Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_61_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
3.4. Будова хромосом
Основні стадії поділу клітин, коли можна вивчати будову або
морфологію хромосом – це стадії метафази і анафази. На цих стадіях вони
найбільш чітко видимі в клітині і характеризуються такими ознаками –
поперечною перетинкою (центромерою), яка ділить хромосоми на два
плеча із характерною для них довжиною.
Рис. 3.11.
Зображення
хромосоми зроблене
під світловим
мікроскопом
Рис. 3.12. Зображення
хромосоми зроблене під
електронним
мікроскопом
Рис. 3.13.
Реконструюване
зображення хромосоми
зроблене під
електронним
мікроскопом
Рис. 3.14. Будова хромосом та організція хроматину:
1-центромера; 2 – гетерохроматин; 3 – еухроматин; 4 – вторинна перетинка;
5 – супутник; 6 – хроматиди; 7 – теломера; 8 – плечі хромосоми; 9 хроматин в
структурі хроматид; 10 – гістон; 11 – ДНК; 12 – білкова основа.
Джерело рисунків: GFDL, https://bs.wikipedia.org/w/index.php?curid=370128
У сільськогосподарських тварин хромосоми достатньо великі та
зручні для вивчення. Виняток складає птиця, у якої, окрім декількох
великих, є багато дрібних хромосом, що певною мірою ускладнює їхню
ідентифікацію і локалізацію у тих чи інших генах. Речовина, з якої
41
https://t.me/medicina_free
побудовані хромосоми, називається хроматином. Хроматин починає
конденсуватися (спіралізуватися) з настанням мітозу. Тіло хромосоми
конденсується нерівномірно. Розрізняють еухроматинові та гетеро-
хроматинові ділянки хромосом. Перші в період поділу ядра менш
спіралізовані (компактизовані) і тому фарбуються слабше, ніж більш
щільніший (більше компактизований) гетерохроматин. Обробка
барвниками дає можливість визначити гетерохроматинові та
еухроматинові ділянки під час міт
озу. Існують докази, що ділянки
еухроматину утримують гени, тоді як ділянки гетерохроматину не мають
генів або утримують їх дуже мало.
Кожна хромосома є сукупністю сегментованих і несегментованих
ділянок. Сегменти або бенди позначають порядковими номерами, причому
центромера є вихідною точкою для цифрової схеми. При позначенні будь-
якого сегмента використовують чотири позначення: номер хромосоми,
символ пл
еча (коротке р – petit чи довге q – наступна за р буква в
алфавіті) номер району і номер сегменту в межах цього району.
Рис. 3.15. G-бендінг - одна з методик диференціального фарбування.
Оскільки патерни смуг кожної окремої хромосоми добре відомі, вони
тут є "інструментом вимірювання" для порівняння та звіряння,
виявлення додаткових або відсутніх фрагментів.
Джерело: Stela Z. Berisha, Shashi Shetty, Thomas W. Prior, Anna L. Mitchell.
(2020). Cytogenetic and molecular diagnostic testing associated with prenatal and postnatal
birth defects. Birth Defects Research. 112, 293-306
Цитогенетична символіка. Лінії розмітки проводять від центромери
до середини темних чи світлих смуг на хромосомі. Ділянки хромосоми між
двома лініями розмітки називають районами. Нумерацію починають від
центромери. Ділянки всередині району поділяють на смуги (сегменти), які
нумерують від центромери до теломери. Наприклад, запис 1q 25 означає
42
https://t.me/medicina_free
сегмент 5 в другому районі довгого плеча першої хромосоми. Цю систему
використовують для позначення локалізації хромосомної аномалії.
Центричні злиття (Робертсоновські транслокації) позначають rob.
Наприклад, запис 46ХУ, rob (13q15q) показує наявне центричне злиття
двох довгих плечей 13-ї та 15-ї хромосом. Делеції якоїсь ділянки
позначають del. Наприклад, запис 46ХУ, del (2) (q23) означає делецію на
другій хромосомі в довгому плечі, в другому районі, в третьому сегменті.
Гіперплоїдію позначають "+
"; гіпоплоїдію "–". Наприклад, запис
47ХХ+8 показує, що в каріотипі на одну хромосому №8 більше, а запис 46
ХХ 2р+ означає збільшення короткого плеча хромосоми №2.
Залежно від розміщення (локалізації) центромери хромосоми бувають:
• метацентричними (рівноплечими) (M), у них центромера
розміщена посередині або близько біля середини хромосоми. Плечовий
індекс I=(q/p) 1-1,9;
• субметацентричними (нерівноплечими) (SH), це хромосоми з
плечима різної довжини. Плечовий індекс І = 2-4,9;
• акроцентричними (різке нерівнопліччя) (ST), де одне плече дуже
мале. Плечовий індекс І > 5;
- бувають також акроцентричні хромосоми з вторинною перетяжкою;
- деякі хромосоми мають невелику ділянку, яка прикріплена до
основного тіла лише тонкою ниткою – це є супутник.
Рис. 3.16. Будова хромосоми
1 – одна з хроматид хромосоми; 2 – двохроматидна хромосома; 3 –
центромера; 4 – теломери; 5 – тіло хромосоми; 6 – нитки веретена
поділу; 7 – кінетохори
За результатами ґрунтовного електронно-мікроскопічного дослід-
ження мітотичних хромосом Ернст Дю Про запропонував складчасто-
фібрилярну модель хромосом. Згідно даної моделі, метафазна пластинка
складається з двох сестринських хроматид, з’єднаних в області центромери
(рис. 3.16-3.17). Пр
и переході від інтерфази до профази, наприклад за
рахунок спіралізації ДНК, хромосома скорочується в 5000 разів. Кожне
43
https://t.me/medicina_free
плече хроматиди складається з однієї нитики, яка нагадує довгий моток
пряжі та складається із щільно скрученої ДНК та білків. Щоб запобігти
втраті генів на краю хромосом, вони захищені спеціальними "ковпачками"
– теломерами. Теломери складаються із сотень або тисяч повторів однієї й
тієї ж короткої послідовності ДНК, яка є специфічною для різних
організмів. У люди
ни та інших ссавців вона виглядає так: 5'-TTAGGG-3'.
Рис. 3.17. Схема будови хромосоми
Тварини, як і всі багатоклітинні організми, старіють та помирають. По
мірі старіння імунна система стає менш ефективною, рани загоюються
повільніше, а тканини та органи втрачають еластичність. Але чому мають
місце всі ці вікові зміни і чому для кожного виду характ
ерна певна
тривалість життя? Чи можна повернути цей неминучий шлях до смерті
назад? Деякі сучасні відкриття вказують на те, що відповіді на ці запитання
слід шукати на кінцях хромосом.
Основною ознакою старіння клітин є те, що їх теломери
вкорочуються. Кінцева ділянка хромосоми – теломера. Кожна хромосома,
що міститься в ядрі клітини, до поч
атку її поділу представлена двома
однаковими половинками – хроматидами, в основі кожної з яких лежить
одна дуже довга, але компактно скручена молекула ДНК, на кожному кінці
котрої розміщуються ділянки з послідовностей, що повторюються. Ці
кінцеві ділянки і є теломерами. Під час підготовки до поділу, коли
хроматиди подвоюються, кінці кожної хромосоми завжд
и б вкорочувались
(механізм подвоєння ДНК не дозволяє їх копіювати), якщо б фермент
теломераза не нарощував на їх кінцях нові повторювані послідовності.
Теломераза – РНК-вмісний фермент, котрий додає теломерні
послідовності ДНК до кінців лінійних хромосом. Цей процес включає в
себе два почергові етапи: (а) елонгація, тобто подовження, та (b)
транслок
ація, тобто переміщення. Під час елонгації кінцева ділянка
ланцюга ДНК з’єднана з РНК-матрицею, що входить до складу фермента,
та подовжується за рахунок нуклеотидів, комплементарних вільній ділянці
матриці. Під час транслокації молекула ДНК зсувається на декілька
нуклеотидів, знов звільнюючи ділянку РНК-матриці, та цикл
повторюється. При цьому нарощується лише один ланцюг ДНК, але
комплекс інших ферментів, основу котрих ск
ладає ДНК-полімераза,
"добудовує" більшу частину другого ланцюга. З одним ланцюгом
44
https://t.me/medicina_free
лишається тільки невеликий "хвіст" на кінці молекули. Якби не теломераза
"хвости" вкорочували б довжину дволанцюгової ДНК при кожному її
подвоєнні, а будь-яка хромосома вкорочувалася при кожному поділі
клітини.
Найважливіше те, що кожна клітина запрограмована на певну
кількість поділів (фіксований розмір теломери при відсутності
теломерази). Коли термін добігає кінця (досягнуто межі Хей
фліка) –
клітина відмирає, а з ними поступово і весь організм. Цей процес і має
назву "старість". А от теломераза дає безсмертя деяким клітинам,
наприклад, 90 % ракових клітин.
Вчені знайшли спосіб обдурити природу і встановити лічильник на
безкінечний цикл. Достатньо лише підтримувати фізичну довжину
білкового ланцюга (теломери) на постійному рівні. Теломера складається з
РНК та білкового компонента, при чом
у РНК постійно синтезується в
організмі. Отже, достатньо лише додавати необхідний білок, який
називають каталітичним компонентом теломерази.
Виробництво безсмертних клітин в організмі відбувається
безперервно. Це стовбурові клітини, котрі необхідні для постійної
регенерації тканин організму (наприклад, епітелій). Окрім них, на
аналогічний безсмертний цикл запрограмовані ракові клітини.
Деякі фармакологічні корп
орації вже почали тестувати ліки, що
пригнічують теломеразу в ракових клітинах. Теоретично це повинно
зупинити ріст пухлин.
Якщо ж зовсім вилучити теломеразу з організму, то клітини житимуть
вічно, а сам організм перетвориться на суцільну злоякісну пухлину. Це
надзвичайно небезпечна зброя. Тому якщо людство забажає подовжити
життя організму і повернути неминучий шлях до смерті назад, то
лічильник не треб
а скидати до нуля, а лише час від часу підкручувати.
Теломери потребують захисту від систем репарації ДНК, тому що у
них є одноланцюгові "хвостики", які "схожі" на пошкоджену ДНК.
Кінцевий "хвостик" хромосоми відстаючого ланцюга утворюється через
недореплікацію (див. рис. 3.17). "Хвостик" у лідерного ланцюга фактично
створюється фер
ментами, які відрізають частини ДНК.
У деяких видів (включаючи людину) одноланцюжкові кінці
зв'язуються з комплементарними повторами в сусідній дволанцюжковій
ДНК, в результаті чого теломери утворюють захисні петлі. Білки, пов'язані
з кінцями теломер, також допомагають захистити їх і запобігти запуску
механізмів репарації ДНК.
Теломерні повтори повільно "з'їдаються" з кожним циклом поділу.
Таки
м чином, вони виступають як буфер, що захищає внутрішні області
хромосоми, що кодують гени (принаймні, на якийсь період часу).
Зношування теломер пов'язують зі старінням клітин, вкорочування
пояснює те що, кожна клітина здатна поділятися лише певну кількість
разів.
45
https://t.me/medicina_free
Деякі клітини можуть запобігати укороченню теломер, надаючи
теломеразу – фермент, що подовжує теломери хромосом. Теломераза – це
РНК-залежна ДНК-полімераза, тобто фермент, що синтезує ДНК на
матриці РНК.
Як працює теломераза? Фермент зв'язується із спеціальною
молекулою РНК, яка містить послідовність, комплементарну
нуклеотидним повторам у теломер. Він додає нуклеотиди до кінцевого
"хвостика" ланцюга теломери ДНК, використовуючи цю комп
лементарну
РНК як матрицю. Коли кінцевий "хвостик" стає досить довгим,
комплементарний ланцюг синтезується за допомогою звичайного
механізму реплікації ДНК (тобто з використанням РНК-праймера та ДНК-
полімерази), таким чином синтезується дволанцюжкова ДНК.
Праймер рідко виявляється точно на кінці хромосоми і не може бути
замінений на ДНК, тому "хвостик" все одно залишиться. Тим не мен
ш,
довжина теломер все одно збільшиться.
Теломераза в більшості соматичних клітин (клітин тіла), як правило,
не активна, проте активна в статевих клітинах і деяких дорослих
стовбурових клітинах. Такі клітини повинні поділятися дуже багато разів,
а у випадку статевих клітин породжують нові організми, в яких
теломерний "годинник" необхідно "скинути".
Цікаво, що у багатьох ракових клітин виявлено укорочені теломери, а
теломераза актив
на. Якщо теломераза пригнічується лікарськими
препаратами, що використовуються для протипухлинної терапії, їх
прогресивний поділ і, отже, зростання ракової пухлини потенційно може
бути зупинено.
Рис. 3.18. Метафазна пластинка. Теломери представлені яскравими
плямами на кінцях кожної хромосоми на рисунку.
Джерело зображення "Теломерні ковпачки", Програма геному людини Міністерства
енергетики США
Каріотипування хромосом. Щоб дослідити будову хромосом у різ-
них тварин, зміни, які в них відбуваються, і різницю між ними,
46
https://t.me/medicina_free
проводиться процес ідентифікації хромосом, який називається
каріотипуванням.
Така методика досить складна і потребує спеціальної підготовки і
технологічного обладнання. Хромосоми ідентифікують за формою, яка
визначається розміщенням центромери, наявністю вторинних перетинок,
супутників, тощо. Для дослідження беруть препарати крові чи клітин. При
вивченні структури хромосом застосовують також два методи фарбування
– тотальний і диференційний.
Препарат
и після фарбування фотографують і на відбитках визначають
у першу чергу три основних параметри – центромерний індекс, плечовий
індекс і відносну довжину.
Центромерний індекс – відношення довжини коротшого з двох
плечей до довжини всієї хромосоми.
Плечовий індекс – відношення довгого плеча хромосоми до
коротшого. I=q/p
Відносна довжина – відношення абсолютної довжини даної
хромосоми до загальної довжини всієї хромосоми в гаплоїдному наборі.
Аутосоми гаплоїдного набору розміщують зліва направо в порядку
змен
шення їх дожини, тобто будують ідеограму.
Крім того, будується каріограма – розміщення гомологічних пар
хромосом також зліва направо – по мірі зменшення їх довжини. Статеві
хромосоми розміщують в кінці каріограми.
Визначаючи особливості каріотипів основних видів сільсько-
господарських твар
ин, враховують загальну специфіку видових різниць
каріотипів, відмічають кількість хромосом, їхню структуру, відношення еу
– та гетерохроматичних зон, наявність генних комплексів.
Рис. 3.19. Орієнтовна кількість генів ("Genes", червоний стовпчик)
та пар нуклеотидів ("Base pairs", зелений стовпчик) кожної з
хромосом людини. Автор: Friend of a friends - Власна робота, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18594472
47
https://t.me/medicina_free
Жіночі особини мають по два алеля кожного гена, зчепленого з Х-
хромосомою. Чоловічі особини мають лише по одному алелю. Механізм
регуляції дії генів полягає у інактивації генів на одній з Х-хромосом. У
ранньому ембіональному періоді кожної жіночої особини одна Х-хро-
мосома інактивується завдяки обплітанню статевим хроматином і утво-
ренню тілець Барр
а (на честь канадського вченого, Мюррея Барра, який
уперше в 1949 році знайшов таке тільце в нервових клітинах кішки).
Рис. 3.20. Тільце Барра
Рис. 3.21. Тільце Барра– обплетена
факультативним
гетерохроматином Х хромосома у
гомогаметної статі
Рис. 3.22. Відсутність тілець Барра
у чоловічої статі
Рис. 3.23. Тільце Барра у жіночої
статі
Інактивована Х-хромосома зафарбовується яскравіше при виготов-
ленні цитологічних препаратів (рис. 3.20-3.21, 3.23). У чоловічої статі в
нормі не повинно бути тілець Барра у цитологічному препараті (рис. 3.22).
Таким чином зміну кількості статевих хромосом можна ідентифікувати за
наявністю та кількістю тілець статевого хроматину в клітині.
Клітини розмножується поділом, який може відбуватися трьома
способами: шляхом мітозу, амітозу й мейозу.
3.5. Поділ клітин. Мітоз. Амітоз. Мейоз
Мітоз (від грецького μίτος – нитка; синонім – каріокінез) або
непрямий поділ клітини, являє собою безперервний процес, в результаті
якого відбувається спочатку подвоєння, а потім точний рівномірний
розподіл спадкового матеріалу, що знаходиться в хромосомах, між двома
новоутвореними клітинами. Завдяки мітозу дві дочірні клітини мають
ядра, що несуть ідентичну спадкову інформацію, характерну для даного
орган
ізму. У цьому й полягає біологічне значення мітозу. Мітотичний
поділ клітини контролюється генами. Існують гени, що нормалізують і
дезорганізують процес мітозу.
48
https://t.me/medicina_free
Рис. 3.24.Схема проходження клітною G2 та М періодів клітинного
циклу: 1 – інтерфаза; 2 – рання профаза; 3 – профаза; 4 – метафаза;
5 – анафаза; 6 –телофаза
Поділ ядра сприяє поділу всієї клітини. Цей процес називається
цитокінезом. Під час мітозу розрізняють чотири послідовні фази: профазу,
метафазу, анафазу, телофазу.
Профаза (від грецького πρό – попереду, раніше і φάσις – прояв) –
перша фаза поділу ядра. Під час профази всередині ядра з'являються
структурні елементи, що мають вигляд тонких подвійних ниток. У
результаті спіралізації хроматину хромосоми ущільнюються, коротшають і
стають чітко видимими. До кінця профази добре помітно, що кожна
хромосома складається із двох хроматид, які щільно прилягають одна до
одної. Обидві хроматиди з'єднуються однією спільною ділянкою –
центромерою. Поступово вони пересуваються до клітинного екватора. У
середині або в кінці профази зникають ядерна оболонка і ядерця.
Із матеріалу цитоплазми і ядра в пізній профазі починає формуватися
веретено поділу (апарат поділу). Воно складається із слабко зафарбованих
білкових ниток двох типів: опірних та тягнучих (хромосомних).
Сукупність веретена й центросом із центріолями називають апаратом
поділу клітини. Опірні нитки складають основу веретена, вони тягнуться
від одного полюса клітини до іншого. Тягнучі нитки складаються з
речовини, що не фарбується – ахроматину. Вони забезпечують надалі рух
хромосом до полюсів клітини під час метафази.
Мітотичний апарат клітини дуже чутливий до зовнішньої дії. Під
впливом радіації, хімічних речовин і високої температури (мутагенів)
веретено поділу може руйнуватися, й виникають різні порушення в поділі
клітини. Профаза переходить у метафазу.
Метафаза (від грецького μετά – після і φάσις – прояв). У даній фазі
хромосоми надто ущільнені й набувають певної, характерної для даного
виду, форми. Утворюються метафазні хромосоми. Дочірні хроматиди в
кожній парі розділені добре видимою поздовжньою перетинкою.
Більшість хромосом стають двоплечими. Місцем перетину –
центромерою – вони прикріплюються до нитки веретена. Всі хромосоми
розташовуються в екваторіальній площині ядра, вільні їхні кінці
спрямовані до центру ядра, утворюючи зірку. У цей час хромосоми
найкраще спостерігати й підраховувати.
Анафаза (від грецького άνά – згодом і φάσις – прояв). Одразу після
поділу центромер починають розходитись хроматиди, які стали тепер
окремими дочірніми, або сестринськими хромосомами, до протилежних
49
https://t.me/medicina_free
полюсів. При цьому хромосоми мають вигляд різних варіацій гачків,
обернених своїми кінцями до центра клітини. Оскільки з кожної
хромосоми виникли дві хроматиди, то в обох новоутворених дочірніх
клітинах буде однакова кількість хромосом, рівна диплоїдному набору
вихідної материнської клітини.
Процес поділу центромер і руху до різних полюсів усіх парних
хромосом, що утворилися, відрізняється виключною одночасністю
(синхронністю). Наприкінці анафази починається розкручування
(деспіралізація) хромонемних ниток. Хромосоми, що відійшли до полюсів,
у цей час видимі менш чітко.
Телофаза (від грецького τέλος – кінець і φάσις – прояв). У цій фазі
триває деспіралізація хромосомних ниток і хромосоми поступово стають
тоншими та довшими, нагадуючи стан, в якому вони перебували в профазі.
1 2
3 4
Рис. 3.25. Фото клітини на різних фазах мітотичного поділу:
1 –профаза;2 – метафаза; 3 – анафаза; 4 –телофаза. Автор: Roy van
Heesbeen - Власна робота, суспільне надбання (Public Domain),
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5143187
50
https://t.me/medicina_free
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана