Основні етапи розвитку цитогенетики. Історія цитогенетичних досліджень

Історія дослідження хромосом налічує понад сто років – з того часу, як В. Флемінг в 1879 р. вперше спостерігав поздовжнє розщеплення хромосом при поділі клітини аксолотля. У наступні роки хромосоми були виявлені і описані у безлічі об'єктів, як тваринного, так і рослинного походження. Досягнуті успіхи визначалися в першу чергу удосконаленням методик приготування хромосомних препаратів. Першорядне значення мало розвиток техніки мікроскопії та удосконалення самих мікроскопів.

Власне термін «хромосома» був запропонований в 1888р. В.Вальдейером. А. Вейсман припустив, що спадкова інформація зосереджена в хромосомах, а довели це Т.Морган, К. Бріджес, Г. Меллер і А. Стертевант, які завершили до середини 1930-х років розробку хромосомної теорії спадковості.

Поєднання цитологічного спостереження хромосом з генетичним аналізом сегрегації і зчеплення генів призвело до народження цитогенетики. Термін «цитогенетика» введений В. Саттоном в 1903 р. Спочатку цитогенетика концентрувалася на проблемах кореляції генетичних і цитологічних (хромосомних) ознак. У подальшому цитогенетика методично відокремилася від генетики, і під терміном «цитогенетика» розуміють область науки, що вивчає структуру і функції хромосом.

Історію цитогенетичних досліджень можна поділити на три періоди. Перший - з кінця ХІХ століття до середини 50-х років ХХ століття. Це були пошуки методичних підходів до отримання препаратів хромосом, опис їх будови, кількості в соматичних клітинах різних видів, поведінки під час клітинних поділів – мітозу і мейозу.

У 1874 І. Д. Чистяков описав ряд стадій (фаз) мітозу у спорах плаунів, ще не ясно представляючи собі їхню послідовність. Детальні дослідження з морфології мітозу уперше були виконані Е. Страсбургером на рослинах (1876 — 1879р.р.) і В. Флеммінгом на тваринах (1882р.).

Мейоз був вперше описаний у яйцях морських їжаків німецьким біологом Оскаром Гертрігом у 1876 році.

У1883р. бельгійський цитолог Едуард Ван Бенеден зробив видатне спостереження: запліднені яйцеклітини паразитичної нематоди Ascaris megalocephala містили 4 хромосоми, у той час як сперматозоїди і яйцеклітини містили по дві хромосоми. Проте важливість мейозу у спадковості була відмічена лише у 1887 році німецьким біологом Августом Вейсманом. Ґрунтуючись на попередніх спостереженнях, які були опубліковані без жодних коментарів, Август Вейсман передбачив існування редукційного поділу під час статевого розмноження для компенсації збільшення числа хромосом вдвічі при злитті яйцеклітин і хромосом. Фармер і Мур у 1905р. запропонували термін “мейоз” для опису цієї спеціальної форми клітинного поділу.

У цей період були розроблені методи тотального зафарбування хромосом і описані каріотипи (набори хромосом) багатьох видів рослин і тварин.

У 1902 американський учений У. Сеттон і німецький вчений Т. Бовері , виявили зв’язок між передачею з покоління в покоління хромосом і « спадкових чинників» (названих згодом генами). Вони припустили, що хромосоми є носіями генів і забезпечують спадкоємність ознак у ряді поколінь організмів. Основні положення хромосомної теорії спадковості , обґрунтованою і розвиненою американським генетиком Т. Х. Морганом і його школою, стали теоретичним фундаментом цитогенетики. Були сформульовані і обгрунтовані фундаментальні принципи - лінійність розташування генів у хромосомах, зчеплення, кросинговер, алелізм, розпочата робота по складанню генетичних карт хромосом.

У процесі розвитку цитогенетики були отримані цитологічні обґрунтування явищ розщеплення, незалежного розподілу, зчеплення генів і кросинговеру. При вивченні поведінки хромосом в мейозі було встановлено, що розщеплення ознак у потомстві забезпечується процесом синапсису гомологічних хромосом, що забезпечує їх регулярне розходження в 1-му мейотичному поділі до різних полюсів клітини. Таким чином гамети містять одинарний (гаплоїдний ) набір хромосом, замість подвійного (диплоїдного), наявного в соматичних клітинах організму. Синапсис хромосом є показником генетичної спорідненості . Цей факт дозволив японському цитогенетику Х. Кіхарі у1924 р. розробити один із цитогенетичних методів – геномного аналізу. Цьому аналізу були піддані пшениця, бавовник та інші поліплоїдні культурні рослини і їх дикі родичі. В результаті вдалося встановити походження багатьох культурних рослин, використовувати дику флору в цілях селекції, для збагачення господарсько-корисних властивостей культурних рослин, вивчити їх еволюцію.

Мікроскопічним аналізом структури і поведінки хромосом в мітозі і мейозі були виявлені зміни в хромосомних наборах рослин, тварин і людини - хромосомні перебудови. У подальших дослідженнях цитогенетиків виявлено, що багато хромосомних перебудов, а також явища моносомії (втрата однієї хромосоми в хромосомному наборі) і трисомії (додавання однієї хромосоми до набору), обумовлюють ряд аномалій у розвитку та багато захворювань людини, званих хромосомними хворобами У зв’язку з цим почався інтенсивний розвиток цитогенетики людини і медичної генетики.

Проводились дослідження морфологічної будови хромосом. Так, у 1938р. класики генетики Б. Мак-Клінток і Г. Меллер довели, що на кінцях хромосом є спеціальні структури, які назвали теломерами (телос-кінець, мерос-частина). Вчені виявили, що при дії рентгенівським опроміненням стійкість проявляють лише теломери. Навпаки, позбавлені кінцевих ділянок, хромосоми починають зливатися, що веде до важких генетичних аномалій. Таким чином, теломери забезпечують індивідуальність хромосом. Теломери щільно упаковані (гетерохроматин) і малодоступні для ферментів (теломерази, метилаза, ендонуклеаз та ін).

Другий період, з 1956 р., характеризувався виникненням і бурхливим розвитком сучасної цитогенетики організмів. Досить швидко були розроблені всі основні методичні прийоми хромосомного аналізу, отримані фундаментальні відомості про каріотипи багатьох видів, про основні особливості будови і функціонування його нормальних хромосом. У цей період зародилася медична цитогенетика, яка відкрила нову область патології людини, зумовлену зміною числа або структури хромосом.

Цитогенетика людини починає свій відлік з відкриття, зробленого в 1956 році, коли Цио і Леван додавши воду до суспензії мітотичних клітин людини перед їх фіксацією на склі, змогли відокремити хромосоми одну від одної і порахувати їх кількість. Незалежно від їх дослідження, в тому ж році, число хромосом людини - 46, було встановлено Фордом і Камертоном. Незабаром після того як Т. С. Цио і A. Леван в 1956 році встановили точне число хромосом в каріотипі людини, рівне 46, Ж. Лейбн у 1959 році виявив, що причиною широко поширеної хвороби, описаної ще в 1876 році лікарем Л. Дауном і згодом названої його ім’ям (синдром Дауна), є трисомія 21, надалі була встановлена хромосомна природа багатьох інших синдромів. У 1960 – 1970 - ті роки була виконана велика серія цитогенетичних досліджень на спонтанно абортованих зародках. Цитогенетика ембріонального розвитку однозначно довела вирішальну роль хромосомного дисбалансу в патології ранніх стадій розвитку людини. Ці дослідження, однак, дозволили отримати лише суто загальну, орієнтовну інформацію про роль окремих хромосом і їх фрагментів в ембріогенезі людини. Прогрес в області прямих неінвазивних (ультразвукове сканування) методів дослідження ембріона людини, інвазивних (хірургічних) методів отримання зразків плодового матеріалу ,поява високоразрешающіх методів диференціальної забарвлення хромосом, а також методів молекулярної цитогенетики відкрили принциповонові можливості для досліджень проблем цитогенетики ембріонального розвитку людини .

Цей період характеризується розробкою методів диференційного зафарбування хромосом, що дозволило ідентифікувати їх та досліджувати каріотипи багатьох видів організмів не лише за кількістю, але і за будовою хромосом.

Розвиток електронно мікроскопічних методів дозволив виявити тонку структуру хромосом. У 1956р. було виявлено, що в мейозі гомологічні хромосоми тимчасово з’єднуються за допомогою синаптонемнемного комплексу (СК) – субмікроскопічної структури, яка складається з подовжніх. білкових латеральних елементів і поперечних тяжів, що діють за принципом застібки – блискавки.

Третій період розвитку цитогенетики людини почався в 70-х роках. Його можна вважати початком сучасного етапу в розвитку науки про цитологічних основи спадковості людини. Третій період характеризується широким впровадженням методів молекулярної генетики в цитогенетичні дослідження. Були клоновані окремі гени, які впливають на поведінку хромосом в мітозі і в мейозі, проведений пошук генів – гомологів і ортологів у видів, що належать до різних таксонів. Розроблені методи локалізації фрагментів ДНК і білків за допомогою методів флуоресцентної гібридизації ін сіту, імуноферментного аналізу та ін. Будова хромосом в нормі та при аномаліях досліджується на рівні нуклеотидних послідовностей, а поведінка хромосом в мейозі та мітозі – на генному рівні.

Ряд методичних нововведень дали можливість вивчати індивідуальності хромосом людини і навіть їх ділянок. Це відразу підняло на новий рівень медичну цитогенетики. Стало можливим досліджувати комплексно морфологію, функцію, хімічні особливості будови і надмолекулярну організацію хромосом людини. Розвиток в ці ж роки методів генетичного картування хромосом людини забезпечив рішення самої складної задачі - створення генетичних карт хромосом. Таким чином, сучасна цитогенетика розвитку організмів являє собою багату фактичним матеріалом, самостійну область генетики.

Досягнення цитогенетики людини демонструє історія дослідження хронічного мієлоїдного лейкозу. «Филадельфійську» хромосому як причину хронічного мієлоїдного лейкозу (ХМЛ) ідентифікували в 1960 році. Через 30 років, завдяки появі молекулярного аналізу, Жанет Роулі виявила, що вона є продуктом транслокації між хромосомами 9 і 22, а в 1985 році, в місці злиття цих хромосом, був ідентифікований новий гібридний ген, що складається з двох генів (BCR і ABL). Подальші дослідження показали, що активація цих генів тирозинкінази лежить в основі патогенетичних механізмів розвитку фенотипу хвороби. Це відкриття сприяло створенню ліків, які блокують функцію білка BCR-ABL і з успіхом застосовуються для лікування хворих на ХМЛ.