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.