История учения о кариотипах человека

Содержание

1.Введение….3

2.История учения о кариотипах человека…3

3.кариотип…5

4.Анализ кариотипа. Цитогенический метод анализа хромосом человека…6

Нарушения нормального кариотипа...8

ВВЕДЕНИЕ

Одним из ключевых вопросов генетики человека является вопрос о строении и функционировании материальных основ наследственности. Сведения по каждому из трех уровней организации наследственных структур (генному, хромосомному, геномному) накапливаются в последние годы с удивительной быстротой, и можно надеяться, что недалеко то время, когда будет составлена довольно цельная картина наследственности человека. Уже и сейчас по этому вопросу человека можно отнести к числу наилучшим образом изученных объектов наряду с дрозофилой, мышью, кукурузой.1
Для правильного понимания значения наследственности в патологии человека необходимо иметь подробные сведения по трем частично взаимосвязанным разделам:
1) по морфологическому и химическому строению хромосом и кариотипа в целом;

2) по дискретным признакам человека, контролируемым единичными генами («инвентаризация» единиц наследственной изменчивости);

3) по «архитектонике» генов в хромосомах (сцепление генов и карты хромосом). По каждому из этих разделов накоплено много данных, их интенсивная разработка продолжается как в теоретическом, так и прикладном (клиническом) аспектах.
Принципы и основные разделы общей цитогенетики сформировались в течение 20-х и 30-х годов в основном благодаря исследованиям, проведенным на дрозофиле и некоторых растениях. Цитогепетика человека и млекопитающих, занимающая ведущее место в современой цитогенетике, развилась позже, главным образом в связи с методическими трудностями.

История учения о кариотипах человека.

Историю развития цитогенетики человека можно разделить на три периода. Первый охватывает период с прошлого века до середины 50-х годов и имеет сейчас сугубо исторический интерес. Это были поиски методических подходов к получению препаратов хромосом человека замечательными своей настойчивостью и трудолюбием цитологами того времени (А. Г. Андрес, 1934). Хотя нашими цитогенетиками А. Г. Андресом и М. С. Навашиным были правильно описаны первые 10 пар крупных хромосом, однако не было достоверно установлено даже общее число хромосом в клетках человека. Неизвестной оставалась также их морфология.
Второй период, начало которому было положено работой Tjio и Levan в 1956 г., характеризовался возникновением и бурным развитием современной цитогенетики человека. Довольно быстро были разработаны все основные методические приемы хромосомного анализа, получены фундаментальные сведения о кариотипе человека, об основных особенностях строения и функционирования его нормальных хромосом. Именно в этот период зародилась медицинская цитогенетика, которая открыла новую область патологии человека, обусловленную изменением числа или структуры хромосом.
Третий период развития цитогенетики человека начался в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. Ряд методических нововведений обеспечили переход цитогенетики на качественно иной уровень. Реализовалась возможность изучения индивидуальности хромосом человека и даже их участков. Это сразу подняло на новый уровень медицинскую цитогенетику. Стало возможным исследовать комплексно морфологию, функцию, химические особенности строения и надмолеку-лярную организацию хромосом человека. Развитие в эти же годы методов генетического картирования хромосом человека обеспечило решение самой сложной задачи — создание генетических карт хромосом.
Таким образом, современная цитогенетика человека представляет собой богатую фактическим материалом, разветвленную самостоятельную область генетики человека. В настоящее время задача идентификации всех элементов человеческого кариотипа при анализе на стадии митоза решена на основе применения дифференциальных окрасок хромосом.
Хромосомы как индивидуальные структуры становятся доступными для исследования после значительного укорочения и утолщения, которые они испытывают в период подготовки клетки к делению. Для соматических клеток таким делением является митоз, для генеративных — сначала митоз, а затем мейоз.

Хромосомы — структурные элементы ядра клетки эукариот, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация организма (см. Нуклеиновые кислоты). Они интенсивно окрашиваются основными красителями, поэтому немецкий ученый В. Вальдейер в 1888 г. и назвал их хромосомами (от греческих слов chroma — цвет и soma — тело). Хромосомой также часто называют кольцевую ДНК бактерий, хотя структура ее иная, чем у хромосом эукариот. ДНК в составе хромосом может быть уложена с разной плотностью, в зависимости от их функциональной активности и стадии клеточного цикла. В связи с этим различают два состояния хромосом — интерфазные и митотические. Митотические хромосомы образуются в клетке во время митоза. Это неработающие хромосомы, и молекулы ДНК в них уложены чрезвычайно плотно. Достаточно сказать, что общая длина метафазных хромосом примерно в 104 раз меньше, чем длина всей ДНК, содержащейся в ядре. Благодаря такой компактности митотических хромосом обеспечивается равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками при митозе. Интерфазными называются хромосомы (хроматин), характерные для стадии интерфазы клеточного цикла. В отличие от митотических это работающие хромосомы: они участвуют в процессах транскрипции и репликации. ДНК в них уложена менее плотно, чем в митотических хромосомах. Помимо ДНК хромосомы содержат также белки двух видов — гистоны (с щелочными свойствами) и негистоновые белки (с кислотными свойствами), а также РНК. Гистонов всего 5 видов, негистоновых белков значительно больше (около сотни). Белки прочно связаны с молекулами ДНК и образуют так называемый дезоксирибонуклеопротеиновый комплекс (ДНП). Белки определяют, вероятно, основную укладку ДНК в хромосоме, участвуют в репликации хромосомы и регуляции транскрипции.

Схема общей морфологии хромосом: а — метацентрическая (равноплечая) хромосома; б — субметацентрическая (неравноплечая) хромосома; в — акроцентрическая (неравноплечая) хромосома; г — хромосома, имеющая вторичную перетяжку; т — теломера; ц — центромера; яор — ядрышкообразующий район.

Кариотип — совокупность признаков хромосомного набора: форма хромосом, их количество, размеры, характерные для каждого вида.

Препараты хромосом человека можно приготовить из всех тканей и клеточных суспензий, содержащих делящиеся клетки. Но чаще препараты метафазных хромосом готовят из лимфоцитов периферической крови, которые предварительно культивируют в присутствии митогена (вещество, способное индуцировать митоз, в частности, фитогемагглютинин). Этот метод был предложен Мурхедом с соавт. в 1960 г.

Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960), Лондоне (1963) и Чикаго (1966). Согласно рекомендациям этих конференций, хромосомы располагаются в порядке уменьшения их длины. Все хромосомы разделены на семь групп, которые были обозначены буквами английского алфавита от А до G. Все пары хромосом было предложено нумеровать арабскими цифрами.

Группа А (1—3) — самые крупные хромосомы. Хромосомы 1 и 3 — метацентрические, 2 — субметацентрическая. Группа В (4—5) — две пары довольно длинных субметацентрических хромосом. Группа С (6—X—12) — хромосомы средних размеров. Хромосомы б, 7, 8 и 11 больше похожи на метацентрики (центромерный индекс 40-30%). Хромосомы 9, 10 и 12 — субметацентрики. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7. Группа D (13—15) — акроцентрические хромосомы средних размеров. Группа Е (16— 18) — довольно короткие хромосомы. Хромосома 16 более метацентрична, часто на промаксимальном конце длинного плеча имеется вторичная перетяжка. Группа F (19-20) — самые маленькие метацентрики, практически между собой не различимы. Группа G (21-22) — две пары самых мелких акроцентрических хромосом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная.

При этом хромосомы различных групп хорошо отличаются друг от друга, в то время как внутри группы их невозможно различить, за исключением группы А.

Анализ кариотипа. Цитогенетический метод анализа хромосом человека

Анализ кариотипа человека проводят в культуре делящихся соматических и половых клеток. Наиболее часто при цитогенетических исследованиях в медицинской генетике используют культуру клеток периферической крови, прежде всего лимфоцитов, костного мозга и фибробластов. Наиболее доступны для исследований лимфоциты периферической крови, которые, в большинстве случаев и служат объектом цитогенетического анализа у человека в постнатальном периоде. Для анализа кариотипа плода могут быть использованы различные клеточные культуры; их выбор диктуется сроком беременности, в котором проводится исследование. Так, на раннем сроке (до 12 недель внутриутробного развития) анализ хромосом целесообразно проводить в клетках ворсин хориона, в то время как в более позднем сроке цитогенетическому исследованию подвергают клетки плода, выделенные из амниотической жидкости, пуповинной крови и плаценты.

Для исследования кариотипа человека достаточно получить образец периферической крови в количестве 1-2 мл. Цитогенетический анализ включает три основных этапа: 1) культивирование клеток; 2) окраску препарата; 3) микроскопический анализ препарата. Культивирование клеток проводится следующим образом. После забора образец крови помещают в питательную солевую среду с добавлением цельной сыворотки крупного рогатого скота и белка бобовых растений — фитогемагглютинина, стимулирующего процесс деления клеток.

Успех цитогенетического исследования в значительной мере определяется тем, сколько клеток в культуре будут находиться в стадии метафазы. Для увеличения количества метафазных клеток за полтора часа до окончания культивирования в культуру вводят колхицин, который разрушает клеточное веретено, приостанавливает деление клеток на стадии метафазы и увеличивает конденсацию хромосом. Обычно, продолжительность культивирования составляет 72 ч. После его окончания клетки с питательной средой центрифугируют и помещают в гипотонический раствор хлорида калия или цитрата натрия. Гипотоническая обработка приводит к разрыву ядерной оболочки и межхромосомных связей и свободному перемещению хромосом в цитоплазме. После этого производится фиксация клеток смесью метанола и уксусной кислоты в соотношении 3:1, после чего клеточную суспензию раскапывают на охлажденные влажные предметные стекла и высушивают на воздухе.

На следующем этапе цитогенетического исследования производится окраска препаратов. В зависимости от целей исследования, то есть оттого, какой именно тип перестроек необходимо выявить, можно использовать различные виды окрашивания.

Наиболее простой метод окрашивания хромосом, называемый в настоящее время сплошным или рутинным, применяют для определения количества хромосом в препарате и выявления геномных мутаций и анеуплоидий. При этой окраске используют краситель Гимзы, который равномерно прокрашивает хромосомы по всей длине, что дает возможность идентифицировать хромосомы и оценить их количество в препарате. Этот метод окраски успешно применялся до 70-х годов прошлого века и позволил выявить этиологию большинства хромосомных синдромов, характеризующихся изменением количества хромосом. В настоящее время сплошное окрашивание применяют, в основном, для выявления количественных аномалий кариотипа, а также специфического сайта ломкости при синдроме фрагильной X-хромосомы. Препарат метафазных хромосом человека, окрашенных по всей длине, представлен на рисунке.

Однако использование рутинного метода окраски не позволяет выявлять структурные перестройки хромосом. В этих случаях применяют специальные методы, так называемой, дифференциальной окраски, в результате которой хромосомы приобретают поперечную исчерченность. Расположение и толщина темных и светлых полос строго индивидуальны для каждой хромосомы, что позволяет проводить их точную идентификацию и выявлять структурные перестройки. Для объяснения возникновения различно окрашенных полос на хромосомах выдвигается несколько гипотез: различия в количественном содержании А—Т- и G—С-пар оснований, особенности строения нуклеосом, а так же асинхрониость репликации различных участков ДНК.

Наибольшее распространение получил простой и эффективный G-метод дифференциального окрашивания. В этом случае для окрашивания хромосом также используют краситель Гимзы, однако, хромосомы предварительно обрабатывают раствором трипсина. Процедура окрашивания занимает от 5 до 10 минут и приводит к появлению специфичного для каждой хромосомы рисунка поперечной исчерченности. Показано. что количество полос в метафазных и прометафазных пластинках существенно различается: в метафазных пластинках их число достигает 400, а в прометафазных - от 800 до 1000. Препарат метафазных хромосом человека, окрашенных по G-методу, представлен на рисунке.

Другие методы окраски используются реже вследствие их сложности или узкой специфичности. R-метод обусловливает сегментацию хромосом, противоположную той, которая имеет место при окраске G-методом.

С-метод дифференциальной окраски позволяет анализировать лишь некоторые районы хромосом - участки так называемого конститутивного гетерохроматина, локализованного в околоцетромерных областях длинных плеч хромосом 1, 9 и 16, в длинном плече Y-хромосомы, а также в коротких плечах акроцентрических хромосом.

Для дифференциальной окраски хромосом могут использоваться флуорохромы: акрихин, акрихин-иприт, квинакрин и другие (Q-метод окраски). По результатам дифференциальной флуоресцентной окраски идентифицируют каждую пару гомологов, а по свечению Y-хроматина определяют наличие Y-хромосомы в интерфазном ядре.

Третий этап исследования кариотипа человека заключается в световом микроскопировании фиксированных и окрашенных препаратов метафазных хромосом. Для адекватного выявления хромосомных аномалий необходимо проанализировать не менее 30 метафазных пластинок. В том случае, если предполагается мозаицизм по хромосомным аномалиям, количество анализируемых хромосом должно быть увеличено. Число клеток (n) необходимых для анализа с целью определения заданного уровня мозаицизма можно определить по формуле биноминального распределения: Р = (1 — р)ⁿ, где р — заданный уровень мозаицизма, Р - вероятность обнаружения мозаицизма. Учитывая, что в различных клетках организма количество нормальных и аномальных клонов может различаться, для выявления мозаицизма может потребоваться анализ нескольких тканей, например, клеток крови, фибробластов, половых желез.

Современные методы кариотипирования обеспечивают детальное обнаружение хромосомных аберраций (внутрихромосомных и межхромосомных перестроек), нарушения порядка расположения фрагментов хромосом - делеции, дупликации, инверсии, транслокации. Такое исследование кариотипа позволяет диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры или множественностью клеточных кариотипов в организме.

Нарушения нормального кариотипа у человека возникают на ранних стадиях развития организма. Если это происходит в половых клеток будущих родителей (в процессе гаметогенеза), то кариотип зиготы (см.), образовавшейся при слиянии родительских клеток, также оказывается нарушенным. При дальнейшем делении такой зиготы все клетки эмбриона и развившегося из него организма окажутся с одинаково аномальным кариотипом. Однако, нарушения кариотипа могут возникнуть и на ранних стадиях дробления зиготы. Развившийся из такой зиготы организм содержит несколько линий клеток (клеточных клонов) с разными кариотипами. Такое многообразие кариотипов во всём организме или только в некоторых его органах называют мозаицизмом.

Как правило, нарушения кариотипа у человека сопровождаются различными, в том числе комплексными, пороками развития, и большинство таких аномалий несовместимо с жизнью. Это приводит к самопроизвольным абортам на ранних стадиях беременности. Однако достаточно большое число плодов (~2,5%) с аномальными кариотипами донашивают до окончания беременности.

Ниже приведена таблица, в которой представлены заболевания, обусловленные нарушениями в кариотипе.

Поиск по сайту: