ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА I Развитие представлений о хромосомах

ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА

I. Развитие представлений о хромосомах человека 70 -е годы XIX века - О. Гертвиг и В. Флемминг описали окрашиваемые нитевидные структуры в ядрах клеток эукариот 1879 г. – Дж. Арнольд (J. Arnold) – первая визуализация хромосом человека 1888 г. - В. Вальдейер (W. Waldeyer) назвал эти структуры ХРОМОСОМАМИ (chroмa –цвет; soma – тело) 1904 г. – В. Сеттон (W. Sutton) и Т. Бовери (Th. Boveri)– гипотеза о связи хромосом с элементами наследственности

I этап - поиск адекватных подходов и разработка методик для проведенияя анализа морфологии хромосом Г. А. Левитский (1878 -1942) - ввел термин «кариотип» в современном его понимании. Автор одного из первых в мире учебников по цитогенетике М. С. Навашин (1896— 1973) - автор исследований по морфологии клеточного ядра, индивидуальной изменчивости хромосом в эволюционном аспекте, цитологии отдаленных гибридов. Изучал динамику клеточного деления и влияния на клетку физических и химических факторов. А. Г. Андрес (совместно с М. С. Навашиным) –впервые в мире провели анализ тонкого морфологического строения десяти наиболее крупных хромосом человека. Автор книги «Введение в кариологию человека» (1934 г. ) П. И. Живаго (1883 -1948) - Основные работы по изучению тонкого строения клеточного ядра. Обнаружил оптическую гетерогенность интерфазных ядер; исследовал строение и функцию ядрышка и показал его большую роль в обменных процессах клетки.

II этап – определение модального числа хромосом у человека и детальное описание их морфологии (1956 г. ) J-H. Tjio (1919– 2001) A. Levan (1905– 1998).

• 1959 г. – Ж. Лежен (J. Lejeune) идентифицировал трисомию по хромосоме 21 при синдроме Дауна • 1960 г. – Х. Эдвардс (H. Edwards) описал синдром трисомии по хромосоме 18 • 1960 г. – К. Патау (K. Patau) описал синдром трисомии по хромосоме 13 • Рождение медицинской цитогенетики!

III этап – появление методов идентификации хромосом и их отдельных районов (конец 60 -х – начало 70 -х годов XX в. ) • 1968 г. – Т. Касперсон (T. Caspersson) применил для исследования метафазных хромосом метод дифференциальной Q-окраски • 1971 г. – М. Дретс (M. Drets) и М. Шау (M. Shaw) использовали GTG-метод дифференциальной окраски хромосом

А. А. Прокофьева-Бельговская внесла огромный вклад в разработку новых методов анализа хромосом, позволяющих оценить их роль в патологии человека. Цитогенетик с мировым именем, она внесла значительный вклад в исследование проблемы организации эукариотической хромосомы. Основатель советской школы цитогенетики человека и медицинской цитогенетики. На протяжении нескольких десятилетий она была ведущим цитогенетиком нашей страны. «Гетерохроматические А. А. Прокофьева-Бельговская (1903 -1984) районы хромосом» . - Наука – Москва, 1986 г.

Один из ведущих отечественных медицинских генетиков 70 -х – первой половины 80 -х гг. 20 в. , автор приоритетных исследований в области структурно-функциональной организации хромосом, хромосомных болезней, цитогенетики злокачественных опухолей. Разработал методы исследования линейной структуры хромосомы по неоднородности ее конденсации. Сформулировал положение о характере и природе линейной дифференцированности метафазной хромосомы. Показал роль хромосомных вариантов в патологии развития у человека. А. Ф. Захаров (1928 – 1986). Хромосомы человека. Атлас. – М. , 1982

IV этап – внедрение и широкое использование молекулярноцитогенетических методов (с 1986 г. ) • 1986 г. - первые молекулярноцитогенетические эксперименты на хромосомах человека – FISH-метод • 1992 г. - разработка метода сравнительной геномной гибриидзации (CGH) A. Kallionieme D. Pinkel

НОМЕНКЛАТУРА ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА • Денверская конференция (1960 г. ) – предложена система описания хромосом • Лондонская конференция (1963 г. ) – официально введено разделение хромосом на 7 морфологических групп (A – G) • Парижская конференция (1971 г. )– идентификация хромосом на основе дифференциальной окраски • V Международный конгресс по генетике человека (Мехико, 1972 г. ) – появление первой официальной номенклатуры хромосом человека - «An International System for Human Cytogenetic Nomenclature» (ISCN, 1978)

Группа A Хромосомы 1– 3 Описание Большие, метацентрические, равноплечие B 4, 5 Большие, субметацентрические, плечи сильно отличются по размеру C 6– 12, X Среднего размера; субметацентрические D 13– 15 Среднего размера; акроцентрические, со спутниками E 16– 18 Маленькие; 16 хромосома - метацентрческая, хромосомы 17 и 18 - субметацентрические F 19, 20 Маленькие; метацентрические G 21, 22, Y Маленькие; акроцентрические, со спутниками Маленькая; акроцентрическая, без спутников Аутосомы нумеруются от больших к меньшим, кроме хромосомы 21, которая меньше чем хромосома 22.

МЕТАФАЗНЫЕ ПЛАСТИНКИ ХРОМОСОМ ЧЕЛОВЕКА Увеличение 10 х100 Сплошное (рутинное) окрашивание

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ОКРАШИВАНИЕ ХРОМОСОМ 1. Методы, выявляющие поперечную исчерченность (чередование светлых и темных поперечных полос), специфичную для каждой хромосомы – Q, G и R-окрашивание. 2. Методы, селективно окрашивающие определенные участки хромосом – C, T, Ag-NOR и др.

ВСЕ ХРОМОСОМЫ ЧЕЛОВЕКА

QF QFQ QFH GT GTG GTW GAG CB CBG RF RFA RH RHG Q- флуоресцентное окрашивание Q-флуоресцентное окрашивание с акрихином Q-флуоресцентное окрашивание с Hoechst 33258 G-окрашивание с красителем Гимза (Giemsa) G-окрашивание с трипсином и красителем Гимза G-окрашивание с трипсином и красителем Райта (Wright) G-окрашивание с солями уксусной кислоты и красителем Гимза С-окрашивание с гидроксидом бария и красителем Гимза R- флуоресцентное окрашивание R-флуоресцентное окрашивание с акридином орнажевым R-окрашивание при нагревании с красителем Гимза

GTG -окраска

Q -окраска

C -окраска

ГЕТЕРОХРОМАТИН vs ЭУХРОМАТИН n n Эухроматин n Менее конденсированные районы хромосом n Транскрипционно активен Гетерохроматин n Плотные, компактные (конденсированные) районы хромосом, интенсивно окрашивается. n Обычно выявляются в зоне первичной перетяжки (центромера) n Транскрипционно неактивен (в целом) n Поздно реплицируется в S-фазе митоза (асинхронно с эухроматином)

Два вида гетерохроматина • I. Структурный (конституциональный) гетерохроматин • II. Гетерохроматизированные эухроматические районы (факультативный гетерохроматин)

I. Структурный (конституциональный) гетерохроматин n n Стабильно выявляется в хромосомах Генетически инертный (не содержит активно транскрибируемых генов)

ТИПЫ СТРУКТУРНОГО ГЕТЕРОХРОМАТИНА Ø Центромерный гетерохроматин Ø Гетерохроматин вторичных перетяжек (1 qh, 9 qh, 16 qh) Ø Гетерохроматин коротких плеч акроцентрических хромосом Ø Гетерохроматин хромосомы Y (Yqh)

НОМЕНКЛАТУРА ВАРИАНТОВ ХРОМОСОМ Варибельность длины (размеров) 16 qh+ увеличение длины гетерохроматического района длинного плеча хромосомы 16 Yqh+ увеличение гетерохроматического района длинного плеча хромосомы Y. увеличение размеров спутников на коротком плече 21 рs+ хромосомы 21 увеличение длины спутничной нити на коротком 22 рstk+ плече хромосомы 22. увеличение азмера ентромерного етерохроматина р ц г 13 cenh+mat хромосомы 13, унаследованное от матери 9 qh+, 15 cenh+ 21 ps+ увеличение длины гетерохроматического района длинного плеча хромосомы 9, увеличение центромерного гетерохроматина в хромосоме 15 и большие спутники на коротком плече хромосомы 21. Центромерный гетерохроматин (h), спутничные нити (stk) спутник (s)

II. Гетерохроматизированные эухроматические районы (факультативный гетерохроматин) n n Конденсированный и поэтому генетически инактивированный эухроматин Представлен только в одной в двух гомологичных хромосом (при инактивации одной из хромосом X – тельца Барра) или в отдельных районах хромосом, близких к району структурного гетерохроматина при хромосомных перестройках

ХРОМОСОМНЫЕ БЭНДЫ (BANDS) • Бэнд - участок хромосомы, отличающийся от соседних по интенсивности окраски, при использовании соответствующего метода дифференциально го окрашивания.

«… Бэнды отражают структурно-функциональную организацию генома, обусловливающую регуляцию репликации ДНК, репарацию, транскрипцию и генетическую рекомбинацию. Бэнды представляют собой крупные структуры, которые могут включать сотни генов. Молекулярной основой дифференциального окрашивания хромосом является нуклеотидный и белковый состав и функциональная организация соответствующих бэндам участков генома. G-позитивные бэнды (R-негативные) содержат АТбогатую, поздно реплицирующуюся ДНК, бедную генами G-негативные бэнды (R-позитивные) GC–богаты, обогащены генами, их ДНК рано реплицируется» . ISCN, 2009

Четко видимые ориентиры (landmarks) - постоянные и отчетливые морфологические особенности хромосом. Делят хромосомы на районы. К этим ориентирам относятся концы хромосомных плеч, центромеры и определенные, наиболее четко видимые бэнды. Нумерация бэндов и районов осуществляется в направлении от центромеры к теломере. 10

• первая цифра - номер хромосомы, в которой локализован данный бэнд; • второй символ (p или q) - плечо хромосомы; • третий символ – номер района, в состав которого входит бэнд; • четвертый символ – номер бэнда в составе района. 1 р31 - первый бэнд, локализованный в третьем районе короткого плеча хромосомы 1.

Бэнд 1 р31: суббэнды 1 р31. 1; 1 р31. 2; 1 р31. 3, 1 р36. 33 - дистальный элемент суббэнда 1 р36. 3 300 - 400 - 550 - 700 - 850 - бэндов

300 бэндов 550 бэндов 700 -бэндов

II. Структурно-функциональная организация хромосом ТЕЛОМЕРА Белки кинетохора ЦЕНТРОМЕРА ТЕЛОМЕРА Ø Хромосома содержит длинную линейную молекулу ДНК Ø Гены локализованы между центромерным и теломерными районами (от нескольких сотен до нескольких тысяч различных генов) Ø Каждая хромосома содержит центромеру, в которой формируется сайт узнавания белков кинетохора Ø Теломера содержит специализированные последовательности, которые локализованы на обоих концах линейной хромосомы Ø Повторяющиеся последовательности в основном локализованы в центромерных и теломерных районах, но могут быть диспергированы в других районах хромосом Гены Повторяющиеся последовательности

Три основных типа ДНК- последовательностей • Уникальная или неповторяющаяся • Умеренно повторяющаяся • Высоко повторяющаяся

Ø Уникальная или неповторяющаяся (6070% ядерной ДНК): § встречается один или несколько раз в геноме, § включает структурные гены и внутригенные области ØУмеренно повторяющаяся: § повторенные сотни и тысячи раз в геноме; § включает: - гены р. РНК и гистонов -мобильные элементы (short interspersed elements (SINES), long interspersed elements (LINES)

ØВысоко повторяющаяся (25 -28% ядерной ДНК): § повторенные сотни тысяч или даже миллионы раз в геноме ; § каждая копия относительно короткая (от нескольких до нескольких сотен нуклеотидов в длину); § включает: -сателлитная ДНК структурного гетерохроматина (центромерные, теломерные районы хромосом) -Alu-повторы

ЦЕНТРОМЕРНЫЙ РАЙОН ХРОМОСОМЫ Белки кинетохора ЦЕНТРОМЕРА Центромера - это структура, обеспечивающая удержание хромосом, правильность выстраивания хромосом в метафазной пластинке и их прикрепление к веретену; участок, ответственный за контроль наступления анафазы

ТЕЛОМЕРНЫЙ РАЙОН ХРОМОСОМЫ теломера ← Основной функцией теломер является сохранение целостности хромосомы и обеспечение ее полной репликации. теломера ←

СТРОЕНИЕ ТЕЛОМЕРЫ • Теломеры представляют собой в основном двунитевые некодирующие повторы (ТТАГГГ)n, заканчивающиеся 3’-однонитевым участком • Размер двунитевого участка варьирует от 3 до 20 т. п. н. , однонитевого – от 100 до 200 пар оснований «Теломеры состоят из сателлитных повторенных единиц TTAGGG и интенсивно окрашиваются методом Т-бэндинга» . (ISCN, 2009)

ФЕРМЕНТ ТЕЛОМЕРАЗА ОБЕСПЕЧИВАЕТ РЕПЛИКАЦИЮ ТЕЛОМЕРНОЙ ДНК Ø Резкое уменьшение активности теломеразы и укорочение теломер обычно сопутствует клеточной дифференцировке Ø Часто наблюдается зависимость размера теломеры от возраста человека (возраст-зависимое прогрессивное укорочение теломер) Феномен репликативного старения клеток, вызванного концевой недорепликацией ДНК, был предсказан А. Оловниковым в 1971 г. За биохимическое доказательство его идеи Э. Блэкберн (E. Blackburn), К. Грейдер (C. Greider) и Д. Шостак (J. Szostak) были удостоены в 2009 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине. Ø Нарушение организации теломерных районов приводит к хромосомным перестройкам

ЯДРЫШКО-ОБРАЗУЮЩИЕ РАЙОНЫ ХРОМОСОМ • Ядрышко-образующие районы хромосом (ЯОР) локализованы в коротких плечах акроцентрических хромосом человека 13, 14, 15, 21 и 22. На препаратах метафазных хромосом активные ЯО-районы выявляются как вторичные перетяжки и окрашиваются азотнокислым серебром

Окраска азотнокислым серебром (Ag-NOR)

В ЯОР локализованы гены (р. ДНК), кодирующие 18 S и 28 S рибосомную РНК (р. РНК) – участие в транскрипции РНК. Функция ЯОР состоит в формировании сложной фибриллярной системы ядрышка, в которую поступают продукты активности генов р. РНК. В среднем на геном человека приходится около 400 -500 копий генов р. РНК, Однако их общее число в геноме разных индивидов может значительно варьировать (от 200 до 700).

46, XY 46, XX