Глава 10. Хромосомы человека. Цитогенетическая диагностика

Теоретический обзор

Хромосомы человека

В 1870-е гг. окрашиваемые нитевидные структуры в ядрах эукариотических животных и растительных клеток во время их деления были описаны несколькими немецкими (В. Флеминг, О. Гертвиг, Э. Штрасбургер) и российским (И.Д. Чистяков) учёными. В ядрах клеток человека эти структуры впервые увидел Дж. Арнольд в 1879 г. Впоследствии, в 1888 г., В. Вальдейер назвал эти структуры хромосомами (от гр. chroma — «цвет», soma — «тело»). Количество хромосом у разных видов растений и животных варьирует в широких пределах от 1600 у радиолярий до четырёх у конской аскариды. Только в 1956 г. шведский учёный А. Леван и американский исследователь Дж.Х. Тио установили, что диплоидные клетки человека содержат 46 хро-
мосом.

Структурная организация хромосомы

В эукариотической клетке хромосомы локализованы в ядре. Индивидуальный набор хромосом в каждой клетке обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной информации своим потомкам. Хромосома состоит из хроматина, то есть комплекса двухцепочечной молекулы ДНК и белков, главным образом гистонов, обеспечивающих укладку почти двухметровой нити ДНК в пределах клеточного ядра, диаметр которого всего около 10–20 мкм. Упаковка хроматина в ядре эука­риотической клетки осуществляется в несколько этапов. Суще­ствует четыре уровня компактизации хроматина в хромосомах.

Первый уровень компактизации хроматина — нуклео­сомный. Нуклеосома — это структурная единица хроматина (см. Моле­кулярная цитология, глава 1). Основой нуклеосомы служит гисто­новый октамер, состоящий из четырёх видов гистонов: по два гистона Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Участок ДНК длиной 146 п.н. связывается с гистоновым октамером, формируя нуклеосому. Последовательность нуклеосом в составе хроматина образует нуклеосомную нить (эухроматин), в которой ДНК доступна для инициации синтеза РНК. С помощью электронного микроскопа нуклеосомы в составе нуклеосомной нити выявляются как «бусины», соединённые между собой участками так называемой линкерной ДНК. С учётом этих линкерных участков с одной нуклеосомой бывает связана ДНК длиной примерно 200 п.н.

Итак, комплекс ДНК с гистонами Н2А, Н2В, Н3 и Н4 формирует структурную основу хроматина — нуклео­сомную нить толщиной 11 нм (диаметр нуклеосом). Длина нитей ДНК на этом уровне её укладки укорачивается примерно в 5‒7 раз.

Линкерный гистон Н1 связывается с нуклеосомой с внешней стороны и обеспечивает стягивание линкерной ДНК на входе и выходе из нуклеосомы. Дополнительный эффект связывания гистона H1 с нуклеосомной нитью заключается в дальнейшей компактизации хроматина (рис. 10.1, А).

Рис. 10.1. Нуклеосомный и нуклеомерный уровни организации хроматина. А — ­нуклеосомная нить хроматина; нуклеосомы имеют вид «бусин на нити». Б — нуклео­мерная нить; образуется при взаимодействии молекул линкерного гистона H1

Второй уровень упаковки хроматина — нуклеомерный (соленоидный). В результате взаимодействия друг с другом молекул гистона H1 образуется нуклеомерная нить, или хроматиновое волокно, толщиной около 30 нм (рис. 10.1, Б). Один виток спирали содержит 6‒10 нуклеосом, а длина хромосомы укорачивается в 40‒50 раз. В этой структуре гетерохроматина молекула ДНК уже недоступна для ферментных комплексов, поэтому транскрипция невозможна.

Дальнейшие уровни компактизации хроматина осуществляются за счёт негистоновых белков.

Третий уровень упаковки хромосомы — хромомерный. Компактизация хроматиновых волокон происходит под влиянием специфических кислых белков с образованием петель размером 50 и более т.п.н., укладывающихся в хромомеры (петлевые домены). На этом этапе линейные размеры ДНК сокращаются в 700 раз. В интерфазном ядре в составе хромомеры несколько соседних петель соединяются в центре негистоновыми белками, образуя розетковидные структуры размером 100 нм. . В гетерохроматине интерфазного ядра компактизация хромосом дальше не происходит (рис. 10.2). В митотических хромосомах петли в составе хромомеры закреплены на белковом каркасе хромосомы, состоящем также из не­гистоновых белков. Сами хромо­меры тесно прилегают друг к другу с образованием хромонемы толщиной 300 нм (рис. 10.3, А).

Рис. 10.2. Хромомерный уровень компактизации. А — петля. Б — хромомера (­розетковидная укладка)

Рис. 10.3. Хроматидный уровень компактизации. А — спирализованная укладка хромомер с образованием хромонемы. Б — укладка петель хромонемы при формировании хроматиды

Четвёртый уровень упаковки хромосомы — хроматидный (рис. 10.3, Б). Хромонема спирализуется (складывается в петли) с образованием хроматиды толщиной 700 нм — одна из двух «половинок» дуплицированной метафазной хромосомы. За счёт всех уровней упаковки длина метафазной хромосомы сокращается в 10 000 раз. Суммарно процесс компактизации хроматина с образованием метафазной хромосомы представлен на рис. 10.4.

Кариограмма и кариотип

У человека 23 пары хромосом — 22 пары гомологичных аутосом и одна пара половых хромосом. У мужчины половые хромосомы представлены двумя различными хромосомами — X и Y, а у женщины — двумя гомологичными X-хромосомами. Таким образом, нормальный кариотип, или полный набор хромосом соматических клеток, записывается как 46, XX для женщины и 46, XY — для мужчины. Термин «кариотип» предложил отечественный цитолог Г.А. Левитский в 1924 году. По его определению, кариотип — это диплоидный набор хромосом клетки, характеризующийся их числом, величиной и формой. В современном