Ваш дерматолог

   
врач - дерматолог

 

 

Цитогенетика

 

Большая медицинская энциклопедия
Авторы: А. Ф. Захаров; E. E. Погосянц

 

Цитогенетика – раздел генетики, посвященный изучению клеточных основ наследственности и изменчивости организмов.

Этимология термина цитогенетика: (греч. язык) kytos - вместилище, клетка + genetikos - относящийся к происхождению.

Материальные единицы наследственности эукариотических организмов – молекулы ДНК локализованы преимущественно в структурах клеточного ядра – хромосомах. Поэтому цитогенетика изучает строение и функционирование хромосом при обеспечении ими процесса наследования и изменения свойств и признаков. Клеточные закономерности наследственности, единые для всех видов эукариотических организмов, составляют содержание общей цитогенетики.

Существует также цитогенетика растений, цитогенетика животных, с конца 50-х гг. XX в. интенсивно развивается цитогенетика человека. Общая цитогенетика может быть также подразделена по изучаемому уровню (микроскопическому, субмикроскопическому, молекулярному) организации наследственных структур.

История цитогенетики

Цитогенетика как наука возникла в конце XIX – начале XX в. на базе знаний о закономерностях наследования признаков при скрещиваниях организмов и о морфологии и поведении в клеточных делениях основных ядерных структур – хромосом. С 60-х гг. XX в. начался процесс объединения классической цитогенетики и молекулярной, генетики, в результате чего появилась молекулярная цитогенетика

История цитогенетики условно делится на три периода.

Первый период (конец XIX в. и первые два десятилетия XX в.) включает зарождение и обоснование хромосомной теории наследственности, составляющей главное содержание цитогенетики. Основные законы наследственности были сформулированы Г. Менделем в 1865 г. и подтверждены в 1900 г. К. Correns, Е. Tschermak и X. де Фрисом.

В последней четверти XIX в. были сделаны важнейшие открытия в изучении хромосом. Так, было открыто, что хромосомы являются обязательным компонентом ядра клеток растений (И. Д. Чистяков, 1874) и животных (П. И. Перемежко, 1879; В. Флемминг, 1879), что число и форма хромосом для каждого вида растений или животных постоянны [К. Rabl - 1885; Th. Boveri - 1887, Е. Strasburger - 1875, Е. van Beneden 1883). О. Гертвигом (1884) и В. И. Беляевым было установлено, что набор хромосом в соматических клетках двойной, при формировании зрелых половых клеток уменьшающийся до одинарного и восстанавливающийся до двойного при оплодотворении.

Первые представления об участии клеток, в частности их ядер, в передаче наследуемых признаков высказывались Гертвигом и Страсбургером ещё в 1884 г. и были развиты и обоснованы Е. В. Wilson в 1896 г. Впервые существование возможной связи между наследственными факторами и хромосомами предположили W. Roux (1883), А. Вейсман и Корренс (1900-1902). Сопоставление проявления признаков при скрещивании организмов с поведением хромосом в гаметогенезе и при оплодотворении привело W. S. Sutton и Бовери в 1903-1904 гг. к первой экспериментально обоснованной формулировке хромосомной теории наследственности. Хромосомы рассматривались как носители наследственных факторов, по более поздней терминологии – генов, а расщепление, разъединение и новое объединение генов в поколениях организмов нашло объяснение в разъединении, свободном расхождении и новой комбинации родительских хромосом.

Окончательное подтверждение хромосомная теория наследственности получила после того, как были установлены связь конкретных генов, определяющих пол организма, со специальными – половыми – хромосомами; сцепленное наследование признаков как следствие существования генов в виде нескольких физически связанных друг с другом групп, так называемых групп сцепления, которые соответствуют хромосомам; наконец, случаи наследования несцепленных генов, получившие объяснение после установления существования обменов участками гомологичных хромосом в мейозе.

Благодаря работам исследователей школы Т. Моргана было обосновано положение о линейном строго фиксированном расположении генов в хромосомах и разработан принцип составления генетических карт хромосом по частоте рекомбинации находящихся в них генов, происходящей благодаря конъюгации хромосом и кроссинговеру.

Второй период развития цитогенетики (с конца второго десятилетия по 60-е гг. XX в.) можно характеризовать как период исследования материальных основ наследственности преимущественно на микроскопическом (световая микроскопия) и субмикроскопическом (электронная микроскопия) уровнях. В этот период интенсивно развивалась цитогенетика растений, животных и человека и сформировались современные разделы общей цитогенетики

В работах С. Г. Навашина, Г. А. Левитского, Л. Н. Делоне и др. была доказана важность исследования морфологии митотических хромосом, в частности установлена индивидуальность строения пар хромосом и тем самым обоснован морфологический принцип индивидуальности хромосом. В результате многочисленных наблюдений было открыто универсальное двуплечевое строение хромосом. С 30-х гг. XX в. интенсивно изучается морфология и функция так наз. гетерохроматиновых и других специализированных районов хромосом (ядрышкового организатора, кинетохора).

Использование электронной микроскопии сделало возможным изучение ультраструктуры метафазной хромосомы, в частности упаковки гигантских молекул ДНК, и интерфазного хроматина. Получило распространение светооптическое и электронно-микроскопическое исследование преобразований хромосом в мейозе; так были открыты структурные основы кроссинговера. В 50-е гг. XX в. на ранее открытых политенных хромосомах и хромосомах типа ламповых щеток стали исследовать строение индивидуальных участков хромосом в процессе транскрипции. Возникла так называемая функциональная морфология хромосом.

Благодаря разработке J. Н. Taylor метода авторадиографии хромосом в цитогенетике сформировалось отдельное направление – изучение репродукции хромосом, включающее вопросы переноса закономерностей матричного синтеза ДНК с молекулярного уровня на хромосому как цитологическую структуру, хронологии репродукции разных хромосом набора и отдельных участков по длине индивидуальных хромосом и др. Начатое Морганом и его учениками генетическое картирование хромосом остается одним из главных направлений исследований в цитогенетике, целью которого является создание генетических карт хромосом представителей конкретных биологических видов.

Исследование влияния рентгеновского излучения на хромосомы положило начало изучению мутагенов и хромосомного мутагенеза. Была разработана классификация структурных перестроек хромосом, установлены их особенности у разных видов организмов и при разных условиях воздействия излучения, а также механизмы возникновения таких мутаций и их генетические эффекты. В решение этих проблем существенный вклад внесли отечественные ученые В. В. Сахаров, М. Е. Лобашев, И. А. Рапопорт, Н. П. Дубинин, Н. Н. Соколов, Б. Н. Сидоров, В. В. Хвостова и др.

Отечественные исследователи М. С. Навашин, Г. А. Левитский, Г. Д. Карпеченко, А. Н. Лутков и др. ещё в 20-е гг. 20 в. первыми в мире начали изучение геномной изменчивости организмов, то есть изменения числа хромосом в наборе или числа целых одинарных полных наборов – полиплоидии. Труды этих ученых положили начало исследованию роли геномной изменчивости в природном видообразовании и искусственном создании новых форм и сортов растений и пород животных.

Цитогенетическое изучение исходных родительских форм помогло в создании и селекции многочисленных хозяйственно ценных полиплоидных форм культурных растений. Исследования, основанные на экспериментальном удвоении хромосомных наборов в половых клетках гибридов разных видов растений, помогли преодолеть бесплодие таких гибридов и привели к созданию новых видов, форм и сортов культурных растений методом отдаленной гибридизации.

Работы С. Г. Навашина и его учеников Г. А. Левитского, Л. Н. Делоне и М. С. Навашина по тонкой морфологии хромосом растений способствовали развитию ещё одного направления в цитогенетике – кариосистематики и выяснению роли преобразований хромосом (изменения их числа, формы и плоидности) в эволюционном становлении биологических видов.

Советскими цитогенетиками школы С. Г. Навашина и Н. К. Кольцова с 20-х гг. XX в. были начаты обширные исследования хромосом систематических единиц растений и животных. В последующие годы эти исследования были продолжены М. J. D. White, R. Matthey и др. В рамках этого направления цитогенетики изучает также индивидуальную изменчивость хромосом у особей одного вида.

Третий период в истории цитогенетики, начавшийся с конца 60-х гг. XX в., характеризуется тем, что изучение поставленных ранее проблем во всех разделах цитогенетики все более переносится на молекулярный уровень. Этот период можно характеризовать как молекулярно-цитогенетический. Полученные сведения обобщаются в сопоставлении с данными, полученными ранее.

Провозвестником молекулярного подхода к выяснению структуры хромосомы и её функций явился Н. К. Кольцов, который ещё в 1927-1928 гг. предложил гипотезу молекулярного строения и репродукции хромосомы. Согласно этой гипотезе основу хромосомы составляет сложно организованная линейная макромолекула, способная к самовоспроизведению путём автокаталитического построения своей копии по исходной молекулярной матрице.

Экспериментальное изучение химической природы наследственного материала началось в 30-х гг. XX в. с цитохимического определения основных биологических макромолекул в клеточном ядре: белков, ДНК и РНК. В 40-е гг. XX в. с помощью фотометрии и спектрофотометрии было количественно изучено содержание в клеточных структурах ДНК и РНК. Развитие биохимии, и физической химии нуклеиновых кислот и белков привело к изучению химического состава хромосом и клеточных ядер методами физической химии, аналитической и препаративной биохимии, результаты которых изложены в работах А. Н. Белозерского, А. С. Спирина, Г. П. Георгиева, И. Б. Збарского, Е. Chargaff, А. Е. Mirsky, D. Davidson, Ph. A. Th. Levene, W. Т. Astbury и др.

С открытием пространственной структуры молекулы ДНК Ф. Криком и Дж. Уотсоном, а затем и химической природы генетического кода возникла современная молекулярная генетика с такими важными для цитогенетики методическими подходами, как фракционирование и фрагментирование общей ДНК генома и ДНК индивидуальных хромосом или участков интерфазного ядра с помощью управляемой денатурации – ренатура ции ДНК-ультрацентрифугирования в градиенте плотности растворов солей и обработки нуклеазалш; клонирование и размножение фрагментов ДНК в бактериальных клетках, определение первичной нуклеотидной последовательности во фрагментах молекулы ДНК; гибридизация нуклеиновых кислот в растворах, на фильтрах и в цитологических препаратах хромосом.

Все это обеспечило объединение методов молекулярной генетики с традиционными методами изучения структурно-функциональной организации хромосом. В результате начинают получать объяснение на молекулярном уровне такие функции хромосом, как транскрипция, репликация, рекомбинация при кроссинговере, механизмы перестроек хромосом и репарации повреждений ДНК, природа митотической конденсации – деконденсации хромосом и другие явления.

Наряду с классическими приёмами генетического картирования с начала 80-х гг. XX в. стали применяться (в первую очередь в цитогенетике человека) методы прямого молекулярного картирования индивидуальных хромосом и их участков. При этом выяснилось существование значительного межиндивидуального полиморфизма людей по нуклеотидным последовательностям сегментов ДНК, одинаковых по локализации в гомологичной хромосоме.

Сравнительное изучение уникальных и повторяющихся нуклеотидных последовательностей ДНК у родственных видов организмов является существенным вкладом молекулярной цитогенетики в кариосистематику и в объяснение механизмов эволюции геномов биологических видов.

Непосредственное отношение к теоретической и практической медицине имеет цитогенетика человека, которая особенно интенсивно стала развиваться в третий период истории цитогенетики. С конца XIX в., начиная с отдельных попыток увидеть хромосомы в клетках человека, начались попеки методических подходов к морфологическому исследованию хромосом человека. Наиболее существенный вклад в развитие цитогенетику человека внесли работы отечественных цитогенетиков А. Г. Андреев, П. И. Живаго, М. С. Навашина и др., которые в 30-е гг. XX в. первыми применили для получения препаратов хромосом кратковременно культивировавшуюся культуру лейкоцитов и воздействие на клетки гипотоническим раствором; они впервые описали строение 10 самых крупных хромосом человека, сделали попытки анализа состояния хромосом в опухолевых и лейкозных (бластных) клетках, а также в оогенезе. Эти исследования были проведены главным образом в Медико-генетическом институте им. А. М. Горького, функционировавшем в 1932-1937 гг.

После окончательного определения общего числа хромосом в клетках человека (46 вместо 48) и установления их морфологических особенностей формирование цитогенетики человека как раздела цитогенетики закончилось. В результате разработки методики анализа препаратов цельных разделенных друг от друга культивируемых клеток после остановки их деления в метафазе митоза с помощью колхицина и обработки гипотоническим раствором было начато изучение морфологии митотических и мейотических хромосом с целью идентификации индивидуальных хромосом набора и их отдельных участков, а также исследование полиморфизма и репродукции хромосом и хромосомного мутагенеза.

Уже в 1959 г. было установлено, что причиной болезни Дауна, синдромов Шерешевского-Тернера и Клайнфелтера является отклонение числа хромосом от нормального.

В конце 60-х гг. XX в. были разработаны новые методы изучения тонкой морфологии (линейной дифференцированности структуры) митотических хромосом, молекулярно-генетические методы исследования хромосом (молекулярное картирование), методы генетики соматических клеток – использование гибридов соматических клеток для выделения индивидуальных хромосом. Это обеспечило дальнейшее развитие исследований по структурной и функциональной морфологии индивидуальных хромосом и их отдельных участков, генетического и молекулярного картирования хромосом, изучения эволюции хромосом человека и др.

После открытия хромосомных болезней начала интенсивно развиваться клиническая цитогенетика, занимающаяся изучением роли хромосом в этиологии и патогенезе врождённых пороков развития, нарушений полового развития, злокачественных новообразований и др.

Особое значение для медицины имеет раздел цитогенетики человека, посвященный выяснению значения индивидуальных хромосом и их отдельных участков в возникновении нарушений развития у человека в онтогенезе. В процессе разработки этого направления цитогенетики было установлено существенное влияние изменения плоидности зиготы, числа хромосом или их структуры на внутриутробную смертность, рождение детей с множественными пороками развития, нарушение полового развития и бесплодие. Хромосомный анализ стал составной частью обследования большинства обращающихся в медико-генетические консультации и лечебные учреждения по поводу бесплодия, привычного невынашивания беременности, задержки полового развития, рождения детей с пороками развития и умственной отсталостью. Подозрение на хромосомные болезни является основным показанием для проведения пренатальной диагностики.

Цитогенетика опухолей

Одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов цитогенетики является цитогенетика опухолей. Она изучает характер и роль нарушений кариотипа при возникновении и развитии опухолей и лейкозов.

Родоначальником цитогенетики опухолей считают Бовери, первым высказавшего предположение, что причиной рака являются изменения хромосомного набора соматических клеток, возникающие в результате аномалий митоза. В целенаправленном изучении хромосом в опухолевых клетках, начатом в 20-30-х гг. XX в., большую роль сыграли как идеи Бовери, так и дальнейшие успехи цитогенетики и экспериментальной онкологии.

Развитие цитогенетики опухолей связано с усовершенствованием методов получения хромосомных препаратов. Возможность идентификации каждой хромосомы позволила уловить как численные, так и структурные изменения в отдельных хромосомах и их участках, то есть создать условия для подробного анализа изменений кариотипа при разных злокачественных новообразованиях. Еще в 50-60-х гг. XX в. были установлены определенные закономерности кариотипической изменчивости в популяциях культивируемых клеток опухолей и лейкозных клеток и её отличие от изменений кариотипа при хромосомных болезнях человека.

Для опухолей характерна кариотипическая гетерогенность клеточной популяции. Степень выраженности этой гетерогенности варьирует как в пределах опухолей одной и той же локализации, так и между опухолями разных гистологических типов и локализаций, тогда как при хромосомных болезнях все клетки, за исключением случаев мозаицизма, имеют идентичный кариотип. В ходе роста и прогрессии опухолей их хромосомная характеристика нередко меняется, а при хромосомных болезнях эволюции кариотипа, как правило, не наблюдают.

Генетическая гетерогенность и изменчивость популяций опухолевых клеток, лежащие в основе феномена опухолевой прогрессии, обусловливают способность клеток, наиболее приспособленных к неблагоприятным условиям среды, к выживанию. Так, возникновение резистентности опухоли к лучевой или лекарственной терапии связано с селективным выживанием и размножением клеток, резистентных к этим воздействиям.

В 1960 г. было обнаружено первое специфическое изменение кариотипа при хроническом миелолейкозе человека – укороченная хромосома из группы G. Эта хромосома была названа филадельфийской (Ph) по названию города, где она была впервые описана. Позже было установлено, что Ph-хромосома имеется у 90-95% больных хроническим миелолейкозом, что позволило использовать результаты цитогенетического анализа для уточнения диагноза этого заболевания.

Прогресс в развитии цитогенетики опухолей наступил после появления методов дифференциального окрашивания хромосом. На протяжении нескольких лет были открыты специфические хромосомные изменения в клетках некоторых опухолей человека и лабораторных животных. Большей частью это транслокации, иногда нехватка или избыточность числа определенных хромосом. Хотя, по разным данным, хромосомные мутации обнаруживаются при гемобластозах и опухолях в неодинаковом проценте случаев, они специфичны для определенных форм злокачественных новообразований. Так, например, транслокация между хромосомами 15 и 17-й пар встречается только при остром промиелоцитарном лейкозе, тогда как транслокация между хромосомами 4 и 11-й пар обнаруживается только у больных острым лимфобластным лейкозом.

Для острого миелолейкоза характерна транслокация между хромосомами 8 и 21-й пар. В клетках лимфомы Беркитта независимо от присутствия или отсутствия в ней вируса Эпстайна-Барра наблюдается транслокация между хромосомами 8 и 14-й пар. При односторонних ретинобластомах обнаружен специфический маркер – изохромосома 6р, то есть хромосома, состоящая из соединенных коротких плеч. Она присутствует в клетках ретинобластомы наряду с двумя нормальными гомологами 6-й пары. При мелкоклеточном раке легкого описана специфическая делеция определенного участка короткого плеча хромосомы 3-й пары. Число новообразований, при которых выявлены специфические аномалии кариотипа, с каждым годом увеличивается.

Наряду со специфическими изменениями неслучайно часто выявляются при отдельных формах опухолей разные мутации некоторых хромосом. Так, например, отсутствие одной из половых хромосом нередко наблюдают в лейкозных клетках при остром миелолейкозе, а в клетках при ряде лейкозов и опухолей отмечено участие хромосомы 1-й пары в разных перестройках кариотипа.

Хотя за последние 10 лет в цитогенетике опухолей имеются достижения большие, чем за все предыдущие годы её развития, по существу, детальная картина изменений кариотипа при различных лейкозах и опухолях лишь начинает вырисовываться. Однако полученных данных достаточно, чтобы не только говорить о неслучайной роли хромосомных мутаций в онкогенезе, но и начать использовать результаты цитогенетического анализа для уточнения диагноза и прогноза злокачественных новообразований. Это уже делается в отношении гемобластозов человека, представляющих собой наиболее изученную цитогенетическими методами группу злокачественных новообразований.

В 1983 г. было установлено, что активация клеточных онкогенов в результате их попадания при хромосомных транслокациях в область активно функционирующей ДНК может, по-видимому, играть определенную роль в пролиферации и малигнизации клеток. В этой области теоретической онкологии перекрещиваются и взаимно дополняют друг друга вирусологические, молекулярно-генетические и цитогенетические исследования.

Большая медицинская энциклопедия 1979 г.

 

       
  Поиск по сайту 
«Ваш дерматолог»
 
       

 

 

Реклама, размещённая на сайте «Ваш дерматолог», является одним из источников его финансирования.
Наличие рекламы медицинских центров, лекарств, методов лечения, нельзя расценивать как рекомендацию владельца сайта к их посещению, приобретению или применению.

 

Последнее обновление страницы:30.11.2014           Обратная связь          Карта сайта

© NAU. При цитировании и копировании материалов убедительная просьба делать активную ссылку на сайт «Ваш дерматолог»

Представленная на сайте информация не должна использоваться для самостоятельной диагностики и лечения
и не может служить заменой очной консультации врача - дерматолога.