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

© Лидия Ивановна Чабала, 2020

© Вадим Анатольевич Чабала, 2020

ISBN 978-5-4498-0090-9

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Л. И. Чабала, В. А. Чабала

Структурная организация хромосом и дифференцировка клеток крови

STRUCTURAL ORGANIZATION OF CHROMOSOMES

AND BLOOD CELL DIFFERENTIATION

2019

Монография по материалам открытия в области цитогенетики на стыке с кроветворением и физиологией

2019

УДК 611.08  Все права защищены дипломом на открытие №442 от 2012 г..

ББК 52.5  Никакая часть книги не может быть воспроизведена

Ч 121  без письменного разрешения владельцев авторских прав

Чабала Л. И.

Ч 121 Структурная организация хромосом и дифференцировка клеток крови: монография по материалам открытия в области цитогенетики на стыке с кроветворением и физиологией/ Л.И.Чабала, В.А.. Чабала.

Издательство Ridero, 2019. 172 с.

В монографии представлены экспериментальные и теоретические исследования о структурно-функциональной организации хромосом из популяции клеток костного мозга млекопитающего Rattus norvegicus. Открытие преобразований в структуре у двух пар хромосом позволило выявить три типа хромосомных наборов и их связь с дифференцировкой кроветворных клеток. В результате обнаружено хромосомное определение дифференцировки лейкоцитарного, эритроидного и мегакариоцитарного рядов крови.

Открытие вносит новые представления о кариотипе и роли метафазных хромосомных конструкций в процессах реализации генома стволовых клеток в специализированные. Кроме того, дает новые знания об образовании трех типов хромосомных маркеров на разных этапах онтогенеза и о связи интенсивности этого процесса с физиологическим состоянием, зависящим от воздействующих факторов, от потребностей и возможностей организма.

Книга представляет интерес для генетиков, гематологов, физиологов и биологов.

The monograph presents the experimental and theoretical studies on the structural and functional organization of chromosomes from the population of the bone marrow cells of the Rattus norvegicus mammal. The discovery of transformations in the structure of the two pairs of chromosomes made it possible to identify the three types of sets of chromosomes and their relationship with the differentiation of the hematopoietic cells. As a result, the chromosomal determination of the differentiation of leukocyte, erythroid and megakaryocytic rows of blood was found.

The discovery introduces the new ideas about the karyotype and the role of metaphase chromosome structures in the transformation of stem cell genomes into specialized ones. In addition, it gives the new knowledge about the formation of the three types of chromosomal markers at different stages of ontogenesis and about the relationship between the intensity of this process and the physiological state depending on the factors affecting the needs and capabilities of the body.

The book shall be of interest to geneticists, hematologists, physiologists, and biologists.

УДК 611.08

ББК 52.5

Предисловие

Нами впервые экспериментально обнаружено у крыс вида Rattus norvegicus, представителя класса млекопитающих, неизвестное ранее явление структурно-функциональных преобразований метафазных хромосом в популяции клеток костного мозга. В результате выделены три типа хромосомных наборов у каждого субъекта. А затем раскрыты закономерности их образования, зависящие от физиологического состояния организма.

Три разновидности хромосомных наборов имеют определенное конструктивное значение для процессов дифференцировки кроветворных клеток, что доказано экспериментально и проинтерпретировано с позиции существующих научных знаний.

Открытые закономерности структурно-функциональных преобразований хромосом в популяции клеток костного мозга и хромосомное определение трех ростков кроветворных клеток на разных возрастных этапах жизни и физиологических моделях уточняют знания о полиморфизме метафазных хромосом и кариотипе, а также способе реализации генетической программы стволовых клеток в специализированные. Это важно для гематологии и дальнейшего развития цитогенетики, и расширяет представления о состоянии физиологии и здоровья. В работе раскрыта связь структурно-функциональной организации метафазных хромосомных наборов с образованием клеток крови и с физиологией организма.

До наших исследований в гематологии было лишь известно, что родоначальные пролиферирующие клетки по морфологии не различаются. Следовательно, обнаруженные различия на уровне метафазных хромосомных наборов пролиферирующих клеток позволяют изучать гемопоэз на более ранней стадии по сравнению с распознаваемыми по морфологии лейкоцитами, эритроцитами и мегакариоцитами. Кроме того, информация о новом способе реализации генетической информации в онтогенезе организма позволила разработать способ определения состояния костномозгового кроветворения на хромосомном уровне, что существенно важно для гематологии, медицины и цитогенетики.

Открытые новое явление и закономерности образования трех типов метафазных хромосомных наборов по потребностям организма для обеспечения жизнедеятельности, возможно использовать для оценки гемопоэза и состояния физиологии организма, а также проводить исследования по адаптации к факторам разной природы и силы с целью выявлять условия для восстановления здоровья человека.

Introduction

We were the first to experimentally discover a representative of class Mammalia in Rattus norvegicus rats, a previously unknown phenomenon of structural and functional transformations of metaphase chromosomes in the population of bone marrow cells. As a result, the three types of sets of chromosomes were identified in each subject. And afterwards, the laws of their formation depending on the physiological state of the body were revealed.

The three varieties of the sets of chromosomes have a certain constructive meaning for the processes of differentiation of hematopoietic cells, which was proved experimentally and interpreted from the standpoint of the existing scientific knowledge.

The opened regularities of the structural and functional transformations of chromosomes in the population of the bone marrow cells and the chromosomal determination of the three hematopoietic cell sprouts at different age stages of life and physiological models clarify the knowledge about the polymorphism of the metaphase chromosomes and karyotype, as well as the method of implementation of the genetic program of stem cells transforming into specialized ones. It is important for the hematology and the further development of cytogenetics, and it expands the understanding of the state of physiology and health. The paper reveals the relationship of the structural and functional organization of the metaphase chromosomal sets with the formation of blood cells and with the physiology of the body.

Prior to our studies in hematology, it was only known that the original proliferating cells did not differ in morphology. Consequently, the revealed differences at the level of the metaphase chromosomal sets of proliferating cells allow us to study hematopoiesis at an earlier stage in comparison with leukocytes, erythrocytes and megakaryocytes recognized by morphology. In addition, the information on the new method for implementing genetic information in the ontogenesis of the body made it possible to develop a method for determining the state of bone marrow hematopoiesis at the chromosomal level, which is essential for hematology, medicine, and cytogenetics.

It is possible to use the new phenomenon and the regularities of the formation of the three types of metaphase chromosomal sets according to the needs of the body for life support to assess hematopoiesis and the physiological state of the body, as well as to conduct studies on adaptation to factors of different nature and strength in order to identify the conditions to restore the human health.

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. 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.C1978; Орлов В. Н., Булатова Н. Ш., 1983; Дубинин Н. , 1976, 1985), и с учетом этого составляли карты хромосом. C., . ., П.

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. C1978). 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.,1967Бекасова 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.

Глава 2

Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования

В качестве объектов исследования использовали из вида Rattus norvegicus лабораторных белых крыс линий Август, Вистар и беспородных обоего пола из питомников «Столбовая» и «Белый мох» (рис.1), а также серых диких крыс самцов. Всего на изучение различных моделей израсходовано около 500 животных.

Рис. 1. Белая крыса (Rattus norvegicus) – объект цитогенетических исследований структурно-функциональных преобразований хромосом

на уровне популяции клеток костного мозга

В основу исследования положено изучение структурного полиморфизма хромосом в популяции кроветворных клеток костного мозга у интактных животных разного возраста и экспериментальных моделей различной физиологии. На беспородных крысах воспроизводили модели трех разных уровней кроветворения: мегакариоцитопоэза, лейкопоэза, эритропоэза и другие патофизиологические состояния.

2.2. Воспроизведение моделей костномозгового кроветворения

у крыс выполняли под наркозом. Для этого животным вводили внутрибрюшинно короткой иглой в области около средней линии живота и ближе к задней конечности тиопентал натрия из расчета 4 мг на 100 г массы. Операцию выполняли в соответствии с разработанными правилами (Островерхов Г. Е., Лубоцкий Д. Н., Бомаш Ю. М., 1972). Перед операцией животных фиксировали в целях обездвиживания в специальных станках спиной вниз за лапы и зубы и остригали шерстъ в области левого подреберья. Косой разрез делали параллельно левому реберному краю через кожу, мышцы и брюшину. Через вскрытую рану выводили селезенку, перевязывали кровеносные сосуды и затем селезенку отрезали. Рану ушивали наглухо через все слои брюшной стенки, под кожу вносили антисептик. Модель спленэктомии

создавали по рекомендациям М. Г. Кахетлидзе (1970) и З. М. Долгиной (1972) путем подкожного введения крысам скипидара в области левой задней ноги из расчета 1 мл на 100 г массы. Модель асептического воспаления

создавали воздействием на животных низким разрежением (Лир Э. В., Стиней К., 1967). Для этого крыс помещали в барокамеру объемом 0,09 м, где скорость откачивания воздуха превышала скорость его поступления, нужное разрежение создавали с помощью вакуумного насоса. Для контроля барометрического давления использовали вакуумметр контрольный типа ВКО, с верхним пределом измерений 1 кгc/cм, класс точности 0,6. В барокамере разрежение увеличивали постепенно до 0,70 атм., что соответствовало 9 тыс. м над уровнем моря. Значение разрежения высоте над уровнем моря определяли по таблице 1. Модель гипоксического состояния 3 2

Таблица 1

Соответствие разрежения высоте над уровнем моря

(Кошкин Н. И., Ширкевич M.Г., 1988)