Современные подходы к анализу геномных и хромосомных мутаций в гаметогенезе и эмбриогенезе человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тюменский Государственный Медицинский Университет, Тюмень

Педиатрический факультет, 236 группа

Современные подходы к анализу геномных и хромосомных мутаций в гаметогенезе и эмбриогенезе человека

Куц Дарья Сергеевна

Хромосомные аномалии могут возникать на любой стадии онтогенеза. Последствия несбалансированных нарушений генома для развивающегося организма особенно драматичны, когда такие нарушения происходят еще в гаметах, во время оплодотворения или на ранних стадиях дробления. При этом хромосомные аномалии, характерные для про- и преэмбрионального периодов развития человека, имеют свои качественные и количественные особенности. Последние обусловлены специфическими пространственными и временными особенностями созревания мужских и женских гамет, различной эффективностью презиготической селекции генетически неполноценных гамет в оогенезе и сперматогенезе, а также селекции несбалансированных геномов до имплантации и в процессе дальнейшего развития.

При всем многообразии хромосомных аномалий их распределение в онтогенезе характеризуется определенной специфичностью. Так, для гаметогенеза характерны численные и структурные нарушения кариотипа. При этом хромосомные аномалии, возникающие в оогенезе, качественно и количественно отличаются от таковых в сперматогенезе. Аномалии, связанные с нарушением плоидности (триплоидия), возникают преимущественно при оплодотворении, тогда как для ранних стадий дробления более характерны мозаицизм хромосом и одно-родительская дисомия. Причины такой «преференции» хромосомных аномалий, а также основные подходы, которые используются в настоящее время для исследования хромосом в гаметогенезе и в эмбриогенезе человека, кратко рассмотрены в данной главе.

Одна из основных задач цитогенетики развития -- определить характер аномалий кариотипа, установить возможные пути их происхождения и попытаться выяснить каким образом дисбаланс целых хромосом или их фрагментов влияет на процессы раннего онтогенеза. Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом. Разные виды геномных мутаций называют гетороплоидией (ненормальное соотношение числа хромосом) и полиплоидией (кратное увеличение числа хромосом). Хромосомные мутации (аберрации) характеризуются изменением структуры отдельных хромосом. При них последовательность нуклеотидов в генах обычно не меняется, но изменение числа или положения генов при аберрациях может привести к генетическому дисбалансу, что пагубно сказывается на нормальном развитии организма. Виды таких аберраций: делеция, дупликация и инверсия. Делеция (от лат. deletio -- уничтожение) -- хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка хромосомы. Инверсия --хромосомные перестройки, при которых происходит поворот участка хромосомы на 180°. Дупликация (лат. duplicatio -- удвоение) -- разновидность хромосомных перестроек, при которой участок хромосомы оказывается удвоенным. Может произойти в результате неравного кроссинговера, ошибки при гомологичной рекомбинации, ретротранспозиции.

В основе классификации хромосомной патологии лежат 3 принципа, позволяющие точно охарактеризовать форму хромосомной патологии и ее варианты у обследуемого. Первый принцип - характеристика хромосомной или геномной мутации с учетом конкретной хромосомы.

Второй принцип - определение типа клеток, в которых возникла мутация Гаметические мутации ведут к полным формам хромосомных болезней.

Третий принцип - выявление поколения, в котором возникла мутация.

Преобладающее большинство геномных и хромосомных мутаций возникает в мейозе. Многие из них оказываются летальными и приводят к гибели зиготы на самых ранних стадиях ее развития. Поэтому оценка частоты возникновения хромосомных аномалий в гаметогенезе, которая основана на результатах непосредственного анализа хромосомного набора гамет, представляется наиболее корректной. Для анализа хромосомных аберраций на постимплантационных стадиях эмбриогенеза человека используется материал спонтанных и медицинских абортусов, а также биоптаты хориона, полученные с целью пренатальной диагностики при прогрессирующей беременности. Естественно, что сведения о частоте и спектре хромосомных аберраций, выявленных на таких образцах, сильно различаются. Обстоятельными исследованиями, выполненными еще в 60-х годах ХХ века, твердо установлено, что наиболее высокие показатели гетероплоидии зарегистрированы при кариотипировании спонтанных абортусов. В таком материале частота хромосомных аберраций может достигать и даже превышать 70 %. Так, согласно обобщенным данным, в материале зародышей, спонтанно абортированных до 10-й недели, частота хромосомных аберраций составляет 65-70 %, а до 12-й недели -- 35-45 %. Подтверждением этому могут служить и собственные данные. При анализе 88 случаев неразвивающихся беременностей было выявлено 48 гетероплоидных карио- типов (> 50 %), в том числе тройные и двойные трисомии и некоторые другие аномалии, которые у развивающихся эмбрионов практически не встречаются.

На более поздних стадиях эти величины снижаются. Так, между 3-4-м месяцами беременности аномалии кариотипа у спонтанных абортусов составляют уже 15-20 %, а к 5-му месяцу -- только 3 %. К моменту рождения общая частота спонтанных хромосомных аномалий находится в пределах 0,5-0,9 %.

Таким образом, подавляющее большинство зародышей с хромосомными и геномными мутациями погибает до 20-й недели беременности [282, 694]. Эти представления легли в основу расчетов вероятности аномалий кариотипа в зависимости от срока развития плода. Результаты морфологического и цитогенетического анализа спонтанных абортусов и данные экспериментальной цитогенетики убеждают в том, что гибель плодов с несбалансированным кариотипом особенно высока во время нейруляции и начале активного органогенеза, то есть до 12-й недели беременности. К концу первого триместра частота спонтанных хромосомных аберраций быстро снижается и далее остается почти неизменной вплоть до рождения. Следовательно, спонтанное прерывание беременности, особенно в ранние сроки, нередко обусловлено хромосомными аномалиями. Наиболее обширный спектр хромосомных аберраций выявлен на ранних, доимплантационных стадиях развития. При цитогенетическом анализе дробящихся зародышей обнаружены практически все известные хромосомные аномалии, включая и такие, которые не встречаются или крайне редки на постимплантационных стадиях эмбриогенеза (гаплоидия, тетраплоидия, различные типы моносомий). Это означает, что зародыши с такими нарушениями кариотипа нежизнеспособны и элиминируются во время или вскоре после имплантации.

Ранние работы по анализу спонтанных хромосомных аберраций у зародышей более поздних стадий развития, в частности, у абортированных плодов проводились с применением способов хромосомного анализа, с помощью которых были диагностированы, в основном, численные аномалии кариотипа. Методы дифференциальной окраски, дающие более полное представление о кариотипе благодаря идентификации не только всех хромосом набора, но и большинства структурных перестроек, подтвердили высокий уровень хромосомных и геномных мутаций у абортусов I и II триместров беременности. Частоты и типы хромосомных аномалий, определенные разными группами исследователей, поразительно совпадают и свидетельствуют о специфике как в отношении типов хромосомных аномалий, так и хромосом, принимающих в них участие.

Результаты кариотипирования абортусов, а также новорожденных с пороками развития позволяют не только оценить популяционные частоты различных хромосомных аномалий, но и составить прогноз их развития в зависимости от типа патологии.

Подавляющее большинство исследований спонтанных выкидышей проведено на препаратах культивированных фибробластов кожи плода, в меньшей степени -- на культурах клеток хориона и плаценты, в то время как суждение о кариотипе новорожденных основано исключительно на анализе ФГА-стимулированных лимфоцитов периферичес-кой крови. Это означает, что фактически о хромосомном наборе целого организма в этих исследованиях судили по кариотипу клеток одной ткани. Между тем, анеуплоидия может затрагивать только часть клеток или быть ограниченной только одной тканью. Если для спонтанных абортусов, мертворожденных или даже для новорожденных с пороками развития ошибочное заключение о кариотипе не столь существенно, то последствия диагностических ошибок при кариотипировании развивающегося плода могут быть весьма серьезными. В связи с этим, принципиально важным является вопрос о прогностической значимости для развивающегося плода его кариотипа, установленного по клеткам хориона/плаценты. Одним из подходов к оценке значимости хромосомного дисбаланса для прогноза развития плода, выявленного в цитотрофобласте, является сравнительный анализ частоты и спектра хромосомных аберраций на разных стадиях развития.

Проведенный анализ доказывает неравнозначное участие разных хромосом в патологии внутриутробного развития человека. Как уже упоминалось, большинство численных хромосомных аберраций, особенно аутосомные моносомии, несовместимы с нормальным внутри-утробным развитием и приводят к гибели плода уже на ранних сроках беременности (до 10-й недели). Очевидно, именно поэтому нами обнаружен единственный случай полной формы моносомии 18 у плода 7-8-й недели развития. На постимплантационных стадиях не зарегистрировано ни одного плода с трисомией хромосом 1 или 19. Предполагается, что трисомия по этим хромосомам вообще не совместима с постимплантационным развитием. Однако единичные случаи трисомии 1 обнаружены среди дробящихся зародышей, то есть их развитие возможно, по крайней мере, до стадии 10 бластомеров. Один случай мозаичной трисомии 1 в клетках цитотрофобласта зарегистрирован и в наших исследованиях. Повидимому, на более поздних стадиях такие зародыши либо погибают, либо происходит элиминация бластомеров с дисбалансом этих хромосом.

Мозаицизм Х/ХХ представляет одну из самых серьезных проблем пренатальной диагностики. Высокая частота моносомии Х в клетках цитотрофобласта диктует необходимость дополнительных исследований кариотипа амниоцитов или, что предпочтительнее, лимфоцитов пуповинной крови. Однако даже незначительная доля клеток с кариотипом 45,Х в лимфоцитах плода не является гарантией рождения здоровой девочки.

Многие типы хромосомных аномалий, такие как моносомии ауто- сом, гаплоидия, тетраплоидия встречаются только на доимплантаци- онных стадиях развития; спектр численных хромосомных аберраций на разных стадиях постимплантационного развития в целом соответствует таковому у мертворожденных или живорожденных; некоторые трисомии, считающиеся летальными (Тс2, Тс3), представлены полными формами только в экстраэмбриональных тканях, другие (Тс7, Тс20, Тс22) могут быть как ограничены плацентой, так и встречаться в отдельных тканях или органах плода; большинство сублетальных трисомий (Тс13, 18, 21) представлено в виде полных форм как в эм-бриональных, так и в экстраэмбриональных тканях; совместимость с внутриутробным развитием и даже с живорождением многих типов трисомий, особенно их мозаичных форм, указывает на необходимость пересмотра существующей классификации летальных и сублетальных трисомий.

геном мутация хромосомный внутриутробный

Литература

1. Баранов В.С., Кузнецова Т. В.. Цитогенетика эмбрионального развития человека: Научно-практические аспекты . -- СПб: Издательство Н-Л,2006. -- 640 с.. 2006

2. Перинатальная патология учеб. пособие / М.К. Недзьведь [и др.] ; под ред. М.К. Недзьведя. - Минск: Выш. шк., 2012. - 575 с

3. Патологическая анатомия: учеб. / Струков А. И., Серов В.В: Литтерра, 2010

4. Биология: медицинская биология, генетика и паразитология: учебник для вузов/ А. П. Пехов. - 3 изд., ГЭОТАР-МЕДИА, 2014

5. Клиническая генетика: учебник/ Бочков Н. П., Пузырев В. П., Смирнихина С. А. - 4 издани: ГЭОТАР-Медиа, 2013-592с.

Размещено на Allbest.ru