Як виглядає хромосома людини? Як працює хромосома
Історія відкриття хромосом
Малюнок із книги В. Флеммінга, що зображує різні стадії поділу клітин епітелію саламандри (W. Flemming. Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung. 1882)
У різних статтяхі в книгах пріоритет відкриття хромосом віддають різним людям, але найчастіше роком відкриття хромосом називають 1882 рік, які першовідкривачем - німецького анатома У. Флеминга . Однак справедливіше було б сказати, що він не відкрив хромосоми, а у своїй фундаментальній книзі "Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung" (нім.) зібрав та впорядкував відомості про них, доповнивши результатами власних досліджень. Термін «хромосома» був запропонований німецьким гістологом Генріхом Вальдейєром у 1888 році, «хромосома» в буквальному перекладі означає «забарвлене тіло», оскільки основні барвники добре зв'язуються хромосомами.
Зараз важко сказати, хто зробив перший опис та малюнок хромосом. У 1872 році швейцарський ботанік Карл фон Негілі опублікував роботу, в якій зобразив деякі тільця, що виникають на місці ядра під час поділу клітини при утворенні пилку у лілії. Lilium tigrinum) та традесканції ( Tradescantia). Проте його малюнки неможливо однозначно стверджувати, що К. Негілі бачив саме хромосоми. У тому ж 1872 році ботанік Е. Руссов навів свої зображення поділу клітин при утворенні суперечки у папороті з роду ужевник ( Ophioglossum) та пилку лілії ( Lilium bulbiferum). На його ілюстраціях легко дізнатися окремі хромосоми та стадії поділу. Деякі дослідники вважають, що першими побачив хромосоми німецький ботанік Вільгельм Гофмайстер задовго до К. Негілі та Е. Руссова, ще в 1848-1849 роках. У цьому ні До. Негілі, ні Еге. Руссов, ні тим паче У. Гофмейстер не усвідомлювали значення те, що бачили.
Після перевідкриття в 1900 році законів Менделя знадобилося лише один-два роки для того, щоб стало зрозуміло, що хромосоми поводяться саме так, як це очікувалося від «часток спадковості». У 1902 році Т. Бовері та в 1902-1903 роках У. Сеттон ( Walter Sutton) незалежно один від одного першими висунули гіпотезу про генетичну роль хромосом. Т. Бовері виявив, що зародок морського їжака Paracentrotus lividusможе нормально розвиватися лише за наявності хоча б одного, але повного набору хромосом. Також він встановив, що різні хромосоми не є ідентичними за своїм складом. У. Сеттон вивчав гаметогенез у саранчового Brachystola magnaі зрозумів, що поведінка хромосом у мейозі та при заплідненні повністю пояснює закономірності розбіжності менделівських факторів та утворення їх нових комбінацій.
Експериментальне підтвердження цих ідей та остаточне формулювання хромосомної теорії було зроблено в першій чверті XX століття засновниками класичної генетики, які працювали в США з плодовою мушкою ( D.melanogaster): Т. Морганом, К. Бріджес ( C.B.Bridges), А. Стертевантом ( A.H.Sturtevant) та Г. Меллером . На основі своїх даних вони сформулювали хромосомну теоріюспадковості», згідно з якою передача спадкової інформації пов'язана з хромосомами, в яких лінійно, у певній послідовності, локалізовані гени. Ці висновки були опубліковані в 1915 в книзі «The mechanisms of mendelian heredity» (англ.).
У 1933 за відкриття ролі хромосом у спадковості Т. Морган отримав Нобелівську преміюз фізіології та медицини.
Хромосоми еукаріотів
Основу хромосоми становить лінійна (не замкнута в кільце) макромолекула дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) значної довжини (наприклад, молекулах ДНК хромосом людини налічується від 50 до 245 мільйонів пар азотистих основ). У розтягнутому вигляді довжина хромосоми людини може досягати 5 см. Крім неї, до складу хромосоми входять п'ять спеціалізованих білків - H1, H2A, H2B, H3 та H4 (так звані гістони) та ряд негістонових білків. Послідовність амінокислот гістонів висококонсервативна і практично не відрізняється в різних групах організмів.
Первинна перетяжка
Хромосомна перетяжка (X. п.), в якій локалізується центромір і яка ділить хромосому на плечі.
Вторинні перетяжки
Морфологічна ознака дозволяє ідентифікувати окремі хромосоми в наборі. Від первинної перетяжки відрізняються відсутністю помітного кута між сегментами хромосоми. Побічні перетяжки бувають короткими і довгими і локалізуються в різних точках по довжині хромосоми. У людини це 9, 13, 14, 15, 21 та 22 хромосоми.
Типи будови хромосом
Розрізняють чотири типи будови хромосом:
- тілоцентричні(паличкоподібні хромосоми з центроміром, розташованої на проксимальному кінці);
- акроцентричні(Паличкоподібні хромосоми з дуже коротким, майже непомітним другим плечем);
- субметацентричні(З плечима не рівної довжини, що нагадують за формою букву L);
- метацентричні(V-подібні хромосоми, що мають плечі рівної довжини).
Тип хромосом є постійним для кожної гомологічної хромосоми і може бути постійним у всіх представників одного виду чи роду.
Супутники (сателіти)
Сателіт- це округле або подовжене тільце, відокремлене від основної частини хромосоми тонкою хроматиновою ниткою, діаметром рівний або трохи менший хромосомі. Хромосоми, що володіють супутником, прийнято позначати SAT-хромосомами. Форма, величина супутника і нитки, що його зв'язує, постійні для кожної хромосоми.
Зона ядерця
Зони ядерця ( організатори ядерця) – спеціальні ділянки, з якими пов'язана поява деяких вторинних перетяжок.
Хромонема
Хромонема - це спіральна структура, яку можна побачити в декомпактизованих хромосомах через електронний мікроскоп. Вперше спостерігалася Баранецьким у 1880 році в хромосомах клітин пильовиків традесканції, термін запровадив Вейдовський. Хромонема може складатися з двох, чотирьох і більше ниток, залежно від об'єкта, що досліджується. Ці нитки утворюють спіралі двох типів:
- паранемічну(Елементи спіралі легко роз'єднати);
- плектонемічну(Нитки щільно переплітаються).
Хромосомні перебудови
Порушення структури хромосом відбувається внаслідок спонтанних чи спровокованих змін (наприклад, після опромінення).
- Генні (точкові) мутації (зміни на молекулярному рівні);
- Аберації (мікроскопічні зміни, помітні за допомогою світлового мікроскопа):
Гігантські хромосоми
Такі хромосоми, котрим характерні величезні розміри, можна спостерігати деяких клітинах на певних стадіях клітинного циклу . Наприклад, вони виявляються в клітинах деяких тканин личинок двокрилих комах (політенних хромосом) і в ооцитах різних хребетних і безхребетних (хромосоми типу лампових щіток). Саме на препаратах гігантських хромосом вдалося виявити ознаки активності генів.
Політені хромосоми
Вперше виявлено Бальбіані в -го, проте їхня цитогенетична роль була виявлена Костовим, Пайнтером, Гейтцем і Бауером. Містяться в клітинах слинних залоз, кишечника, трахей, жирового тіла та мальпігієвих судин личинок двокрилих.
Хромосоми типу лампових щіток
Є дані про наявність у бактерій білків, пов'язаних із ДНК нуклеоїду, але гістонів у них не виявлено.
Хромосоми людини
У кожній соматичній клітині людини міститься 23 пари лінійних хромосом, а також численні копії мітохондріальної ДНК. У наведеній нижче таблиці показано число генів і основ у хромосомах людини.
| Хромосома | Кількість генів | Усього підстав | Секвенованих основ |
|---|---|---|---|
| 4 234 | 247 199 719 | 224 999 719 | |
| 1 491 | 242 751 149 | 237 712 649 | |
| 1 550 | 199 446 827 | 194 704 827 | |
| 446 | 191 263 063 | 187 297 063 | |
| 609 | 180 837 866 | 177 702 766 | |
| 2 281 | 170 896 993 | 167 273 993 | |
Від батьків дітям у спадок передається житлова площата інше особисте майно. Але успадкувати можна як матеріальні цінності: у кожній дитині є гени батьків, молодше покоління успадковує від старшого нематеріальні цінності (форма обличчя, рук, особливості голови, колір волосся тощо.). За передачу характерних ознаквід батьків дітям в організмі відповідає дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Ця речовина містить біологічну інформацію про мінливість і записана у вигляді особливого коду. Зберігає код хромосома.
То скільки у людини хромосом?Хромосом всього 46, і ось як вони вважаються: всього в клітині людини міститься 23 пари хромосом, у кожній парі знаходиться 2 абсолютно однакові хромосоми, але пари відрізняються між собою. Так, 45 та 46 є статевими, причому ця пара однакова тільки у жінок, у чоловіків вони різні. Всі хромосоми, крім статевих, називаються аутосомами. Вони більш ніж половину складаються з білків. за зовнішньому виглядуХромосоми відрізняються: деякі тонші, інші коротші, але кожна має близнюка.
Хромосомний набір людини(або каріотип) є генетичну структуру, що відповідає за передачу спадковості. Побачити їх під мікроскопом можна лише під час поділу клітини на стадії метафази. Саме в цей момент хромосоми формуються з хроматину, набуваючи плідності: у кожного живого організму своя плідність, клітина людини має 23 пари.
Гаплоїдний та диплоїдний набір хромосом
Плоїдність– кількість хромосомних наборів у ядрах клітин. У живих організмах вони можуть бути парними та непарними. Так уже визначено, що у людини у клітинах утворюється диплоїдний набір хромосом. Диплоїдний (повний, подвійний набір хромосом) притаманний всім соматичним клітинам, у людини він представлений 44 аутосомами та 2 статевими хромосомами.
Гаплоїдний набір хромосом- Є одинарний набір непарних хромосом статевих клітин. При такому наборі в ядрах міститься 22 аутосоми та 1 статева. Гаплоїдний і диплоїдний набори хромосом можуть бути одночасно (при статевому процесі). У цей час відбувається чергування гаплоїдної та диплоїдної фази: з повного набору за допомогою поділу утворюється одинарний набір, потім два одинарні зливаються, утворюючи повний набір і так далі.
Порушення хромосомного набору.Під час розвитку на клітинному рівні можуть відбуватися свої збої та порушення. Зміни у каріотипі (хромосомному наборі) людини призводять до хромосомних захворювань. Найвідомішим із них є синдром Дауна. При такому захворюванні збій відбувається в 21 парі, коли до двох однакових хромосом додається така сама, але третя зайва (утворюється тріосомія).
Нерідко при порушенні двадцять першої пари хромосом плід не встигає розвинутися і гине, але народжена дитина з синдромом Дауна приречена на скорочене життя і відстале розумовий розвиток. Це захворювання невиліковне. Відомі порушення не тільки по 21-й парі, має місце порушення по 18-й (синдром Едвардса), 13-й (синдром Патау) та 23-й (синдром Шерешевського-Тернера) парі хромосом.
Зміни розвитку на хромосомному рівні призводять до невиліковних захворювань. Як наслідок – знижена життєздатність, особливо новонароджених дітей, відхилення у інтелектуальному розвитку. Діти, які страждають на хромосомні хвороби, загальмовані в зростанні, а статеві органи не розвиваються відповідно до віку. На сьогоднішній день немає методів захисту клітин від появи неправильного хромосомного набору.
Що ж може спричинити генетичний збій:
- екологія;
- погана спадковість;
- неправильний спосіб життя;
- дефіцит сну.
Але лікарі не дають стовідсоткової гарантії народження здорової дитини навіть батькам, які все своє життя вели здоровий образжиття, що жили далеко від міських вихлопів і мали абсолютно здорових родичів. Природа сама вирішує, як розподілити хромосомні набори.
Хромосоми – це інтенсивно забарвлене тільце, що складається з молекули ДНК, пов'язаної з білками-гістонами. Хромосоми формуються з хроматину на початку розподілу клітин (у профазі мітозу), але краще їх вивчати в метафазі мітозу. Коли хромосоми розташовуються в площині екватора і добре видно світловий мікроскоп, ДНК в них досягають максимальної спіралізації.
Хромосоми складаються з 2 сестринських хроматид (подвоєних молекул ДНК), з'єднаних один з одним у ділянці первинної перетяжки – центроміри. Центромера ділить хромосому на 2 плечі. Залежно від розташування центроміри хромосоми поділяються на:
метацентрична центроміра розташована в середині хромосоми і плечі її рівні;
субметацентрична центроміра зміщена від середини хромосом і одне плече коротше іншого;
акроцентричні - центроміра розташована близько до кінця хромосоми і одне плече значно коротше за інше.
У деяких хромосомах є вторинні перетяжки, що відокремлюють від плеча хромосоми ділянку, яку називають супутником, з якої в інтерфазному ядрі утворюється ядерце.
Правила хромосом
1. Постійність числа.Соматичні клітини організму кожного виду мають строго певну кількість хромосом (у людини -46, у кішки-38, у мушки-дрозофіли - 8, у собаки -78. у курки -78).
2. Парність.Кожна хромосома в соматичних клітинах з диплоїдним набором має таку ж гомологічну (однакову) хромосому, ідентичну за розмірами, формою, але неоднакову за походженням: одну - від батька, іншу - від матері.
3. Індивідуальність.Кожна пара хромосом відрізняється від іншої пари розмірами, формою, чергуванням світлих та темних смуг.
4. Безперервність.Перед розподілом клітини ДНК подвоюється і в результаті виходить 2 сестринські хроматиди. Після поділу в дочірні клітини потрапляє по одній хроматиді і, таким чином, хромосоми безперервні - від хромосоми утворюється хромосома.
Усі хромосоми поділяються на аутосоми та статеві хромосоми. Аутосомы - все хромосоми у клітинах, крім статевих хромосом, їх 22 пари. Статеві - це 23 пара хромосом, що визначає формування чоловічого і жіночого організму.
У соматичних клітинах є подвійний (диплоїдний) набір хромосом, у статевих – гаплоїдний (одинарний).
Певний набір хромосом клітини, що характеризується сталістю їх числа, розміром та формою, називається каріотипом.
Для того щоб розібратися в складному наборі хромосом, їх розташовують попарно в міру зменшення їх величини, з урахуванням положення центроміру та наявності вторинних перетяжок. Такий систематизований каріотип називається ідіограмою.
Вперше така систематизація хромосом була запропонована на конгресі генетиків у Денвері (США, 1960)
У 1971 р. у Парижі класифікували хромосоми з фарбування та чергування темних і світлих смуг гетеро- та еухроматину.
Для вивчення каріотипу генетики використовують метод цитогенетичного аналізу, при якому можна діагностувати ряд спадкових захворювань, пов'язаних із порушенням числа та форми хромосом.
1.2. Життєвий цикл клітини.
Життя клітини з моменту виникнення внаслідок поділу до її власного поділу чи смерті називається життєвим циклом клітини. Протягом усього життя клітини ростуть, диференціюються та виконують специфічні функції.
Життя клітини між розподілами називається інтерфазою. Інтерфаза складається з 3-х періодів: пресинтетичного, синтетичного та постсинтетичного.
Пресuнтетичний період слідує відразу за поділом. У цей час клітина інтенсивно зростає, збільшуючи кількість мітохондрій та рибосом.
У синтетичний період відбувається реплікація (подвоєння) кількості ДНК, а також синтез РНК та білків.
У постсинтетичний період клітина запасається енергією, синтезуються білки ахроматинового веретену, йде підготовка до мітозу.
Існують різні типи поділу клітин: амітоз, мітоз, мейоз.
Амітоз - прямий поділ прокаріотичних клітин та деяких клітин у людини.
Мітоз - непрямий поділ клітин, під час якого з хроматину утворюються хромосоми. Шляхом мітозу діляться соматичні клітини еукаріотичних організмів, внаслідок чого дочірні клітини отримують такий самий набір хромосом, який мала дочірня клітина.
Мітоз
Мітоз складається з 4-х фаз:
Профаза – початкова фаза мітозу. У цей час починається спіралізація ДНК і укорочення хромосом, які з тонких невидимих ниток хроматину стають короткими товстими, видимими світловий мікроскоп, і розташовуються у вигляді клубка. Ядро і ядерна оболонка зникає, і ядро розпадається, центріолі клітинного центру розходяться по полюсах клітини, між ними розтягуються нитки веретена поділу.
Метафаза – хромосоми рухаються до центру, до них прикріплюються нитки веретена. Хромосоми розташовуються у площині екватора. Вони добре видно в мікроскопі і кожна хромосома складається з 2-х хроматид. У цій фазі можна порахувати число хромосом у клітині.
Анафаза – сестринські хроматиди (що з'явилися у синтетичному періоді при подвоєнні ДНК) розходяться до полюсів.
Телофаза (telos греч. – кінець) протилежна профазі: хромосоми з коротких товстих видимих стають тонкими довгими невидимими у світловий мікроскоп, формуються ядерна оболонка та ядерце. Закінчується телофаза розподілом цитоплазми з утворенням двох дочірніх клітин.
Біологічне значення мітозу полягає в наступному:
дочірні клітини отримують такий самий набір хромосом, який був у материнської клітини, тому у всіх клітинах тіла (соматичних) підтримується постійне число хромосом.
діляться всі клітини, крім статевих:
відбувається зростання організму в ембріональному та постембріональному періодах;
всі функціонально застарілі клітини організму (епітеліальні клітини шкіри, клітини крові, клітини слизових оболонок та ін) замінюються новими;
відбуваються процеси регенерації (відновлення) втрачених тканин.
Схема мітозу
При вплив несприятливих умов на клітину, що ділиться, веретено поділу може нерівномірно розтягнути хромосоми до полюсів, і тоді утворюються нові клітини з різним набором хромосом, виникає патологія соматичних клітин (гетероплоїдія аутосом), що призводить до хвороби тканин, органів, організму.
Хромосоми(ін.-грец. χρῶμα – колір і σῶμα – тіло) – нуклеопротеїдні структури в ядрі еукаріотичної клітини (клітини, що містить ядро), які стають легко помітними у певних фазах клітинного циклу (під час мітозу або мейозу).
Хромосоми є високим ступенем конденсації хроматину, що постійно присутній у клітинному ядрі. Вихідно термін був запропонований для позначення структур, що виявляються в еукаріотичних клітинах, але в останні десятиліття все частіше говорять про бактеріальні хромосоми. У хромосомах зосереджена більшість спадкової інформації.
Хромосоми еукаріотів
Хромосоми еукаріотів мають складну будову. Основу хромосоми становить лінійна (не замкнута в кільце) макромолекула дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) значної довжини (наприклад, молекулах ДНК хромосом людини налічується від 50 до 245 мільйонів пар азотистих основ). У розтягнутому вигляді довжина хромосоми людини може досягати 5 см. Крім неї, до складу хромосоми входять п'ять спеціалізованих білків - H1, H2A, H2B, H3 та H4 (так звані гістони) та ряд негістонових білків. Послідовність амінокислот гістонів висококонсервативна і практично не відрізняється в різних групах організмів. В інтерфазі хроматин не конденсований, але і в цей час його нитки є комплексом з ДНК і білків. Макромолекула ДНК обвиває октомери (структури, що складається з восьми білкових глобул) гістонових білків H2A, H2B, H3 та H4 утворюючи структури, названі нуклеосомами.
У цілому вся конструкція дещо нагадує намисто. Послідовність таких нуклеосом, з'єднаних білком H1, називається нуклеофіламентом (nucleofilament), або нуклеосомною ниткою, діаметром близько 10 нм. У ранній інтерфазі (фаза G1) основу кожної майбутніх хромосом становить одна молекула ДНК. У фазі синтезу (S) молекули ДНК вступають у процес реплікації та подвоюються. У пізній інтерфазі (фаза G2) основа кожної з хромосом складається з двох ідентичних молекул ДНК, що утворилися в результаті реплікації та з'єднаних між собою в районі центромірної послідовності. Перед початком поділу клітинного ядра хромосома, представлена на цей момент ланцюжком нуклеосом, починає спіралізуватися, або упаковуватися, утворюючи за допомогою білка H1 товсту хроматинову нитку, або хроматиду (chromatin fiber) діаметром 30 нм. В результаті подальшої спіралізації діаметр хроматиди досягає часу метафази 700 нм. Значна товщина хромосоми (діаметр 1400 нм) на стадії метафази дозволяє побачити її в світловий мікроскоп.
Конденсована хромосома має вигляд літери X (часто з нерівними плечима), оскільки дві хроматиди, що виникли в результаті реплікації, як і раніше, з'єднані між собою в районі центроміру. Кожна клітина тіла людини містить у точності 46 хромосом. Хромосоми завжди парні. У клітці завжди є по 2 хромосоми кожного виду, пари відрізняються один від одного по довжині, формі та наявності потовщень або перетяжок. У більшості випадків хромосоми досить відрізняються, щоб цитолог міг відрізнити пари хромосом (всього 23 пари).
Слід зазначити, що у всіх соматичних клітинах (всі клітини організму, крім статевих) хромосоми в парах завжди однакові за величиною, формою, розташуванням центромір, у той час як статеві хромосоми (23 пара) у чоловіків не однакові (ХУ), а у жінок однакові (ХХ). Хромосоми у клітині під мікроскопом можна побачити лише під час поділу – мітозу, під час стадії метафази. Такі хромосоми називають метафазними. Коли клітина не ділиться хромосоми мають вигляд тонких, темнозабарвлених ниток, званих хроматином.
Хроматин є дезоксирибонуклеопротеїдом, що виявляється під світловим мікроскопом у вигляді тонких ниток і гранул. У процесі мітозу (розподілу клітини) хроматин шляхом спіралізації утворює добре видимі (особливо в метафазі) структури, що інтенсивно забарвлюються - хромосоми. Метафазна хромосома складається з двох поздовжніх ниток дезоксирибонуклеопротеїду - хроматиду, з'єднаних один з одним в області первинної перетяжки - центромери.
Центромера - особливим чином організована ділянкахромосоми, загальний обох сестринських хроматид. Центромера ділить тіло хромосоми на два плечі. Залежно від розташування первинної перетяжки розрізняють такі типи хромосом: рівноплечі (метацентричні), коли центроміра розташована посередині, а плечі приблизно рівної довжини; нерівноплечі (субметацентричні), коли центроміра зміщена від середини хромосоми, а плечі нерівної довжини; паличкоподібні (акроцентричні), коли центроміра зміщена до одного кінця хромосоми і одне плече дуже коротке. Існують ще точкові (тілоцентричні) хромосоми, вони одне плече відсутня, але у каріотипі (хромосомному наборі) людини їх немає. У деяких хромосомах можуть бути вторинні перетяжки, що відокремлюють від тіла хромосоми ділянку, яка називається супутником.
Вивчення хімічної організації хромосом еукаріотів показало, що вони складаються в основному з ДНК і білків. Як було доведено численними дослідженнями, ДНК є матеріальним носієм властивостей спадковості та мінливості та містить у собі біологічну інформацію – програму розвитку клітини, організму, записану за допомогою особливого коду. Білки становлять значну частину речовини хромосом (близько 65% цих структур). Хромосома як комплекс генів є еволюційно сформовану структуру, властиву всім особинам даного виду. Взаємне розташуванняГенів у складі хромосоми відіграє важливу роль характері їх функціонування. Зміна числа хромосом у каріотипі людини може призвести до різних захворювань.
Найбільш частим хромосомним захворюванняму людини є синдром Даунаобумовлений трисомією (до пари нормальних хромосомдодається ще одна така ж, зайва) по 21 хромосомі. Зустрічається цей синдром із частотою 1-2 на 1000. Нерідко трисомія по 21 парі хромосом є причиною загибелі плода, проте іноді люди із синдромом Дауна доживають до значного віку, хоча загалом тривалість їхнього життя скорочена.
Відомі трисомії по 13-й хромосомі. Синдром Патау, а також по 18-й хромосомі - синдром Едвардса, за яких життєздатність новонароджених різко знижена. Вони гинуть у перші місяці життя через численні вади розвитку. Досить часто у людини зустрічається зміна числа статевих хромосом. Серед них відома моносомія Х (з пари хромосом є тільки одна (Х0)) - це синдром Шерешевського-Тернера. Рідше зустрічається трисомія Х і синдром Клайнфельтера(ХХУ, ХХХУ, ХУУ тощо). Люди із зміною числа статевих хромосом за наявності У-хромосоми розвиваються за чоловічим типом. Це є наслідком того, що фактори, що визначають чоловічий типрозвитку, що знаходяться в У-хромосомі. На відміну від мутацій аутосом (усі хромосоми, крім статевих), дефекти розумового розвиткуу хворих виражені не настільки чітко, у багатьох воно в межах норми, а іноді навіть вище за середнє. Водночас у них постійно спостерігається порушення розвитку статевих органів та зростання. Рідше трапляються вади розвитку інших систем.
Спочатку домовимося про термінологію. Остаточно людські хромосоми вважали трохи більше півстоліття тому — 1956 року. З того часу ми знаємо, що в соматичнихтобто не статевих клітинах, їх зазвичай 46 штук - 23 пари.
Хромосоми в парі (одна отримана від батька, інша - від матері) називають гомологічними. Там розташовані гени, виконують однакові функції, проте нерідко розрізняються за будовою. Виняток становлять статеві хромосоми - Х та Y, генний склад яких збігається не повністю. Всі інші хромосоми, окрім статевих, називають аутосомами.
Кількість наборів гомологічних хромосом плоїдність- У статевих клітинах одно одному, а в соматичних, як правило, двом.
Людина досі В-хромосоми виявлено не були. Зате іноді в клітинах виникає додатковий набір хромосом - тоді говорять про поліплоїдії, а якщо їх число не кратне 23 - про анеуплоїдію. Поліплоїдія зустрічається в окремих типів клітин і сприяє їх посиленій роботі, тоді як анеуплоїдіязазвичай свідчить про порушення у роботі клітини та нерідко призводить до її загибелі.
Ділитись треба чесно
Найчастіше неправильна кількість хромосом є наслідком невдалого поділу клітин. У соматичних клітинах після подвоєння ДНК материнська хромосома та її копія виявляються зчеплені разом білками когезинами. Потім на їх центральні частини сідають білкові комплекси кінетохори, до яких пізніше прикріплюються мікротрубочки. При розподілі мікротрубочками кінетохори роз'їжджаються до різних полюсів клітини і тягнуть за собою хромосоми. Якщо зшивки між копіями хромосоми руйнуються раніше часу, то до них можуть прикріпитися мікротрубочки від того самого полюса, і тоді одна з дочірніх клітин отримає зайву хромосому, а друга залишиться обділеною.
Мейоз теж часто проходить з помилками. Проблема в тому, що конструкція із зчеплених двох пар гомологічних хромосом може перекручуватись у просторі або розділятися у неналежних місцях. Результатом знову буде нерівномірний розподіл хромосом. Іноді статевій клітині вдається це відстежити, ніж передавати дефект у спадок. Зайві хромосоми часто неправильно укладені чи розірвані, що запускає програму загибелі. Наприклад, серед сперматозоїдів діє такий відбір за якістю. А ось яйцеклітин пощастило менше. Всі вони у людини утворюються ще до народження, готуються до поділу, а потім завмирають. Хромосоми вже подвоєні, зошити утворені, а поділ відкладено. У такому вигляді вони мешкають до репродуктивного періоду. Далі яйцеклітини по черзі дозрівають, діляться вперше і знову завмирають. Другий поділ відбувається вже відразу після запліднення. І на цьому етапі проконтролювати якість поділу вже складно. А ризики більші, адже чотири хромосоми в яйцеклітині залишаються пошитими протягом десятків років. За цей час у когезинах накопичуються поломки і хромосоми можуть спонтанно розділятися. Тому чим старша жінка, тим більша ймовірність неправильного розходження хромосом у яйцеклітині.
Схема мейозу
Анеуплоїдія у статевих клітинах неминуче веде до анеуплоїдії зародка. При заплідненні здорової яйцеклітиниз 23 хромосомами сперматозоїдом із зайвою або недостатньою хромосомами (або навпаки) число хромосом у зиготи, очевидно, буде відмінно від 46. Але навіть якщо статеві клітини здорові, це не дає гарантій здорового розвитку. У перші дні після запліднення клітини зародка активно діляться, щоб швидко набрати клітинну масу. Зважаючи на все, у ході швидких поділів немає часу перевіряти коректність розбіжності хромосом, тому можуть виникнути анеуплоїдні клітини. І якщо станеться помилка, то подальша доля зародка залежить від того, в якому розподілі це сталося. Якщо рівновага порушена вже в першому розподілі зиготи, то весь організм виросте анеуплоїдним. Якщо ж проблема виникла пізніше, то результат визначається співвідношенням здорових та аномальних клітин.
Частина останніх може далі загинути, і ми ніколи не дізнаємося про їхнє існування. А може взяти участь у розвитку організму, і тоді він вийде мозаїчним- Різні клітини будуть нести різний генетичний матеріал. Мозаїцизм завдає чимало клопоту пренатальним діагностам. Наприклад, при ризику народження дитини з синдромом Дауна іноді витягують одну або кілька клітин зародка (на тій стадії, коли це не повинно становити небезпеки) і вважають у них хромосоми. Але якщо зародок мозаїчний, такий метод стає не особливо ефективним.
Третій зайвий
Всі випадки анеуплоїдії логічно поділяються на дві групи: нестача та надлишок хромосом. Проблеми, що виникають за нестачі, цілком очікувані: мінус одна хромосома означає мінус сотні генів.
Якщо гомологічна хромосома працює нормально, то клітина може позбутися лише недостатньою кількістю закодованих там білків. Але якщо серед генів, що залишилися на гомологічній хромосомі, якісь не працюють, то відповідних білків у клітці не з'явиться зовсім.
У разі надлишку хромосом все не так очевидно. Генів стає більше, але тут, на жаль, більше не означає краще.
По-перше, зайвий генетичний матеріал збільшує навантаження на ядро: додаткову нитку ДНК потрібно розмістити в ядрі та обслужити системами зчитування інформації.
Вчені виявили, що у людей з синдромом Дауна, чиї клітини несуть додаткову 21 хромосому, в основному порушується робота генів, що знаходяться на інших хромосомах. Мабуть, надлишок ДНК у ядрі призводить до того, що білків, які підтримують роботу хромосом, не вистачає на всіх.
По-друге, порушується баланс кількості клітинних білків. Наприклад, якщо за якийсь процес у клітині відповідають білки-активатори та білки-інгібітори та їх співвідношення зазвичай залежить від зовнішніх сигналів, то додаткова доза тих чи інших призведе до того, що клітина перестане адекватно реагувати на зовнішній сигнал. І нарешті, у анеуплоїдної клітини зростають шанси загинути. При подвоєнні ДНК перед поділом неминуче виникають помилки, клітинні білки системи репарації їх розпізнають, чинять і запускають подвоєння знову. Якщо хромосом занадто багато, то білків не вистачає, помилки накопичуються і запускається апоптоз — загибель клітини, що програмується. Але навіть якщо клітина не гине і ділиться, то результатом такого поділу теж, швидше за все, стануть анеуплоїди.
Жити будете
Якщо навіть у межах однієї клітини анеуплоїдія загрожує порушеннями роботи та загибеллю, то не дивно, що цілому анеуплоїдному організму вижити непросто. На даний момент відомо лише три аутосоми - 13, 18 і 21-а, трисомія за якими (тобто зайва, третя хромосома в клітинах) сумісна з життям. Ймовірно, це пов'язано з тим, що вони найменші і несуть найменше генів. При цьому діти з трисомією по 13-й (синдром Патау) та 18-й (синдром Едвардса) хромосомам доживають у найкращому випадкудо 10 років, а частіше живуть менше року. І тільки трисомія за найменшою в геномі, 21 хромосомі, відома як синдром Дауна, дозволяє жити до 60 років.
Дуже рідко зустрічаються люди із загальною поліплоїдією. У нормі поліплоїдні клітини (несучі не дві, а від чотирьох до 128 наборів хромосом) можна виявити в організмі людини, наприклад у печінці або червоному кістковому мозку. Це, як правило, великі клітини з посиленим синтезом білка, яким не потрібний активний поділ.
Додатковий набір хромосом ускладнює завдання їх розподілу по дочірнім клітинам, тому поліплоїдні зародки зазвичай не виживають. Проте описано близько 10 випадків, коли діти з 92 хромосомами (тетраплоїди) з'являлися на світ і жили від кількох годин до кількох років. Втім, як і у разі інших хромосомних аномалій, вони відставали у розвитку, зокрема й розумовому. Однак багатьом людям із генетичними аномаліями приходить на допомогу мозаїцизм. Якщо аномалія розвинулася вже в ході дроблення зародка, то кілька клітин можуть залишитися здоровими. У разі тяжкість симптомів знижується, а тривалість життя зростає.
Гендерні несправедливості
Однак є й такі хромосоми, збільшення числа яких сумісне з життям людини чи навіть проходить непомітно. І це, як не дивно, статеві хромосоми. Причиною тому — ґендерна несправедливість: приблизно половина людей нашої популяції (дівчаток) Х-хромосом вдвічі більше, ніж в інших (хлопчиків). При цьому Х-хромосоми служать не тільки для визначення статі, але і несуть більше 800 генів (тобто вдвічі більше, ніж зайва 21 хромосома, що завдає чимало турбот організму). Але дівчаткам приходить на допомогу природний механізм усунення нерівності: одна з Х-хромосом інактивується, скручується і перетворюється на тільце Барра. Найчастіше вибір відбувається випадково, й у ряді клітин у результаті активна материнська Х-хромосома, а інших — батьківська. Таким чином, усі дівчатка виявляються мозаїчними, тому що у різних клітинах працюють різні копії генів. Класичним прикладом такої мозаїчності є черепахові кішки: на їх Х-хромосомі знаходиться ген, який відповідає за меланін (пігмент, що визначає, серед іншого, колір вовни). У різних клітинах працюють різні копії, тому забарвлення виходить плямистим і не передається у спадок, оскільки інактивація відбувається випадковим чином.
Внаслідок інактивації в клітинах людини завжди працює лише одна Х-хромосома. Цей механізм дозволяє уникнути серйозних прикрощів при Х-трисомії (дівчатки ХХХ) та синдромах Шерешевського - Тернера (дівчатка ХО) або Клайнфельтера (хлопчики ХХY). Таким народжується приблизно один із 400 дітей, але життєві функції у цих випадках зазвичай не порушені суттєво, і навіть безпліддя виникає не завжди. Складніше буває тим, хто має хромосом більше трьох. Зазвичай це означає, що хромосоми не розійшлися двічі під час утворення статевих клітин. Випадки тетрасомії (ХХХХ, ХХYY, ХХХY, XYYY) та пентасомії (XXXXX, XXXXY, XXXYY, XXYYY, XYYYY) трапляються рідко, деякі з них описані лише кілька разів за всю історію медицини. Всі ці варіанти сумісні з життям, і люди часто доживають до похилого віку, при цьому відхилення виявляються в аномальному розвитку скелета, дефектах статевих органів і зниженні розумових здібностей. Що характерно, додаткова Y-хромосома сама собою впливає на роботу організму несильно. Багато чоловіків з генотипом XYY навіть не дізнаються про свою особливість. Це з тим, що Y-хромосома значно менше Х і майже несе генів, які впливають життєздатність.
У статевих хромосом є ще одна цікава особливість. Багато мутацій генів, розташованих на аутосомах, призводять до відхилень у роботі багатьох тканин та органів. У той самий час більшість мутацій генів на статевих хромосомах проявляється лише порушення розумової діяльності. Виходить, що значною мірою статеві хромосоми контролюють розвиток мозку. На підставі цього деякі вчені висловлюють гіпотезу, що саме на них лежить відповідальність за відмінності (втім, не підтверджені до кінця) між розумовими здібностямичоловіків та жінок.
Кому вигідно бути неправильним
Незважаючи на те, що медицина знайома з хромосомними аномаліями давно, в останнім часоманеуплоїдія продовжує привертати увагу вчених. Виявилося, що понад 80% клітин пухлин містять незвичайну кількість хромосом. З одного боку, причиною цього може бути той факт, що білки, які контролюють якість поділу, здатні його загальмувати. У пухлинних клітинах часто мутують ці білки-контролери, тому знімаються обмеження на поділ і не працює перевірка хромосом. З іншого боку, вчені вважають, що це може бути фактором відбору пухлин на виживання. Згідно з такою моделлю, клітини пухлини спочатку стають поліплоїдними, а далі в результаті помилок поділу втрачають різні хромосоми або їх частини. Виходить ціла популяція клітин із великою різноманітністю хромосомних аномалій. Більшість з них нежиттєздатні, але деякі можуть випадково виявитися успішними, наприклад, якщо випадково отримають додаткові копії генів, що запускають поділ, або втратять гени, що його пригнічують. Однак якщо додатково стимулювати накопичення помилок при розподілі, то клітини не виживатимуть. На цьому принципі засновано дію таксолу — поширених ліків від раку: він викликає системну нерозбіжність хромосом у клітинах пухлини, яка повинна запускати їх програмовану загибель.
Виходить, кожен з нас може виявитися носієм зайвих хромосом, принаймні в окремих клітинах. Однак сучасна наукапродовжує розробляти стратегії боротьби із цими небажаними пасажирами. Одна з них пропонує використовувати білки, що відповідають за Х-хромосому, і нацькувати, наприклад, на зайву 21 хромосому людей з синдромом Дауна. Повідомляється, що на клітинних культурах цей механізм вдалося привести в дію. Отже, можливо, в найближчому майбутньому небезпечні зайві хромосоми виявляться приборканими і знешкодженими.
