Хромосоми

Хромосоми - це основні структурні елементи клітинного ядра, що є носіями генів, в яких закодована спадкова інформація. Володіючи здатністю до самовідтворення, хромосоми забезпечують генетичну зв'язок поколінь.
Морфологія хромосом пов'язана зі ступенем їх спіралізаціі. Наприклад, якщо в стадії інтерфази (див. Мітоз, Мейоз) хромосоми максимально розгорнуто, тобто деспирализованы, то з початком ділення хромосоми інтенсивно спирализуются і коротшають. Максимальної спіралізаціі і укорочення хромосоми досягають в стадії метафази, коли відбувається формування відносно коротких, щільних, інтенсивно окрашивающихся основними барвниками структур. Ця стадія найбільш зручна для вивчення морфологічних характеристик хромосом.
Метафазная хромосома складається з двох поздовжніх субодиниць - хроматид [електронна мікроскопія виявляє в будові хромосом елементарні нитки (так звані хромонемы, або хромофибриллы) товщиною 200 Å, кожна з яких складається з двох субодиниць].
Розміри хромосом тварин і рослин значно коливаються: від часток мікрона до десятків мікрон. Середні довжини метафазных хромосом людини лежать в межах 1,5-10 мікрон.
Хімічною основою будови хромосом є нуклеопротеиды - комплекси нуклеїнових кислот (див.) з основними білками - гистонами і протаминами.

будова нормальної хромосоми
Рис. 1. Будова нормальної хромосоми.
А - зовнішній вигляд; Б - внутрішня будова: 1-первинна перетяжка; 2 - вторинна перетяжка; 3-супутник; 4 - центромера.

Індивідуальні хромосоми (рис. 1) розрізняють по локалізації первинної перетяжки, тобто місця розташування центромери (під час мітозу і мейозу до цього місця прикріплюються нитки веретена, підтягуючи її при цьому до полюса). При втраті центромери фрагменти хромосом втрачають здатність розходитися при діленні. Первинна перетяжка ділить хромосому на 2 плеча. В залежності від розташування первинної перетяжки хромосоми підрозділяють на метацентрические (обидва плеча однакової або майже однакової довжини), субметацентрические (плечі нерівної довжини) і акроцентрические (центромера зміщена на кінець хромосоми). Крім первинної, в хромосомах можуть зустрічатися менш виражені вторинні перетяжки. Невеликий кінцевий ділянку хромосом, відокремлений вторинної перетяжкою, називають супутником.
Кожен вид організмів характеризується своїм специфічним (за кількістю, розмірами і формою хромосом) так званим хромосомним набором. Сукупність подвійного, або диплоїдного набору хромосом позначають як каріотип.

хромосомний набір жінки
Рис. 2. Нормальний хромосомний набір жінки (у правому нижньому куті дві X-хромосоми).
хромосомний набір чоловіки
Рис. 3. Нормальний хромосомний набір чоловіки (в правому нижньому кутку - послідовно Х - і Y-хромосоми).

У зрілих статевих клітинах, яйцеклітинах і сперматозоїдах міститься одиночний, або гаплоїдний набір хромосом (n), що становить половину диплоїдного набору (2n), властивого хромосомами всіх інших клітин організму. У диплоидном наборі кожна хромосома представлена парою гомологів, один з яких материнського, а інший батьківського походження. У більшості випадків хромосоми кожної пари ідентичні за розмірами, формою і генним складом. Виняток становлять статеві хромосоми, наявність яких визначає розвиток організму в чоловічому чи жіночому напрямку. Нормальний хромосомний набір людини складається з 22 пар аутосом і однієї пари статевих хромосом. У людини та інших ссавців жіночий підлогу визначається наявністю двох Х-хромосом, а чоловічий - однієї X-і однієї Y-хромосоми (рис. 2 і 3). В жіночих клітинах одна з Х-хромосом генетично неактивний і виявляється в интерфазном ядрі у вигляді статевого хроматину (див.). Вивчення хромосом людини в нормі і патології становить предмет медичної цитогенетики. Встановлено, що відхилення в числі або структури хромосом від норми, що виникають у статевих! клітинах або на ранніх етапах дроблення заплідненої яйцеклітини, викликають порушення нормального розвитку організму, обумовлюючи у деяких випадках виникнення частині спонтанних абортів, мертвонароджень, вроджених вад і аномалій розвитку після народження (хромосомні хвороби). Прикладами хромосомних хвороб можуть служити хвороба Дауна (зайва G-хромосома), синдром Клайнфелтера (зайва Х-хромосома у чоловіків) і Шерешевського - Тернера (відсутність у каріотипі Y - або однієї з Х-хромосом). У медичній практиці хромосомний аналіз проводять або прямим методом (на клітинах кісткового мозку), або після короткочасного культивування клітин поза організмом (периферична кров, шкіра, ембріональні тканини).

Хромосоми (від грец. chroma - колір і soma - тіло) - ниткоподібні, такі структурні елементи клітинного ядра, що містять в лінійному порядку фактори спадковості - гени. Хромосоми добре видно в ядрі під час поділу соматичних клітин (мітозу) і під час поділу (дозрівання) статевих клітин - мейозу (рис. 1). В тому і в іншому випадку хромосоми інтенсивно забарвлюються основними барвниками, а також видно на нефарбованих цитологічних препаратах у фазовому контрасті. У интерфазном ядрі хромосоми деспирализованы і не видно в світловий мікроскоп, так як їх поперечні розміри виходять за межі роздільної здатності світлового мікроскопа. В цей час окремі ділянки хромосом у вигляді тонких ниток діаметром 100-500 Å можна розрізнити за допомогою електронного мікроскопа. Окремі не деспирализовавшиеся ділянки хромосом у интерфазном ядрі видно через світловий мікроскоп як інтенсивно фарбувальні (гетеропикнотические) ділянки (хромоцентры).
Хромосоми безперервно існують в клітинному ядрі, зазнаючи цикл оборотної спіралізаціі: мітоз-інтерфаза-мітоз. Основні закономірності будови і поведінки хромосом у митозе, мейозі і при заплідненні однакові у всіх організмів.
Хромосомна теорія спадковості. Вперше хромосоми описали І. Д. Чистяков в 1874 р. і Страсбургер (Е. Strasburger) в 1879 р. В 1901 р. Вілсон (Е. В. Wilson), а в 1902 р. Саттон (W. S. Sutton) звернули увагу на паралелізм у поведінці хромосом і менделевских факторів спадковості - генів - в мейозі і при заплідненні і прийшли до висновку, що гени знаходяться в хромосомах. У 1915-1920 роках Морган (Т. зв. Morgan) і його співробітники довели це положення, локалізували в хромосомах дрозофіли кілька сот генів і створили генетичні карти хромосом. Дані про хромосомах, отримані в першій чверті 20 століття, лягли в основу хромосомної теорії спадковості, згідно з якою спадкоємність ознак клітин і організмів в ряду їх поколінь забезпечується наступністю їх хромосомах.
Хімічний склад і ауторепродукция хромосом. В результаті цитохімічних та біохімічних досліджень хромосом в 30 і 50-х роках 20 століття встановлено, що вони складаються з постійних компонентів [ДНК (див. Нуклеїнові кислоти), основних білків (гістонів або протаминов), негистонных білків] і змінних компонентів (РНК і пов'язаного з нею кислого білка). Основу хромосом складають дезоксирибонуклеопротеидные нитки діаметром близько 200 Å (рис. 2), які можуть з'єднуватися в пучки діаметром 500 А.
Відкриття Уотсоном і Кріком (J. D. Watson, F. Н. Crick) у 1953 р. будови молекули ДНК, механізму її авторепродукции (редуплікації) і нуклеїнового коду ДНК і розвиток виникла після цього молекулярної генетики призвело до уявлення про генах як ділянках молекули ДНК. (див. Генетика). Розкриті закономірності авторепродукции хромосом [Тейлор (J. Н. Taylor) та ін., 1957], виявилися аналогічними закономірностям авторепродукции молекул ДНК (полуконсервативная редуплікація:).


Хромосомний набір - сукупність всіх хромосом у клітині. Кожен біологічний вид має характерний і постійним набором хромосом, закріпленим в еволюції даного виду. Розрізняють два основних типи наборів хромосом: одиночний, або гаплоїдний (в статевих клітинах тварин), що позначається n, і подвійний, або диплоїдний (в соматичних клітинах, що містить пари подібних, гомологічних хромосом від матері та батька), позначуваний 2n.
Набори хромосом окремих біологічних видів значно розрізняються по числу хромосом: від 2 (кінська аскарида) до сотень і тисяч (деякі спорові рослини та найпростіші). Диплоїдні числа хромосом деяких організмів такі: людини - 46, горили - 48, кішки - 60, щури - 42, дрозофіли - 8.
Розміри хромосом у різних видів також різні. Довжина хромосом (в метафазі мітозу) варіює від 0,2 мк у одних видів до 50 мк у інших, а діаметр від 0,2 до 3 мк.
Морфологія хромосом добре виражена в метафазі мітозу. Саме метафазные хромосоми використовують для ідентифікації хромосом. У таких хромосоми добре видно обидві хроматиди, на які поздовжньо розщеплена кожна хромосома і центромер (кинетохор, первинна перетяжка), що з'єднує хроматиди (рис. 3). Центромер видно як звужену ділянку, не містить хроматину (див.); до нього кріпляться нитки ахроматинового веретена, завдяки чому центромер визначає рух хромосом до полюсів в митозе і мейозі (рис. 4).
Втрата центромера, наприклад при розриві хромосоми іонізуючими випромінюваннями або іншими мутагенами, призводить до втрати здатності шматка хромосоми, позбавленого центромера (ацентрический фрагмент), брати участь в митозе і мейозі і до втрати його з ядра. Це може призвести до тяжкого пошкодження клітини.
Центромер ділить тіло хромосому на два плеча. Розташування центромера строго постійно для кожної хромосоми і визначає три типи хромосом: 1) акроцентрические, або палочкообразные, хромосоми з одним довгим і другим дуже коротким плечем, нагадує головку; 2) субметацентрические хромосоми з довгими плечима нерівної довжини; 3) метацентрические хромосоми з плечима однакової або майже однакової довжини (рис. 3, 4, 5 і 7).
Характерними рисами морфології певних хромосом є вторинні перетяжки (не володіють функцією центромера), а також супутники - маленькі ділянки хромосом, з'єднані з іншим тілом тонкою ниткою (рис. 5). Спутничные нитки володіють здатністю формувати ядерця. Характерна структура в хромосомі (хромомеры) - потовщення або більш щільно спирализованные хромосомної ділянки нитки (хромонемы). Малюнок хромомер специфічний для кожної пари хромосом.
Число хромосом, їх розміри і форма на стадії метафази характерні для кожного виду організмів. Сукупність цих ознак набору хромосом називається каріотипом. Каріотип можна представити у вигляді схеми, званої идиограммой (див. нижче хромосоми людини).
Статеві хромосоми. Гени, що детермінують підлогу, локалізовані в спеціальній парі хромосом статевих хромосомах (ссавці, людина); в інших випадках іол визначається співвідношенням числа статевих хромосом і всіх інших, званих аутосомами (дрозофіла). У людини, як і у інших ссавців, жіноча стать визначається двома однаковими хромосомами, обозначаемыми як Х-хромосоми, чоловіча стать визначається парою гетероморфних хромосом: Х і Y. У результаті редукційного поділу (мейозу) при дозріванні ооцитів (див. Овогенез) у жінок всі яйця містять по одній Х-хромосомі. У чоловіків в результаті редукційного поділу (дозрівання) сперматоцитів половина сперміїв містить Х-хромосому, а інша половина-Y-хромосому. Стать дитини визначається випадковим заплідненням яйцеклітини спермием, що несе Х - або Y-хромосому. В результаті виникає зародок жіночого (XX) або чоловічого (XY) статі. У интерфазном ядрі у жінок одна з Х-хромосом видно як глыбка компактного статевого хроматину.
Функціонування хромосом і метаболізм ядра. Хромосомна ДНК є матрицею для синтезу специфічних молекул інформаційної РНК. Цей синтез відбувається тоді, коли дана ділянка хромосоми деспирализован. Прикладами локальної активації хромосом служать: освіта деспирализованных петель хромосом в ооцитах птахів, амфібій, риб (так звані Х-лампові щітки) і здуттів (пуффов) певних локусів Х. многонитчатых (политенных) Х. слинних залоз та інших секреторних органів двокрилих комах (рис. 6). Прикладом інактивації цілої хромосоми, тобто виключення її з метаболізму даної клітини, є утворення однієї з Х-хромосом компактного тіла статевого хроматину.
Розкриття механізмів функціонування политенных Х. типу лампових щіток та інших типів спіралізаціі і деспіралізаціі Х. має вирішальне значення для розуміння оборотної диференціальної активації генів.
Хромосоми людини. У 1922 р. Пейнтер (Т. S. Painter) встановив диплоидное число хромосом людини (в сперматогониях), дорівнює 48. У 1956 р. Тво і Леван (Н. J. Tjio, A. Levan) використовували комплекс нових методів дослідження Х. людини: культуру клітин; дослідження Х. без гістологічних зрізів на тотальних препаратах клітин; колхіцин, що приводить до зупинки мітозів на стадії метафази і накопичення таких метафаз; фітогемаглютинін, стимулюючий вступ клітин у мітоз; обробку метафазных клітин гіпотонічним сольовим розчином. Все це дозволило уточнити диплоидное число хромосом у людини (воно виявилося рівним 46) і дати опис каріотипу людини. У 1960 р. у Денвері (США) міжнародна комісія розробила номенклатуру хромосом людини. Згідно з пропозиціями комісії, термін «каріотип» слід застосовувати до систематизованого набору Х. одиничної клітини (рис. 7і 8). Термін «идиотрамма» зберігається для уявлення про набір Х. у вигляді діаграми, побудованої на підставі вимірювань і опису морфології Х. декількох клітин.
Х. людини пронумеровані (частково серійно) від 1 до 22 у відповідності з особливостями морфології, допускають їх ідентифікацію. Статеві Х. не мають номерів і позначаються як Х і Y (рис. 8).
Виявлено зв'язок ряду захворювань і вроджених дефектів у розвитку людини із змінами в числі і структурі його Х. (див. Спадковість).
См. також Цитогенетичні дослідження.
Всі ці досягнення створили міцну базу для розвитку цитогенетики людини.

Рис. 1. Хромосоми: А - на стадії анафази мітозу в микроспороцитах трилисника; Б - на стадії метафази першого поділу мейозу в материнських клітинах пилку у традесканції. В обох випадках видно спіральне будова хромосом.
Рис. 2. Елементарні хромосомні нитки діаметром 100 Å (ДНК + гистон) з інтерфазних ядер вилочкової залози теляти (електронна мікроскопія): А - ізольовані з ядер нитки; Б - тонкий зріз через плівку того ж препарату.
Рис. 3. Хромосомний набір Vicia faba (кінські боби) в стадії метафази.
Рис. 4. Схема будови хромосом в метафазі мітозу після поздовжнього розщеплення центромера: А і А1 - сестринські хроматиди; 1 - довге плече; 2 - коротке плече; 3 - вторинна перетяжка; 4 - центромер; 5 - волокна веретена.
Рис. 5. Схема морфології хромосом в анафазі мітозу (хроматида. відходить до полюса). А - зовнішній вигляд хромосоми; Б - внутрішня будова тієї ж хромосоми з двома складовими її хромонемами (полухроматидами): 1 - первинна перетяжка з хромомерами, складовими центромер; 2 - вторинна перетяжка; 3 - супутник; 4 - нитка супутника.
Рис. 6. Политенные хромосоми двукрылого комахи Acriscotopus lucidus: А і Б - ділянка, обмежена пунктирними лініями, в стані інтенсивного функціонування (пуфф); В той же ділянку в нефункционирующем стані. Цифрами позначені окремі локуси хромосом (хромомеры).
Рис. 7. Хромосомний набір в культурі лейкоцитів периферичної крові чоловіка (2n=46).
Рис. 8. Хромосоми того ж, що на рис. 7, набору, систематизовані згідно денверовской номенклатурою пари гомологів (каріотип).