Человек

Исследования хромосом. Краткая история вопроса

Результаты исследований хромосом и проблемы определения пола у дрозофилы, основные итоги которых кратко рассмотрены в предыдущем разделе, - пример того, как одно из загадочных явлении природы было выяснено па протяжении немногим более 20 лет и в основном закончено к концу 30-х годов. Успеху этих исследований способствовал ряд причин: ничтожная продолжительность развития дрозофилы от яйца до взрослого состояния; малое число хромосом, легко отличающихся друг от друга по форме и величине; возможность произвольных скрещиваний мух и прямого анализа изучаемых явлений; ничтожные затраты на ее разведение и т. д.

В отличие от исследований дрозофилы исследования хромосом человека и механизма определения пола у него развивались очень медленно, несмотря на их очевидную важность. Правда, на протяжении минувшего 50-летия здесь было предпринято немало попыток проникнуть в сущность внутриклеточных механизмов определения пола и найти сходство с теми закономерностями, которые были установлены на дрозофиле. Однако, как бы это ни казалось удивительным, даже истинное число хромосом у человека было определено лишь в 1956 г.

Причин этого отставания было много, но главные две заключались в невозможности применения к человеку основного метода генетического анализа - произвольных скрещиваний - и в большом числе хромосом в клетках, составляющих тело человека. Размеры клеток у разных животных и человека более или менее одинаковы. Но в клетках дрозофилы содержится 8 хромосом, а у человека их 46, т. е. почти в 6 раз больше. Поэтому получение хорошего плоскостного препарата, на котором были бы отчетливо видны все 46 хромосом, было исключительно трудным делом.

Таким образом, исследователям проблемы пола у человека долгое время приходилось довольствоваться косвенными доводами и соображениями, вытекающими главным образом из наблюдений по наследованию тех болезней, которые обнаруживали связь с полом.

Примером такой болезни у человека является гемофилия - несвертываемость или очень медленная свертываемость крови, вследствие чего даже незначительное ранение гемофилика может повести к серьезным последствиям. Изучение родословных тех семей, в которых наблюдались случаи гемофилии, позволило установить, что это заболевание носит определенно выраженный семейный, т. е. наследственный, характер и что за весьма редкими исключениями гемофилией страдают только мужчины. Сопоставление путей передачи болезни от родителей к детям и способа наследования половых хромосом у дрозофилы делало высоко вероятным предположение, что механизм определения пола у дрозофилы и человека одинаков и что в обоих случаях Х- и У-хромосомы играют одинаковую роль.

Такое представление существовало в течение длительного времени. Более того, с ним мы, вероятно, пребывали бы и по сие время, если бы расхождение хромосом в процессе клеточных делений всегда протекало с точностью безукоризненно действующего механизма и приводило бы к возникновению лишь нормальных половых типов и никаких других.

Ясность в вопрос о сходстве механизма определения пола у дрозофилы и человека и о роли в нем половых хромосом внесли недавние исследования ненормальных в половом отношении типов у человека, оказавшихся аналогичными таковым у дрозофилы. Эти исследования подтвердили правильность первоначального предположения о наличии у человека Х- и У-хромосом, сходных с таковыми дрозофилы. Одинаковым оказался у них и самый механизм определения пола, о чем, опережая рассмотрение соответствующих данных, мы неоднократно упоминали выше. Вместе с тем эти исследования показали, что Х- и У-хромосомы человека играют в определении пола несколько иную роль, чем у дрозофилы. Эти отличия станут более ясными после того, как мы познакомимся с аберрантными половыми типами человека, которые так же, как у дрозофилы, возникают в результате неправильного расхождения половых хромосом в процессе созревания половых клеток.

Нерасхождение хромосом. Новые методы их исследования

Рассмотренное выше нерасхождение хромосом у дрозофилы не является исключительной "привилегией" этой мушки, у которой оно было открыто давно, но долго не привлекало к себе внимания в связи с исследованием проблемы пола у человека. Нерасхождение хромосом широко распространено в природе и вместе с естественным отбором представляет один из путей возникновения новых разновидностей и видов.

К несчастью, человек тоже не лишен этой "привилегии", и "ошибки" в расхождении хромосом у него точно так же служат источником возникновения ненормальных половых и аутосомных типов, подобных таковым у дрозофилы. И когда исследователи проблемы пола и врачи, вооруженные новейшими методами исследования хромосом, вплотную заинтересовались причинами возникновения разнообразных пороков и расстройств половой сферы у человека, то тут был вскрыт ряд фактов, имеющих важное значение не только для проблемы определения пола, но и для медицины в целом.

Первым результатом этих исследований было уточнение механизма определения пола у человека и роли в этом процессе половых хромосом.

Другим, не менее важным результатом этих исследований явилось установление прямой связи определенных заболеваний человека неизвестной до того времени природы с неправильностями расхождения хромосом в процессе созревания половых клеток. Вследствие этих нарушений образуются гаметы необычного хромосомного состава, приводящие к возникновению ненормальных половых и аутосомных типов, подобных таковым у дрозофилы. Поскольку причиной их возникновения являются исключительные, аберрантные, сочетания (комплексы) хромосом, все подобные пороки и расстройства получили название "хромосомных болезней". Ниже кратко будут рассмотрены примеры таких болезней.

В науке почти всегда бывает так, что принципиально новые открытия и приложение существующих теорий к исследованию новых областей науки приходят с изобретением новых методов и удачным выбором объектов исследования. Пример успешного выяснения проблемы определения пола у дрозофилы служит яркой тому иллюстрацией. Не составляет исключения из этого правила и тот новый период, начало которому положили исследования по уточнению механизма определения пола у человека и роли в нем половых хромосом с применением усовершенствованного метода исследования.

Выше уже были отмечены главнейшие препятствия, тормозившие исследование хромосом человека, и в частности трудоемкость и ограниченность методики изготовления хороших препаратов хромосом. Недавние усовершенствования в этой области значительно расширили возможности как самого метода, так и исследования проблемы в целом.

Для подсчета хромосом в клетках человека наиболее удобными оказались белые кровяные клетки - лейкоциты. Их отделяют от эритроцитов центрифугированием и на 2 - 3 суток высевают на питательную среду с добавлением в нее фитогемагглютинина. По истечении указанного времени культуру лейкоцитов обрабатывают колхицином (3 часа), а затем гипотоническим раствором (10 - 15 мин.), после чего переносят на предметное стекло, подсушивают на воздухе и окрашивают ядерной краской.

Фитогемагглютинин способствует делению лейкоцитов и, следовательно, обогащает культуру клетками на той стадии, когда хромосомы наиболее удобны для исследования. Обработка культуры колхицином, напротив, преследует цель затормозить последние стадии деления клеток и, следовательно, также способствует накоплению в культуре клеток на стадии митоза. Наконец, обработка лейкоцитов гипотоническим раствором вызывает набухание ядер, в результате чего они разрушаются и освобождают хромосомы. Под влиянием гипотонического раствора хромосомы также несколько набухают, расправляются и располагаются на пространстве гораздо большем, чем в ядре клетки. Описанная процедура подготовки клеток значительно расширила возможности микроскопического исследования хромосом (рис. 26).

Рис. 26. Хромосомы человека, видимые под микроскопом на препаратах, приготовленных по новому методу

Многие пары хромосом человека настолько мало отличаются друг от друга, что их с уверенностью можно расклассифицировать лишь в пределах групп, границы которых установлены работающими в этой области исследователями на специально созванной международной конференции в Денвере (США) в 1959 г. На рис. 27 представлены наборы хромосом нормальных женщины и мужчины, сгруппированные и пронумерованные в соответствии с рекомендациями этой конференции. Нумерация хромосом в пределах некоторых групп, например хромосом 13 - 15-й или 19 - 20-й, имеет в большой мере условное значение и с достоверностью может быть выдержана лишь в результате большого личного опыта исследователя.

Рис. 27. Хромосомы человека, расклассифицированные и расположенные на рисунке в соответствии с рекомендациями Денверской конференции. Слева - хромосомы женщины (ХХ); справа - хромосомы мужчины (ХУ). Цифрами 1 - 22 обозначены аутосомы

Другим методическим новшеством, сыгравшим важную роль в исследовании проблемы пола у человека, явилось обнаружение в ядрах клеток человека и некоторых других млекопитающих особых хроматиновых образований, известных под двояким названием, а именно: полового хроматина или телец Барра (по имени автора, открывшего их в 1949 г.).

Тельца Барра (рис. 28) представляют собой сферические образования около 1 микрона в диаметре; они располагаются пристеночно, прилегая к внутренней поверхности ядерной оболочки. О хроматиновой природе телец Барра свидетельствует, в частности, тот факт, что они окрашиваются теми же специальными красками, что и хромосомы.

Происхождение телец Барра и их связь с хромосомами будут рассмотрены ниже. Сейчас же мы отметим их другую важную особенность, которая заключается в том, что они обнаруживаются только в женских соматических клетках (т. е. у самок животных и у женщин) и отсутствуют в мужских соматических клетках (т. е. у самцов животных и у мужчин).

Рис. 28. Тельца Барра (половой хроматин). 1 - соматические клетки нормальной женщины содержат одно тельце Барра (указано стрелкой); 2 - в клетках нормальных мужчин тельца Барра отсутствуют; 3 - у трисомиков (ХХХ или ХХХУ) присутствует два тельца Барра

В ядрах клеток нормальных самок и у женщин находят по одному тельцу Барра. В овогониях тельца Барра не обнаружены.

Кроме человека, тельца Барра найдены у обезьяны, кошки, собаки, норки, куницы, хорька, лисицы, медведя, волка, козы, оленя, енота, скунса, койота, свиньи, коровы и опоссума. У кроликов и грызунов, в том числе и у мыши, наиболее подробно изученной во всех отношениях, тельца Барра обнаружить не удается.

Микроскопическое исследование клеток животного любого из названных видов или человека на тельца Барра дает возможность определить его пол, так сказать, заглазно, не видя самого объекта исследования. Отсюда понятно, сколь важное значение приобрела эта ядерная "метка" в анализе половых типов человека. Анализ на тельца Барра может быть сделан легко, быстро и с достаточно надежным результатом, причем не только на взрослых людях и животных, но в случае надобности и на ранних стадиях внутриутробного развития плода человека. У взрослых людей для анализа берут кусочек кожи или соскоб со слизистой оболочки полости рта (легче всего со щеки); в практической работе пользуются именно этим последним методом, как наиболее простым.

Таким образом, современные исследователи располагают двумя взаимно дополняющими друг друга методами выяснения отдельных сторон проблемы пола у человека: один из них - это прямой подсчет числа хромосом и его отклонений от нормы, другой - исследования телец Барра. Оба они сыграли важную роль в уточнении механизма определения пола и причин возникновения аберрантных половых типов у человека.