Для Y-хромосомы характерны специфические черты, резко отличающие ее от других хромосом человека: 1) обедненность генами;
) обогащенность повторяющимися блоками нуклеотидов. Присутствие значительных гетерохроматиновых районов;
) наличие области гомологии с Х-хромосомой - псевдоаутосомальной области (PAR) (Черных, Курило, 2001).хромосома, как правило, не велика - 2-3% гаплоидного генома. Тем не менее, кодирующей способности ее ДНК у Homo sapiens достаточно по крайней мере для нескольких тысяч генов. Однако у этого объекта в Y-хромосоме выявляется всего около 40 обогащенных ГЦ-парами так называемых ЦрГ-островков, обычно фланкирующих большинство генов. Реальный же список генетических функций, связанных с этой хромосомой, вдвое меньше. Фенотипическое влияние этой хромосомы у мышей ограничено весом тестисов, уровнем тестостерона, серологического HY-антигена, чувствительностью органов к андрогенам и сексуальным поведением. Большая часть генов этой хромосомы имеет X-хромосомные аналоги. Большинство Y-хромосомных последовательностей гомологичны ДНК Х-хромосомы или аутосом и лишь часть из них строго уникальна.
Наличие псевдоаутосомальных областей, обеспечивающих мейотическое спаривание и рекомбинацию, обычно рассматривается как необходимое условие фертильности. Интересно, что размер участка мейотического спаривания существенно длиннее PAR. У человека имеются два псевдоаутосомальных района на вершине короткого и длинного плеч Х-хромосомы. Однако, только для первого из них установлены облигатный обмен в мейозе, наличие хиазм, влияние на фертильность.
Таким образом, Y-хромосома, единственная в
геноме млекопитающих, не работает непосредственно на реализацию фенотипа. Ее
генетическая значимость связана с преемственностью между поколениями, в
частности с контролем гаметогенеза, первичной детерминацией пола. Жесткий отбор
действует только на немногие ее гены, остальная ДНК более пластична.
5. Эволюция хромосом млекопитающих
Эволюция хромосом осуществляется путем разрыва и последующего объединения хромосомных фрагментов. Для нормального функционирования клетки, прохождения клеточных делений на концах хромосом должны находиться теломерные участки ДНК. Сравнение позиций теломер у разных видов млекопитающих показало, что позиции теломер чрезвычайно консервативны. Так, 70% позиций всех теломер, включенных в анализ, консервативны как минимум у двух видов, а 34 % теломер у мыши и крысы совпадают только у этих двух видов и не представлены у других животных. С другой стороны, более длительный эволюционный период, разделяющий собаку и кошку, является причиной того, что менее 5% теломер сохраняют одинаковые позиции только у этих двух видов. Однако около 50% всех теломер у хищных и парнокопытных совпадают с позициями теломер у представителей других отрядов. Данные литературы показывают, что случаи объединения хромосом путем слияния двух предковых теломер чрезвычайно редки. Так, единственным случаем подобного объединения у человека является формирование HSA2 путем теломерного слияния двух предковых хромосом приматов, соответствующих хромосомам 12 и 13 у шимпанзе. В противоположность теломерам центромеры оказались динамично меняющимися структурами даже в пределах одного отряда. 39 % всех центромер уникальны для одного вида млекопитающих. Таким образом, теломеры хромосом оказались чрезвычайно консервативными формированиями по сравнению с позициями центромер, которые эволюционируют чрезвычайно динамично.
Позиции предковых центромер использовались многократно и независимо при возникновении хромосомных перестроек в разных геномах. При этом новые центромеры формировались либо в местах обрыва старой, либо разрыв происходил не по центромере, а сразу после нее и тогда предковая центромера сохранялась на конце одного из вновь образовавшихся фрагментов.
Цитогенетический анализ хромосомной эволюции показал, что дивергенция кариотипов животных происходит в основном за счет пара- и перицентрических инверсий, изменяющих порядок генов в группах сцепления. Например, геномы таких далеких видов, как человек, мышь, дрозофила, малярийный комар, различаются прежде всего изменением порядка генов в группах сцепления, а не числом и спектром генов.
Одной из интереснейших проблем современной геномики млекопитающих является вопрос о том, насколько случайны места хромосомных разрывов, происходящих в эволюции хромосом млекопитающих. Начиная с 1984 г. общепризнанной считалась гипотеза, выдвинутая Нодье и Тэйлором, о том, что разрывы в хромосомах располагаются случайным образом. Подобное положение вещей сохранялось до 2002 г., когда был полностью расшифрован второй геном млекопитающих - геном мыши. Было проведено полное сравнение геномов двух млекопитающих - человека и мыши и была поставлена под сомнение теория случайности положения хромосомных разрывов. Певзнер и Теслер объяснили полученный феномен присутствием в хромосомах млекопитающих «ломких» мест (fragile sites), которые могут многократно вовлекаться в негомологичные хромосомные обмены и формирование новых хромосом в ходе эволюции. При этом, каждый раз повторяясь, хромосомный разрыв происходит в одном и том же районе хромосомы, но не обязательно после одного и того же нуклеотида.
Геномные карты 7 видов млекопитающих, представляющих 5 отрядов плацентарных млекопитающих, были выбраны для сравнительного исследования геномов. Три из этих геномов, а именно: геномы человека, мыши и крысы - были полностью расшифрованы и могли быть проанализированы с наибольшей степенью разрешения. При анализе использовали эволюционные взаимоотношения видов млекопитающих. Так, корова и свинья - представители одного отряда Cetartiodactyla - дивергировали около 60 млн лет назад, кошка и собака - представители отряда Carnivora - разделились около 55 млн лет назад. Отряды Cetartiodactyla и Carnivora вместе с отрядом Perissodactyla формируют надотряд Ferungulata, разделившийся на 3 отряда около 85 млн лет на зад. Согласно этому эволюционному дереву, хромосомная перестройка, которая отличает только один вид млекопитающих от всех других видов, произошла после отделения этого вида от общего предка с другим самым близким в эволюционном плане видом и может считаться видоспецифичной. Например, хромосомная перестройка, обнаруженная в геноме коровы, но не найденная в геноме свиньи, произошла после разделения Suidae и Bovidae. С другой стороны, перестройка, обнаруженная у всех представителей одного и того же отряда, произошла до их разделения и может быть классифицирована как отрядоспецифичная. Таким образом, могут быть классифицированы хромосомные перестройки, обнаруженные у всех представителей отрядов, объединенных недавним общим предком. Такие перестройки были классифицированы как надотрядные. Вместе с тем был обнаружен класс видо- и отрядоспецифичных хромосомных разрывов, которые были представлены у двух и более видов млекопитающих из разных групп, которые не имели недавнего общего предка.
Кариотипы разных видов в пределах одного отряда перестраиваются с разной скоростью. Так, геномы коровы и собаки перестроены значительно сильнее, чем геномы свиньи и кошки. В то же время геном мышевидных грызунов содержит в 15 раз больше хромосомных перестроек, чем геномы остальных млекопитающих. Причем 150 из этих разрывов отрядоспецифичны, и только 30-35 были найдены в одном из геномов и не найдены во втором. Геном человека содержит умеренное количество хромосомных разрывов, показывая его близость к предковому геному плацентарных млекопитающих. До 20% эволюционных хромосомных разрывов происходит независимо в одних и тех же районах предковых хромосом млекопитающих.
Анализ скорости эволюции хромосом млекопитающих
показал увеличение скорости хромосомных перестроек в геномах млекопитающих
около 65 млн лет назад. Этот период совпадает с вымиранием динозавров. Можно
предположить, что для освоения новых экологических ниш, прежде занятых
рептилиями, млекопитающие адаптировали геномы, и, по-видимому, эта адаптация
связана с реорганизацией хромосом. С одной стороны, дупликации генов приводили
к формированию новых функциональных генов. С другой стороны, хромосомные
перестройки могли служить средством изоляции недавно разошедшихся видов и в
конечном итоге закрепляли результаты видообразования. Таким образом, ряд
хромосомных перестроек мог иметь адаптационное значение для приспосабливания
генома к новым условиям среды обитания, в то время как другие перестройки могли
быть функционально нейтральными, но при этом способствовать закреплению
изоляции нового вида животных.
6. Номенклатура хромосом человека
Согласно последней номенклатуре такие морфологические признаки хромосомы, как теломера и центромера, специфические полосы, используются в качестве сравнительных знаков. В хромосоме выделяют короткое и длинное плечо, которые обозначаются буквами “р” и “q”, соответственно, а в каждом плече выделяют районы, которые пронумерованы последовательно от центромеры к теломере. В каждом районе хромосом полосы и сегменты нумерованы также последовательно в таком же направлении - от центромеры к теломере. Когда исследователям необходимо обозначить какой-либо участок при описании аномалии хромосом, то вначале пишут номер хромосомы, затем символ плеча (р или q), номер района и номер полосы (или сегмента) хромосомы. Например, запись - 6q 23 указывает на то, что это хромосома 6, длинное плечо, район 2, полоса (или сегмент) 3. В ряде случаев при особом способе окрашивания хромосом (высокоразрешающем методе) исследователи могут наблюдать и разделение сегмента на подсегменты, которые также необходимо указывать при описании кариотипа больного. Например, запись - 16q11.2 говорит о том, что аномалия затрагивает хромосому 16, длинное плечо, район 1, сегмент 1, подсегмент 2. Районы и сегменты на хромосомах проявляются после дифференциального окрашивания хромосом различными методами, которые также следует указывать при описании хромосомных аномалий.
Кроме того, в номенклатуре существует определенная символика для описания всех типов хромосомных аномалий. Так структурные аномалии типа делеций, дупликаций, инверсий, инсерций и транслокаций обозначаются как del, dup, inv, ins и t, соответственно. Ломкость и маркерные хромосомы в кариотипе обозначаются как fra и mar, соответственно, а кольцевая хромосома - r. При рассуждении о происхождении различных аномалий хромосом, в том числе и маркерных, применяют обозначение der (derivate - происхождение). Численные аномалии обозначаются измененным числом хромосом в кариотипе и указанием (+) или (-) той или иной присутствующей или отсутствующей хромосомы (исключением являются половые хромосомы, при количественных аномалиях которых (+) или (-) никогда не ставится). Так например, синдром Дауна в цитогенетической номенклатуре записывается как 47,ХХ,+21 (девочка) и 47,ХУ,+21 (мальчик), а синдром Клайнфельтера 47,ХХУ. Причем, отсутствие одного из гомологов хромосом или его части в кариотипе, несмотря на тип аберрации (численной или структурной), носит название моносомии (полной или частичной), а присутствие - трисомии (полной или частичной). Полиплоидии отражаются только числом хромосом. При мозаицизме обозначают каждый аномальный и нормальный клон клеток, после которого записывают число метафазных пластинок с данным кариотипом. Так например, запись кариотипа 47,ХХ,+21[60]/46,ХХ[40] говорит о том, что у девочки с мозаичной формой синдрома Дауна при анализе 100 клеток обнаружено 40 клеток с нормальным женским кариотипом и 60 клеток с регулярной трисомией по хромосоме 21.
хромосома теломераза кариотип
Литература
1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика: В 3 т. - М.: Мир, 2006 - 2007.
. Биология: В 2 кн. / В.Н. Ярыгин, В.И. Васильева, И.Н. Волков, В.В. Синельщикова. - М.: Высш. шк., 2011.
. Бочков И.П. Клиническая генетика. - М.: Изд. дом "ГЭОТАР-МЕД", 2011.
. Генетика в акушерстве и гинекологии / Дж. Симпсон, М. Голбус, Э. Мартин, Г. Сарто. - М.: Медицина, 2005.
. Льюин Б. Гены. - М.: Мир, 2007.
. Молекулярная биология клетки: В 5 т. / Б. Альберте, Д. Брей, Дж.Льюис. - М.: Мир, 1986, 2007.
. Мутовин Г. Р. Основы клинической генетики. - М.: Высш. шк., 2011.
. Наследственная патология человека: В 2 т. / Под ред. Ю.Е. Вельтищева, Н.П. Бочкова. - М.: Медицина, 2012.
. Наследственные синдромы и медико-генетическое консультирование / С.И. Козлова, Н.С. Демикова, Е. Семанова, О.Е. Блинникова. - М.: Практика, 2006.
. Пехов А.П. Биология с основами экологии. - СПб.: Лань, 2011.
. Смирнов В.Г. Цитогенетика: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2011.
. Уотсон Дж., Туз Дж., Курц Д. Рекомбинантные ДНК. - М.: Мир, 2006.
. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: В 3 т. - М.: Мир, 2009