Синдром клайнфельтера. реферат. медицина, физкультура, здравоохранение. 2010-12-18

Гены-регуляторы и состав хроматина

В концепции регуляции генной активности, созданной французскими генетиками Жакобом и Моно, дается представление о существовании участков дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которых нет информации о структурах белков. Они выполняют чисто бюрократические – управленческие функции. Называясь генами-регуляторами, эти части хромосом, как правило, в своей структуре лишены белков-гистонов. Хроматин, определение которого было проведено методом секвенирования, получил название открытого.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что в этих локусах расположены последовательности нуклеотидов, препятствующие присоединению к молекулам ДНК белковых частиц. Такие участки содержат регуляторные гены: промоторы, эхансеры, активаторы. Компактизация хроматина в них высока, а длина этих участков в среднем составляет около 300 нм. Существует биохимический метод определения открытого хроматина в изолированных ядрах, при котором используют фермент ДНК-азу. Он очень быстро расщепляет локусы хромосом, лишенные белков-гистонов. Хроматин в этих участках был назван сверхчувствительным.

Эухроматин и гетерохроматин

Хроматин внутри клетки может быть уплотнен в различной степени в зависимости от стадии клетки в клеточном цикле. Хроматин в ядре содержится в виде эухроматина или гетерохроматина. Во время интерфазы, клетка не делится, а подвергается периоду роста. Большая часть хроматина находится в менее компактной форме, известной как эухроматин.

ДНК подвергается воздействию эухроматина, что позволяет проводить репликацию и транскрипцию ДНК. Во время транскрипции двойная спираль ДНК разматывается и открывается, чтобы можно было скопировать гены, кодирующие белки. Репликация и транскрипция ДНК необходимы для того, чтобы клетка синтезировала ДНК, белки и органеллы при подготовке к делению клеток (митоз или мейоз).

Небольшой процент хроматина существует как гетерохроматин во время интерфазы. Этот хроматин плотно упакован, что не позволяет проводить транскрипцию гена. Гетерохроматин окрашивается красителями в более темный цвет, чем эухроматин.

От чего зависит конденсация вещества наследственности

Продолжая изучать вопрос «что такое хроматин», ученые установили, что его уплотнение зависит от белков-гистонов, входящих наряду с молекулами ДНК и РНК в состав нуклеосом. Они состоят из белков четырёх видов, называемых коровыми и линкерными. В момент транскрипции (считывание информации с генов с помощью РНК) вещество наследственности слабо конденсировано и носит название эухроматина.

В настоящее время особенности распределения молекул ДНК, связанных с гистоновыми белками, продолжают изучаться. Например, ученые выяснили, что хроматин различных локусов одной и той же хромосомы отличается уровнем конденсации. Например, в местах прикрепления к хромосоме нитей веретена деления, называемых центромерами, он более плотный, чем в теломерных участках – концевых локусах.

Эухроматин и гетерохроматин

Хроматин в ядре существует в двух формах: менее спирализованной (эухроматин) и более компактной (гетерохроматин). Первая форма соответствует транскрипционно-активным участкам ДНК и поэтому структурирована не так плотно. Гетерохроматин подразделяется на факультативный (может переходить из активной формы в плотную неактивную в зависимости от стадии жизненного цикла клетки и необходимости реализовать те или иные гены) и конститутивный (постоянно уплотнен). Во время митотического или мейотического деления весь хроматин неактивен.

Конститутивный гетерохроматин обнаружен возле центромер и в концевых участках хромосомы. Результаты электронной микроскопии показывают, что такой хроматин сохраняет высокую степень конденсации не только на стадии деления клетки, но и во время интерфазы.

викторина

1. Как достигается переключение между различными конформациями хроматина?A. Через ацетилирование гистоновB. Через фосфорилирование гистоновC. Через метилирование гистоновD. А и БE. А и С

Ответ на вопрос № 1

Е верно. Хроматин переключается между эухроматином и гетерохроматином посредством ацетилирования и метилирования гистонов, обычно происходящих на хвосте гистонов.

2. Почему ДНК слабо упакована в эухроматин?A. Так что ДНК может быть легко доступна для репликации и транскрибирования.B. Включить деление клеток,C. Так что РНК может быть переведена в белки.D. Так что гистоны могут получить доступ к нуклеосомам.

Ответ на вопрос № 2

верно. Экспонируя ДНК, полимеразы и другие белки имеют доступ и могут реплицировать и транскрибировать генетический материал.

3. Какие бусы и нити в эухроматине?A. Бусы – это РНК-полимеразы, а нить – это ДНК.B. Бусы – это гистоны, а нить – это ДНК.C. Бусы – это нуклеосомы, а нить – это ДНК.D. Бусы – это РНК-полимеразы, а нить – это РНК.

Ответ на вопрос № 3

С верно. Нуклеосомы представляют собой комплексы, состоящие из гистонов, вокруг которых оборачивается ДНК. Связью между нуклеосомами является ДНК, также называемая линкерной ДНК.

Типовые различия

Хроматин, в отличие от хромосом, способен существовать в двух типовых разновидностях:

Гетерохроматин -представляет собой хромосомы с очень низким или полностью отсутствующим уровнем функциональной активности. Гетерохроматин может быть и в виде частей хромосом. Он характеризуется относительной конденсированностью, которая представлена не в полном объёме. Под воздействием светового микроскопа гетерохроматин визуализируется как глыбки тёмного оттенка.

Зухроматин имеет характеристики, противоположные имеющимся характеристикам гетерохроматина. Он представляет собой хромосомы или их частичную фрагментацию, отличающуюся неполной степенью деконденсированности. С точки зрения функциональности эухроматин активен. Световой уровень не выявляет эухроматин, он продолжает даже под его воздействием оставаться практически неокрашенным.

Отличительной особенностью хроматина по сравнению с хромосомами можно считать и способность одного из его типов, гетерохроматина, в свою очередь делиться на два структурных элемента:

Факультативный гетерохроматин, который отличает возможность трансформироваться в эухроматин.
Конструктивный тип гетерохроматина, который не способен ни в какой из клеток осуществлять сходное преобразование.

Хромосомы и хроматин можно различать ещё и по внешнему облику. Хроматин представлен глыбками, гранулированными элементами и нитчатыми структурами, в целом можно сказать, что это уплотнённые участки хромосом.
Хромосомы, будучи единицей генетического материала, наделены плотной структурой.

Различна реакция хромосомы и хроматина на окрашивание. Хроматин поддаётся воздействию только некоторых красителей, к ним можно отнести кармин и гематоксилин. Хромосомы окрашиваются интенсивно, чутко реагируя на красящий элемент.

2.История открытия

Как уже
отмечалось выше, Синдром Клайнфельтера
был описан в 1942 году, на основе схожей
симптоматики группы пациентов (первичный
мужской гипогонадизм), было предложено
лечение гормонами, но цитогенетические
основы заболевания оставались неизвестны.

По
одним данным, цитогенетическая основа
синдрома Клайнфельтера впервые
в 1956 году была описана Бриге и
Баром. В кариотипе больных они
выявили лишнюю Х-хромосому (полисомия
по Х-хромосоме), таким образом, их кариотип
представлял собой 47 XXY.

По
другим сведения цитогенетическая основа
синдрома Клайнфельтера была доказана
в 1959 году Джакобсом и Стронгом. Ими
было установлено наличие дополнительной
Х-хромосомы при синдроме Клайнфельтера
.

Активные
исследования данной патологии велись
в 70-х годах в США. Всех новорожденных мальчиков
подвергали кариотипированию, в результате
чего удалось достоверно выявить частоту
встречаемости и генетические особенности
синдрома. Было установлено, что далеко
не всегда синдром Клайнфельтера вызван
нарушениями количества хромосом.

Не
смотря на различия в хронологии, открытия
были сделаны и цитогенетические
основы заболевания были установлены,
что дало возможность осуществлять
диагностику на основании методики
исследования кариотипа.

Локализация вещества наследственности в клетке

ДНК присутствует в таких цитоструктурах, как ядро, а также в органеллах, способных к делению — митохондриях и хлоропластах. Это связано с тем, что данные органоиды выполняют важнейшие функции в клетке: синтез АТФ, а также синтез глюкозы и образование кислорода в клетках растений. На синтетической стадии жизненного цикла материнские органеллы удваиваются. Таким образом, дочерние клетки в результате митоза (деления соматических клеток) или мейоза (образования яйцеклеток и сперматозоидов) получают необходимый арсенал клеточных структур, обеспечивающих клетки питательными веществами и энергией.

Рибонуклеиновая кислота состоит из одной цепи и имеет меньшую молекулярную массу, чем ДНК. Она содержится как в ядре, так и в гиалоплазме, а также входит в состав многих клеточных органоидов: рибосом, митохондрий, эндоплазматической сети, пластид. Хроматин в этих органеллах связан с белками-гистонами и входит в состав плазмид – кольцевых замкнутых молекул ДНК.

Что такое половой хроматин

При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом с Х-хромосомой рождается девочка, в клетках которой содержится два набора из 22 аутосом плюс 2 Х-хромосомы, т. е. всего 46 хромосом. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом, содержащим У-хромосому, рождается мальчик, в ядрах клеток которого содержатся два набора аутосом плюс две половые хромосомы. F-хромосома, участвуя в детерминации пола, способствует формированию мужской особи.

Для теоретического объяснения этих фактов Lyon предложила гипотезу, содержание которой вкратце сводится к следующему. Если в раннем периоде развития женского зародыша имеются две активные половые Х-хромосомы, то около 16-го дня эмбриональной жизни одна из них инактивируется и приобретает вид глыбок гетерохроматина. Следует иметь в виду, что в организме женщины имеется два хроматина различного происхождения: один от матери, другой – от отца. При происходящем далее ин-активировании оно касается в одних клетках Хт, в других Хр (Z-paternel). Таким образом, в организме женщины, даже среди близко расположенных друг к другу клеток, возникает состояние своеобразной мозаики активных Хт- и Хр-хромосом. В результате инактивирования единственной хромосомы.

Определение полового хроматина

Наиболее простым и широко используемым методом является цитологическое исследование полового хроматина в клетках эпителия полости рта. Взяв металлическим шпателем соскоб со слизистой оболочки полости рта, из полученного материала готовят мазок, который фиксируют в спирте или в смеси спирта с эфиром. Препарат окрашивают гематоксилином и эозином и просматривают под микроскопом с помощью иммерсионного объектива. В препаратах мазков из полости рта мужчин половой хроматин встречается только в 0,5–0,7% клеточных ядер; у женщин этот процент равен 40-60.

Для получения безошибочных результатов определения полового хроматина в ряде лабораторий прибегают к более сложной методике окраски, пользуясь раствором тионина. При такой более длительной и кропотливой работе получаются хорошие результаты. Хромосомы X в ряде клеток зародыша с кариотипом 45/Х0, что соответствует так называемому синдрому Шерешевского – Тернера (Turner) эти клетки утрачивают жизнеспособность, и отмирание части их во время зародышевой жизни приводит к возникновению соматополовых аномалий, столь часто наблюдаемых при этом синдроме (низкий рост, крыловидные складки на шее и др.).

Восстановление хроматина и ДНК [ править ]

Упаковка эукариотической ДНК в хроматин представляет собой барьер для всех основанных на ДНК процессов, которые требуют привлечения ферментов к участкам их действия. Чтобы разрешить критический клеточный процесс репарации ДНК, хроматин должен быть реконструирован. У эукариот АТФ-зависимые комплексы ремоделирования хроматина и модифицирующие гистоны ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для осуществления этого процесса ремоделирования.

Релаксация хроматина происходит быстро в месте повреждения ДНК. Этот процесс инициируется белком PARP1, который начинает появляться при повреждении ДНК менее чем за секунду, с половиной максимального накопления в течение 1,6 секунды после повреждения. Затем ремоделирующий хроматин Alc1 быстро прикрепляется к продукту PARP1 и завершает прибытие к повреждению ДНК в течение 10 секунд после повреждения. Примерно половина максимальной релаксации хроматина, предположительно из-за действия Alc1, происходит через 10 секунд. Это позволяет задействовать фермент репарации ДНК MRE11 , чтобы инициировать репарацию ДНК в течение 13 секунд.

γH2AX, фосфорилированная форма H2AX , также участвует в ранних стадиях, ведущих к деконденсации хроматина после возникновения повреждения ДНК. Вариант гистона H2AX составляет около 10% гистонов H2A в хроматине человека. γH2AX (H2AX, фосфорилированный по серину 139) может быть обнаружен уже через 20 секунд после облучения клеток (с образованием двухцепочечного разрыва ДНК), а половина максимального накопления γH2AX происходит за одну минуту. Размер хроматина с фосфорилированным γH2AX составляет около двух миллионов пар оснований в месте двухцепочечного разрыва ДНК. γH2AX сам по себе не вызывает деконденсацию хроматина, но в течение 30 секунд после облучения RNF8белок может быть обнаружен в ассоциации с γH2AX. RNF8 обеспечивает обширную деконденсацию хроматина посредством его последующего взаимодействия с CHD4 , компонентом ремоделирования нуклеосом и деацетилазного комплекса NuRD .

После релаксации после повреждения ДНК с последующей репарацией ДНК хроматин восстанавливается до состояния уплотнения, близкого к уровню до повреждения, примерно через 20 мин.

Половой хроматин. Его роль, метод определения

Половой хроматин, плотное окрашивающееся тельце, обнаруживаемое в неделящихся ядрах клеток у гетерогаметных (имеющих Х и Y половые хромосомы) животных и человека. Половой хроматин подразделяют на Х-хроматин, или тельце Барра (открыт в 1949 английскими исследователями М. Барром и Л. Бертрамом), и Y-хроматин (открыт в 1970 шведскими учёными Т. Касперсоном и Л. Цех). Х-хроматин — интенсивно окрашивающееся основными красителями тельце (0,7-1,2 мкм), чаще прилегающее к ядерной оболочке и имеющее треугольную полулунную или округлую форму. Y-хроматин значительно меньше по размерам, выявляется при окраске ядра флюорохромами (акрихин, акрихиниприт) и исследовании в ультрафиолетовом свете. У особей женского пола (тип XX) одна из Х-хромосом неактивна, что проявляется в её более сильной спирализации и уплотнении. В интерфазном ядре эта спирализованная Х-хромосома и видна в виде Х-хроматина. Y-хроматин у человека и некоторых приматов имеет большой гетерохроматиновый участок, который даёт интенсивную флюоресценцию. Т. о., технически простое исследование интерфазного ядра позволяет судить о состоянии системы половых хромосом. Х-хроматин более или менее часто встречается у женщин в ядрах клеток всех тканей (например, в клетках эпителия слизистой оболочки рта в 15-60% ядер). Число ядер с Х-хроматином зависит от интенсивности размножения клеток в данной ткани и от гормонального состояния организма. Изменение количества полового хроматина свидетельствует об изменении количества половых хромосом, что детальнее выявляется анализом кариотипа. Определением П. х. широко пользуются для установления пола ребёнка (что ныне возможно и до его рождения и необходимо в случае наследования болезней, сцепленных с полом).

Ряд нарушений соматополового развития организма человека, анатомических или функциональных дефектов гонад может быть правильно распознан и классифицирован, в первую очередь, с помощью определения состояния полового хроматина, а далее путем оценки кариотипа (характерного для индивида или для вида наборов хромосом). Поэтому необходимо начать с некоторых основных сведений относительно значения цитогенетических исследований в акушерстве и гинекологии.

Основой многочисленных работ по изучению полового хроматина явились интересные данные, опубликованные Bertram, которые выявили у кошек различие между ядрами нервных клеток самок и самцов.

Найденная этими авторами в клеточных ядрах самок цианофильная глыбка хроматина, отличавшаяся по величине и плотности от остальных зернышек последнего, была ими названа половым хроматином. В то время как у самок эта глыбка имеет вид прилегающего к ядерной оболочке плосковыпуклого образования, у самцов хроматин практически почти никогда не определяется, так как он равномерно распределен по всему клеточному ядру. Равным образом и у женщин в покоящихся ядрах большинства клеток эпителия ротовой полости, а также ряда других областей, удалось позднее обнаружить наличие полового хроматина в виде одного тельца; у мужчин же чаще всего половой хроматин отсутствует или встречается изредка.

Вопрос о том, что определяет появление в потомстве особей мужского и женского пола в генетическом плане, давно решен. Пол ребенка детерминирован очень рано, уже в момент оплодотворения, в зависимости от того, какой сперматозоид проник в яйцеклетку в процессе ее оплодотворения.

Биологическая роль хроматина

Основная функция хроматина заключается в плотной упаковке большого количества генетического материала. Однако просто уместить ДНК в ядре для жизнедеятельности клетки недостаточно. Необходимо, чтобы эти молекулы должным образом «работали», то есть, могли передавать заключенную в них информацию по системе ДНК-РНК-белок. Кроме этого, клетке нужно распределять генетический материал во время деления.

Устройство хроматина полностью отвечает этим задачам. Белковая часть содержит все необходимые ферменты, а особенности структуры позволяют им взаимодействовать с определенными участками ДНК

Поэтому, второй важной функцией хроматина является обеспечение всех процессов, связанных с реализацией ядерного генома

Влияние хромосом на пол ребенка

Найденная этими авторами в клеточных ядрах самок цианофильная глыбка хроматина

, отличавшаяся по величине и плотности от остальных зернышек последнего, была ими названа половым хроматином. В то время как у самок эта глыбка имеет вид прилегающего к ядерной оболочке плосковыпуклого образования, у самцов хроматин практически почти никогда не определяется, так как он равномерно распределен по всему клеточному ядру. Равным образом и у женщин в покоящихся ядрах большинства клеток эпителия ротовой полости, а также ряда других областей, удалось позднее обнаружить наличие полового хроматина в виде одного тельца; у мужчин же чаще всего половой хроматин отсутствует или встречается изредка.

Как известно, у человека существует два вида сперматозоидов. В ядре одной группы содержится 23 хромосомы, в том числе одна половая, или Х-хромосома (гоносома), остальные называются аутосомами. Другой вид сперматозоидов содержит также 23 хромосомы, но вместо Х-хромосомы имеет другую половую хромосому. Все женские яйцеклетки содержат, следовательно, 22 аутосомы плюс X половую хромосому, будучи, таким образом, совершенно одинаковыми по набору хромосом. При оплодотворении яйцеклетки сперматозоидом с Х-хромосомой рождается девочка, в клетках которой содержится два набора из 22 аутосом плюс 2 Х-хромосомы, т. е. всего 46 хромосом. При слиянии яйцеклетки со сперматозоидом, содержащим У-хромосому, рождается мальчик, в ядрах клеток которого содержатся два набора аутосом плюс две половые хромосомы. F-хромосома, участвуя в детерминации пола, способствует формированию мужской особи.

Рисунок 1. Пример нормального оплодотворения и детерминации женского и мужского пола

Для теоретического объяснения этих фактов Lyon предложила гипотезу, содержание которой вкратце сводится к следующему. Если в раннем периоде развития женского зародыша имеются две активные половые Х-хромосомы, то около 16-го дня эмбриональной жизни одна из них инактивируется и приобретает вид глыбок гетерохроматина. Следует иметь в виду, что в организме женщины имеется два хроматина различного происхождения: один от матери, другой — от отца. При происходящем далее инактивировании оно касается в одних клетках Хт, в других Хр (Z-paternel). Таким образом, в организме женщины, даже среди близко расположенных друг к другу клеток, возникает состояние своеобразной мозаики активных Хт- и Хр-хромосом. В результате инактивирования единственной хромосомы.

На молекулярном уровне

Повысить информативность лабораторных исследований могут методики, основанные на современных методах генетического и молекулярно-биологического анализа. Наиболее перспективная цель подобных разработок — количественная оценка зрелости хроматина в сперматозоидах. Хроматин — вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков. Процесс дифференцировки сперматозоидов сопровождается кардиальным ремоделированием структуры хроматина, целью которого является его максимально плотная упаковка, что должно исключить активность генов и одновременно повысить степень защиты ДНК в течение процесса оплодотворения.

Большой объем экспериментальных данных свидетельствует о прямой зависимости между зрелостью (плотностью упаковки) хроматина сперматозоидов и их способностью к оплодотворению яйцеклетки. В свою очередь, нарушения процесса ремоделирования хроматина связаны с морфологическими и функциональными аномалиями, которые делают невозможным оплодотворение и нормальное развитие беременности.

Используемые в настоящее время методики оценки состояния генетического материала сперматозоидов либо несовершенны, либо слишком дорогостоящи. В частности, широко распространенный TUNEL-тест дает возможность оценить количество разрывов в ДНК половых клеток, однако эти данные не коррелируют с патологией, обусловленной неполной или аномальной упаковкой хроматина. Электронная микроскопия, также применяемая для оценки состояния хроматина сперматозоидов, ограничена высокой стоимостью, трудоемкостью и длительностью (до 2 недель) пробоподготовки, требует наличия высокотехнологичного оборудования, и, кроме того, не дает возможности дать точную количественную оценку доли сперматозоидов с аномальной компактизацией ДНК.

Хроматин: альтернативные определения [ править ]

Термин, введенный Вальтером Флеммингом , имеет несколько значений:

Простое и краткое определение: хроматин — это макромолекулярный комплекс макромолекулы ДНК и макромолекул белка (и РНК). Белки упаковывают и упорядочивают ДНК и контролируют ее функции в ядре клетки.
Оперативное определение биохимиков: хроматин — это комплекс ДНК / белок / РНК, экстрагированный из лизированных межфазных ядер эукариот. Какое из множества веществ, присутствующих в ядре, будет составлять часть экстрагированного материала, частично зависит от метода, который использует каждый исследователь. Кроме того, состав и свойства хроматина варьируются от одного типа клеток к другому, во время развития определенного типа клеток и на разных стадиях клеточного цикла.
Определение ДНК + гистон = хроматин : двойная спираль ДНК в ядре клетки упакована специальными белками, называемыми гистонами. Образованный комплекс белок / ДНК называется хроматином. Основная структурная единица хроматина — нуклеосома.

Первое определение позволяет определять «хроматины» в других сферах жизни, таких как бактерии и археи, с использованием любых ДНК-связывающих белков, которые конденсируют молекулу . Эти белки обычно относят к нуклеоид-ассоциированным белкам (NAP); примеры включают AsnC / LrpC с HU. Кроме того, некоторые археи действительно производят нуклеосомы из белков, гомологичных эукариотическим гистонам.