Numero XY di reclutamento per l'analisi dei cromosomi del cariotipo umano negli uomini donne

cromosoma

I cromosomi sono i principali elementi strutturali del nucleo cellulare, che sono portatori dei geni in cui sono codificate le informazioni ereditarie. Possedendo la capacità di riprodursi, i cromosomi forniscono un legame genetico tra generazioni.

La morfologia dei cromosomi è associata al grado della loro spirale. Per esempio, se nello stadio dell'interfase (vedi Mitosi, Meiosi), i cromosomi sono espansi al massimo, cioè vengono despiralizzati, quindi con l'inizio della divisione i cromosomi si intensificano e si accorciano attivamente. La massima spiralizzazione e accorciamento del cromosoma si ottiene nello stadio di metafase, quando si formano strutture relativamente corte e densamente colorate con coloranti basici. Questo stadio è più conveniente per lo studio delle caratteristiche morfologiche dei cromosomi.

Il cromosoma in metafase consiste di due subunità longitudinali - cromatidi [ la microscopia elettronica rivela nella struttura cromosomica i fili elementari (i cosiddetti chromonemes o cromofibrille) con uno spessore di 200 Å, ciascuno dei quali è costituito da due subunità].

Le dimensioni dei cromosomi di piante e animali variano considerevolmente: da frazioni di micron a decine di micron. Le lunghezze medie dei cromosomi in metafase umani sono comprese nell'intervallo 1,5-10 micron.

Le basi chimiche della struttura dei cromosomi sono nucleoproteine ​​- complessi di acidi nucleici (vedi) con le principali proteine ​​- istoni e protamine.

normale struttura cromosomica
Fig. 1. La struttura del cromosoma normale.
A - aspetto; B - struttura interna: 1 - costrizione primaria; 2 - vita secondaria; 3 - satellite; 4 - centromero.

I singoli cromosomi (figura 1) si distinguono per la localizzazione della vita primaria, cioè la posizione del centromero (durante la mitosi e la meiosi, i fili del fuso sono attaccati a questo punto, tirandolo verso il polo). Quando un centromero viene perso, frammenti di cromosomi perdono la loro capacità di divergere durante la divisione. La costrizione primaria divide i cromosomi in 2 braccia. A seconda della posizione della costrizione primaria, i cromosomi sono divisi in metacentri (entrambi i bracci di uguale o quasi uguale lunghezza), submetacentrici (braccia di lunghezza diseguale) e acrocentrici (centromero spostati verso la fine del cromosoma). Oltre al primario, nei cromosomi può essere meno pronunciata la vita secondaria. Una piccola porzione terminale dei cromosomi, separata da una costrizione secondaria, è chiamata satellite.

Ogni tipo di organismo è caratterizzato dal suo specifico (in termini di numero, dimensioni e forma dei cromosomi), il cosiddetto set cromosomico. La combinazione di un set di cromosomi doppio, o diploide, è indicata come il cariotipo.


set cromosoma femminile
Fig. 2. Il normale set cromosomico di una donna (nell'angolo in basso a destra ci sono due cromosomi X).

set di cromosomi maschili
Fig. 3. Il normale set cromosomico di un uomo (nell'angolo in basso a destra - successivamente cromosomi X e Y).

Le cellule germinali mature, gli ovociti e gli spermatozoi contengono un singolo, o aploide, set di cromosomi (n), che è la metà del set diploide (2n) inerente ai cromosomi di tutte le altre cellule del corpo. Nell'insieme diploide, ciascun cromosoma è rappresentato da una coppia di omologhi, uno dei quali è di madre e l'altro di origine paterna. Nella maggior parte dei casi, i cromosomi di ciascuna coppia sono identici per dimensione, forma e composizione genica. L'eccezione sono i cromosomi sessuali, la cui presenza determina lo sviluppo dell'organismo nella direzione maschile o femminile. Un set di cromosomi umani normali consiste di 22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali. Nell'uomo e in altri mammiferi, il sesso femminile è determinato dalla presenza di due cromosomi X e dal genere maschile da un cromosoma X e uno Y (Fig. 2 e 3). Nelle cellule femminili, uno dei cromosomi X è geneticamente inattivo e si trova nel nucleo interfase sotto forma di cromatina sessuale (vedi). Lo studio dei cromosomi umani in salute e patologia è oggetto di citogenetica medica. Si stabilisce che le deviazioni nel numero o nella struttura dei cromosomi dalla norma che si verificano nel sesso! le cellule o nelle prime fasi di frantumazione di un ovulo fecondato, causano la rottura del normale sviluppo dell'organismo, causando in alcuni casi l'insorgenza di parti di aborti spontanei, morti da nascite, malformazioni congenite e anomalie dello sviluppo dopo la nascita (malattie cromosomiche). Esempi di malattie cromosomiche includono la malattia di Down (cromosoma G supplementare), la sindrome di Klinefelter (cromosoma X in più negli uomini) e Shereshevsky-Turner (mancanza di un Y-cariotipo o di uno dei cromosomi X). Nella pratica medica, l'analisi cromosomica viene effettuata mediante un metodo diretto (sulle cellule del midollo osseo) o dopo la coltivazione a breve termine di cellule al di fuori del corpo (sangue periferico, pelle, tessuti embrionali).

Cromosomi (dal greco Chroma - colorazione e soma - corpo) - elementi strutturali filamentosi e auto-riproducenti del nucleo cellulare, contenenti in ordine lineare i fattori ereditari - geni. I cromosomi sono chiaramente visibili nel nucleo durante la divisione delle cellule somatiche (mitosi) e durante la divisione (maturazione) delle cellule germinali - meiosi (Figura 1). In questo e in un altro caso, i cromosomi sono intensamente macchiati con coloranti basici, e anche visibili su preparati citologici non macchiati in contrasto di fase. Nel nucleo interfase, i cromosomi non sono sciralizzati e non sono visibili al microscopio ottico, poiché le loro dimensioni trasversali vanno oltre la risoluzione del microscopio ottico. In questo momento, singole parti di cromosomi sotto forma di filamenti sottili con un diametro di 100-500 Å possono essere distinti usando un microscopio elettronico. Separate regioni non despiralizzate di cromosomi nel nucleo interfase sono visibili attraverso un microscopio ottico come regioni (eteroficotiche) intensamente colorate (cromocentri).

I cromosomi esistono continuamente nel nucleo della cellula, sottoposti a un ciclo di spirale reversibile: mitosi - interfase - mitosi. Gli schemi di base della struttura e del comportamento dei cromosomi nella mitosi, nella meiosi e durante la fecondazione sono gli stessi in tutti gli organismi.

Teoria cromosomica dell'eredità . I cromosomi furono descritti per la prima volta da I. D. Chistyakov nel 1874 e Strasburger (E. Strasburger) nel 1879. Nel 1901 Wilson (E.Ver Wilson), e nel 1902 Sutton (WS Sutton) attirò l'attenzione sul parallelismo nel comportamento dei cromosomi e dei fattori mendeliani dell'ereditarietà - i geni - nella meiosi e durante la fecondazione, giunsero alla conclusione che i geni sono nei cromosomi. Negli anni 1915-1920. Morgan (T.N. Morgan) ei suoi collaboratori hanno dimostrato questa posizione, localizzato diverse centinaia di geni nei cromosomi della Drosophila e creato mappe genetiche dei cromosomi. I dati sui cromosomi ottenuti nel primo quarto del XX secolo costituivano la base della teoria cromosomica dell'ereditarietà, secondo la quale la continuità dei segni di cellule e organismi in un numero delle loro generazioni è assicurata dalla continuità dei loro cromosomi.

Composizione chimica e riproduzione automatica dei cromosomi . Come risultato degli studi citochimici e biochimici dei cromosomi negli anni '30 e '50 del XX secolo, è stato stabilito che consistono di componenti costanti [DNA (vedi acidi nucleici), proteine ​​basiche (istoni o protamine), proteine ​​non istoniche] e componenti variabili (RNA e proteina acida associata). La base dei cromosomi sono i filamenti di desossiribonucleoproteina con un diametro di circa 200 Å (Figura 2), che possono essere combinati in fasci con un diametro di 500 A.

La scoperta di Watson e Crick (JD Watson, F.N. Crick) nel 1953 sulla struttura della molecola del DNA, il meccanismo della sua autoreproduction (reduplicazione) e il codice del DNA nucleico e lo sviluppo della genetica molecolare sorto dopo questo portarono all'idea di geni come parti della molecola del DNA. (vedi Genetica). I modelli di auto-riproduzione dei cromosomi sono stati rivelati [Taylor (J.N. Taylor) et al., 1957], che si sono rivelati simili ai modelli di autoreproduction delle molecole di DNA (semi-conservatore reduplicazione).

Il set cromosomico è la raccolta di tutti i cromosomi in una cellula. Ogni specie ha un insieme caratteristico e costante di cromosomi, fissato nell'evoluzione di questa specie. Esistono due tipi principali di gruppi cromosomici: singoli o aploidi (nelle cellule germinali degli animali), denotati n, e doppi o diploidi (in cellule somatiche, contenenti coppie di cromosomi omologhi simili dalla madre e dal padre), denotati 2n.

Le serie di cromosomi delle singole specie variano considerevolmente nel numero di cromosomi: da 2 (ascar di cavallo) a centinaia e migliaia (alcune piante di spore e protozoi). I numeri diploidi dei cromosomi di alcuni organismi sono i seguenti: umani - 46, gorilla - 48, gatti - 60, ratti - 42, Drosophila - 8.

Anche le dimensioni dei cromosomi nelle diverse specie sono diverse. La lunghezza dei cromosomi (in metafase della mitosi) varia da 0,2 micron in alcune specie a 50 micron in altri e diametro da 0,2 a 3 micron.

La morfologia dei cromosomi è ben espressa nella metafase della mitosi. I cromosomi in metafase sono usati per identificare i cromosomi. In questi cromosomi, entrambi i cromatidi sono chiaramente visibili, in cui ciascun cromosoma e centromero (cinetocore, vita principale) sono suddivisi longitudinalmente, collegando i cromatidi (figura 3). Il Centromer è visibile come un'area ristretta che non contiene cromatina (vedi); ci sono dei fili del fuso di acromatina, a causa dei quali il centromero determina il movimento dei cromosomi ai poli nella mitosi e nella meiosi (figura 4).

La perdita di un centromero, ad esempio, quando un cromosoma viene rotto da radiazioni ionizzanti o altri mutageni, porta ad una perdita della capacità di un pezzo cromosomico privo di un centromero (frammento acentric) di partecipare alla mitosi e alla meiosi e di perderlo dal nucleo. Questo può portare a gravi danni alle cellule.

Il centromero divide il corpo del cromosoma in due braccia. La posizione del centromero è strettamente costante per ciascun cromosoma e definisce tre tipi di cromosomi: 1) cromosomi acrocentrici, oa forma di bastoncelli, con una spalla lunga e una spalla molto breve simile a una testa; 2) cromosomi submetacentrici con lunghe braccia di lunghezza disuguale; 3) cromosomi metacentrici con spalle della stessa lunghezza o quasi della stessa lunghezza (Fig. 3, 4, 5 e 7).


Fig. Fig. 4. Diagramma della struttura dei cromosomi nella metafase della mitosi dopo la scissione del centromero longitudinale: A e A1 sono cromatidi fratelli; 1 - spalla lunga; 2 - spalla corta; 3 - vita secondaria; 4 - centromero; 5 - fibre del fuso.

Le caratteristiche della morfologia di alcuni cromosomi sono le cinture secondarie (che non hanno la funzione di un centromero), così come i satelliti - piccole regioni cromosomiche collegate al resto del corpo da un filo sottile (figura 5). I fili satellite hanno la capacità di formare nucleoli. La struttura caratteristica nel cromosoma (cromomeri) è l'ispessimento o sezioni più densamente elicoidali del filo cromosomico (chromonema). Il modello cromosomico è specifico per ogni coppia di cromosomi.


Fig. 5. Schema della morfologia cromosomica nella mitosi anafase (cromatide, divergente al polo). E - l'aspetto del cromosoma; B - la struttura interna dello stesso cromosoma con due cromonemi costituenti (semi-cromatidi): 1 - costrizione primaria con cromomeri costituenti centromeri; 2 - vita secondaria; 3 - satellite; 4 - filo satellite.

Il numero di cromosomi, la loro dimensione e forma in fase metafase sono caratteristici di ciascun tipo di organismo. La combinazione di queste caratteristiche di un set di cromosomi è chiamata karyotype. Il cariotipo può essere rappresentato come un modello chiamato idiogramma (vedi sotto per i cromosomi umani).

Cromosomi sessuali I geni che determinano il sesso sono localizzati in una coppia speciale di cromosomi - cromosomi sessuali (mammiferi, uomo); in altri casi, iol è determinato dal rapporto tra il numero di cromosomi sessuali e tutti gli altri, chiamati autosomi (Drosophila). Nell'uomo, come negli altri mammiferi, il sesso femminile è determinato da due cromosomi identici, identificati come cromosomi X, il sesso maschile è determinato da una coppia di cromosomi eteromorfi: X e Y. Come risultato della divisione di riduzione (meiosi) durante la maturazione degli ovociti (vedi Ovogenesi) nelle donne tutte le uova contengono un cromosoma X. Nei maschi, come risultato della divisione di riduzione (maturazione) degli spermatociti, metà delle cellule spermatiche contengono il cromosoma X e l'altra metà contiene il cromosoma Y. Il sesso di un bambino è determinato dalla fecondazione occasionale dell'uovo con lo sperma che porta il cromosoma X o Y. Di conseguenza, si verifica un embrione del sesso femminile (XX) o maschile (XY). Nel nucleo interfase delle donne, uno dei cromosomi X è visibile come un gruppo di cromatina sessuale compatta.

Il funzionamento dei cromosomi e il metabolismo del nucleo . Il DNA cromosomico è un modello per la sintesi di specifiche molecole di RNA messaggero. Questa sintesi si verifica quando questa regione del cromosoma è despiralizzata. Esempi di attivazione locale dei cromosomi sono: la formazione di anelli cromosomici despiralizzati in ovociti di uccelli, anfibi, pesci (i cosiddetti pennelli a X-lamp) e gonfiori di determinati loci cromosomici nei cromosomi a più eliche (poltene) delle ghiandole salivari e altri organi secretori di insetti a due ali (Fig. 6). Un esempio di inattivazione di un intero cromosoma, cioè la sua disattivazione dal metabolismo di una data cellula, è la formazione di uno dei cromosomi X del corpo compatto della cromatina sessuale.

Fig. 6. Cromosomi politenici dell'insetto Ditteri Acriscotopus lucidus: A e B - una regione delimitata da linee tratteggiate, in uno stato di intenso funzionamento (puff); B - la stessa area in uno stato non funzionante. I numeri indicano singoli loci cromosomici (cromomeri).
Fig. 7. Set cromosomico nella coltura dei leucociti del sangue periferico maschile (2n = 46).

Meccanismi di apertura per il funzionamento dei cromosomi di politene come i pennelli a tubo e altri tipi di spiralizzazione e decolorazione dei cromosomi sono fondamentali per comprendere l'attivazione differenziale reversibile dei geni.

Cromosomi umani Nel 1922, Painter (T. S. Painter) determinò che il numero diploide dei cromosomi umani (in spermatogonia) fosse 48. Nel 1956, Tio e Levan (N. J. Tjio, A. Levan) usarono una serie di nuovi metodi per studiare i cromosomi umani : coltura cellulare; studio dei cromosomi senza sezioni istologiche su preparati cellulari totali; colchicina, che porta alla cessazione della mitosi in fase metafase e all'accumulo di tali metafasi; fitoemagglutinina, stimolando l'ingresso di cellule in mitosi; trattamento delle cellule metafase con soluzione salina ipotonica. Tutto ciò ha permesso di chiarire il numero diploide dei cromosomi negli esseri umani (risultò essere 46) e di descrivere il cariotipo umano. Nel 1960, una commissione internazionale a Denver (USA) sviluppò una nomenclatura di cromosomi umani. Secondo le proposte della commissione, il termine "cariotipo" dovrebbe essere applicato a un insieme sistematico di cromosomi di una singola cellula (Fig. 7 e 8). Il termine "idiotrame" è conservato per rappresentare l'insieme di cromosomi sotto forma di un diagramma, costruito sulla base di misurazioni e descrizione della morfologia cromosomica di diverse cellule.

I cromosomi umani sono numerati (in parte in serie) da 1 a 22 secondo le caratteristiche morfologiche che ne consentono l'identificazione. I cromosomi sessuali non hanno numeri e sono indicati con X e Y (Fig. 8).

È stata trovata una connessione tra un numero di malattie e difetti congeniti nello sviluppo umano con cambiamenti nel numero e nella struttura dei suoi cromosomi. (vedi Eredità).

Vedi anche studi citogenetici.

Tutti questi risultati hanno creato una solida base per lo sviluppo della citogenetica umana.

Fig. 1. Cromosomi: A - nella fase della mitosi anafase nei microsporociti trilobati; B - nella fase di metafase della prima divisione della meiosi nelle cellule di polline madre della tradescantia. In entrambi i casi, la struttura a spirale dei cromosomi è visibile.
Fig. 2. Filamenti elementari cromosomici con un diametro di 100 À (DNA + istone) da nuclei del timo del polpaccio interfase (microscopia elettronica): A - trefoli isolati dai nuclei; B - taglio sottile attraverso il film della stessa droga.
Fig. 3. Set cromosomi di Vicia faba (fava bean) in fase metafase.
Fig. 8. I cromosomi sono gli stessi di fig. 7, set, sistematizzati secondo la nomenclatura di Denver in coppie di omologhi (cariotipo).