С самого начала отметим, что механизм возникновения хромосомных перестроек остается еще далеко не ясным.
По-видимому, существует несколько механизмов, обеспечивающих их возникновение на разных фазах мейотического и митотического циклов хромосом.
Поскольку частота хромосомных перестроек зависит от влияния внешних агентов (ионизирующих излучений, химических веществ) физиологического состояния организма, то их возникновение можно представить прежде всего как следствие изменения физического (коллоидного) и химического состояний хромосом.
Всякая хромосомная перестройка включает два момента: разрыв и соединение сегментов. Разрывы в хромосоме можно представить по-разному: как явление, зависимое от контакта хромосом между собой, и как независимое. В первом случае хромосомы сначала контактируют друг с другом, после чего в точках контакта происходят разрывы и соединения. Во втором случае сначала происходят разрывы, а затем — случайное соединение открытыми концами сегментов, т. е. разрывы предшествуют контакту и обмену. По-видимому, последовательность процессов существенного значения для исхода дела не имеет.
Рассмотрим теперь примеры возникновения делеции и инверсии в двух разных типах хромосом — одноплечих (телоцентрических) и двуплечих (акроцентрических и метацентрических).
Если телоцентрическая хромосома случайно образовала петлю и в точке контакта произошел разрыв, то соединение может идти тремя путями:
Механизмы возникновения внутрихромосомных перестроек при разрывах в телоцентрической хромосоме
1) с сохранением нормальной структуры хромосомы, 2) с образованием хромосомы с делецией и ацентрического кольца, которое в метафазе окажется неориентированным в силу отсутствия центромеры, 3) с возникновением инверсии.
Таким же образом в акроцентрической хромосоме может либо восстанавливаться нормальная структура, либо возникать бесцентромерный фрагмент и кольцевая хромосома с двумя Делециями в обоих плечах (перицентрическая делеция) или при ином соединении — перицентрическая инверсия.
Механизмы возникновения внутрихромосомных перестроек при разрывах в акроцентрической хромосоме
По-видимому, разрыв хромосом может проходить и через центромеру и теломеру. В результате таких разрывов из метацентрических хромосом могут возникать двуплечие хромосомы, кажущиеся телоцентрическими. Разрыв через центромеру и соединение гомологичных плеч может приводить к образованию изохромосом — хромосом с идентичными плечами.
Изложенная схема происхождения внутрихромосомных изменений, приводящих к инверсиям и делециям, построена на допущении предварительного контакта и разрыва хромосом в месте их соприкосновения.
Теперь рассмотрим возникновение инверсий, делеций и транслокаций исходя из представления о независимости разрыва и обмена на различных стадиях клеточного цикла.
Разрыв и обмен могут осуществляться в момент, когда хромосома представлена функционально единичной нитью (интерфаза) или двумя хроматидами (профаза I). Перестройки, происшедшие на стадии единичной нити, называются иногда (не очень удачно) хромосомными перестройками, а на стадии двух хроматид — хроматидными перестройками. При этом разорванные концы могут либо оставаться открытыми и «заживляться», либо соединяться. В этом случае обмены открытыми концами могут быть симметричными и асимметричными. В зависимости от момента разрыва, типа происшедшего обмена или заживления возникающие перестройки обусловливают различные конфигурации хромосом в метафазе I и в анафазе I, по которым удается цитологически установить момент и характер возникшей перестройки.
При разрывах на стадии одиночной нити двуплечей хромосомы обмены бывают симметричными и асимметричными. В случае симметричного обмена возникают перестройки, дающие пери- и парацентрические инверсии, а также симметричные транслокации. В случае асимметричного обмена появляются пери- и парацентрические делеции, а также асимметричные транслокации. В анафазе I при полярном расхождении хромосом возникает несколько разных фигур.
Схема хромосомных разрывов и различного типа обменов
Характерным признаком симметричных обменов является то, что при этом не образуется бесцентромерных фрагментов; все же асимметричные обмены приводят к возникновению таких фрагментов. Образующиеся дицентрические сегменты (хромосомные перестройки с двумя центромерами) в анафазе I образуют «мостики».
В случае хроматидных перестроек разрыв может произойти либо в одной хроматиде (хроматидный разрыв), либо одновременно в обеих сестринских хроматидах в тождественном месте; последние называются изохроматидными разрывами. Хроматидные и изохроматидные разрывы приводят к симметричным и асимметричным обменам. Возникающие при этом перестройки дают различные конфигурации хромосом только в анафазе I, в метафазе I они не обнаруживаются.
Схема хроматидных разрывов и различного типа обменов
Метафазные и анафазные конфигурации хромосом позволяют цитологически регистрировать разрывы и обмены в том же митотическом цикле, в котором они произошли.