Глава 8 хромосомы человека. Митоз и мейоз. Хромосомные мутации. Хромосомные болезни

1. ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА

И ИХ СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

В ядре каждой соматической клетки организма человека содержится 46 хромосом. Набор хромосом каждого индиви­дуума, как нормальный, так и патологический, называется кариотипом. Из 46 хромосом, составляющих хромосомный набор человека, 44 или 22 пары представляют аутосомные хромосомы, последняя пара —* половые хромосомы. У жен­щин конституция половых хромосом в норме представлена двумя хромосомами X, а у мужчин — хромосомами X и У. Во всех парах хромосом как аутосомных, так и половых одна из хромосом получена от отца, а вторая — от матери. Хромосо­мы одной пары называются гомологами, или гомологичными хромосомами. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклет­ках) содержится гаплоидный набор хромосом, т.е. 23 хромо­сомы. Сперматозоиды делятся на два типа в зависимости от того, содержат ли они хромосому X или К Все яйцеклетки в норме содержат только хромосому X.

Хромосомы хорошо видны после специальной окраски во время деления клеток, когда хромосомы максимально спира- лизованы. При этом в каждой хромосоме выявляется пере­тяжка, которая называется центромерой. Центромера делит хромосому на короткое плечо (обозначается буквой «р») и длинное плечо (обозначается буквой «q»). Центромера опре­деляет движение хромосомы во время клеточного деления. По положению центромеры хромосомы классифицируют на несколько групп. Если центромера располагается посредине хромосомы, то такая хромосома называется метацентриче- ской, если центромера располагается ближе к одному из кон­цов хромосомы, то ее называют акроцентрической. Некото­рые акроцентрические хромосомы имеют так называемые спутники, которые в неделящейся клетке формируют ядрыш­ки. Ядрышки содержат многочисленные копии рРНК. Кроме того, различают субметацентрические хромосомы, когда цент­ромера расположена не посредине хромосомы, а несколько сдвинута к одному из концов, но не столь значительно, как в акроцентрических хромосомах (рис. 8.1).

Концы каждого плеча хромосомы называют теломерами. Установлено, что теломеры играют важную роль в сохране­нии стабильности хромосом. В теломерах содержится большое число повторов последовательности нуклеотидов ТТАГГГ,

Р

сеп

V

сеп

Короткое плечо (р) Центромера (сеп) Длинное плечо (q)

Спутник а А Р Стебелек

Рис. 8.1. Метацентрическая, субметацентрическая и акроцентриче­ская хромосомы.

В акроцентрических хромосомах стебельки и спутники располагаются на коротких плечах.

так называемых тандемных повторов. В норме во время кле­точного деления происходит уменьшение числа этих повто­ров в теломерах. Однако каждый раз они достраиваются с по­мощью специального фермента, который называют теломе- разой. Уменьшение активности этого фермента приводит к укорочению теломер, что, как полагают, является причиной гибели клеток, а в норме сопровождает старение.

До появления методов дифференциальной окраски хромо­сом их различали по длине, положению центромеры и нали­чию спутников. Выделяли 5 групп — от А до G, которые до­статочно хорошо разделялись друг от друга. Однако внутри групп дифференциация хромосом представляла определен­ные трудности. Это изменилось, когда были разработаны ме­тоды дифференциальной окраски хромосом. Заметный вклад в разработку этих методов внес отечественный ученый А.Ф.За­харов. Все методы дифференциальной окраски хромосом¹

препараты хромосом можно приготовить из любых ядерных деля­щихся соматических клеток. Чаще их получают для лимфоцитов пери­ферической крови. Лимфоциты выделяют из венозной крови и перено­сят в небольшое количество питательной среды с добавлением фито- гемагглютинина. Фитогемагглютинин стимулирует деление лимфоци­тов. Затем клетки культивируются при 37 °С в течение 3 дней, после чего к культуре лимфоцитов добавляют колхицин, который останавли­вает деление клеток на стадии метафазы, когда хромосомы наиболее конденсированы. Клетки переносят на предметное стекло, к ним добав­ляют гипотонический раствор NaCl. Клетки лопаются, и хромосомы вытекают из них. Далее следует фиксация и окраска хромосом.

В последние годы появились новые методы визуализации хромосом или их участков. Методы представляют собой комбинацию из цитоге­нетических и молекулярно-генетических методов. Все они основаны на способности однонитевой ДНК соединяться с комплементарной после­довательностью геномной ДНК, локализованной в хромосомах. Одно- ните вая ДНК, которая в этом случае является ДНК-зондом, нагружена специальным красителем, и после гибридизации с геномной ДНК зонд легко выявляется на хромосомном препарате (так называемая метафаз- пая пластинка) при его микроскопировании в ультрафиолетовом свете. Этот метод получил название «флюоресцентной гибридизации in situ»,

Рис. 8.2. Дифференциальная G-окраска хромосом слабой степени конденсации (из: А.Ф.Захаров и соавт. Хромосомы человека; Ат­лас. — М.: Медицина, 1982. — С. 66).

позволяют выявлять их структурную организацию, которая выражается в появлении поперечной исчерченности, разной в разных хромосомах, а также некоторых других деталей.

Несколько различных методов окраски используют для идентификации отдельных хромосом. Наиболее часто испо­льзуемым является метод с окраской хромосом красителем Гимза. Препараты хромосом при этом способе окраски сна­чала обрабатывают трипсином, который удаляет белкн, со­держащиеся в хромосоме. Затем на препарат наносят краси­тель Гимза, который выявляет в хромосомах характерный для каждой из них рисунок из светлых и темных сегментов (рис. 8.2). Обычно на гаплоидный набор можно насчитать до 400 сегментов. Подсчитано, что каждый сегмент содержит в сред­нем около 8 млн п.н. Если хромосомы перед окраской Гимза сначала нагревают, то рисунок полос сохраняется, но их цвет меняется на противоположный, т.е. темные полосы становят­ся светлыми, и наоборот. Этот метод окраски называется об­ратным бэндингом, или R-методом. Если до применения кра-

<Г

сокращенно FISH. Разработаны различные модификации этого метода: для выявления центромерных районов хромосом, уникальных хромо- сомспецифических последовательностей ДНК; для флюоресцентного окрашивания целой хромосомы и даже многоцветного спектрального кариотипироваиия, когда каждая хромосома окрашивается в свой цвет.

сителя Гимза препарат хромосом сначала обрабатывают кис­лотой, а затем щелочью, то окрашиваются преимущественно центромеры и другие районы, богатые гетерохроматином, со­держащие высокоповторяющиеся последовательности ДНК (С-окраска). Q-окраска выявляется с помощью флюорес­центной микроскопии хромосом, которые могут быть окра­шены разными флюорохромами. Из последних чаще всего используют производные акридина: акрихин и акрихин-ип- рит. Разработаны также высокоразрешающие методы диффе­ренциальной окраски хромосом на стадии прометафазы кле­точного деления. Они позволяют выявлять до 800 попереч­ных полос на гаплоидный набор хромосом.

Поперечные полоски, выявляемые при дифференциаль­ной окраске, называют сегментами. Характер расположения сегментов по длине хромосом различен, что позволяет прово­дить достаточно точную идентификацию каждой хромосомы в кариотипе. Разработана форма представления стилизован­ного идеального кариотипа с типичным рисунком полос на каждой хромосоме. Такая форма называется идеограммой (рис. 8.3).

Для удобства описания кариотипа предложена специаль­ная система, в которой прежде всего различают плечи хромо­сомы: р — короткое и q — длинное и центромеру — сеп. Каж­дое плечо делится на области, причем счет идет от центроме­ры. Каждую область подразделяют на сегменты, счет которых также начинается с сегмента, расположенного ближе к цент­ромере (см. рис. 8.3).

Материал, из которого построены хромосомы, называется хроматином. Он состоит из ДНК и окружающих ее гистонов и других белков. Та часть хроматина, которая слабо окраши­вается специальными красителями для хромосом, называется эухроматином, а та, которая окрашивается интенсивно, — ге­терохроматином. Считают, что эухроматиновые районы хро­мосом содержат активно экспрессирующиеся гены, гетеро­хроматиновые районы, напротив, включают неактивные гены и неэкспрессирующиеся повторяющиеся последовательности ДНК.

Молекулярная структура хромосом достаточно сложная. Функция этой структуры заключается в такой упаковке ДНК, чтобы она поместилась в хромосоме. Если бы геномная ДНК была представлена в виде обычной двунитевой спирали, то она протянулась бы на 2 м. При упаковке ДНК используется все тот же принцип спирали, но он представлен несколькими уровнями. Сначала ДНК обвивается вокруг гистонового стер­жня, образуя нуклеосомы. Каждая нуклеосома включает 140—150 нуклеотидов, обвитых вокруг гистонового стержня. Затем следует «голая» ДНК из 20—60 нуклеотидов, которая разделяет соседние нуклеосомы. Нуклеосомы формируют

Н

19

20

21

22

Рис. 8.3. Дифференциальная окраска хромосом Q-, G- и R-мето­дами.

7Т		гч р
		я

а идеограмме показаны короткие и длинные плечи хромосом, области пронумерованы согласно номенклатуре, принятой Парижской конферен­цией в 1971 г. Всего на идеограмме показано 300 сегментов хромосом. Светлая окраска характерна для негативных Q- и G-сегментов, позитивных Л-сегментов; темная окраска характерна для позитивных Q- и (7-сегментов, негативных R-сегментов; заштрихованы сегменты с варьирующей интенсив­ностью окраски (из: А.Ф. Захаров и соавт. Хромосомы человека: Атлас. — М.: Медицина, 1982. — С. 52).

\ уп Рис. 8.4. Третий уровень укладки ДНП в

(Дй хромосоме.

а — одна петля супернуклеосомной нити, ЯЭПцй} сформированной по типу соленоида; б —

ЭД/уГ группа несложенных петель супернуклеосом-

ной нити, сохраняющей диаметр 20 нм; в — в Ч/S? результате упаковки (закручивания) каждой