Цитогенетика

Цитогенетика возникла в начале 20 века. Ее теоретический фундамент составили основные положения хромосомной теории наследственности, первая версия которой была сформулирована независимо Э. Вильсоном и В. Сеттоном (США) и Т. Бовери (Германия) в 1901-1903 годах. Они пришли к заключению, что именно хромосомы являются материальными носителями факторов наследственности, открытых Г. Менделем и позднее названных генами. Сеттон в 1903 году впервые использовал термин «цитогенетика». Современные положения этой теории, развитые Т. Морганом и его школой: соответствие групп сцепления генов определенным парам хромосом, постоянство индивидуальной структуры хромосом и наследование ее мутационных изменений, постоянство видового кариотипа (морфологических признаков набора хромосом), обеспеченное механизмами митоза и мейоза, линейное расположение генов в хромосомах и их рекомбинация между гомологичными хромосомами в ходе мейоза, — определили главные проблемы и направления цитогенетики, которые, в углубленном виде, разрабатываются и в современной науке.

Исторически цитогенетика формировалась на конкретных примерах микроскопического анализа хромосом и генетического анализа признаков организма, определяемых этими хромосомами.

Открытие половых хромосом (К. Мак-Клонг, 1907, США) было первым успехом применения микроскопа для решения задач генетики. Идентификация половых хромосом остается начальным этапом цитогенетического исследования всякого биологического объекта. Выявлены хромосомные механизмы определения пола — от простых случаев, на основе формулы половых хромосом, до более сложных, например, «балансового механизма» определения пола у дрозофилы (К. Бриджес, 1922, США). Успехи цитогенетики пола позволили Б. Л. Астаурову (СССР) в 1936-46 годах осуществить и использовать на практике искусственный андрогенез и партеногенез у тутового шелкопряда.

В 1910 году Э. Страстбургером (Германия) было открыто явление полиплоидии — увеличение числа хромосом в организмах одного биологического вида сверх диплоидного числа (2n), кратно гаплоидному числу хромосом: 3n, 4n и т. д. Полиплоидия регулярно встречается у растений и редко у животных (только у холоднокровных). Различают автополиплоидию (удвоение собственного набора хромосом) и аллополиплоидию — соединение в одном биологическом виде диплоидных хромосомных наборов двух видов-предшественников. Существует также анеуплоидия — некратное изменение числа хромосом: потеря или добавление в хромосомном наборе отдельных хромосом.

Первое цитогенетическое доказательство механизма возникновения анеуплодии получил К. Бриджес в 1916 году: на основе редких случаев отклонения от правил наследования признаков, сцепленных с полом у дрозофилы, он предсказал явление нерасхождения Х-хромосом в мейозе как причину моносомии по Х-хромосоме и обнаружил его при наблюдении под микроскопом хромосомных наборов у отклонившихся от нормы особей. Работа Бриджеса, названная им «Нерасхождение, как доказательство хромосомной теории наследственности», сыграла принципиальную роль в утверждении этой теории. Моносомия у растений была обнаружена Р. Клаусеном и Т. Х. Гудспидом (США) в 1926 году; трисомия у человека — Ж. Леженом и другими (Франция) в 1959 году.

Все типы изменения числа хромосом объединяются понятием геномные перестройки. Помимо них существуют и играют важную роль в наследственности хромосомные перестройки. В 1916 году В.Робертсон (Великобритания), цитологически, обнаружил у насекомых частный тип транслокаций хромосом, названный его именем. Аналогичные транслокации были выявлены позднее у растений и млекопитающих. При анализе генетических карт хромосом дрозофилы К. Бриджесом в 1917-1923 годах были обнаружены другие типы транслокаций и делеции хромосом, а в 1926 году А.Стертевантом (США) — инверсии.

Первое детальное микроскопическое и генетическое исследование хромосомных перестроек провела на профазных хромосомах в мейозе у кукурузы Б. Мак-Клинток (1929-1931, США), но особенно успешно проблема возникновения и наследования хромосомных перестроек и их влияния на фенотип организмов стала разрабатываться после открытия Г. Меллером (1927, США) мутагенного действия рентгеновских лучей на дрозофилу. Помимо редко возникающих спонтанных перестроек хромосом, появилась возможность индуцировать их искусственно с большой частотой у любых удобных для исследования объектов. Удобным материалом для одновременного цитологического и генетического исследования хромосомных перестроек стали политенные хромосомы дрозофилы.

Радиационная цитогенетика, начавшая формироваться в 30-е годы трудами Г. Меллера, Л. Стадлера, К. Сакса, Д. Ли, Д. Кэтчесайда (США и Великобритания) и др. изучает количественные закономерности возникновения хромосомных перестроек разных типов в зависимости от вида и дозы радиации, репарацию радиационных повреждений хромосом и др.

К числу основных задач цитогенетики относятся идентификация и цитогенетическое картирование хромосом. Впервые идентификацию хромосом растений на тотальных цитологических препаратах клеток кукурузы (сохраняющих целостность хромосом) провела в 1929 Б. Мак-Клинток, разработавшая метод анализа хромосом на стадии профазы I деления мейоза, при котором хромосомы идентифицируются под микроскопом по «рисунку» их хромомерного строения (так называемый пахитенный анализ). В 1933 году аналогичный метод был успешно применен для изучения политенных хромосом дрозофилы (Т. Пайнтер, США; Э. Хейтц и Г. Бауэр, Германия).

В 1935 году К. Бриджес создал первую цитологическую карту политенных хромосом дрозофилы, содержащую нумерацию всех хромомер (дисков). В последующие десятилетия другие исследователи нанесли на эту карту данные о локализации структурных генов, мобильных элементов генома, повторяющихся последовательностей нуклеотидов ДНК и различных структурно-функциональных единиц хромосом. Такая карта хромосом называется цитогенетической. Она отличается от генетической карты (схемы линейного расположения генов в хромосоме) тем, что на ней гены «привязаны» к морфологическим структурам хромосом — хромомерам и другим цитологическим «маркерам».

С 1930-х годах тотальные препараты хромосом стали широко использоваться для исследования кариотипов и, особенно, хромосомных перестроек у растений и животных. В 1956 году Ю. Тийо и А. Леван (Швеция) разработали метод приготовления тотальных препаратов хромосом человека и правильно определили диплоидное число хромосом у него, положив начало цитогенетике человека. В 1968 году Т. Касперсон и другие (Швеция) разработали метод дифференциальной окраски хромосом, (chromosome banding), позволяющий выявлять закономерно расположенные и закрепленные наследственно участки плотной конденсации вещества хромосом и, на основе их расположения, идентифицировать хромосомы, не различающиеся по признакам, видимым без такой окраски. Позднее аналогичный метод был использован для идентификации хромосом у межвидовых гибридов растений и животных, включая гибриды соматические клеток in vitro.

В классической цитогенетике для выяснения принадлежности генов к той или иной хромосоме используют анеуполидию, особенно трисомию (при которой наблюдается отклонение в сегрегации признаков в потомстве гетерозигот). При моносомии проявляются все рецессивные гены, находящиеся в сохранившейся единственной хромосоме данной пары хромосом. Это позволяет устанавливать принадлежность данных генов к данной хромосоме, и на этом основан «моносомный анализ». На сериях анеуплоидов, полученных у многих видов растений доказано влияние определенных хромосом на развитие конкретных признаков. Явления моносомии и трисомии нашли важное применение в работах по локализации генов в хромосомах растений и человека, в селекции растений и медицинской генетике. В 1965 Б. Эфрусси и другие (Франция) открыли способ отдаленной гибридизации соматических клеток животных, который также широко применяется в цитогенетике животных и человека для отнесения генов к той или иной хромосоме. Для целей картирования генов на цитологических картах с конца 20-х годов используются делеции (Мак-Клинток, Бриджес и другие). При делециях проявляются рецессивные гены, если их доминантные аллели находились в делетированном (потерянном) участке гомологичной хромосомы. Важное место в цитогенетике занимают исследования генетической и структурной роли гетерохроматина в хромосомах. Фундаментальные обобщения 50-летних исследований в этой области сделаны А. А. Прокофьевой-Бельговской (1986, СССР).

Созданы цитологические и цитогенетические карты политенных хромосом многих видов дрозофилы и других двукрылых, мейотических (пахитенных) хромосом кукурузы, ржи, томатов, человека, хромосом типа ламповых щеток земноводных и птиц, метафазных хромосом человека, мыши и многих других видов.

Важное направление в цитогенетике — исследование роли геномных и хромосомных перестроек в видообразовании. Оно включает вопросы видовой специфичности кариотипа и роли хромосомных и геномных перестроек в репродуктивной изоляции и эволюционной дивергенции популяций и видов. Эти исследования базируются на доказательствах наследования структуры хромосом, впервые представленных С. Г. Навашиным (1912), а также на данных о спонтанно возникающих в природе и затем наследуемых перестройках хромосом, обнаруженных в природных популяциях насекомых В. Р. Роберсоном (1916) и в популяциях растений Д. Беллингом (США) и М. С. Навашиным (СССР) в 1925. Они легли в основу «дислокационной гипотезы эволюции чисел хромосом» (М. С. Навашин, 1932). Согласно этой ныне доказанной теории, число хромосом в клетке определяется числом центромер, причем последние не способны возникать de novo, но хромосомный материал может перемещаться из одной хромосомы в другую (дислокация) в результате перестроек.

Важный вклад в доказательство принципиальной роли хромосомных перестроек в процессах репродуктивной изоляции и дивергенции мутантных генотипов как одного из путей видообразования в 30-50-е годы сделали Ф. Г. Добжанский(США) и его ученики, а также Н. П. Дубинин, Н. Н. Соколов (СССР), в 50-80-е годы — Р. Маттей (Швейцария), М. Дж. Д. Уайт (Австралия), Н. Н. Воронцов (СССР), А. Гропп (Германия) и др.

В 1927 году Г. Д. Карпеченко доказал возможность «синтеза» новых хромосомных наборов и новых биологических видов путем удвоения числа хромосом у межродовых гибридов. Такие гибриды бесплодны из-за отсутствия парных (гомологичных) хромосом вызванного этим хаотичного расхождения хромосом в мейозе. Удвоение числа хромосом у таких гибридов восстанавливает парность хромосом, превращая их в аллополиплоиды, и возвращает им плодовитость. В 1930 годах Х. Кихара (Япония) разработал метод анализа филогенетического родства геномов (геномный анализ), основанный на способности гомологичных и гомеологичных (частично гомологичных) хромосом спариваться в мейозе у гибридов и полиплоидов. Это позволило анализировать происхождение геномов в ходе эволюции у растений и доказать аллополиплоидное происхождение многих диких и культурных видов.

Работами Е. Р. Сирса и М. Окамото (США), Р. Райли и В. Чепмена (Великобритания) в 50-60-е годы было доказано существование у имеющей аллополиплоидное происхождение пшеницы мягкой (Triticum aestivum) генов, препятствующих спариванию гомеологичных хромосом в мейозе и, таким образом, превращающих этот вид в нормальный диплоидный вид. Аналогичные «диплоидизирующие» гены найдены и у других злаков. Сделан вывод, что эти гены служат мощным фактором прогрессивной эволюции полиплоидных растений, нормализуя их мейоз по диплоидному типу.

Проблема репликации хромосом, впервые сформулированная как проблема авторепродукции высокополимерных молекулярных матриц Н. К. Кольцовым в 1924 году, получила экспериментальное решение благодаря доказательствам генетической роли ДНК (О. Эйвери и др., 1944) и постоянства количества ДНК в хроматидах в цикле митоза и мейоза (Р. Вандрели и К. Вандрели, 1948, Франция; А. Мирский и Г. Рис, 1948, США), и открытию молекулярной организации ДНК (Ф.Крик и Дж.Уотсон, 1953, Великобритания). В 1957 году Г.Тейлор и др. (США) доказали полуконсервативный характер репликации хромосом, аналогичный репликации молекул ДНК (М. Мезельсон и Ф Сталь, 1957, США) и тем решили загадку точного продольного копирования хромосом в клеточном цикле (в митозе). В той же работе было открыто явление сестринских хроматидных обменов.

Важное место в цитогенетике занимают исследования хромосомных механизмов мейоза и генетической рекомбинации, поскольку явления, происходящие с хромосомами в мейозе, определяют основные закономерности наследования хромосом в ряду поколений организмов и в формировании генотипа потомства. Исследуются закономерности редукции числа хромосом в мейозе и сегрегации аллелей генов. Они определяются предварительным спариванием (конъюгацией) гомологичных хромосом, обменом участками этих хромосом (кроссинговером), приводящим к образованию хиазм — физических перекрестов между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом и неспособностью сестринских хроматид разъединяться так как это происходит в митозе. Вследствие этого в первом делении мейоза расходятся не хроматиды, а гомологичные хромосомы. Важным для решении этих проблем было открытие генов мейоза, управляющих этими явлениями (Дж. Гоуен, 1922, Дж. Бидл, 1930, США.) и цитологические доказательства обмена сегментам хроматид при кроссинговере (К. Штерн, Германия; Б. Мак-Клинток, США, 1931). В 1956 году М. Мозес (США) открыл синаптонемный комплекс — белковую «скелетную» структуру, формирующуюся между спаренными гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза, Эта структура обеспечивает регулярность и точность этого спаривания и кроссиговера гомологичных хромосом в ходе мейоза.

Проблема дифференциальной активности генов в хромосомах сформулированная Дж. Бидлом (США) и Б. Эфрусси в 30-е годы, была решена в 60-е годы после того, как В. Беерман (1961, Германия) установил, что пуфы в политенных хромосомах личинок комаров являются локусами активных генов, транскрибирующих РНК, а Дж. Голл (США) и Г. Кэллан (Великобритиания) установили, что боковые петли хромосом типа ламповых щеток транскрибируют РНК, и было сформулировано положение о том, что активизация генов связана с декоденсацией их локусов. Развитие этих работ позволило изучать регуляцию активности генов в ходе онтогенеза.

Проблемы молекулярной организации, репродукции и функционирования хромосом, тесно связанные с цитогенетикой, иногда выделяют в самостоятельный раздел клеточной биологии — биологию хромосом (хромосомистику), выходящий за рамки задач собственно цитогенетики, однако их решение создало основу современной молекулярной цитогенетики.

В 1970-х годах в практику цитогенетики вошел метод определения локализации генов в хромосомах с помощью РНК-ДНК и ДНК-ДНК «гибридизации» in situ. Этим методом выявляют с какими участками (сайтами) хромосом «гибридизуется» (связывается по матричному принципу с «расплетенной» спиралью ДНК) известный фрагмент ДНК, выбранный в качестве «молекулярного зонда». Зондом может быть повторяющаяся последовательность ДНК, специфичная для данной хромосомы, или уникальный ген. Зонд несет специальную метку. В первых работах (Ф. Ритосса и С. Спигельман, 1966, США; М. Пардью, Дж. Голл, (США); В. Хенниг и другие, 1969-75 гг., ФРГ) и вплоть до конца 1980-х годов использовали радиоактивную метку, в частности ³Н-тимидин, которую выявляли с помощью авторадиографии. В 1990-е годы в качестве метки начали применять цветные флюорохромы, выявляемые с помощью флюоресцентной микроскопии с компьютерным усилением и компьютерной регистрацией «сигнала» (флюоресцирующей метки) в местах «гибридизации» зонда на хромосомах. Метод назван флюоресцентной in situ гибридизацией (FISH). Он существенно облегчил картирование и исследование хромосомных перестроек и решение других задач.

Для анализа происхождения гибридных или аллополиплоидых геномов в качестве молекулярного зонда используют меченую тотальную ДНК всех хромосом предполагаемого родственного вида. При этом на цветном цитологическом препарате выявляются хромосомы полученные видом «реципиентом» от вида «донора» (метод геномной in situ гибридизации — GISH).

Разработка новых подходов к исследованию молекулярной и ультраструктурной организации хромосом привела к созданию нового направления — молекулярной цитогенетики, решающей вопросы молекулярной организации («молекулярной анатомии») специфичесских хромосомных структур: центромерных и теломерных районов, ядрышкового организатора, индивидуальных хромомер, гетерохроматических районов, не несущих структурных генов, но обладающих набором повторяющихся последовательностей ДНК, которые служат специфическими молекулярными маркерами индивидуальных хромосом. Методические основы молекулярной цитогенетики состоят в сочетании микроскопического и субмикроскопического исследования хромосом с изучением генов методами молекулярной биологии и молекулярной генетики. Так, клонирование мобильных генетических элементов (Д. Хоггнес и др. 1976, США, Г. П. Георгиев и др., 1977, СССР) и доказательство мутаций генов в результате внедрения этих элементов в геном (Дж. Рубин и другие, 1982, США) позволили использовать мобильные элементы в качестве ДНК-зондов для обнаружения мест локализации мутантных генов в хромосомах. Цитогенетические карты хромосом послужили основой для локализации всех выявленных к середине 2000 г. генов дрозофилы (13600 генов, кодирующих белки) и человека (около 60 тыс. генов и молекулярных маркеров). Методы работы с таким количеством генов выходят за рамки цитогенетики и основаны на методах геномики (включающих методы генной инженерии и компьютерного анализа, см Геном).

Цитогенетические исследования, связанные, прежде всего, с визуальными (микроскопическими) методами наблюдения наследственных структур клетки, сыграли важную роль в развитии и обосновании основных теоретических положений современной генетики. Закономерности цитогенетики широко используются при анализе путей эволюции растений и животных, позволяют контролировать генетические явления в ходе селекционного процесса в растениеводстве и животноводстве, осуществлять диагностику наследственных болезней человека, используются для выявления мутагенного действия факторов окружающей среды на живые организмы.

Наиболее активные исследования в области цитогенетики в настоящее время ведутся в США, Великобритании, Германии, Испании. В России они осуществляются в Институте цитологии и генетики СО РАН (Новосибирск) Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова, Институте молекулярной биологии им. В. М. Энгельгардта, Институте молекулярной генетики, Институте общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН (Москва), Всесоюзном медико-генетическом научном центре РАМН (Москва), Санкт-Петербургсом государственном университете (Санкт-Петербург), и других.

Результаты новейших исследований в области цитогенетики публикуются в журналах Генетика; Chromosoma; Chromosome Research; Cytogenetics and Cell Genetics; Genetics; Genome; Human Genetics и других.

Автор: Ю.Ф. Богданов