Цитогенетика человека

Цитогенетикой называют науку, занимающуюся цитологическим изучением структур клетки, связанных с хранением и передачей генетической информации — хромосом. Вы уже знаете строение хромосом и понятие кариотипа, а также что из себя представляют геномные и хромосомными мутации. Теперь мы подробнее расмотрим такие мутации и хромосомные болезни у человека, и повторим способы их идентификации.

В 1956 г. было установлено, что хромосомный набор человека представляет собой 46 хромосом или 23 пары, среди них различают 44 аутосом или 22 пары - одинаковых как у мужчин, так и женщин, и одна пара половых хромосом: представленной ХХ у женщин и XY у мужчин.

С тех пор в изучении кариотипа человека с определёнными фенотипами - так называемыми хромосомными болезнями. Для изучения хромосом человека можно использовать любые ткани, в которых есть делящиеся клетки, так как хромосомы доступны для наблюдения в световой микроскоп только на стадии метафазы. На практике используют самую легкодоступную ткань - клетки крови. Находящиеся в кровотоке ядерные клетки - лейкоциты, в норме не делятся, но если их поместить в специальную питательную среду и обработать факторами роста, то можно заставить делиться в культуре. В конце 1960-х годов были разработаны методы дифференциального окрашивания хромосом, которые позволили безошибочно идентифицировать каждую хромосомную пару по особенностям чередования и размерам темно- и светлоокрашенных поперечных полос, появляющихся после специальной обработки хромосомных препаратов.

1. Взятие крови - 0,5 - 2,0 мл;

2. Отделение плазмы с лейкоцитами  - путём центрифугирования и помещение их в специальную питательную среду;

Эта среда содержит АК, Витамины, минеральные вещества и стимуляторы роста и клеточного деления (фитогеммаглютинины), получаемые из растений;

3. Через 48 - 72 часа в культуре появляется большое количество делящихся клеток.

4. Добавление в культуру алкалоида - колхицина, который разрушает микротрубочки - нити веретена деления, что останавливает деление на стадии метафазы;

5. Дифференциальная окраска хромосом.

Хромосомы на предметном стекле обрабатывают ферментом трипсином, который разрушает доступные для него белки. Для удобства анализа - клетки сначала фотографируют, а затем из фото парами вырезают и наклеивают на бумагу, в вертикальном положении.

Нормальный кариотип человека состоит из 22 пар аутосом и пары половых хромосом. Сгруппированы они по размеру и расположению центромеры. У человека есть метацентрические и субметацентрические хромосомы, у которых плечи одинаковой или незначительно отличающейся длины (хромосомы 1 - 3, 6 - 12, X, 16 и 19 - 20), субтелоцентрические,  у которых одно плечо заметно короче другого (хромосомы 4-5, 17-18) и акроцентрические, у которых одно плечо очень короткое, почти незаметное (это 13 - 15, 21 - 22 и Y. В коротких плечах всех десяти акроцентрических аутосом находятся гены рибосомных РНК. Эти участки называют ядрышкевыми организмторами. В интерфазных клетках они сближаются, образуя ядрышко

У человека, как и других животных, могут возникать хромосомные мутации. Такие мутации, как правило, вызывают очень тяжёлые нарушения развития и очень часто несовместимы с жизнью, т.е. летальны. Однако некоторые из них позволяют человеку выжить и вызывают появление совершенно определённого фенотипа - так называемого синдрома, т.е. совокупности симптомов. Впервые связь между аномальным кариотипом и резкими отклонениями от нормального развития была установлена для болезни или синдрома Дауна, названа так по фамилии описавшего его врача. Для этого заболевания выделен определённый набор признаков - характерный разрез глаз, аномалии многих внутренних органов, специфическое выражение лица и, самое главное, глубокая степень умственной отсталости. Эти аномалии вызывает наличие лишней, третьей хромосомы (трисомия) в 21-й паре хромосом.

Трисомия возникает в результате расхождения хромосом в мейоз матери (у мужчин сперматозоиды с несбалансированным кариотипом обычно обладают пониженной жизнеспособностью и неспособностью к оплодотворению). Важно понимать, что вероятность рождения ребёнка с болезнью Дауна резко возрастает с увеличение возраста матери.

Изменение числа половых хромосом в кариотипе также может приводить к отклонениям в развитии, однако они, как правило, не столь значительны. Это связано с тем, что существует механизм инактивации лишней Х-хромосомы. В норме это происходит только в женском организме. Среди новорожденных мальчиков с частотой 1:500 встречается синдром Кляйнфельтера - наличие лишней Х-хромосомы (ХХУ). У таких людей лишняя Х-хромосома инактивирована; по фенотипу они являются мужчинами. Так инактивация Х-хромосомы все же неполная, у них имеются некоторые аномалии, выражающиеся в недоразвитии первичных и вторичных половых признаков и бесплодии. Иногда встречается наличие лишней У-хромосомы. На фенотипе это отражается слабо, но отражается на характере и определённых формах поведения.

С частотой примерно 1:5000 рождаются фенотипические девочки, у которых всего одна Х-хромосома (синдром Шершевского-Тернера). Для таких больных характерны: очень низкий рост, недоразвитие первичных и вторичных половых признаков, бесплодие. Наличие же лишней Х-хромосомы у женщин практически не сказывается на фенотипе, поэтом таких людей обнаруживают случайно. 

Существуют хромосомные болезни, связанные с другими хромосомными мутациями. Пример - так называемый "синдром кошачьего крика", названный так потому, что плач новорождённого очень похож на мяуканье кошки. Этот синдром возникает в результате делеции значительного участка короткого плеча 5-ой хромосомы. Он приводит к сильным нарушениям развития и быстрой гибели.

Транслокации проявляются в фенотипе в том случае, если они не сбалансированы и приводят к частичной трисомии по одним хромосомам и частичной нехватке других участков хромосом. Фенотипическое проявление таких хромосомных нарушений бывает очень разным и зависит от того, какие именно участки хромосом отсутствуют или являются лишними.

Сбалансированные транслокации фенотипически никак не проявляются, однако очень часто являются причиной рождения детей с частичными трисомиями или моносомиями. Инверсии, также могут быть причиной образования несбалансированных гамет и рождения детей с аномальным кариотипом.

Полиплоидными люди быть не могут, так как полиплоидия приводит к гибели эмбриону и выкидышу, а те кто доживают до рождения, умирают вскоре после него. Однако возможно развитие детей имеющих мозаичную форму (частично диплоидный- частично-триплоидный набор хромосом). Тяжесть в этом случае зависит от того, на какой стадии развития организма он возник и какова численность полиплоидных клеток (%).

Каждый конкретный случай хромосомной болезни индивидуален и установить явную причину практически не возможно. Однако, очевидно, что аномалии кариотипа связанны с возникновение в половых клетках как мужчин, так и женщин нарушений, в результате действия различных повреждающих факторов: облучение, химические мутагены, вирусные инфекции и другие. Значительная часть нарушений, возникших в результате вредного воздействия, с течением времени восстанавливается. 

Поэтому вероятность рождения ребёнка с хромосомными заболеваниями тем меньше, чем больше времени прошло после вредного воздействия. Наиболее удачно это работает в сперматогенезе, так как он протекает непрерывно в течение жизни мужчины, в то время, как у женщин закладка будущих яйцеклеток происходит ещё в период эмбрионального развития.

Но чаще всего в результате воздействия мутагенных факторов - нарушется кариотип соматических клеток - и они часто становятся раковыми клетками. Для некоторых форм злокачественных заболеваний характерны специфические хромосомные нарушения. Примером служит - филадельфийская хромосома, обнаруженная впервые у пациента в американском городе Филадельфия - это транслокация между 9 и 22 хромосомами, характерная для определённой формы лейкоза - злокачественного заболевания крови.