Структура хромосом
В ядре каждой соматической клетки организма человека содержится 46 хромосом. Набор хромосом каждого индивидуума, как нормальный, так и патологический, называется кариотипом. Из 46 хромосом, составляющих хромосомный набор человека, 44 или 22 пары представляют аутосомные хромосомы, последняя пара — половые хромосомы. У женщин конституция половых хромосом в норме представлена двумя хромосомами X, а у мужчин — хромосомами X и У. Во всех парах хромосом, как аутосомных, так и половых, одна из хромосом получена от отца, а вторая — от матери. Хромосомы одной пары называются гомологами, или гомологичными хромосомами. В половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках) содержится гаплоидный набор хромосом, т. е. 23 хромосомы. Сперматозоиды делятся на два типа, в зависимости от того, содержат они хромосому X или Y. Все яйцеклетки в норме содержат только хромосому X.
Хромосомы хорошо видны после специальной окраски во время деления клеток, когда хромосомы максимально спирализованы. При этом в каждой хромосоме выявляется перетяжка, которая называется центромерой. Центромера делит хромосому на короткое плечо (обозначается буквой «р») и длинное плечо (обозначается буквой «q»). Центромера определяет движение хромосомы во время клеточного деления. По положению центромеры хромосомы классифицируют на несколько групп. Если центромера располагается посредине хромосомы, то такая хромосома называется метацентрической, если центромера располагается ближе к одному из концов хромосомы, то ее называют акроцентрической. Некоторые акроцентрические хромосомы имеют так называемые спутники, которые в неделящейся клетке формируют ядрышки. Ядрышки содержат многочисленные копии рРН К. Кроме того, различают субметацентрические хромосомы, когда центромера расположена не посредине хромосомы, а несколько сдвинута к одному из концов, но не столь значительно, как в акроцентрических хромосомах.
Концы каждого плеча хромосомы называют теломерами. Установлено, что теломеры играют важную роль в сохранении стабильности хромосом. В теломерах содержится большое число повторов последовательности нуклеотидов, так называемых тандемных повторов. В норме во время клеточного деления происходит уменьшение числа этих повторов в теломерах. Однако каждый раз они достраиваются с помошью специального фермента, который называют теломеразой. Уменьшение активности этого фермента приводит к укорочению теломер, что, как полагают, является причиной гибели клеток, а в норме сопровождает старение.
До появления методов дифференциальной окраски хромосом их различали подлине, положению центромеры и наличию спутников. Выделяли 5 групп — от А до G, которые достаточно хорошо разделялись друг от друга. Однако внутри групп дифференциация хромосом представляла определенные трудности. Это изменилось, когда были разработаны методы дифференциальной окраски хромосом. Заметный вклад в разработку этих методов внес отечественный ученый А. Ф. Захаров.
Препараты хромосом можно приготовить из любых ядерных делящихся соматических клеток. Чаще их получают для лимфоцитов периферической крови. Лимфоциты выделяют из венозной крови и переносят в небольшое количество питательной среды с добавлением фитогемагглютинина. Фитогемагглютинин стимулирует деление лимфоцитов. Затем клетки культивируются при 37 °С в течение трех дней, после чего к культуре лимфоцитов добавляют колхицин, который останавливает деление клеток на стадии метафазы, когда хромосомы наиболее конденсированы. Клетки переносят на предметное стекло, к ним добавляют гипотонический раствор NaCl. Клетки лопаются, и хромосомы вытекают из них. Далее следует фиксация и окраска хромосом.
В последние годы появились новые методы визуализации хромосом или их участков. Методы представляют собой комбинацию из цитогенетических и молекулярно-генетических методов. Все они основаны на способности однонитевой ДНК соединяться с комплементарной последовательностью геномной ДНК, локализованной в хромосомах. Однонитевая ДНК, которая в этом случае является ДНК-зондом, нагружена специальным красителем, и после соединения с геномной ДНК зонд легко выявляется на хромосомном препарате (так называемая метафазная пластинка) при его микроскопировании в ультрафиолетовом свете. Этот метод получил название «флюоресцентной гибридизации in situ».
Все методы окраски хромосом позволяют выявлять их структурную организацию, которая выражается в появлении поперечной исчерченности, разной в разных хромосомах, а также некоторых других деталей.
Несколько различных методов окраски используют для идентификации отдельных хромосом. Наиболее часто используемым является метод с окраской хромосом красителем Гимза. Препараты хромосом при этом способе окраски сначала обрабатывают трипсином, который удаляет белки, содержащиеся в хромосоме. Затем на препарат наносят краситель Гимза, который выявляет в хромосомах характерный для каждой из них рисунок из светлых и темных сегментов. Обычно на гаплоидный набор можно насчитать до 400 сегментов. Если хромосомы перед окраской Гимза сначала нагревают, то рисунок полос сохраняется, но их цвет меняется на противоположный, т. е. темные полосы становятся светлыми, и наоборот. Этот метод окраски называется обратным бэндингом, или R-методом. Если до применения красителя Гимза препарат хромосом сначала обрабатывают кислотой, а затем щелочью, то окрашиваются преимущественно центромеры и другие районы, богатые гетерохроматином, содержащие высокоповторяющиеся последовательности ДНК. Разработаны также высокоразрешающие методы дифференциальной окраски хромосом. Они позволяют выявлять до 800 поперечных полос на гаплоидный набор хромосом.
Поперечные полоски, выявляемые при дифференциальной окраске, называют сегментами. Характер расположения сегментов по длине хромосом различен, что позволяет проводить достаточно точную идентификацию каждой хромосомы в кариотипе. Разработана форма представления идеального кариотипа с типичным рисунком полос на каждой хромосоме. Такая форма называется идеограммой.
Для удобства описания кариотипа предложена специальная система, в которой прежде всего различают плечи хромосомы: р — короткое и q - длинное, — и центромеру — сеn. Каждое плечо делится на области, причем счет идет от центромеры. Каждую область подразделяют на сегменты, счет которых также начинается с сегмента, расположенного ближе к центромере.
Материал, из которого построены хромосомы, называется хроматином. Он состоит из ДНК и окружающих ее гистонов и других белков. Та часть хроматина, которая слабо окрашивается специальными красителями для хромосом, называется эухроматином, а та, которая окрашивается интенсивно, — гетерохроматином. Считают, что эухроматиновые районы хромосом содержат активно экспрессирующиеся гены, гетерохроматиновые районы, напротив, включают неактивные гены и неэкспрессирующиеся последовательности ДНК.
Молекулярная структура хромосом достаточно сложна. Функция этой структуры заключается в такой упаковке ДНК, чтобы она поместилась в хромосоме. Если бы геномная ДНК была представлена в виде обычной двунитевой спирали, то она протянулась бы на 2 м. При упаковке ДНК используется все тот же принцип спирали, но он представлен несколькими уровнями. В результате сложной упаковки исходная длина молекулы ДНК уменьшается в 10 000 раз.