ОСНОВИ МЕДИЧНОЇ БІОЛОГІЇ - 2012

Морфологія хромосом. Каріотип людини

Клітинне ядро (лат. nucleus, грец. karion - ядро) — центральний інформаційний апарат еукаріотичних клітин, який виконує генетичні функції і регулює всі процеси життєдіяльності клітини (метаболічні функції). Складовими компонентами ядра є ядерна оболонка, каріоплазма (ядерний сік), ядерця (одне або два), хроматин, ядерний білковий матрікс. Ядро вперше в 1831 р. відкрив англійський ботанік Р. Броун в клітинах рослин з родини орхідних.

Ядерна оболонка — складається з двох мембран, які розділені перинуклеарним простором шириною 20-50 нм. В основі кожної мембрани лежить ліпідний бішар, з вбудованими в нього білками. Зовнішня ядерна оболонка безпосередньо переходить у мембрани ендоплазматичної сітки. З боку цитоплазми вона вкрита рибосомами. Ядерна оболонка має отвори -- пори діаметром 80-90 нм для забезпечення транспорту макромолекул. В зоні пори внутрішня та зовнішня оболонки зливаються. Отвір пори містить комплекс, що має певну будову (діаметр близько 120 нм). Закриває отвір пори тонка діафрагма. По периферії пори, з обох сторін від діафрагми, розташовуються білкові гранули і ще одна гранула у центрі, що пов’язана фібрилами з периферічними. Таким чином, утворюється структура, яка нагадує велосипедне колесо. У самій діафрагмі можуть утворюватись тимчасові циліндричні канали, через які здійснюється транспорт речовин. Кількість пор залежить від функціонального стану клітини: чим інтенсивніше у клітині відбуваються синтетичні процеси, тим більше пор. Наприклад, в еритробластах, де інтенсивно накопичується гемоглобін на 1 мкм² ядерної оболонки нараховується до 30 пор, а в зрілих еритроцитах тварин, у яких зберігається ядро — до 5 пор.

В зоні комплексу пор починається білковий шар, що вкриває внутрішню ядерну оболонку — щільна тонка пластинка (ядерна ламіна), яка виконує опірну функцію, а також сприяє впорядкованому розміщенню хромосом в інтерфазному ядрі. До ламіни теломерними ділянками приєднуються нитки хроматину. Вона утворена проміжними філаментами (d = 10 нм) і входить до складу ядерного матріксу. Матрікс також включає внутріядерну фібрилярну сітку та білкові комплекси з ферментативною та регуляторною функціями.

Основні функції ядерної оболонки: 1) бар'єрна функція - відокремлює вміст ядра від цитоплазми; 2) регулює транспорт макромолекул між ядром і цитоплазмою. Так, білки (гістонові і негістонові) після синтезу в цитоплазмі транспортуються в ядро, а РНК і субодиниці рибосом, які синтезуються в ядрі, - у цитоплазму. У профазі мітозу ядерна оболонка розпадається на мембранні пухирці, а в телофазі утворюється знову

Каріоплазма (ядерний сік) —це внутрішнє середовище ядра, яке відіграє важливу роль у забезпеченні нормального функціонування генетичного матеріалу. До складу ядерного соку входять ферменти, які необхідні для синтезу нуклеїнових кислот.

Ядерце — структура, де відбувається утворення та дозрівання рибосомальних РНК (рРНК). Ядерця - не самостійні структури ядра, а похідні хромосом. Гени рРНК займають певні локуси одної чи декількох хромосом, наприклад, у людини 13-15, 21-22 пар — це ядерцеві організатори, які й утворюють ядерця. Такі ділянки метафазних хромосом звужені, їх називають вторинними перетяжками. В ядерці також знаходять нитчастий (фібрилярний) і зернистий компоненти. Фібрилярний компонент — комплекс білку і молекул РНК- попередників (про-РНК), з яких під час процесінгу утворюються зрілі рРНК. Зернистий компонент визначає розміри ядерця. Ядерця не постійні структури ядра: на початку поділу клітини вони зникають, а під кінець поділу знову з’являються.

Хроматин — форма організації інтерфазних хромосом, це нуклеопротеїд (ДНК, гістони, кислі білки) з нуклеосомною організацією, який спіралізується та деспіралізується під час клітинного циклу.

Виділяють наступні рівні компактизації (упаковки) хроматину:

1. Молекулярний — подвійна спіраль ДНК.

2. Нуклеосомний — нуклеосомна нитка діаметром 10-12 нм.

3. Фібрілярний — елементарна хроматинова спіраль діаметром 25-30 нм.

4. Хромонемний — інтерфазна хромонема діаметром до 200 нм.

5. Хроматидно-хромосомний — метафазна хромосома (з 2 або 1 хроматид). Хроматида має діаметр до 600 нм.

Найдрібнішими структурними компонентами хромосом є нуклеопротеїдні фібрили. До складу хромосомних нуклеопротеїдів входять ДНК та білки, переважно гістони. Молекули пістонів утворюють нуклеосоми, на які упаковується ДНК. Кожна нуклеосома - це глобула, яка складається з 8 білкових молекул (октамер): вона включає по дві молекули гістонів чотирьох видів (Н2А, Н2В, Н3, Н4). Розмір нуклеосоми 11 нм. Навколо кожної такої глобули молекула ДНК робить приблизно два оберти. Така ділянка ДНК має довжину 140 нм та називається cor-ДНК (nDNA). Кожна нуклеосома відокремлюється від іншої ділянкою лінкерної ДНК (iDNA), довжиною 60 н.п. З кожною лінкерною ділянкою зв’язана 1 молекула ще одного гістонового білка - Н1. Період нуклеосомної організації складає 200 н.п. Фібрили ДНК попарно скручуються , утворюючи хромонеми, які входять до складу полухроматид. Пара полухроматид складає хроматиду, а пара хроматид - хромосому.

Інтерфазну і метафазну хромосоми розглядають як два полярних варіанти, але за даними електронно-мікроскопічних і фізико-хімічних досліджень в їх складі виявлені фібріли діаметром 10-12 нм та 25-30 нм. Завдяки упаковці довжина хромосом зменшується і вони можуть розміщуватись в ядрі. В інтерфазному ядрі хромосоми не помітні та називаються хроматином, який забарвлюється лужними барвниками. В залежності від ступеня спіралізації та генетичної активності виділяють еухроматин і гетерохроматин.

Еухроматин - функціонально активні, практично неконденсовані (деспіралізовані) і тому світлі ділянки хроматину, які транскрибуються (генетично активні) та розташовуються між глибками гетерохроматину. З початком мітозу весь еухроматин конденсується в складі хромосом і стає видимим.

Гетерохроматин — сильно конденсовані і тому функціонально неактивні ділянки хроматину (генетично інертний). Відрізняють конститутивний (структурний) і факультативний гетерохроматин.

Конститутивний гетерохроматин міститься в навколоцентромірних та тіломірних ділянках усіх хромосом, а також представлений деякими внутрішніми ділянками окремих хромосом. Він підтримує загальну структуру ядра, прикріплюється до ядерної оболонки, визначає взаємодію між гомологічними хромосомами під час мейозу, участь в регуляції активності генів.

Факультативний гетерохроматин утворюється цілими хромосомами. Наприклад, у гомогаметної статі одна з гоносом утворює тільце статевого хроматину (тільце Бара).

Статевий хроматин: розрізняють X- (1949 р. М. Барр і Ч. Бертрам) та Y- статевий хроматин. Х-статевий хроматин (тільце Барра) - одна з двох Х-хромосом особин жіночої статі (ссавці, людина), яка гетерохроматизується (щільно конденсується) на ранніх стадіях ембріогенезу і переходить у генетично неактивний стан. При цьому в одній частині клітин неактивна материнська Х-хромосома, в іншій - батьківська. Інактивація однієї з Х-хромосом є механізмом, який вирівнює баланс генів статевих хромосом у клітинах організмів чоловічої (XY) і жіночої (XX) статей. Визначення X-статевого хроматину застосовують для експрес- діагностики числа Х-хромосом у каріотипі, що необхідно для визначення генетичної статі людини на Олімпійських іграх, у судовій медицині, клініці, а також для діагностики спадкових хвороб, пов'язаних з порушенням числа статевих хромосом.

Y-хроматин (F-тільце) - це Y-хромосома в ядрах соматичних клітин чоловіків. Визначення X- та Y-статевого хроматину складає частину цитогенетичного методу.

Функції ядра:

1) збереження спадкової інформації в молекулах ДНК;

2) реалізація спадкової інформації шляхом регуляції синтезу білків. Завдяки цьому підтримується структурна впорядкованість клітин, регулюються їх метаболізм, функції та процеси поділу;

3) передача спадкової інформації наступним поколінням внаслідок реплікації ДНК шляхом утворення хромосом та їх поділу.

Каріотип людини. Хромосомний аналіз

Каріотип — це відносно стійка система ядерних хромосом самостійних клітин, яка характеризується певною диплоїдною кількістю, характерними розмірами, формою та групами зчеплених генів. Цей термін увів у науку в 1924 р. український цитолог Г.А. Левитський (1878-1942). Каріотип — це видова характеристика організмів.

Каріотип людини було встановлено в 1956 році швецькими вченими Д. Тийо і А. Леваном на культурі клітин людини. Каріотип людини включає 46 хромосом, або 23 пари хромосом: з них 22 пари автосоми та одна пара статевих хромосом (гетерохромосоми).

В ядрах соматичних клітин міститься повний подвійний набір хромосом - диплоїдний(2n). В ядрах статевих клітин з кожної пари гомологічних хромосом присутня лише одна, всі вони не гомологічні - гаплоїдний набір хромосом (n). При заплідненні відбувається злиття статевих клітин, кожна з гаплоїдним набором хромосом, і в зиготі відновлюється диплоїдний набір (n+n=2n). У жіночих та чоловічих особин одного виду спостерігається відмінність за однією парою хромосом - статеві хромосоми або гетерохромосоми: у жінки - XX, у чоловіка — XY. Всі інші хромосоми - автосоми однакові у обох статей. Нормальний каріотип жінки записують 46, XX, чоловіка - 46, XY. Нормальний каріотип - важлива умова формування здорової людини. Зміни числа і структури хромосом (мутації) спричинюють хромосомні хвороби.

Вивчення каріотипу людини проводять на культурі клітин кісткового мозку, фібропластів або лейкоцитів периферичної крові. Хромосоми вивчають під час мітотичного поділу (метафаза), коли вони максимально спіралізовані. Ділення клітин стимулюють фітогемаглютиніном.

Обробка колцінином (або колхамідом) зупиняє процес мітозу клітини на стадії метафази, оскільки руйнуються ахроматинові нитки апарату поділу (веретена поділу) і хромосоми залишаються максимально спіралізованими у центрі клітин.

Застосування гіпертонічного розчину викликає набрякання та руйнування клітин і хромосоми виявляються вільними та відокремленими одна від одної (метафазна пластинка), що надає можливість підрахувати хромосоми та провести аналіз та ідентифікацію хромосом. Майже кожна хромосома має наступні частини:

а) центромера (первинна перетинка);

б) плечі - частини хромосоми по боках від центромери;

в) теломери - кінцеві ділянки плеч. Теломерні кінці хромосом не дають хромосомам злипатися одна з одною.

Деякі хромосоми мають вторинну перетяжку. Вона знаходиться ближче до кінця хромосоми і відділяє маленьку ділянку, яку називають супутником. Тоненькі нитки, що з’єднують супутники з плечами хромосом беруть участь у формуванні ядерець. Саме ці ділянки у хромосомах людини є ядерцевими організаторами. Вторинні перетяжки зазвичай бувають в акроцентричних хромосомах. У людини вторинні перетяжки є на довгих плечах 1, 9 та 16 парах хромосом та на кінцевих ділянках коротких плеч 13-15 та 21-22 хромосом.

Місце розташування центромери визначає форму хромосом:

а) метацентричні хромосоми - центромера знаходиться посередині хромосоми і ділить її тіло на два рівних плеча;

б) субметацентричні хромосоми - центромера дещо зміщена від центру і ділить хромосому на плечі різної довжини;

в) акроцентричні хромосоми мають центромеру, яка зміщена до одного з кінців хромосоми і поділяє її тіло на коротке та довге плечі.

г) телоцентричні хромосоми - центромера знаходиться на кінці хромосоми. У нормальному каріотипі людини такі хромосоми не зустрічаються.

Рис. 4. Метафазна хромосома

1 - центромера; 2 - кінетохор; 3 - хроматида; 4 - хромомера; 5 - матрикс; 6 - ядерце; 7 - вторинна перетяжка.

Рис. 5. Типи хромосом людини в залежності від положення центром ери ( стадія метафази):

1 - акроцентрична; 2 - аероцентрична із супутником; З - сібметрична; 4 - метрична.

В ділянці центромери знаходиться кінетохор - місце прикріплення ниток веретена поділу.

Для вивчення та ідентифікації хромосом застосовують морфометричний аналіз: вимірюють довжину хромосом (в мкм) та визначають центромірний індекс (співвідношення довжини короткого плеча хромосоми р, до довжини всієї хромосоми р+q, де q — довжина довгого плеча хромосоми). У метацентричних хромосом центромерний індекс становить близько 50 %, у субметацентричних - менше 50 %. Розмір метафазних хромосом коливається від 11 до 2,3 мкм.

Правила хромосом:

1. Правило постійності кількості хромосом: встановлено, що кожен вид рослин і тварин має визначену сталу кількість хромосом та характерні особливості їх будови - це видова ознака. Кількість хромосом не залежить від ступеня організації організмів та філогенетичної спорідненості. Приклади: шимпанзе (Anthropopithecus) - 48 хромосом, рак (Astacus fluviatilis) - 116 хромосом, дрозофіла (Drosophila melanogaster) - 8 хромосом.

2. Правило парності хромосом: кількість хромосом у каріотипі парне. Хромосоми, які належать до однієї пари називають гомологічними: однакові за розмірами, за формою - співпадає розташування центромер, хромомер, міжхромомерних ниток та інші деталі будови і генетичний склад.

3. Правило індивідуальності хромосом: не гомологічні хромосоми мають відмінності. Кожна пара хромосом відрізняється від інших формою, розмірами, генетичним складом.

4. Правило безперервності хромосом: кожна хромосома походить від материнської хромосоми (авторепродукція).

Ідіограма - це систематизований каріотип, в якому хромосоми розташовують в прядку зменшення їх довжини. Складання ідеограми та сам термін запропонував радянський цитолог С.Г. Навашин.

Інтенсивне вивчення хромосом людини в лабораторіях різних країн супроводжувалось створенням цитологами систем класифікації і номенклатури хромосом. Постала необхідність уніфікації номенклатури хромосом людини. Робота по створенню спільної системи позначення хромосом людини була проведена в 1960 році спеціальною комісією, зібраною в американському місті Денвері. Було створено «Стандартну систему номенклатури мітотичних хромосом людини» (Денверська система класифікації хромосом): за формою та розмірами метафазні хромосоми поділяються на 7 груп, які позначаються латинськими літерами: A, B, C, D, E, F, G, окремо виділяються статеві хромосоми. Кожна пара хромосом має свій номер від 1 до 22. Не мають номера лише статеві хромосоми. Вони позначаються Х- і Y-хромосоми.

Багато вчених відмічали у хромосомах, які забарвлювали за звичайною методикою, деяку неоднорідність густоти забарвлення.

Касперсон та співробітники (1968р.) встановили, що після обробки хромосом акриїхін-іпритом флюоресценція не рівномірна, а розподіляється сегментами. Такий же сегментний малюнок можна одержати за допомогою барвника Гимзе. На паризькій конференції по стандартизації і номенклатурі хромосом людини в 1971 р. прийняли наступні позначення для забарвлення сегментів хромосом:

а) Q - сегменти (quinacrine, акрихін) — ділянки хромосом, які забарвлюються акрихін-іпритом.

б) G - сегменти (Giemsa, Гимза) — сегменти, які забарвлюються гимзебарвником при певних додаткових прийомах обробки хромосом.

Q і G - сегменти ідентичні. Q - метод дозволяє виявити в інтерфазному ядрі Y-хромосому за яскравою флюоресценцією.

в) R - сегменти (reverse, зворотні) забарвлюються після теплової обробки. Розміщуються між Q (або G) сегментами.

г) С - сегменти (constitutive heterochromatin, конституційний гетерохроматин) знаходиться у навколо центромерних ділянках обох плечей хромосом.

Диференціальне забарвлення пов’язане з хімічними особливостями хромосом (нуклеотидами ДНК і білками). Акрихін-іприт зв’язується з ділянками багатими А=Т парами, R - сегменти відповідають ділянкам багатим Г=Ц парами.

Диференціальне забарвлення дозволяє чітко підбирати гомологічні пари та виявити хромосомні аберації. Кожна пара хромосом має свою поперечну посмугованість, свій порядок розміщення і своє число поперечних смуг. Такий аналіз у поєднанні з генетичними спостереженнями дозволив почати складання хромосомних карт людини, тобто знаходити місця розташування генів на певних ділянках хромосом.

ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУП ТА НОМЕРІВ ХРОМОСОМ

Матеріальною основою спадковості і мінливості є нуклеїнові кислоти. Нуклеїнові кислоти (НК) - високомолекулярні органічні сполуки, біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Вперше вони були виявлені Ф. Мішером в ядрах загиблих лейкоцитів (1869). Термін нуклеїнові кислоти (НК) був впроваджений біохіміком Р. Альтманом у 1889 р. Докази того, що ДНК приймає безпосередню участь у передачі спадкової інформації були отримані при вивченні мікроорганізмів та вірусів на явищах трансформації та трансдукції.

Рис. 6. Каріотип людини: ліворуч - жінки, праворуч — чоловіка:

Зверху — метафазні пластинки, внизу - ідіограми. В ідіограмах хромосоми розташовані попарно в порядку зменшення довжини. Окремо виділені статеві хромосоми: у жінки - XX, у чоловіка - XY.