2.2 Анеуплоидия
Анеуплоидией обозначают изменение в кариотипе числа отдельных хромосом. Возникновение анеуплоидов является следствием неправильного расхождения хромосом в процессе клеточного деления. Анеуплоиды часто возникают в потомстве автополиплоидов, у которых из-за неправильного расхождения мультивалентов возникают гаметы с отклоняющимися от нормы числами хромосом. В результате их слияния возникают анеуплоиды. Если одна гамета имеет набор хромосом n + 1, а другая — n, то от их слияния образуется трисомик — диплоид с одной лишней хромосомой в наборе. Если гамета с набором хромосом n - 1 сливается с нормальной (n), то образуется моносомик — диплоид с нехваткой одной хромосомы. Если в наборе отсутствуют две гомологичные хромосомы, то такой организм называется нуллисомиком. У растений и моносомики, и трисомики часто жизнеспособны, хотя потеря или добавление одной хромосомы вызывает определенные изменения в фенотипе. Эффект анеуплоидии зависит от числа хромосом и генетического состава лишней или утраченной хромосомы. Чем больше хромосом в наборе, тем менее чувствительны растения к анеуплоидии. Трисомики у растений несколько менее жизнеспособны, чем нормальные особи, и плодовитость у них снижена.
Моносомики у культурных растений, например, у пшеницы, находят широкое применение в генетическом анализе при определении локализации различных генов. У пшеницы, а также у табака и других растений, созданы моносомные серии, состоящие из линий, в каждой из которых утрачена какая-либо хромосома нормального набора. У пшеницы известны также нуллисомики с 40 хромосомами (вместо 42). Их жизнеспособность и плодовитость снижены в зависимости от того, какая из 21-й пары хромосом отсутствует.
Анеуплоидия у растений тесно связана с полиплоидией. Это хорошо видно на примере мятликов. Внутри рода Роа известны виды, составляющие полиплоидные ряды с числами хромосом, кратными одному основному числу (n = 7): 14, 28, 42, 56. У мятлика лугового эуплоидность почти утрачена и заменена анеуплоидией. Числа хромосом у разных биотипов этого вида варьируют от 50 до 100 и не являются кратными основному числу, что связано с анеуплоидией. Сохраняются анеуплоидные формы благодаря тому, что они размножаются партеногенетически. Как считают генетики, у растений анеуплоидия является одним из механизмов эволюции генома.
У животных и человека изменение числа хромосом имеет гораздо более серьезные последствия. Примером моносомии является дрозофила с недостачей 4-й хромосомы. Это самая маленькая хромосома в наборе, но она содержит ядрышковый организатор и, следовательно, формирует ядрышко. Ее отсутствие вызывает уменьшение размеров мух, снижение плодовитости и изменение ряда морфологических признаков. Однако мухи жизнеспособны. Потеря же одного гомолога из других пар хромосом имеет летальный эффект.
У человека геномные мутации обычно приводят к тяжелым наследственным заболеваниям. Так, моносомия по Х-хромосоме ведет к синдрому Шерешевского-Тернера, характеризующемуся физическим, умственным и половым недоразвитием носителей этой мутации. Аналогичный эффект имеет и трисомия по Х-хромосоме. Присутствие в кариотипе лишней 21-й хромосомы ведет к развитию известного синдрома Дауна. (Более подробно вопрос изложен в лекции “Генетика человека”).
В случаях таких социально значимых заболеваний, как идиопатические формы умственной отсталости и аутизма, а также при шизофрении, геномные вариации обнаруживаются в 30–50 %, 5–40 % и 1–10 % случаев соответственно.
Численные аномалии хромосом, или анеуплоидия, как правило, являются маркерами патологических состояний и довольно часто несовместимы с жизнью [1]. Анеуплоидия, которой предшествует каскад аномальных митотических делений, также обнаруживается практически при всех онкологических заболеваниях [9]. Более того, нарушение функционирования аппарата митотического деления, вероятно, ассоциировано со старением [5]. Анеуплоидия аутосом является одной из наиболее частых форм численных хромосомных аномалий, выявляемых в материале спонтанных абортов и у мертворожденных детей. Частота хромосомных аномалий, обнаруживаемых в спонтанных абортусах, была оценена как 50–70 % [15]. Регулярные формы таких хромосомных аберраций являются результатом нерасхождения хромосом в мейозе, что ведет к появлению гамет с аномальным хромосомным набором. Мозаичные формы аномалий хромосом, напротив, возникают вследствие постмейотических ошибок [4]. Мейотический процесс чувствителен к влиянию эндогенных и экзогенных факторов. Возраст родителей, влияние алкоголя, табака, других мутагенных субстанций и подверженность радиации являются одними из наиболее широко известных причин, ассоциированных с нерасхождением хромосом в митозе. Исследования, проведенные на больших когортах и посвященные изучению ассоциации частоты синдрома Дауна и возраста матери (в случаях, где причина заболевания – нерасхождение хромосом 21 в материнском мейозе I или II), выявили корреляцию между этими двумя факторами [17].
Сложно представить, что геном всех клеток человека одинаков. Организм взрослого человека состоит как минимум из 1014 клеток 210 различных типов. Все они берут начало от одной диплоидной клетки (зиготы), которая делится путем митоза примерно 1016 раз, приводя к образованию 45 поколений клеток. Геномные вариации в соматических клетках присутствуют постоянно как результат более 100 повреждений ДНК в день. Большая часть таких повреждений нейтрализуется системой репарации ДНК, однако в то же время эти процессы представляют собой источник экзогенного изменения генома и могут быть причиной различных патогенных процессов [19]. Несмотря на это, известно, что хромосомная нестабильность, ограниченная определенной тканью, может не приводить к нарушению ее функционирования [5]. Было показано, что феномен хромосомного мозаицизма, ограниченного плацентой, идентифицируется приблизительно в 1–2 % нормальных беременностей [100], а в эмбриональных тканях яичника отмечаются повышенные уровни анеуплоидии с вовлечением хромосомы 21 [16]. Тем не менее во многих работах были отмечены ассоциации между наследственными заболеваниями и мозаичными вариациями числа копий (CNV) [20]. Мозаичные формы численных хромосомных аномалий наблюдаются при хромосомных синдромах в 3–18 % случаев [1]. В литературе также описано большое количество случаев мозаичных численных и структурных хромосомных аномалий, при которых наблюдались умственная отсталость или другие нарушения психики, врожденные пороки развития, аутоиммунные болезни, а в некоторых случаях отсутствие клинических проявлений [11]. Принимая во внимание и то, что возникновение мозаичных клонов, как предполагается, происходит в период внутриутробного развития, а также тот факт, что среди образцов, используемых для пренатальной диагностики, частота мозаицизма значительно выше по сравнению с постнатальным периодом, необходимо рассмотреть хромосомный мозаицизм в головном мозге в ходе онтогенеза. Первая попытка оценить число хромосом в мозге человека была предпринята группой ученых в 1991 году. Хотя ученые исследовали генетические изменения в опухолях мозга, при этом одновременно был выявлен высокий уровень трисомии у людей из контрольной группы (средний уровень – 2 % на отдельную хромосому) (для более детального описания этих работ см. [13]). Дальнейшие работы, проведенные на интерфазных ядрах головного мозга, позволили сравнить уровни анеуплоидии у плода и взрослого индивидуума, оценить различия по уровням для отдельных хромосом у здоровых людей и у пациентов с нервно-психическими, онкологическими и другими заболеваниями, а также в некоторых случаях определить пороговые значения в норме и патологии [18]. Так, при исследовании анеуплоидии в клетках головного мозга плода было обнаружено то, что анеуплоидия выявляется почти на всех этапах внутриутробного развития и достигает наивысшего уровня в первом триместре беременности [19]. В одной из современных работ по данной теме описано исследование 12 образцов ткани мозга плода, полученных после прерывания беременности, не связанной с генетической причиной. После исследования хромосом 1, 18, 13/21, X и Y было выявлено, что частота ядер с аномальным хромосомным набором составляет от 0,2 % до 4,4 % в некультивированных клетках мозга, уровень анеуплоидии для различных хромосом варьировался от 0,4 % до 11 % [18]. Однако в мозге взрослого индивидуума средний уровень анеуплоидии на хромосому находится в диапазоне от 0,1 до 0,7 %, с общей частотой анеуплоидии по всем хромосомам близкой к 10 %, что в три раза меньше, чем в эмбриональном мозге [11]. Вероятно, такое снижение количества анеуплоидных клеток происходит за счет запрограммированной смерти аномальных клеток с хромосомными и геномными нарушениями, вследствие чего и наблюдается уменьшение уровня нестабильности (анеуплоидии) в три раза в клетках головного мозга, согласно исследованиям постнатального мозга [14]. В мозге здорового взрослого индивидуума, как уже было отмечено, выявлен определенный уровень анеуплоидии по отдельным хромосомам [14]. Исходя из того, что повышенные уровни анеуплоидии хромосом в головном мозге, обнаруживаемые пренатально, не выявляются у индивидуумов во взрослом возрасте, можно предположить, что для нормального развития центральной нервной системы анеуплоидия должна быть элиминирована [50]. Вероятно, элиминация анеуплоидных клеток в головном мозге замедляется с возрастом, что может быть ассоциировано со старением и малигнизацией. Это предположение поддерживается результатами последних исследований старения и онкологических заболеваний [16]. Предполагается, что наличие высокого уровня анеуплоидии в головном мозге характерно для онкологической патологии мозга и нервно-психических заболеваний.
В настоящее время связь повышенного уровня анеуплоидии определенной хромосомы в головном мозге с конкретным заболеванием пока не определена, хотя очевидно, что исследования только культуры лимфоцитов периферической крови пациентов с нервно-психическими заболеваниями могут быть недостаточны для шизофрении и болезни Альцгеймера, поскольку при этих болезнях анеуплоидия может быть специфичной для клеток головного мозга. По-видимому, повышенные уровни анеуплоидии разных хромосом связаны с функциональными нарушениями мозга, однако для подтверждения этого предположения необходимо рассматривать каждую хромосому в отдельности, как в контрольной группе, так и у пациентов с нарушениями психики для определения их вклада в патогенез заболевания. В качестве одной из самых значимых для нормального функционирования мозга можно считать хромосому 21. Как известно, трисомия хромосомы 21 является трисомией аутосомы, при которой плод может не только выжить после рождения, но и жить продолжительной жизнью по сравнению с другими самыми распространенными трисомиями (трисомии хромосом 18 и 13). Анализируя анеуплоидию хромосомы 21 в клетках головного мозга (постмортальные образцы) у здоровых индивидуумов и пациентов с нервно-психическими заболеваниями (таблица), в первую очередь, стоит обратить внимание на уровни анеуплоидии, полученные для контрольных групп в различных исследованиях [4]. В одной из работ авторы проанализировали более 5000 интерфазных ядер двух различных соматических тканей – ворсины хориона, постмортальные клетки мозга плода и взрослых индивидуумов. Было отмечено, что интерфазные трисомные ядра составляют от 0,3 до 0,7 %, при этом в ворсинах хориона – от 0,4 % до 0,7 %, головном мозге плода – 0,3 %, в постмортальных образцах мозга детей – 0,3 %, взрослых – 0,42 % [10]. Исследования анеуплоидии хромосомы 21 в клетках головного мозга показали, что средний уровень анеуплоидии этой хромосомы варьируется в пределах от 0,2 до 4 %. Для сравнения, уровень анеуплоидии по хромосоме 21 в интерфазных культивируемых лимфоцитах был определен как
0,6 %. Хотя результаты этой работы не позволяют оценить уровень анеуплоидии в головном мозге, так как была проанализирована только одна хромосома, однако они позволяют предположить, что по определенным хромосомам средний уровень анеуплоидии может быть выше в одних исследованиях по сравнению с другими [16]. Помимо этого, в ряде работ исследовались уровни анеуплоидии для хромосом 1, 7, 14 и 21 с помощью интерфазного многоцветового хромосомоспецифичного окрашивания (ICS-MCB). Средний уровень анеуплоидии для этих хромосом был определен в 1,4–2,6 % (с пороговыми значениями от 2,0 до 3,8 %). Из описанных исследований очевидно, что данные о среднем уровне анеуплоидии для хромосомы 21 немного расходятся, но в ранних исследованиях все результаты по анеуплоидии выше 4 % свидетельствовали о повышении уровня анеуплоидии и, вероятно, об аномальных процессах в головном мозге [5]. В одной из работ [17] были исследованы клетки головного мозга пациентов с болезнью Альцгеймера и обнаружено увеличение уровня анеуплоидии, специфичной для хромосомы 21, до 11 %. Ассоциация болезни Альцгеймера со специфичной для клеток головного мозга анеуплоидией хромосомы 21 отмечалась и в нескольких других работах. Значительно повышенный уровень анеуплоидии хромосомы 21 в коре головного мозга позволил предположить, что данный феномен связан с нейродегенерацией при болезни Альцгеймера. Хотя причины повышенного уровня анеуплоидии хромосомы 21 в мозге больных болезнью Альцгеймера остаются в значительной степени неясными, последние исследования показывают, что анеуплоидные нейроны, скорее всего, являются более предрасположенными к селективной клеточной смерти при болезни Альцгеймера.
Понятие «репродуктивные потери» означает потерю продуктов зачатия на всех этапах развития плода в результате самопроизвольного или вынужденного (по медицинским и социальным показаниям) прерывания беременности, мертворождения, а также смерть детей первого года жизни. Основная доля в репродуктивных потерях приходится на спонтанные аборты, которые являются достаточно гетерогенной группой в отношении клинических и морфологических проявлений. В зависимости от тяжести этих проявлений всех пренатально погибших эмбрионов/плодов можно разделить на 3 группы: собственно спонтанные аборты, неразвивающиеся беременности и анэмбрионии. Многолетними исследованиями установлено, что 10- 15 % регистрируемых беременностей останавливаются в развитии на раннем этапе эмбриогенеза. Этиология спонтанных абортов многообразна. Они могут быть вызваны генетическими (генные, геномные и хромосомные мутации, иммунологическая несовместимость) и средовыми (заболевания матери, химические и физические воздействия) факторами. Причиной ранней остановки развития и внутриутробной гибели эмбриона в первом триместре беременности в 50- 60% случаев являются несбалансированные хромосомные аномалиии (ХА). Диагностика причин невынашивания беременности является немаловажной частью обследования семейных пар с неразвивающимися беременностями, особенно если такие случаи происходят повторно.
Известно, что наиболее частой хромосомной патологией у плода является анеуплоидия. Не менее 5% всех клинически распознаваемых беременностей сопровождается трисомией или моносомией. Большинство анеуплоидий являются причиной нарушения внутриутробного развития и 17 часто приводят к гибели плода на ранних этапах эмбриогенеза. Трисомии выявляются при кариотипировании неразвивающихся плодов в среднем в 65% случаев. Спектр трисомий, наблюдаемых в материале спонтанных абортусов, отличается от такового при развивающихся беременностях и живорождении. Это обусловлено тем, большинство числовых ХА приводят к летальным эффектам, и лишь немногие варианты числовых и структурных аномалий совместимы с постнатальным развитием организма и ведут к хромосомным болезням. Наиболее распространенной анеуплоидией, встречающейся при спонтанных абортах является трисомия по хромосоме 16. Частота этой хромосомной аномалии составляет 30% от диагностируемых трисомий. Так, трисомия по хромосоме 15 встречается с частотой 7,5%, трисомия по хромосоме 21 − в 10,5% случаев с диагностируемыми трисомиями [Davison E., 1990]. Трисомия по хромосомам 2, 18 встречаются с одинаковой частотой (4%) и трисомия по хромосоме 22 – 11,4%.
Двойные трисомии наблюдаются в материале спонтанных абортусов гораздо реже. По литературным данным частота двойных трисомий, диагностированных при замерших беременностях, варьирует от 0.21 до 2.8% [9]. Их возникновение связывают с возрастом матери даже чаще, чем трисомию 21. Механизмом формирования двойных трисомий является одновременное нерасхождение двух или трех хромосом в период митотического деления.
|
Скачать 95.54 Kb.