X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Одним из ключевых вопросов генетики человека является вопрос о строении и функционировании материальных основ наследственности. Сведения по каждому из трех уровней организации наследственных структур (генному, хромосомному, геномному) накапливаются в последние годы с удивительной быстротой, и можно надеяться, что недалеко то время, когда будет составлена довольно цельная картина наследственности человека. Уже и сейчас по этому вопросу человека можно отнести к числу наилучшим образом изученных объектов наряду с дрозофилой, мышью, кукурузой.

Принципы и основные разделы общей цитогенетики сформировались в течение 20-х и 30-х годов в основном благодаря исследованиям, проведенным на дрозофиле и некоторых растениях. Цитогенетика человека и млекопитающих, занимающая ведущее место в современной цитогенетике, развилась позже, главным образом в связи с методическими трудностями.

Историю развития цитогенетики человека можно разделить на три периода. Первый охватывает период с прошлого века до середины 50-х годов и имеет сейчас сугубо исторический интерес. Это были поиски методических подходов к получению препаратов хромосом человека замечательными своей настойчивостью и трудолюбием цитологами того времени. Хотя нашими цитогенетиками А. Г. Андресом и М. С. Навашиным были правильно описаны первые 10 пар крупных хромосом, однако не было достоверно установлено даже общее число хромосом в клетках человека. Неизвестной оставалась также их морфология.

Второй период, начало которому было положено работой Tjio и Levan в 1956 г., характеризовался возникновением и бурным развитием современной цитогенетики человека. Довольно быстро были разработаны все основные методические приемы хромосомного анализа, получены фундаментальные сведения о кариотипе человека, об основных особенностях строения и функционирования его нормальных хромосом. Именно в этот период зародилась медицинская цитогенетика, которая открыла новую область патологии человека, обусловленную изменением числа или структуры хромосом.

Третий период развития цитогенетики человека начался в 70-х годах. Его по праву можно считать началом современного этапа в развитии науки о цитологических основах наследственности человека. Ряд методических нововведений обеспечили переход цитогенетики на качественно иной уровень. Реализовалась возможность изучения индивидуальности хромосом человека и даже их участков. Это сразу подняло на новый уровень медицинскую цитогенетику. Стало возможным исследовать комплексно морфологию, функцию, химические особенности строения и надмолекулярную организацию хромосом человека. Развитие в эти же годы методов генетического картирования хромосом человека обеспечило решение самой сложной задачи — создание генетических карт хромосом.

Таким образом, современная цитогенетика человека представляет собой богатую фактическим материалом, разветвленную самостоятельную область генетики человека. В настоящее время задача идентификации всех элементов человеческого кариотипа при анализе на стадии митоза решена на основе применения дифференциальных окрасок хромосом.[ http://www.bestreferat.ru/referat-86249.html]

Поэтому можно поставить цель: изучение особенностей кариотипа человека.

Задачи:

1. Выяснить что значит “кариотип человека”

2. Что такое нормальный кариотип и какие патологии бывают?

3. Особенности кариотипа человека.

Кариотип человека

Понятие о кариотипе получило распространение на этапе исследования в медицине генетических заболеваний, когда стали активно изучать строение и функции хромосом. Получили открытие синдром Эдвардса, синдром Клайнфельтера. Кариотип, представляющий собой клеточный хромосомный комплекс, является постоянным. У человека нормой является наличие хромосом, количество которых равно 46. Из них 22 пары являются аутосомами и две — это половые хромосомы.

У представительниц женского пола они обозначаются как ХХ, у представителей мужского пола — ХУ. Главная особенность хромосомного набора — это видовая специфичность кариотипа. Функции хромосом заключаются в том, что каждая из них является носительницей генов, которые отвечают на наследственность.

Нормальный мужской кариотип — это кариотип 46, ХУ. Нормальный женский кариотип выглядит как кариотип 46, ХХ. Набор хромосом остается неизменным на протяжении всей жизни. Поэтому сдать кариотип достаточно один раз в жизни.

В характеристике кариотипа вначале указывается общее число хромосом и набор половых хромосом. Затем (при наличии мутаций) указываются геномные, а после – хромосомные мутации. Большое диагностическое значение для идентификации хромосом имеют хромосомные маркеры (chromosome landmarks) – полосы, наиболее четко выделяющиеся при дифференциальной окраске и разделяющие хромосому на районы. Нумеруются районы, а также полосы внутри района по направлению от центромеры к теломере. На некоторых полосах удается локализовать определенные гены генетической карты хромосомы (рис. 1).[2. 86-89]

Рис. 1. Маркеры, обозначение полос и некоторые локусы 1-й хромосомы человека

Нормальный кариотип человека

В кариотипе человека 46хромосом или 23пары. Парные хромо­сомы называют гомологичными, они имеют одинаковою длину и форму, со­держат аллельные гены. В состав хромосом входит 40 % ДНК, 40 % гистоновых белков и 20 % негистоновых белков. Комплекс всех химических веществ, входящих в состав хромосом, называется хроматином. Хромосомы могут находиться в клетках в двух структурных и функциональных состояниях – спирализованном и деспирализованном. В период интерфазы они находятся в деспирализованном состоянии. В спирализованном состоянии они находятся в период митоза. Максимальной спирализации хромосомы достигают в метафазе митоза. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, соединенных в области первичной перетяжки (центромеры). Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки и спутники. Центромера делит хроматиду на два плеча. [https://studfiles.net/preview/5163701/page:10/]

Группы хромосом

Все пары аутосом распределяются на 7 групп в соответствии с длиной и формой хромосом. Группы обозначают латинскими буквами от А до G. Группы четко отличаются друг от друга.

Группа А(1,2,3 пары) самые длинные метацентрические (1,3) и субметацентрическая (2) хромосомы. Хромосома 1 -самая большая метацентрическая хромосома, центромера расположена посередине. Самой большой субметацентрической хромосомой являет­ся хромосома 2. Хромосома 3почти на 20%короче хромосомы 1и, сле­довательно, легко идентифицируется. Абсолютная длина от 11 мкм (1 пара) до 8,3 мкм (2 пара).

Группа В (4и 5 пары) длинные субметацентрические хромосомы. Они не различаются между собой без дифференцированного окрашивания. Абсолютная длина 7,7 мкм.

Группа С (6 – 12 пары). Хромосомы среднего размера, субметацентрические. При стандартном (рутинном) окрашивании Х-хромосому нельзя отличить от других хромосом этой группы. Она по размерам сходна с хромосомами 6и 7пары. Абсолютная длина от 7,7 мкм (6 пара) до 5,8 мкм.

Группа D (13 - 15 пары).Эти акроцентрические хромосомы по фор­ме сильно отличаются от всех других хромосом человека. Все три пары на коротком плече содержат спутники. Длина проксимальных участков коротких плеч варьирует, спутники могут отсутствовать, а могут быть очень большими, могут ярко флуоресцировать, а могут и не давать флуоресценции. Абсолютная длина от 4,2 мкм.

Группа Е (16 - 18 пары).Относительно короткие субметацентрические хромосомы. Абсолютная длина 3,6-3,5 мкм.

Группа F - (19 – 20 пары) маленькие метацентрические хромосомы.В препаратах при рутинной окраске они выглядят одинаково, но при дифференциальном окрашивании резко различаются. Абсолютная длина 2,9 мкм.

Группа G (21 – 22 пары) – две пары самыхмаленьких акроцентрических хро­мосом. На коротком плече имеют спутник. Изменчивость их коротких плеч так же значительна, как и в хромосомах группыD. Абсолютная длина 2,9 мкм.

Y-хромосома маленькая акроцентрическая хромосома длиной 2,8 мкм.Обычно (но не всегда) больше, чем хромосомы группыG, и хроматиды ее длинного плеча, как правило, лежат параллельно одна другой. Этим она отличается от хромосом группы G,у которых хроматиды длинных плеч образуют широкий угол.

Х-хромосома сходна при рутинном окрашивании с хромосомами гриппы С, отличается при использовании дифференцированного окра­шивания. Х - хромосома субметацентрическая, длиной 6,8 мкм.[ https://studfiles.net/preview/5163701/page:10/]

Возможные патологии

Изучение наследственного материала позволяет выявить следующие отклонения от нормы:

Наличие третьей хромосомы в комплексе, что получило название трисомии (развивается синдром Дауна, при котором увеличен показатель ТВП). При наличии трисомии по 13 хромосоме возникает синдром Патау. При увеличении количества по 18-ой хромосоме — синдром Эдвардса. Появление лишней Х хромосомы (47 xxy или 48х xxy) в кариотипе у мужчины дает синдром Клайнфельтера (мозаичный кариотип).

Уменьшение числа хромосом в кариотипе, то есть отсутствие одной хромосомы в паре — моносомия;

Недостаток участка хромосомы, что называется делецией;

Удвоение отдельной области хромосомы, то есть дупликация;

Разворот хромосомного участка, получивший название инверсии;

Перемещение хромосомных участков — транслокация;[ https://krov.expert/analiz/kariotip-cheloveka.html]

Особенности кариотипа человека

Для характеристики кариотипа используют систематизированные определенным образом видеоизображения гомологичных хромосом всего хромосомного набора — кариограммы, либо схематичные изображения каждого гомолога — идеограммы. При кариотипировании обычно руководствуются критериями и правилами, установленными Международным комитетом по стандартизации цитогенетических исследований, последняя версия которых опубликована в 2005 году . Результатом хромосомного анализа является описание кариотипа в виде формулы с указанием числа хромосом, набора половых хромосом и хромосомных аберраций (если они выявлены). Некоторые из символов и сокращений, принятых в цитогенетике человека, приведены в приложении. В норме кариотип человека содержит 46 хромосом. Такое диплоидное (удвоенное) число возникает в результате объединения родительских гамет, каждая из которых содержит половинное, гаплоидное число хромосом, равное 23. Таким образом, зародыш человека со стадии зиготы имеет 23 пары хромосом, 22 из которых являются аутосомами и 1 пара — половыми хромосомами, или гоносомами (Х и Y). Наличие двух половых Х-хромосом (кариотип 46,ХХ) соответствует женскому полу, наличие Х- и Y-хромосом (кариотип 46,ХY) — мужскому. Хромосомы отличаются между собой размерами, формой и строго индивидуальным для каждой пары хромосом рисунком дифференциальной исчерченности. Форма хромосомы определяется локализацией центромеры — участка хромосомы, входящего в состав кинетохора, к которому прикрепляются микротрубочки веретена деления (митотического или мейотического). В зависимости от центромерного индекса, то есть соотношения короткого плеча к длине всей хромосомы, хромосомы человека подразделяются на три группы — метацентрические (размеры короткого (p) и длинного (q) плеч практически одинаковы), субметацентрические (центромерный индекс 26–46 %) и акроцентрические (центромерный индекс 15–30 %). Хромосомы человека состоят из линейно расположенных участков, отличающихся по структурным характеристикам и молекулярной композиции. Свойственная всем хромосомам блочная организация выявляется при использовании различных методов дифференциального окрашивания. Центромерные районы являются обязательным структурным компонентом любой хромосомы в кариотипе человека.

Важным структурным компонентом каждой хромосомы являются теломеры — концевые участки хромосом, которыми в интерфазном ядре хромосомы прикрепляются к внутренней ядерной мембране. Теломерные районы (Tel-блоки) всех хромосом образованы многократно повторенными (несколько тысяч раз) простыми шестинуклеотидными фрагментами (TTAGGG). Плечи хромосом проявляют характерный для каждой пары хромосом рисунок из чередующихся темных (ярких) и светлых (тусклых) полос. Выявляющиеся участки хромосом обозначаются в зависимости от типа окраски Q-, G- и R-сегментами, а поперечная исчерченность хромосом — соответственно Q-, G- и R-рисунком. Q- и G-рисунки идентичны, R-рисунок (reverse) им комплементарен. G + (Q + )-сегменты обогащены АТ-нуклеотидами и содержат сравнительно мало генов. По некоторым данным, в этих сегментах преимущественно находятся гены, ответственные за тканевую (терминальную) дифференцировку клеток. R-сегменты обогащены CG-парами оснований ДНК. В них сосредоточено основное число генов, в том числе генов «домашнего хозяйства» (housekeeping genes), продукты которых обеспечивают жизнеспособность клеток (дыхание, энергетический обмен и др.). В одном сегменте, выявляемом при окраске прометафазных хромосом, содержится в среднем около 1 млн пар нуклеотидов, что примерно соответствует 10–15 генам.

Согласно номенклатуре, каждая хромосома человека подразделяется на районы, границами которых являются регулярно наблюдаемые морфологические маркеры. В свою очередь, районы подразделяются на сегменты, заметно отличающиеся от соседних по интенсивности окраски. Нумерация всех сегментов начинается от центромеры к теломере отдельно для каждого плеча хромосомы. Запись индивидуального сегмента включает информацию о хромосоме, плече и районе, в котором он находится. На менее спирализованных хромосомах сегменты могут подразделиться на несколько частей — субсегментов, для обозначения которых вводятся новые ряды цифр.

Среди полиморфных вариантов встречаются также хромосомы с двойными спутниками и двойными ядрышкообразующими районами (ЯОР). Спутники представлены сатДНК. Спутничные нити (вторичные перетяжки), являясь по существу ядрышкообразующими районами, обозначаются N- или Ag-NOR блоками. В ЯОР локализованы многократно повторяющиеся кластеры рибосомных генов. Каждая акроцентрическая хромосома содержит различное число р-генов. Наряду со спутниками и спутничными нитями неравномерное распределение копий генов рРНК, а также различный уровень их экспрессии лежат в основе структурного и функционального полиморфизма индивидуальных ЯОР.[6. 60-64]

Заключение

Таким образом, современная цитогенетика человека представляет собой богатую фактическим материалом, разветвленную самостоятельную область генетики человека. В настоящее время задача идентификации всех элементов человеческого кариотипа при анализе на стадии митоза решена на основе применения дифференциальных окрасок хромосом.

Хромосомы как индивидуальные структуры становятся доступными для исследования после значительного укорочения и утолщения, которые они испытывают в период подготовки клетки к делению.

Также в этой работе были рассмотрены особенности кариотипа человека и выяснены следующие вопросы: что такое “кариотип человека” и что такое нормальный кариотип и какие патологии бывают.

Список используемой литературы

http://www.bestreferat.ru/referat-86249.html

«Николай Анатольевич Курчанов. Генетика человека с основами общей генетики. Учебное пособие»: СпецЛит; Санкт-Петербург; 2009

https://studfiles.net/preview/5163701/page:10/

https://krov.expert/analiz/kariotip-cheloveka.html

Цитогенетика эмбрионального развития человека: Научно-практические аспекты / Баранов В. С., Кузнецова Т. В. — СПб: Издательство Н-Л, 2007. — 640 с.: 141 ил.

Код для цитирования: Скопировать