Кариотип человека

Содержание.

Введение................................................... 1

Глава 1. Митотические хромосомы.............................. 2

Глава 2. Мейотические хромосомы.............................. 5

Глава 3. Цитогенетический метод.............................. 13

Глава 4. Половой хроматин.................................. 20

Глава 5. Мозаицизм......................................... 23

Введение.

Одним из ключевых вопросов генетики человека является вопрос о строении и функционировании материальных осВннов наследственности. Сведения по каждому из трех уровВнней организации наследственных структур (генному, хроВнмосомному, геномному) накапливаются в последние годы с удивительной быстротой, и можно надеяться, что недалеВнко то время, когда будет составлена довольно цельная картина наследственности человека. Уже и сейчас по этоВнму вопросу человека можно отнести к числу наилучшим образом изученных объектов наряду с дрозофилой, мышью, кукурузой.[1]

Для правильного понимания значения наследственноВнсти в патологии человека необходимо иметь подробные сведения по трем частично взаимосвязанным разделам:

1) по морфологическому и химическому строению хромоВнсом и кариотипа в целом; 2) по дискретным признакам человека, контролируемым единичными генами (ВлинвентаВнризацияВ» единиц наследственной изменчивости); 3) по ВларВнхитектоникеВ» генов в хромосомах (сцепление генов и карВнты хромосом). По каждому из этих разделов накоплено много данных, их интенсивная разработка продолжается как в теоретическом, так и прикладном (клиническом) асВнпектах.

Принципы и основные разделы общей цитогенетики сформировались в течение 20-х и 30-х годов в основном благодаря исследованиям, проведенным на дрозофиле и неВнкоторых растениях. Цитогепетика человека и млекопитаюВнщих, занимающая ведущее место в современой цитогенетике, развилась позже, главным образом в связи с методиВнческими трудностями.

Историю развития цитогенетики человека можно разВнделить на три периода. Первый охватывает период с прошВнлого века до середины 50-х годов и имеет сейчас сугубо исторический интерес. Это были поиски методических подВнходов к получению препаратов хромосом человека замеВнчательными своей настойчивостью и трудолюбием цитологами того времени (А. Г. Андрес, 1934). Хотя нашими цитогенетиками А. Г. Андресом и М. С. Навашиным были правильно описаны первые 10 пар крупных хромосом, одВннако не было достоверно установлено даже общее число хромосом в клетках человека. Неизвестной оставалась такВнже их морфология.

Второй период, начало которому было положено рабоВнтой Tjio и Levan в 1956 г., характеризовался возникновеВннием и бурным развитием современной цитогенетики челоВнвека. Довольно быстро были разработаны все основные меВнтодические приемы хромосомного анализа, получены фунВндаментальные сведения о кариотипе человека, об основных особенностях строения и функционирования его нормальВнных хромосом. Именно в этот период зародилась медицинВнская цитогенетика, которая открыла новую область патоВнлогии человека, обусловленную изменением числа или структуры хромосом.

Третий период развития цитогенетики человека начался в 70-х годах. Его по праву можно считать началом совреВнменного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. Ряд методических нововведеВнний обеспечили переход цитогенетики на качественно иной уровень. Реализовалась возможность изучения индивидуВнальности хромосом человека и даже их участков. Это сраВнзу подняло на новый уровень медицинскую цитогенетику. Стало возможным исследовать комплексно морфологию, функцию, химические особенности строения и надмолеку-лярную организацию хромосом человека. Развитие в эти же годы методов генетического картирования хромосом чеВнловека обеспечило решение самой сложной задачи тАФ созВндание генетических карт хромосом.

Таким образом, современная цитогенетика человека представляет собой богатую фактическим материалом, разВнветвленную самостоятельную область генетики человека. В настоящее время задача идентификации всех элеменВнтов человеческого кариотипа при анализе на стадии митоВнза решена на основе применения дифференциальных окВнрасок хромосом.

Хромосомы как индивидуальВнные структуры становятся доступными для исследоваВнния после значительного укоВнрочения и утолщения, котоВнрые они испытывают в период подготовки клетки к делеВннию. Для соматических клеток таким делением является митоз, для генеративных тАФ сначала митоз, а затем мейоз.

Глава 1. Митотические хромосомы.

Основные сведения о хромоВнсомном наборе человека в целом и об индивидуальных хромосомах получены в результате изучения хромосом в метафазе митоза. На этой стадии митоза отчетливо видно, что диплоидный набор хромосом человека состоит из 46 элементов: 22 пар аутосом и одной пары половых хромоВнсом (XX у женщин и XY у мужчин). На стандартно окрашенных препаратах форма метафазных хромосом опВнределяется местоположением первичной перетяжки, котоВнрая формируется благодаря деконденсации функционируюВнщего в метафазе центромерного района. В отдельных хроВнмосомах могут существовать дополнительные перетяжки, называемые вторичными. В случае локализации такой перетяжки на конце хромосомы отделяемый ею дистальный участок хромосомы называется спутником.

По форме и общим размерам все аутосомы человека легВнко подразделяются на 7 групп, обозначаемых латинскими буквами от А до G (рис. 8). Помимо этого, все аутосомы в порядке уменьшения общей длины нумеруются (от 1 до 22).

Длина одной и той же хромосомы в митозе значительно варьирует, поскольку и в стадии метафазы продолжается процесс естественной конденсации хромосомы, который значительно усиливается колхицином. Поэтому для идентификации служит показатель относительной, а не абсолютВнной длины хромосомы. Однако его надежность ограничиваВнется тем, что хромосомы обладают разной длиной, а в данВнной хромосоме плечи разных размеров сокращаются неодинаково: укорочение более длинных происходит быстВнрее по сравнению с короткими. Это не отражается на укаВнзанной выше групповой характеристике, но препятствует идентификации близких по размеру и форме хромосом внутри групп. Затруднения в индивидуальной идентификаВнции хромосом усиливаются также тем, что дифференциальВнная конденсация может иметь место и между гомологичными хромосомами, обусловливая гетероморфизм гомолоВнгов. В настоящее время потребность в использовании метода морфометрии и определяемых с ее помощью линейВнных параметров хромосомы фактически отпала в связи с введением в практику хромосомного анализа дифференциВнальных окрасок хромосом.[2]

Анализ спонтанных вторичных перетяжек, включая спутничные, заметно не облегчает распознавание отдельВнных хромосом. С их помощью наиболее регулярно можно выделить аутосому 9, часто обладающую значительной пеВнретяжкой в околоцентромерном районе длинного плеча. Спутничной перетяжкой обладают все десять акроцентрических хромосом человека, a D- или G-хромосомы по этоВнму признаку в пределах групп не различаются.

Морфологическая однородность хромосомы по длине, как она вырисовывается при микроскопическом изучении метафазных хромосом на рутинно приготовленных и окВнрашенных препаратах, на самом деле оказывается обманВнчивой. Методический прогресс в цитогенетике человека и высших эукариотов в целом, который имел место на проВнтяжении последних 15тАФ20 лет, привел к открытию глубоВнкой линейной дифференцированности хромоВнсомы в отношении и структуры, и функции. Эта дифференцированность, индивидуальная для каждой хромосомы, сравнительно легко выявляется в метафазе митоза. БлаВнгодаря этому в современной цитогенетике человека можно идентифицировать все хромосомы не по отдельным и слуВнчайным признакам, а по существенным сторонам их струкВнтурно-функциональной организации. В практике цитогенетического анализа с этой целью .исследуют дифференциВнальную конденсацию хромосом, хронологию репликации ДНК в хромосомах или дифференциальную окрашиваемость хромосом (А. Ф. Захаров, 1977).

Дифференциальность конденсации участВнков хромосомы тАФ одна из существенных ее характеристик, наиболее полно выраженная в интерфазном ядре. В естественных условиях течения митоза хромосомные участки, резко различающиеся по степени конденсации в период интерфазы, в метафазе выглядят практически одиВннаково. Лишь при специальных способах световой или электронной микроскопии удается обнаружить неоднородВнную линейную структуру внешне гомогенной метафазной

хромосомы (Bahr, Larsen, 1974). Выравнивание циклов конденсации в разных участках хромосом можно затормоВнзить искусственно. С этой целью особенно успешно приВнменяется 5-бромдезоксиуридин (А. Ф. Захаров, 1973, 1977;

Dutrillaux, Lejeune, 1975). В присутствии этого вещества хромосомы вступают в метафазу неравномерно уплотненВнными по своей длине. В результате тщательного изучения их морфологии показано, что каждая хромосома человека имеет строго постоянное и специфическое чередование норВнмально и слабо конденсированных участков и по этому признаку может быть идентифицирована.

Внутрихромосомная асинхронность репликаВнции ДНК является второй важнейшей чертой линейной неоднородности хромосомы, которая может быть выявлена в метафазе митоза. В течение полутора десятков лет эта черта хромосомной организации была доступна изучению методом радиоавтографии хромосом (под ред. А. А. Прокофьевой-Бельговской, 1969; А. Ф. Захаров, 1977; Giannelli, 1970, 1974). На основе этого метода были вскрыты принВнципиальные закономерности репродукции хромосом челоВнвека, среди которых асинхронность репродукции разных участков хромосомы, постоянство и специфичность порядВнка репродукции для данной хромосомы являются важнейВншими. Однако идентификацию индивидуальных хромосом радиоавтография продвинула меньше, чем этого ожидали. На радиоавтографах дополнительно удается различить аутосомы 4 и 5, 13, 14 и 15, 17 и 18. В женских клетках одна из двух Х-хромосом отличается поздним началом и поздним окончанием синтеза ДНК. Несмотря на ограниВнченность данных, получаемых методом радиоавтографии, этот прием оказался исключительно полезным в улучшеВннии идентификации аномалий указанных хромосом и поВнмог в выделении нескольких новых самостоятельных синдВнромов в хромосомной патологии.

Существенный прогресс в изучении последовательности синтеза ДНК по длине каждой хромосомы человека в норВнме, ее взаимосвязи с другими характеристиками хромосомВнной организации, ее состояния в случаях численных или структурных изменений в хромосомном наборе происхоВндит в настоящее время благодаря использованию в качестВнве предшественника синтеза ДНК аналога тимидина тАФ 5-бромдезоксиуридина. Ослабленная способность к окрашиванию участков хромосомы, включивших этот предшестВнвенник, вооружила цитогенетиков точным методом изучеВнния хронологии хромосомной репродукции, возможности которого лимитируются лишь разрешающей способностью световой микроскопии. Репликационная структура всех хромосом человека выявляется с предельной ясностью, и она может быть описана в четких морфологических термиВннах.

Каждая хромосома состоит из участков, реплицирующихся в разное время. Имеется четкое чередование районов с ранней и поздней репликацией. В метафазной хромосоме

такие участки хорошо различимы с помощью светового миВнкроскопа. Специфичность репликационной структуры кажВндой хромосомы складывается из индивидуальности размеВнров, числа и взаимного расположения различающихся хроВнмосомных районов (рис. 9).

В отличие от изложенных выше двух феноменов неравВнномерного окрашивания хромосом по длине, вызванного включением в ДНК 5-бромдезоксиуридина, под дифВнференциальной окрашиваемостью хромоВнсом подразумевается способность к избирательному окраВншиванию по длине хромосомы, не модифицированной прижизненно какими-либо возВндействиями. ДифференциальВнное окрашивание хромосом в этом случае обеспечивается сравнительно простыми температурно-солевыми воздейВнствиями на фиксированную хромосому.

Важно отметить, что при всем разнообразии подобных обработок хромосомных преВнпаратов после фиксации и применяемых флуорохромных или нефлуоресцирующих красителей выявляемая лиВннейная неоднородность хроВнмосомы всегда одна и та же. Ее рисунок меняется только в зависимости от степени упВнлотненности хромосомы: в боВнлее длинных, слабее сокраВнщенных хромосомах станоВнвится заметной дальнейшая неоднородность тех сегменВнтов, которые выглядели гомоВнгенно окрашенными в сильВнно конденсированных хромоВнсомах. Дифференциальное окВнрашивание может наблюдатьВнся либо по всей длине хромоВнсомы (Q-, G- и R-сегменты), либо в ее центромерном райВноне (С-сегменты).

Наиболее ясное представлеВнние о рисунке дифференциВнального окрашивания хромоВнсом по всей длине можно получить при окраске препаратов по G-методике, используя краситель Гимзы (рис. 10). На таких препаратах хромосомы выглядят поперечно исчерВнченными, по-разному окрашенными сегментами (ВлbanВнdingВ»). Рисунок каждой пары хромосом является специВнфичным для нее. Размеры сегментов неодинаковые. В мелВнких хромосомах групп F и G рисунок образуется единичВнными сегментами, в крупных хромосомах их много. Общее количество окрашенных и неокрашенных сегментов в норВнмальном хромосомном наборе средней степени конденсаВнции, в соответствии с Парижской номенклатурой, равно 322. В прометафазных хромосомах их число увеличиваВнется до 1000 и более.

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

Независимо от того, как решается вопрос о природе дифВнференциальной окрашиваемости хромосом, основанные на этом феномене цитологические карты имеют исключительВнное 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 хромоВнсом 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 разВнличных процессов, в ходе которых первичные зародышеВнвые клетки дифференцируются в зрелые половые клетки. В начале этой серии сперматогонии (оогонии) превращаВнются в первичные сперматоциты (ооциты). Центральным событием является первое мейотическое деление сперматоцита (ооцита), в ходе которого хромосомы испытывают особенно сложные специфические преобразования в периВнод 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 исВнпользуется, профазные хромосомы первого мейотического деления представляют очень большой интерес для цитоге-нетики человека. Метафазные хромосомы первого мейотиВнческого 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: периВнод онтогенеза, продолжительность отдельных фаз, морфолоВнгия митотических преобразований.

У мужчин мейотические деления начинаются в периВнод полового созревания и протекают непрерывно на проВнтяжении всего последующего половозрелого состояния. Этот процесс в отличие от женского мейоза не носит циВнклического характера. В семенниках одновременно созреваВнет большое количество гамет, поэтому гонады половозрелоВнго мужчины могут служить источником мейотически деляВнщихся клеток в любой момент. На хромосомных препаратах одновременно удается видеть различные мейоВнтические фигуры, от сперматогониальных метафаз до ме-тафаз второго мейотического деления. Продолжительность преобразований от сперматогоний до сперматозоидов заниВнмает около 8тАФ9 нед. Длительность отдельных стадий весьВнма 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, разВнделенных большим промежутком времени. Первый этап, включающий формирование оогоний и прохождение перВнвого мейотического деления, проходит в эмбриональных яичниках. К моменту рождения девочки в яичниках все оогоний дифференцированы в ооциты, а последние прошли стадии лептотены тАФ пахитены и остановились в стадии диплотены. Пребывание в этой стадии, получившей назваВнние диктиотены, продолжается весь постнатальный период жизни женщины. Последующее развитие клетки из стаВндии диктиотены в зрелую яйцеклетку происходит циклиВнчески, по одной клетке ежемесячно, и заканчивается овуВнляцией. Изложенное объясняет, почему ранние стадии перВнвого мейотического деления у женщины можно анализироВнвать лишь в раннем эмбриональном периоде, а последуюВнщие стадии в обычных условиях изучению недоступны.

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

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

В идентификации пахитенных бивалентов с определенВнным успехом применены С- и Q-методы дифференциальВнной окраски (Goetz, 1975). Обнаружено полное совпадение между рисунками G-окрашивания и хромомерным строеВннием пахитенных хромосом, а также между рисунками окВнрашенных по G-методу мейотических и митотических хроВнмосом (Luciani e. a., 1975).

Хромосомная конъюгация и образование хиазм. ИсслеВндование диакинеза тАФ метафазы I мейоза в клетках мужВнчин показало, что гомологичная конъюгация является обяВнзательной 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 проВнпорциональна длине хромосомы. На нее не влияют численВнные или структурные нарушения в других хромосомах. По-видимому, хиазмы формируются в определенных райоВннах каждой хромосомы. Выяснение числа и локализации хиазм в каждой хромосоме имеет важное значение при их генетическом картировании.

Идентификация хромосомных аномалий. Явление конъВнюгации гомологичных хромосом в мейозе используется для индентификации многих хромосомных перестроек, заВнтрагивающих линейную структуру хромосомы. Делеции, вставки, инверсии, реципрокные транслокации, дуплика-ции приводят к изменению конфигурации бивалента. ВозВнникают униваленты, триваленты и т. д. В сочетании с анализом митотических хромосом исследование морфолоВнгии 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 недостаВнточно. Если о строении хромосомы на уровне световой микроскопии и о молекулярном строении наследственноВнго материала в настоящее время накоплена обширная информация, то промежуточные ступени ультраструктурВнной организации хромосомы остаются в основном неизВнвестными. Нет пока никаких фактических предпосылок ставить вопрос о возможной специфике ультраструктурВнной 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 Влламповых щетокВ», обнаруживающихся в ооцитах амфибий в мейотической профазе I. Большие размеры этих хромосом позволили провести тщательное их изучение под световым микроВнскопом. В результате этих исследований сформулироваВнны положения, которые рассматриваются как принципиВнальные для организации хромосом эукариотов в целом (И. И. Кикнадзе, 1972).

В интерфазном ядре хромосомные районы, соответстВнвующие эухроматину, имеют хромомерное строение. Каждая хромомера является структурной и функциональВнной единицей хромосомы как продольно дифференцироВнванной органеллы. Дифференциальная транскрипция этих единиц структурно обеспечивается деконденсацией упакоВнванного в ней дезоксирибонуклеопротеида, что выражается в форме пуфов в политенных хромосомах, или петель в хромосомах типа Влламповых щетокВ».

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 осВнновании результатов, полученных этим методом, пока не удалось составить цельного представления об ультраструкВнтуре интерфазного ядра. На электронограммах ультратонВнких срезов основная обнаруживаемая морфологическая единица тАФ это нить в разных сечениях диаметром 10 нм и меньше. На препаратах хроматина, распластываемого на поверхности водного мениска, обнаруживаются протяженВнные нити около 23тАФ25 нм в диаметре.

Несмотря на многочисленные исследования митотических или мейотических хромосом, данные по их ультраВнструктуре, которые позволили бы создать непротиворечиВнвую модель упаковки элементарной хромосомной нити во время клеточного деления, остаются скудными. НаибольВншая информация получена по ультраструктуре специалиВнзированных районов хромосом: центромерного района, ядрышка, синаптонемального комплекса в мейотическпх хромосомах. Данные электронной микроскопии целых изоВнлированных хромосом использованы для их идентификаВнции, при этом специальное внимание уделено метафазным хромосомам человека (Bahr, Larsen, 1974). Этот метод поВнзволил 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 хроВнмосом имеют размер порядка 25тАФ30 нм. Биохимическое исследование таких фибрилл и соответствующие расчеты дают основание заключить, что молекулы нуклеопротеидов находятся в них в сверхскрученном состоянии и что, кроВнме 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.) исклюВнчают необходимость подробного рассмотрения этих вопроВнсов в данной книге. Сравнительно новый молекулярВнный аспект хромосомной организации возВнник в связи с разработкой методов фракционирования тотальной ДНК генома по повторяемости сходных нуклеотидных последовательностей и методов гибридизации нуВнклеиновых кислот на хромосомных препаратах. Эти меВнтоды открыли возможность выяснения локализации разВнных фракций ДНК в хромосомном наборе. Важными находками, полученными в этой новой области, пограничВнной между молекулярной и цитологической генетикой, быВнли: 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) обнаруВнжение неравномерной локализации ДНК с разными харакВнтеристиками в хромосомном наборе: ДНК с наибольшим числом повторяющихся последовательностей локализуется в гетерохроматиновых районах хромосом.

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

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

Методом градиентного ультрацентрифугирования в группе ДНК с высокой повторяемостью последовательноВнстей выделены по крайней мере четыре типа так называеВнмых сателлитных ДНК. Помимо этих видов ДНК, в эксВнпериментах с гибридизацией ДНК тАФ РНК исследована хромосомная локализация ДНК, кодирующая синтез 5S, 18S и 28S рибосомных РНК. В настоящее время распреВнделение разных типов ДНК в хромосомах человека выриВнсовывается 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 индивидуальВнные ДНК распределены в разных хромосомах неравномерВнно. 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 тАФ III. Рибосомная ДНК 18S и 28S заключена почти исключительно в коротВнких плечах всех 10 акроцентрических хромосом. Дистальная часть длинного плеча аутосомы 1 тАФ преимущественное место для пистронов, кодирующих 5S РНК. Не исключена возможность, что методом гибридизации ДНК с РНК in situ 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 геВннов и большая доля генов, регулирующих этот процесс,тАФ должны иметь основой соответствующую структурную орВнганизацию хромосомы. Десятилетия упорного труда цитогенетиков значительно приблизили нас сегодня к понимаВннию того, как в хромосоме взаимодействуют структура и функция, как хромосома осуществляет свою сложную роль интеграции системы генов.

Первая фундаментальная черта структурно-функциоВннальной организации хромосомы состоит в существовании двух разных функциональных типов хромосомного матеВнриала тАФ эухроматина и гетерохроматина.Их основное разВнличие заключается в транскрипционной активности.

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

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

Подразделенность хроматина по генетическому значеВннию 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 нефлуоресциВнрующими красителями; чувствительности к повреждающеВнму действию химических мутагенов; химическим особенВнностям ДНК и, по-видимому, белков, входящих в состав хроматина; фенотипическим проявлениям хромосомных перестроек. Для гетерохроматина характерны конденсироВнванное состояние в интерфазном ядре, опережающая конВнденсация в профазе митоза и мейоза, возможность отстаВнвать в конденсации спонтанно или под влиянием некотоВнрых воздействий в метафазе митоза. По сравнению с эухроматином гетерохроматиновые районы хромосом реВнпродуцируются в более поздние отрезки S-периода. При дифференциальной окраске по G- и С-методике гетерохроВнматиновые сегменты сохраняют способность к окрашиваВннию (G-сегменты) и даже усиленно красятся (С-сегменты). В цитогенетике хорошо известна неравномерность распределения по длине хромосомы ее структурных поВнвреждений, индуцируемых мутагенными веществами: поВнвышенной повреждаемостью отличаются именно гетероВнхроматиновые районы. ДНК с неоднократно повторяющиВнмися нуклеотидными последовательностями характерна именно для гетерохроматина. В отличие от эухроматина, содержащего уникальные гены, дисбаланс по которым отВнрицательно отражается на фенотипе организма, изменения в количестве гетерохроматина не влияют или значительно меньше влияют на развитие признаков организма.

Взаимосвязанность различных структурных и функциоВннальных характеристик хромосомы тАФ третья фундаменВнтальная черта хромосомной организации. Вопрос о причинВнно-следственных связях в отмеченном корреляционном комплексе активно исследуется. Ответ должен быть полуВнчен, в частности, на вопрос о том, сводимо ли все разнообраВнзие свойств разных видов хроматина к различиям в химичеВнских особенностях хромосомной ДНК. Однако независимо от прогресса в понимании этих корреляций их феноменоВнлогия служит главным инструментом к познанию струкВнтурно-функциональной расчлененности каждой конкретВнной хромосомы человека. В продольной дифференцированВнности индвидуальных хромосом по плотности конденсации, по окрашиваемости теми или иными красителями, по осоВнбенностям составляющей их ДНК и другим характериВнстикам заложены не формальные признаки идентификаВнции хромосом или их участков, а признаки, имеющие геВннетический смысл. Эта новая область цитогенетики челоВнвека активно развивается, и в сочетании с успехами в картировании хромосом поднимет цитогенетику человека на еще более высокий уровень. Из уже имеющихся по этой проблеме сведений интерес для генетики представляВнют следующие.

Гетерохроматин, окрашивающийся по методике С-окраски, обнаруживается во всех хромосомах человека и наВнзывается структурным гетерохроматином. Во всех аутосомах и Х-хромосоме он занимает, как в большинстве хромосом других биологических видов, околоцентромерный район. В Y-хромосоме он локализуется в дистальной части длинного плеча. В разных хромосоВнмах количество С-гетерохроматина разное. Особенно крупВнные его блоки, распространяющиеся преимущественно на длинные плечи, содержатся в аутосомах 1, 9 и 16; именно эти районы известны в качестве наиболее регулярных вторичных перетяжек. Особенно мелкие блоки этого хроВнматина наблюдаются в аутосоме 2 и в Х-хромосоме. В акроцентрических хромосомах гетерохроматин распростраВнняется на короткие плечи.

По-видимому, в разных хромосомах околоцентромерный гетерохроматин неодинаков, что следует из ряда фактов. Эта разнородность обнаруживается уже по разному оптиВнмуму времени и рН щелочного диапазона, применяющеВнгося в технике С-окраски, при которых С-хроматин появВнляется в разных хромосомах. Неоднородность особенно демонстративна при окрашивании хромосом акрихином или акрихин-ипритом: С-гетерохроматин аутосом 1, 9 и 16 совершенно не флуоресцирует, а гетерохроматин аутосом 3, 4, акроцентрических хромосом и Y-хромосомы светится чрезвычайно ярко. Генетическое значение разнородности С-гетерохроматина человека пока не ясно. Химическая основа этой разнородности начинает проясняться. ЭкспеВнриментами с гибридизацией ДНК с РНК на цитологичеВнских препаратах установлено, что различия гетерохроматина разных хромосом человека могут быть связаны с особенностями структуры ДНК. Во всех случаях это ДНК с повторяющимися нуклеотидными последовательностями, однако в разных хромосомах содержатся, по-видимому, разные классы ДНК. Так, из хорошо охарактеризованных сателлитных ДНК сателлиты I и IV в большом количестве содержатся в Y-хромосоме, сателлит II тАФ в гетерохроматине аутосомы 1 и 16, сателлит III тАФ в гетерохроматине аутосомы 9. Структурный гетерохроматин акроцентричеВнских хромосом тАФ основной носитель рибосомной ДНК.

В полном соответствии с данными общей цитогенетики о слабом отрицательном влиянии дисбаланса по гетерохроматиновому материалу на развитие организма находятся сведения о существовании в человеческой популяции знаВнчительного полиморфизма, обусловленного размерами околоцентромерного гетерохроматина. Особенно сильно варьиВнрует содержание структурного гетерохроматина С-типа в аутосомах 1, 4, 9, 13тАФ15, 16, 21тАФ22 и Y-хромосоме. ОтВнсутствие фенотипических отклонений от нормы у больВншинства носителей таких кариотипических вариантов поВнзволяет рассматривать их как варианты нормы. Однако эта проблема поставлена на повестку дня совсем недавно. Она требует тщательных исследований на большом популяционном материале, прежде чем будут намечены обоснованВнные границы хромосомной нормы, за пределами которой для организма становится не безразличным дисбаланс и по гетерохроматину.

Есть много оснований рассматривать хромосомные райВноны, положительно окрашивающиеся по G-методике, как разновидность структурного гетерохроматина. В пользу этого представления, помимо отношения к красителям, свидетельствуют поздняя репликация этих районов, обраВнзование ими хромомер в профазных мейотических хромоВнсомах, способность отставать в митотической конденсации под влиянием 5-бромдезоксиуридина или холода. Важно отметить, что дисбаланс по аутосомам, особенно богатым G-окрашивающимся хроматином, влечет за собой возникВнновение наименее тяжелых аномалий развития для индиВнвида тАФ носителя такого дисбаланса. Так, именно к этой категории хромосомных аномалий относятся трисомии 13, 18 и 21. Имеются сообщения и о том, что ДНК со средней повторяемостью одинаковых нуклеотидных последовательВнностей локализуется в G-окрашивающихся сегментах хроВнмосом.

Вопросы, которые стоят перед цитогенетикой человека в отношении структуры, локализации и особенно генетиВнчес

Вместе с этим смотрят:

РЖсторiя виникнення та розвитку масажу

Абдоминальная травма

Аборты

Адаптивная физическая культура для детей с детским церебральным параличем

Аденилатциклазный сигнальный механизм