ЦИТОГЕНЕТИКА
Описание
ЦИТОГЕНЕТИКА (греческий kytos вместилище, здесь — клетка + genetikos относящийся к происхождению)— раздел генетики, посвященный изучению клеточных основ наследственности и изменчивости организмов.
Материальные единицы наследственности эукариотических организмов — молекулы ДНК (см. Изменчивость). Клеточные закономерности наследственности, единые для всех видов эукариотических организмов, составляют содержание общей цитогенетики. Существует также цитогенетика растений, цитогенетика животных, с конца 50-х годов 20 века интенсивно развивается цитогенетика человека. Общая цитогенетика может быть также подразделена по изучаемому уровню (микроскопическому, субмикроскопическому, молекулярному) организации наследственных структур.
Цитогенетика как наука возникла в конце 19 — начале 20 века на базе знаний о закономерностях наследования признаков при скрещиваниях организмов и о морфологии и поведении в клеточных делениях основных ядерных структур — хромосом. С 60-х годов 20 века начался процесс объединения классической цитогенетики и молекулярной генетики (см.), в результате чего появилась молекулярная цитогенетика.
История цитогенетики условно делится на три периода. Первый период (конец 19 века и первые два десятилетия 20 века) включает зарождение и обоснование хромосомной теории наследственности (см.), составляющей главное содержание цитогенетики. Основные законы наследственности были сформулированы Г. Менделем (см. Менделя законы) в 1865 году и подтверждены в 1900 году Корренсом (К. Correns), Чермаком (E. Tscliermak) и X. де Фрисом. В последней четверти 19 веке были сделаны важнейшие открытия в изучении хромосом. Так, было открыто, что хромосомы являются обязательным компонентом ядра клеток растений (И. Д. Чистяков, 1874) и животных (П. И. Перемежко, 1879; В. Флемминг, 1879), что число и форма хромосом для каждого вида растений или животных постоянны [Рабль (К. Rabi), 1885; Бовери (Th. Boveri), 1887], Страсбургером (E. Strasburger, 1875), Ван-Бенеденом (Е. van Beneden, 1883), О. Гертвигом (1884) и В. И. Беляевым было установлено, что набор хромосом в соматических клетках двойной, при формировании зрелых половых клеток уменьшающийся до одинарного и восстанавливающийся до двойного при оплодотворении. Первые представления об участии клеток (см. Клетка), в частности их ядер, в передаче наследуемых признаков высказывались Гертвигом и Страсбургером еще в 1884 году и были развиты и обоснованы Вильсоном (Е. В. Wilson) в 1896 году. Впервые существование возможной связи между наследственными факторами и хромосомами предположили Ру (W. Roux, 1883),
А. Вейсман и Корренс (1900—1902). Сопоставление проявления признаков при скрещивании организмов с поведением хромосом в гаметогенезе и при оплодотворении привело Сеттона (W. S. Sutton) и Бовери в 1903— 1904 годы к первой экспериментально обоснованной формулировке хромосомной теории наследственности. Хромосомы рассматривались как носители наследственных факторов, по более поздней терминологии — генов (см. Хромосомная карта) по частоте рекомбинации (см.) находящихся в них генов, происходящей благодаря конъюгации хромосом (см.) и кроссинговеру.
Второй период развития цитогенетики (с конца второго десятилетия по 60-е годы 20 века) можно характеризовать как период исследования материальных основ наследственности преимущественно на микроскопическом (световая микроскопия) и субмикроскопическом (электронная микроскопия) уровнях. В этот период интенсивно развивалась цитогенетика растений, животных и человека и сформировались современные разделы общей цитогенетики.
В работах С. Г. Навашина, Г. А. Левитского, Л. Н. Делоне и др. была доказана важность исследования морфологии митотических хромосом (см. авторадиографии (см.) хромосом в цитогенетике сформировалось отдельное направление — изучение репродукции хромосом (см.), включающее вопросы переноса закономерностей матричного синтеза ДНК с молекулярного уровня на хромосому как цитологическую структуру, хронологии репродукции разных хромосом набора и отдельных участков по длине индивидуальных хромосом и др. Начатое Морганом и его учениками генетическое картирование хромосом остается одним из главных направлений исследований в цитогенетике, целью которого является создание генетических карт хромосом представителей конкретных биологических видов.
Исследование влияния рентгеновского излучения на хромосомы положило начало изучению гибридизации (см.).
Работы С. Г. Навашина и его учеников Г. А. Левитского, Л. Н. Делоне и М. С. Навашина по тонкой морфологии хромосом растений способствовали развитию еще одного направления в цитогенетики— кариосистематики и выяснению роли преобразований хромосом (изменения их числа, формы и плоидности) В эволюционном становлении биол. видов (см. Филогенез). Советскими цитогенетиками школы С. Г. Навашина и Н. К. Кольцова с 20-х годов 20 века были начаты обширные исследования хромосом систематических единиц растений и животных. В последующие годы эти исследования были продолжены Уайтом (М. J. D. White), Маттеем (R. Matthey) и др. В рамках этого направления цитогенетика изучает также индивидуальную изменчивость хромосом у особей одного вида (см. Хромосомный полиморфизм).
Третий период в истории цитогенетики, начавшийся с конца 60-х годов 20 века, характеризуется тем, что изучение поставленных ранее проблем во всех разделах цитогенетики все более переносится на молекулярный уровень. Этот период можно назвать молекулярноцитогенетическим. Полученные сведения обобщаются в сопоставлении с данными, полученными ранее. Провозвестником молекулярного подхода к выяснению структуры хромосомы и ее функций явился Н. К. Кольцов, который еще в 1927 — 1928 годы предложил гипотезу молекулярного строения и репродукции хромосомы. Согласно этой гипотезе основу хромосомы составляет сложноорганизованная линейная макромолекула, способная к самовоспроизведению путем автокаталитическо-го построения своей копии по исходной молекулярной матрице. Экспериментальное изучение химической природы наследственного материала началось в 30-х годов 20 века с цитохимические определения основных биол. макромолекул в клеточном ядре: белков (см.), ДНК и РНК (см. Нуклеиновые кислоты). В 40-е годы 20 века с помощью фотометрии (см.) и спектрофотометрии (см.) было количественно изучено содержание в клеточных структурах ДНК и РНК. Развитие биохимии (см.) и физической химии нуклеиновых кислот и белков привело к изучению хим. состава хромосом и клеточных ядер методами физической химии (см.), аналитической и препаративной биохимии, результаты которых изложены в работах А. Н. Белозерского, А. С. Спирина, Г. П. Георгиева, И. Б. Збарского, Чаргаффа (E. Chargaff), Мирского (A. E. Mirsky), Дейвидсона (D. Davidson), Левена (Ph. A. Th. Levene), Астбери (W. Т. Astbury) и др.
С открытием пространственной структуры молекулы ДНК Ф. Криком и Дж. Уотсоном, а затем и химической природы Репарация генетических повреждений), природа митотической конденсации — деконденсации хромосом и другие явления. Наряду с классическими приемами генетического картирования с начала 80-х годов 20 века стали применяться (в первую очередь в цитогенетике человека) методы прямого молекулярного картирования индивидуальных хромосом и их участков. При этом выяснилось существование значительного межиндивидуального полиморфизма людей по нуклеотидным последовательностям сегментов ДНК, одинаковых по локализации в гомологичной хромосоме. Сравнительное изучение уникальных и повторяющихся нуклеотидных последовательностей ДНК у родственных видов организмов является существенным вкладом молекулярной цитогенетики в кариосистематику и в объяснение механизмов эволюции геномов биологических видов.
Непосредственное отношение к теоретической и практической медицине имеет цитогенетика человека, которая особенно интенсивно стала развиваться в третий период истории цитогенетики. С конца 19 века, начиная с отдельных попыток увидеть хромосомы в клетках человека, начались поиски методических подходов к морфологическому исследованию хромосом человека. Наиболее существенный вклад в развитие цитогенетики человека внесли работы советских цитогенетиков А. Г. Андреса, П. И. Живаго, Г. К. Хрущова, М. С. Навашина и др., которые в 30-е годы 20 века первыми применили для получения препаратов хромосом кратковременно культивировавшуюся культуру лейкоцитов и воздействие на клетки гипотоническим раствором; они впервые описали строение 10 самых крупных хромосом человека, сделали попытки анализа состояния хромосом в опухолевых и лейкозных (бластных) клетках, а также в патогенезе. Эти исследования были проведены главным образом в Медико-генетическом институте им. А. М. Горького, функционировавшем в СССР в 1932—1937 годы. После окончательного определения общего числа хромосом в клетках человека (46 вместо 48) и установления их морфологических особенностей формирование цитогенетики человека как раздела цитогенетики закончилось. В результате разработки методики анализа препаратов цельных разделенных друг от друга культивируемых клеток после остановки их деления в метафазе митоза с помощью колхицина и обработки гипотоническим р-ром было начато изучение морфологии митотических и мейотических хромосом с целью идентификации индивидуальных хромосом набора и их отдельных участков, а также исследование полиморфизма и репродукции хромосом и хромосомного мутагенеза. Уже в 1959 году было установлено, что причиной болезни Дауна (см. Клайнфелтера синдром) является отклонение числа хромосом от нормального.
В конце 60-х годов 20 века были разработаны новые методы изучения тонкой морфологии (линейной дифференцированности структуры) митотических хромосом, молекулярногенетические методы исследования хромосом (молекулярное картирование), методы генетики соматических клеток (см.) — использование гибридов соматических клеток для выделения индивидуальных хромосом. Это обеспечило дальнейшее развитие исследований по структурной и функциональной морфологии индивидуальных хромосом и их отдельных участков, генетического и молекулярного картирования хромосом, изучения эволюции хромосом человека и др.
После открытия так называемых хромосомных болезней (см.) начала интенсивно развиваться клиническая цитогенетика, занимающаяся изучением роли хромосом в этиологии и патогенезе врожденных пороков развития, нарушений полового развития, злокачественных новообразований и др.
Особое значение для медицины имеет раздел цитогенетики человека, посвященный выяснению значения индивидуальных хромосом и их отдельных участков в возникновении нарушений развития у человека в онтогенезе. В процессе разработки этого направления цитогенетики было установлено существенное влияние изменения плоидности зиготы, числа хромосом или их структуры на внутриутробную смертность, рождение детей с множественными пороками развития, нарушение полового развития и бесплодие. Хромосомный анализ стал составной частью обследования большинства обращающихся в медико-генетические консультации (см.) и лечебные учреждения по поводу бесплодия, привычного невынашивания беременности, задержки полового развития, рождения детей с пороками развития и умственной отсталостью. Подозрение на хромосомные болезни является основным показанием для проведения пренатальной диагностики.
Одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов цитогенетики является цитогенетика опухолей. Она изучает характер и роль нарушений кариотипа (см.) при возникновении и развитии опухолей (см.) и лейкозов (см.). Родоначальником цитогенетики опухолей считают Бовери, первым высказавшего предположение, что причиной рака являются изменения хромосомного набора соматических клеток, возникающие в результате аномалий митоза. В целенаправленном изучении хромосом в опухолевых клетках, начатом в 20—30-х годах 20 века, большую роль сыграли как идеи Бовери, так и дальнейшие успехи цитогенетики и экспериментальной онкологии.
Развитие цитогенетики опухолей связано с усовершенствованием методов получения хромосомных препаратов. Возможность идентификации каждой хромосомы позволила уловить как численные, так и структурные изменения в отдельных хромосомах и их участках, то есть создать условия для подробного анализа изменений кариотипа при разных злокачественных новообразованиях. Еще в 50 — 60-х годах 20 века были установлены определенные закономерности кариотипической изменчивости в популяциях культивируемых клеток опухолей и лейкозных клеток и ее отличие от изменений кариотипа при хромосомных болезнях человека. Для опухолей характерна кариотипическая гетерогенность клеточной популяции. Степень выраженности этой гетерогенности варьирует как в пределах опухолей одной и той же локализации, так и между опухолями разных гистологических типов и локализаций, тогда как при хромосомных болезнях все клетки, за исключением случаев прогрессии опухолей (см.) их хромосомная характеристика нередко меняется, а при хромосомных болезнях эволюции кариотипа, как правило, не наблюдают.
Генетическая гетерогенность и изменчивость популяций опухолевых клеток, лежащие в основе феномена опухолевой прогрессии, обусловливают способность клеток, наиболее приспособленных к неблагоприятным условиям среды, к выживанию. Так, возникновение резистентности опухоли к лучевой или лекарственной терапии связано с селективным выживанием и размножением клеток, резистентных к этим воздействиям.
В 1960 году было обнаружено первое специфическое изменение кариотипа при хроническом миелолейкозе человека — укороченная хромосома из группы G. Эта хромосома была названа филадельфийской (Ph) по названию города, где она была впервые описана. Позже было установлено, что Ph-хромосома имеется у 90—95% больных хроническим миелолейкозом, что позволило использовать результаты цитогенетического анализа для уточнения диагноза этого заболевания.
Прогресс в развитии цитогенетики опухолей наступил после появления методов дифференциального окрашивания хромосом. На протяжении нескольких лет были открыты специфические хромосомные изменения в клетках некоторых опухолей человека и лаб. животных. Большей частью это транслокации (см.), иногда нехватка или избыточность числа определенных хромосом. Хотя, по разным данным, хромосомные мутации обнаруживаются при гемобластозах и опухолях в неодинаковом проценте случаев, они специфичны для определенных форм злокачественных новообразований. Так, например, транслокация между хромосомами 15 и 17-й пар встречается только при остром промиелоцитарном лейкозе, тогда как транслокация между хромосомами 4 и 11-й пар обнаруживается только у больных острым лимфобластным лейкозом (рис. 1).
Для острого миелолейкоза характерна транслокация между хромосомами 8 и 21-й пар. В клетках лимфомы Беркитта независимо от присутствия или отсутствия в ней вируса Эпстайна — Барра наблюдается транслокация между хромосомами 8 и 14-й пар. При односторонних ретинобластомах обнаружен специфический маркер — изохромосома 6 р, то есть хромосома, состоящая из соединенных коротких плеч (рис. 2). Она присутствует в клетках ретинобластомы наряду с двумя нормальными гомологами 6-й пары. При мелкоклеточном раке легкого описана специфическая делеция определенного участка короткого плеча хромосомы 3-й пары. Число новообразований, при к-рых выявлены специфические аномалии кариотипа, с каждым годом увеличивается.
Наряду со специфическими изменениями неслучайно часто выявляются при отдельных формах опухолей разные мутации некоторых хромосом. Так, напр., отсутствие одной из половых хромосом нередко наблюдают в лейкозных клетках при остром миелолейкозе, а в клетках при ряде лейкозов и опухолей отмечено участие хромосомы 1-й пары в разных перестройках кариотипа.
Хотя за последние 10 лет в цитогенетике опухолей имеются достижения большие, чем за все предыдущие годы ее развития, по существу, детальная картина изменений кариотипа при различных лейкозах и опухолях лишь начинает вырисовываться. Однако полученных данных достаточно, чтобы не только говорить о неслучайной роли хромосомных мутаций в онкогенезе, но и начать использовать результаты цитогенетического анализа для уточнения диагноза и прогноза злокачественных новообразований. Это уже делается в отношении гемобластозов человека, представляющих собой цитогенетически наиболее изученную группу злокачественных новообразований.
В 1983 году было установлено, что активация клеточных онкогенов в результате их попадания при хромосомных транслокациях в область активно функционирующей ДНК может, по-видимому, играть определенную роль в пролиферации и малигнизации клеток. В этой области теоретической онкологии перекрещиваются и взаимно дополняют друг друга вирусологические, молекулярно-генетические и цитогенетические исследования.
Проблемы цитогенетики разрабатываются в основном в научно-исследовательских учреждениях, где проводятся исследования по цитологии (см.). В СССР к числу таких учреждений относятся Институт общей генетики АН СССР, Институт молекулярной биологии АН СССР, Институт гистологии и генетики Сибирского деления АН СССР, Институт цитологии 1 СССР, Институт биологии развития СССР и некоторые другие, а также кафедры биологии и генетики университетов, медицинских и сельскохозяйственных институтов страны. Проблемами цитогенетики и медицинской цитогенетики занимаются преимущественно Институт медицинской генетики АМН СССР, а также некоторые другие учреждения АМН ССР, М3 СССР и министерств (здравоохранения союзных республик. Цитогенетика преподается в составе курса Ретики или биологии с основами на биологических факультетах институтов, в медицинских и сельскохозяйственных институтах. Главы и разделы по цитогенетике имеются во всех отечественных и переводных руководствах 7 генетике или цитологии. В СССР создан ряд монографий по общей цитогенетике, в том числе «Основы цитогенетики человека» под редакцией А. А. Прокофьевой-Бельговской ]169), «Хромосомы человека (пробы линейной организации)» А. Ф. Захарова (1977), «Хромосомы человека. Атлас» А. Ф. Захарова (см.) с соавторами ;1982).
Основными периодическими издании по цитогенетики являются журналы «Генетика» АН СССР, «Цитология и Генетика» АН УССР, «Цитология» )1 СССР. За рубежом статьи по цитогенетике катаются в «Canadian Journal of jnetics and Cytology», «Chromoso-t», «Clinical Genetics», «Cytogenetics id Cell Genetics», «Experimental Cell ^search», «Human Genetics», «Journal ^Medical Genetics», «American Jour-j of Medical Genetics».
Библиогр.: Восток К. и Самнер 3. эмосома эукариотической клетки, пер. згл., М., 1981; Вильсон Э. Б. Клетки и ее роль в развитии и наследственности, . с англ., т. 1—2, М. — JI., 1936 —1940; х а р о в А. Ф. Хромосомы человека, 1977; 3ахаров А. Ф. и др. Хро-омы человека, Атлас, М., 1982; Кон-антинов А. В. Цитогенетика, иск, 1971; Кузнецова Л.Е. и . Хромосомные нарушения в клетках инобластомы, Вопр. онкол., т. 28, № 5, 17, 1982; Опухолевый рост как проблема логии развития, под ред. В. И. Гель-;йн, с. 115, М., 1979; Погосянц Е. Новое в цитогенетике рака, Генети-т. 17, №12, с. 2087, 1981; Приго-[ н a E. JI. и др. Клиническое значе-! хромосомных изменений при острых козах, Пробл. гематол. и перелив, кро-т. 27, № 11, с. 10, 1982; П р о к о ф ь-а-БельговскаяА. А. Достиже-[ цитогенетики за 50 лет в СССР, Гене-а, № 10, с. 86, 1967; Руководство по 'Ологии, под ред. А. С. Трошина, т., 2, М. —Л., 1965 — 1966; Свенсон МерцТ. и ЯнгУ. Цитогенетика, . с англ., М., 1969; Chromosomal abnor-lities and their clinical significance in te lymphoblastic leukemia, Cancer Res., 43, p. 868, 1983; Comparative mamma-i cytogenetics, ed. by K. Benirschke, a. o., 1969; HsuT. C, Human and mmalian cytogenetics, An historical spective, N. Y., 1979; Mitelman i. L e v a n G. Clustering of aberrations specific chromosomes in human neoplasms, 'editas (Lund), v. 95, p, 79, 1981; R i eger R., M i с h a e H s A. a. Green M. M. Glossary of genetics and cytogenetics, Classical and molecular, Jena, 1976; Rowley J. D. Human oncogene locations and chromosome aberrations, Nature (Lond.), v. 301, p. 290, 1983; Sandberg A. A. The chromosomes in human cancer and leukemia, N. Y., a. o., 1980; Swanson C. P. Cytology and cytogenetics, L., 1958; Therman E. Human chromosomes, N. Y. a. o., 1980.Периодические издания — Генетика, М., с 1965; Цитология, JL, с 1959; Цитология и генетика, Киев, с 1967; American Journal of Medical Genetics, N. Y., с 1977; Canadian Journal of Genetics and Cytology, Ottawa, с 1959; Chromosoma, B. — Wien, с 1939; Clinical Genetics, Copenhagen, с 1970; Cytogenetics, Basel, с 1962; Experimental Cell Research, N. Y., с 1950; Human Genetics, Amsterdam, с 1962; Journal of Medical Genetics, L., с 1964.
А. Ф. Захаров; E. E. Погоеянц (цитогенетика опухолей).