РЕПРОДУКЦИЯ ХРОМОСОМ

Основные закономерности Репродукции хромосом выяснены путем изучения распределения меченых нуклеозидов в метафазных хромосомах. После включения 3Н-тимидина или 5-бромдезоксиуридина в ДНК на всем протяжении S-периода (периода синтеза ДНК) все хромосомы набора в первой метафазе (см. Митоз) выглядят мечеными равномерно по длине. При отсутствии меченого предшественника ДНК в S-периоде второго деления в его метафазе метка обнаруживается только в одной из двух сестринских хроматид каждой хромосомы (рис. 1). Такое распределение метки в первом и втором делениях, открытое в 1957 г. Тейлором (J. H. Taylor), явилось доказательством полукон-сервативного характера репликации хромосомной ДНК и позволило сформулировать важные положения о субмикроскопической структуре хромосомы. Распределение метки в так наз. диплохромосомах (не разошедшихся в митозе в дочерние клетки двух хромосомах, каждая из к-рых редуплицировалась в последующем клеточном цикле) показало, что при матричной Р. х. имеется постоянная пространственная ориентация матричных субъединиц хрохмосомы — новая субъединица всегда строится снаружи от старой.

Разная маркировка сестринских хроматид 3Н-тимидином или 5-бромдезоксиуридином во втором цикле деления после включения метки привела к открытию полных обменов хромосомным материалом между сестринскими хроматидами в идентичных точках по длине хроматид (так наз. сестринские хроматидные обмены). Исследования сестринских хроматидных обменов особенно интенсивно начали проводиться с 70-х гг. 20 в., после того как в качестве метки стали использовать 5-бромдезоксиуридин, обеспечивающий точность и простоту учета обменов на дифференциально окрашенных сестринских хроматидах.

Сестринские хроматидные обмены формируются в период репликации ДНК; для осуществления такого обмена в точке обмена необходим разрыв обеих нитей молекулы ДНК в обеих хроматидах. Молекулярные механизмы и биол. значение сестринских хроматидных обменов остаются во многом неясными. Они обнаруживаются во всех типах соматических клеток как in vivo, так и в культурах клеток, а также в мейотических клетках у всех многоклеточных организмов. Количество обменов в разных клетках разное. Определенная доля обменов в каждой клетке индуцируется используемыми для их обнаружения 3Н-тимидином или 5-бромдезоксиуридином, однако часть сестринских хроматидных обменов является спонтанными. В клетках человека (культивируемые лимфоциты крови и фибробласты кожи, клетки костного мозга) число обменов на клетку в среднем составляет 6—9. Распределение обменов по хромосомам набора (см. Хроматин), т. е. их распределение по длине хромосомы неравномерное.

Метка, введенная на каком-либо отрезке S-периода и определяемая в метафазе митоза, обнаруживается во многих хромосомах набора. Для каждой хромосомы последовательность репродукции ее участков постоянна и специфична. Это положение было окончательно доказано при изучении последовательности репродукции участков хромосом с помощью 5-бромдезоксиуридпна (рис. 2).

Предполагают, что участки хромосом, репродуцирующиеся в определенном отрезке S-периода, состоят из групп сходно реплицирующихся репликонов (элементарных единиц репликации). Эти участки по размерам и локализации соответствуют тем, к-рые построены из хроматина, разного в структурном и функциональном отношении, и выявляются в хромосоме с помощью дифференциального окрашивания. Специфичность порядка репликации ДНК в каждой хромосоме набора при применении 5-бромдезоксиуридина позволяет различить в кариотипе человека (см. Кариотип) все 22 пары аутосом и половые X- и Y-хромосомы. Две X-хромосомы в женских соматических клетках у человека, так же как и у других млекопитающих, существенно различаются между собой по времени репродукции. Одна из них, подвергающаяся генетической инактивации, значительно позже начинает и заканчивает свою репродукцию по сравнению с другой, генетически активной X-хромосомой.

У человека все хромосомы, кроме одной из X-хромосом в женских клетках, начинают репродукцию одновременно. Поздно редуплицирующиеся участки хромосом соответствуют гетерохроматиновым участкам, в них синтез ДНК идет более интенсивно. Общая продолжительность репродукции любой хромосомы составляет несколько часов. Последовательность репликации ДНК в данной хромосоме одна и та же в клетках разной дифференцировки и у разных индивидов. Межклеточные или межиндивидуальные различия возможны по тем хромосомам, к-рые содержат крупные блоки гетерохроматина и размеры к-рых могут значительно варьировать. У человека это аутосомы 1,9,13—16,21,22 и половая Y-хромосома. В этом случае различия по рисунку репликации ДНК касаются соответствующих варьирующих сегментов и являются количественными, а не качественными. Порядок репликации ДНК в хромосоме существенно не изменяется даже тогда, когда имеется отклонение от диплоидного числа (напр., при трисомии хромосомы 21 или моносомии X-хромосомы) или структурная перестройка. Стабильность рисунка репликации хромосомы используется в клин, цитогенетике при идентификации хромосом в случае их численных или структурных отклонений. Исключение составляют X-аутосомные транслокации (см.), при к-рых описано изменение времени редупликации аутосомного сегмента, что объясняют его генетической инактивацией, индуцируемой определенными районами инактивированной X-хромосомы.

Хромосома многоклеточных организмов является линейной структурой, подразделенной по своей длине на участки, различающиеся особенностями строения ДНК, ее транскрипционной способностью, состоянием конденсации в интерфазном ядре и характером упаковки нитей дезоксинуклеопротеидов в метафазной хромосоме. К этим характеристикам можно добавить время Р. х., к-рое определяет наряду с другими характеристиками структурно-функциональную дифференцированность хромосомы по длине. Поэтому изучение последовательности репродукции участков хромосомы важно для распознавания хромосом в случаях изменения их числа или структуры, приводящего к множественным врожденным порокам развития (см. Дупликация).

Обнаруженные при изучении Р. х. сестринские хроматидные обмены используют для оценки мутагенной активности факторов окружающей среды (см. Ксеродерма пигментная), характеризующихся нарушениями репарации повреждений ДНК, вызываемых УФ-излучением, частота сестринских хроматид-ных обменов при определенных условиях УФ-облучения клеток выше, чем в клетках здоровых людей. Недостаточная по сравнению с нормой частота обменов в ответ на действие алкилирующих бифункциональных агентов описана при анемии, обусловленной генетическим дефектом фермента ДНК-экзонуклеазы, участвующего в репарации повреждений ДНК. Можно предполагать, что прогресс в молекулярной генетике приведет к открытию наследственных болезней, вызванных мутациями генов, контролирующих сложные ферментные системы, обеспечивающие Р. х.; по нек-рым данным, к таким болезням можно отнести синдром Блума.

Все методы изучения Репродукции хромосом основаны на введении в клетку в период синтеза ДНК (S-период) предшественников ДНК—нуклеозидов, меченных радиоактивным изотопом водорода — тритием (3Н). Определение включения метки проводят либо на интерфазных ядрах, либо на митотических хромосомах. По предложению Тейлора, в качестве радиоактивной метки почти повсеместно используют специфический предшественник ДНК ³H-тимидин. Для выявления его включения в хромосому применяют метод авторадиографии. Однако этот метод в изучении репродукции целых хромосом все более вытесняется методом включения предшественников ДНК, меченных нерадиоактивным бромом. Для этой цели используют гл. обр. аналог тимидина 5-бромдезоксиуридин. Включение 5-бромдезоксиуридина в участки хромосом может быть выявлено на препаратах метафазных хромосом по их измененной окрашиваемости (см. рис. 1 и 2). В качестве красителей применяют нек-рые флюорохромы (напр., акридиновый оранжевый) или основные красители (напр., краску Романовского — Гимзы). Использование 5-бромдезоксиуридина вместо ³H-тимидина значительно повысило разрешающую способность методов оптического изучения Репродукции хромосом.

Библиография: Бостон К. и Самиер Э. Хромосома эукариотической клетки, пер. с англ., М., 1981; Епифанова О. И., Терских В. В. и Захаров А. Ф. Радиоавтография, М., 1977; Захаров А. Ф. Хромосомы человека (проблемы линейной организации), М., 1977, библиогр.; он же, Сестринские хроматидные обмены, феномен и механизмы, в кн.: Генетика человека, под ред. Н. П. Бочкова, т. 3, с. 76, М., 1978, библиогр.; Основы цитогенетики человека, под ред. А. А. Прокофьевой-Бельговской, с. 104, М., 1969.

А. Ф. Захаров.