Методы дифференциального окрашивания хромосом

В начале 70-х гг. были разработаны методы дифференциальной окраски хромосом, которые позволяли однозначно идентифици­ровать каждую хромосому.

Методы были основаны на способности некоторых красителей специфически связываться с конкретными участками хромосом в зависимости от их структурно-функциональ­ной организации. Предложенные методы выявляли линейную не­однородность (сегменты) хромосом.

На практике наибольшее при­менение получили методы дифференциальной окраски красителем Гимза (G-окраска) и флюоресцирующим красителем акрихином или акрихинипритом (Q-окраска) (рис. 6.5, 6.6).

Рис. 6.5. Дифференциальная окраска хромосом

На рис. 5 представлены хромосомы человека при G-окраске. Хорошо видно, что каждая хромосома человека имеет только ей свойственную последовательность разношироких полос. Это позво­ляет точно идентифицировать любую из хромосом и обнаруживать относительно крупные изменения в их структуре.

При анализе метафазных хромосом средней конденсации можно четко различить около 350-400 относительно крупных сегментов на гаплоидный набор.

На стадиях, предшествующих метафазе, хромосомы менее спирализованы и поэтому имеют большую поперечную подразделенность.

Были разработаны методы анализа хромосом на деля­щихся клетках в стадии прометафазы. Использование этого мето­дического подхода позволило получить хромосомы с разной сте­пенью сегментации — от 800 до 2500 сегментов на гаплоидный набор.

На рис. 6 представлены дифференциально окрашенные X и Y-хромосомы с различными уровнями спирализации. Использованный подход дает возможность точно устанавливать точки раз­рывов в перестроенных хромосомах, даже если в перестройку во­влечены небольшие участки хромосом.

Поперечная исчерченность, обнаруживаемая различными ме­тодами, в принципе выявляет одни и те же сегменты хромосомы и является результатом неравномерной конденсации хроматина по всей ее длине. В зависимости от степени спирализации ДНК в хро­мосоме выделяют гетерохроматиновые и эухроматиновые районы, для которых характерны различные функциональные и генетиче­ские свойства.

Гетерохроматиновый район представляет собой участок кон­денсированного хроматина (высокоспирализованная ДНК), кото­рый выявляется при дифференциальном окрашивании в виде тем­ных полос. Присутствие гетерохроматина можно обнаружить и в интерфазном ядре, где он отчетливо выявляется в виде интенсив­но окрашенных глыбок хроматина. Считывания генетической ин­формации с данных участков не происходит.

Рис. 6.6. Структура хромосом человека при дифференциальной окраске с тремя уровнями разрешения

Различают структур­ный и факультативный гетерохроматин. Структурный гетерохроматин постоянно присутствует в определенных регионах хромосомы. Например, он всегда обнаруживается вокруг центромер всех хро­мосом. Факультативный гетерохроматин появляется в хромосоме при сверхспирализации эухроматиновых районов. Факультативной гетерохроматизацией может быть охвачена целая хромосома.

Так, в клетках женского организма одна из Х-хромосом полностью инактивирована путем гетерохроматизации уже на ранних этапах эмб­рионального развития. Ее можно обнаружить в виде глыбки гетеро­хроматина на периферии ядра. Такая инактивированная Х-хромосома называется половым хроматином, или тельцем Барра.

Благодаря гетерохроматизации Х-хромосомы в клетках женского организма происходит выравнивание количества генов, функцио­нирующих в мужском и женском организмах, поскольку у мужчин имеется только одна Х-хромосома.

Эухроматиновые регионы хромосом в интерфазном ядре не видны, поскольку представлены хроматином в деконденсированном состоянии. Это указывает на их высокую метаболическую активность. Действительно, эухроматиновые районы содержат уни­кальные гены, контролирующие синтез различных белков. При дифференциальном окрашивании метафазных хромосом они оп­ределяются как светлые полосы.

Изучение химического состава хромосом показало, что они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), гистонов, негистонных белков и небольшого количества РНК.

В каждой хромосоме содержится только одна молекула ДНК. Однако размеры молекул ДНК хромосом огромны. Они могут достигать сотен микрометров и даже сантиметров. В кариотипе чело­века самая большая хромосома — 1; длина ее полностью раскру­ченной ДНК составляет около 7 см, что значительно больше не только размеров ядра клетки, но и самой клетки. Суммарная дли­на молекул ДНК всех хромосом одной клетки человека составляет более 170 см. Несмотря на свои гигантские размеры, молекулы ДНК функ­ционируют в пределах таких микрообразований, как хромосомы. Поэтому хромосомы ядер клеток должны представлять собой сильно укороченные (конденсированные) структуры ДНК. Это достигает­ся за счет специфической укладки молекул ДНК — многоуровне­вой спирализации. Основной структурной единицей хромосомы является нуклеосома (рис. 6.7, 6.8).

Каждая нуклеосома содержит по две молекулы четырех различных типов гистонов, объединенных в октамер (восьмигранник), обвитый нитью ДНК. Нуклеосомы и соединяющие их участки ДНК формируют спиральную структуру — хроматиновое волокно. На каждый виток такой спирали приходит­ся 6 нуклеосом. Так формируется структура хромосомы (рис. 6.7, 6.8).

При конденсации проис­ходит уменьшение длины молекулы ДНК в 10 тыс. раз, так что конденсированные хромосомы в среднем имеют длину порядка 200 нм (т. е. 200х10^{-9 м). Это обеспечивает возможность точного и быстрого деления генетического материала материнской клетки между дочерними клетками (митоз) и уменьшение числа хромо­сом вдвое при образовании половых клеток (мейоз).}

Рис. 6.7. Структура нуклеосомы

Хромосомы выполняют функцию основного генетического ап­парата клетки. В них в линейном порядке расположены гены из которых занимает строго определенное место, называемое локусом. Альтернативные формы гена (т.е. различные его состоя­ния), занимающие один и тот же локус, называются аллелями (от греч. allelon — взаимно другой, иной). Любая хромосома содержит только единственный аллель в данном локусе, несмотря на то, что в популяции могут существовать два, три и более аллелей одного гена.

Уровни организации хроматина (рис. 6.8)

• метафазная хромосома – 1400 нм

• участок метафазной хромосомы – 700 нм;

нуклеомеры- субъединицы толстой фибриллы - 300 нм

• хроматиновая фибрилла – 30 нм;

• нуклеосомы – 11 нм

• двойная спираль ДНК – 2 нм

Рис. 6.8. Уровни организации хроматина