Для характеристики кариотипа используют систематизированные определенным образом видеоизображения гомологичных хромосом всего хромосомного набора — кариограммы (рис. 2.1, б; 2.2, б), либо схематичные изображения каждого гомолога — идеограммы (см. Приложение).
При кариотипировании обычно руководствуются критериями и правилами, установленными Международным комитетом по стандартизации цитогенетических исследований, последняя версия которых опубликована в 2005 году [510]. Результатом хромосомного анализа является описание кариотипа в виде формулы с указанием числа хромосом, набора половых хромосом и хромосомных аберраций (если они выявлены). Некоторые из символов и сокращений, принятых в цитогенетике человека, приведены в приложении. Более подробно с основными правилами международной цитогенетической номенклатуры, переведенными на русский язык, можно ознакомиться в изданиях отечественных авторов [38, 124].
В норме кариотип человека содержит 46 хромосом. Такое диплоидное (удвоенное) число возникает в результате объединения родительских гамет, каждая из которых содержит половинное, гаплоидное число хромосом, равное 23. Таким образом, зародыш человека со стадии зиготы имеет 23 пары хромосом, 22 из которых являются аутосомами и 1 пара — половыми хромосомами, или гоносомами (Х и Y). Наличие двух половых Х-хромосом (кариотип 46,ХХ) соответствует женскому полу, наличие Х- и Y-хромосом (кариотип 46,ХY) — мужскому.
Хромосомы отличаются между собой размерами, формой и строго индивидуальным для каждой пары хромосом рисунком дифференциальной исчерченности.
Форма хромосомы определяется локализацией центромеры (первичной перетяжки) — участка хромосомы, входящего в состав кине- тохора, к которому прикрепляются микротрубочки веретена деления (митотического или мейотического). В зависимости от центромерного индекса, то есть соотношения короткого плеча к длине всей хромосомы, хромосомы человека подразделяются на три группы — метацентрические (размеры короткого (p) и длинного (q) плеч практически одинаковы), субметацентрические (центромерный индекс 26-46 %) и акроцентрические (центромерный индекс 15-30 %). Особенностью коротких плеч всех акроцентрических аутосом человека является наличие спутничных нитей и спутников.
Согласно Международной номенклатуре хромосом человека (ISCN), аутосомы человека пронумерованы в порядке уменьшения их размеров (от 1 до 22) и подразделены на 7 групп (от А до G):
группа А (1-3) — большие метацентрические хромосомы 1, 3 и субметацентрическая хромосома 2;
группа В (4 и 5) — большие субметацентрические хромосомы; группа С (аутосомы 6-12 и половая Х-хромосома) — средние субметацентрические хромосомы;
группа D (13-15) — большие акроцентрические хромосомы; группа Е (16-18) — малые субметацентрические хромосомы; группа F (19-20) — малые метацентрические хромосомы; группа G (21-22) — малые акроцентрические хромосомы. Y-хромосома относится к акроцентрическим, однако в отличие от 5 пар акроцентрических аутосом ее короткое плечо не содержит спут- ничных нитей и спутников, а размеры длинного плеча варьируют от хромосом группы G до группы D.
Хромосомы человека состоят из линейно расположенных участков (сегментов, блоков, англ. — band), отличающихся по структурным характеристикам и молекулярной композиции. Свойственная всем хромосомам блочная организация выявляется при использовании различных методов дифференциального окрашивания. Центромерные районы (С-сегменты) являются обязательным структурным компонентом любой хромосомы в кариотипе человека. Однако по величине С-блоков наблюдается выраженный межиндивидуальный полиморфизм, обусловленный различными размерами прицентромерных областей. С-полиморфизм наиболее характерен для прицентромерных районов длинных плеч хромосом 1, 9, 16 и коротких плеч хромосом 15 и 22, а также для варьирующего по величине дистального участка длинного плеча Y-хромосомы. В состав С-сегментов входят простые и более сложные нуклеотидные повторы сателлитной ДНК. Каждой паре хромосом человека свойственна своя, присущая только ей альфоидная ДНК, со своим типом тандемных повторов. На основе альфоидных ДНК были созданы и получили широкое применение в цитогенетике хромосом- специфические ДНК-зонды, позволяющие вести подсчет индивидуальных хромосом и идентифицировать центромерные районы гомологов не только в метафазных, но и в интерфазных клетках.
Другим важным структурным компонентом каждой хромосомы являются теломеры — концевые участки хромосом, которыми в интерфазном ядре хромосомы прикрепляются к внутренней ядерной мембране. Теломерные районы (Tel-блоки) всех хромосом образованы многократно повторенными (несколько тысяч раз) простыми шестинуклеотидными фрагментами (TTAGGG).
Плечи хромосом проявляют характерный для каждой пары хромосом рисунок из чередующихся темных (ярких) и светлых (тусклых) полос. Выявляющиеся участки хромосом обозначаются в зависимости от типа окраски Q-, G- и R-сегментами, а поперечная исчерченность хромосом — соответственно Q-, G- и R-рисунком. Q- и G-рисунки идентичны, R-рисунок (reverse) им комплементарен.
G+(Q+)-сегменты обогащены АТ-нуклеотидами и содержат сравнительно мало генов. По некоторым данным, в этих сегментах преимущественно находятся гены, ответственные за тканевую (терминальную) дифференцировку клеток (см. главу 11).
R-сегменты обогащены CG-парами оснований ДНК. В них сосредоточено основное число генов, в том числе генов «домашнего хозяйства» (housekeeping genes), продукты которых обеспечивают жизнеспособность клеток (дыхание, энергетический обмен и др.). В одном сегменте, выявляемом при окраске прометафазных хромосом, содержится в среднем около 1 млн пар нуклеотидов, что примерно соответствует 10-15 генам (см. главу 11).
Согласно номенклатуре [510], каждая хромосома человека подразделяется на районы, границами которых являются регулярно наблюдаемые морфологические маркеры. В свою очередь, районы подразделяются на сегменты, заметно отличающиеся от соседних по интенсивности окраски. Нумерация всех сегментов начинается от центромеры к теломере отдельно для каждого плеча хромосомы. Запись индивидуального сегмента включает информацию о хромосоме, плече и районе, в котором он находится. На менее спирализованных хромосомах сегменты могут подразделиться на несколько частей — субсегментов, для обозначения которых вводятся новые ряды цифр. Например, запись 7q21.1 обозначает субсегмент 1 первого сегмента в районе 2 длинного плеча хромосомы 7. Число и расположение сегментов строго специфично для каждой пары гомологов, что позволяет не только проводить их точную идентификацию, но и широко использовать при анализе структурных хромосомных перестроек. В приложении приведены стандартные идеограммы хромосом человека для пяти уровней разрешения — 300, 400, 550, 700 и 850 сегментов на гаплоидный геном.
Структурными компонентами коротких плеч пяти пар акроцентри- ческих аутосом в кариотипе человека являются спутники (s) и спут- ничные нити (stk) (англ. satellites и satellite stalks соответственно). Варьирующая в широких пределах величина спутников, а также длина и толщина спутничных нитей приводят к выраженному гетероморфизму гомологов хромосом групп D и G. Среди полиморфных вариантов встречаются также хромосомы с двойными спутниками и двойными ядрышкообразующими районами (ЯОР). Спутники представлены сатДНК. Спутничные нити (вторичные перетяжки), являясь по существу ядрышкообразующими районами, обозначаются N- или Ag-NOR блоками. В ЯОР локализованы многократно повторяющиеся кластеры рибосомных генов. Каждая акроцентрическая хромосома содержит различное число /gt;-генов. Наряду со спутниками и спутничными нитями неравномерное распределение копий генов рРНК, а также различный уровень их экспрессии лежат в основе структурного и функционального полиморфизма индивидуальных ЯОР (см. главу 10).