Аннотация: Учебно-наглядное пособие содержит данные о структуре хромосом, их классификации, мутациях и их фенотипическом проявлении. Приводятся сведения о генетических картах хромосом кариотипа человека.
Учебно-наглядное пособие предназначено для студентов всех специальностей медицинских ВУЗов РК, изучающих курсы молекулярной биологии и геномных технологий.
УДК
ББК
Утверждено и рекомендовано к изданию Республиканским центром инновационных технологий медицинского образования и науки Министерства здравоохранения РК в качестве дополнительной учебной литературы.
Протокол №_________ от «______» _____________ 200 __г.
оглавление
Введение……………………………………………………………………….3
Современные представления о хромосомах………………………………...4
Хромосома 1…………………………………………………………………..8
Хромосома 2…………………………………………………………………..9
Хромосома 3…………………………………………………………………10
Хромосома 4…………………………………………………………………11
Хромосома 5………………………………………………………………....12
Хромосома 6…………………………………………………………………13
Хромосома 7…………………………………………………………………14
Хромосома 8…………………………………………………………………15
Хромосома 9…………………………………………………………………16
Хромосома 10………………………………………………………………..17
Хромосома 11………………………………………………………………..18
Хромосома 12………………………………………………………………..19
Хромосома 13………………………………………………………………..20
Хромосома 14………………………………………………………………..21
Хромосома 15………………………………………………………………..22
Хромосома 16……………………………………………………………......23
Хромосома 17………………………………………………………………..24
Хромосома 18………………………………………………………………..25
Хромосома 19………………………………………………………………..26
Хромосома 20………………………………………………………………..27
Хромосома 21………………………………………………………………..28
Хромосома 22………………………………………………………………..29
Хромосома X………………………………………………………………...30
Структура митохондриальной хромосомы………………………………...31
Терминологический словарь………………………………………………..33
Список использованной литературы……………………………………….82
Введение
Передача наследственной информации всегда представляла собой одно из наиболее трудно объяснимых явлений в истории человечества.
С древних времен люди старались разгадать явление наследственности, бессознательно применяя генетические методы в разведении растений и животных. В отношении человека также имелись жизненные наблюдения, относящиеся к наследованию самых разнообразных признаков: цвета волос, глаз, формы уха, носа, губ, роста, телосложения и прочих признаков, наследование уродств, наблюдаемых у предков и потомков одной семьи. Такая наследственная болезнь, как гемофилия, известна с давних времён. Именно поэтому в древних законах некоторых народов запрещались браки с родственниками больных эпилепсией и гемофилией.
Большое количество ученых выдвигали свои гипотезы о возникновении наследственных патологии. Однако их предположения не были основаны на строгих научных наблюдениях. В XX веке с развитием науки “генетики“ было выяснено и научно подтверждено, что такие патологии имеют наследственную природу. До этого такие заболевания считались болезнями с неустановленной этиологией. Изучением наследственных болезней занимается наука, получившая название “медицинская генетика“.
“Генетика“ в современном понимании – это наука о наследственности и её изменчивости. Законы, лежащие в основе современной генетико-хромосомной теории наследственности были открыты ещё и начале XX столетия. Особенно больших успехов достигла генетика в последнее время в связи с внедрением в биологию достижений физики, химии, и их принципиально новых направлении.
Наследственные болезни – это болезни, обусловленные нарушениями в процессах хранения, передачи и реализации генетической информации. В центре сплетения, образуемого наследственностью, изменчивостью и отбором, находятся самовоспроизводящиеся ядерные структуры – хромосомы.
Начало изучению хромосом было положено, когда в конце XIX века исследователи впервые наблюдали отдельные фазы митоза. Создание теории митоза принадлежит Вальтеру Флеммингу, который в 1882 г. подробно описал деление ядра в клетках кожи саламандры и первым установил продольность расщепления хромосом в митозе. На индивидуальность и генетическую непрерывность хромосом обратил внимание в 1883 г. Э. Ван-Бенеден.
Хромосомная теория наследственности, впервые выдвинутая У. Сэттоном (1902-1903) и Т. Бовери (1902-1907) и окончательно разработанная Т. Морганом и его учениками, доказала связь наследственных элементов Г. Менделя с хромосомами. Тщательные исследования с использованием гигантских хромосом слюнных желез личинок Drosophila melanogaster, произведенные Пайтнером и Бриджесом, позволили цитологически наблюдать генетические процессы.
Большой вклад в цитогенетику был сделан отечественными учеными и в первую очередь С. Г. Навашиным, установившим морфологическую индивидуальность хромосом. Достижения С. Г. Навашина в исследовании хромосом были развиты его учениками и последователями: Г. А. Левитским, М. С. Навашиным, Г. Д. Карпеченко и др. Цитогенетическая школа Навашина - Левитского получила всемирное признание, и русские ученые до 1940 года играли ведущую роль в изучении морфологии хромосом.
Установление роли нуклеиновых кислот в наследственности и открытие химической структуры ДНК позволили понять молекулярные основы наследственности и положили начало становлению молекулярной цитогенетики.
Успеху в изучении хромосом на протяжении всей истории развития цитогенетики способствовало совершенствование методов исследования. Так, если в 20-30-е годы XX века интенсивно изучаются хромосомы растительных клеток, то в 50-е годы с применением новых методов (гипотонии, культуры тканей, колхицинирования) бурно начинает развиваться цитогенетика человека и животных. В конце 60-х - начале 70-х годов были открыты методы дифференциального окрашивания хромосом, что позволило идентифицировать цитологически однородные метафазные хромосомы.
В последние годы в цитогенетике млекопитающих стремительно развиваются новые методы исследования, в основе которых лежит флуоресцентная in siti гибридизация нуклеиновых кислот. Последняя дала начало большому числу методических разработок и позволила хромосомной диагностике продвинуться значительно дальше самых смелых фантазий 80-х годов XX века.
Развитие цитологии и цитогенетики привело к выделению изучения хромосом в самостоятельную область исследования – хромосомологию, которая в настоящее время занимает одно из центральных мест в биологических исследованиях и с ее помощью решаются важные общебиологические проблемы. Велико и практическое значение цитогенетики. Например, изучение хромосом человека в первую очередь служит запросам медицинской практики, так как многие пороки развития связаны с изменением числа или структуры хромосом. Открытие путей конструирования новых геномов дает большие возможности для селекции.
Подробное знание строения хромосом, а также наследственных болезней связанных с ними, необходимо любому специалисту в любой области биологии и медицины.
Современные представления о хромосомах
Изучение архитектуры хромосом – одно из важнейших направлений современной клеточной биологии.
Хромосомы (греч. χρώμα – цвет и греч. σώμα – тело) - хорошо окрашиваемые включения в ядре эукариотической клетки, которые становятся легко заметными в определённых фазах клеточного цикла (во время митоза или мейоза). Хромосомы представляют собой высокую степень конденсации хроматина, постоянно присутствующего в клеточном ядре. Исходно термин был предложен для обозначения структур, выявляемых в эукариотических клетках, но в последние десятилетия все чаще говорят о бактериальных хромосомах. В хромосомах сосредоточена большая часть наследственной информации.
Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины (например, в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо неё, в состав хромосомы входят пять специализированных белков - H1, H2A, H2B, H3 и H4 (так называемые гистоны) и ряд негистоновых белков. Последовательность аминокислот гистонов высококонсервативна и практически не различается в самых разных группах организмов.
В интерфазе хроматин не конденсирован, но и в это время его нити представляют собой комплекс из ДНК и белков. Макромолекула ДНК обвивает октомеры (структуры, состоящую из восьми белковых глобул) гистоновых белков H2A, H2B, H3 и H4, образуя структуры, названные нуклеосомами. В целом вся конструкция несколько напоминает бусы. Последовательность из таких нуклеосом, соединённых белком H1, называется нуклеофиламентом (nucleofilament), или нуклеосомной нитью, диаметром около 10 нм.
В ранней интерфазе (фаза G1) основу каждой из будущих хромосом составляет одна молекула ДНК. В фазе синтеза (S) молекулы ДНК вступают в процесс репликации и удваиваются. В поздней интерфазе (фаза G2) основа каждой из хромосом состоит из двух идентичных молекул ДНК, образовавшихся в результате репликации и соединённых между собой в районе центромерной последовательности.
Перед началом деления клеточного ядра хромосома, представленная на этот момент цепочкой нуклеосом, начинает спирализовываться, или упаковываться, образуя при помощи белка H1 более толстую хроматиновую нить, или хроматиду, (chromatin fiber) диаметром 30 нм. В результате дальнейшей спирализации диаметр хроматиды достигает ко времени метафазы 700 нм. Значительная толщина хромосомы (диаметр 1400 нм) на стадии метафазы позволяет, наконец, увидеть её в световой микроскоп. Конденсированная хромосома имеет вид буквы X (часто с неравными плечами), поскольку две хроматиды, возникшие в результате репликации, по-прежнему соединены между собой в районе центромеры.
Морфологический признак, позволяющий идентифицировать отдельные хромосомы в наборе. От первичной перетяжки отличаются отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы. Вторичные перетяжки бывают короткими и длинными и локализуются в разных точках по длине хромосомы.
Различают четыре типа строения хромосом:
телоцентрические (палочковидные хромосомы с центромерой, расположенной на проксимальном конце);
акроцентрические (палочковидные хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом);
субметацентрические (с плечами неравной длины, напоминающие по форме букву L);
Тип хромосом является постоянным для каждой гомологичной хромосомы и может быть постоянным у всех представителей одного вида или рода. Сателлит – это округлое или удлинённое тельце, отделённое от основной части хромосомы тонкой хроматиновой нитью, по диаметру равный или несколько меньший хромосоме. Хромосомы, обладающие спутником принято обозначать SAT-хромосомами. Форма, величина спутника и связывающей его нити постоянны для каждой хромосомы.
Зоны ядрышка (организаторы ядрышка) – специальные участки, с которыми связано появление некоторых вторичных перетяжек.
Хромонема – это спиральная структура, которую удаётся увидеть в менее компактных хромосомах. Впервые наблюдалась Баранецким в 1880 году в хромосомах клеток пыльников традесканции, термин ввёл Вейдовский. Хромонема может состоять из двух, четырёх и более нитей, в зависимости от исследуемого объекта.
Нарушение структуры хромосом происходит в результате спонтанных или спровоцированных изменений: генные (точковые) мутации (изменения на молекулярном уровне); аберрации (микроскопические изменения, различимые при помощи светового микроскопа): делеции, дупликации, транслокации, инверсии.
Гигантские хромосомы для которых характерны огромные размеры, можно наблюдать в некоторых клетках на определённых стадиях клеточного цикла. Например, они обнаруживаются в клетках некоторых тканей личинок двукрылых насекомых (политенные хромосомы) и в ооцитах различных позвоночных и беспозвоночных (хромосомы типа ламповых щёток). Именно на препаратах гигантских хромосом удалось выявить признаки активности генов.
Политенные хромосомы впервые обнаружены Бальбиани в 1881-го, однако их цитогенетическая роль была выявлена Костовым, Пайнтером, Гейтцем и Бауером. Содержатся в клетках слюнных желёз, кишечника, трахей, жирового тела и мальпигиевых сосудов личинок двукрылых.
Хромосомы типа ламповых щеток обнаружены Рюккертом в 1892 году. По длине превышают политенные хромосомы, наблюдаются в ооцитах на стадии первого деления мейоза, во время которой процессы синтеза, приводящие к образованию желтка, наиболее интенсивны. Общая длина хромосомного набора в ооцитах некоторых хвостатых амфибий достигает 5900 мкм. Прокариоты (архебактерии и бактерии, в том числе митохондрии и пластиды, постоянно обитающие в клетках большинства эукариот) не имеют хромосом в собственном смысле этого слова. У большинства из них в клетке имеется только одна макромолекула ДНК, замкнутая в кольцо (эта структура получила название нуклеоид). У ряда бактерий обнаружены линейные (не замкнутые в кольцо) макромолекулы ДНК. Помимо нуклеоида или линейных макромолекул, ДНК может присутствовать в цитоплазме прокариотных клеток в виде небольших замкнутых в кольцо молекул ДНК, так называемых плазмид, содержащих обычно незначительное, по сравнению с бактериальной хромосомой, число генов. Состав плазмид может быть непостоянен, бактерии могут обмениваться плазмидами в ходе парасексуального процесса.
Имеются данные о наличии у бактерий белков, связанных с ДНК нуклеоида, но гистонов у них не обнаружено.
Ò All rights reserved. Есиркепов Марлен
Все наследственные заболевания, обусловленные наличием одного патологического гена, наследуются, в соответствии с законами Менделя. Возникновение наследственных болезней обусловлено нарушениями в процессе хранения, передачи и реализации наследственной информации. Ключевую роль наследственных факторов в возникновении патологического гена, приводящего к заболеванию, подтверждает очень высокая частота ряда заболеваний в некоторых семьях по сравнению с населением в целом.
Хромосома 1
(структура хромосомы и локализация некоторых нозологий)
1р36.3 Глаукома первичная детская
1р36.1 Катаракта задняя, полярная
1р34 Порфирия, гепатоэритропоэтическая
1р34.1 Птоз, наследственный
1р33 Множественная эпифизарная дисплазия
1р32 Тугоухость аутосомно-доминантная
1р32 Цереоидный липофусциноз, нейрональный-1, детский
1р31 Недостаточность ацил-СоА-дегидрогеназы для средних цепей
1р31Синдром Бартера, детский с нейросенсорной тугоухостью
1р22 Синдром Цельвегера
1р22 Тиминурацилурия
1р21 Пигментные ретиниты
1р21 Болезни накопления гликогена
1р13.1 Недостаточность 3-b-гидроксистероиддегидрогеназы, тип II
1р11-q11 Кардиомиопатия, дилатационная
1q12- q21 Катаракта зонулярная, пылевидная
1q21.1 Синдром голых лимфоцитов, группа комплементации С
1q21- q22 Нечувствительность к боли врожденная и ангидроз
1q23 Геморрагический диатез, обусловленный недостаточностью фактора V
1q24- q25 Рак простаты наследственный
1q25 Синдром Якобса
1q31 Буллезный эпидермолиз
1q32 Гипокалиемический периодический паралич
Iq32-q44 Синдром эктодермальной дисплазии/ранимой кожи
Хромосома 2
(структура хромосомы и локализация некоторых нозологий)
2р25-р22 Тремор семейный эссенциальный
2р25 Врожденный зоб
2р24 Абеталипопротеинемия, дефект лиганда аполипротеина В-100
2р23.3 Ожирение, недостаточность надпочечников, рыжие волосы
2р22-р21 Глаукома 3А, первичная, детская
2р21 Преждевременное половое созревание у мужчин
2р13 Болезнь Паркинсона, тип 3
2q11 Тибиальная мышечная дистрофия
2q12-q14 Гипотиреоз врожденный, обусловленный дисгенезом или гипоплазией щитовидной железы
2q21 Врожденная недостаточность лактазы, пигментная ксеродерма В
2q24 Прогрессирующий внутрипеченочный холетаз-2
2q31 Аневризма семейная, Синдром Элерса-Данлоса, типы I, III, IV
2q31-q32 Синполидактилия, тип II
2q33-q34 Молочнокислый ацидоз, обусловленный дефектом железосерного пучка комплекса
2q33-q35 Ихтиоз лямиллярный, тип II
2q34-q35 Недостаточность ацил-СоА-дегидрогеназы длинных цепей
2q35 Синдром черепа-лица-тугоухости-руки, Синдром Вааренбурга, тип I, III
2q36 Синдром Альпорта, аутосомно-рецессивный тип
2q36-q37 Гематурия семейная, доброкачественная, Гипероксалурия первичная, тип I
2q37 Миопатия Бетлема, Брахидактилия, Синдром брахидактилии – умственной отсталости
2q37.1 Болезнь Огучи
Ò All rights reserved. Есиркепов Марлен
Хромосома 3
(структура хромосомы и локализация некоторых нозологий)
3р26-р22 Анемия Фанкони, тип D
3р25-24.2 Синдром Марфана, тип II
3р25 Пигментная ксеродерма
3р24.3 Резистентность к гормону щитовидной железы
3р21.33 Мукополисахаридоз IVB, GM1-ганглиозидоз
3р21.3 Гемолитическая анемия, обусловленная недостаточностью глутатионпероксидазы, Синдром Турко с глиобластомой
3р21 Ночная слепота, врожденная, стационарная
3р11 Комбинированная недостаточность гормонов питуитарной железы
3q12 Копропорфирия, Хардеропорфиринурия
3q13 Гипопаратиреоз семейный, Оротовая оцидурия, Тремор семейный эссенциальный
3q21 Атрансферринемия
3q21-q23 Алькаптонурия, Нейтрофилы, дефицитные по лактоферрину
3q21- q24 Глаукома 1С, первичная, открытоугольная, Болезнь Хейли
3q21-q24 Гипокальциемия, аутосомно-доминантная, Пигментный ретинит-4, аутосомно-доминантный
3q22-q23 Блефарофимоз, epicanthus inversus и птоз, тип I
3q26 Синдром 3q21q26, синдром миелодисплазии-1
3q26.1-q26.2 Апноэ после анестезии
3q26.1-q26.3 Синдром Фанкони-Биккеля
3q26.3 Синдром Корнелиа де Ланге
3q26.3-q27 Тромбоцитопения, эссенциальная
3q27 Тромбофилия, обусловленная повышенным уровнем HRG, Недостаточность пероксимального бифуркационного фермента
Ò All rights reserved. Есиркепов Марлен
Хромосома 4
(структура хромосомы и локализация некоторых нозологий)
4р16.3 Ахондроплазия, Тугоухость, аутосомно-доминантная, Болезнь Гентингтона, Мукополисахаридоз Ih, Ih/s, Is, Пигментный ретинит, аутосомно-рецессивный
4р15.31 Фенилкетонурия, обусловленная недостаточностью дигидроптеридинредуктазы
4р13-q12 Тотальная аномалия легочного венозного оттока
4q Дисплазия дентина, тип II
4q11-q13 Анальбуминемия
4q11-q21 Несовершенный амелогенез-2, тип локальный, гипопластический
4q12 Мышечная дистрофия поясно-конечностная, тип 2Е
4q12 Пегость
4q13-q21 Несовершенный дентиногенез-1
4q21.2 Гипогонадотропный гипогонадизм
4q21.3-q22 Болезнь Паркинсона тип I
4q21-q23 Муколипидоз тип II, III, поликистоз почек, взрослый, тип II
4q22-q24 Абеталипопротеинемия
4q25 Недостаточность инактиватора С3b
4q25-q27 Синдром удлиненного QT-4 с синусовой брадикардией
4q26-q27 Тяжелый комбинированный иммунодефицит, обусловленный недостаточностью IL2
4q28 Кровоточивость
4q28 Дисфибриногенемии, типы α, β, γ, Гипофибриногенемия
4q31.1 Псевдогипоальдостеронизм, тип I, аутосомно-доминантный
4q32-q33 Аспартилглюкозаминурия
4q35 Недостаточность фактора XI, Недостаточность фактора Флетчера
Хромосомы эукариот имеют сложное строение. Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины (например, в молекулах ДНК хромосом человека насчитывается от 50 до 245 миллионов пар азотистых оснований). В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см. Помимо неё, в состав хромосомы входят пять специализированных белков - H1, H2A, H2B, H3 и H4 (так называемые гистоны) и ряд негистоновых белков. Последовательность аминокислот гистонов высококонсервативна и практически не различается в самых разных группах организмов.
Зоны ядрышка (организаторы ядрышка) – специальные участки, с которыми связано появление некоторых вторичных перетяжек.
Нарушение структуры хромосом происходит в результате спонтанных или спровоцированных изменений: генные (точковые) мутации (изменения на молекулярном уровне); аберрации (микроскопические изменения, различимые при помощи светового микроскопа): делеции, дупликации, транслокации, инверсии.
