Изменения структурной организации хромосом. хромосомные мутации

Наследственность и изменчивость в живой природе существуют благодаря хромосомам, генам, (ДНК). Хранится и передается в виде цепочки нуклеотидов в составе ДНК. Какая роль в этом явлении принадлежит генам? Что такое хромосома с точки зрения передачи наследственных признаков? Ответы на подобные вопросы позволяют разобраться в принципах кодирования и генетическом разнообразии на нашей планете. Во многом оно зависит от того, сколько хромосом входит в набор, от рекомбинации этих структур.

Из истории открытия «частиц наследственности»

Изучая под микроскопом клетки растений и животных, многие ботаники и зоологи еще в середине XIX века обратили внимание на тончайшие нити и мельчайшие кольцевидные структуры в ядре. Чаще других первооткрывателем хромосом называют немецкого анатома Вальтера Флемминга. Именно он применил анилиновые красители для обработки ядерных структур. Обнаруженное вещество Флемминг назвал "хроматином" за его способность к окрашиванию. Термин «хромосомы» в 1888 году ввел в научный оборот Генрих Вальдейер.

Одновременно с Флеммингом искал ответ на вопрос о том, что такое хромосома, бельгиец Эдуард ван Бенеден. Чуть раньше немецкие биологи Теодор Бовери и Эдуард Страсбургер провели серию экспериментов, доказывающих индивидуальность хромосом, постоянство их числа у разных видов живых организмов.

Предпосылки хромосомной теории наследственности

Американский исследователь Уолтер Саттон выяснил, сколько хромосом содержится в клеточном ядре. Ученый считал эти структуры носителями единиц наследственности, признаков организма. Саттон обнаружил, что хромосомы состоят из генов, с помощью которых потомкам от родителей передаются свойства и функции. Генетик в своих публикациях дал описания хромосомных пар, их движения в процессе деления клеточного ядра.

Независимо от американского коллеги, работы в том же направлении вел Теодор Бовери. Оба исследователя в своих трудах изучали вопросы передачи наследственных признаков, сформулировали основные положения о роли хромосом (1902-1903). Дальнейшая разработка теории Бовери-Саттона происходила в лаборатории нобелевского лауреата Томаса Моргана. Выдающийся американский биолог и его помощники установили ряд закономерностей размещения генов в хромосоме, разработали цитологическую базу, объясняющую механизм законов Грегора Менделя — отца-основателя генетики.

Хромосомы в клетке

Исследование строения хромосом началось после их открытия и описания в XIX веке. Эти тельца и нити содержатся в прокариотических организмах (безъядерных) и эукариотических клетках (в ядрах). Изучение под микроскопом позволило установить, что такое хромосома с морфологической точки зрения. Это подвижное нитевидное тельце, которое различимо в определенные фазы клеточного цикла. В интерфазе весь объем ядра занимает хроматин. В другие периоды различимы хромосомы в виде одной или двух хроматид.

Лучше видны эти образования во время клеточных делений — митоза или мейоза. В чаще можно наблюдать крупные хромосомы линейного строения. У прокариотов они меньше, хотя есть исключения. Клетки зачастую включают более одного типа хромосом, например свои собственные небольшие «частицы наследственности» есть в митохондриях и хлоропластах.

Формы хромосом

Каждая хромосома обладает индивидуальным строением, отличается от других особенностями окрашивания. При изучении морфологии важно определить положение центромеры, длину и размещение плеч относительно перетяжки. В набор хромосом обычно входят следующие формы:

метацентрические, или равноплечие, для которых характерно срединное расположение центромеры;
субметацентрические, или неравноплечие (перетяжка смещена в сторону одного из теломеров);
акроцентрические, или палочковидные, в них центромера находится практически на конце хромосомы;
точковые с трудно поддающейся определению формой.

Функции хромосом

Хромосомы состоят из генов — функциональных единиц наследственности. Теломеры — концы плеч хромосомы. Эти специализированные элементы служат для защиты от повреждения, препятствуют слипанию фрагментов. Центромера выполняет свои задачи при удвоении хромосом. На ней есть кинетохор, именно к нему крепятся структуры веретена деления. Каждая пара хромосом индивидуальна по месту расположения центромеры. Нити веретена деления работают таким образом, что в дочерние клетки отходит по одной хромосоме, а не обе. Равномерное удвоение в процессе деления обеспечивают точки начала репликации. Дупликация каждой хромосомы начинается одновременно в нескольких таких точках, что заметно ускоряет весь процесс деления.

Роль ДНК и РНК

Выяснить, что такое хромосома, какую функцию выполняет эта ядерная структура, удалось после изучения ее биохимического состава и свойств. В эукариотических клетках ядерные хромосомы образованы конденсированным веществом — хроматином. По данным анализа, в его состав входят высокомолекулярные органические вещества:

Нуклеиновые кислоты принимают самое непосредственное участие в биосинтезе аминокислот и белков, обеспечивают передачу наследственных признаков из поколения в поколение. ДНК содержится в ядре эукариотической клетки, РНК сосредоточена в цитоплазме.

Гены

Рентгеноструктурный анализ показал, что ДНК образует двойную спираль, цепи которой состоят из нуклеотидов. Они представляют собой углевод дезоксирибозу, фосфатную группу и одно из четырех азотистых оснований:

Участки спиралевидных дезоксирибонуклеопротеидных нитей — это гены, несущие закодированную информацию о последовательности аминокислот в белках или РНК. При размножении наследственные признаки от родителей потомству передаются в виде аллелей генов. Они определяют функционирование, рост и развитие конкретного организма. По мнению ряда исследователей, те участки ДНК, что не кодируют полипептиды, выполняют регулирующие функции. Геном человека может насчитывать до 30 тыс. генов.

Набор хромосом

Общее число хромосом, их особенности — характерный признак вида. У мухи-дрозофилы их количество — 8, у приматов — 48, у человека — 46. Это число является постоянным для клеток организмов, которые относятся к одному виду. Для всех эукариотов существует понятие «диплоидные хромосомы». Это полный набор, или 2n, в отличие от гаплоидного — половинного количества (n).

Хромосомы в составе одной пары гомологичны, одинаковы по форме, строению, местоположению центромер и других элементов. Гомологи имеют свои характерные особенности, которые их отличают от других хромосом в наборе. Окрашивание основными красителями позволяет рассмотреть, изучить отличительные черты каждой пары. присутствует в соматических же — в половых (так называемых гаметах). У млекопитающих и других живых организмов с гетерогаметным мужским полом формируются два вида половых хромосом: Х-хромосома и Y. Самцы обладают набором XY, самки — XX.

Хромосомный набор человека

Клетки организма человека содержат 46 хромосом. Все они объединяются в 23 пары, составляющие набор. Есть два типа хромосом: аутосомы и половые. Первые образуют 22 пары — общие для женщин и мужчин. От них отличается 23-я пара — половые хромосомы, которые в клетках мужского организма являются негомологичными.

Генетические черты связаны с половой принадлежностью. Для их передачи служат Y и Х-хромосома у мужчин, две X у женщин. Аутосомы содержат оставшуюся часть информации о наследственных признаках. Существуют методики, позволяющие индивидуализировать все 23 пары. Они хорошо различимы на рисунках, когда окрашены в определенный цвет. Заметно, что 22-я хромосома в геноме человека - самая маленькая. Ее ДНК в растянутом состоянии имеет длину 1,5 см и насчитывает 48 млн пар азотистых оснований. Специальные белки гистоны из состава хроматина выполняют сжатие, после чего нить занимает в тысячи раз меньше места в ядре клетки. Под электронным микроскопом гистоны в интерфазном ядре напоминают бусы, нанизанные на нить ДНК.

Генетические заболевания

Существует более 3 тыс. наследственных болезней разного типа, обусловленных повреждениями и нарушениями в хромосомах. К их числу относится синдром Дауна. Для ребенка с таким генетическим заболеванием характерно отставание в умственном и физическом развитии. При муковисцидозе происходит сбой в функциях желез внешней секреции. Нарушение ведет к проблемам с потоотделением, выделению и накоплению слизи в организме. Она затрудняет работу легких, может привести к удушью и летальному исходу.

Нарушение цветового зрения — дальтонизм — невосприимчивость к некоторым частям цветового спектра. Гемофилия приводит к ослаблению свертываемости крови. Непереносимость лактозы не позволяет организму человека усваивать молочный сахар. В кабинетах планирования семьи можно узнать о предрасположенности к тому или иному генетическому заболеванию. В крупных медицинских центрах есть возможность пройти соответствующее обследование и лечение.

Генотерапия — направление современной медицины, выяснение генетической причины наследственных заболеваний и ее устранение. С помощью новейших методов в патологические клетки вместо нарушенных вводят нормальные гены. В таком случае врачи избавляют больного не от симптомов, а от причин, вызвавших заболевание. Проводится только коррекция соматических клеток, методы генной терапии пока не применяются массово по отношению к половым клеткам.

Близкородственные браки, или инбридинг от англ. inbreeding, in - «внутри» breeding - «разведение», или кровосмешение чаще всего применяется в селекции животных для выведения и сохранения породы, но встречается и среди людей. Наиболее отчетливо негативные последствия кровосмешения наблюдались среди царственных особ Древнего Египта, античной Греции, некоторых европейских династий. Но попытка сохранить «божественную кровь» в чистоте все время приводила к проявлению наследственных заболеваний человека, аномалий, уродств и вырождения потомков.

Сегодня генетика дает научное объяснение причин и механизмов наследственной патологии при близкородственных браках и их зависимости от степени родства.

Хромосомный набор сперматозоида и яйцеклетки представлен 23 хромосомами. При оплодотворении каждая хромосома из мужской клетки находит свою пару из женской, и в итоге получается зигота (оплодотворенная яйцеклетка) с парным набором хромосом. При дальнейшем делении зиготы каждая клетка нового организма также имеет строго по 23 пары хромосом. Процесс сохранения хромосомного набора в клетках при их делении продолжается после рождения всю жизнь. Все клетки организма человека имеют те самые 23 пары или 46 хромосом, которые получились при оплодотворении.

Геном - совокупность генов в хромосомах клеток организма. Геном содержит биологическую информацию для роста и развития организма.

Ген (греч. γένος - род) - структурная и функциональная единица наследственности человека, представляющий собой участок ДНК и являющийся матрицей для синтеза белков. Гены определяют наследственные признаки, передающиеся от родителей потомству.

Геном человека содержит около 28 000 генов.

Точное место расположения каждого гена в определенной хромосоме называется локусом этого гена. Часть генов в хромосомах нефункциональны или дефектны. В одних случаях это проявляется степенью выраженности признака. Например, у блондинов цвет волос определяется отсутствием гена, ответственного за пигментацию волос. В других случаях дефект гена приводит к заболеванию. Например, фенилкетонурия, серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз, болезнь Коновалова-Вильсона, наследственные заболевания глаз, кожи, наследственные дегенеративные заболевания суставов, наследственные заболевания нервной системы. Как правило, это тяжелая патология, в ряде случаев несовместимая с жизнью. К счастью, генные заболевания встречаются в клинической практике редко. Но близкородственные браки увеличивают эту вероятность на порядок. Почему?

Близкородственные браки. Причины генетических заболеваний у детей.

Как мы выяснили выше, хромосомный набор человека является диплоидным, то есть в ядре каждой клетки аналогичные хромосомы присутствуют парами. И если из пары хромосом в одной ген с дефектом, то «работает» нормальный ген второй хромосомы из этой пары, и заболевание отсутствует.

Вероятность того, что у родителей не родственников по крови в паре хромосом будут дефектные гены, отвечающие за одну и ту же функцию, ничтожно мала. Этим и объясняется низкая частота генных заболеваний у детей, если родители не состоят в родстве. Другое дело близкородственные браки. Вероятность, что у ребенка в парных хромосомах будут одинаковые дефекты генов возрастает многократно. И чем больше степень родства, тем выше эта вероятность даже у здоровых родителей. Вот типичное генеалогическое древо при кровосмешении:

Наиболее частые генетические заболевания человека при кровосмешении

К генным болезням человека относятся наследственные болезни обмена веществ. Они связаны с нарушением обмена аминокислот, белков, углеводов, жиров и стероидов, билирубина, некоторых металлов и проявляются уже в раннем возрасте самыми различными симптомами, то есть являются врожденными.

Часто генная патология у детей бывает сочетанной. Например, генетические заболевания кожи сочетаются с нарушением обмена веществ, стерильностью, психическими болезнями.

Диагностика, профилактика и лечение наследственных заболеваний

Если известно, что родители будущего ребенка родственники, то проводится пренатальная диагностика наследственных заболеваний. Почти все генные заболевания у детей от близкородственных браков врожденные и диагностируются уже у новорожденных по характерным симптомам. В некоторых случаях проводится генетическое обследование.

Этиологическое лечение наследственных заболеваний, связанных с близкородственными браками, невозможно . Поэтому основным методом профилактики генных болезней остаются скрининг новорожденных на наследственные заболевания и синдромы, генетическое консультирование и медицинское просвещение.

Данная брошюра содержит информацию о том, что такое хромосомные нарушения, как они могут наследоваться, и какие проблемы могут быть с ними связаны. Данная брошюра не может заменить Ваше общение с врачом, однако она может помочь Вам при обсуждении интересующих Вас вопросов.

Для того, чтобы лучше понять, что представляют собой хромосомные нарушения, вначале будет полезно узнать, что такое гены и хромосомы.

Что такое гены и хромосомы?

Наше тело состоит из миллионов клеток. Большинство клеток содержат полный набор генов. У человека тысячи генов. Гены можно сравнить с инструкциями, которые используются для контроля роста и согласованной работы всего организма. Гены отвечают за множество признаков нашего организма, например, за цвет глаз, группу крови или рост.

Гены расположены на нитевидных структурах, называемых хромосомами. В норме в большинстве клеток организма содержится по 46 хромосом. Хромосомы передаются нам от родителей - 23 от мамы, и 23 от папы, поэтому мы часто похожи на своих родителей. Таким образом, у нас два набора по 23 хромосомы, или 23 пары хромосом. Так как на хромосомах расположены гены, мы наследуем по две копии каждого гена, по одной копии от каждого из родителей. Хромосомы (следовательно, и гены) состоят из химического соединения, называемого ДНК.

Рисунок 1: Гены, хромосомы и ДНК

Хромосомы (см. Рисунок 2), пронумерованные от 1 до 22, одинаковые у мужчин и у женщин. Такие хромосомы называют аутосомами. Хромосомы 23-й пары различны у женщин и мужчин, и их называют половыми хромосомами. Есть 2 варианта половых хромосом: Х-хромосома и Y-хромосома. В норме у женщин присутствуют две Х-хромосомы (ХХ), одна из них передается от матери, другая - от отца. В норме у мужчин есть одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY), при этом Х-хромосома передается от матери, а Y-хромосома - от отца. Так, на Рисунке 2 изображены хромосомы мужчины, так как последняя, 23-я, пара представлена сочетанием XY.

Рисунок 2: 23 пары хромосом, распределенные по размеру; хромосома под номером 1 - самая большая. Две последние хромосомы - половые.

Хромосомные изменения

Правильный хромосомный набор является очень важным для нормального развития человека. Это связано с тем, что гены, которые дают «инструкции к действиям» клеткам нашего организма, находятся на хромосомах. Любое изменение количества, размера или структуры наших хромосом может означать изменение количества или последовательности генетической информации. Такие изменения могут привести к трудностям в обучении, задержке развития и другим проблемам здоровья ребенка.

Хромосомные изменения могут быть унаследованы от родителей. Чаще всего хромосомные изменения возникают на этапе формирования яйцеклетки или сперматозоида, или при оплодотворении (вновь возникшие мутации, или мутации de novo). Эти изменения невозможно контролировать.

Существует два основных типа хромосомных изменений. Изменение числа хромосом. При таком изменении существует увеличение или уменьшение числа копий какой-либо хромосомы. Изменение структуры хромосом. При таком изменении материал какой-либо хромосомы поврежден, или изменена последовательность генов. Возможно появление дополнительного или утрата части исходного хромосомного материала.

В данной брошюре мы рассмотрим хромосомные делеции, дупликации, инсерции, инверсии и кольцевые хромосомы. Если Вас интересует информация о хромосомных транслокациях, пожалуйста, обратитесь к брошюре «Хромосомные транслокации».

Изменение числа хромосом.

В норме в каждой клетке человека содержится 46 хромосом. Однако, иногда ребенок рождается либо с большим, либо с меньшим числом хромосом. В таком случае возникает, соответственно, либо избыточное, либо недостаточное число генов, необходимых для регуляции роста и развития организма.

Один из наиболее распространенных примеров генетического заболевания, вызванного избыточным числом хромосом, является синдром Дауна. В клетках людей с этим заболеванием находится 47 хромосом вместо обычных 46-ти, так как присутствует три копии 21-ой хромосомы вместо двух. Другими примерами заболеваний, вызванных избыточным числом хромосом являются синдромы Эдвардса и Патау.

Рисунок 3: Хромосомы девочки (последняя пара хромосом ХХ) с синдромом Дауна. Видны три копии 21-ой хромосомы вместо двух.

Изменение структуры хромосом.

Изменения в структуре хромосом происходят, когда материал определенной хромосомы поврежден, или изменена последовательность генов. К структурным изменениям также относятся избыток или утрата части хромосомного материала. Это может происходить несколькими путями, описанными ниже.

Изменения структуры хромосом могут быть очень небольшими, и специалистам в лабораториях бывает сложно их выявить. Однако даже если структурное изменение найдено, часто бывает сложно предсказать влияние этого изменения на здоровье конкретного ребенка. Это может разочаровать родителей, которые хотят получить исчерпывающую информацию о будущем своего ребенка.

Транслокации

Если Вы хотите больше узнать о транслокациях, пожалуйста, обратитесь к брошюре «Хромосомные транслокации».

Делеции

Термин «хромосомная делеция» означает, что часть хромосомы утрачена или укорочена. Делеция может случиться в любой хромосоме и на протяжении любой части хромосомы. Делеция может быть любого размера. Если утраченный при делеции материал (гены) содержал важную информацию для организма, то у ребенка могут возникать трудности в обучении, задержка развития и другие проблемы со здоровьем. Тяжесть этих проявлений зависит от размеров утраченной части и локализации внутри хромосомы. Примером такого заболевания является синдром Жубер.

Дупликации

Термин «хромосомная дупликация» означает, что часть хромосомы удвоена, и из-за этого возникает избыток генетической информации. Этот избыточный материал хромосомы означает, что организм получает слишком большое число «инструкций», и это может привести к трудностям в обучении, задержке развития и другим проблемам здоровья ребенка. Примером заболевания, вызванного дупликацией части хромосомного материала является моторно-сенсорная нейропатия типа IA.

Инсерции

Хромосомная инсерция (вставка) означает, что часть материала хромосомы оказалась «не на своем месте» на этой же или на другой хромосоме. Если общее количество хромосомного материала не изменилось, то такой человек, как правило, здоров. Однако если такое перемещение приводит к изменению количества хромосомного материала, то у человека могут возникать трудности в обучении, задержка развития и другие проблемы здоровья ребенка.

Кольцевые хромосомы

Термин «кольцевая хромосома» означает, что концы хромосомы соединились, и хромосома приобрела форму кольца (внорме хромосомы человека имеют линейную структуру). Обычно это происходит, когда оба конца одной и той же хромосомы укорочены. Оставшиеся концы хромосомы становятся «липкими» и соединяются, формируя «кольцо». Последствия формирования кольцевых хромосом для организма зависят от размера делеций на концах хромосомы.

Инверсии

Хромосомная инверсия означает такое изменение хромосомы, при котором часть хромосомы развернута, и гены в этом участке расположены в обратном порядке. В большинстве случаев носитель инверсии здоров.

Если у родителя обнаружена необычная хромосомная перестройка, как это может отразиться на ребенке?

Возможны несколько исходов каждой беременности:

Ребенок может получить совершенно нормальный набор хромосом.
Ребенок может унаследовать такую же хромосомную перестройку, которая есть у родителя.
У ребенка могут быть трудности в обучении, задержка развития или другие проблемы со здоровьем.
Возможно самопроизвольное прерывание беременности.

Таким образом, у носителя хромосомной перестройки могут рождаться здоровые дети, и во многих случаях происходит именно так. Так как каждая перестройка уникальна, Вашу конкретную ситуацию следует обсудить с врачом-генетиком. Часто бывает, что ребенок рождается с хромосомной перестройкой, несмотря на то, что хромосомный набор родителей нормальный. Такие перестройки называют вновь возникшими, или возникшими “de novo” (от латинского слова). В этих случаях риск повторного рождения ребенка с хромосомной перестройкой у этих же родителей очень мал.

Диагностика хромосомных перестроек

Возможно проведение генетического анализа для выявления носительства хромосомной перестройки. Для анлиза берется образец крови, и клетки крови исследуют в специализированной лаборатории для выявления хромосомных перестроек. Такой анализ называется кариотипированием. Также возможно проведение теста во время беременности для оценки хромосом плода. Такой анализ называется пренатальной диагностикой, и этот вопрос следует обсудить с врачом-генетиком. Более подробная информация на эту тему представлена в брошюрах «Биопсия ворсин хориона» и «Амниоцентез».

Как это касается других членов семьи

Если у одного из членов семьи обнаружена хромосомная перестройка, возможно, Вы захотите обсудить этот вопрос с другими членами семьи. Это даст возможность другим родственникам, при желании, пройти обследование (анализ хромосом в клетках крови) для определения носительства хромосомной перестройки. Это может быть особенно важно для родственников, уже имеющих детей или планирующих беременность. Если они не являются носителями хромосомной перестройки, они не могут передать ее своим детям. Если же они являются носителями, то им может быть предложено пройти обследование во время беременности для анализа хромосом плода.

Некоторым людям сложно обсуждать проблемы, связанные с хромосомной перестройкой, с членами семьи. Они могут бояться причинить беспокойство членам семьи. В некоторых семьях люди из-за этого испытывают сложности в общении и теряют взаимопонимание с родственниками. Врачи-генетики, как правило, имеют большой опыт в решении подобных семейных ситуаций и могут помочь Вам в обсуждении проблемы с другими членами семьи.

Что важно помнить

Хромосомная перестройка может как наследоваться от родителей, так и возникать в процессе оплодотворения.
Перестройку нельзя исправить - она остается на всю жизнь.
Перестройка не заразна, например, ее носитель может быть донором крови.
Люди часто испытывают чувство вины в связи с тем, что в их семье есть такая проблема, как хромосомная перестройка. Важно помнить, что это не является чьей-либо виной или следствием чьих-либо действий.
Большинство носителей сбалансированных перестроек могут иметь здоровых детей.

Несмотря на эволюционно отработанный механизм, позволяющий сохранять постоянной физико-химическую и морфологическую организацию хромосом в ряду клеточных поколений, под влиянием различных воздействий эта организация может изменяться. В основе изменения структуры хромосомы, как правило, лежит первоначальное нарушение ее целостности - разрывы, которые сопровождаются различными перестройками, называемыми хромосомными мутациями или аберрациями.

Разрывы хромосом происходят закономерно в ходе кроссинговера, когда они сопровождаются обменом соответствующими участками между гомологами (см. разд. 3.6.2.3). Нарушение кроссинговера, при котором хромосомы обмениваются неравноценным генетическим материалом, приводит к появлению новых групп сцепления, где отдельные участки выпадают - делении - или удваиваются - дупликации (рис. 3.57). При таких перестройках изменяется число генов в группе сцепления.

Разрывы хромосом могут возникать также под влиянием различных мутагенных факторов, главным образом физических (ионизирующего и других видов излучения), некоторых химических соединений, вирусов.

Рис. 3.57. Виды хромосомных перестроек

Нарушение целостности хромосомы может сопровождаться поворотом ее участка, находящегося между двумя разрывами, на 180° - инверсия. В зависимости от того, включает ли данный участок область центромеры или нет, различают перицентрические и парацентрические инверсии (рис. 3.57).

Фрагмент хромосомы, отделившийся от нее при разрыве, может быть утрачен клеткой при очередном митозе, если он не имеет центромеры. Чаще такой фрагмент прикрепляется к одной из хромосом - транслокация. Нередко две поврежденные негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками -ре-ципрокная транслокация (рис. 3.57). Возможно присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте - транспозиция (рис. 3.57). Таким образом, различные виды инверсий и транслокаций характеризуются изменением локализации генов.

Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом, что можно наблюдать в световой микроскоп. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и акроцентрические и наоборот (рис. 3.58), появляются кольцевые и полицентрические хромосомы (рис. 3.59). Особую категорию хромосомных мутаций представляют аберрации, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом, когда две негомологичные структуры объединяются в одну - робертсоновская транслокация, или одна хромосома образует две самостоятельные хромосомы (рис. 3.60). При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.

Рис. 3.58. Изменение формы хромосом

в результате перицентрических инверсий

Рис. 3.59. Образование кольцевых (I ) и полицентрических (II ) хромосом

Рис. 3.60. Хромосомные перестройки, связанные с центрическим слиянием

или разделением хромосом являются причиной изменения числа хромосом

в кариотипе

Рис. 3.61. Петля, образующаяся при конъюгации гомологичных хромосом, которые несут неравноценный наследственный материал в соответствующих участках в результате хромосомной перестройки

Описанные структурные изменения хромосом, как правило, сопровождаются изменением генетической программы, получаемой клетками нового поколения после деления материнской клетки, так как изменяется количественное соотношение генов (при делениях и дупликациях), меняется характер их функционирования в связи с изменением взаимного расположения в хромосоме (при инверсии и транспозиции) или с переходом в другую группу сцепления (при транслокации). Чаще всего такие структурные изменения хромосом отрицательно сказываются на жизнеспособности отдельных соматических клеток организма, но особенно серьезные последствия имеют хромосомные перестройки, происходящие в предшественниках гамет.

Изменения структуры хромосом в предшественниках гамет сопровождаются нарушением процесса конъюгации гомологов в мейозе и их последующего расхождения. Так, делении или дупликации участка одной из хромосом сопровождаются при конъюгации образованием петли гомологом, имеющим избыточный материал (рис. 3.61). Реципрокная транслокация между двумя негомологичными хромосомами приводит к образованию при конъюгации не бивалента, а квадривалента, в котором хромосомы образуют фигуру креста благодаря притягиванию гомологичных участков, расположенных в разных хромосомах (рис. 3.62). Участие в реципрокных транслокациях большего числа хромосом с образованием поливалента сопровождается формированием еще более сложных структур при конъюгации (рис. 3.63).

В случае инверсии бивалент, возникающий в профазе I мейоза, образует петлю, включающую взаимно инвертированный участок (рис. 3.64).

Конъюгация и последующее расхождение структур, образованных измененными хромосомами, приводит к появлению новых хромосомных перестроек. В результате гаметы, получая неполноценный наследственный материал, не способны обеспечить формирование нормального организма нового поколения. Причиной этой является нарушение соотношения генов, входящих в состав отдельных хромосом, и их взаимного расположения.

Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции. Так, небольшие по размеру делении могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делении, являются дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма.

Рис. 3.64. Конъюгация хромосом при инверсиях:

I - парацентрическая инверсия в одном из гомологов, II - перидентрическая инверсия в одном из гомологов

Нередко жизнеспособными оказываются робертсоновские транслокации, часто не связанные с изменением объема наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Например, у разных видов дрозофилы количество хромосом в гаплоидном наборе колеблется от 3 до 6, что объясняется процессами слияния и разделения хромосом. Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные изменения хромосом у его обезьяноподобного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных человекообразных обезьян (12-й и 13-й -шимпанзе, 13-й и-14-й -гориллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом.

К существенному варьированию морфологии хромосом, лежащему в основе их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и инверсии. Анализ хромосом человека показал, что его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями.

Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определенной вероятностью могут быть перспективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации наследственного материала.

Медицинская цитогенетика - изучение кариотипа человека в норме и при патологии. Это направление возникло в 1956 г., когда Тио и Леван усовершенствовали метод приготовления препаратов метафазных хромосом и впервые установили модальное число хромосом (2n=46) в диплоидном наборе. В 1959 г. была расшифрована хромосомная этиология ряда заболеваний - синдромов Дауна, Клайнфельтера, Шерешевского-Тернера и некоторых других синдромов аутосомных трисомий. Дальнейшее развитие медицинской цитогенетики в конце 1960-х годов было обусловлено появлением методов дифференциального окрашивания метафазных хромосом, дающих возможность идентификации хромосом и их отдельных районов. Методы дифференциального окрашивания не всегда обеспечивали правильность установления точек разрывов в результате структурных перестроек хромосом. В 1976 г. Юнис разработал новые методы их изучения на стадии прометафазы, которые получили название «высокоразрешающие методы».

Использование таких методов позволило получить хромосомы с разным количеством сегментов (от 550 до 850) и дало возможность проведения идентификации нарушений с вовлечением небольших их участков (микроперестроек). С начала 1980-х гг. цитогенетика человека вступила в новый этап развития: в практику был внедрен хромосомный анализ молекулярно-цитогенетических методов, флюоресцентной гибридизации in situ (FISH - Fluorescence In Situ Hybridization). Этот метод широко используют для выявления более тонких структурных аномалий хромосом, которые неразличимы при дифференциальном окрашивании. В настоящее время применение различных методов хромосомного анализа позволяет успешно проводить пре- и постнатальную диагностику хромосомных болезней.

Хромосомные болезни - большая группа клинически многообразных состояний, характеризуемых множественными врожденными пороками развития, этиология которых связана с количественными или структурными изменениями кариотипа.

В настоящее время различают почти 1000 хромосомных аномалий, из них более 100 форм имеют клинически очерченную картину и называются синдромами; их вклад в спонтанные аборты, неонатальную смертность и заболеваемость весьма значителен. Распространенность хромосомных аномалий среди спонтанных абортов составляет в среднем 50%, среди новорожденных с грубыми множественными врожденными пороками развития - 33%, мертворожденных и перинатально умерших с врожденными пороками развития - 29%, недоношенных с врожденными пороками развития - 17%, новорожденных с врожденными пороками развития - 10%, мертворожденных и перинатально умерших - 7%, недоношенных - 2,5%, всех новорожденных - 0,7%.

Большинство хромосомных болезней являются спорадическими, возникающими заново вследствие геномной (хромосомной) мутации в гамете здорового родителя или в первых делениях зиготы, а не наследуемыми в поколениях, что связано с высокой смертностью больных в дорепродуктивном периоде.

Фенотипическую основу хромосомных болезней составляют нарушения раннего эмбрионального развития. Именно поэтому патологические изменения складываются еще в пренатальном периоде развития организма и либо обусловливают гибель эмбриона или плода, либо создают основную клиническую картину заболевания уже у новорожденного (исключение составляют аномалии полового развития, формирующиеся в основном в период полового созревания). Раннее и множественное поражение систем организма характерно для всех форм хромосомных болезней. Это черепно-лицевые дизморфии, врожденные пороки развития внутренних органов и частей тела, замедленные внутриутробный и постнатальный рост и развитие, отставание психического развития, пороки центральной нервной системы, сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой, пищеварительной и эндокринной систем, а также отклонения в гормональном, биохимическом и иммунологическом статусе. Для каждого хромосомного синдрома характерен комплекс врожденных пороков развития и аномалий развития, присущий в какой-то мере только данному типу хромосомных патологий. Клинический полиморфизм каждой хромосомной болезни в общей форме обусловлен генотипом организма и условиями среды. Вариации в проявлениях патологии могут быть очень широкими - от летального эффекта до незначительных отклонений в развитии. Несмотря на хорошую изученность клинических проявлений и цитогенетики хромосомных болезней, их патогенез даже в общих чертах еще не ясен. Не разработана общая схема развития сложных патологических процессов, обусловленных хромосомными аномалиями и приводящих к появлению сложнейших фенотипов хромосомных болезней.

Основные типы хромосомных аномалий
Все хромосомные болезни по типу мутаций можно разделить на две большие группы: вызванные изменением числа хромосом при сохранении структуры последних (геномные мутации) и обусловленные изменением структуры хромосомы (хромосомные мутации). Геномные мутации возникают вследствие нерасхождения или утраты хромо-сом в гаметогенезе или на ранних стадиях эмбриогенеза. У человека обнаружено только три типа геномных мутаций: тетраплоидия, триплоидия и анеуплоидия. Частота возникновения триплоидных (Зn=69) и тетраплоидных (4n=92) мутаций очень низка, в основном их обнаруживают среди спонтанно абортированных эмбрионов или плодов и у мертворожденных. Продолжительность жизни новорожденных с такими нарушениями - несколько дней. Геномные мутации по отдельным хромосомам многочисленны, они составляют основную массу хромосомных болезней. При этом из всех вариантов анеуплоидий встречаются только трисомии по аутосомам, полисомии по половым хромосомам (три-, тетра- и пентасомии), а из моносомий встречается только моносомия X.

Полные трисомии или моносомии переносятся организмом тяжелее, чем частичные, дисбаланс по крупным хромосомам встречается у живорожденных значительно реже, чем по мелким. Полные формы хромосомных аномалий вызывают значительно более серьезные отклонения, чем мозаичные. Аутосомные моносомии среди живорожденных очень редки, это мозаичные формы с большой долей нормальных клеток. Доказан факт относительно малой генетической ценности гетерохроматиновых районов хромосом. Именно поэтому полные трисомии у живорожденных наблюдают по тем аутосомам, которые богаты гетерохроматином, - 8, 9, 13, 14, 18, 21, 22 и X. Этим объясняется хорошая переносимость пациентами даже тройной дозы материала Y-хромосомы и почти полная утрата длинного ее плеча. Совместимую с постнатальной жизнью полную моносомию по Х-хромосоме, приводящую к развитию синдрома Шерешевского-Тернера, а также тетра- и пентасомии наблюдают только по Х-хромосоме, которая гетерохроматизирована.

Хромосомные мутации, или структурные хромосомные перестройки, - нарушения кариотипа, сопровождаемые или не сопровождаемые дисбалансом генетического материала в пределах одной или нескольких хромосом (внутри- и межхромосомные перестройки).

В подавляющем большинстве случаев структурные хромосомные мутации пере-дает потомству один из родителей, в кариотипе которого присутствует сбалансированная хромосомная перестройка. К ним относят реципрокную (взаимную) сбалансированную транслокацию без потери участков вовлеченных в нее хромосом. Она, как и инверсия, не вызывает патологических явлений у носителя. Однако при образовании гамету носителей сбалансированных транслокаций и инверсий могут образовываться несбалансированные гаметы. Робертсоновская транслокация - транслокация между двумя акроцентрическими хромосомами с потерей их коротких плеч - приводит к образованию одной метацентрической хромосомы вместо двух акроцентрических. Носители такой транслокации здоровы, потому что потеря коротких плеч двух акроцентрических хромосом компенсируется работой таких же генов в остальных 8 акроцентрических хромосомах. При созревании половых клеток случайное распределение (при клеточных делениях) двух перестроенных хромосом и их гомологов приводит к появлению нескольких типов гамет, одни из которых нормальны, другие содержат такую комбинацию хромосом, которая при оплодотворении дает зиготу со сбалансированным перестроенным кариотипом, третьи дают при оплодотворении хромосомно несбалансированные зиготы.

При несбалансированном хромосомном наборе (делеции, дупликации, инсерции) у плода развиваются тяжелые клинические патологии, как правило, в виде комплекса врожденных пороков развития. Недостаток генетического материала вызывает более серьезные пороки развития, чем его избыток.

Значительно реже структурные аберрации возникают de novo. Родители пациента с хромосомной болезнью обычно кариотипически нормальны. Хромосомная болезнь в этих случаях возникает de novo в результате передачи от одного из родителей геномной или хромосомной мутации, возникшей однократно в одной из гамет, или такая мутация возникает уже в зиготе. Это не исключает повторного возникновения хромосомного нарушения у детей в данной семье. Есть семьи, предрасположенные к повторным случаям нерасхождения хромосом. Мутациями, возникшими de novo, являются почти все случаи известных полных трисомий и моносомий. Основной механизм возникновения структурной перестройки любого типа - разрыв в одной или нескольких хромосомах с последующим воссоединением образовавшихся фрагментов.

Клинические показания к цитогенетической диагностике
Цитогенетический метод исследования занимает ведущее место среди методов лабораторной диагностики при медико-генетическом консультировании и в пре-натальной диагностике. Однако следует строго придерживаться объективных
показаний для направления пациентов на исследование кариотипа.

Основные показания к пренатальной диагностике:
хромосомная аномалия у предыдущего ребенка в семье;
мертворожденный ребенок с хромосомной аномалией;
хромосомные перестройки, хромосомный мозаицизм или анеуплоидия по половым хромосомам у родителей;
результаты исследования сыворотки крови у матери, указывающие на повы-шенный риск хромосомной аномалии у плода (группа риска);
возраст матери;
выявленные при ультразвуковом исследовании аномалии плода;
подозрение на мозаицизм у плода при предыдущем цитогенетическом исследовании;
подозрение на синдром с хромосомной нестабильностью.

Исследование кариотипа при постнатальной диагностике рекомендуют проводить при наличии у пациента:
первичной или вторичной аменореи или ранней менопаузы;
аномальной спермограммы - азооспермии или выраженной олигоспермии;
клинически выраженных отклонений в росте (низкий, высокий рост) и размерах головы (микро-, макроцефалия);
аномальных гениталий;
аномального фенотипа или дизморфий;
врожденных пороков развития;
умственной отсталости или нарушений развития;
проявлений делеционного/микроделеционного/дупликационного синдрома;
Х-сцепленного рецессивного заболевания у женщин;
клинических проявлений синдромов хромосомной нестабильности;
при мониторинге после трансплантации костного мозга.

Цитогенетические исследования следует провести у супружеской пары:
при хромосомных аномалиях или необычных вариантах хромосом у плода, обнаруженных при пренатальной диагностике;
повторных выкидышах (3 и более); мертворождении, неонатальной смерти плода, невозможности обследования пораженного плода;
наличии у ребенка хромосомной аномалии или необычного хромосомного варианта;
бесплодии неизвестной этиологии.

Показанием к цитогенетическому исследованию является наличие у родственников пациента:
хромосомных перестроек;
умственной отсталости предположительно хромосомного происхождения;
репродуктивных потерь, врожденных пороков развития плода или мертворождения неясного происхождения.

Показания к исследованию FISH-методом:
подозрение на микроделеционный синдром, для которого доступна молекулярно-цитогенетическая диагностика (наличие соответствующих ДНК-зондов);
повышенный риск микроделеционного синдрома по анамнестическим данным;
клинические признаки, позволяющие предположить мозаицизм по опреде-ленному хромосомному синдрому;
состояния после трансплантации костного мозга, когда донор и реципиент разного пола;
подозрение на хромосомную аномалию при стандартном цитогенетическом исследовании, когда FISH-метод может быть полезным для дальнейшего
уточнения характера аномалии, или в ситуациях, когда имеются характерные клинические проявления;
наличие сверхчисленной маркерной хромосомы;
подозрение на скрытую хромосомную перестройку.

FISH-метод при анализе метафаз показан:
при маркерных хромосомах;
дополнительном материале неизвестного происхождения на хромосоме;
хромосомных перестройках;
подозрении на потерю хромосомного сегмента;
мозаицизме.

FISH-метод при анализе интерфазных ядер показан:
при численных хромосомных аномалиях;
дупликациях;
делениях;
перестройках хромосом;
определении хромосомного пола;
амплификации генов.

Методы цитогенетического исследования :
Исследование и описание характерных особенностей метафазных хромосом особенно важны для практической цитогенетики. Отдельные хромосомы в пределах группы распознают с помощью методов дифференциального окрашивания. Эти методы позволяют обнаруживать неоднородность структуры хромосомы по длине, определяемую особенностями комплекса основных молекулярных компонентов хромосом - ДНК и белков. Проблема распознавания индивидуальных хромосом в кариотипе важна для развития цитогенетической диагностики хромосомных болезней у человека.

Методы цитогенетического исследования делятся на прямые и непрямые. Прямые методы применяют в тех случаях, когда нужен быстрый результат и имеется возможность получить препараты хромосом клеток, делящихся в организме. Непрямые методы включают в качестве обязательного этапа более или менее длительное культивирование клеток в искусственных питательных средах. Промежуточное положение занимают методы, включающие кратковременное культивирование (от нескольких часов до 2-3 сут).

Основной объект цитогенетического исследования прямыми и непрямыми методами - стадия метафазы митоза и различные стадии мейоза. Метафаза мито¬за служит основным предметом цитогенетического исследования, так как именно на этой стадии возможны точная идентификация хромосом и выявление их ано¬малий. Хромосомы в мейозе исследуют для обнаружения некоторых типов пере¬строек, по природе своей не обнаруживаемых в метафазе митоза.

Биологический материал для цитогенетических исследований. Обработка клеточных культур. Приготовление хромосомных препаратов
В качестве материала для получения хромосом человека и их исследования могут быть использованы клетки любой ткани, доступной для биопсии. Чаще всего используют периферическую кровь, кожные фибробласты, костный мозг, клетки амниотической жидкости, ворсинчатого хориона. Наиболее доступны для исследования хромосом лимфоциты периферической крови человека.

В настоящее время практически во всех лабораториях мира для постановки культуры лимфоцитов применяют метод с использованием цельной периферической крови. Кровь в количестве 1-2 мл заранее берут из локтевой вены в стерильную пробирку или флакон с раствором гепарина. Во флаконе кровь можно хранить 24-48 ч в холодильнике при температуре 4-6 °С. Постановку культуры лимфоцитов осуществляют в специальном боксовом помещении или в рабочей комнате под ламинарным шкафом в стерильных условиях. Такие условия обязательны для предотвращения заноса в культуру крови патогенной флоры. Если есть подозрение на загрязненность крови или другого материала, необходимо в культуральную смесь добавить антибиотики. Флаконы с культуральной смесью инкубируют в термостате при температуре +37 °С в течение 72 ч (идет активный рост и деление клеток). Основное назначение методических приемов при обработке клеточных культур и приготовлении из них хромосомных препаратов - получить на препарате достаточное количество метафазных пластинок с таким разбросом хромосом, при котором можно оценить длину, форму и другие морфологические признаки каждой хромосомы набора.

Накопление клеток в метафазе митоза и получение на препарате качественных пластинок происходит с помощью ряда последовательных процедур:
колхинизации - воздействия на клетки цитостатиками колхицином или колцемидом, блокирующими митоз в стадии метафазы;
гипотонизации культур;
фиксации клеток смесью метилового спирта с уксусной кислотой;
нанесения клеточной взвеси на предметное стекло.

Колхинизацию культур клеток осуществляют за 1,5-2 ч до начала фиксации. После введения колхицина флаконы с клеточными культурами продолжают инкубировать в термостате. По окончании инкубации культуральную смесь из каждого флакона сливают в чистые центрифужные пробирки и подвергают центрифугиро-ванию. Затем к осадку клеток добавляют гипотонический раствор калия хлорида, предварительно нагретый до температуры +37 °С.

Гипотонизацию проводят в термостате при температуре +37 °С в течение 15 мин. Гипотонический раствор KCI способствует лучшему разбросу хромосом на предметном стекле. После гипотонизации клетки переводят в осадок центрифуги-рованием и подвергают фиксации. Фиксацию проводят смесью метилового (или этилового) спирта с уксусной кислотой.

Завершающий этап - приготовление хромосомных препаратов для получения хорошо «распластанных» метафазных пластинок с сохранением целостности, полноты хромосомного набора в каждой из них. На мокрые, охлажденные пред-метные стекла наносят клеточную взвесь, после чего стекла высушивают при ком-натной температуре и маркируют.

Методы дифференциального окрашивания хромосом
С 1971 г. в цитогенетике нашли широкое распространение методы, позволяющие дифференциально окрашивать каждую хромосому набора по ее длине. Практическое значение этих методов состоит в том, что дифференциальная окраска позволяет идентифицировать все хромосомы человека благодаря специфическому рисунку продольной окрашиваемости для каждой хромосомы. Для окраски может быть пригодна любая краска, состоящая из основного красителя, поскольку главным красящим субстратом хромосом является комплекс ДНК с белками. В практике цитогенетических исследований наибольшее применение получили следующие методы.

G-метод окраски - самый распространенный метод из-за простоты, надежности и доступности необходимых реактивов. После окраски каждая пара хромосом приобретает исчерченность по длине благодаря чередованию по-разному окрашенных гетерохроматиновых (темных) и эухроматиновых (светлых) сегментов, которые принято обозначать как G-сегменты. С-метод окраски обеспечивает выявление лишь некоторых районов хромосом. Это районы гетерохроматина, локализованного в околоцентромерных участках длинных плеч хромосом 1, 9 и 16 и в длинном плече Y-хромосомы, а также в коротких плечах акроцентрических хромосом. R-метод окраски препаратов хромосом показывает картину дифференциальной сегментации, обратной G-методу. Этим методом хорошо прокрашиваются дистальные сегменты хромосом, что очень важно при идентификации мелких пере-строек с вовлечением концевых участков. Q-метод окраски обеспечивает дифференциальную флюоресцентную окраску индивидуальных хромосом набора, позволяет идентифицировать каждую пару гомологов, а также определить наличие Y-хромосомы в интерфазных ядрах по свечению тельца Y-хроматина.

Принципы хромосомного анализа
Обязательным этапом исследования является визуальный анализ хромосом под микроскопом с использованием тысячекратного увеличения (х1000) при окулярах х10 и иммерсионном объективе х100. Оценку качества и пригодности хромосомных препаратов для исследования, а также отбор метафазных пластинок для анализа проводят при малом увеличении (х100). Для исследования выбирают хорошо окрашенные, полные метафазные пластинки с хорошим разбросом хромосом. Исследователь подсчитывает общее количество хромосом и проводит оценку структуры каждой хромосомы путем сопоставления исчерченности гомологов, а также сопоставления наблюдаемой картины с цитогенетическими картами (схемами) хромосом.

Использование компьютерных систем анализа изображений существенно облегчает задачу цитогенетика, повышает качество его работы и предоставляет возможность быстрого и простого документирования результатов исследования. Для обеспечения высокого качества работы рекомендуют участие двух специалистов в проведении цитогенетического исследования каждого образца. Документом, подтверждающим исследование, служит протокол, в котором указывают координаты просмотренных клеток, количество хромосом в каждой из них, обнаруженные перестройки, формулу кариотипа и заключение, а также фамилию пациента, дату и номер исследования, фамилию и подпись врача (врачей), проводившего исследование. Следует сохранять препараты и изображения хромосом для последующего просмотра.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ОПИСАНИЯ ХРОМОСОМНЫХ АНОМАЛИЙ СОГЛАСНО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ
Запись формулы кариотипа необходимо проводить в соответствии с действую-щей версией Международной системы цитогенетической номенклатуры человека - International System for human Cytogenetic Nomenclature. Ниже рассмотрены аспекты применения номенклатуры, которые наиболее часто встречаются в клинической цитогенетической практике.

Количество и морфология хромосом:
В кариотипе хромосомы разделяют на семь легкоразличимых групп (А-G) в соответствии с их размером и положением центромеры. Аутосомы - это хромосо¬мы с 1-й по 22-ю, половые хромосомы - X и Y.
Группа А (1-3) - большие метацентрические хромосомы, которые можно отличить друг от друга по размеру и положению центромеры.
Группа В (4-5) - большие субметацентрические хромосомы.
Группа С (6-12, X) - метацентрические и субметацентрические хромосомы среднего размера. Х-хромосому относят к самым крупным хромосомам в этой группе.
Группа D (13-15) - акроцентрические хромосомы среднего размера со спутниками.
Группа Е (16-18) - относительно небольшие метацентрические и субметацентрические хромосомы.
Группа F (19-20) - маленькие метацентрические хромосомы.
Группа G (21-22, Y) - маленькие акроцентрические хромосомы со спутниками. Y-хромосома не имеет спутников.

Каждая хромосома состоит из непрерывного ряда полос, которые размещаются по длине плеч хромосом в строго ограниченных районах (участках). Хромосомные районы специфичны для каждой хромосомы и имеют существенное значение для их идентификации. Полосы и районы нумеруют в направлении от центромеры к теломере по длине каждого плеча. Районы - участки хромосомы, расположенные между двумя соседними полосами. Для обозначения коротких и длинных плеч хромосом используют следующие символы: р - короткое плечо и q - длинное плечо. Центромера (сеп) обозначена символом 10, часть центромеры, прилежащая к короткому плечу, - р10, к длинному плечу - q10. Район, ближайший к центромере, обозначают цифрой 1, следующий район - цифрой 2 и т. д.

Для обозначения хромосом используют четырехзначную символику:
1-й символ - номер хромосомы;
2-й символ (р или q) - плечо хромосомы;
3-й символ - номер района (участка);
4-й символ - номер полосы в пределах этого района.

Например, запись 1р31 указывает на хромосому 1, ее короткое плечо, район 3, полосу 1. Если полоса подразделяется на субполосы, после обозначения полосы ставят точку, затем пишут номер каждой субполосы. Субполосы, так же как и полосы, нумеруют в направлении от центромеры к теломере. Например, в полосе 1р31 выделяют три субполосы: 1р31.1, 1р31.2 и 1р31.3, из которых субполоса 1р31.1 проксимальна по отношению к центромере, а субполоса 1р31.3 - дистальна. Если субполосы подразделяют дополнительно на части, их нумеруют цифрами без пунктуации. Например, субполоса 1р31.1 делится на 1р31.11,1р31.12 и т. д.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ НОРМАЛЬНОГО И АНОМАЛЬНОГО КАРИОТИПА
В описании кариотипа первым пунктом указывают общее количество хромосом, включая половые хромосомы. Первое число отделяют от остальной части записи запятой, затем записывают половые хромосомы. Аутосомы обозначают только в случае аномалий.

Нормальный человеческий кариотип выглядит следующим образом:
46,XX - нормальный кариотип женщины;
46,XY - нормальный кариотип мужчины.

При хромосомных аномалиях первыми записывают аномалии половых хромо-сом, затем аномалии аутосом в порядке возрастания номеров и независимо от типа аномалии. Каждую аномалию отделяют запятой. Для описания структурно перестроенных хромосом используют буквенные обозначения. Хромосому, вовлеченную в перестройку, записывают в круглых скобках после символа, обозначающего тип перестройки, например: inv(2), del(4), r(18). Если в перестройке участвуют две или более хромосом, между обозначениями номера каждой из них ставят точку с запятой (;).

Знаки (+) или (-) ставят перед хромосомой для обозначения аномалии с указанием дополнительной или отсутствующей хромосомы (нормальной или аномальной), например: +21,-7,+der(2). Их также используют для обозначения уменьшения или увеличения длины плеча хромосомы после символа (р или q); с этой целью указанные выше знаки можно применять только в тексте, но не в описании кариотипа, например: 4р+, 5q-. При описании размеров гетерохроматиновых сегментов, спутников и спутнич- ных нитей знак (+) (увеличение) или (-) (уменьшение) ставят непосредственно за обозначением соответствующего символа, например: 16qh+, 21ps+, 22pstk+. Знак умножения (х) используют для описания множественных копий перестроенных хромосом, но его нельзя использовать для описания множественных копий нормальных хромосом, например: 46,XX,del(6)(q13q23)х2. Для указания альтернативных интерпретаций аномалий используют символ (оr), например: 46,XX,del(8)(q21.1) or i(8)(p10).

Кариотипы разных клонов разделяют косой чертой (/). Квадратные скобки ставят после описания кариотипа, для обозначения абсолютного количества клеток в данном клоне. Для того чтобы указать причину возникновения разных клонов, используют символы mos (мозаицизм - клеточные линии произошли из одной зиготы) и chi (химера - клеточные линии произошли из разных зигот), которые приводят перед описанием кариотипа. При перечислении кариотипов нормальный диплоидный клон всегда указывают последним, например: mos47,XY,+21/46,XY; mos47,XXY/46,XY.

Если есть несколько аномальных клонов, запись проводят в порядке увеличе¬ния их размера: первый - наиболее часто встречаемый, затем по нисходящей. Самым последним указывают нормальный клон, например: mos45,X/47,XXX /46,ХХ. Аналогичную запись используют и в кариотипе, имеющем два нормальных клона, например: chi46,XX/46,XY. Если в кариотипе присутствуют два аномальных клона, один из которых имеет числовую аномалию, а другой - структурную перестройку, то клон с числовой аномалией записывают первым. Например: 45,X/46,X,i(X)(q10).

Когда оба клона имеют числовые аномалии, сначала записывают клон, имеющий аутосому с меньшим порядковым номером, например: 47,ХХ,+8/47,ХХ,+21; клон с аномалиями половых хромосом всегда ставят первым, например: 47,ХХХ/47,ХХ,+21 .

Тот факт, что кариотип является гаплоидным или полиплоидным, будет очеви-ден из числа хромосом и дальнейших обозначений, например: 69,XXY. Все измененные хромосомы должны быть обозначены относительно соответствующего уровня плоидности, например: 70,XXY,+21.

Материнское или отцовское происхождение аномальной хромосомы обозначают символами mat и pat соответственно после описываемой аномалии, например: 46,XX,t(5;6)(q34;q23)mat,inv(14)(q12q31)pat; 46,XX,t(5;6)(q34;q23)mat,inv(14) (q12q31)mat. Если известно, что хромосомы родителей нормальны по сравнению с данной аномалией, ее рассматривают как вновь возникшую и обозначают символом denovo (dn), например: 46,XY,t(5;6)(q34;q23)mat,inv (14)(q12q31)dn.

Описание численных аномалий хромосом:
Знак (+) или (-) ставят для обозначения потери или приобретения дополни-тельной хромосомы при описании численных аномалий.
47,XX,+21 - кариотип с трисомией 21.
48,XX,+13,+21 - кариотип с трисомией 13 и трисомией 21.
45,XX,-22 - кариотип с моносомией 22.
46,XX,+8,-21 - кариотип с трисомией 8 и моносомией 21.
Исключением из этого правила являются конституциональные аномалии поло-вых хромосом, которые записывают без использования знаков (+) и (-).
45,X - кариотип с одной Х-хромосомой (синдром Шерешевского-Тернера).
47,XXY - кариотип с двумя Х-хромосомами и одной Y-хромосомой (синдром Клайнфельтера).
47,XXX - кариотип с тремя Х-хромосомами.
47,XYY - кариотип с одной Х-хромосомой и двумя Y-хромосомами.
48,XXXY - кариотип с тремя Х-хромосомами и одной Y-хромосомой.

Описание структурных аномалий хромосом
В описании структурных перестроек используют как краткую, так и детальную системы записи. При использовании краткой системы указывают только тип хромосомной перестройки и точки разрыва. Записывают тип хромосомной аномалии, хромосому, вовлеченную в данную аномалию, и в круглых скобках - точки разры-ва. Краткая система не дает возможности однозначного описания сложных хромосомных перестроек, которые иногда выявляют при анализе кариотипов опухолей.

Краткая система обозначения структурных перестроек
Если в перестройку, возникшую в результате двух разрывов, произошедших в одной хромосоме, вовлечены оба плеча, точку разрыва в коротком плече записыва¬ют перед точкой разрыва в длинном плече: 46,XX,inv(2)(p21q31). Когда две точки разрыва находятся в одном плече хромосомы, первой указывают проксимальную к центромере точку разрыва: 46,XX,inv(2)(p13p23). В случае, когда в перестройку вовлечены две хромосомы, первой указывают либо хромосому с меньшим поряд-ковым номером, либо половую хромосому: 46,XY,t(12;16)(q13;p11.1); 46,X,t(X;18) (p11.11;q11.11).

Исключением из правила являются перестройки с тремя точками разрыва, когда фрагмент одной хромосомы вставляется в район другой хромосомы. При этом хромосому-реципиента записывают первой, а хромосому-донора последней, даже если это половая хромосома или хромосома с меньшим порядковым номером: 46,X,ins(5;X)(p14;q21q25); 46,XY,ins(5;2)(p14;q22q32). Если перестройка затрагивает одну хромосому, первыми указывают точки разрыва в сегменте, где образовалась вставка. В случае прямой инсерции первой записывают проксимальную к центромере точку разрыва вставленного фрагмента, а затем - дистальную точку разрыва. При инвертированной вставке - наоборот.

Для обозначения транслокаций, в которые вовлечены три разные хромосомы, на первом месте указывают половую хромосому или хромосому с меньшим поряд¬ковым номером, затем хромосому, получившую фрагмент от первой хромосомы, и, наконец, хромосому, отдавшую фрагмент первой хромосоме. 46,XX,t(9;22;17) (q34;q11.2;q22) - фрагмент хромосомы 9, соответствующий дистальному району 9q34, перенесен на хромосому 22, в сегмент 22q11.2, фрагмент хромосомы 22, соответствующий дистальному району 22q11.2, перенесен на хромосому 17, в сегмент 17q22, а фрагмент хромосомы 17, соответствующий дистальному району 17q22, перенесен на хромосому 9, в сегмент 9q34.

Детальная система обозначения структурных перестроек. В соответствии с детальной системой обозначений структурные перестройки хромосом определяют по составу полос в них. Все обозначения, употребляемые в краткой системе, сохраняются и в детальной системе. Однако в детальной системе приводят подробное описание состава полос в перестроенных хромосомах с примене¬нием дополнительных символов. Двоеточие (:) обозначает точку разрыва, а двойное двоеточие (::) - разрыв с последующим воссоединением. Стрелкой (->) указывается направление переноса фрагментов хромосомы. Концы плеч хромосом обозначают символом ter (терминальный), pter или qter означают конец короткого или длинного плеча соответственно. Символ сеп используют для обозначения центромеры.

Типы хромосомных перестроек
Дополнительный материал неизвестного происхождения. Символ add (от лат. additio - прибавление) используют для указания на допол-нительный материал неизвестного происхождения, присоединившийся к хромосомному району или полосе. Дополнительный материал, присоединившийся к терминальному участку, будет вызывать увеличение длины плеча хромосомы. При описании хромосом с дополнительным материалом неизвестного проис-хождения в обоих плечах перед номером хромосомы ставят символ der. Если неизвестный дополнительный материал вставлен в плечо хромосомы, для описания используют символы ins и (?).

Делеции. Символ del используют для обозначения терминальных (концевых) и интерстициальных делеций:
46,XX,del(5)(q13)
46,XX,del (5) (pter->q13:)
Знак (:) означает, что разрыв произошел в полосе 5q13, в результате хромосома 5 состоит из короткого плеча и части длинного плеча, заключенной между центро-мерой и сегментом 5q13.
46,XX,del(5)(q13q33)
46,XX,del(5)(pter->q13::q33->qter)
Знак (::) означает разрыв и воссоединение полос 5ql3 и 5q33 длинного плеча хромосомы 5. Сегмент хромосомы между этими полосами делетирован.

Производные, или дериватные, хромосомы (der) - это хромосомы, возникшие в результате перестроек, затрагивающих две и более хромосом, а также в результате множественных перестроек внутри одной хромосомы. Номер производной хромосомы соответствует номеру интактной хромосомы, имеющей ту же центромеру, что и хромосома-дериват:
46,XY,der(9)del(9)(p12)del(9)(q31)
46,XY,der(9) (:р12->q31:)
Дериватная хромосома 9 является результатом двух терминальных делеций, произошедших в коротком и длинном плечах, с точками разрыва в полосах 9р12 и 9q31 соответственно.
46,XX,der (5)add(5)(p15.1)del(5)(q13)
46,XX,der(5)(?::p15.1-»q13:)
Дериватная хромосома 5 с дополнительным материалом неизвестного происхождения, присоединенным к полосе 5р15.1, и терминальной делецией длинного плеча дистальнее полосы 5q13.

Дицентрические хромосомы. Символ die используют для описания дицентрических хромосом. Дицентрическая хромосома заменяет одну или две нормальные хромосомы. Таким образом, нет необходимости указывать недостающие нормальные хромосомы.
45,XX,dic(13;13)(q14;q32)
45,XX,dic(13;13)(13pter->13ql4::13q32-»13pter)
Разрыв и воссоединение произошли в полосах 13ql4 и 13q32 на двух гомологичных хромосомах 13, в результате чего образовалась дицентрическая хромосома.

Дупликации. Дупликации обозначают символом dup; они могут быть прямыми и инвертированными.
46,XX,dup(1)(q22q25)
46,XX,dup(1)(pter->q25::q22->qter)
Прямая дупликация сегмента между полосами lq22 и lq25.
46,XY,dup(1)(q25q22)
46,XY,dup(1) (pter->q25::q25->q22::q25->qter) или (pter->q22::q25-»q22::q22->qter)
Инвертированная дупликация сегмента между полосами lq22 и lq25. Необходимо отметить, что только детальная система дает возможность описать инвертированную дупликацию.

Инверсии. Символ inv используют для описания пара- и перицентрических инверсий.
46,XX,inv(3)(q21q26.2)
46,XX,inv(3)(pter->q21::q26.2->q21::q26.2->qter)
Парацентрическая инверсия, при которой разрыв и воссоединение произошли в полосах 3q21 и 3q26.2 длинного плеча хромосомы 3.
46,XY,inv(3)(p13q21)
46,XY,inv(3)(pter-»pl3::q21->p13::q21->qter)
Перицентрическая инверсия, при которой разрыв и воссоединение произошли между полосой 3р13 короткого плеча и полосой 3q21 длинного плеча хромосомы 3. Участок между этими полосами, включающий центромеру, перевернут на 180°.

Инсерции. Символ ins используют для обозначения прямой или инвертированной инсерции. Прямой считают такую инсерцию, при которой проксимальный конец района вставки оказывается в проксимальном положении относительно второго ее конца. При инвертированной инсерции проксимальный конец района вставки оказывается в дистальном положении. Тип инсерции (прямая или инвертированная) также может быть отражен символами dir и inv соответственно.
46,XX,ins(2)(pl3q21q31)
46,XX,ins(2)(pter->p13::q31->q21::pl3-»q21::q31-qter)
Прямая инсерция, т. е. dir ins(2) (p13q21q31), произошла между сегментами 2q21 и 2q31 длинного плеча и сегментом 2р13 короткого плеча хромосомы 2. Участок хромосомы длинного плеча между сегментами 2q21 и 2q31 вставлен в короткое плечо в районе сегмента 2р13. В новом положении сегмент 2q21 остается ближе к центромере, чем сегмент 2q31.
46,XY,ins(2) (pl3q31q21)
46,XY,ins(2)(pterH>pl3::q21->q31::pl3->q21::q31-»qter)
В данном случае вставленный участок инвертирован, т. е. inv ins(2)(p13q31q21). Во вставке сегмент 2q21 отстоит от центромеры дальше, чем сегмент 2q31. Таким образом, изменилось расположение сегментов по отношению к центромере.

Изохромосомы. Символ i используют при описании изохромосом, которые представляют собой хромосомы, состоящие из двух идентичных плеч. Точки разрыва в изохромосомах локализованы в центромерных районах р10 и q10.
46,XX,i(17)(q10)
46,XX,i(17)(qter-»q10::q10 ->qter)
Изохромосома по длинному плечу хромосомы 17 и точка разрыва обозначены в районе 17q10. В кариотипе одна нормальная хромосома и одна перестроенная хромосома 17.
46,X,i(X)(q10)
46,X,i(X) (qter-»q10::q10->qter)
Одна нормальная Х-хромосома и Х-изохромосома по длинному плечу.

Ломкие участки (fragile sites, сокращенно fra) могут проявляться как нормальный полиморфизм, а могут быть связаны с наследственными заболеваниями или аномалиями фенотипа.
46,X,fra(X)(q27.3)
Ломкий участок в субполосе Xq27.3 одной из Х-хромосом в женском кариотипе.
46,Y,fra(X)(q27.3)
Ломкий участок в субполосе Xq27.3 Х-хромосомы в мужском кариотипе.

Маркерная хромосома (таг) - это структурно измененная хромосома, ни одна часть которой не может быть идентифицирована. Если какая-нибудь из частей аномальной хромосомы идентифицирована, ее описывают как производную хромосому (der). При описании кариотипа перед символом mar ставят знак (+).
47,XX,+mar
Одна дополнительная маркерная хромосома.
48,X,t(X;18)(p11.2;q11.2)+2mar
Две маркерные хромосомы в дополнение к транслокации t(X;18).

Кольцевые хромосомы обозначают символом г, они могут состоять из одной или нескольких хромосом.
46,XX,r(7)(p22q36)
46,XX,r(7) (::р22->q36::)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 7р22 и 7q36 с потерей участков хромосомы, расположенных дистальнее этих точек разрыва.
Если центромера кольцевой хромосомы неизвестна, но известны сегменты хромосом, содержащихся в кольце, кольцевые хромосомы определяются как производные (der).
46,XX,der(1)r(1;3)(p36.1q23;q21q27)
46,XX,der(1)(::lp36.1->1q23::3q21->3q27::)

Транслокации. Реципрокные транслокации
Для описания транслокаций (t) используют те же принципы и правила, что и для описания других хромосомных перестроек. Для того чтобы отличить гомологичные хромосомы, один из гомологов может быть подчеркнут одинарным подчеркиванием (_).
46,XY,t(2;5)(q21;q31)
46,XY,t(2;5)(2pter2q21::5q31-> 5qter;5pter 5q31::2q21->2qter)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 2q21 и 5q31. Хромосомы обме-нялись участками, дистальными по отношению к этим сегментам. Первой указывают хромосому с меньшим порядковым номером.
46,X,t(X;13)(q27;ql2)
46,X,t(X;13)(Xpter->Xq27::13ql2->13qter;13pter->3q 12::Xq27->Xqter)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах Xq27 и 13q12. Сегменты, дистальные по отношению к этим участкам, поменялись местами. Поскольку в транслокации участвует половая хромосома, ее записывают первой. Отметим, что правильная запись следующая - 46,X,t(X;13), а не 46,XX,t(X;13).
46,t(X;Y) (q22;q1, 1.2)
46,t(X;Y)(Xpter->Xq22::Yq11.2->Yqter;Ypter->Yq11.2::Xq22->Xqter)
Реципрокная транслокация между X- и Y-хромосомами с точками разрыва Xq22 и Yq11.2.
Транслокации с вовлечением в них целых хромосомных плеч могут быть записаны с указанием точек разрыва в центромерных районах р10 и q10. При сбалансированных транслокациях точку разрыва в половой хромосоме или в хромосоме с меньшим порядковым номером обозначают р10.
46,XY,t(4;3)(p10;q10)
46,XY,t(1;3)(lpteMlpl0::3ql0->3qter;3pter->3p40::4q40->4qter)
Реципрокная транслокация целых хромосомных плеч, при которой короткие плечи хромосомы 1 присоединились к центромере с длинными плечами хромосомы 3, а длинные плечи хромосомы 1 присоединились к коротким плечам хромосомы 3.
При несбалансированных транслокациях целых хромосомных плеч перестроен-ная хромосома обозначается как производная (der) и замещает две нормальные хромосомы.
45,XX,der(1;3) (p10;q10)
45,XX,der(1;3)(1pter->1p10::3q10->3qter)

Производная хромосома, состоящая из короткого плеча хромосомы 1 и длинного плеча хромосомы 3. Недостающие хромосомы 1 и 3 не обозначены, так как они заменены производной хромосомой. Кариотип, таким образом, содержит одну нормальную хромосому 1, одну нормальную хромосому 3 и производную хромосому der(l;3).

Робертсоновские транслокации
Это особый тип транслокаций, возникающих в результате центрического слияния длинных плеч акроцентрических хромосом 13-15 и 21-22 с одновременной потерей коротких плеч этих хромосом. Принципы описания несбалансированных транслокаций, затрагивающих целые плечи, применимы и для описания робертсоновских транслокаций с использованием символа (der). Символ rob также может быть использован при описании этих транслокаций, но его нельзя применять в описании приобретенных аномалий. Точки разрывов хромосом, участвующих в транслокации, указывают в районах q10.
45,XX,der(13;21) (q10;q10)
45,XX,rob(13;21) (q10;q10)

Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 13q10 и 21q10 центромерных районов хромосом 13 и 21. Производная хромосома заменила одну хромосому 13 и одну хромосому 21. Нет необходимости указывать недостающие хромосомы. Кариотип содержит одну нормальную хромосому 13, одну нормальную хромосому 21 и der (13;21). Дисбаланс возникает за счет потери коротких плеч хромосом 13 и 21.