парные хромосомы имеющие одинаковую форму и размеры называются
Научная электронная библиотека
Юров И. Ю., Ворсанова С. Г., Воинова В. Ю., Чурносов М. И., Юров Ю. Б.,
1.1. Хромосомы человека
Хромосомный набор человека, определяемый как кариотип – совокупность данных о структуре, размерах и количестве митотических хромосом, – установлен в начале 60-х годов прошлого века. Ещё в 1888 году Г. Вальдеер (H. Waldeyer, 1836–1921 гг.) ввёл термин «хромосома» для обозначения окрашенных нитевидных структур, видимых в ходе стадий деления клетки (митоза). Характерные особенности строения каждой хромосомы человека определяются, как известно, положением в ней центромеры – важнейшей структуры, которая в делении клетки (митозе) соединяется с нитями веретена и определяет расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам клетки. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид (сестринские хроматиды) и центромеры, при помощи которой они соединяются. В районе центромеры хромосома сужена, две её хроматиды сближены, и этот район в теле хромосомы образует первичную перетяжку. Центромера делит хромосому на два плеча (короткое и длинное). По положению центромеры и первичной перетяжки среди хромосом человека различают метацентрические хромосомы, у которых центромера расположена в середине хромосомы (медианно) и делит её на два равных по длине плеча; субметацентрические хромосомы, в которых центромера расположена субмедианно и делит хромосому на два плеча неравной длины; и акроцентрические хромосомы, у которых центромера расположена почти на конце хромосомы (терминально), отделяя от длинного очень короткое плечо. У некоторых хромосом на коротком плече двух хроматид на красящейся тонкой нити располагаются маленькие хроматические тельца – спутники. Участки на концах хромосомы называются теломерами. Структуры в виде точек прикрепления нитей митотического веретена к центромерам называются кинетохорами. Плечи некоторых хромосом содержат перетяжки, называемые «вторичными» (например, хромосомы 1, 9, 16). Диплоидный набор человека, состоящий из 46 хромосом, составлен из 23 пар гомологичных хромосом – гомологов (отцовского и материнского происхождения): 22 пары аутосом и плюс половые хромосомы (гоносомы) – ХХ у женщин или ХY у мужчин. Гомологичные хромосомы, как правило, сходны между собой в размерах и строении, хотя могут встречаться некоторые отклонения от каждого показателя, и это носит название «гетероморфизм хромосом». Термин «кариотип» рекомендуется применять к систематизированному набору хромосом отдельной клетки человека. Существует также термин «идиограмма», который сохраняется для представления кариотипа в виде схемы, построенной на основании измерений хромосом большого числа клеток. Хромосомы пронумерованы серийно от 1 до 22 в соответствии с их длиной, а также с другими особенностями их строения, допускающими идентификацию. Половые хромосомы (гоносомы) не имеют номеров и обозначаются как Х и Y. Следует отметить, что термины и «кариотип», и «идиограмма», получившие международное признание и распространение, принадлежат русским цитологам: «идиограмма» – С.Г. Навашину (1857–1930 гг.) в 1921 году и «кариотип» – Г.А. Левитскому (1878–1942 гг.) в 1924 году. В фазах деления – метафазах и прометафазах (см ниже) – хромосомы можно увидеть в световом микроскопе как дискретные удлинённые структуры длиной от 2 до 11 мкм. На рисунках 1 и 2 представлены мужской и женский кариотипы человека.
Рис. 1. Мужской кариотип: I – метафазная пластинка; II – классификация по группам и нумерация хромосом
Как указано выше, кариотип человека состоит из 46 хромосом, которые нумеруются от 1 до 22 (аутосомы) и делятся на 7 групп, – A, B, C, D, E, F, G и половые хромосомы (гоносомы) X и Y (рис. 1 и 2).
К первой группе А относятся хромосомы 1, 2 и 3, которые хорошо отличаются друг от друга. Хромосома 1 (размер – 11 мкм) – метацентрическая, содержит вторичную перетяжку в околоцентромерном участке длинного плеча. Хромосома 2 (10,8 мкм) по размерам почти равна хромосоме 1 и является субметацентрической. Хромосома 3 (размер – 8,3 мкм) – практически метацентрическая.
Рис. 2. Женский кариотип: I – метафазная пластинка; II – классификация по группам и нумерация хромосом
К группе В относятся хромосомы 4 и 5 (размер – 7,7 мкм каждая) – это крупные субметацентрические хромосомы, которые не отличаются друг от друга при рутинном окрашивании ни размером, ни положением центромер.
К группе С относятся хромосомы с 6 по 12 и Х. В основном, это субметацентрические хромосомы крупных и средних размеров. Наиболее крупные хромосомы из группы С – 6, 7 и Х (6,8–7,2 мкм). Хромосома Х является половой хромосомой (гоносомой). Хромосома 7 более метацентрична, чем хромосома 6. Хромосомы 8 и 9 – практически одинаковы по размеру (5,8 мкм). Хромосома 8 метацентричнее хромосомы 9, которая характеризуется регулярной вторичной перетяжкой в прицентромерном районе длинного плеча.
К группе D относятся хромосомы 13, 14 и 15 (4,2 мкм) – средних размеров акроцентрические хромосомы с почти терминальным расположением центромеры. Эти хромосомы между собой не различаются ни по размерам, ни морфологически после рутинного окрашивания. Короткое плечо всех трёх пар хромосом может формировать спутники (рис. 1, 2 и 5).
К группе Е относятся хромосомы 16, 17 и 18. Хромосома 16 (размер – 3,6 мкм) – сравнительно небольшая метацентрическая хромосома, содержащая вторичную перетяжку в длинном плече. Хромосома 17 (размер – 3,5 мкм) – сравнительно короткая субметацентрическая хромосома. Хромосома 18 (размер – 3,2 мкм) – самая короткая субметацентрическая хромосома.
Группа F представлена хромосомами 19 и 20 (размеры – 2,9 мкм). Это короткие метацентрические хромосомы, которые не отличаются между собой без дифференциального окрашивания по длине.
Хромосомы 21 и 22 (2,8 мкм) относятся к группе G. Это наиболее короткие акроцентрические хромосомы в кариотипе, которые обладают способностью формировать спутники на коротком плече (рис. 1, 2 и 5).
Хромосома Y (2,3 мкм) является маленькой акроцентрической хромосомой, сравнимой по размерам с хромосомами 21 и 22, но не имеющая спутников.
Важнейшая работа по созданию общей системы обозначения и классификации хромосом человека, представляемая в виде отдельной книги, проводилась регулярно из года в год, куда в последние десятилетия включались и результаты использования современных молекулярно-цитогенетических методов. Первые результаты работы учёных по номенклатуре и классификации хромосом человека были представлены в 1960 году в Денвере, в Университете штата Колорадо (США). Работа комиссии была проведена при поддержке американского онкологического общества. В состав комиссии входили известнейшие учёные: 14 учёных-цитологов и 3 учёных-генетика. Результаты были опубликованы в Денвере в том же 1960 году в ряде журналов в виде документа (книги), названного как «Стандартная система номенклатуры митотических хромосом человека». Впоследствии был создан комитет по номенклатуре хромосом человека. Комиссия и комитет периодически собирались для работы и, по мере развития цитогенетических, а в последние десятилетия и молекулярно-цитогенетических исследований, вносили поправки и дополнения в существующую классификацию. Работа комиссий проводилась регулярно в различных странах и городах. Комитет последовательно собирался в Париже, Чикаго, Мехико, Лэйк-Плэсиде, Эдинбурге, Стокгольме, где было решено разработать и опубликовать унифицированный вариант номенклатуры хромосом человека, включающий основные положения первых совещаний (Денвер, Лондон, Чикаго, Париж). Результаты работы комитета публиковались в различных издательствах. Этот важный документ получил название «Международная система номенклатуры хромосом человека» – «An International System for Human Cytogenetic Nomenclature» (ISCN). В дальнейшем поправки и дополнения в документе делались, учитывая новые разработанные технологии, включая молекулярно-цитогенетические, и докладывались на различных конференциях. Последний документ – «ISCN 2016» – An International System for Human Cytogenetic Nomenclature» опубликован в 2016 году. Таким образом, в одном документе даётся полная номенклатура хромосом в норме и при хромосомных синдромах и аномалиях, исходя из цитогенетических и современных молекулярно-цитогенетических технологий (см рекомендуемую литературу).
Следует отметить, что хромосомные синдромы и аномалии связаны с хромосомными (геномными) мутациями (аномалиями) в виде различных структурных перестроек хромосом или с изменением их числа (n). Численные изменения хромосом могут быть двух типов: полиплоидии – умножение хромосомного набора (3n, 4n и т. д.) или генома, кратное гаплоидному числу хромосом; анеуплоидии – увеличение или уменьшение числа хромосом, некратное гаплоидному. Структурные хромосомные (геномные) перестройки классифицируют по принципу линейной последовательности расположения генов: делеции (потеря хромосомных участков), дупликации (удвоение хромосомных участков), инверсии (перевертывание на 180° относительно нормальной последовательности хромосомных участков), инсерции (вставки хромосомных участков) и транслокации (изменение расположения хромосомных участков). Подробная информация по возможным аномалиям хромосом человека представлена в главе 3.5.
Парные хромосомы имеющие одинаковую форму и размеры называются
Используя содержание текста «Гены и хромосомы» и знания школьного курса биологии, ответьте на вопросы.
1) Какие функции выполняет хромосома?
2) Что представляет собой ген?
3) В кариотипе дрозофилы насчитывают 8 хромосом. Сколько хромосом находится у насекомого в половых и сколько – в неполовых клетках?
Клетки живых организмов содержат генетический материал в виде гигантских молекул, которые называются нуклеиновыми кислотами. С их помощью генетическая информация передаётся из поколения в поколение. Кроме того, они регулируют большинство клеточных процессов, управляя синтезом белков.
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. Они состоят из нуклеотидов, чередование которых позволяет кодировать наследственную информацию о самых различных признаках организмов разных видов. ДНК «упакована» в хромосомы. Она несёт информацию о структуре всех белков, которые функционируют в клетке. РНК управляет процессами, которые переводят генетический код ДНК, представляющий собой определённую последовательность нуклеотидов, в белки.
Ген – это участок молекулы ДНК, которая кодирует один определённый белок. Наследственные изменения генов, выражающиеся в замене, выпадении или перестановке нуклеотидов, называются генными мутациями. В результате мутаций могут возникнуть как полезные, так и вредные изменения признаков организма.
Хромосомы – нитевидные структуры, находящиеся в ядрах всех клеток. Они состоят из молекулы ДНК и белка. У каждого вида организмов своё определённое число и своя форма хромосом. Набор хромосом, характерный для конкретного вида, называют кариотипом.
Исследования кариотипов различных организмов показали, что в их клетках может содержаться двойной и одинарный наборы хромосом. Двойной набор хромосом состоит всегда из парных хромосом, одинаковых по величине, форме и характеру наследственной информации. Парные хромосомы называют гомологичными. Так, все неполовые клетки человека содержат 23 пары хромосом, т.е. 46 хромосом представлены в виде 23 пар.
В некоторых клетках может быть одинарный набор хромосом. Например, в половых клетках животных парные хромосомы отсутствуют, гомологичных хромосом нет, а есть негомологичные.
Каждая хромосома содержит тысячи генов, в ней хранится определённая часть наследственной информации. Мутации, изменяющие структуру хромосомы, называют хромосомными. Неправильное расхождение хромосом при образовании половых клеток может привести к серьёзным наследственным заболеваниям. Так, например, в результате такой геномной мутации, как появление в каждой клетке человека 47 хромосом вместо 46, возникает болезнь Дауна.
Правильный ответ должен содержать следующие элементы:
1) Хранение и передача части наследственной информации всего организма.
2) Участок молекулы ДНК, в котором находится информация о структуре конкретного белка.
3) В неполовых 8 хромосом, в половых 4 хромосомы.
Хромосомы: структура и классификация
Хромосомы (греч. – chromo – цвет, soma – тело) – это спирализованный хроматин. Их длина 0,2 – 5,0 мкм, диаметр 0,2 – 2 мкм.
Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, которые соединяются центромерой (первичной перетяжкой). Она делит хромосому на два плеча. Отдельные хромосомы имеют вторичные перетяжки. Участок, который они отделяют, называется спутником, а такие хромосомы – спутничными. Концевые участки хромосом называются теломеры. В каждую хроматиду входит одна непрерывная молекула ДНК в соединении с белками-гистонами. Интенсивно окрашивающиеся участки хромосом – это участки сильной спирализации ( гетерохроматин). Более светлые участки – участки слабой спирализации ( эухроматин).
Типы хромосом выделяют по расположению центромеры (рис.).
1. Метацентрические хромосомы – центромера расположена посередине, и плечи имеют одинаковую длину. Участок плеча около центромеры называется проксимальным, противоположный – дистальным.
2. Субметацентрические хромосомы – центромера смещена от центра и плечи имеют разную длину.
3. Акроцентрические хромосомы – центромера сильно смещена от центра и одно плечо очень короткое, второе плечо очень длинное.
В клетках слюнных желез насекомых (мух дрозофил) встречаются гигантские, политенные хромосомы (многонитчатые хромосомы).
Классификацию хромосом проводят по разным признакам.
1. Хромосомы, одинаковые в клетках мужского и женского организмов,называются аутосомами. У человека в кариотипе 22 пары аутосом. Хромосомы, различные в клетках мужского и женского организмов, называются гетерохромосомами, или половыми хромосомами. У мужчины это Х и Y хромосомы, у женщины – Х и Х.
2. Расположение хромосом по убывающей величине называется идиограммой. Это систематизированный кариотип. Хромосомы располагаются парами (гомологичные хромосомы). Первая пара – самые большие, 22-я пара – маленькие и 23-я пара – половые хромосомы.
3. В 1960г. была предложена Денверская классификация хромосом. Она строится на основании их формы, размеров, положения центромеры, наличия вторичных перетяжек и спутников. Важным показателем в этой классификации является центромерный индекс (ЦИ). Это отношение длины короткого плеча хромосомы ко всей ее длине, выраженное в процентах. Все хромосомы разделены на 7 групп. Группы обозначаются латинскими буквами от А до G.
Группа А включает 1 – 3 пары хромосом. Это большие метацентрические и субметацентрические хромосомы. Их ЦИ 38-49%.
Группа В. 4-я и 5-я пары – большие метацентрические хромосомы. ЦИ 24-30%.
Группа С. Пары хромосом 6 – 12: средней величины, субметацентрические. ЦИ 27-35%. В эту группу входит и Х-хромосома.
Группа D. 13 – 15-я пары хромосом. Хромосомы акроцентрические. ЦИ около 15%.
Группа Е. Пары хромосом 16 – 18. Сравнительно короткие, метацентрические или субметацентрические. ЦИ 26-40%.
Группа F. 19 – 20-я пары. Короткие, субметацентрические хромосомы. ЦИ 36-46%.
Группа G. 21-22-я пары. Маленькие, акроцентрические хромосомы. ЦИ 13-33%. К этой группе относится и Y-хромосома.
4. Парижская классификация хромосом человека создана в 1971 году. С помощью этой классификации можно определять локализацию генов в определенной паре хромосом. Используя специальные методы окраски, в каждой хромосоме выявляют характерный порядок чередования темных и светлых полос (сегментов). Сегменты обозначают по названию методов, которые их выявляют: Q – сегменты – после окрашивания акрихин-ипритом; G – сегменты – окрашивание красителем Гимза; R – сегменты – окрашивание после тепловой денатурации и другие. Короткое плечо хромосомы обозначают буквой p, длинное – буквой q. Каждое плечо хромосомы делят на районы и обозначают цифрами от центромеры к теломеру. Полосы внутри районов нумеруют по порядку от центромеры. Например, расположение гена эстеразы D – 13p14 – четвертая полоса первого района короткого плеча 13-й хромосомы.
Функция хромосом: хранение, воспроизведение и передача генетической информации при размножении клеток и организмов.
5. Правила хромосом :
1. Правило постоянства числа хромосом — соматические клетки организма каждого вида имеют строго определенное число хромосом (у человека — 46, у кошки — 38, у мушки дрозофилы — 8, у собаки — 78, у курицы — 78).
2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках
имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не одинаковую по происхождению хромосому: одну — от отца, другую — от матери.
3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается
от другой пары размером, формой, которая зависит от расположения центромеры,чередованием светлых и темных полос, которые выявляются при дифференциальной окраске.
4. Правило непрерывности хромосом — перед делением клетка ДНК удваивается и к каждой из двух исходных нитей достраивается по принципу комплементарности новые нити ДНК, в результате образуются две молекулы ДНК, из которых получаются две сестринские хроматиды. Комплементарные нуклеотидные последовательности — это полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилом спаривания азотистых оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) и т. д. После деления в дочерние клетки попадает по одной хроматиде, таким образом, хромосомы непрерывны: хромосомы от хромосом.
Хроматид — это удвоенные (парные) молекулы ДНК. Центромера— внутренний участок хромосомы, в котором происходит присоединение нити веретена, обеспечивающий при делении клетки движение хромосом к центру деления при митозе (см. ниже).
Все хромосомы подразделяются на аутосомыи половые хромосомы.Половые хромосомы определяют пол организма. В половых клетках, где находятся половые хромосомы, присутствует одинарный (гаплоидный)набор хромосом.
Аутосомы— это все хромосомы в клетках, за исключением половых хромосом. Неполовая клетка многоклеточного организма называется соматической (от соответствующего греческого слова — тело) клеткой. В соматических клетках присутствует двойной (диплоидный) набор хромосом.
28. Диагностика зиготности близнецов.
Байесовский принцип условных вероятностей. Рассмотрим одну близнецовую пару, для которой нужно определить вероятность монозиготности или дизиготности. Точнее, наш вопрос заключается в следующем: какая доля всех близнецовых пар с одинаковой комбинацией генетических маркеров у самих близнецов и их родителей будет дизиготной? Или иначе: если предположить, что все близнецовые пары монозиготные, то как часто это предположение будет ошибочным? Общая формула Байеса имеет вид
Методы классической антропологии. Еще до того, как были открыты широко известные ныне системы генетического полиморфизма, для диагностики зиготности использовался довольно надежный метод, предложенный в 1924 г. Сименсом. Он основан на сравнении большого числа антропоскопических признаков; среди них цвет, форма и плотность волос, черты лица, детальная структура ряда лицевых областей (глаза, брови, цвет и структура радужной оболочки), детали области носа и рта, подбородок, уши, форма кистей и стоп, дерматоглифика, цвет и структура кожи (включая веснушки). Полезны также различные антропометрические характеристики тела, головы и лица. В антропологической литературе имеется список информативных признаков. На практике исследователь основывает свой диагноз не столько на сравнении отдельных черт, сколько на целостном облике («гештальте»). Результаты, полученные с помощью антропологических и серологических методов, оказались идентичными [893].
Однако это не означает, что диагностика зиготности, основанная на анализе физических признаков, всегда проста. В силу разных жизненных условий МЗ близнецы иногда могут выглядеть столь разными, что непрофессионал не смог бы увидеть в них даже сибсов, и только тщательное антропологическое обследование идентифицирует их как монозигот. С другой стороны, ДЗ близнецы, подобно другим сибсам, иногда могут быть очень похожими. На рис. П.5.1-П.5.5 можно увидеть сходство, а в некоторых случаях различия, найденные у МЗ близнецов.
В связи с этим исследователи, занимающиеся близнецами, должны обязательно наладить сотрудничество с антропологами. Они научат однозначно классифицировать большинство близнецовых пар. Обычно считают, что если близнецов можно перепутать по внешнему виду, то с большой долей вероятности они МЗ. В этом случае необходимо серологическое обследование. Такой подход целесообразен, особенно при обследовании больших близнецовых выборок в несколько сот пар. Антропологический диагноз требует большого опыта и поэтому более субъективен. Серологический диагноз, наоборот, более объективен, но всегда возможны лабораторные ошибки.
В идеале близнецовое обследование должно всегда включать описание плаценты и плодных оболочек: ДЗ близнецы чаще всего имеют две плаценты, два амниона и два хориона, тогда как МЗ близнецы могут иметь одну плаценту, один хорион и даже один амнион. Как уже упоминалось в разд. 3.8.4, наличие только одного хориона может быть важным свидетельством монозиготности близнецов. Однако на практике редко имеется надежная информация об этом, и, кроме того, плацента ДЗ близнецов может слиться воедино, имитируя тем самым МЗ близнецов. Включение таких данных в диагностику зиготности может приводить к ошибочным выводам.
29. Коэффициент конкордантности среди близнецов.
Если признак проявляется у обоих близнецов – это конкордантность,если у одного из близнецов – дискордантность.
Коэффициент парной конкордантности– указывает долю близнецовых пар, в которых изучаемый признак проявился у обоих партнеров.
С – число конкордантных пар, Д – число дискордантных пар Для количественной оценки роли наследственности и среды в развитии того или иного признака используют коэффициент наследуемости (Н) и коэффициент влияния среды (Е). Влияние наследственности на заболевания определяют по формуле Хольцингера: Н + Е = 1
Н = (КМБ – КДБ) : (100 – КДБ) (в процентах),
где КМБ – коэффициент парной конкордантности для монозигот
КДБ – коэффициент парной конкордантности для дизигот
Н от 1 до 0,7 – наследственные факторы имеют доминирующее значение в развитии признака или болезни;
Н от 0,4 до 0,7 – признак развивается под действием факторов внешней среды при наличии генетической предрасположенности.Решение задач
1. Конкордантность монозиготных близнецов по массе тела составляет 80%, а дизиготных – 30%. Каково соотношение наследственных и средовых факторов в формировании признака.
Н = (80 – 30) : (100 – 30) = 71% 5
2. Группы крови системы АВ0 у монозиготных близнецов совпадают в 100% случаев, а у дизиготных близнецов – только в 40%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?
Н = (100 – 40) : (100 – 40) = 100%
3. Исследования показали, что среди 120 пар дизиготных близнецов, в которых хотя бы у одного из них имелся изучаемый признак, только у 30 пар этот признак встречался и у второго близнеца. Среди 50 изученных пар монозиготных близнецов таких пар было 40. Чему равна доля наследственности в формировании изучаемого признака?
Н = (80 – 25) : (100 – 25) = 73%
5. При изучении склонности человека к занятию спортом было обнаружено, что коэффициент конкордантности по этому признаку среди монозиготных близнецов составил 66,3%, а среди дизиготных близнецов – 26,8%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?
Н = (66,3 – 26,8) : (100 – 26,8)= 54%
6. При изучении заболеваемости человека коклюшем было обнаружено, что коэффициент конкордантности по этому признаку среди монозиготных близнецов составил 97,7%, а среди дизиготных близнецов – 92%. Чему равна доля наследственности в формировании этого признака?
Н = (97,7 – 92) : (100 – 92)= 71%
1. Конкордантность монозиготных близнецов по заболеванию туберкулезом составляет 37%, а дизиготных – 15%. Что оказывает большее влияние на развитие этого заболевания – наследственность или среда?
2. Оба монозиготных близнеца страдают маниакально-депрессивным психозом в 96% случаев, а дизиготные близнецы – только в 19%. Определите долю влияния наследственности на развитие данного заболевания.
3. Одинаковая форма ушей имеется у 98% монозиготных близнецов, а у 60% дизиготных близнецов форма ушей разная. Что больше влияет на наличие у детей одинаковой формы ушей?
4. Ишемическая болезнь наблюдается в 44% случаев у обоих монозиготных близнецов и в 12% случаев у обоих дизиготных близнецов. Какова доля влияния условий среды на развитие данного признака?