Кариотип человека и программа «Геном человека»

Ещё в 1955 г. в учебниках писали, что у человека 48 хромосом. Через полвека после того, как ошибку исправили, учёные прочитали весь геном человека — три миллиарда букв, — а в 2022 г. впервые собрали его целиком, от одного конца каждой хромосомы до другого. Путь от подсчёта хромосом под микроскопом до полного текста ДНК занял меньше семидесяти лет. Он изменил медицину: сегодня по капле крови можно найти причину редкой болезни у ребёнка, а по геному опухоли — подобрать лекарство.

Это первая статья серии «Генетика человека» по элементу 3.5 кодификатора ЕГЭ. В ней разобраны кариотип человека — число, строение и классификация хромосом, правила записи кариотипа, — и международная программа «Геном человека»: её история, методы, результаты и то, что мы узнали о себе, прочитав собственный геном. Общие сведения о кариотипе и упаковке хромосом изложены в статье «Кариотип: хромосомный набор, гомологичные и половые хромосомы»; здесь акцент — на человеке и медицине.

• 1. Что такое кариотип человека
• 2. Как записывают кариотип
• 3. Как узнали, что хромосом 46
• 4. Как получают кариотип
• 5. Половые хромосомы и определение пола у человека
• 6. Международная программа «Геном человека»
• 7. Как читают ДНК: от Сэнгера до нанопор
• 8. Что узнали, прочитав геном
• 9. После программы: что было дальше
• 10. Чем различаются геномы людей
• 11. Зачем медицине геном
• 12. Этические вопросы
• 13. Кариотип человека и его родственников
• 14. Второй геном человека — митохондриальный
• 15. Хромосомы и болезни: несколько адресов
• 16. Как прочитать кариограмму: пошаговый разбор
• 17. Хромосомы человека поближе: у каждой свой характер
• 18. Из чего состоит хромосома
• 19. Как окраска превращает хромосомы в «штрихкоды»
• 20. Как собирали геном: карты, клоны и «дробовик»
• 21. Что считать геном: уроки расшифровки
• 22. Геном человека в цифрах
• 23. Норма и её варианты
• 24. Мозаицизм и химеризм: когда в одном человеке два кариотипа
• 25. Сколько хромосом в разных клетках тела
• 26. Как узнают кариотип ещё до рождения
• 27. Итог: что важно знать
• 28. Частые ошибки
• 29. Интересные факты
• 30. Частые вопросы
• 31. ЕГЭ
• 32. Для олимпиад
• 33. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое кариотип человека

Кариотип человека: 46 хромосом в соматических клетках (2n = 46), то есть 23 пары. Из них 22 пары — аутосомы, одинаковые у мужчин и женщин, и одна пара — половые хромосомы: у женщин XX, у мужчин XY. Нормальный кариотип записывают так: 46,XX (женский) и 46,XY (мужской). В гаметах — гаплоидный набор из 23 хромосом: 22 аутосомы и одна половая (X в яйцеклетке; X или Y в сперматозоиде).

Хромосомы человека нумеруют от 1 до 22 примерно по убыванию размера. Самая крупная — 1-я хромосома (около 248 миллионов пар нуклеотидов), самая мелкая — 21-я (около 45 миллионов), хотя исторически её считали больше 22-й. X-хромосома — крупная (около 156 миллионов пар нуклеотидов, около 800 генов, кодирующих белки); Y-хромосома — одна из самых мелких (около 57 миллионов пар нуклеотидов), в ней меньше 70 генов белков.

Каждая хромосома в метафазе состоит из двух сестринских хроматид, соединённых в области центромеры. Центромера делит хромосому на короткое плечо (обозначается p, от франц. petit — «маленький») и длинное плечо (q, следующая буква алфавита). На концах хромосом — теломеры, защищающие их от слипания и укорочения.

Формы хромосом

• Метацентрические — центромера посередине, плечи равны (хромосомы 1, 3, 16, 19, 20).
• Субметацентрические — центромера смещена, одно плечо заметно короче (хромосомы 2, 4–12, 17, 18, X).
• Акроцентрические — центромера почти на конце, короткое плечо очень маленькое (хромосомы 13, 14, 15, 21, 22, Y). На коротких плечах акроцентрических аутосом находятся повторяющиеся гены рибосомной РНК — отсюда образуются ядрышки.

Группы хромосом

По размеру и положению центромеры хромосомы человека делят на семь групп, обозначаемых буквами от A до G. Эту классификацию предложили на конференции в Денвере в 1960 г., ещё до появления методов дифференциальной окраски.

Внутри групп хромосомы долго нельзя было различить: например, все хромосомы группы C выглядели одинаково. Положение изменилось после 1970 г., когда шведский цитолог Торбьёрн Касперсон предложил окрашивать хромосомы флуоресцентными красителями, выявляющими поперечные полосы [1]. Позже появилась G-окраска красителем Гимза. У каждой хромосомы оказался свой неповторимый рисунок полос, как штрихкод.

2. Как записывают кариотип

Для записи кариотипа и его нарушений используют международную систему цитогенетической номенклатуры (ISCN) [2]. Запись строится по правилам: сначала общее число хромосом, затем через запятую — половые хромосомы, затем — отклонения.

Положение участка на хромосоме записывают координатами: номер хромосомы, плечо, район и полоса. Например, 7q31.2 — 7-я хромосома, длинное плечо, район 3, полоса 1, подполоса 2. В этой полосе лежит ген муковисцидоза CFTR. Так же указывают положение генов на картах.

3. Как узнали, что хромосом 46

Хромосомы человека впервые наблюдали в конце XIX века, но сосчитать их долго не удавалось: на срезах тканей они лежали плотной кучей. В 1923 г. американский цитолог Теофилус Пейнтер, изучая срезы семенников, пришёл к выводу, что их 48, и это число попало во все учебники. Тридцать лет его повторяли, хотя у некоторых исследователей получалось и другое.

Перелом произошёл благодаря трём техническим приёмам. Клетки стали выращивать в культуре, где они активно делятся. Деление останавливали колхицином на стадии метафазы, когда хромосомы наиболее компактны. А клетки перед фиксацией обрабатывали гипотоническим раствором, от которого они набухали, и хромосомы раскладывались свободно. В декабре 1955 г. в шведском Лунде Джо Хин Тио, работавший у Альберта Левана, сосчитал на таких препаратах 46 хромосом, и статья вышла в 1956 г. [3].

Дальше события развивались быстро. В 1959 г. французские генетики Жером Лежен, Марта Готье и Раймон Тюрпен обнаружили у детей с синдромом Дауна 47 хромосом — лишнюю 21-ю. В том же году описали кариотипы при синдромах Тёрнера (45,X) и Клайнфельтера (47,XXY), в 1960 г. — филадельфийскую хромосому при лейкозе. Так за несколько лет возникла медицинская цитогенетика.

4. Как получают кариотип

Чтобы исследовать кариотип, нужны делящиеся клетки. Чаще всего используют лимфоциты периферической крови, реже — клетки костного мозга, кожи, а при пренатальной диагностике — клетки ворсин хориона или околоплодных вод.

1. Лимфоциты выделяют из крови и выращивают 2–3 суток в питательной среде с веществом-митогеном (фитогемагглютинином), которое заставляет их делиться.
2. Добавляют колхицин (или его аналог колцемид): веретено деления разрушается, и клетки накапливаются в метафазе.
3. Клетки обрабатывают гипотоническим раствором хлорида калия — они набухают.
4. Фиксируют смесью спирта и уксусной кислоты, раскапывают на стекло — клетки лопаются, хромосомы раскладываются.
5. Окрашивают (обычно G-окраска), фотографируют под микроскопом.
6. Хромосомы на изображении упорядочивают по парам и номерам — получается кариограмма (идиограмма — её схематическое изображение).

Анализируют обычно 15–30 метафазных пластинок, чтобы не пропустить мозаицизм. Обычная кариограмма позволяет увидеть изменения числа хромосом и перестройки размером от 5–10 миллионов пар нуклеотидов. Более мелкие изменения выявляют молекулярными методами, о которых рассказано в статье серии о цитогенетических и молекулярно-генетических методах.

5. Половые хромосомы и определение пола у человека

X- и Y-хромосомы различаются почти по всей длине, но на концах у них есть небольшие гомологичные участки — псевдоаутосомные районы, где в мейозе у мужчин происходит конъюгация и кроссинговер. Остальная часть Y-хромосомы в мейозе не рекомбинирует и передаётся от отца к сыну практически без изменений.

Главный ген Y-хромосомы — SRY, открытый в 1990 г. Его продукт — фактор транскрипции, запускающий развитие семенников у зародыша; семенники выделяют гормоны, направляющие развитие по мужскому типу. Поэтому пол человека определяется наличием Y-хромосомы (точнее, гена SRY): кариотип 47,XXY — мужской, 45,X — женский. Описаны редкие люди с кариотипом 46,XX и мужским фенотипом: у них ген SRY перенесён на X-хромосому при ошибочном кроссинговере; и люди с кариотипом 46,XY и женским фенотипом — при мутации SRY или нечувствительности тканей к мужским гормонам.

В каждой соматической клетке женщины одна из X-хромосом инактивирована и видна в ядре как тельце Барра; число телец Барра на одно меньше числа X-хромосом. Подробнее о механизмах определения пола — в статье «Механизмы определения пола».

6. Международная программа «Геном человека»

Идея прочитать весь геном человека возникла в середине 1980-х гг. Многим она казалась безумной: в то время за год лаборатория могла прочитать несколько тысяч нуклеотидов, а геном содержит три миллиарда. Но методы быстро совершенствовались, и в 1990 г. в США стартовала программа «Геном человека» (Human Genome Project). К ней присоединились Великобритания, Япония, Франция, Германия, Китай; в нашей стране в 1988–1989 гг. по инициативе академика А. А. Баева была создана собственная программа «Геном человека».

Цели программы

• определить полную последовательность нуклеотидов ДНК человека;
• найти все гены и составить их карты на хромосомах;
• создать базы данных и открыть их для всех учёных;
• разработать новые методы чтения и анализа ДНК;
• прочитать геномы модельных организмов (кишечной палочки, дрожжей, нематоды, дрозофилы, мыши) для сравнения;
• изучать этические, правовые и социальные последствия работы — на это отводилось несколько процентов бюджета.

Как шла работа

Программа велась по принципу «карта, затем текст». Сначала строили генетические и физические карты хромосом, разрезали ДНК на крупные фрагменты (по 100–200 тысяч пар нуклеотидов), вставляли их в бактериальные искусственные хромосомы, упорядочивали по карте и затем читали каждый фрагмент. Сотни секвенаторов в нескольких центрах работали круглосуточно; крупнейшими участниками были Институт Сэнгера в Великобритании, Институт Уайтхеда и Университет Вашингтона в США.

В 1998 г. американский учёный и предприниматель Крейг Вентер основал частную компанию «Селера» и объявил, что прочитает геном быстрее и дешевле методом «дробовика»: всю ДНК разрезали на миллионы мелких кусков, читали их и собирали текст компьютером по перекрытиям. Началась гонка. Чтобы не допустить патентования генов и сохранить данные открытыми, государственный консорциум выкладывал прочитанные последовательности в открытый доступ каждые сутки.

26 июня 2000 г. президент США Билл Клинтон и премьер-министр Великобритании Тони Блэр объявили о завершении «чернового» прочтения генома. В феврале 2001 г. одновременно вышли две статьи: консорциума в журнале «Нейчур» [4] и компании «Селера» в журнале «Сайенс» [5]. В 2003 г., к 50-летию открытия двойной спирали, программу объявили завершённой: прочитано около 92 % генома, а в 2004 г. опубликована «окончательная» последовательность эухроматиновой части с менее чем 350 пробелами [6]. Стоимость программы — около 3 миллиардов долларов, срок — 13 лет.

7. Как читают ДНК: от Сэнгера до нанопор

Основой программы «Геном человека» был метод, предложенный в 1977 г. английским биохимиком Фредериком Сэнгером, — метод обрыва цепи [7]. ДНК-полимераза копирует фрагмент ДНК, а в смесь добавляют немного особых нуклеотидов (дидезоксинуклеотидов), на которых синтез обрывается. Получается набор копий разной длины, каждая из которых кончается известным нуклеотидом. Разделив их по длине и прочитав метки на концах, получают последовательность. Сэнгер получил за метод вторую Нобелевскую премию по химии (1980) — первую он получил за определение строения инсулина.

Метод Сэнгера точен, но медленен: за один запуск читается фрагмент около 1000 нуклеотидов. С 2005 г. появились методы массового параллельного секвенирования (секвенирования нового поколения): миллионы и миллиарды коротких фрагментов ДНК читаются одновременно, а компьютер собирает из них текст или сравнивает с эталонным геномом. Затем — методы чтения длинных молекул: в одном методе последовательность «считывают» по вспышкам флуоресценции при синтезе единичной молекулы, в другом — по изменению тока, когда нить ДНК протягивают через белковую нанопору. Длинные прочтения (десятки и сотни тысяч нуклеотидов) позволили собрать даже самые повторяющиеся участки генома.

Стоимость чтения генома упала в миллионы раз — быстрее, чем дешевели компьютеры. Сегодня секвенирование генома применяют в обычной медицинской практике: для диагностики редких болезней у детей, в онкологии, при пренатальной диагностике.

8. Что узнали, прочитав геном

Результаты программы во многом оказались неожиданными.

• Генов, кодирующих белки, гораздо меньше, чем думали. До программы оценки доходили до 100 тысяч. Оказалось — около 20 тысяч, примерно столько же, сколько у нематоды длиной в миллиметр. Сложность организма определяется не числом генов, а тем, как они регулируются, сколько белков получается из одного гена при альтернативном сплайсинге и как белки взаимодействуют.
• Кодирующие участки составляют лишь около 1,5 % генома. Остальное — интроны, регуляторные участки, гены некодирующих РНК, повторы.
• Почти половина генома — мобильные генетические элементы и их остатки. Около 8 % — остатки древних ретровирусов, когда-то встроившихся в геном наших предков.
• Многие гены похожи на гены других организмов. Около трёх четвертей генов, связанных с болезнями человека, имеют аналоги у дрозофилы, а у мыши — почти у всех. Это подтвердило ценность модельных организмов.
• Гены распределены неравномерно. Есть хромосомы, богатые генами (17-я, 19-я), и «пустыни», где гены почти отсутствуют.
• Люди очень похожи друг на друга. Два человека различаются примерно по одному нуклеотиду из тысячи; при этом различий между людьми внутри Африки больше, чем между африканцами и жителями других континентов, — следствие африканского происхождения человечества.

9. После программы: что было дальше

• Проект «HapMap» (2002–2010) — карта распространённых вариантов ДНК у людей разного происхождения; основа для поиска генов предрасположенности к болезням.
• Проект «1000 геномов» (2008–2015) — прочитаны геномы 2504 человек из 26 популяций; составлен каталог около 88 миллионов вариантов [8].
• Проект ENCODE — энциклопедия функциональных элементов ДНК: какие участки генома связывают белки-регуляторы, где открыт хроматин, какие участки транскрибируются [9].
• Полная сборка генома (2022). Даже «окончательная» версия 2004 г. содержала около 8 % непрочитанной ДНК: центромеры, короткие плечи акроцентрических хромосом, повторы. Консорциум «от теломеры до теломеры» (T2T), используя длинные прочтения, впервые собрал геном человека полностью — без единого пробела [10]. Для этого взяли клетки особой опухоли (пузырного заноса), в которой оба набора хромосом одинаковы, — так проще собрать текст. В 2023 г. собрали и Y-хромосому целиком.
• Пангеном человека (2023). Один эталонный геном не отражает разнообразия людей. Консорциум пангенома собрал геномы 47 человек разного происхождения и представил «эталон» в виде графа, в котором видны все варианты [11]. Это позволяет точнее находить мутации у людей, чей геном сильно отличается от старого эталона.
• Национальные проекты — чтение геномов сотен тысяч людей в Великобритании («Биобанк Великобритании»), Исландии, США, Китае и других странах; в России с 2019 г. реализуется программа развития генетических технологий, включающая создание национальной базы генетической информации.

10. Чем различаются геномы людей

Геномы любых двух людей совпадают примерно на 99,9 % по одиночным нуклеотидам. Но при трёх миллиардах пар нуклеотидов 0,1 % — это 3–4 миллиона различий. Виды различий:

• Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) — замены одного нуклеотида, встречающиеся в популяции с заметной частотой (обычно больше 1 %). В геноме каждого человека их около 4–5 миллионов. Большинство нейтральны, часть влияет на признаки и предрасположенность к болезням.
• Короткие вставки и выпадения — сотни тысяч у каждого человека.
• Вариации числа копий — участки, представленные у разных людей разным числом копий (например, ген слюнной амилазы — от 2 до 15 и более копий).
• Короткие тандемные повторы — участки, где короткий мотив повторяется подряд; число повторов сильно различается у разных людей. На них основана генетическая идентификация личности (ДНК-экспертиза).
• Структурные варианты — инверсии, транслокации, вставки мобильных элементов.

Каждый человек несёт и несколько десятков новых мутаций, которых не было у родителей, и около сотни вариантов, выключающих один из двух аллелей какого-либо гена. Обычно это безвредно, потому что вторая копия гена работает. Но если оба родителя несут вариант, выключающий один и тот же ген, у ребёнка может развиться рецессивная болезнь.

Знание об этом разнообразии лежит в основе современной медицинской генетики: врачу нужно отличить в геноме больного одну «виновную» мутацию от миллионов безвредных вариантов. Для этого используют базы данных частот вариантов у сотен тысяч здоровых людей: вариант, который встречается у многих здоровых, вряд ли вызывает тяжёлую редкую болезнь.

11. Зачем медицине геном

Программа «Геном человека» задумывалась прежде всего ради медицины. Что она дала?

• Диагностика наследственных болезней. Найдены гены тысяч моногенных болезней. Сегодня по геному или экзому (совокупности кодирующих участков) у ребёнка с неясной болезнью причину находят в 25–50 % случаев.
• Онкология. Чтение геномов опухолей показало, какие мутации «ведут» рост рака, и позволило подбирать лекарства, действующие на конкретный мутантный белок.
• Пренатальная диагностика. Анализ фрагментов ДНК плода в крови матери позволяет без вмешательства выявить трисомии с высокой точностью.
• Фармакогенетика. Подбор лекарств и доз с учётом генотипа пациента.
• Поиск генов предрасположенности к частым болезням — диабету, ишемической болезни сердца, болезни Альцгеймера.
• Генная терапия и редактирование генома — исправление дефектных генов; первые методы уже применяются в клинике.

Вместе с тем программа показала и границы «генетической предсказуемости»: для большинства частых болезней гены определяют лишь часть риска, а образ жизни и среда не менее важны. Об этом — в статье серии о болезнях с наследственной предрасположенностью.

12. Этические вопросы

Уже при планировании программы «Геном человека» было понятно, что знание о собственном геноме несёт не только пользу. Возникают вопросы: кому принадлежит генетическая информация; можно ли использовать её при приёме на работу или страховании; должен ли человек знать о высоком риске болезни, которую нельзя предотвратить (например, болезни Гентингтона); как сообщать о случайных находках, не связанных с причиной обследования; как защищать базы генетических данных. Во многих странах приняты законы, запрещающие генетическую дискриминацию и регулирующие обращение с генетической информацией. Медико-генетическое консультирование всегда включает обсуждение этих вопросов с пациентом и семьёй.

13. Кариотип человека и его родственников

Сравнение кариотипов человека и человекообразных обезьян показывает, как менялись хромосомы в эволюции. У шимпанзе, бонобо, гориллы и орангутана 48 хромосом, у человека — 46. Две хромосомы предков слились в одну — 2-ю хромосому человека; в её середине сохранились остатки теломер и второй, неработающей центромеры. Кроме того, кариотипы человека и шимпанзе различаются примерно девятью крупными перицентрическими инверсиями. По последовательности ДНК различия составляют около 1,2 % одиночных замен и несколько процентов с учётом вставок и выпадений.

Сравнение геномов позволило найти участки, которые быстро изменились именно у человека: например, регуляторные участки генов развития мозга, ген FOXP2, связанный с речью, удвоенные у человека копии гена SRGAP2, влияющие на развитие нейронов коры. Это пример того, как программа «Геном человека» и последующие проекты дали материал не только для медицины, но и для понимания эволюции человека.

Прочитаны и геномы вымерших людей — неандертальцев и денисовцев. Оказалось, что у современных людей неафриканского происхождения около 1–2 % генома получено от неандертальцев, а у жителей Океании — несколько процентов от денисовцев. Некоторые из этих вариантов влияют на иммунитет, обмен веществ, приспособление к высокогорью (вариант гена EPAS1 у тибетцев, полученный от денисовцев).

14. Второй геном человека — митохондриальный

Кроме ядерного генома, в клетке человека есть митохондриальный — кольцевая молекула ДНК длиной около 16,6 тысячи пар нуклеотидов с 37 генами. Его прочитали первым — ещё в 1981 г. В каждой клетке сотни и тысячи копий митохондриальной ДНК, передаётся она только от матери. Мутации митохондриальной ДНК вызывают ряд болезней, о которых подробно рассказано в статье «Внеядерная наследственность и изменчивость». Поэтому полное описание генома человека включает и его митохондриальную часть.

15. Хромосомы и болезни: несколько адресов

Программа «Геном человека» превратила понятие «ген болезни» в точный адрес на хромосоме. Несколько примеров, которые полезно знать:

Наизусть эти адреса на ЕГЭ не требуются, но таблица помогает понять, как устроена карта генома: большинство генов наследственных болезней лежит в аутосомах, а гены, мутации которых вызывают болезни, чаще встречающиеся у мужчин, — в X-хромосоме.

16. Как прочитать кариограмму: пошаговый разбор

1. Сосчитать хромосомы. Норма — 46. Больше или меньше — геномная мутация (анеуплоидия), при 69 или 92 — полиплоидия.
2. Определить половые хромосомы. XX — женщина, XY — мужчина; X0, XXY, XXX, XYY — анеуплоидии по половым хромосомам.
3. Проверить пары аутосом. Три хромосомы в паре — трисомия (21 — синдром Дауна, 18 — Эдвардса, 13 — Патау).
4. Посмотреть на строение хромосом. Укороченная хромосома, изменённый рисунок полос, лишний участок — хромосомная мутация (делеция, дупликация, транслокация).
5. Записать кариотип по правилам: число хромосом, половые хромосомы, отклонения.

Пример: 47 хромосом, половые X и Y, в 21-й паре три хромосомы — кариотип 47,XY,+21, мальчик с синдромом Дауна; геномная мутация, трисомия. Подробно хромосомные болезни разобраны в статье серии о хромосомных болезнях.

17. Хромосомы человека поближе: у каждой свой характер

Номер хромосомы говорит о её размере, но не о том, сколько в ней генов. Хромосомы человека сильно различаются по «населённости»: на одних гены расположены густо, на других — редко, а между ними тянутся длинные участки повторов. Это различие объясняет многое — от рисунка полос при окраске до того, почему одни трисомии совместимы с рождением ребёнка, а другие нет.

Числа генов округлены: разные базы данных дают немного разные оценки, а с каждой новой версией генома они уточняются. Но общая картина устойчива. Например, 19-я хромосома почти вчетверо меньше 1-й, а генов в ней лишь немного меньше; 18-я примерно такого же размера, как 17-я, но генов в ней в четыре раза меньше.

Почему выживают только три трисомии аутосом

Среди новорождённых встречаются трисомии лишь по трём аутосомам — 13, 18 и 21. Это не случайно: все три хромосомы бедны генами. Лишняя копия хромосомы означает, что все её гены работают «в полуторной дозе», а это нарушает согласованную работу тысяч белков. Чем больше генов в лишней хромосоме, тем тяжелее последствия. Трисомии по крупным или богатым генами хромосомам (например, по 1-й или 19-й) приводят к гибели зародыша на самых ранних сроках. Их находят только при исследовании материала самопроизвольных выкидышей: из всех хромосомных нарушений у таких эмбрионов чаще всего встречается трисомия 16 — она никогда не доживает до рождения.

Даже три «выживающие» трисомии в большинстве случаев заканчиваются гибелью зародыша: доживает до рождения лишь меньшая часть зародышей с трисомией 21 и совсем малая часть — с трисомиями 13 и 18. Дети с синдромами Патау и Эдвардса обычно живут недолго, а люди с синдромом Дауна при хорошей медицинской помощи живут в среднем около 60 лет.

Половые хромосомы переносят избыток и недостаток легче

Анеуплоидии по половым хромосомам (45,X; 47,XXY; 47,XXX; 47,XYY) встречаются у живых людей гораздо чаще и протекают мягче, чем трисомии аутосом. Причина в двух особенностях. Во-первых, все X-хромосомы, кроме одной, инактивируются и превращаются в тельца Барра, поэтому лишняя X почти не меняет дозу большинства генов. Во-вторых, в Y-хромосоме мало генов, и её лишняя копия мало влияет на организм. Тем не менее последствия есть: небольшая часть генов X-хромосомы ускользает от инактивации, и их избыток или недостаток сказывается на росте, развитии половых желёз и других признаках.

Моносомия по X (45,X) — единственная полная моносомия, совместимая с жизнью. Моносомии по любой аутосоме у живых людей не встречаются: потеря целой хромосомы означает, что все её гены остаются в одной копии, и зародыш гибнет. Но даже при 45,X большинство зародышей погибает внутриутробно; рождается лишь около 1–2 % из них.

Y-хромосома: маленькая, но особенная

Y-хромосома — одна из самых необычных. Большая её часть не рекомбинирует с X-хромосомой и передаётся от отца к сыну практически неизменной. Поэтому по Y-хромосоме прослеживают мужские линии родства и древние миграции людей — так же, как по митохондриальной ДНК прослеживают женские линии. Кроме гена SRY, в Y-хромосоме лежат гены, нужные для образования сперматозоидов; делеции в её длинном плече (районы AZF) — одна из известных причин мужского бесплодия.

Y-хромосому полностью прочитали лишь в 2023 г.: больше половины её длины — длинные повторы и палиндромы, которые нельзя было собрать прежними методами. Длина её длинного плеча у разных мужчин заметно различается за счёт гетерохроматинового блока, и это не влияет на здоровье.

Митохондриальная, X- и Y-ДНК в родословных

Особые способы передачи разных частей генома позволяют решать разные задачи. Аутосомы перемешиваются при кроссинговере и независимом расхождении хромосом, поэтому ребёнок получает их половину от каждого родителя, а от каждого из прадедов — в среднем по одной восьмой. Y-хромосома передаётся только по мужской линии, митохондриальная ДНК — только по женской. X-хромосома мужчина получает только от матери и передаёт только дочерям. На этих правилах основаны и генетическая генеалогия, и судебно-медицинское установление родства, и некоторые закономерности наследования болезней, о которых пойдёт речь в статье серии о генеалогическом методе.

18. Из чего состоит хромосома

Чтобы понимать кариотип, нужно представлять, что именно мы видим под микроскопом. Метафазная хромосома — это не «палочка из генов», а молекула ДНК, многократно уложенная с помощью белков. В каждой хроматиде — одна непрерывная двуцепочечная молекула ДНК длиной в среднем около 5 см (у 1-й хромосомы — около 8 см). В метафазе эта нить укорочена примерно в десять тысяч раз и умещается в несколько микрометров.

Уровни упаковки ДНК

1. Нуклеосомы. Двойная спираль ДНК диаметром около 2 нм наматывается почти на два витка на белковый «барабан» из восьми молекул гистонов (по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4). На одну нуклеосому приходится около 147 пар нуклеотидов, между нуклеосомами — короткие связующие участки, к которым присоединяется гистон H1. Получается нить диаметром около 10 нм, похожая на бусы.
2. Более плотная укладка. Нуклеосомная нить сворачивается дальше. В учебниках этот уровень изображают как правильную фибриллу диаметром около 30 нм; современные исследования показывают, что в живой клетке укладка менее упорядоченная, но нить всё равно уплотняется.
3. Петли. Хроматиновая нить образует петли длиной десятки и сотни тысяч пар нуклеотидов, закреплённые на белковом каркасе. Петли закрепляют белковые комплексы когезин (в интерфазе) и конденсин (при делении).
4. Метафазная хроматида. При подготовке к делению петли укладываются плотнее вокруг осевого белкового стержня, и образуется хроматида диаметром около 0,7 мкм.

В интерфазе хромосомы деспирализованы, но не перепутаны: каждая занимает в ядре свою «территорию». Богатые генами хромосомы (например, 19-я) лежат ближе к центру ядра, бедные генами (например, 18-я) — ближе к его оболочке.

Центромера и кинетохор

Центромера — участок, где соединены сестринские хроматиды и где при делении собирается кинетохор — белковая структура, к которой прикрепляются нити веретена деления. У человека центромеры состоят из сотен и тысяч копий повтора длиной 171 пара нуклеотидов (альфа-сателлит), протянувшихся на несколько миллионов пар нуклеотидов. Именно из-за этих повторов центромеры оставались «белыми пятнами» генома до 2022 г. Если хромосома теряет центромеру (например, при разрыве), её фрагмент не может прикрепиться к веретену и теряется при делении.

Теломеры

Концы хромосом — теломеры — у человека состоят из тысяч повторов шести нуклеотидов TTAGGG общей длиной обычно 5–15 тысяч пар нуклеотидов. Теломеры защищают концы хромосом от слипания и разрушения и укорачиваются при каждом делении соматических клеток, потому что ДНК-полимераза не может достроить самый конец отстающей цепи. В половых и стволовых клетках длину теломер поддерживает фермент теломераза. Подробно об этом — в статье «Теломеры и теломераза».

Эухроматин и гетерохроматин

Даже в интерфазе часть хроматина остаётся плотно упакованной. Это гетерохроматин: гены в нём почти не работают, а реплицируется он в конце S-периода. Рыхлый эухроматин содержит большинство активных генов. Различают конститутивный гетерохроматин — всегда плотный (у центромер, в длинном плече Y-хромосомы, крупные блоки в хромосомах 1, 9 и 16) — и факультативный, который уплотняется лишь в некоторых клетках. Классический пример факультативного гетерохроматина — инактивированная X-хромосома у женщин, видимая как тельце Барра.

19. Как окраска превращает хромосомы в «штрихкоды»

До 1970 г. хромосомы окрашивали равномерно, и различить их можно было только по размеру и положению центромеры. Дифференциальная окраска позволила увидеть у каждой хромосомы свой рисунок поперечных полос, постоянный у всех людей. Этот рисунок служит «штрихкодом»: по нему узнают каждую хромосому и замечают изменения её строения.

Полосы не случайны. Тёмные G-полосы богаты парами А–Т, бедны генами и реплицируются поздно; светлые богаты парами Г–Ц и генами и реплицируются рано. Поэтому рисунок полос — это одновременно и карта плотности генов.

На обычном метафазном препарате в гаплоидном наборе различают около 400–550 полос; на более длинных хромосомах в прометафазе — до 850. Одна полоса — это несколько миллионов пар нуклеотидов, в которых могут лежать десятки генов. Отсюда главное ограничение классического кариотипирования: делеции и дупликации меньше нескольких миллионов пар нуклеотидов в микроскоп не видны. Их находят методами молекулярной цитогенетики — флуоресцентной гибридизацией с меченой ДНК (FISH) и хромосомным микроматричным анализом. Эти методы подробно разобраны в статье серии о цитогенетических и молекулярно-генетических методах.

Как называют полосы

Полосы нумеруют от центромеры к концу каждого плеча: сначала номер района, затем номер полосы в районе, а при большем разрешении — подполосы после точки. Запись 11p15.5 читается так: хромосома 11, короткое плечо, район 1, полоса 5, подполоса 5. Важно: «15» здесь не «пятнадцать», а «один-пять». Чем больше цифр, тем точнее указано место.

20. Как собирали геном: карты, клоны и «дробовик»

Прочитать за один раз молекулу ДНК длиной в сотню миллионов нуклеотидов невозможно: методы секвенирования читают отрезки длиной от сотни до (сегодня) сотен тысяч нуклеотидов. Поэтому чтение генома всегда устроено как сборка огромного пазла: ДНК режут на фрагменты, читают их и затем по перекрывающимся концам восстанавливают исходную последовательность.

Сначала карты

В первые годы программы главной задачей было построить карты — без них нельзя было понять, куда относится каждый прочитанный кусочек.

• Генетические карты строили по частоте кроссинговера между маркерами — короткими тандемными повторами, длина которых различается у разных людей. Изучая, как маркеры наследуются в больших семьях, определяли их порядок и расстояние в сантиморганах — так же, как Морган и его ученики строили карты хромосом дрозофилы. К середине 1990-х гг. на картах человека было уже несколько тысяч маркеров.
• Физические карты показывали расстояние в парах нуклеотидов. Для этого ДНК разрезали на крупные фрагменты длиной 100–200 тысяч пар нуклеотидов и встраивали их в бактериальные искусственные хромосомы (BAC) — вектор на основе F-плазмиды кишечной палочки. Каждый такой клон размножали в бактериях и устанавливали, какие клоны перекрываются.

Две стратегии чтения

Международный консорциум использовал иерархический подход: геном делили на упорядоченные по карте BAC-клоны, а затем каждый клон отдельно разбивали на мелкие фрагменты, читали их и собирали последовательность клона. Сборка шла «маленькими пазлами» с известным местом на хромосоме, что уменьшало ошибки.

Компания Celera под руководством Крейга Вентера применила полногеномный метод «дробовика»: весь геном сразу случайно дробили на миллионы фрагментов, читали оба их конца и собирали последовательность с помощью мощных компьютеров [5]. Метод был быстрее, но хуже справлялся с повторами. Обе команды опубликовали черновые последовательности одновременно в феврале 2001 г., а при сборке Celera использовала и открытые данные консорциума.

Почему повторы — главная трудность

Представьте, что книгу порезали на полоски по десять слов и нужно восстановить её по перекрытиям. Если в книге фраза из ста слов повторяется много раз, нельзя понять, какой кусок к какой копии относится. Геном человека полон таких повторов: мобильные элементы (например, более миллиона копий элемента Alu длиной около 300 пар нуклеотидов), сегментные дупликации длиной десятки тысяч пар, сателлитные повторы центромер. Поэтому «законченный» геном 2004 г. всё ещё содержал сотни пробелов, а окончательно их закрыли лишь прочтения длиной в десятки и сотни тысяч нуклеотидов в 2022 г. [10].

Чей это геном

Для эталонного генома ДНК брали у анонимных добровольцев, давших информированное согласие; доноров отбирали так, чтобы никто, включая самих учёных, не знал, чья ДНК использована. А полная сборка 2022 г. выполнена на особом материале — клеточной линии пузырного заноса (CHM13). В таких клетках оба набора хромосом получены от одного сперматозоида, поэтому гомологичные хромосомы одинаковы, и сборку не путают различия между материнской и отцовской копиями. Y-хромосомы в этих клетках нет; её прочитали отдельно в 2023 г. [12].

21. Что считать геном: уроки расшифровки

Школьное определение гена — участок ДНК, содержащий информацию о строении одного белка или молекулы РНК. Расшифровка генома показала, что реальность сложнее и интереснее.

• Гены белков — около 20 тысяч. Это меньше, чем у некоторых растений, и сопоставимо с числом генов у круглого червя.
• Гены некодирующих РНК — их не меньше, чем генов белков. Кроме рибосомных и транспортных РНК это малые ядерные РНК сплайсинга, микроРНК, регулирующие работу других генов, и тысячи длинных некодирующих РНК. Одна из них — РНК XIST — «окутывает» X-хромосому и инактивирует её, превращая в тельце Барра.
• Псевдогены — около 15 тысяч «сломанных» копий генов, утративших способность работать.
• Альтернативный сплайсинг. Почти все гены человека, состоящие из нескольких экзонов, дают по нескольку разных мРНК. Поэтому разных белков в клетках человека гораздо больше, чем генов.
• Перекрывающиеся и вложенные гены. Встречаются гены, лежащие внутри интронов других генов, и участки, с которых считываются РНК обеих цепей.

Гены человека в среднем длинные из-за интронов: типичный ген занимает десятки тысяч пар нуклеотидов, а кодирующие экзоны — лишь небольшая его часть. Рекордсмен — ген дистрофина DMD в X-хромосоме: около 2,2 миллиона пар нуклеотидов. На его транскрипцию уходит около 16 часов. Неудивительно, что именно в этом огромном гене часто возникают мутации, вызывающие миодистрофию Дюшенна.

Интересно и то, где гены лежат. Они распределены неравномерно: есть «города» — участки, где гены идут один за другим, и «пустыни» длиной в миллионы пар нуклеотидов без единого гена. Многие гены одной функции собраны в кластеры: гены α- и β-глобинов, гены гистонов, гены HLA, четыре кластера генов HOX, управляющих разметкой тела зародыша.

22. Геном человека в цифрах

Последняя строка таблицы о новых мутациях напоминает, что геном не застыл: каждый из нас несёт несколько десятков мутаций, которых не было у родителей. Большинство из них возникает в сперматогенезе, и их число растёт с возрастом отца. Подробнее о скорости и закономерностях мутационного процесса — в статье «Закономерности мутационного процесса и репарация ДНК».

23. Норма и её варианты

«Нормальный кариотип» — не значит «одинаковый у всех». Под микроскопом у здоровых людей нередко видны небольшие особенности хромосом, которые не влияют на здоровье. Их называют хромосомным полиморфизмом, или вариантами нормы. Знать о них важно: иначе вариант нормы можно принять за мутацию и напрасно встревожить семью.

• Размер гетерохроматиновых блоков. Блоки около центромер хромосом 1, 9 и 16 и в длинном плече Y-хромосомы у разных людей различаются по длине. Они состоят из повторов, не содержащих генов, поэтому их размер на здоровье не влияет.
• Перицентрическая инверсия 9-й хромосомы — inv(9)(p12q13) — встречается примерно у 1–2 % людей и считается вариантом нормы.
• Спутники акроцентрических хромосом. Короткие плечи хромосом 13–15 и 21–22 с участками рибосомных генов различаются по длине и яркости окраски у разных людей.

Поэтому при анализе кариотипа цитогенетик всегда сравнивает находку с известными вариантами нормы, а при сомнении исследует кариотипы родителей: если та же особенность есть у здорового отца или матери, скорее всего, это наследуемый вариант нормы.

Сбалансированные перестройки

Особый случай — люди со сбалансированными перестройками: например, с реципрокной транслокацией, когда две хромосомы обменялись участками, но генетический материал не потерян и не удвоен. Такие люди обычно здоровы и узнают о своей особенности, лишь когда у них несколько раз прерывается беременность или рождается ребёнок с хромосомной болезнью. Причина в мейозе: перестроенные хромосомы расходятся так, что часть гамет получает несбалансированный набор — с недостачей одного участка и избытком другого. Сбалансированную перестройку несёт примерно один человек из пятисот.

Самая известная из них — робертсоновская транслокация, при которой две акроцентрические хромосомы соединяются центромерами, а их короткие плечи теряются. Например, носитель транслокации 14-й и 21-й хромосом имеет 45 хромосом и здоров (утрачены лишь короткие плечи с повторяющимися генами рибосомной РНК, которые есть и на других акроцентрических хромосомах). Но у его детей риск транслокационной формы синдрома Дауна повышен. Примерно 3–4 % случаев синдрома Дауна вызваны именно транслокацией, и только в этих случаях риск повторения в семье существенно выше обычного.

Как часто встречаются хромосомные нарушения

Эти числа показывают, что отбор против хромосомных нарушений идёт в основном до рождения: большинство зародышей с несбалансированным кариотипом гибнет на ранних стадиях. Главная причина анеуплоидий — нерасхождение хромосом в мейозе, чаще всего в оогенезе. Риск растёт с возрастом матери: ооциты закладываются ещё до её рождения и десятилетиями остаются в профазе мейоза I, а связи между гомологичными хромосомами за это время ослабевают.

24. Мозаицизм и химеризм: когда в одном человеке два кариотипа

Обычно все клетки тела происходят от одной зиготы и имеют одинаковый кариотип. Но так бывает не всегда.

Мозаицизм — присутствие в организме, развившемся из одной зиготы, двух или более линий клеток с разными кариотипами. Он возникает из-за ошибки в одном из митотических делений зародыша: например, при нерасхождении хромосом или утрате хромосомы. Запись мозаичного кариотипа содержит обе линии через косую черту, например 45,X/46,XX или 47,XY,+21/46,XY. Чем раньше произошла ошибка, тем больше доля изменённых клеток и тем заметнее проявления. У мозаиков симптомы хромосомных синдромов обычно мягче, чем при полной форме.

Химеризм — присутствие в организме клеток, происходящих от разных зигот. Естественный химеризм бывает у близнецов, обменявшихся клетками крови через общие сосуды плаценты, и при слиянии двух ранних зародышей в один. Беременная женщина получает немного клеток плода, которые могут сохраняться в её теле десятилетиями (микрохимеризм). Искусственный химеризм возникает после пересадки костного мозга: кровь пациента начинает нести кариотип донора, и по клеткам крови мужчины после пересадки от женщины-донора можно получить кариотип 46,XX.

Мозаицизм есть и у здоровых людей: с возрастом в части клеток крови у мужчин теряется Y-хромосома, а у женщин — одна из X. В опухолях кариотип клеток часто сильно изменён — так, при хроническом миелоидном лейкозе в клетках крови находят филадельфийскую хромосому, образованную транслокацией t(9;22). Такие изменения касаются только соматических клеток и не передаются детям.

25. Сколько хромосом в разных клетках тела

Число 46 относится к типичной соматической клетке, но в теле человека есть клетки с другим набором.

Полиплоидия таких клеток возникает при эндоредупликации — удвоении ДНК без последующего деления — или при делении ядра без деления клетки. Она запрограммирована и позволяет клеткам быть крупнее и активнее синтезировать белки. Мегакариоцит, например, вырастает до огромных размеров и, распадаясь на фрагменты, даёт тысячи тромбоцитов. Важно не путать эту соматическую полиплоидию с полиплоидией всего организма (триплоидия 69,XXY), которая у человека несовместима с длительной жизнью.

26. Как узнают кариотип ещё до рождения

Кариотип ребёнка можно определить во время беременности. Это нужно, когда риск хромосомной болезни повышен: по результатам скрининга, возрасту матери, при сбалансированной перестройке у одного из родителей или при пороках развития, найденных на УЗИ.

Первые три метода — инвазивные: иглу вводят через брюшную стенку под контролем УЗИ. Они дают точный диагноз, но несут небольшой риск прерывания беременности. Неинвазивный тест безопасен для плода. Его идея опирается на те же достижения, что и программа «Геном человека»: если у плода трисомия 21, то фрагментов ДНК 21-й хромосомы в крови матери оказывается чуть больше обычного — примерно на несколько процентов, — и это превышение улавливают, прочитав миллионы фрагментов и сравнив их с эталонным геномом.

Решение о том, проводить ли такое исследование и что делать с его результатом, всегда принимает сама семья после консультации врача-генетика. Подробнее о пренатальной диагностике и консультировании — в статье серии о медицинской генетике.

27. Итог: что важно знать

• Кариотип человека: 46 хромосом (22 пары аутосом и пара половых хромосом); женский 46,XX, мужской 46,XY; в гаметах — 23 хромосомы.
• Хромосомы нумеруют по убыванию размера; по форме они метацентрические, субметацентрические и акроцентрические; по размеру и форме делятся на группы A–G.
• Короткое плечо обозначается p, длинное — q; дифференциальная окраска выявляет у каждой хромосомы свой рисунок полос.
• Кариотип записывают по системе ISCN: 47,XY,+21; 45,X; 46,XY,del(5)(p15).
• Для получения кариотипа лимфоциты выращивают в культуре, деление останавливают колхицином в метафазе, обрабатывают гипотоническим раствором, окрашивают и упорядочивают хромосомы.
• Число 46 установили Тио и Леван в 1955–1956 гг.; первые хромосомные болезни описаны в 1959 г.
• Пол человека определяет ген SRY Y-хромосомы.
• Программа «Геном человека» (1990–2003) прочитала геном человека; полная сборка без пробелов — в 2022 г.; в 2023 г. — пангеном.
• Геном: около 3,1 млрд пар нуклеотидов, около 20 тысяч генов белков, 1,5 % кодирующей ДНК, почти половина — мобильные элементы.
• Два человека различаются примерно по одному нуклеотиду из тысячи; знание этих различий — основа медицинской генетики.

28. Частые ошибки

• «У человека 23 хромосомы». В соматических клетках 46 (23 пары); 23 — в гаметах.
• «Половые хромосомы есть только в половых клетках». Пара половых хромосом есть в каждой соматической клетке, а в гаметах — одна.
• «У мужчины 23 пары гомологичных хромосом». У мужчины 22 пары гомологичных аутосом и пара негомологичных X и Y (гомологичны лишь их небольшие концевые участки).
• «Кариотип — это набор генов». Кариотип — характеристика хромосомного набора (число, размер, форма хромосом); набор генов — генотип, геном.
• «Программа „Геном человека“ определила генотип каждого человека». Она прочитала эталонный геном, составленный по ДНК нескольких людей; генотипы людей различаются.
• «Генов у человека около 100 тысяч». Генов, кодирующих белки, около 20 тысяч.
• «Почти вся ДНК человека кодирует белки». Кодирующие участки — лишь около 1,5 %.
• «Кариотип можно определить по любой клетке, например по эритроциту». Нужны делящиеся клетки с ядром; у зрелых эритроцитов человека ядра нет.
• «Пол человека определяется числом X-хромосом». У человека — наличием Y-хромосомы (гена SRY).

29. Интересные факты

• Пейнтер, насчитавший 48 хромосом, был блестящим цитологом; его ошибку объясняют плохим качеством препаратов, а то, что её 30 лет повторяли, — авторитетом и тем, что у обезьян действительно 48 хромосом.
• В черновом геноме 2001 г. ДНК была взята от нескольких анонимных добровольцев; большая часть эталонной последовательности получена от одного мужчины из Буффало (США).
• Геном Крейга Вентера (2007) и геном Джеймса Уотсона (2008) стали первыми опубликованными геномами конкретных людей.
• Если напечатать геном человека мелким шрифтом, как в старых телефонных справочниках, получится около 200 томов по тысяче страниц.
• ДНК из одной клетки человека, вытянутая в нить, имела бы длину около 2 метров, а ДНК всех клеток тела — в десятки раз больше расстояния от Земли до Солнца.
• Y-хромосома содержит длинные «палиндромы» — участки, читающиеся одинаково в обе стороны; рекомбинация между ними внутри самой хромосомы помогает исправлять ошибки, ведь пары для кроссинговера у Y почти нет.
• Самая большая хромосома человека (1-я) примерно в 5 раз длиннее самой маленькой (21-й).
• За полную сборку генома в 2022 г. работала команда более чем из ста учёных; последние «дыры» — центромеры и короткие плечи акроцентрических хромосом — занимали около 200 миллионов пар нуклеотидов.
• Первую хромосомную болезнь человека — трисомию 21 при синдроме Дауна — описал в 1959 г. французский врач Жером Лежён с коллегами, всего через три года после того, как было установлено число 46. В том же году нашли кариотипы 45,X и 47,XXY.
• Числом хромосом человек ничем не выделяется: у картофеля 48 хромосом, у собаки 78, у некоторых папоротников — больше тысячи, а у самки муравья Myrmecia croslandi всего 2.

30. Частые вопросы

31. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.5 кодификатора [13]: «Кариотип человека. Международная программа исследования генома человека…». В части 1 встречаются задания на число хромосом в клетках человека (соматических, половых, при мутациях), на запись и чтение кариотипа, на число телец Барра, на значение программы «Геном человека». В части 2 — анализ кариограмм (определить кариотип, пол, вид мутации, механизм возникновения), вопросы о методах исследования хромосом и о значении расшифровки генома для медицины.

Что обязательно знать к экзамену

• Кариотип человека и его запись; число хромосом в соматических клетках и гаметах.
• Аутосомы и половые хромосомы; определение пола.
• Как получают кариотип и кариограмму.
• Цели и основные результаты программы «Геном человека».

Разбор заданий части 1

Задание. Сколько аутосом содержит яйцеклетка человека? Ответ: 22.

Задание. Сколько хромосом в клетке человека с синдромом Клайнфельтера в метафазе митоза? Ответ: 47 (двухроматидных).

Задание. Выберите три верных утверждения о геноме человека: 1) содержит около 20 тысяч генов, кодирующих белки; 2) кодирующие участки занимают большую часть ДНК; 3) около половины генома — мобильные элементы и их остатки; 4) два человека различаются примерно по одному нуклеотиду из тысячи; 5) геном прочитан только по ДНК одного мужчины; 6) митохондриальная ДНК не входит в геном. Ответ: 134.

Разбор задания части 2

Задание. На кариограмме 45 хромосом, одна X-хромосома и нет Y. Определите кариотип и пол. Какой вид мутации? Как она могла возникнуть? Сколько телец Барра в клетках? Ответ. 1) Кариотип 45,X; пол женский. 2) Геномная мутация — анеуплоидия (моносомия по X), синдром Тёрнера. 3) Возникает при нерасхождении половых хромосом в мейозе у одного из родителей (гамета без половой хромосомы оплодотворяется гаметой с X) или при утрате хромосомы в первых делениях зародыша. 4) Телец Барра нет — единственная X-хромосома активна.

Задание. Какое значение для медицины имеет международная программа исследования генома человека? Ответ. 1) Найдены гены тысяч наследственных болезней — стала возможна их точная диагностика, в том числе пренатальная. 2) Изучены гены предрасположенности к частым болезням, что помогает профилактике. 3) Появилась возможность подбирать лекарства с учётом генотипа (фармакогенетика) и мутаций опухоли. 4) Созданы основы для генной терапии и редактирования генома.

32. Для олимпиад

Количество ДНК в клетках человека

Масса ДНК гаплоидного набора человека — около 3,3 пг (пикограмма). Обозначим количество хромосом n, хроматид c. Тогда: в сперматозоиде — n = 23, c = 23, ДНК 3,3 пг (1c); в соматической клетке в G₁ — 2n = 46, 2c, 6,6 пг; после S-фазы и в метафазе митоза — 2n = 46, 4c, 13,2 пг; в метафазе мейоза I — 2n, 4c; после мейоза I — n, 2c; после мейоза II — n, c. Типичная олимпиадная задача — определить количество ДНК и хромосом на каждой стадии.

Сколько генома «работает»

Если 1,5 % генома (3,1 × 10⁹ пар нуклеотидов) приходится на кодирующие экзоны, это около 4,6 × 10⁷ пар нуклеотидов. При 20 тысячах генов на кодирующую часть одного гена приходится в среднем около 2300 пар нуклеотидов. Оценка грубая (доля 1,5 % округлена, а часть экзонов относится к нетранслируемым участкам мРНК), но порядок величины верен: белок человека состоит в среднем из нескольких сотен аминокислот. А весь ген вместе с интронами занимает в среднем десятки тысяч пар нуклеотидов — значит, большая часть гена приходится на интроны.

Сборка генома из кусочков

При методе «дробовика» геном разрезают на случайные фрагменты и читают их многократно. Если общая длина прочитанных фрагментов в 30 раз больше генома («покрытие 30×»), то каждая позиция в среднем прочитана 30 раз. Вероятность того, что какая-то позиция не прочитана ни разу, при случайном распределении — e⁻³⁰, то есть практически ноль. Но повторы длиннее прочтения нельзя однозначно расставить: если повтор длиной 10 тысяч нуклеотидов встречается в геноме много раз, а прочтения короче, сборщик не знает, какая копия где. Поэтому центромеры и другие длинные повторы удалось собрать только с помощью прочтений длиной в десятки и сотни тысяч нуклеотидов.

Акроцентрические хромосомы и ядрышко

Короткие плечи хромосом 13, 14, 15, 21 и 22 несут повторяющиеся гены рибосомной РНК; эти участки образуют ядрышко, поэтому их называют ядрышковыми организаторами. В интерфазном ядре короткие плечи разных акроцентрических хромосом собираются вместе вокруг ядрышка. Этим объясняют, почему именно акроцентрические хромосомы чаще всего участвуют в робертсоновских транслокациях: их короткие плечи физически сближены и содержат одинаковые повторы, между которыми легко происходит рекомбинация.

Задача на кариотип

У женщины в части клеток кариотип 46,XX, в части — 45,X. Как называется такое состояние? Как оно могло возникнуть? Ответ: мозаицизм 45,X/46,XX; возник при утрате одной X-хромосомы в одном из первых митотических делений зиготы с нормальным кариотипом (или, реже, при «спасении» трисомии/моносомии). Проявления синдрома Тёрнера у мозаиков обычно мягче.

33. Задания с разбором

Задание 1

Сколько хромосом в соматической клетке, яйцеклетке и сперматозоиде человека?

Задание 2

Выберите три верных утверждения: 1) у человека 22 пары аутосом; 2) кариотип мужчины 46,XX; 3) Y-хромосома — одна из самых мелких; 4) пол человека определяется числом X-хромосом; 5) короткое плечо хромосомы обозначается p; 6) у человека 48 хромосом.

Задание 3

Запишите кариотип мальчика с трисомией по 21-й хромосоме.

Задание 4

Установите соответствие между хромосомами и их формой: А) 1; Б) 13; В) X; Г) 21; Д) 19. 1) метацентрическая; 2) субметацентрическая; 3) акроцентрическая.

Задание 5

Почему для получения кариотипа клетки обрабатывают колхицином?

Задание 6

Найдите ошибки и исправьте. 1) Кариотип — совокупность признаков хромосомного набора. 2) У женщины 23 пары гомологичных хромосом. 3) Генов, кодирующих белки, у человека около 100 тысяч. 4) Программа «Геном человека» началась в 1990 г. 5) Кодирующие участки занимают большую часть генома.

Задание 7

Кто и когда установил, что у человека 46 хромосом? Какие методические приёмы это позволили?

Задание 8

Какой ген определяет развитие мужского пола у человека и где он находится?

Задание 9

Назовите три цели программы «Геном человека».

Задание 10

Сколько телец Барра в клетках людей с кариотипами 46,XX; 47,XXY; 45,X; 47,XXX?

Задание 11

Что означает запись 46,XX,t(9;22)(q34;q11)?

Задание 12

Почему люди с кариотипом 47,XXY — мужчины, а с кариотипом 45,X — женщины?

Задание 13

Какие результаты программы «Геном человека» оказались неожиданными? Назовите два.

Задание 14

Почему у мужчин в мейозе X- и Y-хромосомы могут конъюгировать, хотя они разные?

Задание 15

Сколько хромосом и хроматид в клетке человека в метафазе мейоза II?

Задание 16

Почему кариотип нельзя определить по зрелым эритроцитам человека?

Задание 17

Чем отличается пангеном от эталонного генома?

Задание 18

На кариограмме 47 хромосом, три хромосомы 18-й пары, половые X и X. Определите кариотип, пол и синдром.

Задание 19 (олимпиадное)

Масса ДНК в сперматозоиде человека 3,3 пг. Какова масса ДНК в клетке в метафазе митоза, в клетке после мейоза I и в клетке эпителия в G₁?

Задание 20 (олимпиадное)

При покрытии генома прочтениями 10× какова доля позиций, ни разу не прочитанных, если прочтения распределены случайно?

Литература

1. Caspersson T., Zech L., Johansson C. Differential binding of alkylating fluorochromes in human chromosomes // Experimental Cell Research. 1970. Vol. 60. P. 315–319. DOI: 10.1016/0014-4827(70)90523-9.
2. McGowan-Jordan J., Hastings R. J., Moore S. (eds.) ISCN 2020: An International System for Human Cytogenomic Nomenclature. Basel: Karger, 2020.
3. Tjio J. H., Levan A. The chromosome number of man // Hereditas. 1956. Vol. 42. P. 1–6. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1956.tb03010.x.
4. International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. 2001. Vol. 409. P. 860–921. DOI: 10.1038/35057062.
5. Venter J. C., Adams M. D. et al. The sequence of the human genome // Science. 2001. Vol. 291. P. 1304–1351. DOI: 10.1126/science.1058040.
6. International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome // Nature. 2004. Vol. 431. P. 931–945. DOI: 10.1038/nature03001.
7. Sanger F., Nicklen S., Coulson A. R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // PNAS. 1977. Vol. 74. P. 5463–5467. DOI: 10.1073/pnas.74.12.5463.
8. The 1000 Genomes Project Consortium. A global reference for human genetic variation // Nature. 2015. Vol. 526. P. 68–74. DOI: 10.1038/nature15393.
9. The ENCODE Project Consortium. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome // Nature. 2012. Vol. 489. P. 57–74. DOI: 10.1038/nature11247.
10. Nurk S., Koren S. et al. The complete sequence of a human genome // Science. 2022. Vol. 376. P. 44–53. DOI: 10.1126/science.abj6987.
11. Liao W.-W., Asri M. et al. A draft human pangenome reference // Nature. 2023. Vol. 617. P. 312–324. DOI: 10.1038/s41586-023-05896-x.
12. Rhie A., Nurk S., Cechova M. et al. The complete sequence of a human Y chromosome // Nature. 2023. Vol. 621. P. 344–354. DOI: 10.1038/s41586-023-06457-y.
13. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.