50 Нм петли образуются нити диаметром 50 нм.

ОС — осевая структура (из: А.Ф. Захаров и др. Хромосомы человека: Атлас. — М.: Медици- в на, 1982. - С. 251).

спирально закрученный соленоид. Каждый виток соленоида включает 6 нуклеосом. В свою очередь соленоиды организо­ваны в хроматиновые петли, которые прикрепляются к бел­ковому каркасу. Из хроматиновых петель, каждая из кото­рых содержит примерно 100 тыс. п.н., образуется собственно хроматин хромосом. В результате такой сложной упаковки исходная длина молекулы ДНК уменьшается в 10 000 раз (рис. 8.4).

2. Клеточный цикл

Соматическая клетка может находиться в двух состояни­ях — интерфазе и делении. Смену этих состояний называют клеточным циклом. Во время интерфазы клетка удваивает свое содержимое, включая хромосомы. Прекратившие деле­ние клетки находятся в особом состоянии этой фазы — Gq. Интерфазу принято делить на три стадии: Gl, S и G2. На стадии G1 в клетке синтезируется РНК, белки и осуществля­ется весь сложный комплекс метаболизма. На стадии S реп­

лицируется ДНК. В 02-стадии исправляются ошибки, допу­щенные при репликации ДНК, и происходят другие процес­сы, подготавливающие клетку к митозу. В это время каждая хромосома уже представлена двумя копиями, которые назы­вают сестринскими хроматидами. Сестринские хроматиды на

S- и 02-стадии обмениваются гомологичными участками — сестринский хроматидный обмен. Клеточный цикл продол­жается разное время в клетках различного типа. В быстро де­лящихся клетках он может занимать несколько часов, в мед­ленно делящихся — год и более, а нейроны и некоторые дру­гие типы клеток у взрослых людей не делятся вовсе.

Процесс роста и деления клеток регулируется за счет воз­действия разнообразных внешних и внутренних по отноше­нию к клетке стимулов. Одним из внешних сигналов являют­ся факторы роста, которые синтезируются клетками разного типа. Факторы роста взаимодействуют со специфическими рецепторами факторов роста, расположенными на поверхно­сти клетки. Активированные рецепторы запускают процесс, который называют сигнальной трансдукцией, ее конечной ми­шенью является регуляция транскрипции ДНК. К наиболее важным молекулам сигнальной трансдукции относятся про- теинкиназы и индуцируемые ими белки циклины. Во взаимо­действии белков, участвующих в сигнальной трансдукции, остается еще много неясного. Компоненты каскада сигналь­ной трансдукции взаимодействуют с ядерными факторами транскрипции, которые в свою очередь регулируют актив­ность генов, имеющих отношение к росту и делению клеток.

2. МИТОЗ

Процесс деления соматических клеток, во время которого также происходит деление ядра, называют митозом. Благода­ря митозу из одной оплодотворенной яйцеклетки возникает целый организм человека со всеми его органами и тканями, в котором содержится примерно 10¹⁴ клеток. Деление сомати­ческих клеток продолжается и у взрослого человека, особен­но в таких тканях, как кожа, костный мозг, слизистые обо­лочки и т.д.

До вхождения клетки в митоз каждая хромосома представ­лена двумя идентичными нитями, которые являются резуль­татом репликации ДНК во время фазы синтеза клеточного цикла. Эти нити называют хроматидами. Во время деления ядра клетки хроматиды каждой хромосомы расходятся в две вновь возникшие клетки. Таким образом, в соматических клетках сохраняется на протяжении всей жизни человека одно и то же число хромосом, и, следовательно, все сомати­ческие клетки генетически идентичны друг другу. Исключе­

ние составляют те соматические клетки, в которых возникли мутации. Митоз принято делить на отдельные стадии (или фазы): профазу, прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу.

В

Интерфаза

Профаза

Веретено

Мета фаза

Телофаза Анафаза

Экваториальная

пластинка

Рис. 8.5. Митоз.

Схематически показано поведение двух хромосом в разных фазах митоза.

профазе хромосомы конденсируются, образуются две центриоли, которые начинают двигаться к противополож­ным полюсам клетки. Начинает также образовываться мито­тическое веретено. Во время прометафазы к центромерам всех хромосом прикрепляются микротрубочки митотическо­го веретена, которые исходят из центриолей. К этому време­ни оболочка ядра исчезает, и хромосомы распределяются по клетке. В метафазе хромосомы выстраиваются в экватори­альной плоскости клетки. Они максимально конденсирова­ны. Хроматиды каждой хромосомы расходятся, оставаясь соединенными в центромере, каждая хромосома напоминает букву «X». В анафазе центромеры всех хромосом продольно делятся и дочерние хроматиды расходятся к противополож­ным полюсам клетки. В телофазе группы хроматид, состав­ляющие теперь полные кариотипы двух будущих клеток, по­крываются ядерной мембраной, делится также цитоплазма клетки, на этом процесс клеточного деления заканчивается

(рис. 8.5). 170

Мейозом называют процесс деления ядер зародышевых клеток при их превращении в гаметы. Мейоз включает два деления клеток, которые называют соответственно мейоз I и мейоз II. Каждое из этих делений формально состоит из тех же стадий, что и митоз: профазы, метафазы, анафазы и тело- фазы. Рассмотрим каждый из мейозов отдельно.

Мейоз I называют также редукционным делением, так как в результате этого деления число хромосом во вновь образую­щихся клетках уменьшается в 2 раза. В профазу I хромосомы уже входят разделенными на хроматиды, которые соединены в центромере. Именно на этой стадии мейоза происходит чрез­вычайно важное событие с точки зрения создания генетиче­ского разнообразия — обмен гомологичными участками несе­стринских хроматид, т.е. хроматид, относящихся к разным па­рам гомологичных хромосом. Данный обмен называют крос- синговером, или рекомбинацией. Профаза I продолжается доста­точно долго, ее принято делить на 5 стадий: лептотену, зиготе - ну, пахитену, диплотену и диакинез. В стадии лептотены хро­мосомы начинают конденсироваться и становятся видимыми. В зиготене пары гомологичных хромосом конъюгируют (спа­риваются) и формируют характерную двойную структуру, ко­торую называют синоптенемальным комплексом. Две конъюги­рованные гомологичные хромосомы называют бивалентом. В пахитене хромосомы становятся короче вследствие большей спирализации. В каждой хромосоме теперь видна продольная щель — хромосома разделяется на хроматиды. Бивалент пред­ставлен 4 хроматидами, расположенными бок о бок друг к другу: несестринские хроматиды бивалента соединяются меж­ду собой в некоторых точках, образуя так называемые хиазмы. Хиазмы являются цитологическим проявлением обменов ге­нетическим материалом между гомологичными хромосомами. Эти обмены в формальной генетике называют кроссинговером. Каждая хиазма соответствует одному событию кроссинговера. По-видимому, кроссинговер происходит за счет механизма разрыва и последующего крестообразного соединения несест­ринских хроматид в гомологичных участках. Кроссинговер осуществляется с очень большой точностью, поэтому ни одна из хроматид не теряет и не приобретает генов. Более того, если кроссинговер происходит в последовательности одного гена, то не теряется и не приобретается ни один нуклеотид в хроматидах, обменивающихся участками гомологичной ДНК. Молекулярные события во время кроссинговера представляются следующим образом. Обе нити ДНК одной из несестринских хроматид разрезаются (двунитевой разрыв). Специальный фермент откусывает примерно 600—800 нуклеотидов с 5’-кон- ца от разрыва в каждой из нитей. В результате образуется два

Разрезание обеих нитей ДНК одной из несестринских хроматид

15* 13'

3‘

5’

3’

5’

"Выкусывание" 600- 800 нуклеотидов с 5'-конца £■

3‘1

'3*

от разреза каждой нити

Хроматида 2

! у Хроматида 1 11', Хроматида 2

Хроматида 1

Хроматида 1 Хроматида 2

Рис. 8.6. Кроссинговер и генетическая рекомбинация в мейозе.

3

I' Хроматида 1 Хроматида 2

Разрезание

4

t

Разрезание

Хроматида 1 % Хроматида 2

’-«хвоста» однонитевой ДНК. Один из хвостов вставляется между двумя нитями ДНК второй несестринской хроматиды. Этот хвост находит комплементарную последовательность нуклеотидов в одной из нитей несестринской хроматиды и спаривается с ней. Смещенная нить ДНК второй хроматиды спаривается со вторым З’-хвостом хроматиды 1. Синтез ДНК заполняет обе бреши, используя в качестве матрицы обе нити хроматиды 2. Затем все нити разрезаются и разрезанные кон­цы одной нити лигируются (ковалентно соединяются) с разре­занными концами второй хроматиды. В результате несестрин­ские хроматиды обмениваются плечами, кроссинговер на этом завершается (рис. 8.6).

В диплотене гомологичные хромосомы начинают расходи­ться, удерживаясь только в тех точках, где наблюдаются хиаз­мы. Хиазм образуется больше в крупных хромосомах, всего же на одну гамету приходится примерно 40 кроссинговеров. Некоторые исследователи считают, что отсутствие хиазм в биваленте является фактором, предрасполагающим к нерас- хождению хромосом. В диакинезе хромосомы максимально конденсируются по мере их расхождения, гомологичные хро­

мосомы продолжают удерживаться хиазмами, которые сдви­гаются дистально.

В метафазе I исчезает ядерная оболочка и хромосомы рас­пределяются в экваториальной плоскости клетки. К центро­мерам прикрепляются нити веретена, как в митозе, и начина­ют оттягивать их к полюсам клетки. В анафазе / завершается терминализация хиазм, т.е. они перемещаются к концам хро­мосом и исчезают. Гомологичные хромосомы перемещаются к противоположным полюсам за счет сокращения нитей ве­ретена. В результате в телофазе I у полюсов клетки собира­ются гаплоидные наборы хромосом и зародышевая клетка, завершая деление, дает начало двум новым дочерним клет­кам, которые в сперматогенезе называют вторичными сперма- тоцитами, а в оогенезе — ооцитами.

Мейоз II по механизму сходен с обычным митозом, но ми- тотически делится удвоенный гаплоидный набор хромосом (рис. 8.7). В результате второго мейотического деления образу­ются в мужском гаметогенезе 2 сперматиды, а в женском гаме- тогенезе — яйцеклетка, так как из второй дочерней клетки об­разуется так называемое направительное тельце (рис. 8.8).

Мейоз объясняет многие генетические феномены, в том числе менделевские правила наследования. Во-первых, в ре­зультате мейоза образуются половые клетки, содержащие гаплоидный набор хромосом, поэтому ребенок получает от каждого из родителей половину его набора хромосом и вклад каждого родителя в генотип ребенка одинаков. Во-вторых, в мейозе I биваленты расходятся независимо друг от друга к разным полюсам клетки, что объясняет независимое насле­дование признаков, если их гены находятся в разных хромо­сомах. Вероятность того, что две гаметы индивидуума будут содержать набор одинаковых хромосом, составляет всего 1x2 , т.е. весьма низкая. В-третьих, в результате кроссинго­вера каждая хроматида содержит ДНК, которая происходит из хромосом обоих родителей. Вследствие этого вероятность генетической идентичности гамет практически сводится к нулю, и это является основой генетической индивидуально­сти человека на хромосомном уровне.

Гаметогенез. Гаметогенез отличен у мужчин и женщин и поэтому его нарушения у разных полов обусловливают раз­личные клинические последствия. У мужчин к моменту по­лового созревания сперматогонии проходит приблизительно 30 митотических делений. Теперь клетки, возникающие при делении сперматогониев, начинают созревать, превращаются в первичные сперматоциты и входят в мейоз I. В результате из первичных сперматоцитов возникают гаплоидные вторичные сперматоциты. Вторичные сперматоциты проходят мейоз II и превращаются в сперматиды, которые, созревая, теряют большую часть цитоплазмы, но приобретают хвост и превра-

Премейотический

Лептотена

митоз

Зиготена

Рис. 8.7. Мейоз I и II.

Отцовские хромосомы окрашены в черный цвет, материнские — в белый. Изображен мейоз у мужчины (из: Ф.Фогель, А.Мотульски. Генетика челове­ка. - М.: Мир, 1989. - Т. 1. - С. 55).

щаются в зрелые сперматозоиды. Таким образом, сперматоге­нез отличает большое количество митотических делений. Сперматогонии ежегодно делятся около 25 раз. При таком большом числе делений и репликаций ДНК соответственно резко возрастает вероятность возникновения ошибок репли­каций (или мутаций), что объясняет преимущественное про­исхождение мутаций в генах у мужчин.

Оогенез протекает иначе. В первые несколько месяцев эмбриональной жизни зародышевые клетки в результате 20—

Рис. 8.8. Мейоз в женских половых клетках.

И

Полярное

тельце

зображено поведение толь­ко одной пары хромосом. Первое мейотическое деление является редукционным. За­вершается мейоз в ооците по­сле оплодотворения.

Первичный ооцит

3

Мейоз

Вторичный

ооцит

0 митотических де­лений превращаются в оогонии. Начиная с плодного развития жен­ского зародыша, оого­нии превращаются в первичные ооциты, ко­торые входят в мейоз I.

К

Мейоз II

Яйцеклетка

моменту рождения женского плода прекра­щается созревание пер­вичных ооцитов и про­хождение ими мейоза.

М

Оплодотворение

+

Зигота

ейоз I завершается только к моменту ову­ляции, и в результате из первичного ооцита об­разуются вторичный ооцит и полярное тель­це, которое содержит ядро, окруженное небо­льшим количеством ци­топлазмы. Вторичный ооцит увеличивает объ­ем цитоплазмы и коли­чество клеточных орга- нелл и вступает в мейоз II, который завершает­ся после оплодотворе­ния. В результате мейо­за II образуется еще одно полярное тельце, а зрелая оплодо­творенная яйцеклетка образует зиготу (см. рис. 8.8).

Многие исследователи полагают, что очень длительный интервал между началом мейоза и его завершением в ооге- незе является причиной возникновения многих хромосом­ных мутаций преимущественно в гаметогенезе матерей. Старение первичного ооцита может обусловить нарушение процессов репарации, последующего образования веретена и др.

В этом разделе мы рассмотрим типы хромосомных мута­ций и механизмы их возникновения.

Различают два основных типа хромосомных мутаций: чис­ленные хромосомные мутации и структурные хромосомные мутации. В свою очередь численные мутации делятся на ан- эуплоидии, когда мутации выражаются в утрате или появлении дополнительной одной либо нескольких хромосом, и полипло­идии, когда увеличивается число гаплоидных наборов хромо­сом. Потерю одной из хромосом называют моносомией, а воз­никновение дополнительного гомолога у любой пары хромо­сом — трисомией. Структурные хромосомные мутации пред­ставлены транслокациями (реципрокными и робертсоновски­ми), делециями, инсерциями, инверсиями (парацентрически­ми и перицентрическими), кольцами и изохромосомами.