ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛЕТКИ И РАЗВИТИЯ ЦИТОГЕНЕТИКИ

Отдельного рассмотрения заслуживает история изучения клетки и самостоятельного направления генетики – цитогенетики или науки об организации и функционировании хромосом.

Исследования клеточной организации живых организмов начались в 1665 г., когда Роберт Гук с помощью первого микроскопа, сделанного Левенгуком, обнаружил в тонком срезе пробки мелкие структуры, названные им клетками. И только в 1839 г. (через 174 года) ботаник Маттиас Якоб Шлейден и зоолог Теодор Шванн высказали гипотезу об универсальности клеточного строения живых организмов.

В конце XIX в. благодаря работам Луи Пастера и Рудольфа Вирхова ученые пришли к выводу: все организмы первоначально развиваются из одной-единственной клетки-прародителя. Она делится на две дочерние клетки, каждая из которых снова делится на две дочерние клетки, и так продолжается до окончательного формирования многоклеточного организма. В дальнейшем некоторые клетки становятся специализированными и никогда не делятся, другие клетки постепенно отмирают, им на смену приходят новые клетки.

В XX в. окончательно установили: клетка – основная биологическая единица многоклеточного организма, окруженная тонкой плазматической мембраной, отделяющей внутреннюю среду клетки от внешней среды.

Плазматическая мембрана удерживает вместе все внутриклеточные компоненты (органеллы), каждый из которых окружен собственной мембраной. Через плазматическую мембрану в клетку поступают

или выводятся из нее различные химические соединения.

Самой заметной органеллой клетки является ядро, содержащее хромосомы (ядерная ДНК).

Первое упоминание о хромосомах относится к 1880 г., когда В. Флемминг при исследовании клеток роговицы глаза человека обнаружил от 22 до 28 хроматиновых тел. Сам термин «хромосома» впервые введен В. Вальдейером в 1888 г.

К концу XIX в. были более или менее подробно изучены механизмы клеточного деления – митоз и мейоз. Э. Страсбургер, занимаясь растениями, а В. Флемминг – животными, установили наиболее важное свойство митотических и мейотических делений – упорядоченную редукцию наследственного материала. В 1902 г. Теодор Бовери (1862-1915) предположил: наследственные факторы («факторы Менделя») расположены в хромосомах, и именно хромосомы – носители наследственной информации в клетке. Таким образом Т. Бовери заложил основы хромосомной теории наследственности.

В дальнейшем хромосомную теорию наследственности окончательно сформулировали Томас Хент Морган (1866-1945) и его ученики: К. Бриджес, Г. Мёллер и А. Стертевант, получившие за это Нобелевскую премию.

С тех пор исследования хромосом и их генетический анализ проводились в тесной взаимосвязи, но в основном касались насекомых и растений. Так, в 1913 г. К. Бриджес описал случай аномального распределения хромосом в мейозе у дрозофилы, названного им «нерасхождением».

В середине 1930 годов благодаря исследованиям Г. Мёллера (также на дрозофиле) выяснились закономерности мутационного процесса; на их основе сформулировали концепцию генетического груза.

Однако в отличие от цитогенетики насекомых и растений, исследования хромосом человека развивались медленно; длительное время ученые даже не представляли, какое число хромосом свойственно людям.

Парадоксальный факт: «Человек сначала узнал строение ядра атома и только потом – число хромосом в ядрах собственного тела». Так сказал американский генетик Т. Хаушке.

Бурное развитие цитогенетики человека началось в 1956 г., когда Д. Тио и А. Леван, а позднее С. Форд и Д. Хамертон установили в культуре фибробластов легочной ткани эмбрионов человека истинное число хромосом, оказавшееся равным 46 (для сравнения: у макаки-резус – 42 хромосомы, у шимпанзе – 48).

С тех пор нормальным кариотипом у человека считается 46, ХХ (женщина) и 46, XY (мужчина). Это двойной (диплоидный) набор хромосом соматической клетки.

Именно пол оказался первым признаком, наследование которого напрямую связано с поведением хромосом в мейозе (образование гамет).

Известно, что в соматических клетках женщины и мужчины содержится по 22 пары аутосом (хромосомы тела) и одна пара гоносом (половые хромосомы). У женщин гоносомы представлены двумя гомологичными (одинаковыми) Х-хромосомами, так как в ходе оогенеза образуется один тип яйцеклеток, содержащих только Х-хромосому. У мужчин гоносомы представлены одной Х-хромосомой и одной Y-хромосомой, так как при сперматогенезе образуются 2 типа сперматозоидов: либо с Х-хромосомой, либо с Y-хромосомой (их соотношение примерно 1:1).

Генетическое определение пола происходит в момент оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом и целиком зависит от типа последнего: сперматозоид с Х-хромосомой обусловливает формирование женского организма, с Y-хромосомой – мужского.

Важные даты в истории цитогенетики – 1959 и 1960 гг. Именно тогда она стала наиболее популярным направлением развития генетики человека. Произошло следующее.

Во-первых, в 1959 г. Ж. Лежен, Р. Тюрпен и М. Готье обнаружили у детей с болезнью Дауна лишнюю хромосому 21 (как думали тогда). Фактически это была хромосома 22, которую впоследствии стали считать хромосомой 21.

Во-вторых, в 1959 г. С. Форд и сотрудники, а также Р. Джекобс и Ж. Стронг описали три заболевания, вызванных нарушением числа половых хромосом: синдромы Тернера, Клайнфельтера и трипло-Х.

В результате двух таких открытий возник вопрос о необходимости создания номенклатуры (классификации) хромосом.

В-третьих, в 1960 г. для исследования хромосом ученые предложили три методических приема: культивирование клеток, их обработка гипотоническим раствором и использование (для остановки клеточного деления) алкалоида – колхицина.

В-четвертых, в 1960 г. Р. Мурхед нашел способ получения метафазных пластинок из лимфоцитов периферической крови, культивируемых в присутствии фитогемагглютинина, в дальнейшем ставший основой стандартного метода анализа метафазных хромосом.

Однако возникновение идеи использования лейкоцитов периферической крови in vitro и ее первое воплощение датируются 1930-ми годами и связаны с именем отечественного цитолога Г.К. Хрущева.

В-пятых, в 1960 г. К. Патау, Ж. Эдвардс и соавторы описали трисомию по хромосомам 13 и 18, а Р. Ноуэлл и Д. Хангерфорд – «филадельфийскую» хромосому при хроническом миелолейкозе.

В итоге в 1960 г. в городе Денвере (США) состоялась международная научная конференция цитогенетиков, где представили первую номенклатуру хромосом человека в зависимости от их морфологической характеристики, с учетом размеров, формы и положения центромеры.

Согласно денверской номенклатуре, все аутосомы человека имели порядковые номера и делились на 7 групп: A (1-3 пары) – большие метацентрические, B (4, 5) – большие субметацентрические, C (6-12) – средние субметацентрические, D (13-15) – большие акроцентрические, E (16-18) – малые субметацентрические, G (21, 22) – малые акроцентрические. Внутри групп пары хромосом практически не различались по величине (при окраске применявшимися тогда методами). По принципу морфологического подобия Х-хромосома не отличима от хромосом группы С, а Y-хромосома – от хромосом группы G.

О размерах хромосом стали судить с учетом их абсолютной и относительной длины. Во втором случае размер выражали в процентах, определяемых по отношению к суммарной длине всех хромосом женщины, т.е. гаплоидного (одинарного) набора ее хромосом. Самые крупные хромосомы оказались в 4-5 раз длиннее самых мелких хромосом человека.

Для измерения длины хромосомы был предложен центромерный индекс – доля длины короткого плеча к длине всей хромосомы, принятой за 100\%. Например, если центромерный индекс равен 50\%, то это метацентрическая хромосома, если меньше 50\% – субметацентрическая хромосома, а если центромера расположена близко к концу хромосомы – это акроцентрическая хромосома.

Концевая часть хромосомы стала называться теломерой. В дальнейшем в теломере находили повторяющиеся последовательности ДНК или теломерную ДНК, препятствующую укорачиванию хромосомы при репликации.

В настоящее время о размерах хромосом судят по содержанию ДНК: количеству нуклеотидных пар (н.п.). Так, самая маленькая

хромосома 21 имеет около 50 млн н.п., а самая большая хромосома 1 содержит 250 млн н.п. Следует отметить: в дальнейшем денверская классификация хромосом претерпела ряд изменений, внесенных на других научных форумах цитогенетиков (Лондонская конференция, 1963; Чикагский III конгресс, 1966).

В последующие годы с помощью стандартного метода идентификации хромосом были описаны синдром «кошачьего крика», связанный с делецией короткого плеча хромосомы 5 (Ж. Лежен и соавт., 1963), хромосомная нестабильность при анемии Фанкони (Т. Шрёдер и соавт., 1964) и синдроме Блума (Ж. Джерман и соавт., 1965).

Тем не менее, проблема исследования хромосом с помощью стандартного цитогенетического метода решалась медленно. С одной стороны, обнаруживались больные, у которых клинические признаки сочетались с нормальным кариотипом, что заставляло ученых думать о наличии мелких (не выявляемых) структурных изменений хромосом. С другой стороны, выявлялись варианты нормального набора хромосом, не соответствующего фенотипическому полу индивида, или случаи женского кариотипа у мужчин и мужского кариотипа у женщин.

Возможности точной идентификации хромосом появились только в 1968-1970 гг., когда три группы ученых из разных стран – Т. Касперсон и соавторы (Швеция), Б. Датриллэукс и Ж. Лежен (Франция), А.Ф. Захаров и Н.А. Еголина (СССР) – предложили основные методы дифференциального окрашивания хромосом человека (G – гимза, Q – акрихин, R – revers-обратный иС – конститутивный гетерохроматин), а также метод дифференциального окрашивания хроматид с помощью бромдезоксиуридина (БУДР), аналога тимина.

Эти методы позволяют идентифицировать различные типы сегментов (блоки) хромосом, а методом дифференциального окрашивания хроматид выявляют сестринские хроматидные обмены (СХО).

Как оказалось, обнаруживаемое при дифференциальном окрашивании хромосом чередование сегментов (темная и светлая полосы) характеризуется постоянством, что позволило ученым на состоявшейся в 1971 г. в Париже международной научной конференции предложить идиограмму гаплоидного набора хромосом человека (см. главу 2).

Парижская номенклатура хромосом предназначалась для описания по единой форме линейной структуры каждой хромосомы. Причем

сохранялась прежняя (денверская) нумерация хромосом. Отдельная хромосома стала рассматриваться как непрерывная совокупность сегментов независимо от их окраски (межсегментов в хромосоме нет). Первоначально идентифицировали около 320 сегментов.

Плечи хромосом обозначили латинскими буквами: p – короткое и q – длинное. Каждое плечо разделили на районы, ограниченные регулярно наблюдаемыми четкими морфологическими маркерами. Районы тоже разделили – на сегменты или участки, четко отличающиеся от соседних по интенсивности окраски.

Районы и сегменты пронумеровали арабскими цифрами отдельно для каждого плеча в направлении от центромеры к теломере. Например, запись 5 р13 означает: короткое плечо хромосомы 5, район 1, сегмент 3.

Из методов дифференциального окрашивания хромосом наибольшее распространение получило G-окрашивание. Такое положение сохранялось в цитогенетике до конца 1970-х годов.

В начале 1980-х годов широкое распространение получили более совершенные методы дифференциального окрашивания, позволяющие анализировать мало компактизованные хромосомы на стадиях профазы и прометафазы – соответственно профазные и прометафазные методы. С их помощью удалось разделить нормальный гаплоидный набор хромосом человека на более чем 2000 структурных элементов (сегментов).

Однако механизмы выявления сегментов хромосом даже сейчас еще до конца не ясны. В то же время обнаружены свойства сегментов, отражающие картину эволюции структуры хромосом человека.

В настоящее время цитогенетики разных стран в своей работе опираются на данные последней Международной номенклатуры хромосом (ISCH 2005. A System of Human Cytogenetic Nomenclature / Eds L.G. Shaffer, N. Tommerup. – Basel: Kargen, 2004. – 130 p.).

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
yamedik
Добавить комментарий
Adblock
detector