Мед. Генетика Горбунова. Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Глава 1.2. Хромосомная теория наследственности На рубеже XIX и XX веков были изучены основные этапы деления клетки. Время жизни клетки с момента ее образования до деления составляет клеточный цикл . Клеточный цикл делится на стадии, ярчайшей из которых в морфологическом отношении является митоз или собственно деление клетки. Период между митозами называется интерфазой . Ключевая роль в митозе принадлежит хромосомам – таким структурам в ядрах клеток, которые в период деления отчетливо видны при световой микроскопии и использовании специфических методов окрашивания. Окрашивающееся вещество хромосом называется хроматином . Впервые существование хромосом было показано Флемингом в 1882 году. Термин хромосома впервые введен Валдеером в 1888 году (греч.: chroma - окраска; soma - тело). Набор хромосом одной клетки называется кариотипом . Число и морфология хромосом относятся к видовым признакам. Различные виды организмов различаются по кариотипу, в то время как в пределах одного вида таких различий не наблюдается, и аномалии кариотипа чаще всего ассоциированы с тяжелыми патологическими состояниями. В каждой хромосоме есть важный функциональный участок, который называется центромерой . Центромера разделяет хромосому на два плеча: короткое (p) и длинное (q) . Хромосомы делят на группы в зависимости от их длины и локализации центромеры. В соматических клетках высших каждая хромосома представлена двумя копиями, то есть диплоидным набором . И только в половых клетках наблюдается одинарный или гаплоидный набор хромосом. Это обеспечивается за счет особой формы деления половых клеток – мейоза Первые обширные исследования, касающиеся структуры и морфологии хромосом, в нашей стране были проведены на растительных объектах в 20-е годы прошлого века выдающимся цитологом и эмбриологом С. Г. Навашиным и его талантливыми учениками – М. С. Навашиным, Г. А. Левитским, Л. Н. Делоне. В 1924 году Г. А. Левитский опубликовал первое в мире руководство по цитогенетике: «Материальные основы наследственности», в котором, в частности, он ввел понятие кариотипа в том значении, в котором этот термин употребляется и в настоящее время. Рассмотрим более подробно основные стадии клеточного цикла – рис. 5, этапы митоза – рис. 6 и мейоза – рис. 7. Рисунок 5. Клеточный цикл Клетка, закончившая деление находится в стадии G 0 . Самой длительной стадией интерфазы является период относительного покоя клетки – G 1 , ее продолжительность может значительно варьировать. Примерно в середине стадии G 1 имеется контрольная точка, при достижении которой клетка неизбежно вступает в деление. После G 1 начинается очень важная синтетическая стадия S, в процессе которой происходит удвоение каждой хромосомы с образованием двух хроматид , соединенных между собой одной центромерой. Далее следует подготовка к митозу – стадия G 2 и сам митоз – стадия М. Рисунок 6. Митоз Митоз, в свою очередь, также делится на стадии. На стадии профазы происходит исчезновение ядерной мембраны, конденсация или уплотнение хромосом за счет их спирализации, миграция центриолей к противоположным полюсам, приводящая к поляризации клетки, и формирование веретена деления , состоящего из микротрубочек. Нити микротрубочек тянутся от одного полюса до другого и к ним прикрепляются центромеры хромосом. В период метафазы центромеры располагаются по экватору клетки перпендикулярно оси веретена деления. Именно в этот период хромосомы особенно отчетливо видны, так как они находятся в наиболее компактном состоянии. На стадии анафазы происходит разделение центромер, хроматиды превращаются в самостоятельные хромосомы и, увлекаемые центромерами, начинают двигаться к противоположным полюсам клетки по нитям веретена деления. На заключительной стадии – телофазе – происходит деспирализация хромосом, исчезает веретено деления, формируется ядерная мембрана и происходит разделение цитоплазмы. На стадии интерфазы при обычной световой микроскопии хромосомы как отдельные структуры не видны, окрашены только зерна хроматина, случайным образом распределенные по ядру. Рисунок 7. Мейоз Мейоз происходит только при образовании половых клеток, и он включает два клеточных деления: мейоз I или редукционное деление и мейоз II. Во время профазы мейоза I гомологичные хромосомы коньгируют (сливаются) друг с другом по всей длине, образуя бивалент . В это время может происходить обмен участками между несестринскими хроматидами – кроссинговер или гомологичная рекомбинация (рис. 8.) Рисунок 8. Кроссинговер В точке рекомбинации образуется видимая в световой микроскоп крестообразная структура – хиазма . Обмен происходит только между двумя из четырех хроматид. Хиазмы формируются случайно, и их число, в среднем, зависит от длины хромосомы: чем длиннее хромосома, тем больше хиазм. На стадии метафазы биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости, при этом ценромеры случайно ориентируются относительно полюсов клетки. На стадии анафазы гомологичные хромосомы отделяются друг от друга и начинают двигаться к противоположным полюсам. При этом расщепления центромеры не происходит, и сестринские хроматиды оказываются связанными. Однако они могут быть уже не идентичны друг другу из-за произошедшего кроссинговера. Таким образом, в процессе мейоза I из одной диплоидной клетки образуются две гаплоидные. Промежуток между первым и вторым делениями мейоза называется интеркинезом . Он может быть достаточно продолжительным, при этом хромосомы декомпактизируются и выглядят также как в интерфазе. Важно подчеркнуть, что на этой стадии не происходит удвоения хроматид. В профазе мейоза II восстанавливается веретено деления, хромосомы располагаются в экваториальной плоскости. В анафазе II происходит расщепление центромер, и хромосомы двигаются к противоположным полюсам. Таким образом, на один акт удвоения хромосом приходятся два последовательных цикла деления клетки. После завершения телофазы II диплоидная родительская клетка делится на четыре гаплоидные половые клетки, причем образовавшиеся гаметы не идентичны друг другу – фрагменты материнских и отцовских хромосом находятся в них в различных комбинациях. Исследуя процессы митоза и мейоза У. Сэттон и Е. Бовери в 1902 г. пришли к заключению, что постулированные Менделем наследственные факторы или гены находятся в хромосомах, так как поведение хромосом соответствует поведению этих наследственных факторов. Действительно, Мендель предположил, что в соматических клетках содержатся две копии наследственного фактора, отвечающего за один и тот же признак или, как мы уже определили, два аллеля одного гена. Эти аллели могут быть идентичными – АА или аа, либо разными – Аа. Но в половые клетки попадает только один из аллелей – А или а. Вспомним, что гомологичные хромосомы в соматических клетках также содержатся в двух копиях, и только одна из них попадает в гаметы. При оплодотворении двойной набор хромосом и аллелей гена восстанавливается. Прямые доказательства локализации генов в хромосомах были получены позднее Т. Морганом (1910) и К. Бриджесом (1916) в опытах на дрозофиле. Возвращаясь кзаконам Менделя, заметим, что независимое комбинирование справедливо только для тех признаков, гены которых находятся в разных хромосомах. Родительские аллели генов, локализованных в одной хромосоме, имеют большую вероятность совместного попадания в одну и ту же половую клетку. Таким образом, появилось представление о гене, как об участке хромосомы или хромосомном локусе , который отвечает за один признак и одновременно является единицей рекомбинации и мутации, ведущей к изменению фенотипа. Хромосомы высших организмов состоят из эухроматина и гетерохроматина , сохраняющего свое компактное положение на протяжении всего клеточного цикла. Именно гетерохроматин виден в интерфазных ядрах в виде окрашенных гранул. Большое количество гетерохроматина локализовано в области центромеры и на концах хромосом, которые называются теломерами . Хотя функции гетерохроматина до конца не ясны, предполагается, что он играет важную роль в поддержании структурной целостности хромосом, в их правильном расхождении в процессе деления клетки, а также в регуляции работы генов. Эухроматин на препаратах имеет более светлую окраску, и, по-видимому, в этих районах локализована большая часть генов. Хромосомные перестройки чаще возникают в области гетерохроматина. Большая роль в изучении структуры и функций гетерохроматиновых и эухроматиновых районов хромосом принадлежит нашей выдающейся соотечественнице Александре Алексеевне Прокофьевой-Бельговской. Впервые детальное морфологическое описание десяти наиболее крупных хромосом человека и различных групп более мелких хромосом представлено в работах ведущих отечественных цитологов М. С. Навашина и А. Г. Андреса в середине 30-х годов прошлого века. В 1956 году Тио и Леви, используя обработку гистологических препаратов колхицином, определили, что у человека 46 хромосом, состоящих из 23 различных пар. Колхицин задерживает деление клеток на стадии метафазы, когда хромосомы в наибольшей степени конденсированы и потому удобны для распознавания. На рис. 9 представлена схема дифференциального окрашивания хромосом человека. Рисунок 9. Схема дифференциального окрашивания хромосом человека У женщин обе хромосомы каждой пары полностью гомологичны друг другу по форме и рисунку окрашивания. У мужчин такая гомология сохраняется только для 22 пар хромосом, которые называются аутосомами Оставшаяся пара у мужчин состоит из двух различных половых хромосом - X и Y . У женщин половые хромосомы представлены двумя гомологичными X- хромосомами. Таким образом, нормальный кариотип женщины записывается как (46, XX), а мужчины - (46, XY). В половые клетки, как мужчин, так и женщин попадает только один набор хромосом. Все яйцеклетки несут 22 аутосомы и X-хромосому, а вот сперматозоиды различаются – половина из них имеет такой же набор хромосом, как и яйцеклетки, а в другой половине вместо Х-хромосомы присутствует Y-хромосома. При оплодотворении двойной набор хромосом восстанавливается. При этом, кто родится – девочка или мальчик – зависит от того, какой сперматозоид принял участие в оплодотворении, тот, который несет Х- хромосому или тот, который несет Y- хромосому. Как правило, это случайный процесс, поэтому девочки и мальчики рождаются примерно с равной вероятностью. На начальных этапах анализа кариотипа человека индивидуальная идентификация могла быть осуществлена только в отношении трех первых наиболее крупных хромосом. Остальные хромосомы делили на группы в зависимости от их размера, расположения центромеры и наличия спутников или сателлитов – небольших компактных фрагментов, отделенных от хромосомы тонкими перетяжками. На рис. 10 изображены типы хромосом: акроцентрики , метацентрики и субметацентрики при локализации центромеры соответственно на конце хромосомы, посредине и в промежуточном положении. Рисунок 10. Типы хромосом В соответствии с принятой классификацией у человека выделяют 7 групп хромосом: A, B, C, D, E, F и G или 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Для лучшей идентификации хромосом делают их раскладку по группам или кариограмму . На рис. 11 изображен женский кариотип и его кариограмма. Рисунок 11. Женский кариотип и его кариограмма В начале 70-х годов XX века были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом с использованием красителя Гимза (G-, R-, C-, Q-методы). При этом на хромосомах выявляется характерная поперечная исчерченность, так называемые диски или бэнды , расположение которых специфично для каждой пары хромосом. Методы дифференциального окрашивания хромосом позволяют идентифицировать не только каждую хромосому, но и отдельные районы хромосом, последовательно пронумерованные от центромеры к теломере, а также сегменты внутри районов. Например, запись Xp21.2 означает короткое плечо X-хромосомы, район 21, сегмент 2. Эта запись очень удобна для определения принадлежности генов или других элементов генома к определенным хромосомным локусам. В частности, в области Xp21.2 локализован ген миодистрофии Дюшенна – DMD. Таким образом, были созданы методические основы для изучения особенностей кариотипа у разных видов организмов, определения его индивидуальной изменчивости и аномалий при определенных патологических состояниях. Тот раздел генетики, который занимается изучением хромосом и их аномалий, называется цитогенетикой Первые цитогенетические карты хромосом человека составлены К. Б. Бриджесом и Стертевантом ??? – так ли это?. Когда? - Уточнить В первой половине XX века хромосомная теория наследственности получила значительное развитие. Было показано, что гены расположены в хромосомах линейно. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и наследуются вместе. Новые сочетания аллелей генов одной хромосомы могут образовываться за счет кроссинговера, причем вероятность этого события возрастает с увеличением расстояния между генами. Были введены единицы измерения генетического расстояния – сантиморганы или морганиды , названные так в честь основоположника хромосомной теории наследственности – Томаса Моргана. Считается, что два гена одной хромосомы находятся на расстоянии 1сантиморган (сМ), если вероятность кроссинговера между ними в процессе мейоза составляет 1%. Конечно, сантиморганы не являются абсолютными единицами измерения расстояния в хромосомах. Они непосредственно зависят от кроссинговера, который с разной частотой может происходить в разных участках хромосом. В частности, в области гетерохроматина кроссинговер проходит менее интенсивно. Заметим, что описанный выше характер деления соматических и половых клеток – митоз и мейоз, справедлив для эукариот , то есть таких организмов, в клетках которых имеются ядра. У бактерий, которые относятся к классу прокариот , ядер нет, но одна хромосома в клетке присутствует и, как правило, она имеет кольцевую форму. Наряду с хромосомой, в клетках прокариот в большом количестве копий могут содержаться гораздо более мелкие кольцевые структуры, которые называются плазмидами В 1961 году М. Лайон выдвинул гипотезу о том, что у особей женского пола одна из Х-хромосом инактивируется. Причем в разных клетках инактивации могут подвергаться Х-хромосомы как отцовского, так и материнского происхождения. При анализе женского кариотипа инактивированная Х-хромосома выглядит в виде компактной хорошо окрашенной структуры хроматина округлой формы, расположенной вблизи от ядерной мембраны. Это тельце Барра или половой гетерохроматин . Его идентификация является самым простым способом цитогенетической диагностики пола. Напомним, что в У-хромосоме практически нет гомологов генов Х-хромосомы, однако инактивация одной из Х-хромосом приводит к тому, что доза большинства генов, локализованных в половых хромосомах, у мужчин и женщин оказывается одинаковой, то есть инактивация Х- хромосомы у женщин является одним из механизмов компенсации дозы генов. Процесс инактивации Х-хромосомы называется лайонизацией , и он носит случайный характер. Поэтому в организме женщин соотношение клеток с инактивированной Х-хромосомой отцовского, либо материнского происхождения будет примерно одинаковым. Таким образом, женщины, гетерозиготные по мутации в гене, локализованном в Х-хромосоме, имеют мозаичный фенотип – одна часть клеток содержит нормальный аллель, а другая – мутантный. Глава 1.3. Спонтанный и индуцированный мутагенез Успеху в разработке хромосомной теории наследственности способствовало создание коллекций генетических линий многих видов микроорганизмов, растений и животных, в первую очередь дрозофилы и мыши. Генетическая линия – это совокупность сходных по фенотипу и генотипу особей одного вида, устойчиво размножающихся в условиях искусственного разведения. Большинство генетических линий – это мутантные гомозиготы по одному из генов, хотя наряду с этим созданы такие линии, в которых особи оказываются мутантными сразу по нескольким генам. В том случае, если мутантные гомозиготы оказываются нежизнеспособны или стерильны, генетические линии поддерживают путем скрещивания гетерозигот. При создании генетических линий часто используют близкородственное разведение или инбридинг . Генетические линии, моделирующие различные наследственные заболевания человека, широко используются для изучения их этиологии и патогенеза, а также для разработки адекватных методов профилактики и терапии. На первых этапах генетические линии получали путем длительной селекции, отбирая из природных популяций особей с необычным фенотипом и проводя затем генетический анализ наследования этих фенотипических особенностей. Создание большого количества генетических лабораторных линий дрозофилы, отличающихся по морфологическим признакам, таким как цвет и форма глаз, крыльев, грудных и брюшных отделов туловища, характер жилкования, расположение щетинок и многим другим, привело к разработке методов количественной оценки концентрации и частоты возникновения мутаций в природных популяциях. Оказалось, что мутации возникают постоянно и в любых популяциях, в том числе и у человека. При этом они могут быть геномными, хромосомными или генными, то есть могут затрагивать целый геном, отдельные хромосомы или гены. Частота спонтанного возникновения генных мутаций, в среднем, колеблется в пределах 10 –8 -10 –9 на ген за одно поколение. Большинство мутаций в гомозиготном состоянии оказывают неблагоприятный эффект на жизнеспособность или даже оказываются летальными, тем не менее, некоторые из них в гетерозиготном состоянии присутствуют в популяциях в достаточно высоких концентрациях. Причины возникновения спонтанных мутаций долгое время оставались неизвестными. Однако уже в 20-е годы прошлого века было показано, что ионизирующее облучение резко увеличивает частоту возникновения как хромосомных перестроек, так и генных мутаций. При этом мутагенный эффект наблюдается при любой дозе облучения, и при повторном облучении он суммируется. Эти исследования ассоциируются с работами М. Демереца, М. Дельбрюка, Н. В. Тимофеева-Ресовского, Н. П. Дубинина. Был показан мутагенный эффект ультрафиолетового облучения. Однако гонады обычно защищены от прямого УФ-облучения, и потому его роль в возникновении и распространении в популяциях новых мутаций не так велика. Спустя два десятилетия было обнаружено мутагенное действие некоторых химических соединений, таких как иприт, этиленимин, формальдегид и др. Большой вклад в изучение молекулярных основ химического мутагенеза внес отечественный генетик И. А. Рапопорт. Оказалось, что при химическом мутагенезе наблюдается прямая зависимость от дозы и продолжительности обработки. При этом генные мутации возникают чаще, чем хромосомные перестройки. Кроме того, высокая частота возникновения мутаций может сохраняться на протяжении нескольких последующих поколений (задержанный мутагенез). Несмотря на понимание природы индуцированного мутагенеза, конкретные причины возникновения различных спонтанных мутаций чаще всего остаются неизвестными. В 1934 г. в Институте общей генетики АН СССР, директором которого в то время был академик Николай Иванович Вавилов, была организована лаборатория проблем гена и мутагенеза. Еѐ возглавил приглашенный из США профессор Г. Дж. Мѐллер, удостоенный в последствии, в том числе и за работы, выполненные сотрудниками этой лаборатории, почетного звания лауреата Нобелевской премии. Открытие индуцированного мутагенеза резко ускорило создание новых генетических линий, так как мутации в большом количестве выявлялись в потомстве особей, обработанных мутагенами . В настоящее время идентифицировано огромное количество химических соединений с мутагенным эффектом. Среди них особое значение для медицинской генетики имеют вещества, применяемые в сельском хозяйстве (пестициды, инсектициды, гербициды, некоторые виды минеральных удобрений и др.), используемые в промышленном производстве (формальдегид, эпоксиды, бензол, мышьяк, окислы азота и многие другие), а также некоторые лекарственные препараты (гормоны, антиконвульсанты, салицилаты, гепарин, некоторые антибиотики, например, биомицин, и психотропные средства – мажептил, хлорпропазин и др.). Важно подчеркнуть, что под влиянием мутагенов повышается частота возникновения мутаций на всех стадиях формирования половых клеток, от их закладки, которая происходит в начальные периоды эмбриогенеза родителей, до оплодотворения. При этом опасность для здоровья будущего ребенка представляют хромосомные перестройки и доминантные мутации. Вновь возникшие рецессивные мутации чаще всего не будут проявляться в первом поколении, но их отдаленные последствия могут быть выявлены в виде повышения частоты возникновения рецессивной патологии в последующих поколениях. Чувствительным к действию мутагенов является первый триместр беременности до завершения органогенеза. Заметим, кстати, что химические вещества и физические воздействия, обладающие мутагенным эффектом, оказывают также канцерогенное действие, то есть относятся к классу канцерогенов . Это связано с молекулярной этиологией онкологических заболеваний, в основе которой лежит накопление мутаций в определенных группах генов. Многие мутагены способны оказывать тератогенное воздействие на плод в процессе беременности, то есть способны индуцировать врожденные пороки развития (ВПР) не наследственной природы. Однако класс тератогенов гораздо более широкий по сравнению с мутагенами, их эффект существенно зависит от стадии эмбриогенеза, то есть срока беременности, на котором плод подвергается такому воздействию. На самых ранних сроках до 15 дней беременности тератогены могут индуцировать бластопатию , которая завершается гибелью плода, но если плод выживает, то ВПР у него, как правило, не формируются. Следующий период активного органогенеза до 12 недели беременности является особенно чувствительным к действию тератогенов, которые могут вызывать не только гибель плода, но и быть причиной возникновения грубых пороков развития – эмбриопатий Опасность возникновения ВПР под действием тератогенов сохраняется и на следующих стадиях беременности, хотя тяжесть и частота таких фетопатий существенно снижаются по мере развития зародыша. Тератогенным эффектом обладают многие химические соединения и лекарства (препараты цитостатического и противосудорожного действия, стероидные гормоны, некоторые антибиотики, соли ртути, ретиноевая кислота, избыток витамина А, варфарин и др.), инфекционные агенты (цитомегаловирус, краснуха, токсоплазмоз, вирус герпеса и др.), физические воздействия (ионизирующее облучение, гипертермия, механические нарушения). Повышена вероятность рождения детей с ВПР у матерей, страдающих аутоиммунными болезнями, сахарным диабетом, эпилепсией, гипотиреозом и некоторыми другими заболеваниями. Тератогенным эффектом обладают большие дозы никотина и алкоголя, а также некоторые наркотические вещества (героин, кокаин и др.). Напомним, что в организме человека действует системы детоксикации, направленные на выявление и нейтрализацию химических веществ с агрессивным и в том числе мутагенным эффектом. Протективным антитоксическим действием обладают такие вещества как серотонин, цистеин, цитохром С, гистамин, глутатион, α-токоферол и другие витамины. К антимутагенам относятся некоторые пищевые продукты, в первую очередь овощи (капуста, лук, перец, редька, картофель), орехи и фрукты (ананасы, яблоки, виноград). Тем ни менее, каждое новое соединение, которое выпускается для широкого использования среди населения, будь то пищевая добавка, косметическое, бытовое или любое иное средство, обязательно должно проходить проверку на мутагенный, тератогенный и канцерогенный эффекты. В некоторых случаях мутация в определенном гене может возникнуть в период гаметогенеза в одной из половых клеток родителей, так называемая мутация de novo . Такие мутации могут приводить к отклонениям от менделеевского типа наследования. Например, если мутация de novo в гене, контролирующем окраску глаз, возникла в половой клетке одного из голубоглазых родителей, это может привести к тому, что у них родится кареглазый ребенок. Конечно, это событие очень редкое, сопоставимое с частотой возникновения новых мутаций в гене, но все же оно возможно. Если мутация возникла не в зрелой половой клетке, а на более ранней стадии ее дифференцировки, то она будет присутствовать не в одной гамете, а в определенном проценте зародышевых клеток. Такое явление в генетике называется гонадным мозаицизмом . Мутации могут возникать не только в половых клетках, но и в соматических. В этом случае они могут приводить к соматическому мозаицизму . В частности, если мутация возникла в раннем эмбриогенезе в одной из клеток, из которых в дальнейшем происходило развитие какого-то органа, то ее следствием может быть то, что она будет присутствовать во всех или в части клеток только этого органа. Например, если у ребенка один глаз карий, а другой голубой, или один глаз разноцветный, мы можем с определенной долей уверенности утверждать, что мутация в гене, контролирующем окраску глаз, возникла de novo в период эмбриогенеза в одной из клеток зародыша, участвующей в формировании глаза. А ее фенотипическое проявление зависит от того, на какой стадии развития и в какой клетке произошла мутация. Соматические мутации в специфических генах, участвующих в контроле клеточного деления, дифференцировки, пролиферации, являются причиной развития многих онкологических заболеваний. Эти гены делятся на два класса: доминантные и рецессивные онкогены . Последние чаще называются антионкогенами или генами супрессоров опухолей . Продукты доминантных онкогенов участвуют в позитивном контроле деления клеток, тогда как супрессоры опухолей являются негативными регуляторами клеточного роста. Таким образом, рак – это болезнь генов, обусловленная мутациями, чаще всего возникающими de novo в тех соматических клетках и тканях, которые затем вовлекаются в процесс неоплазии. Во второй части учебника мы еще раз более подробно обсудим эти вопросы. В связи с обсуждаемой проблемой необходимо подчеркнуть, что в процессе эволюции были выработаны очень мощные системы, направленные на стабилизацию генетического материала и предотвращение распространения мутации, возникшей в какой-то одной клетке. Это (1) репарация ДНК, то есть исправление дефектов, возникающих в процессе комплементарного синтеза ДНК, то есть репликации , (2) задержка деления |