Реферат: Одним из ключевых вопросов генетики человека является вопрос о строении и функционировании материальных ос­нов наследственности





Содержание.


Глава 1. Митотические хромосомы. 3

Глава 2. Мейотические хромосомы. 6

Глава 3. Цитогенетический метод. 14

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

В женском организме мейоз протекает в два этапа, раз­деленных большим промежутком времени. Первый этап, включающий формирование оогоний и прохождение пер­вого мейотического деления, проходит в эмбриональных яичниках. К моменту рождения девочки в яичниках все оогоний дифференцированы в ооциты, а последние прошли стадии лептотены — пахитены и остановились в стадии диплотены. Пребывание в этой стадии, получившей назва­ние диктиотены, продолжается весь постнатальный период жизни женщины. Последующее развитие клетки из ста­дии диктиотены в зрелую яйцеклетку происходит цикли­чески, по одной клетке ежемесячно, и заканчивается ову­ляцией. Изложенное объясняет, почему ранние стадии пер­вого мейотического деления у женщины можно анализиро­вать лишь в раннем эмбриональном периоде, а последую­щие стадии в обычных условиях изучению недоступны.

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

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

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

^ Хромосомная конъюгация и образование хиазм. Иссле­дование диакинеза — метафазы I мейоза в клетках муж­чин показало, что гомологичная конъюгация является обя­зательной 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 про­порциональна длине хромосомы. На нее не влияют числен­ные или структурные нарушения в других хромосомах. По-видимому, хиазмы формируются в определенных райо­нах каждой хромосомы. Выяснение числа и локализации хиазм в каждой хромосоме имеет важное значение при их генетическом картировании.

^ Идентификация хромосомных аномалий. Явление конъ­югации гомологичных хромосом в мейозе используется для индентификации многих хромосомных перестроек, за­трагивающих линейную структуру хромосомы. Делеции, вставки, инверсии, реципрокные транслокации, дуплика-ции приводят к изменению конфигурации бивалента. Воз­никают униваленты, триваленты и т. д. В сочетании с анализом митотических хромосом исследование морфоло­гии 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 недоста­точно. Если о строении хромосомы на уровне световой микроскопии и о молекулярном строении наследственно­го материала в настоящее время накоплена обширная информация, то промежуточные ступени ультраструктур­ной организации хромосомы остаются в основном неиз­вестными. Нет пока никаких фактических предпосылок ставить вопрос о возможной специфике ультраструктур­ной 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 “ламповых щеток”, обнаруживающихся в ооцитах амфибий в мейотической профазе I. Большие размеры этих хромосом позволили провести тщательное их изучение под световым микро­скопом. В результате этих исследований сформулирова­ны положения, которые рассматриваются как принципи­альные для организации хромосом эукариотов в целом (И. И. Кикнадзе, 1972).

В интерфазном ядре хромосомные районы, соответст­вующие эухроматину, имеют хромомерное строение. Каждая хромомера является структурной и функциональ­ной единицей хромосомы как продольно дифференциро­ванной органеллы. Дифференциальная транскрипция этих единиц структурно обеспечивается деконденсацией упако­ванного в ней дезоксирибонуклеопротеида, что выражается в форме пуфов в политенных хромосомах, или петель в хромосомах типа “ламповых щеток”.

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 ос­новании результатов, полученных этим методом, пока не удалось составить цельного представления об ультраструк­туре интерфазного ядра. На электронограммах ультратон­ких срезов основная обнаруживаемая морфологическая единица — это нить в разных сечениях диаметром 10 нм и меньше. На препаратах хроматина, распластываемого на поверхности водного мениска, обнаруживаются протяжен­ные нити около 23—25 нм в диаметре.

Несмотря на многочисленные исследования митотических или мейотических хромосом, данные по их ультра­структуре, которые позволили бы создать непротиворечи­вую модель упаковки элементарной хромосомной нити во время клеточного деления, остаются скудными. Наиболь­шая информация получена по ультраструктуре специали­зированных районов хромосом: центромерного района, ядрышка, синаптонемального комплекса в мейотическпх хромосомах. Данные электронной микроскопии целых изо­лированных хромосом использованы для их идентифика­ции, при этом специальное внимание уделено метафазным хромосомам человека (Bahr, Larsen, 1974). Этот метод по­зволил 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 хро­мосом имеют размер порядка 25—30 нм. Биохимическое исследование таких фибрилл и соответствующие расчеты дают основание заключить, что молекулы нуклеопротеидов находятся в них в сверхскрученном состоянии и что, кро­ме 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.) исклю­чают необходимость подробного рассмотрения этих вопро­сов в данной книге. Сравнительно новый молекуляр­ный аспект хромосомной организации воз­ник в связи с разработкой методов фракционирования тотальной ДНК генома по повторяемости сходных нуклеотидных последовательностей и методов гибридизации ну­клеиновых кислот на хромосомных препаратах. Эти ме­тоды открыли возможность выяснения локализации раз­ных фракций ДНК в хромосомном наборе. Важными находками, полученными в этой новой области, погранич­ной между молекулярной и цитологической генетикой, бы­ли: 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) обнару­жение неравномерной локализации ДНК с разными харак­теристиками в хромосомном наборе: ДНК с наибольшим числом повторяющихся последовательностей локализуется в гетерохроматиновых районах хромосом.

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

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

Методом градиентного ультрацентрифугирования в группе ДНК с высокой повторяемостью последовательно­стей выделены по крайней мере четыре типа так называе­мых сателлитных ДНК. Помимо этих видов ДНК, в экс­периментах с гибридизацией ДНК — РНК исследована хромосомная локализация ДНК, кодирующая синтез 5S, 18S и 28S рибосомных РНК. В настоящее время распре­деление разных типов ДНК в хромосомах человека выри­совывается 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 индивидуаль­ные ДНК распределены в разных хромосомах неравномер­но. 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 — III. Рибосомная ДНК 18S и 28S заключена почти исключительно в корот­ких плечах всех 10 акроцентрических хромосом. Дистальная часть длинного плеча аутосомы 1 — 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 ге­нов и большая доля генов, регулирующих этот процесс,— должны иметь основой соответствующую структурную ор­ганизацию хромосомы. Десятилетия упорного труда цитогенетиков значительно приблизили нас сегодня к понима­нию того, как в хромосоме взаимодействуют структура и функция, как хромосома осуществляет свою сложную роль интеграции системы генов.

Первая фундаментальная черта структурно-функцио­нальной организации хромосомы состоит в существовании двух разных функциональных типов хромосомного мате­риала — эухроматина и гетерохроматина. Их основное раз­личие заключается в транскрипционной активности.

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

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

Подразделенность хроматина по генетическому значе­нию 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 нефлуоресци­рующими красителями; чувствительности к повреждающе­му действию химических мутагенов; химическим особен­ностям ДНК и, по-видимому, белков, входящих в состав хроматина; фенотипическим проявлениям хромосомных перестроек. Для гетерохроматина характерны конденсиро­ванное состояние в интерфазном ядре, опережающая кон­денсация в профазе митоза и мейоза, возможность отста­вать в конденсации спонтанно или под влиянием некото­рых воздействий в метафазе митоза. По сравнению с эухроматином гетерохроматиновые районы хромосом ре­продуцируются в более поздние отрезки S-периода. При дифференциальной окраске по G- и С-методике гетерохро­матиновые сегменты сохраняют способность к окрашива­нию (G-сегменты) и даже усиленно красятся (С-сегменты). В цитогенетике хорошо известна неравномерность распределения по длине хромосомы ее структурных по­вреждений, индуцируемых мутагенными веществами: по­вышенной повреждаемостью отличаются именно гетеро­хроматиновые районы. ДНК с неоднократно повторяющи­мися нуклеотидными последовательностями характерна именно для гетерохроматина. В отличие от эухроматина, содержащего уникальные гены, дисбаланс по которым от­рицательно отражается на фенотипе организма, изменения в количестве гетерохроматина не влияют или значительно меньше влияют на развитие признаков организма.

Взаимосвязанность различных структурных и функцио­нальных характеристик хромосомы — третья фундамен­тальная черта хромосомной организации. Вопрос о причин­но-следственных связях в отмеченном корреляционном комплексе активно исследуется. Ответ должен быть полу­чен, в частности, на вопрос о том, сводимо ли все разнообра­зие свойств разных видов хроматина к различиям в химиче­ских особенностях хромосомной ДНК. Однако независимо от прогресса в понимании этих корреляций их феномено­логия служит главным инструментом к познанию струк­турно-функциональной расчлененности каждой конкрет­ной хромосомы человека. В продольной дифференцирован­ности индвидуальных хромосом по плотности конденсации, по окрашиваемости теми или иными красителями, по осо­бенностям составляющей их ДНК и другим характери­стикам заложены не формальные признаки идентифика­ции хромосом или их участков, а признаки, имеющие ге­нетический смысл. Эта новая область цитогенетики чело­века 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 представля­ют следующие.

Гетерохроматин, окрашивающийся по методике С-окраски, обнаруживается во всех хромосомах человека и на­зывается 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 хромосо­мах количество С-гетерохроматина разное. Особенно круп­ные 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 хро­матина наблюдаются в аутосоме 2 и в Х-хромосоме. В акроцентрических хромосомах гетерохроматин распростра­няется на короткие плечи.

По-видимому, в разных хромосомах околоцентромерный гетерохроматин неодинаков, что следует из ряда фактов. Эта разнородность обнаруживается уже по разному опти­муму времени и рН щелочного диапазона, применяюще­гося в технике С-окраски, при которых С-хроматин появ­ляется 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. Экспе­риментами с гибридизацией ДНК с РНК на цитологиче­ских 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 — в гетерохроматине аутосомы 1 и 16, сателлит III — в гетерохроматине аутосомы 9. Структурный гетерохроматин акроцентриче­ских хромосом — 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 зна­чительного полиморфизма, обусловленного размерами околоцентромерного гетерохроматина. Особенно сильно варьи­рует содержание структурного гетерохроматина С-типа в аутосомах 1, 4, 9, 13—15, 16, 21—22 и Y-хромосоме. От­сутствие фенотипических отклонений от нормы у боль­шинства носителей таких кариотипических вариантов по­зволяет 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 обоснован­ные границы хромосомной нормы, за пределами которой для организма становится не безразличным дисбаланс и по гетерохроматину.

Есть много оснований рассматривать хромосомные рай­оны, положительно окрашивающиеся по G-методике, как разновидность структурного гетерохроматина. В пользу этого представления, помимо отношения к красителям, свидетельствуют поздняя репликация этих районов, обра­зование ими хромомер в профазных мейотических хромо­сомах, 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 возник­новение наименее тяжелых аномалий развития для инди­вида — 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 последователь­ностей локализуется в G-окрашивающихся сегментах хро­мосом.

Вопросы, которые стоят перед цитогенетикой человека в отношении структуры, локализации и особенно генети­ческого значения структурного гетерохроматина, сравни­тельно новые.

Прогресс в их разрешении нельзя отделить от прогрес­са в расшифр
еще рефераты
Еще работы по разное