Митотические хромосомы

ЛЕКЦИЯ №1. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ХРОМОСОМ

План:

1. Введение.

2. Митотические хромосомі

3. Кариотип и идиограмма

4. Компактизация хроматина.

5. Теломеры и теломерный гетерохроматин

6. Строение центромеры.

7. Хромомерная организация хромосом.

8. Хромосомы типа «ламповых щеток»

9. Политенные хромосомы.

Введение

Хромосомы - это нуклеопротеиновые тела, в которых хранится, передается потомству и реализуется наследственная информация. По иронии судьбы сначала были открыты ядерные структуры, которые в течение многих последующих лет никто не считал хромосомами. В 1881 году Э. Бальбиани описал в клетках слюнных желез хирономуса поперечно-исчерченные ленты. Их назвали .структурами Бальбиани.. Только в 1912 году чешский ученый Ф. Рамбоусек предположил, что это специализированные хромосомы. А окончательно это название утвердилось в 1930-1935 гг. Хромосомы, как .окрашивающиеся тела. были открыты в митотически и мейотически делящихся клетках классиками цитологии Флеммингом и Страсбургером. Свое название хромосомы получили благодаря способности интенсивно окрашиваться основными красителями. Сам термин «хромосома» предложил в 1888 году W. Waldeyer. Огромное значение факта продольного расщепления каждой хромосомы - образование хроматиды - в процессе деления клетки отметил в тот же период В. Ру. С удивительной интуицией он указал, что подобный способ деления хромосом свидетельствует о присутствии в них жизненно важных для клетки элементов и о расположении этих элементов в линейном порядке. А. Вейсман предположил, что наследственность сосредоточена в хромосомах, а доказали это Т.Х. Морган, К. Бриджес, Г. Меллер и А. Стертевант, завершившие к середине 1930-х годов разработку хромосомной теории наследственности. В настоящее время наиболее известны три типа хромосом: а. У прокариот в нуклеоиде и в клеточных органеллах у эукариот. б. Хромосомы из делящихся клеток эукариот. в. Интерфазные хромосомы эукариот.

Митотические хромосомы

Идентификация хромосом. Еще в 1882 году Страсбургером было обнаружено у одного из исследованных им растений, а именно Funkia sieboldiana, что хромосомы одной и той же ядерной пластинки весьма резко отличаются по своей величине. Аналогичные отношения были констатированы впоследствии для целого ряда растений и животных. Несколько позже, Мюллер посвятил целое исследование, специально посвященное различиям в размерах хромосом. Указанные различия являлись не простым варьированием, а характеризовали собой определенные типы более крупных и мелких хромосом, точно повторявшиеся в различных ядерных пластинках одного и того же вида. Каждый тип был представлен в соматических клетках парой одинаковых элементов, очевидно отцовского и материнского происхождения. Такого рода данные представляли - рядом с постоянством числа хромосом - наглядную иллюстрацию индивидуальности хромосом, понимаемой в смысле определенных, характерных для каждой пары особенностей. Точным установлением факта, что хромосомам присущи, помимо их абсолютной и относительной величины, еще и особые постоянные и характерные различия в построении их тела, наука обязана трудам Сергея Гавриловича Навашина (1910-1914).

Уже в ранних работах Навашин выделяет три типа хромосом:

а) Uобразные, почти равноплечие,

б) U- образные, явственно неравноплечие,

в) крючковидные, один членик которых настолько короток, что может даже ускользнуть от наблюдения.

В 1912 году на заседании физико-математического отдела Академии наук состоялось знаменитое сообщение С.Г. Навашина, где он установил у неоднократно до того подвергавшегося исследованию обьекта Galtonia candicans наличие особых мельчайших, но вполне постоянных придатков, присоединенных при помощи .ниточки. к двум средним хромосомам. Придатки эти были названы С.Г. Навашиным спутниками. (satelles - лат.). Тельца эти при делении ядра расщепляются вместе с остальным телом хромосомы. Таким образом впервые была показана возможность идентификации хромосом по особенностям их строения. В 1914 году С.Г. Навашин установил, что в участке прикрепления нитей веретена образуется перетяжка материала хромосомы и эта перетяжка расположена в характерных местах в трех ранее установленных типах хромосом. Из-за того, что данные Навашина были опубликованы на русском языке, к тому же в специальных изданиях, а также из-за последовавших вскоре политических пертурбаций, его работа осталась совершенно неизвестной за границей. Факты, установленные Навашиным, постепенно открывались иностранными учеными вторично, например, много позже Ньютоном и Тейлором. Оба они, как мы видим, с большим отставанием открыли спутники и перетяжки хромосом в месте прикрепления нитей веретена. Фактически в соответствии с классификацией Навашина, выделяют 4 типа хромосом в зависимости от положения центромеры и определяемой этим положением относительной длины плеч, т.е. частей хромосомы по обе стороны от центромеры. По мнению многих ученых любая хромосома имеет два плеча, т.е. телоцентрической хромосомы в природе не существует. У телоцентрических хромосом во всех случаях обнаружено наличие второго, пусть очень короткого плеча. Современные данные свидетельствуют о том, что во всех случаях на каждом конце хромосомы должна быть специальная структура - теломера с большим количеством прителомерного гетерохроматина. Таким образом, центромера не может находиться на самом конце хромосомы, и телоцентрики в природе действительно не существуют.

Кариотип и идиограмма

Индивидуальные хромосомы составляют кариотип - хромосомный комплекс вида со всеми его особенностями: числом хромосом, их морфологией, наличием видимых под световым микроскопом деталей строенияотдельных хромосом, перетяжек, спутников, соотношением длин плеч, чередованием эу - и гетерохроматина. Группируя хромосомы попарно и располагая хромосомы в порядке уменьшения их длины, можно построить идиограмму - диаграмматический рисунок кариотипа. Диплоидные числа хромосом варьируют в очень широких пределах от 2- x до 1600. Известный российский генетик А.П. Акифьев (1993) обратил внимание на то, что размеры хромосом не могут быть меньше определенных размеров. У эукариот нет нормальных хромосом, которые бы не были видны в световом микроскопе т.е. меньших определенного размера. Это означает, что существует своего рода .критическая масса. хромосом, которая не может быть потеряна ни при каких обстоятельствах. Акифьев отмечает, что в соматических клетках хромосомы могут быть реорганизованы в широких пределах, вплоть до их полного распада в макронуклеусах некоторых инфузорий. Однако, прохождение митоза и мейоза невозможно безтипичных хромосом, поддерживающих критическую массу. Причины, определяющие критическую массу, неизвестны. Как кариотип, так и идиограмма позволяют морфологически характеризовать каждую хромосому, но очень часто не дают возможность получить четкую характеристику, позволяющую идентифицировать интенсивности свечения. Наборы флуоресцирующих полос создавали индивидуальность не только целых хромосом, но даже их плеч. В результате каждую хромосому оказалось возможным идентифицировать. Однако, как выяснилось число полос и их интенсивность варьировали в работах разных исследователей В 1971 году на Парижской конференции была принята единая номенклатура окраски каждой хромосомы человека (Парижская номенклатура). Эта окраска получила название Q-окраска или Q-banding. В этом же 1971 году Shaw, Schendl и Sumner предложили метод G- окраски. Препараты после предварительной щелочной обработки инкубируют в стандартном солевом растворе (2ґSSC) а затем окрашивают красителем Гимзы- Романовского. В результате этой окраски появляются темные поперечные (G+) полосы и светлые неокрашенные (G-) полосы между ними. В разных публикациях набор и интенсивность G-полос может варьировать. Парижская номенклатура устанавливает норму числа G+ полос в хромосомах человека - 800 на геном. Кроме того, эти полосы должны быть в определенных позициях. Полосам присвоены определенные номера и относительно их картируют гены. На Рис. 9.9. представлена карта первой хромосомы человека с нанесенными сайтами мутаций, обуславливающих различные физиологические недостатки. Кроме обычной G-методики, известна модификация, позволяющая получить до 2000 полос. Это High Resolution методика. Маркировка хромосом с помощью G- метода позволяет идентифицировать индивидуальные хромосомы и ихфрагменты, следить за их перемещениями в ходе эволюции, под воздействием различных экологических факторов. 9.4. Эу- и гетерохроматин в митотических хромосомах К началу 20 века стало известно, что некоторые хромосомы или их фрагменты во время клеточного деления выглядят более конденсированными и интенсивно окрашенными. Такие различия были названы гетеропикнозом (гетерос - иной, пикнозис - плотность, греч.). Гетеропикноз может быть отрицательным при слабой и положительным при сильной окрашиваемости. В интерфазных ядрах цитологи находили сгутски интенсивно окрашенного материала, которые назвали. Э. Хайц (E. Heitz), проанализировав поведение гетеропикнотических участков хромосом и интефазных хромоцентров, пришел к выводу, что плотные, сильно окрашенные районы хромосом не деконденсируются в телофазе, сохраняя свою плотность. В последующей интерфазе они и образуют хромоцентры. Для обозначения районов хромосом, демонстрирующих положительный гетеропикноз на некоторых стадиях митотического цикла, Э. Хайц (Рис. 9.10.) в 1928 году предложил термин гетерохроматин. С его помощью он предложил различать эухроматин - основную часть митотических хромосом, которая претерпевает обычный цикл компактизации - декомпактизации во время митоза, и гетерохроматин - участкихромосом, постоянно находящиеся в компактном состоянии. У большинства видов эукариот хромосомы содержат как эу-, так и гетерохроматиновые участки, причем последние, как правило, составляют значительную часть генома. Так, у D. melanogaster полностью гетеропикнотична Y-хромосома самца, в Х-хромосоме доля гетерохроматина составляет около 40%, во второй - 29%, в третьей - 25% длины хромосом. По- видимому, большая часть 4ой хромосомы является гетерохроматиновой. Общая доля гетерохроматина в кариотипе составляет 33% длины хромосом дрозофилы. Гетерохроматиновые районы обладают рядом свойств, отличающих их от эухроматина.