Номенклатура хромосом

Основы цитогенетики

     Цитогенетика – раздел клинической генетики, изучающий клеточные основы наследственности и изменчивости.

Медицинская цитогенетика – изучает связь изменчивости хромосом с патологией у человека. Термин цитогенетика ввел Саттон в 1903 г.

Основными задачами цитогенетики являются:

● определение состояния хромосомного набора человека в норме;

 

● сопоставление клиники и различных видов хромосомных аберраций;   

 

● разработка и использование методов цитогенетической диагностики хромосомных болезней (ХБ);

 

● разработка методов ранней диагностики и профилактики хромосомных болезней;

 

● совершенствование медико-генетического консультирования при ХБ

 

● создание регистров хромосомных болезней.

 

     Хромосома (от греч. chromo – цвет, soma – тело) – материальный носитель наследственной информации, передавае­мой от поколения к поколению, входящий в состав клеточных ядер и имеющий хроматиновый состав.

Во втором десятилетии XX века Т.Г. Морган и его школа сформулировали основ­ные положения «хромосомной теории наследственности»:

1)  гены расположены в хромосомах, каждая хромосома представляет собой группу сцепления генов (обеспечивает совместное наследование признаков). Чис­ло групп сцепления у каждого вида равно гаплоидному числу хромосом. Число генов пропорционально длине хромосом;

2)  каждый ген в хромосоме занимает определенное место (локус). Гены распо­ложены в хромосоме линейно. Кроме них выделяют «прыгающие гены», или транспозоны, которые могут перемещаться по геному;

3)  между гомологичными хромосомами может происходить обмен аллельными генами. В гомологичных (одинаковых) хромосомах по происхождению одна – отцовская, другая – материнская. Расположенные в них друг против друга локусы называются идентичными, и в таких локусах расположены аллельные гены;

4)  расстояние между генами в хромосоме пропорционально проценту крос­синговера между ними. Кроссинговер – процесс гомологичной рекомбинации, про­текающий в первом мейотическом деление в ходе оогенеза и сперматогенеза.

Хромосома – это уровень организации наследственного материала, представ­ленного в виде хроматина или хроматинового комплекса. Хроматин – вещество, составляющее хромосому, представляет собой двойную нить ДНК связанную с белками (дезоксирибонуклеопротеидный комплекс). Белки, входящие в состав хроматина разнообразны. Их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Гистоны характерны только для эукариотических клеток, они осуществляют первые этапы упаковки ДНК. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей. Это глобулярные белки, представленные 5-7-ю видами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Их основные свойства определяются относительно высоким содержанием аминокислот, лизина и аргинина.

Первый этап упаковки ДНК в хроматине осуществляется с помощью нуклеосом – это дисковидные частицы диаметром 10 нм. Молекула ДНК накручивается на поверхность множества белковых частиц, каждый раз делая 1,75 оборота вокруг сердцевины. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна и содержит 8 молекул – по 2 молекулы гистонов Н4, НЗ, Н2А, Н2В. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар. Небольшой участок ДНК между нуклеосомами остается несвязанным с сердцевиной, он называется линкером. Последовательность из нуклеосом – нуклеофиламент (nucleofilament), или нуклеосомная нить. Общий вид хроматина, представленного молекулой ДНК, упакованной с помощью нуклеосомных структур, можно сравнить с «бусами на нитке».

Первый нуклеосомный уровень компактизации укорачивает молекулу ДНК в 6-7 раз. В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона Н1, который связывается с линкерной частью ДНК и поверхно­стью нуклеосомы. Возникает упорядоченная структура спирального типа, кото­рую называют соленоидом. Его диаметр 25-50 нм – спираль более высокого порядка. Под электронным микроскопом соленоид выявляется в виде фибрилл хроматина. Фиб­риллы ДНК попарно скручиваясь, образуют хромонемы (от греч. nema-струна), кото­рая входит в комплекс более высокого порядка полухроматиды (спирально закру­чены). Перед началом деления клеточного ядра хромосома спирализуется, образуя при помощи белка H1 более толстую хроматиновую нить или хроматиду (chromatin fiber), диаметром 30 нм. Дальнейшая суперспирализация хроматина приводит к образованию пары хроматид. Пара хроматид образует хромосому. Толщина хромосомы (диаметр - 1400 нм) на стадии метафазы позволяет её увидеть в световой микроскоп.

 

 

Рис. 4. Упаковка ДНК в хроматине.

 

 Хроматиды соединяются между собой в районе первичной перетяжки или центромеры. Центромеры выполняют в хромосомах очень важные функции, они соединяют две сестринские хроматиды, играют важную роль в организации веретена деления (на ней находится кинетохор, к которому присоединяются нити веретена при делении). Внутри центромеры выявляются уникальные последовательности, которые, вероятно, несут информа­цию о расхождении хромосом к противоположным полюсам клетки. Благодаря первичной перетяжке хромосома делится на плечи, короткое (p) и длинное (q). Вторичные перетяжки у человека локализуются в разных точках по длине хромосом - 13, 14, 15, 21 и 22. Сателлит (спутник) — это округлое или удлинённое тельце, отделённое от основной части хромосомы тонкой хроматиновой нитью, по диаметру равный или меньший хромосоме. Хромосомы, обладающие спутником – SAT-хромосомы.

В зависимости от размера, положения центромеры и длины плеча выделяют три типа хромосом:

● медианный (метацентрический) – центромера расположена в середине хромосомы и оба плеча равны.

● субмедианный (субметацентрический) – центромера расположена ближе к одному из концов, плечи хромосомы не равны:

● субтерминальный (акроцентрический) – центромера расположена на кон­це хромомсомы.

Для измерения длины хромосомы был предложен центромерный индекс – доля длины короткого плеча длине всей хромосомы, принятой за 100%. Если центро­мерный индекс равен 50%, то это метацентрическая хромосома, если меньше 50% - субметацентрическая хромосома, а если центромера расположена близко к кон­цу хромосомы – то акроцентрическая.

     

Рис.5. Типы хромосом человека.

Концевая часть хромосомы называется теломерой (от греч. telos - конец и meros - часть). Она состоит из линейной хромосомной ДНК, состоящей из коротких тандемных повторов, образующей конститутивный теломерный гетерохроматин. Теломера выполняет защитную функцию, предотвращает слипание хромосом своими концами, стабилизирует хромосомы, защищая их от деградации клеточными нуклеазами, препятствует образованию дицентриков. Она играет роль в создании специфической архитектуры ядра клетки. Благодаря теломере, происходит полное завершение редупликации хромосом при подготовке клетки к делению. В каждом цикле деления теломеры клетки укорачиваются - феномен концевой недорепликации (важнейший фактор биологического старения). Специальный фермент - теломераза при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы и удлиняет теломеры. В большинстве дифференцированных клеток теломераза заблокирована, активна в стволовых и половых клетках. В 2009 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы Элизабет Блекберн (Elizabeth Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol Greider) и Джек Шостак (Jack Szostack).

На различных участках одной и той же хромосомы спирализация, компактность ее основных элементов неодинакова. Выделяют активные районы, которые содержат гены, контролирующие развитие признаков организма; в интерфазных ядрах это деконденсирующиеся, слабоокрашивающиеся нитчатые структуры. Хроматин, представлен здесь в активной форме, в нем происходит транскрипция – синтез всех типов молекул РНК. Эти районы называют эухроматические. Соответственно, эухроматинизация – деспирализация участков хромосом в интерфазном ядре, сопровождающаяся их генетической активацией.

Также выделяют неактивные участки, они отли­чаются высокой степенью спирализации, сохраняются на протяжении всего митотического цикла, интенсивно окрашиваются, не содержат уникальных генов, и получили на­звание гетерохроматические. Гетерохроматин делят на структурный и факультативный. Факультативный гетерохроматин (ФГ) содержит кодирующую ДНК, неактивные в данной клетке гены. Его участки присутствуют только в одной из гомологичных хромосом. Типичный пример факультативного гетерохроматина - неактивная половая хромосома (в интерфазе как тельце Барра). ФГ обуславливает «молчание» тканеспецифичных генов.

Конститутивный (структурный) гетерохроматин содержится в обеих гомологичных хромосомах, локализован в центромере, теломерах, ядрышковом организаторе, в нем нет уникальных генов. Его ДНК преимущественно сателлитная, состоящая из тандемных повторов. Он выполняет структурную и регуляторную функцию, служит защитным экраном для эухроматина. Термины эухроматин и гетерохроматин предложил Хайц в 1928 г.

Хромосомы клетки можно увидеть только во время ее деления – при митозе (форма деления соматических клеток) и мейозе (форма деления половых клеток), их называют метафазные пластинки.

Номенклатура хромосом

В г. Денвере (США) в 1960 г. была проведена первая международная научная конфе­ренция цитогенетиков, на которой предложена номенклатура хромосом человека в зависимости от их морфологической характеристики, учитывающей размеры, форму и положение центромеры, положившая основу для всех последующих номенклатур. Согласно Денверской классификации все аутосомы получили порядковые номера и были разделены на 7 групп:

Группа А (1-3) - большие метацентрические,

Группа В (4,5) -     крупные субметацентрические,

Группа С (6-12) - средние субметацентрические,

Группа D (13-15) - большие акроцентрические,

Группа Е (16-18) – короткие субметацентрические,

Группа F (19,20) - малые метацентрические,

Группа G (21,22) – малые акроцентрические,

Х-хромосома - ближе по своей морфологии к группе С, Y-хромосома - ближе к группе G.

Затем были уточнения данной классификации хромосом в 1963г. в Лондоне и в 1966г. в Чикаго.

В начале 70-х годов ХХ века для точной идентификации хромосом были разработаны различные методы диффе­ренциального окрашивания. В 1971 г. в Париже на IV международном конгрессе по генетике человека была согласована единая система идентификации хромосом человека, учитывавшая дифференцировку хромосом по длине. Каждая хромосома набора человека при дифференциальной окраске характеризуется уникальным для нее сочетанием темно окрашенных сегментов или полос, «бэндов» (от англ. band – полоска), чередующихся с неокрашенными участками или светлыми сегментами. Такое специфическое для данной хромосомы сочетание сегментов позволяет четко ее идентифицировать и отличить от других хромосом набора. В пределах короткого (p) и длинного (q) плеча каждой хромосомы выделяют ряд четко идентифицируемых областей или регионов (от англ. region), которые нумеруются арабскими цифрами от центромеры (cen) к теломерному участку (tel) или терминальному (ter) концу хромосомы. Каждая область включает определенное число сегментов, нумерация которых (второй арабской цифрой) также идет от центромерного к теломерному участку. Например, обозначение хромосомного сегмента 2q34 означает следующее:

n 2 – хромосома 2,

n q – длинное плечо,

n 3 – регион,

n 4 – сегмент.

В 1978 г. издан унифицированный вариант номенклатуры хромосом человека (обобщенные данные) – ISCN – «An International System for Human Cytogenetic Nomenclature (1978)».

В середине 70-х годов ХХ века были разработаны методы получения хромосом высокого разрешения. В результате то, что раньше представлялось единой светлой или темной полосой, приобретает собственную специфическую исчерченность. Проявляются так называемые субсегменты. Например, если сегмент 1p31 подразделяется на 3 разных субсегмента, то они обозначаются как 1p31.1, 1p31.2, 1p31.3, при этом субсегмент 1p31.1 является проксимальным, а 1p31.3 –дистальным по отношению к центромере. Все это нашло отражение в международном соглашении в 1981 г. в Париже, которое было опубликовано под названием «Международная система номенклатуры цитогенетики человека – исчерченность высокого разрешения» или «ISCN 1981». В 1985г. в г. Иерусалиме принята цитогенетическая номенклатура, учитывающая приобретенные конституциональные хромосомные нарушения в опухолевых клетках - «ISCN 1985». В 1991 г. в Берлине издано «Руководство по цитогенетике рака» «ISCN 1991». В 1995г. в Вашингтоне принят окончательный документ «ISCN 1995», в котором отражены рекомендации по онкологической цитогенетике и достижения, полученные в ходе использования FISH-методов диагностики. Номенклатура была модернизирована и дополнена, в том числе сведениями о способах описания результатов сравнительной геномной гибридизации в 2005 году - «ISCN 2005».

Кариотип – систематизированный набор хромосом ядра клетки с его количественными и качественными характеристиками («лицо вида»).

Нормальный кариотип человека – 46,ХХ (женщина) и 46,ХУ (мужчина), т.е. диплоидный (двойной) набор хромосом, или 22 пары аутосом (хромосомы тела) и 1 пара гоносом (половые хромосомы). Впервые термин был введен в 1924 г. Г.А. Левитским. Диплоидный набор – сумма 2 гаплоидных наборов – 2n (яйцеклетка и сперматозоид), является нормой для соматических клеток. Он приводит к взаимосвязанной работе двух аллелей каждого гена и обеспечивает внутривидовое разнообразие.

У женщин гоносомы представлены двумя гомологичными (идентич­ными) Х-хромосомами, так как в процессе оогенеза образуется один тип яйцекле­ток, содержащих Х-хромосому. У мужчин гоносомы представлены одной Х-хромосомой и одной У-хромосомой, так как в процессе сперматогенеза образуются два типа сперматозоидов, имеющих X-хромосому, либо У-хромосому (их соотноше­ние примерно 1:1). Определение пола человека происходит в момент оплодотворе­ния яйцеклетки сперматозоидом. Оно целиком зависит от того, какой это спермато­зоид: если с Х-хромосомой, то будет женский организм, если с У-хромосомой, то мужской организм.

Согласно современной номенклатуре хромосом блоки информации в формуле кариотипа следующие:

 ● общее число хромосом;

 ● перечисление половых хромосом;

 ● блоки числовых аномалий (каждая аномалия – свой блок);

 ● блоки структурных аномалий (каждая аномалия – свой блок);

 ● [, ] – разделяет только блоки информации;

● [; ] – отделяет информацию о различных хромосомах в пределах одного блока;

 ● [. ] – отделяет обозначение субсегмента;

 ● [: ] – обозначает точки разрывов и соединений в развёрнутой формуле. Также указываются индивидуальные особенности хромосомы (естественный полиморфизм), родительское происхождение гомологичных хромосом.

Рис. 6. Схематическое изображение хромосом при G-окрашивании в соответствии с международной классификацией.

     Патологический кариотип – вариант кариотипа, являющегося причиной различных нарушений фенотипа и функционирования организма, может быть обусловлен хромосомными и геномными мутациями (см. главу «Изменчивость»).