ЭКЗАМЕН по Биологии вопросы 29-42. Исторический очерк
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
Вопрос 29 Тест полового хроматина и его применение Исторический очерк С самого начального периода развития гистологии и цитологии в ядре были замечены интенсивно окрашивающиеся структуры. Их назвали прохромосомами, хромоцентрами, и считалось, что в этих местах хроматин проявляет положительный гетеропикноз. В настоящее время данные структуры определяются как гетерохроматин, в отличии от слабо окрашивающегося эухроматина. Впервые эти названия были предложены в 1933 году Гейтцем (Heitz). В 1909 году Cajal описал и зарисовал приядерную массу гетерохроматина в клетках нервной ткани у собак, кошек, а также у людей. Однако этот гистолог не связывал своих наблюдений с полом особей, у которых были взяты ткани. Лишь спустя 40 лет это было проделано Barr и Bertram. Однако Geitlеr сообщал о половом ядерном диморфизме еще раньше, в 1937 году. В интеркинетическом ядре некоторых насекомых он наблюдал двойное тело гетерохроматина у женских особей и одинарное тело у мужских особей. Geitlеr связывал наблюдаемое явление с хромосомами X и предполагал, что открытый им механизм может найти применение при определении пола. Сейчас трудно сказать, почему эта интересная работа была забыта и на нее не обратили внимания. Большой интерес к проблеме полового хроматина пробудился в пятидесятых годах после опубликования в 1949 году в журнале «Природа» («Nature») ставшей уже классической работы Barr и Bertram о морфологическом различии между нейронами самок и самцов. В 1953 г. впервые было проведено изучение полового хроматина в случае гермафродитизма, тем самым был разработан новый диагностический клинический тест. Первоначально для определения полового хроматина применяли биопсию кожи, но вскоре был описан метод определения его по мазкам ротовой полости. Примерно в это же время Barr и Bertram открыли диморфизм сегментированных лейкоцитов периферической крови, основываясь на наличии в ядрах определенных отростков. Раньше считалось, что в гетерохроматине нет генов, но позже в гетерохроматине дрозофилы, млекопитающих и растений были обнаружены сотни генов. Морфологическое изображение и положение полового хроматина С течением времени изучение полового хроматина как клинического теста находило все более широкое применение, а многочисленные методические работы позволили точно определить морфологию гранулы полового хроматина и ядерных отростков в лейкоцитах. Также неопровержимо установлено, что нахождение гранулы полового хроматина (тела Барра) на периметре ядра является характерной и отличительной чертой, не зависящей от случайностей. Morishima обнаружил, что хромосома Х, поздно репликующаяся ДНК, которая образует половой хроматин, располагается на периметре метафазной пластинки. Автор связывает этот факт с периферическим расположением тела Барра в клеточном ядре. Морфологически половой хроматин - скопление ядерного хроматина, прилегающего изнутри к оболочке ядра с меньшим размером, колеблющимся в пределах от 0,7 до 1,0 микрона, и большим размером в пределах от 1,0 до 1,4 микрона. Скопление это чаще всего имеет форму плосковыпуклой линзы, обращенной выпуклой стороной и центру ядра. Однако очень часто встречаются разнообразные варианты формы тела Барра. Это треугольные тела с самыми разнообразными пропорциями сторон, тела в форме как бы столбика, прилегающего своей длиной или концом к оболочке ядра; двух столбиков, с одной стороны опирающихся о оболочку ядра, а свободными сторонами соединяющимися друг с другом, образуя таким образом как бы треугольник, пустой в центре. Это так называемый хроматин в форме буквы V, обращенной к оболочке ядра. Можно также встретить двойные тельца Барра, состоящие из двух небольших гранул, разделенных узкой щелью. Наконец, описаны тельца Барра в форме Х, напоминающие метафазную хромосому Х. В живых клетках часто встречается тельце Барра в виде складчатой нитки толщиной 0,5 – 1 микрон и длиной 3 – 5 микрон. Согласно мнению почти всех авторов, занимающихся проблемой полового хроматина, в клеточных ядрах различных тканей может наблюдаться небольшой процент телец Барра, расположенных в центре; в этом случае они чаще всего имеют шарообразную форму. Половой хроматин в ядрах нейроцитов встречается несколько в ином виде. Он представляет собой шарообразное скопление хроматина, называемое Барром ядерным сателлитом. Чаще всего ядерный сателлит прилегает к ядру. Однако его можно наблюдать и в положении между ядром и оболочкой или возле оболочки ядра (Bertram). У человека и у обезьян, в отличии от млекопитающих, тельца Барра в нейроцитах находятся чаще возле оболочки ядра, чем при ядре. При более высоком разрешении границы между эу- и гетерохроматином достаточно протяженные, может наблюдаться градиент свойств. Гетерохроматин не однороден по свойствам. Половой хроматин лейкоцитов Лейкоцитарный половой диморфизм принципиально отличается от остальных клеток организма, как с точки зрения морфологии, так и по частоте встречаемости. Нахождение в ядрах лейкоцитов типичных отростков, которые назвали «барабанные палочки» - особенность женского пола. Эти палочки состоят из головки круглой или овальной формы и тонкой нити, связывающие ее с ядром. Головка окрашивается темнее, чем другие части ядра, в центре бывает просветление. Иногда встречаются и палочки других видов, например, со сплющенным концом или с хроматином более светлым, чем в остальной части ядра. Чаще такие палочки встречаются в лейкоцитах мужского пола. «Посаженные» палочки – короткие и на толстой шее - еще один нетипичный вид палочек. Чаще встречается у мужчин, но бывает и у женщин, и играют вспомогательную роль при определении пола. В ядрах лейкоцитах также встречается целый ряд других нехарактерных отростков. Некоторые авторы пытаются их классифицировать, описывая их как характерные для женского пола, мужского пола или для обоих полов, но открыватели полового диморфизма Дэвидсон и Смит считают, что значение имеют только истинные барабанные палочки и посаженные палочки, а все остальные не имеют значения для определения пола. Позже было установлено, что существует зависимость между величиной барабанной палочки и Х-хромосомой. Происхождение полового хроматина Первая гипотеза была выдвинута в 1952 году Грехемом и Баром – они предположили, что гранулы полового хроматина образуются путем соединения гетеропикнотических частей обеих хромосом Х. Факт частого нахождения полового хроматина в форме двойной гранулы говорил в пользу этой теории. У особей мужского пола в клеточных ядрах не встречалась в два раза меньшей гранулы полового хроматина, что свидетельствовало против этой теории. Позже было выдвинуто предположение, что половой хроматин образуется поздно репликующей хромосомой и доказана в опытах на кузнечиках, на хомяках и позже у человека. Также подтверждением этого факта явились исследования, доказывающие что изменения в строении и величине хромосомы Х вызывают соответствующие изменения в размерах тельца Барра и барабанной палочки. Окончательным фактом стало установление наличие двух поздно репликующих хромосом Х у женщин с идиограммой 47, ХХХ Роль полового хроматина В 1961 году Лион связала факт инактивности и концепцию о происхождении полового хроматина со следующим явлением: у самок мышей гетерозиготным по гену, отвечающему за окраску шерсти, наблюдаются неравномерно расположенные поля неокрашенной шерсти. Эти поля представляют клеточные клоны с тем инактивным хроматином Х, который был носителем гена красителя. На этой основе была выдвинута теория: 1. У самок происходит инактивация одной из двух Х хромосом. 2. Которая из двух Х хромосом будет инактивироваться, зависит от случая. 3. Инактивация хромосомы Х в данной клетке происходит на раннем этапе зародыша и является постоянной для клеточного клона, происходящего от этой клетки. Инактивация является случайным явлением и может касаться как материнской, так и отцовской хромосомой Х. Доказательством стали исследования, выполненные на самках мулов. В их кариотипе хромосомы Х отличаются друг от друга морфологически, в зависимости от того, происходят ли они от отца или от матери. Установлено, что в некоторых случаях поздней репликации подвергается материнская хромосома, в других – отцовская. Генетическим следствием данной теории является «компенсация доз» - явление уравнивания активных генов, сочетанных с Х хромосомой особей обоих полов. Она происходит путем одной из Х хромосом в клетках женских особей. Если бы обе хромосомы оставались активными, то генов было бы вдвое больше. Например, вдое больше было бы глюкозо-6-фосфорановой дегидрогиназы (ее наработка связана с Х хромосомой). Благодаря компенсации доз генетический материал от одной хромосомы Х составляет 2,5% всего генетического материала – оттого хватает, чтобы обеспечить организм необходимыми локусами. Nosli в своих научных исследованиях морфологии полового хроматина в живой клетке говорит о том, что он принимает участие в образовании ядрышка, и демонстрирует снимки, на которых видны отдельные фазы этого процесса. Bertram, при наблюдении поведения полового хроматина во время хроматолиза, пришел к выводу, что половой хроматин принимает участие в синтезе белка. По мере появления новых работ стало также известно, что гетерохроматин выполняет функцию своего рода центра регуляции в период развития половых, а также некоторых соматических признаков. Анализируя случаи с неправильным кариотипом, было замечено, что количество эухроматина остается неизменным, а количество гетерохроматина варьирует. Например, его количество может уменьшиться в случае наличия только одной хромосомы Х, или увеличиться в связи с присутствием дополнительных Х или У хромосом. Опираясь на эти факты, были сделаны выводы, что гетерохроматин выполняет функцию контроля над определением пола, а так же над такими соматическими признаками, как рост и психическое развитие. Плоды человека с кариотипом 45, Х до третьего месяца имеют такие же половые железы, как плоды 46, ХХ, но на шестом месяце у плодов 45, Х в яичнике находится гораздо меньше половых клеток, чем у плода 46, ХХ – половой хроматин задерживает инволюционные процессы в ткани яичника. Дополнительная хромосома Х у мужчин отвечает за их большой рост, в то время как недобор гетерохроматина у женщин с кариотипом 45, Х связан с низким ростом. Хорошо известно влияние гетерохроматина в виде дополнительных хромосом Х на развитие мыслительных способностей. По последним данным некоторые последовательности гетерохроматина реплицируются одновременно с эухроматином. Совсем недавно стало известно о том, что гетерохроматиновые участки хромосом у межвидовых гибридов ответственны за неправильное расхождение хромосом. Именно это вызывает летальность межвидовых гибридов и обеспечивает быстро возникающую репродуктивную изоляцию. Описанный механизм репродуктивной изоляции не требует наличия дополнительных изоляционных барьеров для видообразования. Американскими учеными Патриком Ферри и Даниэлем Барбашем (Patrick M. Ferree, Daniel A. Barbash) были проведены следующие опыты: Ученые скрестили самок Drosophila simulans и самцов Drosophila melanogaster. В результате скрещивания получились жизнеспособные оплодотворенные яйцеклетки. В них начиналось дробление, в течение первых трех часов после оплодотворения ядра делились 9 раз и формировалась обычная для плодовой мушки бластула с несколькими тысячами ядер без клеточных перегородок (так называемый многоядерный синцитий). По мере ядерных делений ядра нормально мигрировали к клеточной оболочке. В бластулах самцов нормальное деление продолжалось и дальше вплоть до 14-го деления, после которого бластодерма формировала клеточные мембраны, и синцитий становился нормальной многоклеточной бластулой. Вслед за этим начиналась гаструляция, и ученые получали жизнеспособных и плодовитых самцов. Однако в бластулах самок после 9-го ядерного деления становились заметны нарушения. Ядра синцития располагались крайне неравномерно, оставляя пустыми большие участки клеточной периферии, но при этом скапливаясь комками в середине клетки. Ядра у клеточной периферии имели неправильную форму, неравномерно окрашивались, а это означало, что ядерные деления стали асинхронными. Кроме того, стали видны нарушения в расхождении хромосом в таких «неправильных» ядрах. Все бластулы, у которых наблюдались эти отклонения, оказались нежизнеспособными: их развитие останавливалось, многоядерная бластула не формировалась. Ясно, что именно этот дефект в нарушениях расхождения хромосом приводил к смерти эмбрионов. Что привело к подобным нарушениям в делении ядер и при чем тут гетерохроматин? Во-первых, ученым удалось выяснить, что ошибки получались только при расхождении X-хромосом Drosophila melanogaster. Иначе говоря, только X-хромосома, привнесенная самцом, являлась источником всех бед, а X-хромосома, полученная от самки Drosophila simulans, никак не влияла на процесс ядерного деления. Во-вторых, эти нарушения были связаны с нерасхождением особого гетерохроматинового участка X-хромосомы, который выявлялся с помощью специфического окрашивания. Этот участок имеется у Drosophila melanogaster, но его нет у Drosophila simulans. Он содержит особый ген Zhr (zygotic hybrid rescue), который отвечает за гибель гибридных самок. Если этот ген отключить с помощью мутаций, то гибридные самки будут полностью жизнеспособны. У таких гибридов, как выяснилось, половые хромосомы расходятся совершенно нормально. Кроме того, на этом участке гетерохроматина находится специальный белок, который структурирует гетерохроматин между клеточными делениями, а во время клеточных делений равномерно распределяется по хроматину. У погибших гибридных самок этот белок так и оставался в скоплении на маленьком участке гетерохроматина на половой хромосоме. У эмбрионов Drosophila melanogaster simulans, как самцов, так и самок, и у гибридных самцов этот белок рассредотачивался во время клеточных делений. Таким образом, круг поисков причин летальности гибридных самок сузился до небольшого участка гетерохроматина на половой хромосоме, а по времени — до 10–13-го ядерного деления. Именно во время этих делений и происходит формирование структуры гетерохроматина. Участки нуклеотидных повторов в гетерохроматине могут быстро изменяться — они, как известно, чрезвычайно вариабельны. Если происходит такое изменение, то гибридные потомки рискуют остаться бесплодными или нежизнеспособными, и таким образом формируется репродуктивная изоляция. В этом случае для закрепления признака не потребуются специальные географические изоляционные барьеры, на которые сейчас принято делать основной упор. Репродуктивную изоляцию обеспечит измененная нуклеотидная последовательность, не несущая полезных или вредных мутаций в белок-кодирующих генах. Это случай репродуктивной изоляции, возникающей очень быстро при нейтральной мутации. Клиническое применение исследования полового хроматина В основе практического применения полового хроматина является его взаимоотношение с системой половых хромосом. Число телец Барра, встречаемых в клетке, определяется правилом Harnden – число телец равно числу хромосом Х минус число гаплоидных наборов клетки деленных на два: S=Х- h/2 Можно ожидать недостатка полового хроматина в системах Х, ХУ, ХУУ. Одно тельце Барра нормальной величины может отсутствовать в системах ХХ, ХХУ, ХХУУ. Тельце Барра меньшего размера наблюдается в случаях дизгенеза с делецией хромосомы Х и в случае изохромосомы Х с короткими плечами. Ненормально большие тельца Барра встречаются в случае изохромосомы Х с длинными плечами. Двойной половой хроматин встречается в системах ХХХ, ХХХУ, ХХХУУ. В редких случаях кариотипов с четырьмя хромосомами Х редко будет встречаться даже три гранулы полового хроматина, а в кариотипах с пятью Х хромосомами в 8% случаев обнаружено по 4 тельца Барра. Немного по другому дело обстоит при анеуплодией или полиплодией. Небольшая анеуплодией не оказывает никакого влияния на гетерохроматизацию хромосомы Х, и тем самым на число телец Барра. Выводы – аутосомы не влияют на поведение Х хромосомы. В случаях полиплоидии половой хроматин ведет себя так, как если бы полиплоидная клетка была сочетанием диплоидных клеток с типичной для них частотой встречаемости телец Барра. При мозаицизме половой хроматин встречается в отдельных клеточных клонах в соответствии с их кариотипами. Например, при мозаицизме ХУ/ХХУ в клеточном клоне ХУ половой хроматин не встречается, а в клетках клона ХХУ наблюдается одно тельце Барра. Для того, чтобы обнаружить мозаицизм с помощью полового хроматина, определения его процента в ротовой полости недостаточно – следует брать материал как можно из большего числа источников. Сначала половой хроматин для клинических целей оценивался в материале биопсии кожи, позже в подсчете количества барабанных палочек в лейкоцитах, а затем в определении полового хроматина в мазках эпителия ротовой полости. Методы изучения полового хроматина в клетках эпителия мочевого осадка, эпителия влагалища, мочевого пузыря, мочеточников, луковице волоса имеют меньшее значение. Половой хроматин как клинический тест Изучение полового хроматина является важным клиническим тестом в клинике различных заболеваний, а простота исполнения находит очень широкое применение. В 1955 г Моор и Барр описали метод определения полового хроматина в соскобах слизистой оболочки ротовой полости (буккальный тест). Для получения материала соскабливание с внутренней поверхности щеки необходимо делать утром натощак. Клетки поверхностного слоя содержат множество микроорганизмов и имеют пикнотические ядра, что делает их негодными, для исследования. Поэтому сначала шпателем снимают поверхностный слой эпителия, непригодный для исследования, а затем другим краем шпателя получают клетки из среднего слоя слизистой оболочки и аккуратно размазывают материал на стекле. У лиц женского пола половой хроматин в соскобах слизистой оболочки рта встречается приблизительно 20-30 % клеток. У лиц мужского пола в этих соскобах находят лишь до 5 % клеток с половым хроматином. Половой хроматин окрашивается всеми основными ядерными красителями. В 1968 г. группа шведских цитологов во главе с Т. Caspersson сообщила о новом люминесцентном микроскопическом методе исследования хромосом, применение которого показало, что в флюорохромированных акрихин -ипритом хромосомах человека наблюдается очень яркое свечение дистальных отделов длинных плеч У-хромосомы. С помощью различных тестов полового хроматина можно дифференцировать комплекс неполно феминизации и комплекс внешнего неполного мужского гермафродитизма. Вид внешних половых органов в обоих этих случаях может быть почти идентичным. Тест полового хроматина оказывает большую помощь в распознавании таких редких комплексов, как комплекс липидной дегенерации надпочечников и семенников, маскулинизирующих бугорков яичника и других. Изучение полового хроматина нашло целый ряд других применений. В судебной медицине применяется тест полового хроматина пола особи, располагая лишь кусочком его ткани. О степени злокачественности опухоли может служить тест полового хроматина с кусочком ткани опухоли, взятому у женщины (критерий – низкое число клеток, содержащих тельца Барра). Таким образом, изучение полового хроматина и "барабанных палочек" сигнализирует о возможных нарушениях полового развития. |