СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМОСОМ И ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КЛЕТОК КРОВИ. STRUCTURAL ORGANIZATION OF CHROMOSOMES AND BLOOD CELL DIFFERENTIATION

Лидия Ивановна Чабала

В монографии представлены исследования о структурно-функциональной организации хромосом в популяции клеток костного мозга Rattus norvegicus. Открытие преобразований в структуре у двух пар хромосом позволило выявить хромосомное определение дифференцировки лейкоцитарного, эритроидного, мегакариоцитарного рядов крови, и связь этого процесса с возможностями организма, и действующими на него факторов среды. Книга представляет интерес для генетиков, гематологов, физиологов, биологов, фармакологов.

Глава 1

Представления о кариотипе до наших исследований

и наши приоритетные работы

До наших исследований были опубликованы многочисленные данные о структурной вариабельности метафазных хромосом при анализе клеток костного мозга у разных видов (Орлов В. Н., 1974; Бекасова Т. С., Межова О. Н., 1975; Орлов В. Н., Булатова Н. Ш., 1983; Ахвердян М. Р., 1989; Hungerford D.A., Nowell Т. C., 1963; Yosida Т. H., Amano K., 1965), что объясняли их внутривидовой или надвидовой изменчивостью и эволюцией. При этом сложилась точка зрения об одинаковом кариотипе у всех представителей одного вида по числу хромосом и их морфологии (Орлов В. Н., 1974; Дыбан А. П., Баранов B.C., 1978; Орлов В. Н., Булатова Н. Ш., 1983; Дубинин Н. П., 1976, 1985), и с учетом этого составляли карты хромосом.

У крыс Rattus norvegicus Berkenhout, объекта наших исследований, полиморфизм хромосом рассматривали также с этих же позиций. При этом все авторы у этого вида отмечали в диплоидных клетках на стадии метафазы 42 хромосомы и отдельные особенности в их морфологии. Классификацию хромосом с распределением их на группы с учетом морфологии, в которой хромосомы у лабораторной крысы распределили на четыре группы, предложили в 1963 году (Hungerford D. A., Nowell Т. C., 1963). В первую из них были объединены три пары самых крупных хромосом: субтелоцентрическая, акроцентрическая и субтелоцентрическая. Вторая группа включала 4—10 пары акроцентрических аутосом и половые хромосомы. В третьей группе расположили 11—13 субтелоцентрические пары, а к четвертой отнесли 14—20 пары метацентрических аутосом. Всего в кариотипе выявили 7 пар хромосом метацентрических, 5 пар — субтелоцентрических и 9 — акроцентрических.

Спустя десятилетие, в 1973 году, усовершенствована классификация хромосом у этого вида на основе дифференциальной окраски, аутосомы расположили в ранее принятом порядке, но провели идентификацию хромосомных пар, половые хромосомы поместили в конце кариограммы (Standard Karuotype, 1973). При этом 12 и 13 пары отнесли по морфологии уже к субметацентрическим. В результате в кариотипе выделили 7 пар хромосом метацентрических, 2 пары субметацентрических, 3 пары субтелоцентрических и 9 пар акроцентрических.

Но были опубликованы и другие данные. Так, для одних популяций крыс отмечали 2 пары субтелоцентриков и 11 акроцентриков (Yosida Т. H., Amano K., 1965; Yosida Т. H., 1973), для других — 3 пары субтелоцентриков и 10 акроцентриков (Бекасова Т. С., Межова О. Н., 1975; Yosida T. H., Sagai T., 1973), в третьих — 4 пары субтелоцентриков и 9 акроцентриков (Kral В., 1972), в четвертых — 5 пар субтелоцентриков и 8 пар акроцентриков (Дыбан А. П., Баранов B. C., 1978). И это явление объясняли надвидовыми различиями.

Кроме того, у этого вида описан полиморфизм для трех пар хромосом: 3, 12 и 13 на межпопуляционном и внутрипопуляционном уровнях. Вследствие изменения длины плеч гомологи у этих пар относили к телоцентрическим или субтелоцентрическим, а иногда их находили в гетероморфном состоянии (Дыбан А. П., Удалова А. Д.,1967; Бекасова Т. С., Межова О. Н.,1975; Бекасова Т. С., 1980; Yosida Т. H., Amano K. 1965; Yosida Т. H., 1973, 1979). Таким образом, в литературе явление структурного полиморфизма метафазных хромосом в клетках костного мозга крыс было известно много десятилетий до наших исследований, но объясняли его с позиции внутри — и межпопуляционной изменчивости вида.

Информация об изменениях метафазных хромосом на уровне популяции клеток костного мозга особи до наших исследований отсутствовала. Нами впервые экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление структурно-функциональных преобразований метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга у каждой особи Rattus norvegicus, представителя класса млекопитающих. При пролиферации стволовых клеток в костном мозге наблюдали у двух пар морфоструктуру хромосом в виде акроцентрической или метацентрической. В результате выделены три типа хромосомных наборов, три их разновидности, что обусловлено специфической упаковкой ДНК для реализации генетической информации в разных по физиологии и функциям кроветворных клетках. Вследствие этого формируются неоднородные метафазные хромосомные наборы по своей морфологической структуре в разных клетках одной популяции костного мозга, и проявляется взаимосвязь организации хромосом с процессами работы генов и физиологией организма. Это совершенно новое объяснение возникновения полиморфизма хромосом в популяции клеток костного мозга организма.

Явление структурно — функциональных преобразований метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга млекопитающих при пролиферации стволовых клеток и закономерности образования трех типов хромосомных наборов вносят существенные дополнения и изменения в представления о полиморфизме хромосом и кариотипе, что немаловажно для дальнейшего развития цитогенетики, биологической науки и медицины. В гематологии считали, что родоначальные пролиферирующие клетки по морфологии не различаются (Абрамов М. Г., 1979; Моничев А. Я., 1984; Чертков И. Л., 1985; Груздев Г. П., 1988). Следовательно, хромосомные маркеры дифференцировки кроветворных ростков позволяют изучать гемопоэз на более ранней стадии по сравнению с морфологически распознаваемыми клетками.

Эти факты меняют существующее представление о кариотипе вида, дают информацию о новом способе реализации генетической информации в онтогенезе организма, что важно для генетики и биологии, для гематологии и медицины. На базе открытия разработан способ определения состояния костномозгового кроветворения на хромосомном уровне (Чабала Л. И., 1991).

Научное значение открытия заключается в том, что оно расширяет сложившиеся представления о полиморфизме метафазных хромосом и дает новые знания о реализации генетической программы стволовых кроветворных клеток костного мозга при их дифференцировке в специализированные, которые образуются с учетом потребности организма для обеспечения жизнедеятельности. Кроме того, подобные закономерности могут быть обнаружены и у других млекопитающих, включая человека.

Практическое значение исследований состоит в том, что этот объект Rattus norvegicus и способ определения состояния костномозгового кроветворения на хромосомном уровне можно использовать для изучения и оценки гемопоэза при конкретном состоянии физиологии организма и исследовать его адаптацию к биологическим, химическим и физическим факторам воздействия разной природы и силы. Такие исследования особенно важны в разных областях медицины.

Сведения о приоритете

Первая приоритетная работа: Чабала Л. И. — тезисы «Природа полиморфизма хромосом клеток костного мозга белой крысы» в сборнике тезисов II Всероссийского съезда гематологов и трансфузиологов, 1986. Затем более подробно сущность открытия о структурно-функциональных преобразованиях метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга млекопитающего и закономерностях образования типов хромосомных наборов была опубликована также в 1986 году: Чабала Л. И. Функционально-структурные преобразования хромосом в различных пролиферирующих кроветворных клетках костного мозга белой крысы //Космическая биология и авиакосмическая медицина. — 1986. — №3. С. 78—80.

Было сообщение в журнале «Наука и жизнь» под названием «Неожиданные свойства хромосом» /Заметки о советской науке и технике //Наука и жизнь. — 1988. №11. С.40, где указывалось об открытии неизвестного прежде явления.

Далее в 1990 году материалы открытия изданы в журнале «Генетика»: Чабала, Л.И., Машкин, С. И. Особенности морфологии метафазных хромосом в кроветворных клетках белой крысы //Генетика. — 1990. Т.26. — С. 1858—1864.

Результаты теоретических и практических доказательств открытия были также представлены во многих изданиях:

— Чабала, Л. И. Особенности полиморфизма хромосом в клетках костного мозга белых беспородных крыс. Тезисы доклада на V съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционеров. М., 1987. — С. 293.

— Чабала, Л. И. Закономерность образования трех типов хромосомных наборов в костном мозге в различные периоды онтогенеза. //Журнал «Доклады Академии Наук СССР», Т. 318, №1, 1991. — С. 217—220.

— Чабала, Л.И., Машкин, С. И. О закономерностях образования структурно-функциональных типов хромосомных наборов в костном мозге у интактных и экспериментальных крыс. //Журнал «Известия Российской АН», №1, 1992. — С. 130—134.

— Чабала, Л. И. Способ диагностики на хромосомном уровне функционального состояния кроветворения у экспериментальных животных. //Журнал «Гематология и трансфузиология», №1, 1995. — С. 32—33.

— Чабала, Л.И., Сливкин, А.И., Чабала, В. А. Явление структурно-функциональных преобразований хромосом в популяции клеток костного мозга у Rattus norvegicus. //Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2011, №1. — С.200 — 204, и других работах.

Наше открытие об образовании трех типов хромосомных наборов у крыс, различающихся количеством акроцентрических и метацентрических хромосом, в популяции клеток костного мозга подтвердили в республике Беларусь в институте радиобиологии Национальной академии наук согласно публикации: Николаевич Л. Н., Винник Л. М., Амвросьев А. П. Новый цитогенетический подход в изучении костномозгового кроветворения после действия ионизирующей радиации на организм// Проблемы радиационной генетики на рубеже веков. Москва, 20—24 ноября 2000 г. Тезисы докладов. Изд-во Российского университета дружбы народов.

Авторское свидетельство «Чабала Л. И. Способ определения функционального состояния кроветворения у экспериментальных животных: А.с. 1697747 СССР. — 2 с. 1991. Бюл. №48» также свидетельствует о существовании явления и закономерностей структурно-функциональной организации и преобразований хромосом при формировании трех типов в популяции клеток костного мозга.

Выдан диплом на открытие: Чабала Л. И., Машков О. А., Чабала В. А., Машкин С. И. Закономерность структурно-функциональных преобразований метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга млекопитающих/ Диплом №442. Приоритет открытия 13 июня 1985 г. (по дате поступления статьи в редакцию). Регистрационный №554 от 3 декабря 2012 г.

Сущность открытия

Сущность открытия закономерностей структурно-функциональных преобразований метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга у млекопитающего состоит в том, что при пролиферации стволовых клеток выявлены у каждой особи реорганизации в морфологии хромосом на примере крысы и три типа хромосомных наборов. Среди кроветворных родоначальных клеток, дифференцирующихся впоследствии в эритроциты, лейкоциты и мегакариоциты, при одном и том же наборе генов и одинаковом числе хромосом осуществляются у двух пар изменения длины плеч. Вследствие этого происходит преобразование морфологической структуры и на стадии метафазы образуется разное число акроцентриков и метацентриков в хромосомных наборах.

Сравнение структурной организации хромосом в наборах из культуры крови и костного мозга показало, что три типа хромосомных наборов образуются только в костном мозге, где происходит дифференцировка и образование лейкоцитов, эритроцитов и мегакариоцитов.

У каждой особи при одинаковом общем числе хромосом 42 были обнаружены три разновидности хромосомных наборов или три типа. Они отличаются количеством метацентрических и акроцентрических хромосом. Тип I включал 26 акроцентрических и 14 метацентрических, тип II соответственно — 24 и 16 и тип III — 22 и 18, и в каждом из типов имелась также одна пара самых больших субтелоцентрических аутосом.

Устойчивые и повторяющиеся преобразования морфологической структуры у 18 и 19 пар метафазных хромосом в маркерах трех ростков крови свидетельствуют о неизвестном ранее способе реализации генома стволовых клеток. Вероятно, это осуществляется при упаковке ДНК специфично в разных по физиологии клетках крови для выполнения специализированных функций.

Кроме того, интенсивность образования трех типов хромосомных наборов — маркеров трех рядов кроветворных клеток существенно различалась на этапах онтогенеза и при воздействии на организм факторов различной природы и силы, которые вызывали неодинаковые физиологические состояния и адекватно им соответствующую интенсивность образования этих маркеров.

Следовательно, открыто новое явление о качестве материи в виде трех типов хромосомных наборов в популяции костного мозга у каждого субъекта. Кроме того, обнаружены определенные количественные закономерности в их образовании, которые осуществляются специфично при различных воздействиях на организм и состоянии физиологии. При этом определены математические и функциональные зависимости, что дает возможность более точно оценивать состояние физиологии организма при разных воздействиях и, таким образом, решать вопросы на новых уровнях по проблеме здоровья человека.