Хромосомы человека: строение и функции¶

Хромосомы человека — это структурные элементы клеточного ядра, содержащие дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и обеспечивающие хранение, передачу и реализацию наследственной информации. В соматических (неполовых) клетках человека содержится 46 хромосом, образующих 23 пары, из которых 22 пары являются аутосомами и одна пара — половыми хромосомами (XX у женщин, XY у мужчин). Каждая хромосома представляет собой компактно упакованную молекулу ДНК, связанную с белками-гистонами, которые обеспечивают её структурную организацию и регуляцию активности генов.

¶Строение хромосом

Основу хромосомы составляет линейная двухцепочечная молекула ДНК, длина которой у человека варьируется от 47 до 250 миллионов пар нуклеотидов. ДНК намотана на белковые комплексы — нуклеосомы, состоящие из восьми молекул гистонов (H2A, H2B, H3, H4). Такая упаковка обеспечивает многократное компактирование генетического материала: суммарная длина всей ДНК в одной клетке достигает примерно двух метров, при этом она помещается в ядро диаметром около 10 микрометров.

В метафазной хромосоме (стадия деления клетки) выделяют следующие структурные элементы:

• Центромера — суженный участок, разделяющий хромосому на два плеча и обеспечивающий правильное расхождение хромосом при делении клетки.
• Теломеры — концевые участки хромосом, защищающие ДНК от повреждений и укорочения при репликации.
• Плечи — короткое (p) и длинное (q), соотношение длин которых используется для идентификации хромосом.

По расположению центромеры выделяют метацентрические (центромера посередине), субметацентрические (смещена к одному концу) и акроцентрические (центромера близка к концу) хромосомы. У человека акроцентрическими являются хромосомы 13, 14, 15, 21 и 22, несущие гены рибосомной РНК.

¶Кариотип человека

Кариотип — это полный набор хромосом клетки, характерный для данного вида. У человека нормальный кариотип включает 46 хромосом (2n = 46). Систематизация хромосом по размеру, положению центромеры и рисунку дифференциальной окраски положена в основу Денверской и Парижской классификаций. Хромосомы нумеруются от 1 до 22 по убыванию размера, половые хромосомы обозначаются буквами X и Y.

Формула кариотипа записывается как 46,XX (женский) или 46,XY (мужской). Половые хромосомы определяют генетический пол: наличие Y-хромосомы, содержащей ген SRY, инициирует развитие по мужскому типу. Х-хромосома содержит около 900 генов, Y-хромосома — примерно 55 генов, включая гены, отвечающие за сперматогенез.

¶Генетическая карта

Общее число генов в человеческом геноме, по данным проекта «Геном человека» (завершён в 2003 году), составляет около 20–25 тысяч. Распределение генов по хромосомам неравномерно: наиболее генетически насыщенными являются хромосомы 1, 11 и 19, а наименее — хромосомы 13, 18 и Y. Помимо генов, кодирующих белки, в хромосомах содержатся регуляторные последовательности, участки некодирующей ДНК, а также сателлитная ДНК, формирующая гетерохроматин — компактные, генетически неактивные области.

¶Хромосомные аномалии

Нарушения числа или структуры хромосом приводят к хромосомным болезням. Наиболее распространённые числовые аномалии (анеуплоидии) включают:

• Синдром Дауна — трисомия по 21-й хромосоме (47,XY,+21 или 47,XX,+21), частота примерно 1 случай на 700 новорождённых.
• Синдром Патау — трисомия по 13-й хромосоме, тяжёлые пороки развития.
• Синдром Эдвардса — трисомия по 18-й хромосоме, большинство детей погибают в первый год жизни.
• Синдром Шерешевского — Тёрнера — моносомия по X-хромосоме (45,X) у женщин.
• Синдром Клайнфельтера — наличие лишней X-хромосомы у мужчин (47,XXY).

Структурные аномалии включают делеции (утраты участков), дупликации (удвоения), инверсии (развороты) и транслокации (переносы участков между хромосомами). Примером структурной аномалии служит делеция короткого плеча хромосомы 5, приводящая к синдрому «кошачьего крика».

¶Методы исследования

Для анализа хромосом применяются следующие методы:

• Цитогенетический анализ — микроскопическое исследование окрашенных метафазных хромосом, позволяющее выявить числовые и крупные структурные аномалии.
• FISH (флуоресцентная гибридизация in situ) — метод визуализации специфических последовательностей ДНК на хромосомах с помощью флуоресцентных зондов.
• Хромосомный микроматричный анализ — выявление субмикроскопических делеций и дупликаций.
• Секвенирование нового поколения — определение точной нуклеотидной последовательности ДНК, позволяющее обнаруживать точечные мутации.

Пренатальная диагностика хромосомных аномалий проводится путём неинвазивного тестирования по крови матери, а также инвазивными методами (биопсия ворсин хориона, амниоцентез) при наличии показаний.

¶Эволюционные аспекты

Сравнительная геномика показывает, что хромосомы человека имеют гомологию с хромосомами других приматов. Хромосома 2 человека образовалась в результате слияния двух предковых хромосом, соответствующих хромосомам 2A и 2B шимпанзе. Это слияние, произошедшее около 3–4 миллионов лет назад, является одним из ключевых отличий человеческого кариотипа от кариотипа человекообразных обезьян.

¶Интересные факты

• Х-хромосома содержит около 5 % всей ДНК клетки, Y-хромосома — наименьшая, примерно 58 миллионов пар нуклеотидов.
• У женщин одна из двух Х-хромосом в каждой клетке случайным образом инактивируется (процесс лайонизации), что компенсирует дозу генов.
• Теломерные участки укорачиваются при каждом делении клетки, что связано с процессами старения; фермент теломераза способна восстанавливать их длину в стволовых и раковых клетках.
• Хромосома 1 — самая крупная, содержит более 2 800 генов, включая гены, ассоциированные с предрасположенностью к некоторым онкологическим заболеваниям.

¶Литература

• Международная программа «Геном человека», 1990–2003.
• Генетика: учебник для вузов / под ред. В. И. Иванова. — М.: Академкнига, 2006.
• Strachan T., Read A. Human Molecular Genetics. — 4th ed. — Garland Science, 2011.
• Nussbaum R., McInnes R., Willard H. Thompson & Thompson Genetics in Medicine. — 8th ed. — Elsevier, 2016.