|
1Сибирский Государственный Медицинский Университет (Россия, Томск)
2Кемеровский государственный университет (Россия, Кемерово)
Интерфазное ядро содержит как деконденсированный хроматин (эухроматин), который распределен диффузно и слабо окрашивается при использовании гистологических красителей, так и конденсированные «глыбки» темно окрашенного хроматина, называемого гетерохроматином [2]. Обычно выделяют два типа гетерохроматина – конститутивный (структурный) и факультативный. Структурный гетерохроматин остается конденсированным на протяжении всего клеточного цикла, что обеспечивается его молекулярной организацией, образованием постоянных плотных упаковок ДНК-гистон, отсутствием негистонных белков и хромонемного уровня организации [16]. В свою очередь факультативный гетерохроматин, который в контексте молекулярного строения не является собственно гетерохроматином, а эухроматином, может переходить из неактивного (конденсированного) состояния в активное и наоборот. Это явление получило название гетерохроматинизации. Оно обусловлено последовательными уровнями спирализации и суперспирализации длинной нити ДНК, приводящей к генетической репрессии участков эухроматина.
В литературе накапливаются данные о защитных механизмах клетки на генетическом и цитологическом уровне в ответ на действие экзо- и эндогенных факторов. Большую роль в данном вопросе играет конденсированное состояние структурного гетерохроматина. Локализуясь на внутренней стороне ядерной оболочки в период интерфазы, структурный гетерохроматин защищает жизненно важные участки хромосом, несущие транскрибируемые гены [18]. В защиту этой гипотезы свидетельствуют данные о наибольшей чувствительности ядра к радиации и химическим агентам в период митоза, когда гетерохорматин сконденсирован в хромосомах, а также данные о локализации разрывов, индуцированных различными мутагенами и сосредоточенных в гетерохроматических районах [16].
Многочисленные исследования действия ионизирующей радиации и химических агентов показали, что, как правило, разрывы, вызван¬ные действием мутагена, распределяются по длине хромосомы не слу¬чайно, а предпочтительно сосредоточиваются в гетерохроматических районах [6, 16, 20, 21]. Так, например, Лежен с коллегами исследовал хромосомные наборы 38 пациентов - носителей реципрокных транслокаций [21]. В 18 слу¬чаях разрывы прошли в центромерных районах, скорее всего в районах центромерного гетерохроматина, в 20 случаях — в теломерных. Разрывы, вызванные действием различных мутагенов, благодаря поздней репликации ДНК гетерохроматиновых районов, остаются открытыми в течение длительного времени.
В экспериментах с действием Х-лучей на хромосомы лейкоцитов крови человека in vitro была установлена неслучайность вовлечения разных хромосом в формирование дицентриков [1]. Это особенно отчётливо выражено в высокой частоте формирования дицентриков типа D/D. Авторы объясняют этот феномен неслучайностью расположения хромосом в ядре. В 1976 году Halbrecht и Shabtay предложили гипотезу, согласно которой в участках хромосом, где имеются уве¬личенные гетерохроматические блоки, может повышаться вероятность различных поломок [23].
Также предпочтительная локализация разрывов в гетерохроматических районах центромер и вторичных перетяжек установлена при действии вирусов таких заболеваний, как острый эпидемический гепатит [24], саркомы Рауса [26], лихорадки – Herpes sumplex [22], SV40 [25], полиомы [27].
Кроме фундаментальных работ по организации гетерохроматиновых рай¬онов на молекулярном, субмикроскопическом и микроскопическом уровнях, их локализации в хромосомах человека, имеются сообщения о вовлеченности около центромерного гетерохроматина в этиологию спонтанных абортов, невынашивание беременности, дефектов развития и т.д. Про¬блема гетерохроматина стала приобретать не только теоретическое, но и меди¬ко-генетическое значение. На сегодняшний день высказывается мнение о том, что в гетерохроматине локализованы гены - регуляторы пролиферации и клеточного роста, необхо¬димые для нормального развития, а также факторы их регуляции. При этом ак¬тивация и инактивация осуществляются путем изменения характера метилирования [11,12,13,14, 17].
В исследованиях кариотипа личинок комара-звонца Ch. riparius ("мотыль"), отловленных в загрязненных участках с повышенным содержанием тяжелых металлов (кадмия, хрома, меди, свинца, цинка, марганца и железа) и выявлены изменения функциональной активности гетерохроматина [19].
В исследованиях по воздействию экстремально холодных температур на гонады крыс-самцов выяснилось, что под действием этого фактора происходит увеличение количества гетерохроматина в ядрах. Также происходит увеличение гетерохроматина под влиянием эмоционально-болевого стрессирования [3].
Стимуляция центрального отрезка блуждающего нерва сопровождается уменьшением площади конститутивного гетерохроматина. Наряду с этим происходит изменение его пространственной локализации в пределах ядер нейронов. Таким образом, морфологические характеристики гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса изменяются в условиях, моделирующих реализацию ваго-вагального рефлекса [4]
С.А. Назаренко предложил гипотезу «многогранного неспецифического влияния гетерохроматина», объясняющая накопление повторяющихся последовательностей сателлитной ДНК в мужской половой Y-хромосоме. Согласно этой гипотезе гетерохроматин играет большую роль в эволюции генома, повышая эффективность его функционирования благодаря многогранному неспецифическому эффекту, который оказывает некодирующая ДНК на геном и организм в целом, обеспечивая ему селективное преимущество. Также Назаренко выделил другие возможные роли гетерохроматина, не описанные ранее [5]:
• влияние на продолжительность клеточного цикла
• обеспечение необходимой структуры хромосом
• ограничение рекомбинации
В молекулярно-цитогенетических исследованиях детей из разных регионов страны с задержкой психомоторного развития, врожденных пороков и/или микро-аномалий развития несиндромального генеза было доказано, что увеличение околоцентромерного гетерохроматина происходит за счет классической "сателлитной" ДНК. Высказывается предположение о положительной зависимости сроков проживания детей в загрязненных районах и экстремального увеличения С-гетерохроматина [6].
Ю.Г. Шкорбатовым был предложен количественный параметр определения состояния хроматина - определение содержания в ядре гранул гетерохроматина (СГГ). Процесс гетерохроматизации свидетельствует об уменьшении синтетической активности ядра. В проведенных исследованиях импульсное излучение вызывало изменения СГГ. При увеличении напряженности от 10-3 до 10-5 происходило значительное увеличение СГГ, что является свидетельством стресса на уровне клетки. Очень интересным является тот факт, что при воздействии мощностью 10-6 происходило некоторое снижение СГГ, что может быть связано с активацией ядра [7].
С помощью методов С-окрашивания и количественной флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) продемонстрировано достоверное увеличение частоты вариаций гетерохроматиновых участков хромосом у детей с аутизмом по сравнению с контрольной группой [8].
В результате проведенных цитогенетических исследований у больных с синдромом Картагенера [9] обнаружены изменения околоцентромерных гетерохроматиновых районов хромосом 1, 9, 15, 21, а именно 1phqh - инверсия околоцентромерного гетерохроматина хромосомы 1 (2 случая), 9phqh - инверсия околоцентромерного гетерохроматина хромосомы 9, 9qh+ - увеличение блока околоцентромерного гетерохроматина хромосомы 9, 15cenh+ - увеличение блока околоцентромерного гетерохроматина хромосомы 15 (3 случая), 21cenh- - уменьшение блока околоцентромерного гетерохроматина хромосомы 21. При анализе выяснилось, нарушения околоцентромерных районов отдельных хромосом выявлены у всех 8 больных.
Таким образом, у больных с синдромом Картагенера по данным цитогенетического и молекулярно-цитогенетического исследований обнаружены:
1) неспецифические нарушения в околоцентромерных гетерохроматиновых районах отдельных хромосом, содержащих высокоповторяющиеся некодирующие последовательности ДНК, во всех случаях;
2) независимое варьирование различных типов сателлитных ДНК в увеличенных околоцентромерных районах хромосомы 15;
3) увеличение числа последовательностей сателлитной ДНК в хромосомах 15 с увеличенным блоком околоцентромерного гетерохроматина.
На основании этих данных можно сделать следующие выводы:
- гетерохроматиновые районы имеют селективную ценность в адаптации человека к некоторым экстремальным средовым факторам (к холоду, гипоксии и т.д.);
- содержание гетерохроматина безвредно лишь до определенного уровня, переход за который у некоторых носителей сопровождается риском нарушений в развитии либо у них самих, либо, чаще, у их детей [11, 16].
Очевидна биологическая роль локализации структурного гетерохроматина на внутренней оболочке ядра. Мутагены, многочисленные химические агенты и вирусы, способные вызывать разрывы хромосом, атакуя ядро, прежде всего, контактируют с гетерохроматином, обволакивающим внутреннюю поверхность ядерной мембраны. Возникающие при этом разрывы в менее опасны для организма, чем разрывы в эухроматических частях генома, так как они не отражаются на его жизнеспособности и сопровождаются жизнеспособными хромосомными перестройками [16]. Можно предположить, что процесс гетерохроамтинизации эухроматических районов также выполняет функцию защиты жизненно важных генов от воздействия кластогенных факторов.
Список литературы:
1. Бочков Н.П., Кулешов Н.П., Сергеев А.С., Яковенко К.Н. Идентификация хромосом человека, образующих дицентрики после облучения. – Генетика. - №6. - 1970. – С.179-185.
2. Ворсанова С.Г., Юров И.Ю., Соловьев И.В., Юров Ю.Б. Гетерохроматиновые районы хромосом человека: клинико-биологические аспекты. – М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2008 – 300с.
3. Саяпина И.Ю., Целуйко С.С., Красавина Н.П. Влияние низких температур на морфофункциональное состояние, мужской гонады. // Материалы 13-го Международного конгресса по приполярной медицине. (Приложение к журналу «Бюллетень Сибирского отделения РАМН»), Новосибирск, 2006 год.
4. Дюжикова Н.А. и соавт. Изменение характеристик конститутивного гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса крыс после стимуляции блуждающего нервамеханизмы // Материалы III Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 175-летию со дня рождения Ф.В.Овсянникова «Механизмы функционирования висцеральных систем», Санкт-Петербург, Россия 29 сентября – 1 октября 2003 года
5. Назаренко С.А. Гетерохроматинизация половых хромосом в развитии и эволюции человека // Медицинская генетика. 2002. Т. 1. №3. С.106-112.
6. Ворсанова С. Г., Берешева А.К., Николаева Е.А., Колотий А.Д. и др. Цитогенетическое и молекулярно-цитогенетическое исследование специфических хромосомных аномалий и вариантов у детей, проживающих в загрязненных по радиоактивному цезию (137Сs) районах Российской Федерации после аварии на ЧАЭС // Сибирский экологический журнал. – 2000. - № 1. - С. 79-84.
7. Пасюга В.Н., Шкорбатов Ю.Г., Колчигии Н.Н. Влияние импульсного электромагнитного поля на состояние хроматина в ядрах человека // Международная конференции «Генетика в России и мире, посвященная 40-летию Института общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН». Москва, 2006. - С.151.
8. Ворсанова С. Г. и соавт. Хромосомные аномалии у детей c аутизмом: идентификация генетических маркеров аутистических расстройств // Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова, №10, 2010 год.
9. И.А. Демидова, С.Г. Ворсанова и соавт. Цитогенетическое и молекулярно-цитогенетическое обследование детей с синдромом Картагенера: изучение С-гетерохроматина отдельных хромосом // Российский вестник перинатологии и педиатрии, N4-1999, с.35-39
10. Керкис Ю.Я. Саблина О.В., Раджабли С.И., Бочаров Е.Ф. Исследование хромосомных нарушений в лейкоцитах периферической крови больных острым эпидермическим гепатитом. – Генетика, 1965, 5. – С.67-78.
11. Гвоздев В.Л. и соавт. Гетерохроматин и его функциональные характеристики // Мед. генетика- - 2003. - Т.2, №7. -2003. - С. 290-296.
12. Жимулсв, И.Ф. Молекулярная и генетическая организация гетерохроматина в хромосомах дрозофилы // Соросов, образоват. журн. - 2000.-Т. 6, №2.-С. 76-82.
13. Пендина А,А и соавт. Особенности метилирования прицентромерных гетерохроматиновых районов хромосом 1,9, и 16 у эмбрионов человека // Цитология, - 2001. - Т.435 №8. - С. 772-776.
14. Подугольникова, О.А и соавт. Гетерохроматические районы хромосом 1,9,16 и Y у человека и фенотип // Генетика. - 1984,- Т,20, №3, - С. 496-500.
15. Полиморфизм хромосом у человека / под ред. А,А. Прокофьевой-Бельговской, - М.,1981. - 256 с.
16. Прокофьева-Бельговская А.А. Гетерохроматические районы хромосом. – М.: Наука. - 1986. – 431 с.
17. Casteflo, J.F. Methylation matters // J. Med. Genet. -2001.-Vol. 38,-P. 285-303.
18. Hsu T.C. A possible function of constitutive heterochromatin: The bodyguard hypothesis // Genetics. – 1975. –V.79. - P. 137-150.
19. Michailova Paraskeva, Petrova Ninel, Ramella Lillian, Sella Gabriella, Todorova Joradanka, Zelano Vicenzo. Cytogenetic characteristics of a population of Chironomus riparius Meigen 1804 (Diptera, Chironomidae) from a polluted Po river station // Genetica. - 1996. - 98, No 2. - С. 161-178. - Англ.
20. Hirano, T. Chromosome cohesion, condensation, and separation // Annu. Rev. Biochem. – 2000. – V. 69. – P. 115-144.
21. Lejeune J. Aberrations chromosomiques et maladies humaines: Syndrome de Klinefelter XXY a 46 chromosomes par fusion centromerique T-T // C. r. Acad. sci. D. – 1960. – V.250 - P.2468-2470.
22. Hampar B., Ellison S.A. Cellular alterations in the MCH line of Chinese hamster cells following infection with Herpes simplex virus. – Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1963, 49. – p. 474-476.
23. Halbrecht I., Shabtay F. Human chromosome polymorphism and congenital malformations // Clin.Genet. – 1976. – V.10. - P. 113-122.
24. El-Alfi O.S. Smith P.M., Biesele J.J. Chromosomal breaks in human leucocyte cultures induced by an agent in the plasma of infectious hepatitis patients. – Hereditas, 1965, 52. - P.285-291.
25. Moorhead P.S. Saksela E. The sequence of chromosome aberrations during SV-40 transformation of a human diploid cell strain. – Hereditas, 1965, 52 – p. 271-275.
26. Nichols WW, Levan A, Heneen WK, Peluse M.Synergism of the Schmidt-Ruppin strain of the Rous sarcoma virus and cytidine triphosphate in the induction of chromosome breaks in human cultured leukocytes. - Hereditas. 1965, 54, p. 213-36.
27. Yerganian G., Ti Ho, Cho S.S. Retention of euploidy and mutagenicity of heterochromatin in culture. – In: Symp. Intern. Soc. Cell Biol., 1964, 3. - p.79
|
