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 основ наследственности. Сведения по каждому из трех уровней организации наследственных структур (генному, хромосомному, геномному) накапливаются в последние годы с удивительной быстротой, и можно надеяться, что недалеко то время, когда будет составлена довольно цельная картина наследственности человека. Уже и сейчас по этому вопросу человека можно отнести к числу наилучшим образом изученных объектов наряду с дрозофилой, мышью, кукурузой.¹

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

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

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

Историю развития цитогенетики человека можно разделить на три периода. Первый охватывает период с прошлого века до середины 50-х годов и имеет сейчас сугубо исторический интерес. Это были поиски методических подходов к получению препаратов хромосом человека замечательными 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, однако не было достоверно установлено даже общее число хромосом в клетках человека. Неизвестной оставалась также их морфология.

Второй период, начало которому было положено работой Tjio и Levan в 1956 г., характеризовался возникновением и бурным развитием современной цитогенетики человека. Довольно быстро были разработаны все основные методические приемы хромосомного анализа, получены фундаментальные сведения о кариотипе человека, об основных особенностях строения и функционирования его нормальных хромосом. Именно в этот период зародилась медицинская цитогенетика, которая открыла новую область патологии человека, обусловленную изменением числа или структуры хромосом.

Третий период развития цитогенетики человека начался в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. Ряд методических нововведений обеспечили переход цитогенетики на качественно иной уровень. Реализовалась возможность изучения индивидуальности хромосом человека и даже их участков. Это сразу 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 человека обеспечило решение самой сложной задачи -- создание генетических карт хромосом.

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

Хромосомы как индивидуальные структуры становятся доступными для исследования после значительного укорочения и утолщения, которые они испытывают в период подготовки клетки к делению. Для соматических клеток таким делением является митоз, для генеративных -- сначала митоз, а затем мейоз.

Глава 1. Митотические хромосомы.

Основные сведения о хромосомном 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 хромосом (XX у женщин и XY у мужчин). На стандартно окрашенных препаратах форма метафазных хромосом определяется местоположением первичной перетяжки, которая формируется благодаря деконденсации функционирующего в метафазе центромерного района. В отдельных хромосомах 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 легко 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 абсолютной длины хромосомы. Однако его надежность ограничивается тем, что хромосомы обладают разной длиной, а в данной хромосоме плечи разных размеров сокращаются неодинаково: укорочение более длинных происходит быстрее по сравнению с короткими. Это не отражается на указанной выше групповой характеристике, но препятствует идентификации близких по размеру и форме хромосом внутри групп. Затруднения в индивидуальной идентификации хромосом усиливаются также тем, что дифференциальная конденсация может иметь место и между гомологичными хромосомами, обусловливая гетероморфизм гомологов. В настоящее время потребность в использовании метода морфометрии и определяемых с ее помощью линейных параметров хромосомы фактически отпала в связи с введением в практику хромосомного анализа дифференциальных окрасок хромосом.²

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

Морфологическая однородность хромосомы по длине, как она вырисовывается при микроскопическом изучении метафазных хромосом на рутинно приготовленных и окрашенных препаратах, на самом деле оказывается обманчивой. Методический прогресс в цитогенетике человека и высших эукариотов в целом, который имел место на протяжении последних 15--20 лет, привел к открытию глубокой линейной дифференцированности хромосомы в отношении и структуры, и функции. Эта дифференцированность, индивидуальная для каждой хромосомы, сравнительно легко выявляется в метафазе митоза. Благодаря этому в современной цитогенетике человека можно идентифицировать все хромосомы не по отдельным и случайным признакам, а по существенным сторонам их структурно-функциональной организации. В практике цитогенетического анализа с этой целью .исследуют дифференциальную конденсацию хромосом, хронологию репликации ДНК в хромосомах или дифференциальную окрашиваемость хромосом (А. Ф. Захаров, 1977).

Дифференциальность конденсации участков хромосомы -- 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 одинаково. Лишь при специальных способах световой  или электронной микроскопии удается обнаружить неоднородную линейную структуру внешне гомогенной метафазной

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

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

Внутрихромосомная асинхронность репликации 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 принципиальные закономерности репродукции хромосом человека, среди которых асинхронность репродукции разных участков хромосомы, постоянство и специфичность порядка репродукции для данной хромосомы являются важнейшими. 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 ограниченность данных, получаемых методом радиоавтографии, этот прием оказался исключительно полезным в улучшении идентификации аномалий указанных хромосом и помог в выделении нескольких новых самостоятельных синдромов в хромосомной патологии.

Существенный прогресс в изучении последовательности синтеза ДНК по длине каждой хромосомы человека в норме, ее взаимосвязи с другими характеристиками хромосомной организации, ее состояния в случаях численных или структурных изменений в хромосомном наборе происходит в настоящее время благодаря использованию в качестве предшественника синтеза ДНК аналога тимидина -- 5-бромдезоксиуридина. Ослабленная способность к окрашиванию участков хромосомы, включивших этот предшественник, вооружила цитогенетиков точным методом изучения 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 терминах.

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 микроскопа. Специфичность репликационной структуры каждой хромосомы складывается из индивидуальности размеров, числа и взаимного расположения различающихся хромосомных районов (рис. 9).

В отличие от изложенных выше двух феноменов неравномерного окрашивания хромосом по длине, вызванного включением в ДНК 5-бромдезоксиуридина, под дифференциальной окрашиваемостью хромосом подразумевается способность к избирательному окрашиванию по длине хромосомы, не модифицированной прижизненно какими-либо воздействиями. Дифференциальное окрашивание хромосом в этом случае обеспечивается сравнительно простыми температурно-солевыми воздействиями на фиксированную хромосому.

Важно отметить, что при всем разнообразии подобных обработок хромосомных препаратов после фиксации и применяемых флуорохромных или нефлуоресцирующих красителей выявляемая линейная неоднородность хромосомы всегда одна и та же. Ее рисунок меняется только в зависимости от степени уплотненности хромосомы: в более длинных, слабее сокращенных хромосомах становится заметной дальнейшая неоднородность тех сегментов, которые выглядели гомогенно окрашенными в сильно конденсированных хромосомах. Дифференциальное окрашивание может наблюдаться либо по всей длине хромосомы (Q-, G- и R-сегменты), либо в ее центромерном районе (С-сегменты).

Наиболее ясное представление о рисунке дифференциального окрашивания хромосом по всей длине можно получить при окраске препаратов по G-методике, используя краситель Гимзы (рис. 10). На таких препаратах хромосомы выглядят поперечно исчерченными, по-разному окрашенными сегментами («banding»). Рисунок каждой пары хромосом является специфичным для нее. Размеры сегментов неодинаковые. В мелких хромосомах групп F и G рисунок образуется единичными сегментами, в крупных хромосомах их много. Общее количество окрашенных и неокрашенных сегментов в нормальном хромосомном наборе средней степени конденсации, в соответствии с Парижской номенклатурой, равно 322. В прометафазных хромосомах их число увеличивается до 1000 и более.

На Парижской конференции по номенклатуре в цитогенетике человека была разработана и в настоящее время вошла в практику цитогенетического анализа система обозначения 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 дифференциальной окрашиваемости хромосом, основанные на этом феномене цитологические карты имеют исключительное 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 хромосом 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 различных процессов, в ходе которых первичные зародышевые клетки дифференцируются в зрелые половые клетки. В начале этой серии сперматогонии (оогонии) превращаются в первичные сперматоциты (ооциты). Центральным событием является первое мейотическое деление сперматоцита (ооцита), в ходе которого хромосомы испытывают особенно сложные специфические преобразования в период 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 используется, профазные хромосомы первого мейотического деления представляют очень большой интерес для цитоге-нетики человека. Метафазные хромосомы первого мейотического 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: период онтогенеза, продолжительность отдельных фаз, морфология митотических преобразований.

У мужчин мейотические деления начинаются в период полового созревания и протекают непрерывно на протяжении всего последующего половозрелого состояния. Этот процесс в отличие от женского мейоза не носит циклического характера. В семенниках одновременно созревает большое количество гамет, поэтому гонады половозрелого мужчины могут служить источником мейотически делящихся клеток в  любой момент. На хромосомных препаратах одновременно удается видеть различные мейотические фигуры, от сперматогониальных метафаз до ме-тафаз второго мейотического деления. Продолжительность преобразований от сперматогоний до сперматозоидов занимает около 8--9 нед. Длительность отдельных стадий весьма 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