадлежит В.Флеммингу (1880), изучавшему митоз клеток роговицы г лаза человека и обнаружившему в их ядрах хроматиновые тельца.
В 1933 г. за научную разработку хромосомной теории американскому ученому Т.Моргану была присуждена Нобелевская премия. Суть хромосомной теории сводилась к следующему:
. гены локализированы в хромосомах в определенной линейной последовательности, т.е. каждый ген имеет определенное местоположение, или локус, на хромосоме;
. гены дискретны и стабильны;
. стабильность генов не абсолютна, они могут изменяться мутировать;
. гены, локализованные на одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления;
. число групп сцепления равно гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида;
. признаки, контролируемые сцепленными генами, наследуются совместно;
. сцепление генов не абсолютно и может нарушаться в результате кроссинговера с образованием рекомбинантных, или кроссоверных, хромосам;
. частота кроссинговера обратно пропорциональна силе сцепления между генами;
. вероятность кроссинговера тем выше, чем больше расстояние между генами, т.е. чем меньше сцепление между ними;
. кроссинговер, нарушающий сцепление между генами, позволяет измерять расстояние между ними в % кроссоверных особей и производить картирование хромосом;
. единицей расстояния между генами является морганида (1% кроссоверных особей).
2. Хромосомный уровень определения пола
В 1949 г. М.Барр обнаружил различие в строении интерфазных ядер женских и мужских соматических клеток. В женских клетках под оболочкой ядра была обнаружена хроматиновая глыбка, получившая впоследствии название «тельце Барра», или половой хроматин. Это открытие, а также результаты изучения случаев нарушения половой дифференциации лежат в основе современных представлений о генетическом механизме определения пола у человека.
Карта сцепления участка хромосомы 17, содержащего НФ-1 (геннейрофиброматоза, тип 1), представлена на рис. 4. На положение центромеры указывает альфа-сателлитный маркер Д1721. Генетические расстояния в сантиморганидах (сМ) являются усредненными для двух полов, т.к. для большей части генома человека генетические расстояния, определяемые по частоте кроссинговера, при изучении женских мейозов в 2-3 раза превышают аналогичные показатели при изучении мужских мейозов (по Дэвиду Голдгару, 1989).
Благодаря наличию маркеров на расстоянии, не превышающем 5 сМ по обе стороны от гена НФ-1, в настоящее время возможна не только пренатальная диагностика, но и преклиническая диагностика НФ-1 посредством ДНК-диагностики.
В соматических клетках женщины содержатся 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом (гоносом), представленная двумя К-хромосомами (ХХ). Все зрелые яйцеклетки женщины содержат одну К-хромосому и в этом отношении являются однотипными.
В соматических клетках мужчины, помимо 22 пар аутосом, содержится одна пара половых хромосом, представленная двумя различными хромосомами - Х и У (ХУ). Таким образом, у мужчины созревают сперматозоиды двух типов: с хромосомой Х и хромосомой У.
Определение пола у человека происходит во время оплодотворения и зависит от половой хромосомы, содержащейся в сперматозоиде. Если это - К-хромосома, то из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) разовьется женский организм, если У мужской организм.
Помимо хромосомного уровня, определение пола проводят на уровне гонад, фенотипа (вторичных половых признаков), а также с помощью психологического и социального уровней.
Описано около 19 различных генных мутаций с аутосомно рецессивным и рецессивным Х - сцепленным типом наследования, определяющих нарушение дифференцировки внешних и внутренних половых признаков. Это может происходить вследствие нарушения синтеза андрогенов, хорионического гонадотропина матери, отсутствия рецепторов на поверхности клеток Лейдига в семенниках, дефектов ферментов, участвующих в синтезе тестостерона, вырабатываемого семенниками, нечувствительности клеток вольфовых протоков к тестостерону и др. Даже незначительные отклонения на различных уровнях развития вторичных половых признаков приводят к нарушению формирования мужского фенотипа при кариотипе 46 ХУ т.е. мужскому псевдогермафродитизму.
. Поведение хромосом в митозе и мейозе
Клеточный цикл, включающий интерфазу и клеточное деление, был тщательно изучен у растений и животных в конце XIX - начале ХХ в. Интерфаза обычно занимает около 90% продолжительности клеточного цикла (от конца одного до конца следующего деления). Продолжительность клеточного цикла у различных клеток неодинакова: от 8-12 ч у клеток костного мозга и 2-3 суток у эпителиальных клеток роговицы глаза до20-25 суток для эпителия кожи. Исключение представляют нервные клетки, которые никогда не завершают клеточный цикл и поэтому не делятся, постоянно находясь в фазе а.
Митоз. Главной характеристикой митоза, как и мейоза, является упорядоченная редукция генетического материала, удвоенного в синтетической фазе за счет механизма его равномерного распределения между клетками.
В результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние, идентичные материнской и друг другу. Материнская и дочерние клетки имеют двойной диплоидный набор хромосом 2п и двойное количество ДНК - 2с. Выделяют четыре фазы митоза:
.Профаза. Это самая продолжительная фаза митоза. Хромосомы конденсируются (спирализуются), исчезают ядерная оболочка и ядрышко, ядерный сок (кариоплазма) смешивается с цитоплазмой и образует миксоплазму с меньшей вязкостью. Хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость и вступают во вторую фазу деления - метафазу.
.Метафаза. Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора. По продолжительности это самая короткая фаза митоза, она продолжается до тех пор, пока все центромеры не окажутся строго по линии экватора. Число фигур в экваториальной плоскости соответствует диплоидному набору хромосом. Каждая хромосома представлена парой сестринских хроматид, удерживаемых вместе центромерой.
.Анафаза. Центромеры начинают делиться, сестринские хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся к противоположным полюсам.
.Телофаза. Хромосомы собираются вокруг соответствующих клеточных центров и деспирализуются. Формируется оболочка ядра, образуется ядрышко, распределяются органоиды, образуется оболочка между дочерними клетками. В некоторых случаях образуются новые ядра, но не образуется мембрана между дочерними клетками. Это имеет место при дифференциации многоядерных клеток.
Митоз - один из механизмов роста и развития, способ регенерации клеток. Его основное назначение - точное распределение наследственной информации между дочерними клетками.
Мейоз. Подобный способ деления присущ половым клеткам и возник в филогенезе с появлением полового размножения. Мейоз - способ созревания и деления половых клеток. В отличие от митоза мейоз проходит в два этапа, т.е. состоит из двух последовательных делений, разделенных интеркинезом и включающих про-, мета -, ана- и телофазу в каждом делении. Интеркинез значительно короче, чем интерфаза, удвоения ДНК в нем не происходит.
Профаза- I является наиболее продолжительной и важной фазой. Она делится на пять стадий:
) пептотена, по-другому называемая стадией букета. Она характеризуется началом спирализации с образованием хромомер. Число фигур в ней составляет 2п, а количество молекул ДНК за счет репликации винтерфазе - 4с;
) зиготена, в которой наряду с продолжением конденсации начинается конъюгация гомологичных хромосом (синапс) с образованием бивалентов (тетрад) и синаптинемального комплекса;
) пахитена характеризуется завершением конъюгации с образованием синаптинемального комплекса. Продолжается процесс конденсации хромосом, происходит кроссинговер процесс обмена идентичными участками между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом;
) диплотена, в которой сестринские хроматиды остаются спаренными, а несестринские отталкиваются, оставаясь в некоторых точках соединенными, образуя хиазмы - фигуры, напоминающие букву «Х». Этот период длится у женщины от 10-13 лет до 50. Возможно, именно с этим связана большая частота нерасхождения хромосом в мейозе у женщин;
) диакuнез: число хиазм уменьшается, хромосомы перемещаются в экваториальную плоскость; число фигур 1n, количество дик - 4с.
Метафаза 1. Биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости. Число - выстроенных бивалентов гаплоидное (1n), количество дик - 4с.
Анафаза 1. На этой стадии деления происходит расхождение гомологичных хромосом к полюсам (1n; 2с).
Телофаза 1. Образуются дочерние ядра (1n; 2с). Интеркuнез: число фигур, 1n, количество дик - 2с.
Второе мейотическое деление не отличается по механизмам от обычного митотического деления, однако в анафазе 11 к полюсам деления расходится гаплоидное число сестринских хроматид (1n; 1с).
Значение мейоза
В отличие от митоза из одной материнской клетки образуются 4 дочерние, каждая - с гаплоидным набором хромосом.
В отличие от митоза в мейозе происходит редукция числа хромосом вдвое (ln; 1с), в связи, с чем мейоз называют редукционным делением.
Во время мейоза происходит случайное распределение негомологичных хромосом, что повышает разнообразие комбинаций хромосом в гаметах. Число комбинаций хромосом в одной гамете может быть 223, что составляет 8 388 608 вариантов. Число возможных комбинаций у одной родительской пары равно произведению вероятностей для каждой (223 х 223), т.е. 246.
В профазе первого мейотического деления на стадии зиготены происходит конъюгация гомологичных хромосом, а на стадии пахитены - кроссинговер (взаимный обмен гомологичных участков хроматид), проходящий в самом начале мейоза, когда гомологичные хромосомы конъюгируют между собой, что также повышает разнообразие комбинаций хромосом в гаметах, однако в меньшей степени, чем случайное распределение негомологичных хромосом.
В результате сперматогенеза образуются 4 функционально активные гаметы, способные к оплодотворению. Сперматогенез начинается в период полового созревания и завершается образованием зрелых сперматозоидов.
В результате овогенеза образуется одна зрелая яйцеклетка, унаследовавшая всю цитоплазму материнской. Овогенез начинается в раннем эмбриональном периоде развития, затем прерывается на длительный период и завершается только после оплодотворения.
Несмотря на то, что наиболее важная закономерность митотических и мейотических делений - упорядоченная редукция генетического материала установлена в конце XIX в., точное число хромосом в соматических клетках человека (46) удалось определить только в 19561'. Д.Тио и А.Левану. В учебниках, изданных до 1956 г., имеются данные о наличии 48 хромосом в кариотипе человека. Именно такое число хромосом содержат соматические клетки шимпанзе. У макаки -резус 42 хромосомы. Получить точные данные о числе хромосом у человека, а также выявить их аномалии, связанные с хромосомными синдромами, удалось благодаря методическим новациям, к числу которых относятся:
. культивирование клеток;
. обработка культуры клеток колхицином с накоплением
делящихся клеток на стадии метафазы, на которой их удобно изучать, т.к. хромосомы максимально сперализованы;
. обработка/гипотоническим раствором, вызывающим набухание клеток и «расправление» хромосом, что также облегчает их изучение.
Клетки для подобных исследований получают из костного мозга (например, путем пункции грудины), из биоптатов кожи или мышц либо из лимфоцитов периферической крови, полученной рутинным способом и культивируемой с фитогемагглютинином.
Морфология хромосом
Для осуществления процесса расхождения сестринских хромосом в дочерние клетки важную роль играет особое образование, свойственное всем хромосомам, - центромера, или кинетохор. Цитологически центромера имеет вид первичной перетяжки, которая в хромосомах с разной морфологией находится в разном положении по отношению к ее концам. Последнее определяет форму хромосом в метафазе. Если центромера находится в середине, хромосома имеет вид Х - образной структуры и называется метацентрической. Хромосомы с иным положением центромеры имеют неравные плечи и называются субметацентрическими (рис. 5). Центромеру обозначают буквой С, длинное плечо - р, короткое - q. Хромосомы, у которых длины плеч сильно различаются, называют акроцентрическими.
Отдельные хромосомы содержат так называемый ядрышкообразующий, или нуклеолярный, локус. Ядрышко, образованное таким локусом, содержит РНК, гистоны, ферменты и другие вещества. Нуклеолярный локус иначе называют вторичной перетяжкой. Дистальный участок хромосомы, находящийся за этим локусом, называют спутником. У человека имеются спутники у 5 пар хромосом, которые образуют 10 ядрышек. Видоспецифический диплоидный набор хромосом в клетке характеризуется определенным числом, величиной и формой. Эта совокупность признаков хромосомного набора, свойственных для каждого вида организмов, называется кариотипом (от греческих слов «карион» - ядро и «типос» форма). Термин введен в 1924 г. отечественным цитологом Г.А. Левитским. Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом (или 23 дары). Из них - 22 пары одинаковые и у мужчин, и у женщин, называемые аутосомами, а одна пара половыe хромосомы, или гоносомы. Пару половых хромосом женщин составляют две одинаковые крупные хромосомы, названные Х-хромосомами. У мужчин одна Х-хромосома такая же; как и у женщин, а другая, маленькая, У - хромосома.
. Классификация хромосом
В идиограмме хромосомы располагаются в порядке убывания величины. Исключение делается для половых хромосом, которые выделяют особо. Однако идентификация хромосом только по величине сталкивается с большими трудностями, т.к. ряд хромосом имеет сходные размеры. Величина хромосом измеряется их абсолютной или относительной длиной (выраженной в %) по отношению к суммарной длине всех хромосом гаплоидного набора женщин. Самые крупные хромосомы человека в 4-5 раз длиннее самых мелких хромосом. Размеры хромосом коррелируются с числом входящих в них нуклеотидных пар. Самая маленькая хромосома (21-я) включает около 50 млн. пар оснований, а самая большая (l-я) около 250 млн. пар оснований.
Фopмa метафазных хромосом, определяемая положением первичной перетяжки, может быть: количественно охарактеризована как доля длины - короткого плеча к длине всей хромосомы, принятой за 100% (центромерный индекс). Если центромерный индекс равен 50%, то это метацентрическая (равноплечная) хромосома (р = q), если меньше 50% - субметацентрическая хромосома, а если центромера расположена близко к концу хромосомы - акроцентрическая хромосома.
В 1960г. в городе Денвере (США) была предложена первая классификация хромосом человека в зависимости от их морфологических характеристик: величины, формы, положения центромеры - в порядке уменьшения общей длины. Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом разрабатывалась также в Лондоне в 1963г. и Чикаго в 1966г. Все пары хромосом были пронумерованы арабскими цифрами, разделены на семь групп в порядке убывания и обозначены буквами английского алфавита от А до а. Например: А (l-я, 2-я, 3-я пары) - большие метацентрические (рис.).
В группу А (1-3) входят три пары наиболее крупных аутосом, которые различаются между собой: первая и вторая - по положению первичной перетяжки, третья - меньшими размерами.
В группу В (4-5) - большие субметацентрические. Группа В (4-5) объединяет две пары длинных субметацентрических хромосом, неразличимых по размеру и морфологическим признакам между собой.
К группе С (6-12) отнесены средние субметацентрйческие. В группу С (6-12) входят 7 пар аутосом средней величины с субмедианно расположенной центромерой и Х- хромосомы.
В группу D (13-15) входят большие акроцентрические; в группе D хромосомы объединены в три пары акроцентрических хромосом средней величины, также неразличимых между собой.
Группа Е (16-18) объединяет малые субметацентрические. В группе Е пара аутосом всегда отличается от двух других почти медианной локализацией центромеры. Пары 17-18 во многих метафазах могут быть различными, т.к. хромосома 18 отличается меньшей общей длиной и величиной коротких плеч. Но их идентификация может вызвать трудности.
Группа F (19-20) - малые метацентрические.
Группа G (21-22) - малые акроцентрические. При этом Х-хромосома не отличалась от хромосом группы С, а У-хромосома - от хромосом группы G.
Две последние группы (F и G) содержат самые мелкие аутосомы, метацентрические - F (19-20) и акроцентрические - G (21-22). Внутри групп эти пары неразличимы. Длина одной и той же хромосомы в митозе может значительно варьироваться, поскольку и в стадии метафазы продолжаетcя конденсация хромосом, которая значительно усиливается колхицином.
У-хромосомы рассматриваются как самостоятельные.
Каждая хромосома состоит из участков, реплицирующихся в разное время. Имеется четкое чередование районов с ранней и поздней репликациями.
Идентификация каждой хромосомы стала возможной в начале 70-х годов ХХ в. Три группы ученых: Т .Касперсон с сотрудниками (Швеция), Б.Датриллэукс и Ж.Лежен (Франция),А.Ф. Захаров и Н.Е. Еголина (СССР) - предложили четыре метода окрашивания хромосом человека, получивших название дифференциального: G (Гимза), Q (акрихин), R (revers - обратный) и С (конститутивный гетерохроматин).
хромосома генетический мутация мейоз
5. Методы дифференциальной окраски хромосом
Методы дифференциальной окраски хромосом основаны на действии солевых растворов с определенными рН и температурным режимом с последующей обработкой основными красителями или флюохромами (акрихин, акрихиниприт).
Выявляемое при дифференциальном окрашивании хромосом чередование сегментов (темная и светлая полосы) характеризуется постоянством, которое позволило цитогенетикам на состоявшейся в 1971 г. в Париже международной конференции создать номенклатуру и карту поперечной исчерченности хромосом человека. При этом сохранилась нумерация хромосом, а каждая хромосома стала рассматриваться как непрерывная совокупность сегментов. Плечи хромосом (р - короткое и q - длинное) были разделены на районы, границами которых служили четкие морфологические маркеры. Районы, в свою очередь, были подразделены на сегменты, или участки, четко отличающиеся от соседних по интенсивности окраски. Районы и сегменты стали нумероваться арабскими цифрами от центромеры к теломере, отдельно для каждого плеча. Например, запись 6р15 означает: короткое плечо хромосомы 6, район 1,,сегмент 5.
Наиболее распространенным методом дифференциального окрашивания хромосом является G-окрашивание. С помощью этого метода препараты хромосом можно анализировать, используя световой микроскоп.окрашивание - это флуоресцентное окрашивание, связанное с флуоресцентным микроскопированием. Преимущество этого метода заключается в возможности идентифицировать У- хромосому.
За редким исключением исчерченность сегмента хромосом при G- и Q-окрашивании совпадает. R-окрашивание выявляет обратную картину по сравнению с G-окрашиванием. С его помощью хорошо прокрашиваются теломерные (конечные) районы хромосом.
ДНК с многократно повторяющимися последовательностями локализованы в хромосомах преимущественно в околоцентромерных гетерохроматиновых сегментах, которые хорошо выявляются с помощью С-окрашивания. Оно позволяет выявить также сегменты центромерных участков всех хромосом, коротких плеч хромосом 13, 14, 15, 21, 22 и длинного плеча У - хромосомы. Таким образом, этот метод выявляет структурный, или конститутивный, гетерохроматин.
Варианты хромосом по гетерохроматину довольно стабильны и наследуются детьми от их родителей, как правило, без изменений. Таким образом, в человеческой популяции отмечается широкий наследственный хромосомный полиморфизм.
В основе структурно-функциональной линейной дифференцированности хромосом лежит неоднородность ДНК в разных участках по длине хромосом. Разные участки хромосом различаются по количественному соотношению классов ДНК и их содержанию.
Одна, из характеристик, по которой различают окрашенные сегменты хромосом, - это время начала их редупликации. Наиболее поздно редуплицирующимися, являются гетеpoxpoматиновые районы, сыгравшие важную роль в выявлении хромосомных синдромов, связанных с нарушениями хромосом 4,5,13-15,17,18 и половых хромосом.
Q-сегменты и совпадающие с ними G-сегменты соответствуют участкам, богатым АТ-парами (55-65% ДНК), и содержат тканеспецифические гены, реплицирующиеся во второй половине.S-периода. R-сегменты соответствуют участкам, богатым ГЦ-парами (50-60% ДНК), и содержат общеклеточные гены, реплицирующиеся в первой половине S-периода - синтетического периода интерфазы.
В начале 80-х гг. ХХ в. были усовершенствованы методы дифференциального окрашивания хромосом, позволяющие анализировать хромосомы на стадиях прометафазы и даже профазы и проводить их разделение более чем на 2 тыс. сегментов.
. Структура хромосом
Химический анализ хромосом показал, что, кроме ДНК и. гистонов, хромосомы содержат сложный остаточный белок, липиды, кальций, магний, железо, молекулы РНК.
Структурной основой хромосомы служит комплекс ДНК гистон. Гистоны в нуклеотидах постоянно обновляются. ДНК связана с гистонами ионными связями. ДНК отличается стабильностью в пределах жизни клетки и генетической непрерывностью при размножении клеток. В соматических клетках количество ДНК в 2 раза превосходит количество ДНК в ядрах сперматозоидов или яйцеклеток. Каждая из хромосом имеет индивидуальную форму и генетическую информацию благодаря содержащимся в ней генам.
Хромосомы меняют свою длину при прохождении клеточного цикла. Они оказываются максимально деспирализованными в интерфазе, напротив, в митозе, когда хромосомы в стадии метафазы готовятся к расхождению в дочерние клетки, они максимально сокращены путем специальной укладки и спирализации нуклеопротеидной нити и химических связей между ДНК и белком. В хромосоме нить ДНК посредством гистонов упакована в регулярно повторяющиеся структуры с диаметром около 10 нм, называемые нуклеосомами. Нуклеосома включает отрезок ДНК длиной около 200 пар оснований, навитый на белковую сердцевину, состоящую из 8 молекул белков гистонов. Минимальная нуклеосома содержит 146 пар азотистых оснований. В нее входят также по две молекулы различных гистонов 4 типов: Н4, НЗ, Н2А и Н2В. Поверхность молекул гистонов заряжена положительно, а закручивающаяся вокруг них спираль ДНК - отрицательно. ДНК, соединяющая одну нуклеосому с другой, называется линкерной. Нуклеосомы упакованы в нитевидные структуры, получившие названия фибрилл, имеющих форму петель. Из таких петель построена хроматида.
Гистоны - положительно заряженные щелочные белки с молекулярной массой 10-20 тыс. единиц. Гистон Н1 вдвое длиннее четырех других и отвечает за целостность нуклеосомной структуры: на каждую молекулу гистона Н1 приходится по одной нуклеосоме.
Негистоновые белки - сложная и разнородная группа белков. Среди них обнаружены ферменты, обеспечивающие метаболизм других компонентов хромосом - ДНК, РНК, гистонов и самих негистоновых белков. Эти белки участвуют в формировании митотической хромосомы.
РНК в составе хромосом не входит в их структуру и представляется двумя основными разновидностями: незавершенными транскриптами, еще не отделившимися от хромосом,- и относительно низкомолекулярной ДНК.
Укладка ДНК на нуклеосомном уровне - это первый уровень. На втором супернуклеосомном уровне укладки принимает участие гистон Н1. Диаметр нити здесь составляет 20-30 нм и соответствует метафазной хромосоме. Предложены некоторые модели пространственной укладки нуклеосомной нити на этом уровне, в том числе модель соленоида (рис.).
Укладку на втором уровне стабилизирует взаимодействие гистонов Н1 и Н3. Возможно участие негистоновых белков.
Третий уровень структурной организации хромосомной нити соответствует наблюдаемым под световым микроскопом структурам профазных митотических и мейотических хромосом.
Главным субстратом, в котором записана генетическая информация организма, являются эухроматиновые районы хромосом.
В противоположность эухроматину гетерохроматин не содержит структурных генов и является генетически инертным. Гетерохроматин, содержащийся во всех хромосомax человека, и называется структурным (С) гетерохроматином. Во всех аутосомах и Х-хромосоме он занимает околоцентромерный район. В У -хромосоме он локализуется в дистальной части длинного плеча. В разных хромосомах количество С-гетерохроматина различно. Особенно крупные его блоки, распространяющиеся преимущественно на длинные плечи, содержатся в аутосомах 19 и 16; именно в этих районах наиболее регулярно образуются вторичные перетяжки. Мелкие блоки этого хроматина имеются в ayтocoмe 2 и Х-хромосоме. В акроцентрических хромосомах гетерохроматин распространяется и на короткие плечи.
Помимо структурного гетерохроматина, существует так называемый факультативный гетерохроматин, появление которого в хромосоме обусловлено гетерохроматинизацией эухроматических районов при особых условиях. Например, в Х- хромосоме в соматических клетках женщины. В каждой соматической клетке нормального женского организма инактивируется одна из двух Х - хромосом, причем материнская и отцовская Х-хромосомы инактивируются с равной вероятностью. Инактивация отцовской или материнской Х - хромосомы происходит в раннем эмбриональном периоде, и все потомки с инактивированной Х-хромосомой сохраняют данный образец инактивации в ряду поколений.
Гетерогенность ДНК определяется наличием множества семейств, различающихся нуклеотидным составом повторов, их размерами и числом. Около 1 % повторяющихся ДНК-последовательностей обладает транскрипционной активностью, и кодируют рРНК, тРНК и гистоны.
Таким образом, первичной основой структурно-функциональной дифференцированности метафазной хромосомы является гетерогенность ДНК. Для гетерохроматина характерно конденсированное состояние в интерфазе ядро.
По сравнению с эухроматином гетерохроматиновые районы хромосом репродуцируются в более поздние сроки S-периода интерфазы. При дифференциальной окраске по С-методу гетерохроматиновые сегменты выделяются как плотно окрашивающиеся С-сегменты.
В метафазной хромосоме это подразделение на эухроматин и гетерохроматин сохраняется, и структурный гетерохроматин наиболее интенсивно выявляется в виде не полностью конденсированных участков вторичных перетяжек.
В отличие от эухроматина, содержащего уникальные гены, дисбаланс по которым отрицательно отражается на фенотипе организма, изменение в количестве гетерохроматина значительно меньше влияет или совсем не влияет на развитие признаков организма.
. Хромосомные мутации
хромосома генетический мутация мейоз
Изменение хромосомного набора может происходить под влиянием разных причин и вести к нарушению генного баланса и хромосомным болезням, обусловленным числовыми или структурными изменениями хромосом (соответственно геномными или хромосомными мутациями).
К первой группе мутаций относятся те изменения, которые касаются числа хромосом. Увеличение кратности полного гаплоидного набора хромосом более чем в два раза (полиплоидия). В патологии человека проявляется как триплодия, так и тетраплодия. Возможны изменения в одной из пар в сторону утраты гомолога (моносомия) или приобретения дополнительного гомолога (например, трисомия и тетрасомия, т.е. анеуплоидия).
Среди полисомий выделяют полные, или регулярные (увеличение на целую хромосому: трисомия, тетрасомия и пентасомия) и мозаичные состояния, когда организм сформированиз 2-3 и более клеточных клонов.
В основе геномных мутаций, как правило, лежит нерасхождение либо анафазное отставание хромосом. В первом случае нарушается распределение хромосом по дочерним клеткам во время первого и второго мейотического деления. Хромосомы, которые в норме должны разделиться, остаются соединенными и вместе отходят к одному полису. Если нерасхождение происходит в двух или более последовательных делениях, то возникают три, тетра, пентасомии.
Во втором случае нарушение происходит при дроблении зиготы, возникшей из гамет с нормальным набором хромосом. В результате развивается мозаичный организм, часть клеток которого имеет нормальный (диплоидный), а другая часть - аномальный набор хромосом (увеличение или уменьшение их числа).
Чтобы отразиться на развитии организма, нерасхождение хромосом должно произойти либо в гаметогенезе, либо в первых делениях оплодотворенной яйцеклетки. Один акт нерасхождения одной из хромосом приводит к тому, что в одной из гамет будет недоставать одной хромосомы, в другой станет на одну больше. Все клетки развивающегося из нее после оплодотворения организма будут иметь или полную моносомию по затронутой хромосоме, или ее полную трисомию. Аналогичное нерасхождение в первых делениях нормальной зиготы приведет к развитию организма, часть клеток которого будет иметь моносомию, другая часть - трисомию, т.е. к развитию мозаичного организма.
Возникающие при жизни аномалии в соматических клетках не вызывают каких-либо выраженных патологических изменений, однако их накопление в соматических клетках может быть фактором, стимулирующим развитие клонов злокачественных клеток, а возможно, и процессов старения.
Структурное изменение может состоять в перемещении материала в пределах одной хромосомы (инверсия) или между двумя и более хромосомами (транслокация), не меняя сбалансированности генного набора в целом и не влияя на здоровье. Однако при образовании гамет у носителей таких перестроек образуются несбалансированные гаметы. При расхождении транслоцированных хромосом в гаметогенезе сбалансированность нарушается, гамета может приобрести хромосому с нехваткой материала или его избытком. При слиянии с нормальной гаметой другого родителя возможно четыре типа зигот: нормальная, перестроенная сбалансированная, частично трисомная и частично моносомная. Из зиготы второго типа разовьется организм носитель сбалансированной транслокации с нормальным здоровьем, из зигот 111 и IV типов разовьются организмы с хромосомными болезнями. Структурное изменение может первично изменять генный баланс хромосомы. Таковы делеции (утрата части хромосомы без ее переноса на другую) или дупликации (удвоение какого-либо хромосомного участка).
В клетке могут возникать комбинированные нарушения хромосомного набора. Большинство делеций и дупликаций летальны (если даже организм жизнеспособен, то их носители все равно не могут оставить потомство).
К внутрихромосомным перестройкам относятся:
- изохромосома - хромосома с двумя идентичными плечами: либо длинными, либо короткими. Линия разрыва проходит по центромере; инверсия - поворот участка хромосомы на 180 с последующим соединением разрывов в новом порядке. Инверсии подразделяются на пери и парацентрические в зависимости от того, одно или оба плеча вовлечены в перестройку: кольцевая хромосома - образование хромосомы в виде кольца связано с утратой ее теломерных сегментов; фрагменты хромосомы, т.е. фрагменты, не содержащие центромеры или ее части, называемые ацентрическими. К межхромосомным перестройкам относятся транслокации, среди которых выделяют: реципрокные, или сбалансированные (взаимный обмен участками без потери материала); нереципрокные, или несбалансированные (перенос участка одной хромосомы на другую с потерей или прибавлением наследственного материала); тип центрического слияния, или робертсоновский (после разрыва хромосом в околоцентромерном районе соединяются два фрагмента с центромерами, которые сливаются в одну, причем одна инактивируется). Характерны для транслокационной формы болезни Дауна.
Перестройки хромосом обозначаются следующими символами.
. Мозаицизм клеточных линий, или соотношения долей клеток с нормальным и аномальным кариотипом: 46, ХХ/47, ХХХ (50%/50%).
2. Добавочная хромосома обозначается знаком «+», например: 47, ХХ, +21- это кариотип с добавочной хромосомой 21.
3. Утрата хромосомы или ее части (делеция) обозначается знаком «-,), рядом С символом плеча либо символом del, например, синдром «кошачьего крика» можно обозначить как46, ХХ, 5р- либо как 46, ХХ, de(5 р13).
. Транслокация - t (в случае несбалансированной транслокации) или dic - дицентрик (в случае дицентрической хромосомы). Например: несбалансированная транслокация между акроцентрическими хромосомами 46, ХХ, t(14; 21) или 46, ХХ, die (14; 21) (р11; q22).
5. Реципрокная транслокация - rep. Например: 46, ХХ, rep (2; 5) (q21; q31).
. Робертсоновская транслокация - rob. Например: 46, ХХ, die (21; 21) (q11; q11), или транслокационная форма синдрома Дауна.
. Изохромосома - i. Например: 46, Х, i (Xq) = 2 длинных плеча Х - хромосомы имеются в наличии и разделены центро- , мерой.
. Инверсия - inv. Например: 46, ХХ, inv (3) (р25; q21), т.е. участок хромосомы 3, расположенный между точками р25 и q21, инвертирован.
. Инсерция - ins. Например: 46, ХУ, ins (16) (p12-pter),или вставка в конце короткого плеча; ter - конец.
. Дупликация - dиp. Например: 46, ХУ, dиp (3) (q21-qter),или дупликация по терминальному концу длинного плеча.
11. Кольцевая хромосома - r. Например: 46, ХХ, r (13).
Продолжительность жизни индивида с хромосомной перестройкой зависит от величины хромосомы, ее генного состава. Имеет значение количество генетически активного (эухроматинового) материала в хромосоме. Полные трисомии у живорожденных обнаруживаются в основном по аутосомам 8, 13, 18, 21, которые содержат больше гетерохроматинового материала по сравнению с другими хромосомами соответствующих групп,
Характерной чертой врожденных пороков развития, обусловленных хромосомным дисбалансом, является их множественность и системность. Характерны черепно-лицевые дисморфии, пороки развития скелета, конечностей, пороки внутренних органов, сердца, мочеполовой и пищеварительной систем, нервной системы, отставание в росте и общем психическом развитии.
У разных индивидов одно и то же хромосомное нарушение может быть разной тяжести. Например, трисомия 21 (болезнь Дауна) и моносомия Х (синдром Шерешевского-Тернера). Внутриутробно погибает 2/3 эмбрионов с трисомией 21, доживает до рождения лишь 1 из 40-50 эмбрионов с моносомией Х.
Частота хромосомных аномалий достигает 15% у детей с олигофренией и 20-50% у детей с нарушением половой дифференцировки (в половине случаев обнаруживается мозаицизм).
При повторных и спонтанных абортах, мертворождениях, рождении детей с пороками развития с частотой до 5% у одного или обоих родителей выявляются сбалансированные перестройки хромосом.
Обнаружение хромосомных перестроек используется для картирования генов наследственных болезней. С помощью этого метода удалось картировать на разных хромосомах гены синдрома Ваарденбурга, тип 1 и тип 11; нейрофиброматоза, тип 1 и тип 11.
Установлено, что наличие хромосомных перестроек в организме связано с повышенным риском онкологических заболеваний. Так, при синдроме Дауна отмечается повышенная частота лейкозов и других новообразований.
В настоящее время этот феномен нашел свое научное объяснение. Согласно генетической теории рака обычными компонентами клеток организма являются так называемые протоонкогены, которые в результате воздействия внешних факторов вирусов, включающих их в свой геном, химических веществ канцерогенов) превращаются в онкогены и могут вызывать рак у человека. У здорового человека участки ДНК (протоонкогены) находятся в неактивном состоянии, отличаясь от онкогена лишь одним нуклеотидом. Так, например, было показано, что один из белков продуктов онкогена содержит в 12-м положении аминокислоту валин, а белок соответствующего протоонкогена - глицин. Число описываемых онкогенов быстро растет. К началу 90-х годов было описано около 20 онкогенов, а к концу века - уже более 100.
Предполагалось, что онкогены попадают в организм вместе с вирусами. Ситуация оказалась принципиально другой: вирусы захватывают протоонкогены из ДНК человека, превращаясь в опухолевые. Онкогены идентифицированы практически на всех хромосомах человека.
Таким образом, механизм превращения протоонкогена в онкоген связан с включением в протоонкоген подвижных элементов ДНК - транспозонов с их последующей амплификацией онкогенов, а также хромосомными перестройками, ведущими к внутригенным мутациям, и точковыми мутациями, приводящими, в конечном счете к несбалансированности генотипической среды.
В процессе онтогенеза ДНК постоянно подвергается воздействию факторов внешней среды и повреждается. Однако этому процессу противодействуют механизмы, устраняющие повреждения (репарации). С возрастом количество повреждений ДНК увеличивается, а системы репарации нарушаются. В результате риск онкологических заболеваний повышается.
Хромосомные перестройки встречаются практически во всех раковых клетках, однако лишь часть из них специфична для конкретной опухоли. Например, транслокация между 8-й и 21-й хромосомами характерна для острого миелоидного лейкоза, а между 9-й и 22-й хронического миелоидного лейкоза.
Хромосомные аберрации (транслокации, делеции, инсерции и др.) являются одним из механизмов активации протоонкогенов. При многих формах лейкоза обнаруживаются высокоспецифические хромосомные перестройки, типичные для одной или нескольких форм болезни.
Основная литература
1. Основы генетики: Клинико-генетические основы коррекционной педагогики и специальной психологии : учебное пособие для вузов /Е. М. Мастюкова, А. Г. Московкина ; под общ ред. В. И. Селиверстова, Б. П. Пузанова. М.: Владос, 2005. 368 с.
. Генетика : учебное пособие для вузов /В. И. Никольский. М.: Академия, 2010. 249 с.
Дополнительная:
.Асанов А.Ю.Основы генетики и наследственные нарушения развития у детей: учеб. пособие для вузов. Москва: Академия, 2003.
.Гайнутдинов И.К. Медицинская генетика. Москва: Дашков и К, 2008.
.Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учеб. пособие для вузов. Новосибирск: Сиб. Унив. Изд-во, 2006.
.Мастюкова Е.М., Московкина А.Г. Основы генетики (клинико-генетические основы коррекционной педагогики и специальной психологии). Москва: Владос, 2007.
.Заяц Р.Г., Рачковская И.В. и др. Общая медицинская генетика. - Ростов-на-Дону.: «Феникс», 2002.
.Клаг У.С. Основы генетики /Уильям С. Клаг, Майкл Р. Каммингс; пер. с англ. А. А. Лушниковой, С. М.Мусаткина. Москва: Техносфера, 2007.
.Топорнина Н.А. Генетика человека: практикум для вузов. Москва: Владос, 2001.
Интернет ресурсы
.#"justify">.#"justify">.http://window.edu.ru/resource/117/27117 Назарова М.Н., Тульнова Н.Н., Лавлинский А.В. Основы теории эволюции: Учебно-методическое пособие. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. - 27 с.,