§ 6. Строение и число хромосом

Благодаря митозу во всех клетках одноклеточных и многоклеточных организмов поддерживается постоянный набор хромосом.

В норме все хромосомы клеток тела эукариот парны, имеют своего гомолога и составляют двойной, или диплоидный, набор (2n) (см. рис. 32). Только в зрелых половых клетках имеется лишь один, гаплоидный, набор (1n). Некоторые клетки (и целые организмы в клетках своего тела) содержат увеличенный более чем вдвое гаплоидный набор. Такие клетки или организмы называются полиплоидными (3n, 4n, 5n и т. д.) (см. рис. 32). Диплоидный набор хромосом в клетках тела человека - 46, в клетках других приматов равен в среднем 48. Он колеблется внутри класса млекопитающих от 6 у мелкого азиатского оленя мунтжака до 84 у носорога. У серого хомячка 2n равно 22, у кошки - 38, у овцы - 54, у коровы - 60, у различных непарнокопытных - от 32 до 66, у шимпанзе - 48.

Число хромосом в клетках тела аскариды составляет 4, гидры - 12, щуки - 18, тритона и лягушки - 24. В природе встречаются животные с большим числом хромосом; например, у речного рака их 116, а у одного из видов морских одноклеточных - радиолярий - достигает рекордной цифры - 1600. Разнообразно число хромосом и у растений: у некоторых сложноцветных их 4, у лука - 16, у кукурузы - 20, у различных пшениц - 14, 28, 42, у земляники садовой - 56 и т. д.

Рис. 10. Тонкое строение хромосом (схема). I - внешний вид: 1 - метацентрическая; 2 - субметацентрическая; 3 - акроцентрическая; 4 - хромосома со спутником; р - короткое плечо; q - длинное плечо хромосомы. II - внутреннее строение: а - центромера (первичная перетяжка); б - вторичная перетяжка; в - сателлит (спутник); г - хромонема

Хромосомы (рис. 10) состоят из двух половин, называемых хроматидами, каждая из которых содержит в своем составе тонкие нити - хромонемы (от греч. нема - нить). Они состоят из дезоксирибонуклеопротеида (ДНП) и включают около 40% ДНК и 60% белка. Хроматиды соединены маленькими тельцами в форме точек или зернышек, называемых хромоцентрами, или центромерами.

Совокупность хромосом, содержащих единицы наследственности - гены, называют геномом. Геном прокариот отличается от генома эукариот более низким содержанием ДНК и относительно более простой регуляцией активности генов (см. главу I, §4). У прокариот, например у кишечной палочки (Esherichia coli), геном представлен всего одной гаплоидной кольцевой нитью ДНК (генофорой), содержащей в тысячу раз меньше ДНК, чем в гаплоидном наборе клетки человека (рис. 11).

Рис. 11. Хромосомы человека (схема гаплоидного набора). 1-22 - аутосомы; X и Y - атллосомы. Латинскими буквами обозначены группы хромосом

Строение хромосом особенно хорошо можно рассмотреть при делении клетки, во время метафазы. В парных (гомологичных) хромосомах центромеры имеют определенные размеры и последовательность расположения. В зависимости от места нахождения центромеры и определяемой этим длины плеча хромосомы бывают нескольких типов.

Метацентрический тип - центромеры в центре хромосомы, оба плеча хромосомы равны (см. рис. 10, I, 1).

Субметацентрический тип - центромера ближе к одному из концов хромосомы, имеющий форму крючка, плечи хромосомы имеют разную длину: короткое р и длинное q (см. рис. 10, I, 2).

Акроцентрический тип - центромера занимает место на конце палочковидной хромосомы (см. рис. 10, I, 3).

Рис. 12. Дрозофила (Drosophila melanogaster) и ее кариотипы. ♂ - самец; ♀ - самка

Место расположения центромеры называется первичной перетяжкой хромосомы. Встречаются хромосомы и со вторичной перетяжкой. Если вторичная перетяжка достаточно глубока и длинна, то ее участок, отделенный вторичной перетяжкой, называется спутником, или сателлитом (см. рис. 10, I, 4). Так, из 8 хромосом (2n) дрозофилы (Drosophila melanogaster) две пары мета центрического типа, одна пара в виде маленьких шариков, половые Х - хромосомы субметацентрического, а Y - хромосомы акроцентрического типа (рис. 12). В табл. 3 показано нормальное распределение хромосом, а на рис. 13 - нормальные кариограммы человека.

Таблица 3. Нормальный набор хромосом человека

Однако под влиянием различных факторов число и форма хромосом могут изменяться. Например, под воздействием низких и высоких температур хромосомы укорачиваются или удлиняются; ионизирующее излучение вызывает распад хромосом на отдельные участки (фрагментация) и их выпадение из набора.

Изучением кариотипов, особенностей строения и числа хромосом занимается одно из направлений генетики - цитогенетика. Кариотипы рассматривают на стадии метафазы, когда хромосомы располагаются в одной плоскости (метафазная пластинка) (см. рис. 9). Однако изучение кариотипов - не простое дело: число хромосом в клетках человека относительно велико, в метафазной пластинке нередко одна хромосома ложится на другую. Современные методы цитогенетического анализа позволяют диагностировать ряд наследственных заболеваний, связанных с врожденным, лучевым или другими нарушениями структуры и числа хромосом. Для подсчета числа хромосом могут быть использованы различные клетки: кожи, костного мозга, но чаще крови - лейкоциты (лимфоциты).

Берут небольшое количество крови. Эту кровь можно хранить несколько дней (в течение недели) в холодильнике или транспортировать специальными лабораториями ("хросомы - почтой").

Рис. 13. Нормальные кариограммы женщины (I) и мужчины (II)

Лейкоциты выделяют путем осаждения эритроцитов, их центрифугирования или с помощью 10% раствора желатины. В стерильных боксах лейкоциты помещают в культуру тканей, в специальную среду с большим числом (около 50) ингредиентов. Среди них необходим особый белок растительного происхождения - фитогемагглютинин, добываемый из фасоли, стимулирующий рост лимфоцитов. Затем в специальных флаконах культуру помещают в термостат при температуре 37°С на 3 дня. Некоторые клетки в культуре начинают делиться. За 60 мин до фиксации в клетку вводят слабый раствор алколоида колхицина (добываемого из цветкового растения безвременника осеннего - Colchicum autumnale L.) (рис. 14), разрушающего ахроматические фигуры митоза (тянущие нити веретена) и задерживающего таким образом деление. Из раствора колхицина культуру на несколько минут помещают в гипотонический раствор, где клетки и хромосомы набухают (в силу разности осмотического давления), затем фиксируют. Клетки переносят на предметное стекло и окрашивают ядерными красителями ацетоорсеином, по Романовскому - Гимзе или по Фельгену.

Рис. 14. Безвременник осенний (Colchicum autumnale L.)

Окрашенную культуру, закрытую покровным стеклом, осторожно раздавливают, фотографируют. Из увеличенной микрофотографии аккуратно вырезают все хромосомы, раскладывают согласно строению их и величине, приготовляют кариограмму (см. рис. 13).