Хромосомы: структура и классификация

Хромосомы (греч. – chromo – цвет, soma – тело) – это спирализованный хроматин. Их длина 0,2 – 5,0 мкм, диаметр 0,2 – 2 мкм.

Рис. Типы хромосом

Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются центромерой (первичной перетяжкой). Она делит хромосому на два плеча. Отдельные хромосомы имеют вторичные перетяжки. Участок, который они отделяют, называется спутником, а такие хромосомы – спутничными. Концевые участки хромосом называются теломеры. В каждую хроматиду входит одна непрерывная молекула ДНК в соединении с белками-гистонами. Интенсивно окрашивающиеся участки хромосом – это участки сильной спирализации (гетерохроматин). Более светлые участки – участки слабой спирализации (эухроматин).

Типы хромосом выделяют по расположению центромеры (рис.).

1. Метацентрические хромосомы – центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный – дистальным.

2. Субметацентрические хромосомы – центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.

3. Акроцентрические хромосомы – центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.

В клетках слюнных желез насекомых (мух дрозофил) встречаются гигантские, политенные хромосомы (многонитчатые хромосомы).

Классификацию хромосом проводят по разным признакам.

1. Хромосомы, одинаковые в клетках мужского и женского организмов,называются аутосомами. У человека в кариотипе 22 пары аутосом. Хромосомы, различные в клетках мужского и женского организмов, называются гетерохромосомами, или половыми хромосомами. У мужчины это Х и Y хромосомы, у женщины – Х и Х.

2. Расположение хромосом по убывающей величине называется идиограммой. Это систематизированный кариотип. Хромосомы располагаются парами (гомологичные хромосомы). Первая пара – самые большие, 22-я пара – маленькие и 23-я пара – половые хромосомы.

3. В 1960г. была предложена Денверская классификация хромосом. Она строится на основании их формы, размеров, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Важным показателем в этой классификации является центромерный индекс (ЦИ). Это отношение длины короткого плеча хромосомы ко всей ее длине, выраженное в процентах. Все хромосомы разделены на 7 групп. Группы обозначаются латинскими буквами от А до G.

Группа А включает 1 – 3 пары хромосом. Это большие метацентрические и субметацентрические хромосомы. Их ЦИ 38-49%.

Группа В. 4-я и 5-я пары – большие метацентрические хромосомы. ЦИ 24-30%.

Группа С. Пары хромосом 6 – 12: средней величины, субметацентрические. ЦИ 27-35%. В эту группу входит и Х-хромосома.

Группа D. 13 – 15-я пары хромосом. Хромосомы акроцентрические. ЦИ около 15%.

Группа Е. Пары хромосом 16 – 18. Сравнительно короткие, метацентрические или субметацентрические. ЦИ 26-40%.

Группа F. 19 – 20-я пары. Короткие, субметацентрические хромосомы. ЦИ 36-46%.

Группа G. 21-22-я пары. Маленькие, акроцентрические хромосомы. ЦИ 13-33%. К этой группе относится и Y-хромосома.

4. Парижская классификация хромосом человека создана в 1971 году. С помощью этой классификации можно определять локализацию генов в определенной паре хромосом. Используя специальные методы окраски, в каждой хромосоме выявляют характерный порядок чередования темных и светлых полос (сегментов). Сегменты обозначают по названию методов, которые их выявляют: Q – сегменты – после окрашивания акрихин-ипритом; G – сегменты – окрашивание красителем Гимза; R – сегменты – окрашивание после тепловой денатурации и другие. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, длинное – буквой q. Каждое плечо хромосомы делят на районы и обозначают цифрами от центромеры к теломеру. Полосы внутри районов нумеруют по порядку от центромеры. Например, расположение гена эстеразы D – 13p14 – четвертая полоса первого района короткого плеча 13-й хромосомы.

Функция хромосом: хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.

 

5. Правила хромосом:

1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у собаки — 78, у курицы — 78).

2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках

имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению хромосому: одну — от отца, другую — от матери.

3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается

от другой пары размером, формой, которая зависит от расположения центромеры, чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.

4. Правило непрерывности хромосом — перед делением клетка ДНК удваивается и к каждой из двух исходных нитей достраивается по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. Комплементарные нуклеотидные последовательности — это полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилом спаривания азотистых оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) и т. д. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосомы от хромосом.

Хроматид — это удвоенные (парные) молекулы ДНК. Центромера — внутренний участок хромосомы, в котором происходит присоединение нити веретена, обеспечивающий при делении клетки движение хромосом к центру деления при митозе (см. ниже).

Все хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы. Половые хромосомы определяют пол организма. В половых клетках, где находятся половые хромосомы, присутствует одинарный (гаплоидный) набор хромосом.

Аутосомы — это все хромосомы в клетках, за исключением половых хромосом. Неполовая клетка многоклеточного организма называется соматической (от соответствующего греческого слова — тело) клеткой. В соматических клетках присутствует двойной (диплоидный) набор хромосом.

 

 

28. Диагностика зиготности близнецов.

 

Диагностика зиготности с помощью систем генетического полиморфизма. Очевидно, что между МЗ близнецами не должно быть никаких различий по полу или какому-либо иному генетическому маркеру. Следовательно, если исключить лабораторные ошибки, любое различие между близнецами по генетическим маркерам (группам крови, белкам сыворотки или изоферментам) доказывает их дизиготность. С другой стороны, ДЗ близнецы, даже если различия между ними очевидны, могут оказаться идентичными по какому-либо маркеру чисто случайно, что легко показать, когда родительские генотипы известны. Например, отец близнецов может иметь группу крови М, а мать - MN. Тогда ДЗ близнецы с вероятностью 1/4 будут совпадать по группе крови М, с вероятностью 1/4 - по MN или иметь генотипы М, MN с вероятностью 1/2. Итак, можно ожидать, что в половине случаев ДЗ близнецы окажутся идентичными по группам крови, а в другой половине случаев их группы крови будут разными. Тестируя дополнительные генетические маркеры, можно увеличить вероятность того, что ДЗ пара будет различаться по крайней мере по одному из них. Исходя из этого и используя математический принцип условных вероятностей, предложенный Байесом еще в 1793 году, можно вычислить "обратную" вероятность для конкордантных близнецов быть дизиготными, этот принцип оказывается полезным не только для диагностики зиготности близнецов, но и при медико-генетическом консультировании (приложение 8) [881].

Байесовский принцип условных вероятностей. Рассмотрим одну близнецовую пару, для которой нужно определить вероятность монозиготности или дизиготности. Точнее, наш вопрос заключается в следующем: какая доля всех близнецовых пар с одинаковой комбинацией генетических маркеров у самих близнецов и их родителей будет дизиготной? Или иначе: если предположить, что все близнецовые пары монозиготные, то как часто это предположение будет ошибочным? Общая формула Байеса имеет вид

где А₁ и В - разные события, а А₂ обозначает событие "не А₁".

В нашем случае P(A₁/B) может быть вероятностью монозиготности среди всех близнецовых пар с идентичными группами крови. Тогда 1 - P(A₁/B) - вероятность близнецовой паре быть дизиготной или вероятность ошибки, когда близнецовая пара классифицирована как монозиготная. Р(А₁) - априорная вероятность МЗ близнецов среди всех близнецов в популяции. Это около 30% в европейских популяциях. Р(А₂) - априорная вероятность близнецовой паре быть дизиготной. Р(А₂) = 1 - Р(А₁) = 0,7. Уравнение П.5.1 можно упростить

Здесь Q - отношение ДЗ/МЗ в популяции (если 30% всех близнецовых пар это МЗ, то Q = 2,33). L - отношение условных вероятностей ДЗ и МЗ близнецов оказаться идентичными по данйой комбинации генетических маркеров. Его значение можно вычислить путем перемножения L_i для различных маркерных систем

L = L₁ × L₂ ×... × L_n. (П.5.3)

Методы классической антропологии. Еще до того, как были открыты широко известные ныне системы генетического полиморфизма, для диагностики зиготности использовался довольно надежный метод, предложенный в 1924 г. Сименсом. Он основан на сравнении большого числа антропоскопических признаков; среди них цвет, форма и плотность волос, черты лица, детальная структура ряда лицевых областей (глаза, брови, цвет и структура радужной оболочки), детали области носа и рта, подбородок, уши, форма кистей и стоп, дерматоглифика, цвет и структура кожи (включая веснушки). Полезны также различные антропометрические характеристики тела, головы и лица. В антропологической литературе имеется список информативных признаков. На практике исследователь основывает свой диагноз не столько на сравнении отдельных черт, сколько на целостном облике ("гештальте"). Результаты, полученные с помощью антропологических и серологических методов, оказались идентичными [893].

Однако это не означает, что диагностика зиготности, основанная на анализе физических признаков, всегда проста. В силу разных жизненных условий МЗ близнецы иногда могут выглядеть столь разными, что непрофессионал не смог бы увидеть в них даже сибсов, и только тщательное антропологическое обследование идентифицирует их как монозигот. С другой стороны, ДЗ близнецы, подобно другим сибсам, иногда могут быть очень похожими. На рис. П.5.1-П.5.5 можно увидеть сходство, а в некоторых случаях различия, найденные у МЗ близнецов.

В связи с этим исследователи, занимающиеся близнецами, должны обязательно наладить сотрудничество с антропологами. Они научат однозначно классифицировать большинство близнецовых пар. Обычно считают, что если близнецов можно перепутать по внешнему виду, то с большой долей вероятности они МЗ. В этом случае необходимо серологическое обследование. Такой подход целесообразен, особенно при обследовании больших близнецовых выборок в несколько сот пар. Антропологический диагноз требует большого опыта и поэтому более субъективен. Серологический диагноз, наоборот, более объективен, но всегда возможны лабораторные ошибки.

В идеале близнецовое обследование должно всегда включать описание плаценты и плодных оболочек: ДЗ близнецы чаще всего имеют две плаценты, два амниона и два хориона, тогда как МЗ близнецы могут иметь одну плаценту, один хорион и даже один амнион. Как уже упоминалось в разд. 3.8.4, наличие только одного хориона может быть важным свидетельством монозиготности близнецов. Однако на практике редко имеется надежная информация об этом, и, кроме того, плацента ДЗ близнецов может слиться воедино, имитируя тем самым МЗ близнецов. Включение таких данных в диагностику зиготности может приводить к ошибочным выводам.

 

29. Коэффициент конкордантности среди близнецов.

 

 

Если признак проявляется у обоих близнецов – это конкордантность, если у одного из близнецов – дискордантность.

Коэффициент парной конкордантности – указывает долю близнецовых пар, в которых изучаемый признак проявился у обоих партнеров.

С – число конкордантных пар, Д – число дискордантных пар Для количественной оценки роли наследственности и среды в развитии того или иного признака используют коэффициент наследуемости (Н) и коэффициент влияния среды (Е). Влияние наследственности на заболевания определяют по формуле Хольцингера: Н + Е = 1

Н = (КМБ – КДБ): (100 – КДБ) (в процентах),

где КМБ – коэффициент парной конкордантности для монозигот

КДБ – коэффициент парной конкордантности для дизигот

Н от 1 до 0,7 – наследственные факторы имеют доминирующее значение в развитии признака или болезни;

Н от 0,4 до 0,7 – признак развивается под действием факторов внешней среды при наличии генетической предрасположенности. Решение задач

1. Конкордантность монозиготных близнецов по массе тела составляет 80%, а дизиготных – 30%. Каково соотношение наследственных и средовых факторов в формировании признака.

Решение:

Н = (80 – 30): (100 – 30) = 71% 5

2. Группы крови системы АВ0 у монозиготных близнецов совпадают в 100% случаев, а у дизиготных близнецов – только в 40%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?

Решение:

Н = (100 – 40): (100 – 40) = 100%

3. Исследования показали, что среди 120 пар дизиготных близнецов, в которых хотя бы у одного из них имелся изучаемый признак, только у 30 пар этот признак встречался и у второго близнеца. Среди 50 изученных пар монозиготных близнецов таких пар было 40. Чему равна доля наследственности в формировании изучаемого признака?

Решение:

КДБ = 30/120=25%

КМБ = 40/50 = 80%

Н = (80 – 25): (100 – 25) = 73%

5. При изучении склонности человека к занятию спортом было обнаружено, что коэффициент конкордантности по этому признаку среди монозиготных близнецов составил 66,3%, а среди дизиготных близнецов – 26,8%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?

Н = (66,3 – 26,8): (100 – 26,8)= 54%

6. При изучении заболеваемости человека коклюшем было обнаружено, что коэффициент конкордантности по этому признаку среди монозиготных близнецов составил 97,7%, а среди дизиготных близнецов – 92%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?

Н = (97,7 – 92): (100 – 92)= 71%

Задачи:

1. Конкордантность монозиготных близнецов по заболеванию туберкулезом составляет 37%, а дизиготных – 15%. Что оказывает большее влияние на развитие этого заболевания – наследственность или среда?

2. Оба монозиготных близнеца страдают маниакально-депрессивным психозом в 96% случаев, а дизиготные близнецы – только в 19%. Определите долю влияния наследственности на развитие данного заболевания.

3. Одинаковая форма ушей имеется у 98% монозиготных близнецов, а у 60% дизиготных близнецов форма ушей разная. Что больше влияет на наличие у детей одинаковой формы ушей?

4. Ишемическая болезнь наблюдается в 44% случаев у обоих монозиготных близнецов и в 12% случаев у обоих дизиготных близнецов. Какова доля влияния условий среды на развитие данного признака?