3. Строение и функция хромосом

Хромосомы представляют собой надмолекулярный уровень организации генетического материала и морфологический субстрат наследственности. Основным компонентом хромосомы является ДНК, которая обеспечивает хранение, передачу и реализацию генетической информации, представленной в виде специфических полинуклеотидных последовательностей - генов.

Одна хромосома содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч структурных генов и:

- представляет одну группу сцепления.

- обеспечивает упорядоченное расположение генов в пространстве и времени;

- обеспечивает сцепленное (совместное) наследование генов.

Хромосомы являются очень динамичными образованиями, меняя свою форму и активность в зависимости от периода клеточного цикла. Кроме того, они отличаются гетерогенностью, благодаря чередованию различных последовательностей ДНК, среди которых:

- кодирующие и некодирующие последовательности;

- уникальные и повторяющиеся последовательности;

- эухроматиновые и гетерохроматиновые сегменты;

- участки, отличающиеся по уровню закручивания хроматиновой нити (размеры петель);

- последовательности, богатые парами АТ и GС;

- участки с разным содержанием ассоциированных белков.

Все это обусловливает полиморфизм хромосом, их дифференциальную окраску и специфическое чередование полос (бэндов).

Каждый индивид, каждая клетка содержит диплоидный набор хромосом, который представлен парами гомологичных хромосом.

23 пары хромосом соматической клетки человека составляют ее кариотип¹ и обеспечивают, как количественно, так и качественно фенотип клетки и организма человека.

В настоящее время существуют различные методы кариотипирования для выявления численных и структурных хромосомных аномалий с целью диагностики хромосомных болезней, пренатальной диагностики и предупреждения рождения детей с хромосомными болезнями, изучения хромосомных нарушений в опухолевых клетках.

Морфология хромосом лучше всего видна в клетке на стадии метафазы.

Хромосома состоит из двух палочкообразных телец - хроматид. Обе хроматиды каждой хромосомы гомологичны друг другу по генному составу.

Хромосомы неоднородны по длине и имеют центромеру или первичную перетяжку, две теломеры и два плеча. На некоторых хромосомах выделяют вторичные перетяжки и спутники.

ДНК центромеры отличается характерной последовательностью нуклеотидов (состоит из высокоповторяющихся последовательностей, так называемая сателлитная ДНК) и специфическими центромерными белками (CENP-A, B, C, D, E). Положение центромеры в хромосоме постоянно и специфично для каждой хромосомы. Центромера делит хромосому на два плеча: p (проксимальное, или короткое) и q (дистальное, или длинное). В зависимости от расположения центромеры различают акроцентрические, субметацентрические и метацентрические хромосомы.

Как говорилось выше, некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки. Они представляют собой деспирализованные и слабо окрашенные участки повторяющейся ДНК; в норме могут быть как в проксимальных плечах (p) акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21 и 22, так и в дистальных плечах хромосом 1, 9, 16, реже 4, 6, 10 и Y. В отличие от первичной перетяжки (центромеры), вторичные перетяжки не служат местом прикрепления нитей веретена и не играют никакой роли в движении хромосом. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организаторами. В ядрышковых организаторах расположены гены рРНК.

Сателлиты, или спутники – это терминальные участки коротких плеч акроцентрических хромосом 13, 14, 15, 21, 22, отделенные вторичной перетяжкой и состоящие из конститутивного гетерохроматина.

Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Теломеры препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют сохранению их целостности. Следовательно, теломеры ответственны за существование хромосом как индивидуальных образований.

Так же иногда в хромосомах выделяют ломкие (фрагильные) учаски, которые представляют собой деконденсированные сегменты хромосом, отличающиеся повышенной чувствительностью к действию мутагенных факторов, под влиянием которых в них легко происходят разрывы, и в результате этого – хромосомные перестройки.

Исследование тонкой структуры хромосом показало, что они состоят из ДНК, белка и небольшого количества РНК. Молекула ДНК несет отрицательные заряды, распределенные по всей длине, а присоединенные к ней белки – гистоны – заряжены положительно. Комплекс ДНК с ассоциированными с ней белками называют хроматином.

Хроматин может иметь разную степень конденсации. Конденсированный хроматин называют гетерохроматином, деконденсированный хроматин – эухроматином. Степень деконденсации хроматина отражает его функциональное состояние. Гетерохроматиновые участки функционально менее активны, чем эухроматиновые, в которых локализована большая часть генов.

Различают структурный гетерохроматин, количество которого различается в разных хромосомах, он располагается в околоцентромерных районах. Кроме структурного гетерохроматина существует факультативный гетерохроматин, который появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматических районов. Подтверждением существования этого явления в хромосомах человека служит факт генетической инактивации одной Х-хромосомы в соматических клетках женщины. Его суть заключается в том, что существует эволюционно сформировавшийся механизм инактивации второй дозы генов, локализованных в Х-хромосоме, вследствие чего, несмотря на разное число Х-хромосом в мужском и женском организмах, число функционирующих в них генов уравнено. Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, тогда его можно обнаружить в виде плотных хромосом.

Наследственная информация организма строго упорядочена по отдельным хромосомам. Каждый организм характеризуется определенным набором хромосом (число, размеры и структура), который называется кариотипом. Кариотип человека представлен двадцатью четырьмя разными хромосомами (22 пары аутосом; Х- и Y-хромосомы (или гоносомы (гетеросомы)). Кариотип — это паспорт вида. Анализ кариотипа позволяет выявлять нарушения, которые могут приводить к аномалиям развития, наследственным болезням или гибели плодов и эмбрионов на ранних стадиях развития.

Длительное время полагали, что кариотип человека состоит из 48 хромосом. Однако в начале 1956 г. было опубликовано сообщение, согласно которому число хромосом в кариотипе человека равно 46.

Впервые подразделение кариотипа на группы было проведено в 1960 г. на конференции в г. Денвере (США). В основу Денверской классификации хромосом была положена их морфологическая характеристика: размер, форма и положение первичной перетяжки - центромеры. Согласно данной номенклатуре хромосомы нумеруются от 1 до 23 по мере убывания их длины: с 1 по 22 - аутосомы, а 23 пара- половые хромосомы. Самые крупные хромосомы человека, имеющие первые номера, в среднем 5 раз длиннее самых мелких - 21 и 22 хромосом.

В1971 году в Париже на IV международном конгрессе по генетике человека была согласована единая система идентификации хромосом человека, учитывавшая дифференцировку хромосом по длине (парижская классификация).

Каждая хромосома набора человека при дифференциальной окраске² характеризуется уникальным для нее сочетанием темно-окрашенных сегментов или полос, чередующихся с неокрашенными участками или светлыми сегментами. Именно такое специфическое для данной хромосомы сочетание сегментов позволяет четко ее идентифицировать и отличить от других хромосом набора. В пределах короткого (р) и длинного (q) плеча каждой хромосомы выделяют ряд четко идентифицируемых областей или регионов, которые нумеруются арабскими цифрами начиная от центромеры к теломерному участку или терминальному концу хромосомы. Каждая область хромосомы включает определенное число сегментов, нумерация которых (второй арабской цифрой) также идет в направлении от центромерного к теломерному участку. Таким образом, обозначение хромосомного сегмента 2q34 означает хромосому №2, длинное плечо, 3-й регион и 4-й сегмент. Сама центромера обозначается сочетанием цифр 1 и 0, т.е. часть центромеры в пределах короткого плеча обозначается как- р10, а часть, включающая длинное плечо – q10.

Для идентификации хромосом используют морфологические критерии, данные авторадиографического анализа и выявляемые методами дифференциальной окраски бэнды (полосы чередующейся окраски).

Хромосомы характеризуются количественными и качественными морфологическими критериями. Одним из количественных критериев хромосом является их абсолютная длина (в микрометрах, 10^-6 м) или относительная длина, равная

Для характеристики положения центромеры на хромосоме используют центромерный индекс, определяемый как .

Таким образом,

= 46 – 49% для метацентрических,

= 31 – 45% для субметацентрических,

= 17 – 30% для акроцентрических.