Предмет и история развития цитогенетики

Термин «цитогенетика» предложен У.У. Сеттоном в 1903 г. Цитогенетика - это раздел генетики, который изучает клеточные основы наследственности и изменчивости, структуру и функции хромосом, их поведение и нарушения. В узком смысле это использование хромосомного анализа для изучения поведения генов. С помощью цитогенетических исследований обоснованы представления о хромосомах и несущих гены структурах наследственности и изменчивости пластид и митохондрий. Основными задачами цитогенетики является изучение:

1) информационной функции хромосом, т.к. содержащаяся в них ДНК сосредотачивает подавляющую часть различных генов, составляющих геном клетки

2) транскрипционной функции хромосом, т.к. с них осуществляется считывание генетической информации.

3) структурно-организационной функции, связанной с различными проявлениями генов при изменении структуры хромосом

4) сегрегационной функции хромосом, обеспечивающей распределение аллельных вариантов в различные споры или гаметы при мейозе

5) рекомбинационной функции хромосом, связанной с процессом кроссинговера.

На первых порах развития цитогенетики излюбленными объектами генетиков были насекомые и растения. Общая цитогенетика подразделяется на цитогенетику растений, животных и, с конца 50-х ХХ в. интенсивно развивающуюся, цитогенетику человека. Значительная часть множественных врожденных пороков развития и нарушений полового развития, умственной отсталости и отдельных форм злокачественных новообразований, эндокринных и гематологических заболеваний у человека связана в первую очередь с изменением числа или структуры хромосом. Кроме того, сведения о структурно-функциональных особенностях хромосом человека имеют и общебиологическое значение, внося неоценимый вклад в наши представления об организации и эволюции генетических структур. Поэтому современный высокоэрудированный и квалифицированный врач должен грамотно подходить к диагностике хромосомной патологии у больных, знать клинические особенности хромосомных синдромов, современные методы хромосомного анализа, методы профилактики хромосомной патологии и возможности цитогенетики в различных областях современной медицинской науки и практики.

История цитогенетики условно делится на три этапа:

Первый этап (конец ХIХ в. и первые два десятилетия ХХ в.) включает зарождение и обоснование хромосомной теории наследственности. Многие исследователи внесли вклад в развитие цитогенетики еще на этапе становления знаний о клеточных процессах. Хертвиг в 1875 г. впервые описал оплодотворение у животных и воспроизводство клеточных ядер. Ранние наблюдения хромосом человека начались с работ гистолога В. Флемминга (1982), когда он описал хроматиновые тела и обнаружил их расхождение при митозе. Сам термин «хромосома», в дословном переводе означающий «окрашивающееся тельце», впервые был введен В. Вальдейером в 1888 году. В дальнейшем было открыто, что число и форма хромосом для каждого вида растений или животных постоянны (К. Рабль. 1885: Т. Бовери, 1887), и что в соматических клетках набор хромосом двойной, а при формировании гамет набор хромосом уменьшается до одинарного и восстанавливается до двойного при оплодотворении (ван Бенден, 1883; Э. Страсбургер; О. Гертвиг, 1884; 1875, В.И Беляев, 1884 и др.). В 1903 г. Т. Бовери и У. Саттон, работавший в лаборатории Э. Уилсона, независимо друг от друга предположили, что наследственные единицы – гены должны находиться в хромосомах. Хромосомы являлись важнейшим объектом исследования выдающегося эмбриолога С.Г. Навашина (1857 – 1930 гг.). Фактически в соответствии с классификацией Навашина выделяют типы метафазных хромосом в зависимости от положения центромеры и определяемой этим положением относительной длины плеч, т.е. частей хромосомы по обе стороны от центромеры

Хромосомная теория менделеевского наследования была сформулирована в 1902 г. У. Сеттоном и Т. Бовери., хотя заслуга ее окончательной разработки к середине 20-х гг. принадлежит Т. Моргану и его сотрудникам. – А. Стертеванту, К. Бриджесу, Г. Меллеру. В 1916 г. Бриджес описал первый случай аномального распределения хромосом в мейозе у дрозофилы и назвал это явление «нерасхождением». Цитогенетические методы помогли прояснить многие закономерности мутационного процесса. В первой половине века расцвела цитогенетика животных и растений. А развитие цитогенетики человека задержалось вплоть до 50-х гг.

Второй этап развития цитогенетики (с конца второго десятилетия по 60-е гг. ХХ в.) можно характеризовать как период исследования материальных основ наследственности преимущественно на микроскопическом (световая микроскопия) и субмикроскопическом (электронная микроскопия) уровнях. В работах М.С. Навашина, Г.А. Левитского, Л.Н. Делоне и др. была доказана важность исследования морфологии митотических хромосом. М. С Навашин водит термины «амфидоплоидия» - получение гибридов с удвоенным числом хромосом и «амфипластия» – изменение морфологии хромосом в гибридной клетке (1927 г) и формулирует «дислокационную гипотезу» (1932 г.) для объяснения изменений основного числа и структуры хромосом в процессе эволюции и в эксперименте на основе транслокаций при участии центромер. Г.А. Левитский уточнил содержание термина «идиограмма» обозначив им диаграммо-схематическое изображение признаков хромосом, учитывая их количественные параметры – длину, относительные размеры плеч, вторичные перетяжки. Термин «кариотип» был введен для описания хромосомных наборов (число, форма, размеры) почти одновременно Л.Н. Делоне (1922 г.) и Г.А. Левитским (1924 г.), но последний предложил распространять его в общем, а ни к конкретной таксономи- Рис. 3. Индивидуальные наборы хромосом. (8)

ческой единице: особь, вид, род и т.д. Именно в этом виде термин получил широкое распространение при описании хромосомного набора отдельных клеток (см. рис. 3). В 1912 году Винивортер при исследовании семенников человека обнаружил 47 хромосом в метафазах сперматогоний, 23 аутосомные пары и непарную Х-хромосому. Он предположил, что женский пол характеризуется кариотипом XX (48 хромосом), а мужской - Х0 (47 хромосом). В 1923 году английский исследователь Т. Пайнтер установил, что диплоидное число хромосом у человека для обоих полов равно 48, а система половых хромосом у женщин представлена хромосомами XX и XY у мужчин. В 30-х годах между сторонниками этих двух точек зрения разгорелась жесткая дискуссия. Следует отметить, что в этот период способы получения препаратов хромосом были еще далеки от идеала, и поэтому ошибочное представление о количестве хромосом у человека держалось достаточно долго. Исследования П.И Живаго и А.Г Андерса (1932 г.) установили наличие у мужчин гетероморфной пары хромосом ХУ, а у женщин – две Х-хромосомы. С 30-х гг. ХХ в. интенсивно изучается морфология и функция так называемых гетерохроматиновых и других специализированных районов хромосом (кинетохора, ядрышкового организатора). Бурное развитие цитогенетики человека в

середине 50-х гг. связано с применением

метода гипотонии (1952 г.), Рис. 4. Кариотип человека (8)

обеспечивающего разброс хромосом, широкое распространение метода культуры тканей млекопитающих (1935 г), применение предварительного колхицирования и методики высушенных препаратов хромосом. сменивших метод давленных препаратов. Используя эти важные методические приемы, в 1956 году шведские ученые Тио и Леван при изучении культур фибробластов легкого эмбрионов человека, а вскоре и англичане Форд и Хамертон при изучении сперматоцитов тестикулярной ткани установили, что диплоидное число хромосом человека равно 46 (см. рис. 4).

Третий этап в истории цитогенетики, начавшийся с конца 60-х гг. ХХ в., можно назвать молекулярно-генетическим. Полученные сведения обобщаются в сопоставлении с данными, полученными ранее. Н.К. Кольцов еще в 1927-1928 гг. предложил гипотезу молекулярного строения и репродукции хромосом. В 1956 -1959 гг. зародилась цитогенетика человека. С 1959 года начинается «трисомная эра» развития цитогенетики, когда Лежен с соавторами опубликовали первые результаты изучения фибробластов кожи от девяти детей с болезнью Дауна. Во всех клетках была обнаружена трисомия по 21 хромосоме. Еще в 1949 г. Барр и Бертрам открыли «Х-половой хроматин» - плотное овальное образование, которое обычно локализуется на периферии интерфазного ядра у самок млекопитающих, но отсутствует у самцов; и является как установили позднее одной из пары, случайно инактивированной Х-хромосом. Гомологичные структуры, «барабанные палочки» (drumsticks), были обнаружены Девидсоном и Смитом (1954 г.) в ядрах полиморфных лейкоцитов. Оказалось, что большинство больных с синдромом Клайнфельтера, несмотря на преобладание в фенотипе мужских черт, имеют половой хроматин, а большинство больных с синдромом Тернера являются хроматин-отрицательными., что не согласуется с их женским фенотипом. Эти данные указывали на аномалии по Х-хромосоме (см. рис. 5). В 1959 г. Форд с сотрудниками, а также Стронг и Джекобе сообщили о цитогенетических находках и идентифицировали Рис. 5. Половой хроматин. (8)

кариотипы при синдромах Шерешевского-Тернера и Клайнфельтера соответственно. В 1960 году Патау с соавторами и Эдвардс с соавторами описали две новые аутосомные трисомии, идентифицированные позднее как трисомии хромосом 13 и 18, а Хангерфорд и Ноуэлл описали «филадельфийскую» хромосому при хроническом миелолейкозе, которая явилась исторически первой специфической хромосомной мутацией, обнаруженной при определенном типе рака. Эта хромосома была названа филадельфийской по названию города, где она была впервые описана. Существенную роль в прогрессе цитогенетики человека сыграла новая методика получения метафазных хромосом из культуры лейкоцитов периферической крови in vitro. В 1959-1960 гг. Ноуэлл, Хангерфорд и Мурхед с сотрудниками разработали метод приготовления препаратов метафазных хромосом из кратковременной культуры ФГА - стимулированных лимфоцитов человека, позволивший существенно упростить получение качественных препаратов для цитогенетического исследования. В 1963 году Лежен с соавторами описали первый синдром, связанный с хромосомной делецией - синдром «кошачьего крика». В 1964-1965 гг. Шредер с соавторами и Джерман с соавторами описали первую генетически детерминированную хромосомную нестабильность при анемии Фанкони и синдроме Блюма, Джекобс с сотрудниками предположили связь между кариотипом ХУУ с криминальной психопатией. «Трисомная эра» в развитии цитогенетики человека закончилась в 1969 году, когда Касперсоном была открыта дифференциальная окраска хромосом Это позволило идентифицировать каждую хромосому человека, в результате чего разрешающая способность цитологических методов повысилась.

Вскоре и биохимические, и цитогенетические методы стали вместе использоваться в генетике соматических клеток. Разработка Г. Харрисоном и Эфрусси методов гибридизации клеток человека с мышиным клетками позволила установить локализацию многих генов и построить хромосомные карты человека (см. рис. 6). В это время цитогенетика сформировалась не только как теоретическая дисциплина, но и как важная область практической медицины, представляющая существенный интерес для врачей различных специальностей и других специалистов. Развитие генетики соматических клеток привело к появлению в конце 60-х гг. пренатальной диагностики, основанной на амниоцентезе во второй

трети беременности. В начале 80-х гг. разработана и широко применяется биопсия ворсинок хориона, которую можно проводить уже в первой трети беременности. Быстро развивающийся ультразвуковой метод, часто используемый в последнее время, позволяет проводить фенотипическое обследование плода. Благодаря работам отечественного цитогенетика А.Ф. Захарова и сотрудников его лаборатории появилась возможность изучения репродукции хромосом и сестринских хроматидных обменов (СХО) с помощью бромированных предшественников ДНК. Большой вклад в изучение проблем мутагенеза и разработки новых подходов к исследованию закономерностей мутационного процесса у человека внес Н.П. Бочков. Изучение мутагенного действия химических и радиационных агентов на хромосомы человека стало обязательным компонентом тест-систем, используемым для проверки влияния факторов внешней среды на мутагенность.

Рис. 6. Генная карта хромосом человека. (8)

В 1960 г. была предложена Денверская классификация хромосом, которая помимо размеров хромосом учитывает их форму и морфологию. В основе Парижской классификации хромосом человека (1971 г) лежат методы специальной дифференциальной их окраски, при которой в каждой хромосоме выявляются характерные только для нее чередования поперечных светлых и темных сегментов. Число методов с помощью которых выявляется сегментация хромосом можно подразделить на 6 основных классов: Q-, G-, R-, T-, C-, С-окраски и окраски по Фельгану. Позднее были разработаны методики дифференциального переваривания хромосом энзимами, а также флуоресцентная гибридизация in situ (FISH). Это позволило существенно улучшить диагностику тонких хромосомных нарушений и идентифицировать ряд новых синдромов, связанных с микроструктурными перестройками отдельных участков хромосом. Применение метода гибридизации нуклеиновых кислот in situ непосредственно на цитологических препаратах митотических хромосом позволило успешно картировать большое число нормальных и мутантных генов человека, разработать новые методические подходы к диагностике хромосомных болезней.