Лекция № 4

Хромосома (греч. – «окрашенное тело») – комплекс ДНК с белками (гистоновыми и негистоновыми)
Строение хромосом эукариот
ДНК
гистоны
хромосома

ДНК бактерий тоже иногда называется бактериальной хромосомой. Она кольцевая и лишена гистонов.

Хромосома бактерий имеет небольшое количество белков
Оболочка клетки
Точка начала репликации ДНК
ДНК
ДНК-связывающие белки

Хромосомная теория наследственности
Гены лежат в хромосомах в линейном порядке
Каждый ген занимает определенное место – локус
Гены одной хромосомы образуют группу сцепления
Сцепление нарушается при кроссинговере
Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами
Набор хромосом (кариотип) каждого биологического вида уникален

Томас Морган
Томас Хант Морган (англ. Thomas Hunt Morgan, 25 сентября, 25 сентября 1866, 25 сентября 1866), Лексингтон, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, Пасадина, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, Пасадина) — американский биолог, один из основоположников генетики, иностранный член-корреспондент РАН, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, Пасадина) — американский биолог, один из основоположников генетики, иностранный член-корреспондент РАН (1923) и иностранный почётный член АН СССР, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, Пасадина) — американский биолог, один из основоположников генетики, иностранный член-корреспондент РАН (1923) и иностранный почётный член АН СССР, Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине, 25 сентября 1866), Лексингтон — 4 декабря 1945, Пасадина) — американский биолог, один из основоположников генетики, иностранный член-корреспондент РАН (1923) и иностранный почётный член АН СССР, Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1933 года «За открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности».

Хромосомы к клетке в зависимости от фазы клеточного цикла бывают:
Интерфазные, активные
Митотические, неактивные
интерфаза
митоз

Фазы митоза

Интерфазные хромосомы – слабо упакованы и готовы к использованию (репликации, транскрипции и др.)
Вид интерфазного ядра под микроскопом. Хромосомы активна

Митотические хромосомы – подобны упакованным для переезда вещам
Метафазная хромосома видна в микроскоп и неактивна

Уровни организации эукариотической хромосомы

ДНК – 2 нм
Нуклеосома – 11 нм
Фибрилла 30 нм
«соленоид» - 300 нм
Нить – 700 нм
Метафазная хромосома – 1400 нм
активная
неактивная
ДНК 2 нм
Нуклеосома 11 нм
Фибрилла 30 нм
Фибрилла 300 нм
Фибрилла 700 нм
Метафазная хромосома 1400 нм

Строение нуклеосомы
ДНК
Кор из 8 молекул гистонов 2 х (Н2а, Н2b, H3, H4)
Гистон Н1
линкер

белковый каркас (остов, скаффолд)
Нуклеосомы (11 нм)
30 нм
Укладка типа «соленоида»
300 нм

Метафазные хромосомы

Рассмотрим интерфазные хромосомы

Хроматин – комплекс ДНК и белков (гистонов и негистонов)
Хроматин
Эухроматин (слабо конденсированный, активный)
Гетерохроматин (сильно конденсированный, неактивный)
Факультативный (содержит гены, не активные в данной клетке в данное время)
Конститутивный (структурный) (структурный) не содержит генов
ядро
ядрышко
эухроматин гетерохроматин

Канадский ученый Барр (1908 – 1995) и его студент Бертрам открыли в 1948 году в ядрах нервных клеток кошек структуру, названную тельце Барра, или Х-половой хроматин

Тельце Барра – пример факультативного гетерохроматина, можно видеть в соматических клетках женского организма млекопитающих

Исследование полового хроматина – тельца Барра
У пациента берется соскоб эпителия ротовой полости
Помещается на предметное стекло
Окрашивается
Рассматривается
Дешевый экспресс метод определения числа Х хромосом:
клетка
ядро

Ген, отвечающий за инактивацию Х-хромосомы, на ней же и лежит. Которая из Х-хромосом будет инактивирована, по-видимому, процесс случайный.
У черепаховых кошек ген черной и желтой окраски лежит в Х-хромосоме. Распределение пятен абсолютно непредсказуемо.

Теперь поговорим о митотических хромосомах

Изучение митотических хромосом – цитогенетика.

Этапы цитогенетического исследования

Кровь (или другой материал)
Отделение лейкоцитов
Добавление стимулятора митоза – ФГА (фитогемагглютинина)
72 часа
Добавление колхицина – блокатора микротрубочек
Деление лимфоцитов тормозится на стадии метафазы

Добавление гипотонического раствора – клетки разбухают
Х ХХ
х х
при раскапывании от удара о стекло хромосомы разлетаются в стороны – образуется метафазная пластинка
Затем препарат фиксируют и окрашивают
Х
Х

Виды окраски хромосом
Рутинная, появилась в 50-х годах ХХ века. (Денверская классификация поделила все хромосомы человека на 7 групп по размеру и форме)
Дифференциальная, появилась в конце 60-х годов (G, R, Q и С методы).Парижская конференция закрепила за каждой хромосомой номер, ввела обозначения для мутаций.
FISH - метод, был разработан в 90-х годах и дал еще больше возможностей для диагностики.

Виды метафазных хромосом согласно Денверской классификации
Метацентрическая, субметацентрическая, акроцентрическая, телоцентрическая, со спутником
(первичная перетяжка)
вторичная перетяжка
короткое плечо (р)
длинное плечо (q)

Парижская классификация основана на дифференциальной окраске (чаще всего G-окраска)

Плечи делят на районы (бенды) и суббенды

FISH -метод – Fluorescent in situ hybridization дал еще больше возможностей

Не для зарисовки!

FISH-метод позволяет лучше распознавать хромосомные перестройки, чем одноцветная окраска

Исследование кариотипа (кариотипирование = цитогенетическое исследование позволяет диагностировать хромосомные и геномные мутации
Хромосомные мутации – изменение строения хромосом.
Геномные мутации – изменение числа хромосом

Хромосомные мутации
часто являются результатом нарушения кроссинговера – обмена участками между хромосомами, происходящего в профазе 1 мейоза
внутрихромосомные
межхромосомные

Внутрихромосомные перестройки
Делеция
Дупликация
Инверсия
Кольцевая хромосомам
Изохромосома

Делеция(del) Дупликация(dup) Инверсия(inv)

Варианты инверсий
перицентрическая
парацентрическая

Возникновение изохромосомы (i) при неправильном разделении хроматид
p
q
p
q
p
q
p
q
Нормальное расхождение в анафазе
Изохромосомы

Образование кольцевой хромосомы (r)
кольцо
ацентрические фрагменты

Межхромосомные перестройки - транслокации
Взаимные
Невзаимные
Робертсоновские

Транслокация (t):1 – невзаимная (инсерция), 2 – взаимная (реципрокная)

Робертсоновская транслокация (rob) (центрическое слияние)
Между разными акроцентриками – у человека 13,14,15,21,22

В результате транслокаций могут возникать дицентрические (dic) хромосомы и парные ацентрические фрагменты

Номенклатура хромосомных мутаций.
del Делеция, например 46,XX,del(5p) — женщина с делецией короткого плеча хромосомы 5
dup Дупликация, например 46,XY,dup(ll)(ql2) — мужской кариотип с дупликацией сегмента ql2 хромосомы 11
fra Ломкий сайт
i Изохромосома, например 46,X,i(Xq) — женский кариотип, одна из хромосом Х представлена изохромосомой по длинному плечу
inv Инверсия, например 46,XY,inv(10)(pl3ql2) — мужской кариотип, перицентрическая инверсия с точками разрыва р13 и ql2
rob Робертсоновская транслокация, например, 45,XX,rob (14q21q) — женщина со сбалансированной робертсоновской транслокацией длинных плеч хромосом 14 и 21, или 46,XX,-14,
r Кольцевая хромосома, например 46,ХХ, г(16) — женщина с кольцевой хромосомой 16
t Транслокация, например 46,ХХ, t(2;4)(q21;q21) — женщина с реципрокной трансплантацией, включающей длинное плечо хромосомы 2, начиная с сегмента 2q21, и длинное плечо хромосомы 4, начиная с сегмента 4q21
Не для заучивания!!!

Кроме того, хромосомные мутации бывают:
Спонтанные/индуцированные
Соматические /генеративные
Вредные/полезные/нейтральные

С клинической точки зрения хромосомные мутации удобнее делить на
Сбалансированные (нет потери или добавления генов)
Например,
инверсия,
реципрокная транслокация
Несбалансированные (гены теряются или добавляются)
Например,
делеция
дупликация

Значение хромосомных мутаций
Материал для эволюции, способствует появлению новых видов
Патология у человека

Сравнение хромосомных наборов человека (слева) и шимпанзе (справа). Видно, что наша хромосома 2 – результат Робертсоновской транслокации у нашего общего предка.

При лейкозах выявляются множественные хромосомные перестройки

Самый известный пример: Филадельфийская хромосома – транслокация между 22 и 9 хромосомами – пример соматической мутации ведущей к развитию хронического миелобластного лейкоза
t(9;22)(q34.1;q11.2)

Различные случаи делеций
-- Синдром кошачьего крика
-- Синдром Вольфа-Хиршхорна

Делеция короткого плеча хромосомы 5 – синдром кошачьего крика, cri du chat

Хромосомные карты
Генетические – где лежит какой ген
Цитологические – по окраске
Физические – основаны на точном расстоянии в базах, кило-, мега- и гига базах
Рестрикционные – вид физической карты, на которой указаны расстояния между соседними сайтами расщепления ДНК определенной рестриктазой (разрезающим ферментом)
Карты часто бывают комбинированные
1 сМ (сентиморган = морганида) – единица расстояния между генами, при которой вероятность кроссинговера равна 1%, (соответствует примерно 1 мегабазе)
Гаплоидный геном человека составляет примерно 3 300 000 000 баз, т.е. 3300 сМ

Карта хромосомы 9

Карта хромосомы 21 и митохондриального генома

Последовательности, распознаваемые разными рестриктазами
EcoRI
Г ААТТЦ
ЦТТАА Г
SmaI
ЦЦЦ ГГГ
ГГГ ЦЦЦ
ДНК разрезают рестриктазами и подвергают электрофорезу.
Рестрикционная карта - вид физической карты, на которой указаны расстояния между соседними сайтами расщепления ДНК определенной рестриктазой.
Не для заучивания!!!

Методы создания хромосомных карт
Гибридологический (по результатам скрещиваний. Т.Морган)
Анализ родословных (генеалогический)
Генетики соматических клеток*
ДНК-зондов*
Будет обсуждаться позже

Необычные виды хромосом
«ламповые щетки» (найдены в овоцитах амфибий)
политенные хромосомы (в слюнных железах личинок двукрылых)

Хромосомы типа ламповых щеток
В них активны гены, обеспечивающие образование желтка для развития зародыша

Политенные (многонитчатые) хромосомы
Репликация ДНК не сопровождается делением клетки, что приводит к накоплению вновь построенных нитей ДНК.
Большое количество копий генов на политенных хромосомах позоляет синтезировать больше нужных личинке белков.
1 — диски; 2 — междисковые участки; 3 — пуф, образовавшийся за счет деконденсации хроматина диска

Активные участки -пуфы
Неактивные - диски
Политенные хромосомы дрозофилы

Конец.
Спасибо за внимание!

Геномные мутации
Полиплоидии kn
k = 1 - гаплоидия
k = 2 – норма
k = 3 - триплоидия
k = 4 - тетраплоидия
и так далее
Анеуплоидии (гетероплоидии)
2n+/-k,где к не равно n.
2n + 1- трисомия
2n + 2 - тетрасомия
2n – 1- моносомия
2n – 2 - нулисомия

Полиплоидия
у растений приводит к увеличению размеров всех частей тела

У животных и человека приводит к гибели плода

При триплоидии (3n) характер нарушения зависит от того, чьих хромосомных набора 2, а чьих один
2 от матери + 1 от отца – плод выглядит нормально, но плацента недоразвита
2 набора от отца + 1 от матери – маленький плод, но очень большая плацента
Пузырный занос

Анеуплоидии – изменение количества отдельных хромосом
Чем меньше генов в хромосоме, тем вероятнее, что плод с анеуплоидией доживет до рождения.
Абсолютное большинство погибает на ранних сроках беременности.

Примерное количество генов в хромосомах человека

Анеуплоидии возникают при нарушениях расхождения хромосом

Есть связь между частотой анеуплоидии и возрастом матери

Синдром Дауна- трисомия 21

Объяснил синдром Дауна как хромосомную аномалию.
Впервые описал синдром кошачьего крика — иногда его называют «синдромом Лежена».
Жером Лежен

Синдром Патау, трисомия 13

Трисомия 13 – синдром Патау

Трисомия 18 – синдром Эдвардса

Синдром Эдвардса, трисомия 18
Стопа-качалка

Синдром Шерешевского-Тернера, 45,ХО

Плод с синдромом Шерешевского-Тёрнера

Синдром Клайнфелтера (более одной Х при наличии У)
Женский тип оволосения и гинекомастия

Анеуплоидии по половым хромосомам не приводят к тяжелым нарушениям развития благодаря способности Х хромосомы образовывать тельце Барра

Как записывается хромосомный диагноз

Примеры некоторых обозначения хромосомных перестроек - не для заучивания!
add = Addition material of unknown origin
del = Deletion
der = Derivative Chromosome
dic Dicentric
dup = Duplication
ins = Insertion
inv = Inversion
i или iso = Isochromosome
r = Ring chromosome
rcp = Reciprocal translocation
rob = Robertsonian translocation
t = translocation

Примеры записи хромосомного диагноза
46,XX
46,XY
46,XX,del(14)(q23)
Female with 46 chromosomes with a deletion of chromosome 14 on the long arm (q) at band 23.
46,XY,dup(14)(q22q25)
Male with 46 chromosomes with a duplication of chromosome 14 on the long arm (q) involving bands 22 to 25.
46,XX,r(7)(p22q36)
Female with 46 chromosomes with a 7 chromosome ring. The end of the short arm (p22) has fused to the end of the long arm (q36) forming a circle or 'ring'
47,XY,+21
Male with 47 instead of 46 chromosomes and the extra chromosome is a 21. (Down Syndrome)

Хромосомные карты
Генетические – где лежит какой ген
Цитологические – по окраске
Физические – основаны на точном расстоянии в базах, кило-, мега- и гига базах
Рестрикционные – по местам рестрикции – разрезания специальными ферментами
1 сМ (сентиморган = морганида – единица расстояния между генами, при которой вероятность кроссинговера 1%, соответствует примерно 1 мегабазе
Гаплоидный геном человека составляет примерно 3 300 000 000, т.е. 3300 сМ

Последовательности, распознаваемые разными рестриктазами
EcoRI
Г ААТТЦ
ЦТТАА Г
SmaI
ЦЦЦ ГГГ
ГГГ ЦЦЦ

Методы создания хромосомных карт
Гибридологический
Анализ родословных (генеалогический)
Генетики соматических клеток
ДНК-зондов
(но об этом поговорим потом)

Примеры карт хромосом человека
Не для запоминания и зарисовки!

Карта хромосомы 1, самой большой

Карта хромосомы 21 и митохондриального генома

Необычные виды хромосом
«ламповые щетки» (найдены в овоцитах амфибий)
политенные хромосомы (в слюнных железах личинок двукрылых)