Кариотипы человека и животных

В классическом понимании кариотип — это полный хромосомный набор соматической клетки, характеризующийся числом и морфологией хромосом^[3]. Хромосомный набор соматической клетки называют диплоидным (2n), поскольку каждая хромосома имеет пару — гомологичную хромосому^[2].

При описании кариотипа учитывают:

• число хромосом;
• их размеры;
• положение центромеры (метацентрические, субметацентрические, акроцентрические);
• особенности расположения полос^[2].

Кроме перечисленных признаков, при цитогенетическом анализе могут оцениваться наличие вторичных перетяжек, спутников, относительная длина отдельных хромосом и особенности распределения участков гетерохроматина и эухроматина. Совокупность этих характеристик позволяет отличать отдельные пары хромосом друг от друга и выявлять структурные изменения.

Все гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления; число групп сцепления соответствует гаплоидному числу хромосом.

Каждая хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК, связанную с гистонами и другими белками. Во время интерфазы генетический материал находится преимущественно в виде хроматина, тогда как при делении клетки происходит конденсация хромосом, благодаря чему становится возможным их изучение под микроскопом.

У эукариот хромосомы наиболее отчётливо видны в метафазе митоза, поэтому кариотипирование проводят на делящихся клетках. На этом этапе клеточного цикла спирализация хромосом достигает максимума, что позволяет детально изучить их морфологию^[2].

Морфология хромосом является достаточно стабильной характеристикой вида. Поэтому отклонения в числе или строении хромосом могут свидетельствовать о наличии наследственных нарушений либо о перестройках генетического материала, возникших в процессе развития организма.

Нормальный кариотип человека включает 46 хромосом: 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом^[4].

Обозначения:

46,XX — женский кариотип;

46,XY — мужской кариотип.

Пол у человека определяется наличием Y-хромосомы, содержащей ген SRY, запускающий развитие мужского организма^[5]. Хромосомы, одинаковые у представителей разных полов, называют аутосомами, а хромосомы, по которым различаются полы, — гетерохромосомами, или половыми хромосомами^[2].

В процессе образования гамет число хромосом уменьшается вдвое в результате мейоза. После оплодотворения диплоидный набор восстанавливается, благодаря чему сохраняется постоянство числа хромосом у представителей вида.

В норме все соматические клетки имеют одинаковый кариотип, однако возможны отклонения (мозаицизм, мутации).

Мозаицизм возникает в тех случаях, когда в организме присутствуют две или более популяции клеток с различным хромосомным набором. Подобное состояние может возникать вследствие ошибок клеточного деления на ранних этапах эмбрионального развития и сопровождаться различной степенью выраженности клинических проявлений.

Нарушения кариотипа:

• числовые — анеуплоидия, полиплоидия;
• структурные — делеция, дупликация, инверсии, транслокация.

Числовые нарушения обычно связаны с нерасхождением хромосом в процессе мейоза или митоза, тогда как структурные перестройки возникают вследствие разрывов и неправильного соединения участков хромосом. Подобные изменения могут нарушать работу генов и приводить к развитию наследственных заболеваний^[6].

Пример: синдром Дауна — трисомия по 21-й хромосоме^[6].

Кроме синдрома Дауна, к числу наиболее известных хромосомных заболеваний относятся синдром Эдвардса, синдром Патау, синдром Шерешевского — Тёрнера и синдром Клайнфельтера, возникающие вследствие изменения числа отдельных хромосом.

Кариотипы животных отличаются значительным разнообразием. Даже у близких видов число хромосом может различаться, что связано с эволюционными перестройками генома. Само по себе число хромосом не всегда указывает на эволюционное родство таксонов: одинаковое их количество может быть у очень далёких систематических групп, и наоборот^[2].

Примеры:

• кошка — 38 хромосом;
• собака — 78;
• лошадь — 64;
• корова — 60;
• мышь — 40^[7].

Число хромосом не связано с уровнем организации организма.

Например, некоторые виды растений и земноводных имеют значительно больше хромосом, чем человек, однако это не свидетельствует о более сложном строении организма. Биологическое значение имеют не столько абсолютное число хромосом, сколько организация генома, состав генов и особенности их функционирования.

У разных групп животных различаются системы определения пола: у млекопитающих гомогаметен женский пол (XX), у птиц — мужской (ZZ). Животные многих систематических групп имеют в качестве половых хромосом крупную равноплечую X-хромосому и маленькую палочковидную Y-хромосому^[2].

Существуют и другие системы определения пола. У ряда насекомых встречается система X0, при которой самцы имеют только одну X-хромосому, а у некоторых групп животных пол определяется не только хромосомами, но и условиями окружающей среды, например температурой развития зародыша.

Сравнение кариотипов используется в эволюционной биологии для установления родственных связей.

Данные сравнительной цитогенетики позволяют прослеживать изменения хромосомных наборов в ходе эволюции, выявлять общие участки генома у различных видов и реконструировать вероятные пути формирования современных кариотипов.

Кариотипирование — метод исследования хромосомного набора клетки.

Метод основан на микроскопическом анализе хромосом, находящихся в стадии метафазы митоза, когда они максимально конденсированы и хорошо различимы. Кариотипирование позволяет определить число хромосом, их размеры, форму, положение центромеры, а также выявить крупные структурные перестройки и изменения числа хромосом.

Основные этапы:

• получение делящихся клеток;
• остановка митоза в метафазе;
• окрашивание хромосом;
• анализ кариограммы.

Для анализа у человека чаще используют лимфоциты периферической крови^[4].

После получения клеток их выращивают в специальных условиях, стимулируя деление. Затем клетки обрабатывают веществами, останавливающими митоз в метафазе, после чего проводят гипотоническую обработку, фиксацию и окрашивание хромосом. Полученные препараты исследуют под микроскопом, а изображения отдельных хромосом располагают в виде упорядоченной кариограммы.

Для идентификации отдельных хромосом широко применяют методы дифференциального окрашивания, позволяющие получить характерный рисунок поперечных полос. Такой рисунок является индивидуальным для каждой пары хромосом и облегчает выявление структурных перестроек, включая делеции, дупликации, инверсии и транслокации.

В современной цитогенетике наряду с классическим кариотипированием используются методы флуоресцентной гибридизации in situ (FISH), сравнительной геномной гибридизации и молекулярно-цитогенетические технологии, позволяющие обнаруживать изменения, недоступные для обычного микроскопического исследования. Однако классическое кариотипирование остаётся одним из основных методов первичной диагностики хромосомных нарушений.

Метод позволяет выявлять изменения числа и структуры хромосом.

Изменения кариотипа (слияния, разрывы, перестройки хромосом) играют важную роль в эволюции видов.

В ходе эволюции происходят разнообразные хромосомные перестройки, включая слияния, разделения, инверсии и транслокации. Подобные изменения могут приводить к возникновению новых комбинаций генов, изменению характера их экспрессии и формированию репродуктивной изоляции между популяциями.

Сравнительный анализ кариотипов подтверждает общее происхождение организмов и позволяет реконструировать филогенетические связи^[6].

Сопоставление кариотипов различных видов помогает выявлять участки хромосом, сохранившиеся в процессе эволюции, а также реконструировать последовательность крупных перестроек генома. Эти данные широко используются в сравнительной генетике, систематике и эволюционной биологии.

Особенно информативным является изучение кариотипов близкородственных видов. Наличие сходных размеров, формы и структуры хромосом свидетельствует об их общем происхождении, тогда как существенные различия отражают накопление эволюционных изменений в процессе видообразования.

Исследования кариотипов человека и человекообразных обезьян показали высокую степень сходства их хромосомных наборов. Одним из наиболее известных примеров считается образование второй хромосомы человека в результате слияния двух предковых хромосом, существующих у современных человекообразных обезьян.

Кариотипирование применяется для:

• диагностики наследственных синдромов;
• выявления причин бесплодия;
• пренатальной диагностики;
• анализа онкологических заболеваний.

Исследование кариотипа позволяет своевременно выявлять как числовые, так и структурные аномалии хромосом. Полученные результаты используются при постановке диагноза, определении прогноза заболевания, выборе тактики лечения и проведении медико-генетического консультирования семей.

Особенно важную роль кариотипирование играет в пренатальной диагностике, когда исследование клеток плода позволяет обнаружить тяжёлые хромосомные заболевания ещё до рождения ребёнка. Полученная информация помогает врачам оценить риск развития наследственной патологии и определить дальнейшую тактику ведения беременности.

В онкологии цитогенетический анализ применяется для выявления приобретённых хромосомных перестроек, возникающих в опухолевых клетках. Некоторые характерные транслокации и другие изменения хромосом используются в качестве диагностических и прогностических маркеров отдельных форм лейкозов и других злокачественных новообразований.

Кариотипирование также назначают при привычном невынашивании беременности, бесплодии, задержке психического и физического развития, врождённых пороках развития и нарушениях полового развития. В этих случаях исследование помогает установить возможную хромосомную природу заболевания.

Пример: синдром Клайнфельтера (47,XXY)^[6].

Кариотип записывают по международной системе ISCN: сначала указывают общее число хромосом, затем половые хромосомы, далее — аномалии.

Такая система записи является международным стандартом цитогенетической номенклатуры и обеспечивает единообразное описание результатов исследований. При необходимости после обозначения половых хромосом указывают обнаруженные числовые или структурные изменения, используя специальные условные обозначения.

Примеры:

46,XX — нормальный женский кариотип;

46,XY — нормальный мужской кариотип;

47,XX,+21 — женский кариотип с дополнительной 21-й хромосомой (синдром Дауна);

45,X — кариотип при синдроме Шерешевского — Тёрнера.

Использование единой системы записи облегчает обмен результатами исследований между лабораториями различных стран и позволяет однозначно интерпретировать выявленные изменения хромосомного набора.