Митотические хромосомы

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.

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.

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.

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.

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.

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).