Ядро и хромосомы. Картирование и секвенирование хромосом

Ядро (греч – «карион», лат – «нуклеус») было открыто в 1831г шотландским ученым Робертом Брауном.

Ядро является генетическим аппаратом клетки, оно в клетке, как правило, одно и редко – несколько. Форма ядра чаще шарообразная или яйцевидная.

Отграничено ядро от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая представлена двумя мембранами – внутренней и внешней, между ними – перинуклеарное пространство. Каждая из мембран имеет строение, аналогичное плазматической мембране. В ядерной оболочке содержатся ядерные поры.

Под ядерной мембраной находится ядерный сок – кариоплазма, коллоидная ядерная жидкость, она напоминает цитоплазму, состоит из воды, белков, минеральных солей.

В ядре находятся одно или несколько интенсивно окрашенных сферических телец – ядрышек. Ядрышко это непостоянный органоид, во время деления клетки ядрышко исчезает и появляется снова после деления. Ядрышки образуются возле определенного места ДНК, где содержится информация о рибосомной РНК. В ядрышке образуются р – РНК, и рибосомы, на которых происходит синтез белков цитоплазмы.

Основной компонент ядра – хроматин (от греч «хрома» - цвет, краска) – хорошо окрашиваемые специальными красителями гранулы и нитевидные структуры, состоящие из ДНК и белков – гистонов. Хроматин может иметь разную степень конденсации:

- Гетерохроматин – компактный, сильно спирализованный, хорошо

окрашиваются ядерными красителями, не активный, особенность в том, что в этих участках не происходит транскрипции (переписи) наследственной информации (темные участки).

- Эухроматин – генетически активный, в нем локализована большая

часть генов, отличается меньшей плотностью упаковки, то есть малоспирализован и не окрашивается (светлые участки).

В профазе из хроматина образуются хромосомы, в них гетерохроматин и эухроматин чередуется как светлые и темные участки (бэнды), всегда располагаются по – разному.

Различают:

- структурный гетерохроматин обнаруживается вокруг центромер всех 46 хромосом. Предполагается, что он участвует в стабилизации структуры хроматина, а также имеет защитные функции;

- факультативный гетерохроматин выявляется не во всех клетках. Он представляет собой спирализованные Х-хромосомы. В женском организме, содержащим в норме две Х половые хромосомы, одна из них остается плотно упакованной, инактивированной и в интерфазных клетках проявляет свойство гетерохроматина.

Пример факультативного гетерохроматина – тельце Барра. Тельце Барра (половой хроматин) – это факультативный гетерохроматин, выявляемый в эпителиальных клетках слизистой щеки. При добавлении гематоксилина тельце Барра определяется как небольшое, сильно окрашенное образование у стенки ядра эпителиальных клеток. В норме у женщин оно обнаруживается в 15-25% исследованных клеток. У мужчин тельце Барра отсутствует.

Факультативный гетерохроматин выявляется и в сегментоядерных лейкоцитах крови, где он образует выросты ядерной оболочки, напоминающие барабанные палочки. В женском организме в норме регистрируется одна «барабанная палочка» на 500 сегментоядерных клеток. Изучая тельце Барра можно определить пол организма и установить болезни, связанные с нарушением количества Х-гетерохромосом.

В интерфазных клетках хроматин представлен множеством длинных тонких нитей, которые в некоторых местах закручены в более толстые тяжи. В процессе деления клеток спирализация хроматина увеличивается, что приводит к формированию хромосом. Хромосомы являются основными носителями наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение у большинства живых организмов, в том числе и у человека.

В зависимости от периода и фазы клеточного цикла хромосомы меняют свое строение. Морфология хромосом лучше видна в клетке на стадии метафазы. Они состоят издвух прямых или изогнутых палочкообразных телец – хроматид. Обе хроматиды каждой хромосомы идентичны друг другу по генному составу.

Все хромосомы имеют центромеру (первичную перетяжку), два плеча и две теломеры. На некоторых хромосомах еще есть вторичные перетяжки и спутники. Вторичные перетяжки в отличие от центромеры не служат местом прикрепления нитей веретена деления и не играют никакой роли в движении хромосом. Некоторые вторичные перетяжки связаны с образованием ядрышек, в этом случае их называют ядрышковыми организаторами. В ядрышковых организаторах расположены гены, ответственные за синтез р-РНК.

Концевые участки хромосом, богатые структурным гетерохроматином, называются теломерами. Они препятствуют слипанию концов хромосом после редупликации и тем самым способствуют их целостности.

Центромера делит хромосому на два плеча: p-верхнее, q-нижнее.

Рис.1.Виды хромосом человека: а)метацентри-ческая; б) субметацен-трическая; в) акроцен-трическая (р-короткое плечо, q-длинное плечо)

В зависимости от расположения центромеры различают три типа хромосом: метацентрические, субметацентрические и акроцентрические хромосомы (рис.1).

-Метацентрические (равноплечие), центромерарасположена в середине хромосомы, и плечи имеют одинаковый размер (p =q).

-Субметацентрические (неравноплечие) центромерасмещена к верхнему концу хромосомы. При этом различаются короткие и длинные плечи (p < q).

-Акроцентрические, центромера сильно смещена, при этом визуально можно определить у хромосомы только длинные плечи; центромера располагается на конце хромосомы или близко от него.

Хромосомы, имеющие одинаковый порядок генов, называются гомологичными. У них одинаковое строение (длина, расположение центромеры). Негомологичные хромосомы имеют разный генный набор и разное строение.

Изучение тонкой структуры хромосом показало, что они состоят из ДНК, белков-гистонов и небольшого количества РНК. Размеры молекул ДНК хромосом огромны. Они могут достигать сотен микрометров и даже сантиметров. Из хромосом человека самая большая – первая, ее ДНК имеет общую длину до 7 см.

Несмотря на гигантские размеры молекул ДНК, она достаточно плотно упакована в хромосомах. Такую специфическую укладку обеспечивают белки гистоны. Гистоны располагаются по длине молекулы ДНК в виде блоков. В один блок входит 8 молекул гистонов, образуя нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм.

Число хромосом в клетках каждого вида живых организмов строго постоянно. В соматических клетках (все клетки тела за исключением половых) хромосомы присутствуют парами (диплоидный набор – 2n).

В ядрах половых клеток из каждой пары гомологичных хромосом присутствует лишь одна (гаплоидный набор - n), все эти хромосомы разные, негомологичные.

Диплоидный набор хромосом клетки называется кариотипом. Нормальный кариотип человека – 46 хромосом или 23 пары; из них 22 пары неполовые (аутосомы), они у женских и мужских соматических клеток одинаковые – X типа. Последняя 23 пара - половая (гетерохромосомы), и различаются у женского и мужского организмов.

Для удобства кариотип располагают в виде своеобразной записи – идиограммы, в которой хромосомы располагают попарно, в порядке убывающей величины.

Самая крупная пара хромосом - №1, следующая №2, а самая маленькая №22. Гетерохромосомы или половые хромосомы (23пара) у женщин – крупные две X-хромосомы, у мужчин X-хромосома крупная, а Y гораздо меньше.

В норме кариотип женщины записывается – 46, ХХ; кариотип мужчины – 46, ХY.

В 1960г в г. Денвере (США) была принята первая классификация хромосом человека, которая учитывала их размеры и расположение центромеры. Все хромосомы человека подразделяются на 7 групп:

Группа А – три пары самыхкрупных хромосом (№1-метацентрические, № 2-субметацентрические, № 3-метацентрические);

Группа В – две пары крупных субметацентрических хромосом (№ 4, №5);

Группа С – самая многочисленная группа, включающая семь пар средних субметацентрических хромосом (с № 6 по № 12) и Х-половые хромосомы;

Группа D –средниеакроцентрические (с № 13 по № 15);

Группа E – маленькие субметацентрические (с № 16 по № 18);

Группа F – маленькие метацентрические (№ 19, № 20);

Группа G – маленькие акроцентрические (№ 21, № 22) и Y-половая хромосома.

В начале 70-х годов был создан международный комитет, который периодически вносит поправки в существующую номенклатуру хромосом.

Картирование и секвенирование – это составление карт хромосом. Хромосомная карта это схема, описывающая порядок расположения генов или других маркеров на хромосоме, определения расстояния между ними.

Карты можно строить в разном масштабе, самая мелкомасштабная – это карта дифференцированного окрашивания хромосом (определение гетеро- и эухроматина). Максимальный уровень разрешения это определение расположения нуклеотидов в хромосомах. Составление такой карты называется секвенированием.

В 1988г был начат международный проект «Геном человека» в котором задействованы специалисты из разных стран, с 1989г в проекте участвует и Россия.

Все хромосомы человека были поделены между странами-участницами; России для исследования достались 3, 13, 19 хромосомы. Цель проекта – создание подробных карт хромосом, расшифровка всей ДНК человека, то есть проведение полного секвенирования генома. Это в свою очередь, позволит разработать необходимые средства для коррекции наследственных нарушений.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: