Размещено на http://www.allbest.ru/

Частота и спектр геномных и хромосомных мутаций в гаметогенезе и на разных стадиях внутриутробного развития человека

Маленков А.А.

Введение

Хромосомные аномалии могут возникать на любой стадии онтогенеза. Последствия несбалансированных нарушений генома характерны, 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.

Хромосомные аномалии в гаметогенезе.

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, представляется наиболее корректной.

Сперматогенез

Сведения о частоте спонтанных хромосомных аномалий в зрелых сперматозоидах человека могут быть получены при помощи метода РШН либо путем прямого анализа хромосомного набора мужского пронуклеуса после гетерологичного оплодотворения Основные итоги хромосомного анализа методом РШН с маркированием всех хромосом, за исключением хромосом 19 и 22, позволяют утверждать, что частота гетероплоидных сперматозоидов в норме не превышает 1,5 % . Участие разных хромосом в образовании анеуплоидных сперматозоидов не равноценно. У клинически здоровых доноров частота гетероплоидных сперматозоидов, определенная с помощью ДНК-проб, специфичных к прицентромерным районам хромосом 7 и 18, варьирует в пределах 0,61-0,81 % . Поскольку одноцветная РШН не позволяет отличить дисомные по какой-либо хромосоме сперматозоиды от диплоидных, полученные результаты отражают их суммарную частоту, которая соответствует опубликованным данным для клинически здоровых доноров спермы. Наиболее подвержены нерасхождению хромосомы 1, 9, 16, 21, X и У. При исследовании пациентов, частота дисомных по разным хромосомам сперматозоидов варьирует в широких пределах у различных групп доноров.

Существенно, что у пациентов с аномальными морфофункциональными параметрами спермограммы доля гетероплоидных сперматозоидов значительно выше, чем у доноров спермы, причем такая зависимость имеет линейный характер.

Методом гетерологичного оплодотворения проанализировано в общей сложности более 20 тысяч хромосомных комплементов зрелых сперматозоидов от здоровых доноров в возрасте от 18 до 65 лет.

В этих исследованиях было установлено, что соотношение X- и У-несущих сперматозоидов у здоровых доноров соответствует теоретически ожидаемому 1:1, а наличие хромосомных аберраций не сказывается на подвижности и оплодотворяющей способности сперматозоидов. При этом частота структурных хромосомных аберраций в зрелых сперматозоидах здоровых мужчин составляет 6-7 %, а частота анеуплоидии 4 %.

Частота и спектр структурных перестроек не зависят от индивидуальных особенностей, а также от условий капацитации. Единственным фактором, увеличивающим частоту аберраций, оказался возраст донора. аномалия хромосома онтогенез

При этом влияние возраста было показано только для структурных аберраций, но не для численных аномалий.

Частота анеуплоидных сперматозоидов у здоровых мужчин составляет в среднем 1-4 %, при этом гипогаплоидия превалирует над гипер- гаплоидией (3,3 и 1,7 % соответственно) . Несоответствие частот гипер- и гипогаплоидных сперматозоидов, по-видимому, обусловлено артефактной утратой хромосом в процессе приготовления препаратов, причем чаще утрачиваются мелкие хромосомы и хромосомы из многочисленной группы С (большие субметацентрические хромосомы 6-12).

Суммарные результаты нескольких масштабных исследований свидетельствуют о том, что частота нерасхождения хромосом 21, Х, У, 1, 9 и 16 повышена по сравнению с другими хромосомами, тогда как дисомии 6 и 17 не отмечены ни в одном из 17 998 сперматозоидов, исследованных после гетерологичного оплодотворения.

Одной из современных модификаций метода гетерологичного оплодотворения является метод введения спермиев человека непосредственно в овулировавшие яйцеклетки лабораторных мышей. В наших экспериментах проведена инъекция подвижных сперматозоидов от 10 пациентов с нарушением фертильности в ооциты мыши. Всего проанализировано 183 метафазные пластинки мужских пронуклеусов. Суммарная частота гипергаплоидии составила 5,71 %, гипогаплоидии - 8,57 %.

Структурные перестройки были единичны (0,4 %) и представлены маркерными, кольцевыми хромосомами и транслокацией. Таким образом, общая частота хромосомных аберраций в зрелых сперматозоидах у мужчин с нарушением фертильности составила около 14 %.

Эта величина несколько превышает таковую у здоровых мужчин (~ 10 %), определенную в условиях гетерологичного оплодотворения

Таким образом, данные различных методов исследования свидетельствуют о том, что у здоровых мужчин до 10 % сперматозоидов несут хромосомную аномалию, причем структурные перестройки встречаются чаще, чем численные.

Оогенез.

В отличие от сперматогенеза, где уже реальна объективная оценка частоты спонтанных хромосомных аберраций в зрелых гаметах, данные об их частоте в оогенезе пока ориентировочны. Прежде всего, это связано с тем, что полноценный цитогенетический анализ женских гамет возможен только в ооцитах на стадии метафазы II, полученных в условиях ЭКО. Для оценки частоты гетероплоидии в ооцитах иногда используют косвенный подход, основанный на результатах цитогенетического анализа 1-го или 2-го полярных телец.

Тем не менее, в настоящее время с помощью соответствующих методических приемов получены сведения о частоте спонтанных хромосомных аберраций и в оогенезе человека. В целом, они свидетельствуют о более высокой частоте нерасхождения хромосом в процессе оогенеза по сравнению со сперматогенезом.

Метафаза I

Нет частоты спонтанных хромосомных аберраций в метафазе 1-го мейотического деления ооцитов человека.

Метафаза II

Высокая частота в широком диапазоне различных типов хромосомных аномалий в ооцитах человека в МП. Так, частота ооцитов, несущих одну или более хромосомную аберрацию, в разных сериях исследований варьирует от 4% до 58 % .

В исследованиях из 133 овулировавших ооцитов человека, пригодных для цитогенетического анализа на стадии МП, 30 оказались анеуплоидными, причем частота гипер- и гипогаплоидии была одинаковой (14 и 16 ооцитов соответственно), что косвенно свидетельствовало об адекватности использованного метода приготовления хромосомных препаратов. В 19 случаях (63,3 %) в образовании анеуплоидных ооцитов принимали участие отдельные хроматиды. Так как практически все исследования проведены на ооцитах с признаками дегенерации, нельзя исключить, что преждевременное разделение центромер было обусловлено именно этим обстоятельством. Существование такого механизма нерасхождения хромосом в оогенезе доказано в прямых экспериментах на мышах в условиях применения окадаевой кислоты - препарата, вызывающего преждевременную спирализацию хромосом.

Основной причиной образования диплоидных ооцитов является блокада анафазы I, которая приводит к персистенции в ооплазме второго диплоидного набора хромосом.

Структурные аномалии хромосом обнаружены в 10 ооцитах, причем во всех случаях они сочетались с анеуплоидией.

Завершение мейоза Данные о частоте спонтанных хромосомных аберраций в ооцитах, завершивших 2-е деление мейоза, могут быть получены только после оплодотворения, когда происходит отделение 2-го полярного тельца. При этом объектом исследования могут быть хромосомы женского пронуклеуса на стадии метафазы 1-го деления дробления, либо хромосомы 2-го полярного тельца.

При определении родительского происхождения анеуплоидии у плодов человека и новорожденных с использованием цитогенетических и молекулярных маркеров установлено, что около 20 % случаев анеуплоидии обусловлено нерасхождением хромосом во 2-м делении созревания ооцита.

Для корректной оценки истинной частоты аномальной сегрегации хромосом в оогенезе требуются одновременные исследования хромосомного набора в ооците и полярных тельцах. Многие анеуплоидии и практически все структурные аберрации, не регистрируются, что приводит к занижению реальной частоты возникновения хромосомных аберраций.

Частота спонтанных хромосомных аберраций в оогенезе человека изучена недостаточно. Имеются ориентировочные данные о ее необычно большой величине (до 50 %) в метафазе II мейоза и до 25 % после завершения мейоза.

Полиплоидия

Большая часть аномалий кариотипа в период дробления связана с нарушениями плоидности. Триплоидия как следствие диспермии является наиболее частой патологией оплодотворения и регистрируется по наличию трех пронуклеусов в зиготе. В случаях, когда наличие и число полярных телец, а также пронуклеусов вызывает сомнения, невозможно отличить диспермию от дигинии.

Триплоидные зиготы непосредственно после первого деления дробления, как правило, образуют три и более клеток, и реже - две. В дальнейшем 3клеточные эмбрионы чаще образуют мозаичные формы полиплоидии, чем 2- или 4-клеточные. Происхождение триплоидии также определяет судьбу дробящегося зародыша.

Так, можно считать доказанным, что у дигинетических триплоидов хромосомы всех трех пронуклеусов образуют единое двухполюсное веретено и имеют одну активную центросому. У диспермных триплоидов первое митотическое деление осуществляется, по-видимому, путем образования трехполюсного веретена. В дальнейшем аномальная сегрегация хромосом может приводить к истинной триплоидии либо к формированию мозаиков.

Мозаицизм (1п/2п, 2п/3п) может быть также обусловлен асинхронностью формирования пронуклеусов и ошибками репликации ДНК в первом митотическом цикле. Частота трипло- идных зародышей на ранних стадиях дробления, на стадии бластоцисты и в биоптатах ворсин хориона первого триместра, примерно совпадает и составляет в среднем около 2,5 %.

Другой формой полиплоидии у зародышей человека является тетраплоидия, которая встречается в единичных случаях вплоть до стадии бластоцисты. Форма тетраплоидии (истинная или мозаичная 2п/4п и, возможно, 1п/4п и 3п/4п) остается неизвестной.

Характерным для зародышей человека на стадии бластоцисты является появление большого числа (30-40 %) диплоидно-тетраплоидных мозаиков. Появление гаплоидных бластомеров может быть вызвано редукционным делением диплоидного ядра [455]. Единичные гаплоидные зародыши зарегистрированы только в период дробления (8-10 бластомеров) и не встречаются на стадии бластоцисты, что свидетельствует об их элиминации еще в доимплантационном периоде.

Анеуплоидия

Зародыши с дефицитом (моносомия) или избытком (трисомия) отдельных хромосом возникают, главным образом, вследствие оплодотворения яйцеклетки с хромосомным дисбалансом.

Сведения о частоте анеуплоидных зародышей противоречивы. На ранних стадиях дробления частота анеуплоидии составляет 20 %, однако, может достигать 40 %, а с учетом мозаичных вариантов - даже 80 %

Такие "качества" эмбриона как скорость дробления, степень фрагментации, наличие многоядерных бластомеров, диссоциации их размеров могут отражать его хромосомный статус. Так, до 89 % зародышей с высокой степенью фрагментации оказываются мозаичными, и около 71 % эмбрионов, остановившихся в развитии на стадии нескольких бластомеров, обнаруживают хромосомные аномалии.

При этом и у морфологически нормальных зародышей частота анеуплоидных бластомеров достаточно высока и составляет около 20 %

Идентификация анеуплоидии в материале спонтанных абортусов I триместра беременности, культура клеток которых характеризовалась плохим ростом.

У 19 % абортусов с признаками анэмбрионии (наличие оболочек при отсутствии собственно тканей эмбриона) имела место моносомия хромосом 7, 15, 21 и 22.

Моносомия большинства аутосом несовместима с формированием бластоцисты, и такие эмбрионы погибают до имплантации. Вместе с тем, моносомия, по крайней мере, некоторых аутосом совместима с имплантацией и развитием провизорных органов, однако развитие тканей самого эмбриона прекращается уже во время имплантации или вскоре после нее.

В отличие от аутосомных моносомий, общая частота трисомии аутосом на стадии бластоцисты (5-7 %) оказалась примерно такой же, как и среди эмбрионов, кариотипированных по клеткам биоптатов хориона (10-13-я недели беременности).

Любопытно, что на стадии бластоцисты зарегистрированы только 4 типа трисомии (4, 6, 9 и 22), что, по всей вероятности, связано с недостаточностью выборки.

Спектр спонтанных хромосомных аномалий на разных стадиях развития.

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 составить прогноз их развития в зависимости от типа патологии.

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.

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) Обнаружен единственный случай полной формы моносомии 18 у плода 7-8-й недели развития.

Трисомия аутосом

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. По-видимому, на более поздних стадиях такие зародыши либо погибают, либо происходит элиминация бластомеров с дисбалансом этих хромосом.

Трисомия 2 (Тс 2) описана лишь у спонтанных абортусов. При этом считается, что Тс 2 характерна для клеток мезенхимной стромы ворсин хориона и выявляется лишь на препаратах культивированных клеток хориона. Однако нами выявлен случай Тс 2 в цитотрофобласте при развивающейся беременности, а в литературе описаны случаи пренатальной диагностики и живорождения детей с мозаичной формой Тс 2.

Тс 3 - одна из наиболее частых трисомий, характерных для клеток цитотрофобласта, причем доля три- сомных клеток может варьировать от единичных находок до полной формы.

По-видимому, трисомии хромосом группы В, как и большинства хромосом группы С, также летальны и достаточно редки даже в клетках хориона. В наших исследованиях зарегистрирован один случай полной формы трисомии 4, ограниченной цитотрофобластом.

Особого внимания заслуживают хромосомы 7, 8 и 9, для которых отмечена несколько повышенная, по сравнению с остальными хромосомами группы С, частота соответствующих трисомий в материале спонтанных абортов. Случаи Тс 7, Тс 8 и Тс 9, выявленные пренатально и у новорожденных, свидетельствуют о сублетальном эффекте избытка генетического материала этих хромосом. Следовательно, наличие даже мозаичной формы этих трисомий в клетках хориона требует исследования кариотипа плода. Известно, что Тс 7 является одной из характерных для трофобласта трисомий (19 случаев в наших исследованиях). Между тем, мозаичные формы трисомии 7 описаны и в культурах клеток амниотической жидкости, а также в фибробластах кожи у детей после рождения. Поэтому мнение, что Тс 7 всегда ограничена цитотрофобластом, требует корректировки. Ограниченные плацентой полные формы трисомии по хромосомам группы С.

Согласно многочисленным наблюдениям, для Тс 21 (синдром Дауна) характерной является полная форма. Мозаичная Тс 21 с доминирующей диплоидной линией в цитотрофобласте установлена в 4 случаях. Ни в одном из них диагноз не был подтвержден при исследовании лимфоцитов пуповинной крови плода или периферической крови новорожденного. Все случаи мозаичной Тс 21 в цитотрофобласте нуждаются в дополнительных исследованиях на других клетках (амниоциты, лимфоциты пуповинной крови), так как прогноз для жизнеспособности у плодов с трисомией 21, в отличие от других сублетальных трисомий, как правило, благоприятен (22,1 %)

Известно, что Тс 22 существует как самостоятельный синдром Тс 22, т. е. является сублетальной. Полная форма Тс 22 зарегистрирована в цитотрофобласте лишь в одном случае; еще в трех она была представлена мозаичным вариантом.

У спонтанных абортусов до 10-й недели беременности достаточно высока частота двойных и тройных трисомий по разным хромосомам. В большинстве случаев двойные трисомии, независимо от хромосом, принимающих в них участие, являются летальными.

Наиболее частыми являются ди- или трисомии половых хромосом. Именно эти случаи представляют наибольшую сложность для генетического консультирования - благоприятный антенатальный прогноз и совместимость с жизнью после рождения усугубляют проблему медико-генетических рекомендаций при выявлении у плодов анеуплоидии ХУУ, XXV, XXX. Кариотип 47,ХУУ не влияет на жизнеспособность плода, тогда как только 55,3 % плодов с кариотипом 47,XXУ и 70 % с 47,XXX способны завершить внутриутробное развитие.

При этом трипло-Х фактически не сказывается на развитии (среди спонтанных абортов эта аномалия встречается редко - 0,1-0,2 %), тогда как вероятность спонтанного прерывания беременности на более поздних стадиях, а также мертворождение заметно выше.

Моносомия.

Единственная форма моносомии, совместимая с внутриутробным и постнатальным развитием - моносомия Х. На ранних стадиях наличие единственной Х-хромосомы зачастую приводит к гибели - среди спонтанных абортов частота плодов 45,Х - самая высокая и достигает почти 10 %.

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.

Полиплоидия.

Полиплоидия совместима с внутриутробным развитием у человека лишь в виде триплоидии 69,ХХХ и 69,XXУ. Почти каждый 10-й спонтанный абортус является триплоидным.

При такой высокой смертности на ранних стадиях неожиданно высокой кажется частота триплоидии при прогрессирующей беременности (0,25 %).

Мозаичных вариантов 2п/3п не выявлено.

Что касается тетраплоидии, то на прямых препаратах из образцов хориона, особенно в I триместре беременности, она встречается довольно регулярно, при этом частота тетраплоидных клеток цитотрофобласта может достигать 100 %. Однако эта форма полиплоидии при развивающейся беременности ограничена исключительно плацентой.

Заключение

Многие типы хромосомных аномалий, такие как моносомии аутосом, гаплоидия, тетраплоидия встречаются только на доимплантационных стадиях развития; спектр численных хромосомных аберраций на разных стадиях постимплантационного развития в целом соответствует таковому у мертворожденных или живорожденных; некоторые трисомии, считающиеся летальными (Тс 2, Тс 3), представлены полными формами только в экстраэмбриональных тканях, другие (Тс 7, Тс 20, Тс 22) могут быть как ограничены плацентой, так и встречаться в отдельных тканях или органах плода; большинство сублетальных трисомий (Тс 13, 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.

Литература

1. Баранов В.С., Кузнецова Т.В 2006. Глава 5. Стр 150 - 175.

Размещено на Allbest.ru