В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры ) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы, распределяющиеся между дочерними клетками.
В зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее, различают несколько форм хромосом: равноплечие, или метацентрические (с центромерой посередине), неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов), палочковидные, или акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы), и точковые - очень небольшие, форму которых трудно определить (рис.).
Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.
Рис. 3.52. Формы хромосом:
I - телоцентрическая, II - акроцентрическая, III - субметацентрическая, IV- метацентрическая;
1 - центромера, 2 - спутник, 3 - короткое плечо, 4 - длинное плечо, 5 - хроматиды
Рис. 3.53. Расположение локусов в хромосомах человека
при их дифференциальном окрашивании:
р - короткое плечо, q - длинное плечо; 1-22 - порядковый номер хромосомы; XY - половые хромосомы
На хромосомном уровне организации, который появляется в процессе эволюции у эукариотических клеток, генетический аппарат должен удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к субстрату наследственности и изменчивости: обладать способностью к самовоспроизведению, поддержанию постоянства своей организации и приобретению изменений, которые могут передаваться новому поколению клеток.
Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянной физико-химическую и морфологическую организацию хромосом в ряду клеточных поколений, под влиянием различных воздействий эта организация может изменяться. В основе изменения структуры хромосомы, как правило, лежит первоначальное нарушение ее целостности - разрывы, которые сопровождаются различными перестройками, называемыми хромосомными мутациями или аберрациями. О них – в следующей лекции.
Значение хромосомной организации в функционировании и наследовании генетического аппарата
Хромосомный уровень организации наследственного материала обеспечивает в эукариотической клетке не только определенный характер функционирования отдельных генов, тип их наследования, но и регуляцию их активности.
Хромосома как комплекс генов представляет собой эволюционно сложившуюся структуру, свойственную всем особям данного вида. Взаимное расположение генов в составе хромосомы играет немаловажную роль в характере их функционирования. Расположение гена в той или иной хромосоме определяет тип наследования соответствующего признака.
Принадлежность генов к одной хромосоме обусловливает сцепленный характер наследования детерминируемых ими признаков, а расстояние между генами влияет на частоту рекомбинации этих признаков в потомстве (правило Т. Моргана). Расположение генов в разных хромосомах служит основой независимого наследования признаков (закон независимого наследования признаков Г. Менделя).
Образуя в хромосоме устойчивый комплекс с гистонами, ДНК эукариотической клетки оказывается недоступной для других белков, осуществляющих транскрипцию (РНК-полимераза) и выполняющих регуляторные функции (см. разд. 3.6.6.4). Таким образом, гистоны, участвующие в пространственной организации ДНК в хромосоме, регулируют генную активность, угнетая ее.
При микроскопическом анализе хромосом прежде всего видны различия их по форме и величине. Строение каждой хромосомы сугубо индивидуальное. Можно заметить также, что хромосомы обладают общими морфологическими признаками. Они состоят из двух нитей - хроматид, расположенных параллельно и соединенных между собой в одной точке, названной центромерой или первичной перетяжкой. На некоторых хромосомах можно видеть и вторичную перетяжку. Она является характерным признаком, позволяющим идентифицировать отдельные хромосомы в клетке. Если вторичная перетяжка расположена близко к концу хромосомы, то дистальный участок, ограниченный ею, называют спутником. Хромосомы, содержащие спутник, обозначаются как АТ-хромосомы. На некоторых из них в тело-фазе происходит образование ядрышек.
Концевые участки хромосом имеют особую структуру и называются теломерами. Теломерные районы обладают определенной полярностью, препятствующей их соединению друг с другом при разрывах или со свободными концами хромосом. Участок хрома-тиды (хромосомы) от теломеры до центромеры называют плечом хромосомы. Каждая хромосома имеет два плеча. В зависимости от соотношения длин плеч выделяют три типа хромосом: 1) мета-центрические (равноплечие); 2) субметацентрические (неравноплечие); 3) акроцентрические, у которых одно плечо очень короткое и не всегда четко различимо.
На Парижской конференции по стандартизации кариотипов вместо морфологических терминов «метацентрики» или «акро-центрики» в связи с разработкой новых методов получения «полосатых» хромосом предложена символика, в которой всем хромосомам набора присваивается ранг (порядковый номер) по порядку убывания величины и в обоих плечах каждой хромосомы (р - короткое плечо, q - длинное плечо) нумеруются участки плеч и полосы в каждом участке по направлению от центромеры. Такая система обозначений позволяет детально описывать аномалии хромосом.
Наряду с расположением центромеры, наличием вторичной перетяжки и спутника важное значение для определения отдельных хромосом имеет их длина. Для каждой хромосомы определенного набора длина ее остается относительно постоянной. Измерение хромосом необходимо для изучения их изменчивости в онтогенезе в связи с болезнями, аномалиями, нарушением воспроизводительной функции.
"Дифференциальная окраска хромосом. В последние годы для более точной идентификации хромосом применяют специальные методы обработки и окрашивания хромосом. Каждая хромосома при этом приобретает свой специфический рисунок - чередова-
ние светлых и темных полос, отражающих различную функциональную активность отдельных районов хромосом. Окрашенные участки - это низкоактивные в генетическом отношении гетерохроматиновые районы хромосом, а неокрашенные - сильноактивные эухроматиновые районы. Гетерохроматин, как показало дифференциальное окрашивание, существует в двух формах: 1) конститутивной - постоянно действующей в хромосоме и 2) факультативной, которая выявляется лишь в части клеточного цикла или в одной из пар хромосом.
Разработано несколько методов дифференциальной окраски
Рис. 2. G-Окраска хромосом крупного рогатого скота (2л = 61, XX) (по С. Г. Куликовой)
Рис. 3. Комбинированная окраска хромосом крупного рогатого скота (по С. Г. Куликоаой)
хромосом: G, С, R, Q, NOR и др. (рис. 2, 3). Каждый из них имеет свое назначение. Так, полосы, окрашиваемые при С-ок-раске, идентифицируют со структурным, или конститутивным, гетерохроматином. NOR-Окраска позволяет выявить ядрыШко-образующие районы хромосом. С помощью дифференциальной окраски можно не только идентифицировать отдельные хромосомы, но и, что более важно, выявить незаметные при обычной окраске поломки и перестройки хромосом; установить, какие Хромосомы в избытке или недостатке; изучить изменчивость по гетерохроматиновым районам и т. д. и связь их с морфологическими и функциональными признаками.
Тонкое строение хромосом. Химический анализ структуры хромосом показал наличие в них двух основных компонентов: дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков типа гистонов и протаминов (в половых клетках). Исследования тонкой субмолекулярной структуры хромосом привели ученых к выводу, что каждая хроматида содержит одну нить - хромонему. Каждая хро-монема состоит из одной молекулы ДНК. Структурной основой хроматиды является тяж белковой природы. Хромонема уложена в хроматиде в форму, близкую к спирали. Доказательства этого предположения были получены, в частности, при изучении мельчайших обменных частиц сестринских хроматид, которые располагались поперек хромосомы.
Что такое хромосома? Этот вопрос подробно изучается на уроках биологии в средних классах. Но большинство подростков не интересует состав ДНК. Однако именно хромосомы несут ответственность за внешний вид, физические способности, интеллект человека и даже за высокое или низкое кровяное давление. Все данные об этом заложены в геноме еще до появления человека на свет. И даже минимальный сбой в цепочке ДНК становится причиной развития врожденных заболеваний. О том, что представляет собой хромосома и какой набор этих клеток должен быть - читайте в статье.
Что такое хромосома человека?
Из чего формируется наш организм? Как определяется разрез глаз либо количество пальцев на руках будущего человека, его способность к точным наукам или цвет волос? Генетики доказали, что вся базовая наследственная информация о человеке заложена в закрученной цепочке генов, состоящей из белков, а также дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот.
Длинная молекула ДНК - это 3,1 млрд генов. Но только половина из них хранят в себе информацию о человеке. Оставшиеся гены называют мусорными или пустыми, так как в них нет кодирующих данных.
Именно из цепи ДНК образуется важнейшая составляющая структуры генома - хромосома. Эта клетка, состоящая из белков и нуклеиновых кислот, предназначена для архивирования, реализации и передачи генных сведений.
Само понятие «хромосома» предложил в 1888 году известный немец, изучавшийстроение ДНК - Генрих Готфрид. Переводится слово как ‘окрашенное тело’. Такое название клетка получила за отличную реакцию на различные красители в ходе экспериментов.
Теория о том, что хромосомы человека несут ответственность за наследственность, была выдвинута генетиками еще вначале XX века, когда выявили, что в нуклеопротеидной единице собрано невероятно большое число генов, расставленных в конкретной очередности.
В результате экспериментов ученые определили, что за структуру хромосомы отвечает молекула ДНК, под влиянием которой гены образуют индивидуальный код. Эти закодированные сведения предопределяют все индивидуальные признаки будущего человека еще в процессе формирования плода в утробе матери.
Интересно то, что суммарная длина всех молекул ДНК в одной клетке равняется двум метрам. И это при том, что примерная длина самой клетки значительно меньше. Чтобы уместить ДНК в клетке, природа придумала специальный механизм, называющийся компактизацией. ДНК накручивается на «катушку» из белков-гистонов. После этого «катушки» сближаются и образуют петли. Так общая длина ДНК уменьшается более чем в 10 000 раз.
Сколько хромосом у человека?
Какое же количество хромосом у человека? До 1955 года считалось, что число хромосом у здорового человека равняется 24 парам. Но после ряда экспериментов, проведенных с использованием новейшей техники, выяснилось, что предыдущее мнение было ошибочно. Здоровый человек имеет 23 пары хромосом.
В гоносомах (половых клетках) и соматических клетках состав хромосом отличается. Половые клетки имеют лишь одну пару. Они отвечают за пол человека, так как различаются по составу генов.
Наборы хромосом бывают следующие:
- ХХ - у женщины;
- ХY - у мужчины.
При оплодотворении яйцеклетки женский набор на закладывание половых признаков не влияет, так как всегда передает Х-хромосому. Пол ребенка зависит исключительно от того, какие мужские хромосомы будут переданы. Какой именно код будет передан при зачатии, таким и будет пол будущего ребенка.
Остальные 22 хромосомные пары - одинаковые. Их называют аутосомными, они отвечают за определенный набор генов. Хромосомы при делении могут меняться, но набор из 23 пар имеет постоянное значение.
Неправильный набор хромосом - это результат определенных нарушений, наследственности либо негативного влияния экологической среды. В этом случае у человека возникают наследственные болезни.
Аномалии в наборе хромосом могут вызывать полиплоидию, когда клетки удваиваются. Если же клетки утраиваются или представлены четыре и пять раз - это триплоидия, тетраплоидия и пентаплоидия соответственно. При наличии таких отклонений чаще всего человек умирает сразу после рождения.
Примечательно, что в растительном мире полиплоидия представлена широко. Такие генетические сбои наблюдаются и у представителей животного мира - рыб, беспозвоночных. В случае, когда такие аномалии случаются у птиц, они всегда погибают.
В хромосомах природой закодирована вся информация, которая так или иначе влияет на нашу жизнь. А пока геном постоянно исследуется, ученые находят все новую информацию о коде человека. Возможно, в скором времени, наука сможет моделировать набор хромосом при случайных сбоях в ДНК.
Митотическая суперкомпактизация хроматина делает возможным изучение внешнего вида хромосом с помощью световой микроскопии. В первой половине митоза они состоят из двух хроматид, соединенных между собой в области первичной перетяжки (центромеры или кинетохора ) особым образом организованного участка хромосомы, общего для обеих сестринских хроматид. Во второй половине митоза происходит отделение хроматид друг от друга. Из них образуются однонитчатые дочерние хромосомы , распределяющиеся между дочерними клетками.
Формы хромосом (в зависимости от места положения центромеры и длины плеч, расположенных по обе стороны от нее):
1) равноплечие, илиметацентрические (с центромерой посередине);
2) неравноплечие, или субметацентрические (с центромерой, сдвинутой к одному из концов);
3) палочковидные , или акроцентрические (с центромерой, расположенной практически на конце хромосомы);
4) телоцентрические (точковые) - очень небольшие, форму которых трудно определить.
При рутинных методах окраски хромосом они различаются по форме и соотносительным размерам. При использовании методик дифференциальной окраски выявляется неодинаковая флуоресценция или распределение красителя по длине хромосомы, строго специфические для каждой отдельной хромосомы и ее гомолога.
Таким образом, каждая хромосома индивидуальна не только по заключенному в ней набору генов, но и по морфологии и характеру дифференциального окрашивания.
Формы хромосом:
I - телоцентрическая, II - акроцентрическая, III- субметацентрическая, IV- метацентрическая;
1 - центромера, 2 - спутник, 3 - короткое плечо, 4 - длинное плечо, 5 - хроматиды
По Денверской классификации хромосом , они располагаются попарно по мере убывания их величины, с учетом положения центромеры, налчия вторичных перетяжек и спутников. В практику хромосомного анализа широко входят методы дифференциального окрашивания хромосом. При обработке хромосом специальными красителями во флуоресцентном микроскопе видна исчерченность по длине хромосом (провел впервые Касперссон в 1968г, обрабатывал акрихинипритом, ныне есть и другие методы). Каждая пара хромосом характеризуется индивидуальной исчерченностью (равно как отпечаток пальцев). Идентификация хромосом позволяет составить идиограмму кариотипа.
На основании ряда критериев 22 пары хромосом человека классифицированы, половые хромосомы 23-й пары выделяются отдельно (Международная Денверская классификация, 1960г). Для идентификации применяют морфометрический метод и центромерный индекс. Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека была выработана на международных совещаниях, созывавшихся в Денвере (1960г), Лондоне(1963г) и Чикаго (1966г). 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 крупных субметацентрических хромосом.
Группа С (6-12) - хромосомы субметацентрические, средних размеров. Х-хромосома по размеру и морфологии сходна с хромосомами 6 и 7.
Группа D (13-15) - акроцентрические хромосомы средних размеров.
Группа Е (16-18) - средние хромосомы (16, 17 - метацентрические, 18 - акроцентрическая).
Группа F (19-20) - мелкие метацентрики, практически между собой не различимы.
Группа G (21-22) - две пары самых мелких акроцентрических хромосом. Y-хромосома выделяется как самостоятельная, но по морфологии и размерам она относится к группе G.
При этом хромосомы различных групп хорошо отличаются друг от друга, в то время как внутри группы их невозможно различить, за исключением группы А. Каждая хромосома человека содержит только ей свойственную последовательность полос, что позволяет точно идентифицировать каждую хромосому и с более высокой точностью определить, в каком сегменте произошла перестройка. Поперечная исчерченность хромосом есть результат неравномерной конденсации гетеро- (высокоспирализованная ДНК) и эухроматина (релаксированная ДНК) на протяжении всей длины хромосомы, отражающий порядок расположения генов в молекуле ДНК.
Кариотип человека в норме и при отклонениях обозначается таким образом:
46, XY - нормальный кариотип мужчины
46, XX - нормальный кариотип женщины
47, XX+G - кариотип женщины с лишней хромосомой из группы G
В настоящее время существует ДНК-маркеры (или зонды) для многих еще более мелких сегментов практически всех пар хромосом. С помощью таких ДНК-зондов можно точно оценить наличие или отсутствие определенного, даже очень маленького, сегмента в хромосоме.
Возможность идентификации хромосом позволяет выявлять хромосомные аномалии, как на уровне соматических клеток, так и первичных половых клеток. Эти аномалии возникают в трех случаях на 100 беременностей. Аномалии по крупным хромосомам не совместимы с жизнью и вызывают самопроизвольные выкидыши на разных сроках. Широко известна болезнь Дауна, когда в кариотипе присутствует лишняя 21-ая хромосома: 2п+1(+21). Частота рождаемости детей с трисомией по 21-ой хромосоме высокая 1:500 и продолжает расти в связи с неблагоприятным экологическим окружением, приводящем к нерасхождению 21 пары хромосом.
Хромосомы каждого вида животных и растений имеют свои морфологические особенности.
Общая морфология хромосом лучше всего выявляется на стадии метафазы и ранней анафазы, когда хромосомы наиболее укорочены и находятся в экваториальной плоскости. В метафазе и анафазе хромосомы одной клетки различаются по форме.
Типы хромосом определяются главным образом положением первичной перетяжки хромосомы, где располагается центромера.
Кроме первичной перетяжки, хромосома может иметь вторичную перетяжку, не имеющую отношения к прикреплению нитей веретена. Местонахождение этой перетяжки в хромосоме связано с формированием ядрышка. Этот участок хромосомы называется ядрышковым (нуклеолярным) организатором . Полагают, что он имеет сложную структуру и ответствен за синтез рибосомной РНК. Иногда на концах хромосом находятся небольшие тельца - спутники. Такие хромосомы называются спутничными .
Каждая хромосома обязательно имеет центромеру, выполняющую функцию механического центра хромосомы. Именно к ней в метафазе прикрепляется нить веретена, разводящая хромосомы к полюсам. Местоположение центромеры в разных хромосомах может быть различным, но оно типично для каждой хромосомы. Если центромера располагается в хромосоме посередине, то в метафазе хромосома выглядит как равноплечая V-образная, или метацентрическая. Если центромера делит хромосому на два неравных участка, то образуются или слабо неравноплечая - субметацентрическая или резко неравноплечая - акроцентрическая хромосомы. Размещение центромеры у конца хромосомы делает ее в метафазе палочкообразной, или телоцентрической. Предполагают, что центромера никогда не бывает на самом конце хромосомы. Участок хромосомы, располагающийся ближе к центромере, называют проксимальным , а отдаленный - дистальным .
Центромеры определяют ориентацию хромосом в митозе и их правильное расхождение к полюсам. Если тонким пучком ультрафиолетовых лучей облучить участок хромосомы с центромерой, то хромосома теряет эту ориентацию. В случае разлома хромосомы и потери центромеры бесцентромерный ее участок (ацентрический фрагмент) восстановить центромеру не может. В силу отсутствия центромеры такой ацентрический фрагмент не может распределяться нормально при клеточном делении и чаще всего утрачивается. Фрагмент сохранится лишь в случае, если он прикрепится к хромосоме, имеющую центромеру. Центромера содержит ДНК и также является самовоспроизводящейся структурной частью хромосомы.
Известны короткие палочковидные хромосомы, которые по всей своей длине или в значительной части обладают функцией центромеры - они имеют так называемую диффузную центромеру. Такие полицентрические хромосомы имеют много нитей веретена, прикрепляющихся к хромосоме по всей ее длине. В этом случае даже разорвавшиеся хромосомы могут нормально расходиться в анафазе. Природа этого явления остается пока мало исследованной.
На концах хромосом имеются сегменты, препятствующие склеиванию хромосом концами. Такие сегменты названы теломерами .
-