Заняття №2. Класифікація та будова хромосом.

Мета заняття: Вивчити принципи класифікації та будови хромосом. Поняття каріотипу. Заповнити відповідні сторінки зошити для практичних занять.

Теоретичні положення.

Хромосомні мікроволокна складаються з ДНК і гістонових білків, утворюють молекули дезоксинуклеопротеидов (ДНП). Відповідно до генетичної інформації вони керують процесом синтезу білків в клітині.

Хроматин

Генетичний матеріал в інтерфазному ядрі знаходиться у вигляді хроматпинових ниток. Переплітаючись всередині ядра, вони утворюють хроматинову сітку. Кількість хроматинових ниток відповідає диплойдному набору хромосом. Хроматинові нитки - це комплекс ДНК і білків у співвідношенні 1: 1.

Організація хроматину. До складу хроматину входять основні (гістонові) і кислі (негістонові), або нейтральні білки. Відомо п'ять різновидів гістонів: Н1, Н2А, Н2В, Н3 і Н4. Поєднуючись між собою, чотири останніх утворюють білкові диски (гістоновий кір), на які накручується ДНК. Така елементарна одиниця будови хроматину називається нуклеосомою (лат. nucleus - ядро, soma - тіло). Гістон Н1 відповідальний за компактну укладку нуклеосомного ланцюга і з'єднує нуклеосоми між собою. Під електронним мікроскопом велика частина хроматину являє собою волокна з дуже маленьким діаметром. Це основна форма упаковування хроматину, загальновідома як хроматинове волокно діаметром 30нм. Хоча молекули ДНК дуже довгі, вони упаковуються за допомогою гістонів у спіраль значно меншої довжини. Нуклеосоми – дископодібні частки діаметром близько 11нм. Гістоновий октамер утворює протеїновий стрижень, навколо якого закручується певний сегмент двониткової ДНК.

Нитка ДНК продовжується від нуклеосоми до нуклеосоми, кожна з яких відокремлюється від наступної ділянкою лінкерної ДНК, що являє собою приблизно 60 пар азотистих основ. Лінкерна ДНК і визначена ділянка нуклеосоми складають повну нуклеосому, що містить 200 пар азотистих основ ДНК.

У кожній нуклеосомній частці фрагмент подвійної спіралі ДНК, довжиною 146 пар основ, обернутий біля кору, що являє собою гістоновий октамер. Цей білковий кір містить по дві молекули кожного з гістонів Н2А, Н2В, НЗ, Н4. У деконденсованій формі хроматину кожна нуклеосома зв'язана з сусідньою частинкою ниткоподібною ділянкою лінкерної ДНК.

Негістонові білки - це велика гетерогенна група протеїнів. Серед них є структурні і регуляторні білки, що беруть участь у регуляції генів, а також деякі ферменти (ДНК-полімерази, РНК-полімерази).

Якщо всю ДНК одного ядра клітини людини витягнути, то вона буде довжиною близько 1,5 м. Укласти такий довгий ланцюг у 46 хромосом можна лише завдяки дуже ефективному упаковуванню. При розподілі ядра хроматин ущільнюється в короткі спіральні нитки, що називаються хромосомами. Хромосоми несуть гени (ділянки ДНК), що є одиницями спадкової інформації.

Хроматин має такі властивості: 1) високу стабільність структури, що забезпечує сталість геному від покоління до покоління: 2) здатний зв'язувати гістонові та негістонові білки залежно від активності геному; 3) може змінювати структуру в різні періоди клітинного циклу, тобто розгортанням і витягуванням спіралі в інтерфазному ядрі, а потім згортанням у спіраль і вкороченням в ядрі, що ділиться; 4) може існувати у вигляді еу- і гетерохроматину; 5) здатний формувати хромосоми при поділі клітини.

Хроматин виконує такі функції: 1) збереження генетичної спадкової інформації у вигляді чіткої послідовності нуклеотидів ДНК, стабілізованої білками і спеціальним упакуванням; 2) перенесення спадкових характеристик від батьків до нащадків за допомогою формування хромосом; 3) забезпечення росту клітин, підтримка їх будови та функцій шляхом керування синтезом структурних білків; 4) контроль метаболізму шляхом регуляції утворення необхідних ферментів; 5) формування ядерець, де утворюються рибосоми.

Типи хроматину. У залежності від ступеня конденсації (спіралізації), хроматин поділяють на гетерохроматин і еухроматин. Гетерохроматин сильно ущільнений і генетично неактивний. Здебільшого до 90 % хроматину знаходиться саме в такій формі. На електронно-мікроскопічних фотографіях гетерохроматин виглядає як сильнозабарвлені темні ділянки ядра.

Хромосоми здатні до самовідтворення і збереження властивостей протягом всього онтогенезу. Хромосоми — найдосконаліша форма організації спадкових структур. Їм належить ведуча роль в збереженні, передачі і реалізації спадкової інформації. Ці функції хромосоми виконують і різні періоди життєдіяльності і мітотичного циклу клітки.

В інтерфазному ядрі вони виконують функції транскрипції (синтезу або переписування)) і реплікації (подвоєння) генетичного матеріалу, тому знаходяться в неконденсованому (не ущільненому) стані, мають вид тонких деспирализованих ниток, що є комплексами ДНК і основних білків - гістонов (ДНП – комплекси). Під час поділу клітини основна функція хромосом — збереження і передача спадкової інформації до дочірніх клітини тому вони знаходяться у компактному (конденсованому) стані, обумовленому тим, що максимально спиралізуються хроматинові нитки. ^;

Хромосоми вивчають в профазе I мейозу (мейотичні хромосоми), в профазі й метафазі мітозу. Найбільш чітко морфологічні особливості хромосом виявляються в метафазі мітозу, тому підрахунок числа хромосом, визначення їх розмірів, опис і ідентифікацію проводять і цей період. Розміри метафазних хромосом варіюють у досить широких межах: діаметр змінюється від 0,2 до 3 мкм, а довжина — від 0,2 до 50 мкм. Найкрупніші хромосоми у однодольних рослин, найдрібніші — у грибів і водоростей.

Р. А. Левитский (1931) встановив єдиний принцип морфологічної будови метафазних хромосом, як би вони не були різні на перший погляд.. Кожна метафазная хромосома складається з двох хроматид, має певну довжину і форму, яка залежить від положення первинної, або центричної перетяжки. В області первинної перетяжки, для якої характерний відносно слабке фарбування хромосомними фарбниками, розташований центромер (кинетохор), до якого прикріпляються що тягнуть нитки мітотического веретена. Місцеположення центромеру специфічно і строго постійно для відповідної хромосоми кожного виду. Він поділяє хромосому на два плечі і тим самим визначають її форму (рис. 13). Якщо центромер розташований строго посередині і плечі мають майже однакову довжину то хромосома є має назву матоцентричної, як що ближче до одного із плеч – субметоцентрична, або акроцентрична – у випадку дуже вкороченого другого плеча.

Рис.13. Морфологічна будова метофазних хромосом.

А – основні типу хромосом визначаються за місцем розташування центромери: 1- метацентрична; 2 – субметоцентрична; 3 – акроцентрична;

Б – хромосоми жита, які мають вторинні перетяжки: 4 – центромер (первинної перетяжки); 5 – вторинна перетяжка, не пов’язанна з утворенням супутника; 6 – вторинна супутникова перетяжка SAT хромосоми (за Турковим)

Ділянка плеча, яка розташовується ближче до центоромери має назву проксимальної, а віддалена – дистальна. Різниця у довжіні пліч різних хромосом може коливатися у великих межах. Відношення довжени великого плеча до довжини меншого називають плечовим індексом і по ньому визначають морфологію хромосоми. Метацентричні хромосоми мають плечовий індекс 1—1,9, субметацентричні — 2—4,9, акроцентричні — 5 і більш. Також окремо визначають так звані телоцентричні хромосоми, у яких плечовий індекс більше 8.

Хромосомний аналіз - це дослідження й аналіз морфології, кількості і структури хромосом.

Розміри і форма хромосом. Розміри хромосом варіюють від одного біологічного виду до іншого. Хромосоми різних організмів на стадії метафази мають довжину від 0,1 до 33,0 мкм і товщину від 0,2 до 2,0 мкм. Хромосоми рослин мають більші розміри, ніж хромосоми тварин. Хромосоми різних пар однієї і тієї ж клітини різняться за розміром.

Розмір хромосом людини: в середньому 1,5 мкм у товщину і 10,0 мкм у довжину. Форма хромосом визначається за відносним положенням центромери (первинної перетяжки). На підставі цього розрізняють такі форми хромосом: 1) метацентрична - хромосома має Х-подібну форму, при якій центромера знаходиться всередині так, що плечі є рівними за довжиною; 2) субметацентрична - хромосома має Х-форму з центромерою, віддаленою від середньої точки так що її плечі є нерівними за довжиною; 3) аероцентрична - центромера розташована дуже близько до одного з кінців хромосоми, тобто вона має плечі, що суттєво відрізняються за розмірами, маленькі плечі часто мають супутники.

Окрім місцеположення центромери, морфологічну будову хромосоми визначає вторинна (акинетическая) перетяжка. Сегмент хромосоми, відокремлений вторинною перетяжкою, З.Г.Навашин (1912) назвав супутником, а хромосоми, що мають його — супутниковими. Розрізняють мікросупутники — дрібні, сферичні утворення, що мають довжину менше ніж діаметр; макросупутники — великі, сферичної або овальної форми, довжина яких перевищує діаметр хромосоми; лінійні — довгі сегменти хромосом, сполучені з нею перетяжкою (нитка супутника); тандемні —• подвійні супутники на одному плечі хромосоми з двома вторинними перетяжками. При ідентифікації хромосом особливо виділяють супутнікові хромосоми і детально описують морфологію супутника. В районі вторинної перетяжки (нитки супутника) утворюється ядерце. Такі хромосоми називаються ядерце утворюючими, або SAT - хромосомами.

Вільна кінцева ділянка кожного плеча хромосоми називається тіломерою. Він має своєрідну структурну будову, завдяки якій кінцеві ділянки хромосом не здатні з'єднуватися з іншими хромосомами і їх фрагментами.

В ранній профазі мітозу або в профазі першого поділу мейозу по всій довжині хромосом виявляються потовщення — хромомери, число і положення яких специфічно для кожної хромосоми і спадково детерміновано.

Соматична клітина кожного виду містить певне число хромосом (табл. 2). В каріотипі однієї диплоидной соматичної клітки (2n) кожна хромосома має подібну собі за розміром і морфологією. Такі хромосоми називаються гомологичными.

Таблиця 2 – Каріотипі с.-х. тварин і птиці

Назва біологічного виду	Каріотип
Людина	46
Тарган	48
Головна воша	12
Кінь	66
Осел	66
Велика рогата худоба	60
Вівця	54
Коза	60
Свиня	38
Кабан дикий	40
Собака	78
Кішка	38
Кролі	44
Куриця	78
Голуб	80
Пацюк сірий	42
Лисиця	38
Хатня муха	12
Плодова мушка Дрозофіла	8
Бджола	16, 32
Коняча аскоріда	2, 4
Малярійний плазмодій	2
Комар піскун	6
Овес	42
Жито	24
Пшениця мяка	42
Пшениця тверда	28
Картопля	48
Кукурудза	20
Помідор	24
Короп	104
Окунь	28
Тритон	24
Зелена жаба	26
Шимпанзе	48

Правила хромосом.

1. Специфічність набору хромосом для кожного виду. Рослини і тварини мають сталий набір хромосом у кожній соматичній клітині. Диплоїдний набір хромосом (2п) для людини - 46, для дрозофіли - 8, для коня - 66, шимпанзе - 48, собаки - 78 і т. д. Гаплоїдний набір (п) для людини - 23, дрозофіли - 4 і т. д. Гамети містять тільки одинарний набір хромосом. Число хромосом часто використовується для ідентифікації виду.

Як видно з таблиці, число хромосом не залежить від рівня організації виду і не завжди вказує на філогенетичну спорідненість. Однакова кількість хромосом може зустрічатися в далеких один від одного видів і дуже відрізнятися у близьких. Однак істотні відмінності й специфічність виявляються в тому, що кожний вид має у своєму наборі хромосоми певної форми і розмірів. А головне - усі хромосоми мають свій унікальний набір генів, що визначають розвиток особин тільки певного виду.

Хромосомний комплекс виду з усіма його особливостями - числом хромосом, формою, наявністю видимих у світловий мікроскоп деталей будови окремих хромосом - називається каріотипом.

2. Парність хромосом. Слід звернути увагу на те, що у всіх наведених у таблиці прикладах число хромосом парне. Це пов'язано з тим, що хромосоми складають пари. Кожна хромосома соматичних клітин має аналогічну собі хромосому. Хромосоми з такої пари мають однаковий розмір, форму і склад генів. Пари хромосом, що мають однакові гени або їх алелі, та контролюють альтернативні ознаки, називаються гомологічними. Гомологічні хромосоми однакові за розміром і формою. У них збігаються розміщення центромер, порядок розташування хромомер і міжхромомерних ділянок та інші елементи будови. Негомологічні хромосоми мають зовсім інші характеристики.

Одна гомологічна хромосома надається від одного з батьків (батька), а інша від другого (матері). Генетична інформація, необхідна для розвитку організму, міститься тільки в повному комплекті всіх негомологічних хромосом (тобто в повному диплоїдному наборі хромосом).

3. Індивідуальність окремих пар хромосом. Кожна пара гомологічних хромосом індивідуума відрізняється від іншої пари за розміром, формою і генетичним складом. Наприклад, перша пара хромосом людини (метацентричні, найбільші, мають індивідуальну посмугованість) дуже відрізняється від 22-ї пари (акроцентричні, найменші, мають вторинну перетяжку і супутник). Вони містять різні гени, що визначають розвиток різних ознак.

4. Безперервність хромосом. Це означає, що кожна дочірня хромосома походить від материнської хромосоми. В інтерфазі (S-періоді) відбувається подвоєння ДНК і утворюються дві ідентичні дочірні молекули, що формують хромосому. Така хромосома складається з двох хроматид, що потім потрапляють у різні клітини внаслідок мітозу. У кожному наступному поділі цей цикл повторюється. Це забезпечує стабільність каріотипу організмів впродовж тисячоліть.

Таким чином, у послідовних генераціях клітин зберігається постійне число хромосом та їх індивідуальність внаслідок здатності хромосом до точної репродукції при поділі клітини. Отже, не тільки "кожна клітина від клітини", але і "кожна хромосома від хромосоми".