|
|
Дидакт_блок_генетический_аппарат_клетки. Тема. Генетический аппарат клетки Вопросы для подготовки к занятию
Тема. Генетический аппарат клетки
Вопросы для подготовки к занятию:
1) Локализация генетического материала в клетке (ядерная, цитоплазматическая).
2) Уровни структурно- функциональной организации ядерного генетического материала
клетки и механизмы их формирования.
3) Cтроение, структурные компоненты и химический состав хромосом. Типы хромосом.
4) Хроматин, эу- и гетерохроматин, характеристика.
5) Классификация хромосом. Денверская и Парижская номенклатуры хромосом.
6) Кариотип, определение, медико-генетическое значение.
Информационно-дидактический блок:
По организации генетического аппарата различают два основных типа клеток: прокариотический и эукариотический. В прокариотической клетке основная масса ДНК входит в состав бактериальных хромосом. Область клетки, в которой находится бактериальная хромосома, называется нуклеоидом. В эукариотической клетке основная масса ДНК находится в ядре в составе линейных хромосом, и лишь незначительная часть ДНК находится вне ядра.
Цитоплазматический наследственный материал находится в органоидах клетки - митохондриях и пластидах, способных к саморепродукции. Он представлен кольцевой молекулой ДНК. Проявление цитоплазматической наследственности находится под контролем ядерной ДНК и является особым типом одностороннего наследования по материнской линии, при котором признаки передаются через цитоплазму яйцеклетки.
В 80-х годах прошлого столетия в ядрах эукариотических клеток были обнаружены нитевидные структуры-хромосомы. Основной функцией хромосом является хранение и передача наследственной информации следующим поколениям.
Материал, из которого состоят хромосомы называется хроматин. В состав хроматина входят:
а) молекула ДНК-около 40% от общего содержания хроматина;
б) белки-около 60%. Белки хроматина подразделяется на гистоновыеи негистоновые.
Гистоновые белки составляют от 40% до 80% всех белков, входящих в состав выделенного хроматина.
РНК хроматина составляет от 0, 2 до 0, 5% от содержания ДНК. В хромосомах обнаруживаются ионы металлов, включая Mg++, Ca++ и Fe++. Они поддерживают организацию хромосом. Способ укладки и взаимного расположения молекул этих химических соединений в хромосоме до конца не известен.
Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, в метафазе и в начале анафазы. Хромосомы в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки, которая делит хромосому
на два плеча.
В области первичной перетяжки находится центромера, где расположен кинетохор; к нему подходят пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Эти пучки микротрубочек принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют, кроме того, ядрышковыми организаторами, так как именно на этих участках хромосом в интерфазе происходит образование ядрышка. Здесь же локализована ДНК. Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами.
В зависимости от расположения центромеры выделяют 5 типов хромосом:
Метацентрические-плечи имеют одинаковую длину.
Субметацентрические-плечи умеренно неравномерной длины.
Акроцентрические-одно плечо маленькое, другое длинное.
Спутничные - имеют глубокие вторичные перетяжки, отделяющие участки хромосом, называемые спутниками
Телоцентрические - имеют одно плечо, центромера находится на конце хромосомы.
В клетках здорового человека телоцентрический тип хромосом отсутствует.
Хромосомы клеток могут находиться в двух структурно-функциональных состояниях:
а) генетически активном, характеризующемся частичной или полной деконденсацией (растяжением) хромосом, осуществлением процессов репликации и транскрипции генов (интерфазная хромосома);
б) генетически неактивном, характеризующемся максимальной конденсацией (уплотнением) хромосом, состоянием метаболического покоя, выполнением функций переноса и распределения генетического материала в дочерние клетки (митоз).
Современный уровень знаний о структуре митотической хромосомы позволяет выделить следующие уровни ее организации (схематически):
первый уровень компактизации ДНК – нуклеосомная фибрилла толщиной 10нм, вокруг которой оборачивается 146 нуклеотидных пар ДНК; коэффициент компактизации – 6-7;
второй уровень – 30-нанометровая фибрилла-соленоид (нуклеомера); коэффициент компактизации – 40 ;
третий уровень – петлевой домен (хромомера); 60 тыс. пар нуклеотидов, длина 0,2-0,3 мкм; коэффициент компактизации – 680;
четвертый уровень – хромонемный; представляет собой уплотненные хромомеры,
образующие толстые нити (0,1-0,2 мкм), которые можно наблюдать в световом микроскопе; коэффициент компактизации – 12х104.
Различают конститутивный (структурный) и факультативный гетерохроматин.
Конститутивный гетерохроматин содержится в околоцентромерных и теломерных участках всех хромосом. Он образован только нетранскрибируемой ДНК и состоит из различных фракций как умеренных, так и многократно повторяющихся последовательностей. Вероятно, его роль заключается в подержании общей структуры ядра, прикреплении хроматина к ядерной оболочке, взаимном узнавании гомологичных хромосом в мейозе, разделении соседних структурных генов, участии в процессах регуляции их активности.
Примером факультативного гетерохроматин служит тельце полового хроматина, образуемое в норме в клетках организмов гомогаметного пола (у человека гомогаметным является женский пол) одной из двух Х-хромосом, находится при ядерной мембране в виде телец Барра на стадии интерфазы.
Определение содержания X-хроматина в клетках человека необходимо для предварительной диагностики наследственных заболеваний, связанных с нарушением числа половых хромосом.
Изучение основы молекулярно- генетической организации митотических хромосом имеет важное значение в медицине для понимания причин и механизмов возникновения хромосомных болезней человека, являющихся следствием нарушения структуры и функционирования хромосом.
Точное количество хромосом человека, 46, было впервые установлено в 1956 году французскими цитогенетиками Тийо и Леваном.
Сложность в установлении количества хромосом человека (как впрочем и других видов) была связана с их беспорядочным расположением в анализируемых препаратах, утерей отдельных хромосом, и другими техническими погрешностями.
Классификация и номенклатура равномерно окрашенных хромосом человека впервые были приняты на международном совещании в 1960 г в Денвере, США, в дальнейшем несколько измененные и дополненные (Лондон, 1963 и Чикаго, 1966). Согласно Денверской классификациивсе хромосомы человека разделены на 7 групп, расположенных в порядке уменьшения их длины и с учетом центромерного индекса (отношение длины короткого плеча к длине всей хромосомы, выраженное в процентах). Группы обозначаются буквами английского алфавита отА до G. Все пары хромосом принято нумеровать арабскими цифрами. Характеристика групп представлена в таблице 1.
Таблица 1.
Денверская классификация хромосом человека
-
Группа хромосом
|
номер
|
Характеристика хромосом по положению центромеры и размерам
|
А (I )
В (II)
С (III )
Д (IY)
Е (Y)
F (YI)
G (YII)
|
1–3
4–5
6–12, Х
13–15
16–18
19–20
21–22, Y
|
Самые крупные метацентрические
Крупные субметацентрические
Средние мета – и субметацентрические
Средние акроцентрические
Малые субметацентрические
Малые метацентрические
Малые акроцентрические
|
Принцип упорядоченности общий для всего вида определяется идиограммой. Идиограммы- попарное расположение хромосом порядке убывания размеров.
Рутинная окраска хромосом позволяла выявлять только их количественные изменения (трисомии, моносомии и т.д)
Недостатком Денверской классификации является трудность в идентификации хромосом внутри группы (группы хромосом С-6-12 средние субметацентрические) и структурные нарушения хромосом диагностировались с большим трудом или не выявлялись вовсе.
Структурные хромосомные аномалии (делеции,транслокации, инверсии), выявляемые при рутинной окраске, должны быть идентифицированы с помощью дифференциального окрашивания.
На Парижской конференции по стандартизации и номенклатуре хромосом в 1971 году были утверждены методы дифференциального окрашивания хромосом и идиограммы прометафазных и метафазных хромосом человека, построенные на их основе. Сложные способы дифференциального окрашивания позволяют наблюдать в каждой хромосоме уникальное чередование светлых и темных полос (сегментов), по которым каждую хромосому в наборе можно идентифицировать. Короткое плечо хромосомы обозначается буквой р, а длинное – q . В каждом плече дифференциально окрашенной хромосомы имеется 1-4 района, внутри которых выделяют сегменты с различной интенсивностью окраски (светлые и темные полосы), которые, как и районы, располагаются по порядку от центромеры к теломере. На стадии профазы митоза в гаплоидном наборе хромосом выявлено более 2000 сегментов. Все это позволяет точно картировать участок хромосомы, идентифицировать каждую хромосому в наборе и составить карты хромосом.
Пример: символичная запись 6 р 1.5 означает – шестая хромосома, 5 сегмент первого района короткого плеча.
На данный момент разработано 4 основных методов дифференциального окрашивания, или бэндинга, которые позволили выявить в каждой хромосоме любого вида специфическое чередование различно окрашенных (светлых и темных) полос: Q, G, R, и С-окрашивание.
Среди методов выявления полос наиболее распространены С-метод и G-метод. В обоих случаях в качестве красителя используют реактив Гимза, а различия в расположении полос проявляются вследствие особенностей предфиксационной обработки.
Успехи молекулярной цитогенетики человека позволили разработать новые методы изучения хромосом. Одним из них является метод флюоресцентной гибридизации insitu (FISH). Это метод основан на комплементарном взаимодействии ДНК изучаемого объекта с небольшой искусственной последовательностью нуклеотидов ДНК, называемой ДНК-зондом. ДНК-зонд соединен с флюоресцирующим веществом. Комплементарное взаимодействие ДНК изучаемого объекта и ДНК-зонда называется гибридизацией ДНК. Если гибридизация происходит, то это событие фиксируется люминесцентным микроскопом и свидетельствует о наличии в исследуемом образце фрагмента ДНК, комплементарного ДНК-зонду. С помощью этого метода, имея набор разных ДНК-зондов, можно даже в неделящейся клетке выявить аномалию числа хромосом и наличие патологического гена, а также выявить мелкие хромосомные мутации, таких как делеции (в том числе и микроделеции), которые трудно обнаружить обычными способами. При этом разные хромосомы или их участки выглядят как разноцветные структуры.
Диплоидный набор хромосом клетки, характеризующийся их числом, величиной и формой, называется кариотипом. Термин «кариотип» был введён в 1924 году советским цитологом Г.А. Левитским. Кариотип — это как бы лицо вида. Число хромосом видоспецифично. Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм.
Нормальный кариотип мужчины записывается: 46, XY, женщины - 46, XX, что обозначает общее число хромосом (46) и половые хромосомы, которые отличаются у мужчины (XY) и у женщины (XX). Хромосомы-партнеры, принадлежащие к одной паре, носят название гомологичных. Хромосомы разных пар существенно отличаются друг от друга, их называют гетерологичными.
Нарушения кариотипа у человека сопровождаются различными, в том числе комплексными, пороками развития, и большинство таких аномалий несовместимо с жизнью. Изучение кариотип человека для диагностики и профилактики хромосомных болезней.
| |
|
|
Скачать 62.5 Kb.