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.