III.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТОНКАЯ СТРУКТУРА ХРОМОСОМЫ

Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хро­мосом человека впервые были приняты на международном сове­щании в 1960 году в г. Денвере, в дальнейшем несколько изменен­ные и дополненные (1963 г., Лондон и 1966 г., Чикаго). Согласно классификации все хромосомы человека разделены на 7 групп, расположенных в порядке уменьшения их длины, и обозначаются буквами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом ста­ли нумеровать арабскими цифрами.

Группа А (1-3-я) — самые большие хромосомы; 1 и 3-я — метацентрические, 2-я — субметацентрическая.

Группа В (4 и 5-я) — крупные субметацентрические хромосомы.

Группа С (6-12-я и Х-хромосома) — субметацентрические хро­мосомы среднего размера.

Группа В (13-15-я) — акроцентрические хромосомы средних размеров.

Группа Е (16 -18-я) — маленькие субметацентрические хро­мосомы.

Группа Р (19 и 20-я) — самые маленькие метацентрические хромосомы.

Группа О (21, 22-я и Y) — самые маленькие акроцентриче­ские хромосомы.

Предложенная классификация позволяла четко различать хро­мосомы, принадлежащие к различным группам (рис. III.3 и III.4).

 

С 1960 г. начинается бурное развитие клинической цитогенети-ки: в 1959 г. Дж.Лежен открыл хромосомную природу синдрома Дауна; К. Форд, П.Джекобе и Дж. Стронг описали особенности кариотипа при синдромах Клайнфельтера и Тернера; в начале 70-х гг. была открыта хромосомная природа синдромов Эдвардса, Патау, синдрома «кошачьего крика»; описана хромосомная не­стабильность при ряде наследственных синдромов и злокачествен­ных заболеваниях.

Вместе с тем применение метода получения равномерно окра­шенных хромосом оказалось недостаточно эффективным для иден­тификации хромосом.

В начале 70-х гг. были разработаны методы дифференциальной окраски хромосом, которые позволяли однозначно идентифици­ровать каждую хромосому. Методы были основаны на способности некоторых красителей специфически связываться с конкретными участками хромосом в зависимости от их структурно-функциональ­ной организации. Предложенные методы выявляли линейную не­однородность (сегменты) хромосом. На практике наибольшее при­менение получили методы дифференциальной окраски красителеv Гимза (G-окраска) и флюоресцирующим красителем акрихином или акрихинипритом (Q-окраска).

На рис. III.5 представлены хромосомы человека при G-окраске. Хорошо видно, что каждая хромосома человека имеет только ей свойственную последовательность разношироких полос. Это позво­ляет точно идентифицировать любую из хромосом и обнаруживать относительно крупные изменения в их структуре. При анализе метафазных хромосом средней конденсации можно четко различить около 350-400 относительно крупных сегментов на гаплоидный набор. На стадиях, предшествующих метафазе, хромосомы менее спирализованы и поэтому имеют большую поперечную подразде-ленность. Были разработаны методы анализа хромосом на деля­щихся клетках в стадии прометафазы. Использование этого мето­дического подхода позволило получить хромосомы с разной сте­пенью сегментации — от 800 до 2500 сегментов на гаплоидный набор. На рис. III.6 представлены дифференциально окрашенные X и Y-хромосомы с различными уровнями спирализации. Использованный подход дает возможность точно устанавливать точки раз­рывов в перестроенных хромосомах, даже если в перестройку во­влечены небольшие участки хромосом.

 

Поперечная исчерченность, обнаруживаемая различными ме­тодами, в принципе выявляет одни и те же сегменты хромосомы и является результатом неравномерной конденсации хроматина по всей ее длине. В зависимости от степени спирализации ДНК в хро­мосоме выделяют гетерохроматиновые и эухроматиновыерайоны, для которых характерны различные функциональные и генетиче­ские свойства.

Гетерохроматиновый район представляет собой участок кон­денсированного хроматина (высокоспирализованная ДНК), кото­рый выявляется при дифференциальном окрашивании в виде тем­ных полос. Присутствие гетерохроматина можно обнаружить и в интерфазном ядре, где он отчетливо выявляется в виде интенсив­но окрашенных глыбок хроматина. Считывания генетической ин­формации с данных участков не происходит. Различают структур­ный и факультативныйгетерохроматин. Структурный гетерохроматин постоянно присутствует в определенных регионах хромосомы. Например, он всегда обнаруживается вокруг центромер всех хро­мосом. Факультативный гетерохроматин появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматиновых районов. Факультативной гетерохроматизацией может быть охвачена целая хромосома. Так, в клетках женского организма одна из Х-хромосом полностью инактивирована путем гетерохроматизации уже на ранних этапах эмб­рионального развития. Ее можно обнаружить в виде глыбки гетеро­хроматина на периферии ядра. Такая инактивированная Х-хромосома называется половым хроматином, или тельцем Барра (рис. III.7). Благодаря гетерохроматизации Х-хромосомы в клетках женского организма происходит выравнивание количества генов, функцио­нирующих в мужском и женском организмах, поскольку у мужчин имеется только одна Х-хромосома.

Эухроматиновые регионы хромосом в интерфазном ядре не видны, поскольку представлены хроматином в деконденсирован-ном состоянии. Это указывает на их высокую метаболическую активность. Дейст-

­вительно, эухроматиновые районы содержат уни­кальные гены, контролирующие синтез различных белков. При дифференциальном окрашивании метафазных хромосом они оп­ределяются как светлые полосы.

Изучение химического состава хромосом показало, что они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гистонов, негистонных белков и небольшого количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки, гистоны, заряжены положительно.

В каждой хромосоме содержится только одна молекула ДНК. Однако размеры молекул ДНК хромосом огромны. Они могут достигать сотен микрометров и даже сантиметров. В кариотитте чело­века самая большая хромосома — 1-я; длина ее полностью раскру­ченной ДНК составляет около 7 см, что значительно больше не только размеров ядра клетки, но и самой клетки. Суммарная дли­на молекул ДНК всех хромосом одной клетки человека составляет более 170 см.

Несмотря на свои гигантские размеры, молекулы ДНК функ­ционируют в пределах таких микрообразований, как хромосомы. Поэтому хромосомы ядер клеток должны представлять собой сильно укороченные (конденсированные) структуры ДНК. Это достигает­ся за счет специфической укладки молекул ДНК — многоуровне­вой спирализации. Основной структурной единицей хромосомы является нуклеосома (рис. III.8).

Каждая нуклеосома содержит по две молекулы четырех различных типов гистонов, объединенных в октамер (восьмигранник), обвитый нитью ДНК. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК формируют спиральную структуру — хроматиновое волокно. На каждый виток такой спирали приходит­ся 6 нуклеосом. Так формируется структура хромосомы (рис. III.9). Подобная организация позволяет упаковывать очень длинную молекулу ДНК в компактную структуру. При конденсации проис­ходит уменьшение длины молекулы ДНК в 10 тыс. раз, так что конденсированные хромосомы в среднем имеют длину порядка 200 нм (т. е. 200х10-9 м). Это обеспечивает возможность точного и быстрого деления генетического материала материнской клетки между дочерними клетками (митоз) и уменьшение числа хромо­сом вдвое при образовании половых клеток (мейоз). Хромосомы выполняют функцию основного генетического ап­парата клетки. В них в линейном порядке расположены гены, каждый

Рис. III.8. Структура нуклеосом и их соотношение с хромосомой и моле­кулой ДНК

из которых занимает строго определенное место, называемое локусом. Альтернативные формы гена (т. е. различные его состоя­ния), занимающие один и тот же локус, называются аллелями (от греч. allelon — взаимно другой, иной). Любая хромосома содержит только единственный аллель в данном локусе, несмотря на то, что в популяции могут существовать два, три и более аллелей одного гена.

Рис. III.9. Общая схема строения хромосомы