Введення.
Одним з ключових питань генетики людини є питання про будову і функціонування матеріальних основ спадковості. Відомості по кожному з трьох рівнів організації спадкових структур (генному, хромосомні, геномної) накопичуються в останні роки з дивовижною швидкістю, і можна сподіватися, що недалеко той час, коли буде складено досить цілісна картина спадковості людини. Уже й зараз з цього питання людини можна віднести до числа найкраще вивчених об'єктів поряд з дрозофіли, мишею, кукурузой.1
Для правильного розуміння значення спадковості в патології людини необхідно мати докладні відомості за трьома частково взаємопов'язаним розділами:
1) по морфологічним і хімічній будові хромосом і каріотипу в цілому; 2) за дискретним ознаками людини, контрольованим одиничними генами ( «інвентаризація» одиниць спадкової мінливості); 3) за «архітектоніці» генів в хромосомах (зчеплення генів і карти хромосом). По кожному з цих розділів накопичено багато даних, їх інтенсивна розробка триває як в теоретичному, так і прикладному (клінічному) аспектах.
Принципи та основні розділи загальної цитогенетики сформувалися протягом 20-х і 30-х років в основному завдяки дослідженням, проведеним на дрозофілі і деяких рослинах. Цітогепетіка людини і ссавців, що займає провідне місце в сучасній цитогенетики, розвинулася пізніше, головним чином у зв'язку з методичними труднощами.
Історію розвитку цитогенетики людини можна розділити на три періоди. Перший охоплює період з минулого століття до середини 50-х років і має зараз суто історичний інтерес. Це були пошуки методичних підходів до отримання препаратів хромосом людини чудовими своєю наполегливістю і працьовитістю цитологами того часу (А. Г. Андрес, 1934). Хоча нашими цитогенетики А. Г. Андресом і М. С. Навашиним були правильно описані перші 10 пар великих хромосом, однак не було достовірно встановлено навіть загальне число хромосом у клітинах людини. Невідомою залишалася також їх морфологія.
Другий період, початок якому було покладено роботою Tjio і Levan в 1956 р., характеризувався виникненням і бурхливим розвитком сучасної цитогенетики людини. Досить швидко були розроблені всі основні методичні прийоми хромосомного аналізу, отримані фундаментальні відомості про каріотипі людини, про основні особливості будови і функціонування його нормальних хромосом. Саме в цей період зародилася медична цитогенетика, яка відкрила нову область патології людини, що обумовлена зміною числа або структури хромосом.
Третій період розвитку цитогенетики людини почався в 70-х роках. Його по праву можна вважати початком сучасного етапу в розвитку науки про цитологічних основи спадковості людини. Ряд методичних нововведень забезпечили перехід цитогенетики на якісно інший рівень. Реалізована можливість вивчення індивідуальності хромосом людини і навіть їх ділянок. Це відразу підняло на новий рівень медичну цитогенетики. Стало можливим досліджувати комплексно морфологію, функцію, хімічні особливості будови і надмолеку-лярні організацію хромосом людини. Розвиток в ці ж роки методів генетичного картування хромосом людини забезпечив рішення самої складної задачі - створення генетичних карт хромосом.
Таким чином, сучасна цитогенетика людини являє собою багату фактичним матеріалом, розгалужену самостійну область генетики людини. В даний час завдання ідентифікації всіх елементів людського каріотипу при аналізі на стадії мітозу вирішена на основі застосування диференціальних фарбувань хромосом.
Хромосоми як індивідуальні структури стають доступними для дослідження після значного укорочення і потовщення, яке вони відчувають у період підготовки клітини до поділу. Для соматичних клітин таким поділом є мітоз, для генеративних - спочатку мітоз, а потім мейоз.
Глава 1. Мітотичний хромосоми.
Основні відомості про хромосомному наборі людини в цілому і про індивідуальні хромосомах отримані в результаті вивчення хромосом в метафазі мітозу. На цій стадії мітозу чітко видно, що диплоїдний набір хромосом людини складається з 46 елементів: 22 пар аутосом і однієї пари статевих хромосом (XX в жінок і XY в чоловіків). На стандартно забарвлених препаратах форма метафазних хромосом визначається місцем розташування первинної перетяжки, яка формується завдяки деконденсаціі функціонуючого в метафазі центромерного району. В окремих хромосомах можуть існувати додаткові перетяжки, що називаються вторинними. У разі локалізації такий перетяжки на кінці хромосоми відокремлюваний нею дистальний ділянка хромосоми називається супутником.
За формою і загальними розмірами всі аутосомы людини легко підрозділяються на 7 груп, що позначаються латинськими літерами від А до G (рис. 8). Крім цього, всі аутосомы в порядку зменшення загальної довжини нумеруються (від 1 до 22).
Довжина однієї і тієї ж хромосоми в мітозі значно варіює, оскільки і в стадії метафази триває процес природної конденсації хромосоми, який значно посилюється колхіцином. Тому для ідентифікації служить показник відносної, а не абсолютної довжини хромосоми. Однак його надійність обмежується тим, що хромосоми володіють різною довжиною, а в даній хромосомі плечі різних розмірів скорочуються неоднаково: вкорочення довших відбувається швидше в порівнянні з короткими. Це не позначається на зазначеній вище груповий характеристиці, але перешкоджає ідентифікації близьких за розміром і формою хромосом усередині груп. Труднощі в індивідуальній ідентифікації хромосом посилюються також тим, що диференціальна конденсація може мати місце і між гомологічними хромосомами, обумовлюючи гетероморфізм гомологів. В даний час потреба у використанні методу морфометрії і обумовлених з її допомогою лінійних параметрів хромосоми фактично відпала у зв'язку з введенням у практику хромосомного аналізу диференціальних фарбувань хромосом.2
Аналіз спонтанних вторинних перетяжок, включаючи спутнічние, помітно не полегшує розпізнавання окремих хромосом. З їх допомогою найбільш регулярно можна виділити аутосому 9, часто володіє значною перетяжкою в околоцентромерном районі довгого плеча. Спутнічной перетяжкою володіють всі десять акроцентріческіх хромосом людини, a D-або G-хромосоми за цією ознакою в межах груп не розрізняються.
Морфологічна однорідність хромосоми по довжині, як вона вимальовується при мікроскопічному вивченні метафазних хромосом на рутинно приготовлених і забарвлених препаратах, насправді виявляється оманливою. Методичний прогрес у цитогенетики людини і вищих еукаріотів в цілому, який мав місце протягом останніх 15-20 років, призвів до відкриття глибокої лінійної диференційованості хромосоми у відношенні і структури, і функції. Ця диференційованість, індивідуальна для кожної хромосоми, порівняно легко виявляється у метафазі мітозу. Завдяки цьому в сучасній цитогенетики людину можна ідентифікувати всі хромосоми не по окремим і випадковим ознаками, а по істотних сторонам їх структурно-функціональної організації. У практиці цитогенетичного аналізу з цієї целью.ісследуют диференціальну конденсації хромосом, хронологію реплікації ДНК в хромосомах або диференціальну окрашіваемость хромосом (А. Ф. Захаров, 1977).
Диференціальне конденсації ділянок хромосоми - один із суттєвих її характеристик, найбільш повно виражена в інтерфазних ядрі. У природних умовах перебігу мітозу хромосомні ділянки, різко розрізняються за ступенем конденсації в період інтерфази, в метафазі виглядають практично однаково. Лише при спеціальних способах світловий або електронної мікроскопії вдається виявити неоднорідну лінійну структуру зовні гомогенної метафазних
хромосоми (Bahr, Larsen, 1974). Вирівнювання циклів конденсації в різних ділянках хромосом можна загальмувати штучно. З цією метою особливо успішно застосовується 5-бромдезоксіурідін (А. Ф. Захаров, 1973, 1977;
Dutrillaux, Lejeune, 1975). У присутності цієї речовини хромосоми вступають в метафазі нерівномірно ущільненими по своїй довжині. У результаті ретельного вивчення їх морфології показано, що кожна хромосома людини має строго постійне і специфічне чергування нормально і слабо конденсованих ділянок і за цією ознакою може бути ідентифікована.
Внутріхромосомная асинхронність реплікації ДНК є другою найважливішою рисою лінійної неоднорідності хромосоми, яка може бути виявлена в метафазі мітозу. Протягом півтора десятка років ця риса хромосомної організації була доступна вивчення методом радіоавтографіі хромосом (за ред. А. А. Прокоф'євої-Бельговським, 1969; А. Ф. Захаров, 1977; Giannelli, 1970, 1974). На основі цього методу були розкриті принципові закономірності репродукції хромосом людини, серед яких асинхронність репродукції різних ділянок хромосоми, сталість і специфічність порядку репродукції для даної хромосоми є найважливішими. Проте ідентифікацію індивідуальних хромосом радіоавтографія просунула менше, ніж цього очікували. На радіоавтографах додатково вдається розрізнити аутосомы 4 і 5, 13, 14 і 15, 17 і 18. У жіночих клітинах один з двох Х-хромосом відрізняється пізнім початком і пізнім закінченням синтезу ДНК. Незважаючи на обмеженість даних, отриманих методом радіоавтографіі, цей прийом виявився винятково корисним у поліпшенні ідентифікації аномалій вказаних хромосом і допоміг у виділенні кількох нових самостійних синдромів у хромосомної патології.
Істотний прогрес у вивченні послідовності синтезу ДНК по довжині кожної хромосоми людини в нормі, її взаємозв'язку з іншими характеристиками хромосомної організації, її стану у випадках чисельних або структурних змін в хромосомному наборі відбувається в даний час завдяки використанню в якості попередника синтезу ДНК аналога тимідину - 5 -- бромдезоксіурідіна. Ослаблена здатність до фарбування ділянок хромосоми, які додали цей попередник, озброїла цитогенетики точним методом вивчення хронології хромосомної репродукції, можливості якого лімітуються лише роздільною здатністю світлової мікроскопії. Реплікаційний структура всіх хромосом людини виявляється з граничною ясністю, і вона може бути описана в чітких морфологічних термінах.
Кожна хромосома складається з ділянок, вносяться в різний час. Є чітке чергування районів з ранньої та пізньої реплікацією. У метафазних хромосомі
такі ділянки добре помітні за допомогою світлового мікроскопа. Специфічність Реплікаційний структури кожної хромосоми складається з індивідуальності розмірів, числа і взаємного розташування розрізняються хромосомних районів (рис. 9).
На відміну від викладених вище двох феноменів нерівномірного фарбування хромосом по довжині, викликаного включенням в ДНК 5-бромдезоксіурідіна, під диференціальної окрашіваемостью хромосом мається на увазі здатність до виборчого фарбування по довжині хромосоми, не модифікованої прижиттєво будь-якими впливами. Диференціальне фарбування хромосом в цьому випадку забезпечується порівняно простими температурно-сольовими впливами на фіксовану хромосому.
Важливо відзначити, що при всій різноманітності подібних обробок хромосомних препаратів після фіксації і застосовуваних флуорохромних або нефлуоресцірующіх барвників що виявляється лінійна неоднорідність хромосоми завжди одна й та ж. Її малюнок змінюється лише в залежності від ступеня ущільненості хромосоми: в довших, слабкіше скорочених хромосомах стає помітною подальша неоднорідність тих сегментів, які виглядали гомогенно пофарбованими в сильно конденсованих хромосомах. Диференціальне фарбування може спостерігатися або по всій довжині хромосоми (Q-, G-і R-сегменти), або в її центромерном районі (С-сегменти).
Найбільш чітке уявлення про малюнок диференціального фарбування хромосом по всій довжині можна отримати при фарбуванні препаратів по G-методикою, використовуючи барвник Гимзе (рис. 10). На таких препаратах хромосоми виглядають поперечно-смугастих, по-різному пофарбованими сегментами ( «banding»). Малюнок кожної пари хромосом є специфічним для неї. Розміри сегментів неоднакові. У дрібних хромосомах груп F і G малюнок утворюється одиничними сегментами, у великих хромосомах їх багато. Загальна кількість забарвлених і нефарбованих сегментів в нормальному хромосомному наборі середнього ступеня конденсації, відповідно до Паризької номенклатурою, так само 322. У прометафазних хромосомах їхнє число збільшується до 1000 і більше.
На Паризькій конференції з номенклатурою у цитогенетики людини була розроблена і в даний час увійшла в практику цитогенетичного аналізу система позначення сегментів нормальних хромосом і хромосом, що піддалися тим чи іншим структурним перебудовам (Paris Conference, 1971). На рис. 11 наведено приклад цієї системи для аутосомы 1.
Незалежно від того, як вирішується питання про природу диференціальної окрашіваемості хромосом, засновані на цьому феномені цитологічні карти мають виключне значення для розвитку цитогенетики людини. З їх допомогою вдається віднести генетичні маркери не просто до того чи іншого хромосомному плеча, а до певного району хромосоми. У медичній цитогенетики стало реальним виявлення походження аномальних хромосом аж до точного опису районів.
Другий вид диференціального фарбування хромосом розкриває специфічність околоцентромерних районів в хромосомах людини. У різних хромосомах розміри С-сегментів різні, вони особливо великі в аутосомах 1, 9 та 16. Проте ідентифікувати з цієї забарвленням схожі за розміром і формою хромосоми не вдається. У Y-хромосомі З-хроматин локалізується в дистальної частини довгого плеча. В одній і тій же хромосомі у різних індивідів його зміст може відрізнятися.
Глава 2. Мейотіческіе хромосоми.
Мейоз об'єднує серію різних процесів, в ході яких первинні зародкові клітини диференціюються в зрілі статеві клітини. На початку цієї серії сперматогонії (оогоній) перетворюються на первинні сперматоціти (ооцити). Центральною подією є перший мейотіческое поділ сперматоціта (ооцита), в ході якого хромосоми відчувають особливо складні специфічні перетворення в період профази. Перша мейотіческая профази поділяється, як відомо, на п'ять стадій: лептотену, зіготену, пахітену, діплотену і діакінез. На відміну від мітозу, профази якого в цитогенетичним аналізі практично не використовується, профазние хромосоми перший мейотіческого поділу представляють дуже великий інтерес для цітоге-нетікі людини. Метафазних хромосоми перший мейотіческого поділу, що є бівалентамі гомологічних хромосом, представляють собою менш диференційовані структури в порівнянні з метафазних мітотичним хромосомами. Хромосоми другий мейотіческого поділу майже не використовуються в цитогенетики людини.
Перебіг мейозу в чоловічому та жіночому організмі значно розрізняється в декількох аспектах: період онтогенезу, тривалість окремих фаз, морфологія мітотичних перетворень.
У чоловіків мейотіческіе поділу починаються в період статевого дозрівання і протікають безперервно протягом всього наступного статевозрілого стану. Цей процес на відміну від жіночого мейозу не носить циклічного характеру. У насінниках одночасно дозріває велика кількість гамет, тому гонади статевозрілого чоловіки можуть служити джерелом мейотіческі діляться клітин у будь-який момент. На хромосомних препаратах одночасно вдається бачити різні мейотіческіе фігури, від сперматогоніальних метафазі до ме-тафаз другу мейотіческого поділу. Тривалість перетворень від сперматогонії до сперматозоїдів займає близько 8-9 тижнів. Загальна тривалість окремих стадій дуже різна, тому клітини різних стадій зустрічаються з однаковою частотою. Найбільш важливі для цітогене-тичного аналізу стадії пахітени і діакінеза зазвичай представлені достатнім числом клеток.3
У жіночому організмі мейоз протікає в дві е.тапа, розділених великим проміжком часу. Перший етап, який включає формування оогоній і проходження першого мейотіческого поділу, проходить в ембріональних яєчниках. До моменту народження дівчинки в яєчниках все оогоній диференційовані ооцити, а останні пройшли стадії лептотени - пахітени і зупинилися в стадії діплотени. Перебування в цій стадії, що отримала назву діктіотени, триває весь постнатальний період життя жінки. Подальший розвиток клітини зі стадії діктіотени у зрілу яйцеклітину відбувається циклічно, по одній клітці щомісяця, і закінчується овуляцією. Викладене пояснює, чому ранні стадії першого мейотіческого поділу у жінки можна аналізувати лише в ранньому ембріональному періоді, а наступні стадії в звичайних умовах вивченню недоступні.
Основні відомості з організації мейотіческіх хромосом людини отримані при вивченні клітин сім'яників. Можна виділити наступні аспекти цих досліджень.
Аналіз лінійної структури індивідуальних хромосом. Характерною особливістю структури мейотіческіх хромосом, вираженою переважно на перших стадіях профази мейозу, є їх хромомерное будову (рис. 12). З даних по цитології мейотіческіх хромосом деяких видів рослин добре відома індивідуальність хромомерного будови кожної хромосоми ( «Клітинна біологія і генетика мейозу» В. В. Хвостовий і Ю. В. Богданова, 1975). На жаль, індивідуальні біваленти в хромосомному наборі людини, як чоловічий, так і жіночому, можна виділити лише у пізньому пахітене, коли вони значно скорочені і хромомерность їх будови істотно втрачена. Проте в результаті декількох спроб пахітенного аналізу хромосом отримані перші відомості про морфологію бівалентов акроцентріческіх і деяких інших хромосом (за ред. А. А. Прокоф'євої-Бельговським, 1969; Hungeriord, 1973).
В ідентифікації пахітенних бівалентов з певним успіхом застосовані С-і Q-методи диференціальної забарвлення (Goetz, 1975). Виявлено повний збіг між малюнками G-фарбування і хромомерним будовою пахітенних хромосом, а також між малюнками пофарбованих за G-методом мейотіческіх і мітотичних хромосом (Luciani ea, 1975).
Хромосомна кон'югація та освіта хіазм. Дослідження діакінеза - метафази I мейозу в клітинах чоловіків показало, що гомологічних кон'югація є обов'язковою для всіх хромосом людини, включаючи короткі. У тому чи іншому біваленте є від 1 до 6 хіазм; за даними різних авторів, їх загальна кількість на хромосомний набір коливається від 35 до 66 (Ford, 1973). Розподіл хіазм в індивідуальних бівалентах стало можливим аналізувати після того, як кожен бівалент вдалося ідентифікувати на основі послідовної фарбування по Q-і С-техніці (Hulten, 1974). За даними Hulten (1974), середня частота хіазм в індивідуальних аутосомах пропорційна довжині хромосоми. На неї не впливають чисельні або структурні порушення в інших хромосомах. Мабуть, Хіазм формуються в певних районах кожної хромосоми. З'ясування числа та мовні пакети хіазм в кожній хромосомі має важливе значення при їх генетичному картуванні.
Ідентифікація хромосомних аномалій. Явище кон'югації гомологічних хромосом у мейозі використовується для ідентифікації багатьох хромосомних перебудов, що зачіпають лінійну структуру хромосоми. Ділок, вставки, інверсії, реципрокні транслокації, дупліка-ції призводять до зміни конфігурації бівалента. Уніваленти Виникають, тріваленти і т. д. У поєднанні з аналізом мітотичних хромосом дослідження морфології мейотіческіх в пахітене хромосом, діакінезе і мета-фазі I неодноразово проводилося у випадках чисельних або аутосом структурних змін, статевих хромосом у чоловіків з безпліддям (А. А. Прокоф 'єва -Бельговським і В. К. Борджадзе, 1971; Kjessler, 1966; Hulten, 1974, та ін.) Субмікроскопіческая або надмолекулярних організація хромосомного апарату вивчена зовсім недостатньо. Якщо про будову хромосоми на рівні світлової мікроскопії і про молекулярній будові спадкового матеріалу в даний час накопичена велика інформація, то проміжні ступені ультраструктурному організації хромосоми залишаються в основному невідомими. Немає поки ніяких фактичних передумов ставити питання про можливу специфіку ультраструктурному організації генетичного апарату людини.
Найбільш цінну інформацію про тонку структурі функціонуючих хромосом принесло дослідження політенних хромосом, які є специфічною, але природною моделлю хромосом інтерфазних ядра в клітинах двокрилих, і хромосом типу «лампових щіток», що виявляються в ооцитах амфібій в мейотіческой профазі I. Великі розміри цих хромосом дали змогу провести ретельне їх вивчення під світловим мікроскопом. У результаті цих досліджень сформульовані положення, які розглядаються як принципові для організації хромосом еукаріотів в цілому (І. І. Кикнадзе, 1972).
У інтерфазних ядрі хромосомні райони, відповідні еухроматину, мають хромомерное будову. Кожна хромомера є структурною і функціональною одиницею хромосоми як поздовжньо диференційованої органели. Диференціальна транскрипція цих одиниць структурно забезпечується деконденсаціей упакованого в ній дезоксірібонуклеопротеіда, що виражається у формі пуфів в політенних хромосомах, або петель в хромосомах типу «лампових щіток».
Методом дослідження тонкої структури інтерфазних ядер, що не володіють політеннимі хромосомами, а також метафазних хромосом є електронна мікроскопія (Ю. С. Ченцов, В. Ю. Поляков, 1974). На жаль, на підставі результатів, отриманих цим методом, поки не вдалося скласти цілісного уявлення про ультраструктури інтерфазних ядра. На електронограммах ультратонких зрізів основна що виявляється морфологічна одиниця - це нитка в різних перетинах діаметром 10 нм і менше. На препаратах хроматину, распластиваемого на поверхні водного меніска, виявляються протяжні нитки близько 23-25 нм в діаметрі.
Незважаючи на численні дослідження мітотичних або мейотіческіх хромосом, дані щодо їх ультраструктури, які дозволили б створити несуперечливу модель упаковки елементарної хромосомної нитки під час клітинного поділу, залишаються мізерними. Найбільша інформація отримана за ультраструктур спеціалізованих районів хромосом: центромерного району, ядерця, сінаптонемального комплексу в мейотіческпх хромосомах. Дані електронної мікроскопії цілих ізольованих хромосом використані для їх ідентифікації, при цьому спеціальну увагу приділено метафазних хромосомами людини (Bahr, Larsen, 1974). Цей метод дозволив виявити нерівномірне щільність упаковки елементарних хромосомних ниток по довжині хромосом, і малюнок цієї нерівномірності виявився збігається з лінійною діфференцірованностио структури хромосоми, що виявляється під світловим мікроскопом. Елементарні фібрили на електронограммах цілих розпластаних хромосом мають розмір близько 25-30 нм. Біохімічне дослідження таких фібрил і відповідні розрахунки дають підставу зробити висновок, що молекули нуклеопротеїдів знаходяться у них в сверхскрученном стані і що, крім гістонів, фібрили містять інші білки.
Досить повне висвітлення питань молекулярної генетики та хромосомної організації в численних спеціальних монографіях і посібниках (С. Е. Бреслер, 1973, І. П. Ашмарін, 1974; Г. Стент, 1974, і ін) виключають необхідність докладного розгляду цих питань у даній книзі. Порівняно новий молекулярний аспект хромосомної організації виникла у зв'язку з розробкою методів фракціонування тотальної ДНК геному по повторюваності східних нуклеотидних послідовностей і методів гібридизації нуклеїнових кислот на хромосомних препаратах. Ці методи відкрили можливість з'ясування локалізації різних фракцій ДНК у хромосомному наборі. Важливими знахідками, отриманими в цій новій галузі, прикордонної між молекулярної і цитологічної генетикою, були: а) виявлення в геномі еукаріотів, крім ДНК з унікальними послідовностями, великої частки ДНК з однаковими або близькими послідовностями нуклеотидів, що повторюються багато сотні й тисячі разів (Г. П. Георгієв, 1973; С. А. Лімборская, 1975); б) виявлення нерівномірного локалізації ДНК з різними характеристиками в хромосомному наборі: ДНК з найбільшою кількістю повторюваних послідовностей локалізується в гетерохроматінових районах хромосом.
До теперішнього часу фракціонування ДНК і визначення хромосомної локалізації фракцій проведено на багатьох видах організмів. Кожен вид характеризується своєю специфічною структурою геному відносно складу ДНК і специфікою їх розподілу по хромосомам набору. Багато робіт цього напрямку виконано на клітинах людини. Отримані в них результати підсумовано А. Ф. Захаровим (1977) та Jones (1973).
ДНК геному людини може бути фракціонований на ДНК з унікальними копіями (близько 64%) і ДНК з повторюваними послідовностями. За швидкістю ренатурації, яка відображає повторюваність нуклеотидних послідовностей, остання фракція може бути підрозділена на ДНК з малою (13,4%), проміжної (12,3%) і високою (10,3%) швидкістю ренатурації молекул ДНК. Таким чином, в геномі людини близько 10% всієї ДНК має високу багаторазовість повторення однакових послідовностей.
Методом градієнтного ультрацентріфугірованія в групі ДНК з високою повторюваністю послідовностей виділені принаймні чотири типи так званих сателітних ДНК. Крім цих видів ДНК, в експериментах з гібридизацією ДНК - РНК досліджена хромосомна локалізація ДНК, що кодує синтез 5S, 18S і 28S Хвороби. В даний час розподіл різних типів ДНК в хромосомах людини вимальовується в такий спосіб.
ДНК з низькою і проміжної повторюваністю нуклеотидних копій виявляється у всіх хромосомах, причому вона локалізується по всій довжині їх плечей.
ДНК з високою повторюваністю нуклеотидних копій виявляється переважно в околоцентромерних і частково теломерна районах. Сателітні індивідуальні ДНК розподілені в різних хромосомах нерівномірно. Так, сателітної ДНК I і IV особливо багата Y-xpoмосома, в хромосомах 1 і 16 найбільше міститься сателітної ДНК II, а в хромосомі 9 - III. Рибосомна ДНК 18S і 28S укладена майже виключно в коротких плечах всіх 10 акроцентріческіх хромосом. Дистальна частина довгого плеча аутосомы 1 - переважне місце для пістронов, що кодують 5S РНК. Не виключена можливість, що методом гібридизації ДНК із РНК in situ вдасться картіровать не тільки полігенні ло-куси, але також структурні гени, що повторюються мале число разів (Rotterdam. Conference, 1974).
Дві найважливіші риси генетичної організації еукаріотів - диференціальна активність структурних генів і велика частка генів, що регулюють цей процес, - повинні мати основою відповідну структурну організацію хромосоми. Десятиліття наполегливої праці цитогенетики значно наблизили нас сьогодні до розуміння того, як в хромосомі взаємодіють структура і функція, як хромосома здійснює свою складну роль інтеграції системи генів.
Перша фундаментальна риса структурно-функціональної організації хромосоми полягає в існуванні двох різних функціональних типів хромосомного матеріалу - еухроматину і гетерохроматину. Їх основна відмінність полягає в транскрипційної активності.
Відсутність генетичної активності у гетерохроматину обумовлено або його бідністю структурними генами (структурний гетерохроматин), або тимчасовим виключенням ділянки хромосоми, що несе такі гени, з генетичної транскрипції (факультативний гетерохроматин, гетерохроматінізація).
Другою надзвичайно важливою рисою хромосомної організації є лінійна розчленованість хромосоми па ділянки, що складаються з хроматину різного типу. Кожна хромосома відрізняється своїм унікальним порядком розташування гетеро-і еухроматінових районів.
Підрозділи хроматину з генетичного значенням добре корелює з відмінністю типів хроматину і по ряду інших характеристик: стану конденсації в інтерфазних ядрі і хронології конденсації в мітотичної і мейотіческом циклі; часу реплікації ДНК;
відношенню до фарбування флуорохромамі або нефлуоресцірующімі барвниками; чутливості до шкідлива дія хімічних мутагенів; хімічним особливостям ДНК і, очевидно, білків, що входять до складу хроматину; фенотипічних проявам хромосомних перебудов. Для гетерохроматину характерні конденсована стан в інтерфазних ядрі, що випереджає конденсація в профазі мітозу і мейозу, можливість відставати в конденсації спонтанно або під впливом деяких впливів у метафазі мітозу. У порівнянні з еухроматину гетерохроматіновие райони хромосом репродукується в більш пізні відрізки S-періоду. При диференціальної забарвленні за G-і С-методикою гетерохроматіновие сегменти зберігають здатність до фарбування (G-сегменти) і навіть посилено фарбуються (С-сегменти). У цитогенетики добре відома нерівномірність розподілу по довжині хромосоми її структурних ушкоджень, індукованих мутагенними речовинами: підвищеної пошкоджуваність відрізняються саме гетерохроматіновие райони. ДНК з неодноразово повторюваними нуклеотидними послідовностями характерна саме для гетерохроматину. На відміну від еухроматину, що містить унікальні гени, дисбаланс по яких негативно відбивається на фенотипі організму, зміни в кількості гетерохроматину не впливають або значно менше впливають на розвиток ознак організму.
Взаимосвязанність різних структурних і функціональних характеристик хромосоми - третя фундаментальна риса хромосомної організації. Питання про причинно-наслідкові зв'язки у зазначеному кореляційному комплексі активно досліджується. Відповідь має бути отриманий, зокрема, на питання про те, чи зводиться все різноманіття властивостей різних видів хроматину до відмінностей в хімічних особливості хромосомної ДНК. Однак незалежно від прогресу в розумінні цих кореляцій їх феноменологія є головним інструментом для пізнання структурно-функціональної розчленованості кожної конкретної хромосоми людини. У поздовжньої диференційованості індвідуальних хромосом по щільності конденсації, за окрашіваемості тими або іншими барвниками, за особливостями складової їх ДНК та інші характеристики закладені не формальні ознаки ідентифікації хромосом або їх ділянок, а ознаки, що мають генетичний сенс. Ця нова галузь цитогенетики людини активно розвивається, і в поєднанні з успіхами в картуванні хромосом підніме цитогенетики людини на ще більш високий рівень. З вже наявних з цієї проблеми відомостей інтерес для генетики представляють наступні.
Гетерохроматин, що забарвлює за методикою С-забарвлення, виявляється в усіх хромосомах людини і називається структурним гетерохроматином. У всіх аутосомах і Х-хромосомі він займає, як у більшості хромосом інших біологічних видів, околоцентромерний район. У Y-хромосомі він локалізується в дистальної частини довгого плеча. У різних хромосомах кількість З-гетерохроматину різне. Особливо великі його блоки, що розповсюджуються переважно на довгі плечі, містяться в аутосомах 1, 9 та 16; саме ці райони відомі як найбільш регулярних вторинних перетяжок. Особливо дрібні блоки цього хроматину спостерігаються в аутосоме 2 і в Х-хромосомі. У акроцентріческіх хромосомах гетерохроматин поширюється на короткі плечі.
Мабуть, у різних хромосомах околоцентромерний гетерохроматин неоднаковий, що випливає з низки фактів. Ця різнорідність виявляється вже по різному оптимуму часу і рН лужного діапазону, що застосовується в техніці С-забарвлення, при яких С-хроматин з'являється в різних хромосомах. Неоднорідність особливо демонстративна при фарбуванні хромосом акрихіну або акрихін-іпритом: С-гетерохроматин аутосом 1, 9 та 16 зовсім не флуоресціює, а гетерохроматин аутосом 3, 4, акроцентріческіх хромосом і Y-хромосоми світиться надзвичайно яскраво. Генетична значення різнорідності З-гетерохроматину людини поки не ясно. Хімічна основа цієї різнорідності починає прояснюватися. Експериментами з гібридизацією ДНК з РНК на цитологічних препаратах встановлено, що відмінності гетерохроматину різних хромосом людини можуть бути пов'язані з особливостями структури ДНК. У всіх випадках це ДНК з повторюваними нуклеотидними послідовностями, однак у різних хромосомах містяться, очевидно, різні класи ДНК. Так, з добре охарактеризованих сателітних ДНК сателіти I і IV у великій кількості містяться в Y-хромосомі, сателіт II - в гетерохроматин аутосомы 1 і 16, сателіт III - в гетерохроматин аутосомы 9. Структурний гетерохроматин акроцентріческіх хромосом - основний носій рибосомного ДНК.
У повній відповідності з даними загальної цитогенетики про слабкий негативний вплив дисбалансу по гетерохроматіновому матеріалу на розвиток організму знаходяться відомості про існування в людській популяції значного поліморфізму, обумовленого розмірами околоцентромерного гетерохроматину. Особливо сильно варіює зміст структурного гетерохроматину З-типу в аутосомах 1, 4, 9, 13-15, 16, 21-22 і Y-хромосомі. Відсутність фенотипічних відхилень від норми у більшості носіїв таких каріотіпіческіх варіантів дозволяє розглядати їх як варіанти норми. Однак ця проблема поставлена на порядок денний зовсім недавно. Вона вимагає ретельних досліджень на великому популяційному матеріалі, перш ніж будуть намічені обгрунтовані межі хромосомної норми, за межами якої для організму стає не байдужим дисбаланс і по гетерохроматин.
Є багато підстав розглядати хромосомні райони, позитивно офарблюють по G-методикою, як різновид структурного гетерохроматину. На користь цього подання, крім відношення до барвників, свідчать пізня реплікація цих районів, утворення ними хромомер в профазних мейотіческіх хромосомах, здатність відставати в мітотичної конденсації під впливом 5-бромдезоксіурідіна або холоду. Важливо відзначити, що дисбаланс по аутосомам, особливо багатим G-офарблюють хроматином, тягне за собою виникнення найменш тяжких аномалій розвитку для індивіда - носія такого дисбалансу. Так, саме до цієї категорії хромосомних аномалій відносяться трисомії 13, 18 і 21. Є повідомлення і про те, що ДНК із середньою повторюваністю однакових нуклеотидних послідовностей локалізується в G-офарблюючих сегментах хромосом.
Питання, які стоять перед цитогенетики людини щодо структури, локалізації і особливо генетичного значення структурного гетерохроматину, порівняно нові.
Прогрес у їх вирішенні не можна відокремити від прогресу в розшифровці природи гетерохроматину у еукаріотів в цілому.
Крім структурного гетерохроматину, існує ф а-культатівний гетерохроматин, поява якого в хромосомі обумовлено гетерохроматінізаціей еухроматіческіх районів при особливих умовах. Є достовірні докази існування цього явища в хромосомах людини на прикладі генетичної інактивації однієї з Х-хромосом в соматичних клітинах жінки. У людини та інших ссавців це окремий випадок явища, вперше відкритого на дрозофілі Muller в 1932 р. і отримав назву «компенсації д
