Генетические причины замершей беременности, или зачем знать свой кариотип

Хромосомная нестабильность и анеуплоидия

КИН часто приводит к анеуплоидии . Есть три способа возникновения анеуплоидии. Это может произойти из-за потери всей хромосомы, приобретения целой хромосомы или перестройки частичных хромосом, известной как грубые хромосомные перестройки (GCR). Все это признаки некоторых видов рака . Большинство раковых клеток являются анеуплоидными, что означает, что они имеют ненормальное количество хромосом, которые часто имеют значительные структурные аномалии, такие как хромосомные транслокации, когда участки одной хромосомы обмениваются или прикрепляются к другой. Изменения плоидности могут изменять экспрессию протоонкогенов или генов-супрессоров опухолей.

Сегментарная анеуплоидия может возникать из-за делеций, амплификаций или транслокаций, которые возникают из-за разрывов ДНК, в то время как потеря и увеличение целых хромосом часто происходит из-за ошибок во время митоза.

Известные заболевания хромосомной природы

Одним из самых известных заболеваний, происходящих по причине наличия аномалий в генетическом материале, является синдром Дауна. Он обуславливается трисомией по 21 хромосоме. Характерным признаком этой болезни является отставание в развитии. Дети испытывают серьезные проблемы во время обучения в школе, часто им требуется альтернативная методика преподавания материала. Вместе с тем отмечаются нарушения физического развития – плоское лицо, увеличенные глаза, клинодактилия и другие. Если такие люди прикладывают значительные усилия, они могут достаточно хорошо социализироваться, известен даже случай успешного получения высшего образования мужчиной с синдромом Дауна. У больных повышен риск заболеть деменцией. Это и ряд других причин приводит к небольшой продолжительности жизни.

К трисомии относится и синдром Патау, только в этом случае имеется три копии 13 хромосомы. Для заболевания характерны множественные пороки развития, часто с полидактилией. В большинстве случаев отмечается нарушение деятельности центральной нервной системы либо ее неразвитость. Часто (примерно в 80 процентах) больные имеют пороки развития сердца. Тяжелые нарушения приводят к высокой смертности – в первый год жизни умирает до 95% детей с этим диагнозом. Заболевание не поддается лечению или коррекции, как правило, можно лишь обеспечить достаточно постоянный контроль состояния человека.

Еще одна форма трисомии, с которой рождаются дети, относится к 18 хромосоме. Заболевание в этом случае носит название синдрома Эдвардса и характеризуется множественными нарушениями. Деформируются кости, часто наблюдается измененная форма черепа. Сердечно-сосудистая система обычно с пороками развития, также проблемы отмечаются с органами дыхания. В результате около 60% детей не доживают до 3 месяцев, к 1 году умирает до 95% детей с этим диагнозом.

Трисомия по другим хромосомам у новорожденных практически не встречается, поскольку почти всегда приводит к преждевременному прерыванию беременности. В части случаев рождается мертвый ребенок.

С нарушениями числа половых хромосом связан синдром Шерешевского-Тернера. Из-за нарушений в процессе расхождения хромосом теряется X-хромосома в женском организме. В результате организм не получает должного количества гормонов, поэтому нарушается его развитие. В первую очередь это относится к половым органам, которые развиваются лишь отчасти. Практически всегда для женщины это обозначает невозможность иметь детей.

У мужчин полисомия по Y или X хромосоме приводит к развитию синдрома Клайнфельтера. Для этого заболевания характерна слабая выраженность мужских признаков. Зачастую сопровождается гинекомастией, возможно отставание в развитии. В большинстве случаев наблюдаются ранние проблемы с потенцией и бесплодие. В этом случае, как и для синдрома Шерешевского-Тернера, выходом может стать экстракорпоральное оплодотворение.

Что такое гены и хромосомы?

Наше тело состоит из миллионов клеток. Большинство клеток содержат полный набор генов. У человека тысячи генов.
Гены можно сравнить с инструкциями, которые используются для контроля роста и согласованной работы всего
организма. Гены отвечают за множество признаков нашего организма, например, за цвет глаз, группу крови или рост.

Гены расположены на нитевидных структурах, называемых хромосомами. Как правило, в большинстве клеток организма
содержится по 46 хромосом. Хромосомы передаются нам от родителей – 23 от мамы, и 23 от папы, поэтому мы часто
похожи на своих родителей. Таким образом, у нас два набора по 23 хромосомы, или 23 пары хромосом. Так как на
хромосомах расположены гены, мы наследуем по две копии каждого гена, по одной копии от каждого из родителей.
Хромосомы (следовательно, и гены) состоят из химического соединения, называемого ДНК.

Рисунок 1: Гены, хромосомы и ДНК

Хромосомы (см. Рисунок 2), пронумерованные от 1 до 22, одинаковые у мужчин и у женщин. Такие хромосомы называют
аутосомами. Хромосомы 23-й пары различны у женщин и мужчин, и их называют половыми хромосомами. Есть 2 варианта
половых хромосом: Х-хромосома и Y-хромосома. В норме у женщин присутствуют две Х-хромосомы (ХХ), одна из них
передается от матери, другая – от отца. В норме у мужчин есть одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY), при этом
Х-хромосома передается от матери, а Y-хромосома — от отца. Так, на Рисунке 2 изображены хромосомы мужчины, так
как последняя, 23-я, пара представлена сочетанием XY.

Рисунок 2: 23 пары хромосом, распределенные по размеру; хромосома под номером 1 – самая большая. Две последние
хромосомы – половые.

Анализ кариотипа

Кариотип – систематизированный набор хромосом ядра клетки с его количественными и качественными характеристиками.

Нормальный женский кариотип — 46,XX        Нормальный мужской кариотип — 46,XY

Исследование кариотипа — процедура, призванная выявить отклонения структуры строения и числа хромосом.

Показания для кариотипирования:

• Множественные врожденные пороки развития, сопровождаемые клинически анормальным фенотипом или дизморфизмом
• Умственная отсталость или отставание в развитии
• Нарушение половой дифференцировки или аномалии полового развития
• Первичная или вторичная аменорея
• Аномалии спермограммы – азооспермия или тяжелая олигоспермия
• Бесплодие неясной этиологии
• Привычное невынашивание
• Родители пациента со структурными хромосомными аномалиями
• Повторное рождение детей с хромосомными аномалиями

К сожалению, с помощью исследования кариотипа можно определить лишь крупные структурные перестройки. В большинстве же случаев аномалии строения хромосом представляют собой микроделеции и микродупликации невидимые под микроскопом. Однако такие изменения хорошо идентифицируются современными молекулярными цитогенетическими методами — флуоресцентной гибридизацией (FISH) и хромосомным микроматричным анализом.

Что такое пренатальный скрининг

Пренатальный скрининг, диагностика и лечение является относительно новой проблемой в акушерстве. Началом пренатального скрининга была, возможно, эра ультразвуковой диагностики в акушерстве, которая началась около двух десятилетий назад. С открытием новых генов и их фенотипов становится все более возможным пренатальный генетический диагноз. Следует различать понятия скрининга и диагностики.

Пренатальный скрининг позволяет выявить индивидов высокого риска осложнений среди популяции индивидов с низким риском осложнений. Специфичность и чувствительность скрининговых тестов очень важны, учитывая возможность ложноположительных и ложноотрицательных результатов скрининга.

Пренатальная диагностика, конечно, более специфическая, чем скрининг (например, амниоцентез или биопсия хориона), но имеет и больший риск осложнений. Первым шагом по определению риска для плода является скрининг матери о наличии определенных состояний или заболеваний.

Нередко возникает вопрос о вероятности роста частоты врожденных пороков у потомков семейных пар, которые получали лечение по поводу бесплодия. Тяжелая олигоспермия и азооспермия ассоциируются со сбалансированными транслокациями хромосом (3-5%), синдромом Кляйнфельтера (47, ХХУ), аномалиями и микроделеции У-хромосомы.

Аномалии Х-хромосомы (ХХУ, ХХХ, Х-мозаицизм при синдроме Тернера) ассоциируются с пониженной фертильностью (субфертильностью), а также увеличением риска хромосомных аномалий у потомков. В 2/3 пациентов с врожденным отсутствием семявыносящих протоков имеет место хотя бы одна мутация гена, который отвечает за развитие кистозного фиброза. Итак, эти пациенты подлежат скринингу на наличие кистозного фиброза. Таким пациентам обычно показана интрацитоплазматическая инъекция сперматозоида в яйцеклетку, хотя наличие мутантного гена по кистозному фиброзу может влиять на репродуктивные намерения.

Причины

Структурные изменения, происходящие в хромосомах, являются следствием нарушения их целостности в результате разрывов парных нитей спирали ДНК. Этот процесс может происходить самопроизвольно, но чаще его провоцирует воздействие внешних факторов (мутагенов). Спонтанные перестройки случаются очень редко (примерно 1-100 случаев на 1 млн. представителей вида) и тоже подчиняются мутационному давлению окружающей среды, но ввиду неуточненной природы их возникновения, их принято относить к неиндуцированным.

Точные причины хромосомных мутаций в каждом отдельном случае установить тяжело, но выявлена связь между факторами внешней среды и возникновением индуцированных аберраций. Факт установления взаимозависимости внешнего воздействия и мутаций не способствует соотнесению определенных мутагенов с видами перестроек (распределение генов по геному в результате мутаций происходит случайно). Под влиянием одного и того же фактора могут происходить неодинаковые изменения. Все выявленные мутагены подразделяются на 3 вида:

• биологические – бактерии, вирусы, способные встраиваться в ДНК клеток, захватывать часть генов при размножении и переносить их в организм другого человека;
• химические – соединения химического происхождения, большинство из которых созданы искусственным образом (формальдегиды, иприт, нитраты, пестициды, хлороформ, соединения тяжелых металлов, окись азота, консерванты, растворители, красители и др.);
• физические – все виды излучений (радиоактивное, электромагнитное, ультрафиолетовое, нейтронное), высокоэнергетические частицы (альфа- и бета-частицы), слишком высокая и низкая температура, давление.

15.2. Гетероплоидия – изменение числа отдельных хромосом в кариотипе

Генные мутации встречаются наиболее часто. Причины генных мутаций:

1) выпадение нуклеотида;

2) вставка лишнего нуклеотида (эта и предыдущая причины приводят к сдвигу рамки считывания);

3) замена одного нуклеотида на другой.

2. Сцепление генов и кроссинговер

Гены, локализованные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются, как правило, вместе.

Число групп сцепления у диплоидных организмов равно гаплоидному набору хромосом. У женщин – 23 группы сцепления, у мужчин – 24.

Сцепление генов, расположенных в одной хромосоме, может быть полным и неполным. Полное сцепление генов, т. е. совместное наследование, возможно при отсутствии процесса кроссинго-вера. Это характерно для генов половых хромосом, гетеро-гаметных по половым хромосомам организмов (ХУ, ХО), а также для генов, расположенных рядом с центромерой хромосомы, где кроссинговер практически никогда не происходит.

В большинстве случаев гены, локализованные в одной хромосоме, сцеплены не полностью, и в профазе I мейоза происходит обмен идентичными участками между гомологичными хромосомами. В результате кроссинговера аллельные гены, бывшие в составе групп сцепления у родительских особей, разделяются и формируют новые сочетания, попадающие в гаметы. Происходит рекомбинация генов.

Гаметы и зиготы, содержащие рекомбинации сцепленных генов, называют кроссоверными. Зная число кроссоверных гамет и общее количество гамет данной особи, можно вычислить частоту кроссинговера в процентах по формуле: отношение числа кроссоверных гамет (особей) к общему числу гамет (особей) умножить на 100 %.

По проценту кроссинговера между двумя генами можно определить расстояние между ними. За единицу расстояния между генами – морганиду – условно принят 1 % кроссинговера.

Частота кроссинговера говорит и о силе сцепления между генами. Сила сцепления между двумя генами равна разности между 100 % и процентом кроссинговера между этими генами.

Генетическая карта хромосомы – это схема взаимного расположения генов, находящихся в одной группе сцепления. Определение групп сцепления и расстояний между генами не является конечным этапом построения генетической карты хромосомы, поскольку необходимо установить также соответствие изучаемой группы сцепления определенной хромосоме. Определение группы сцепления осуществляется гибридологическим методом, т. е. путем изучения результатов скрещивания, а исследование хромосом – цитологическим методом с проведением микроскопического исследования препаратов. Для определения соответствия данной группы сцепления конкретной хромосоме применяют хромосомы с измененной структурой. Выполняют стандартный анализ дигибридного скрещивания, в котором один исследуемый признак кодируется геном, локализованным на хромосоме с измененной структурой, а второй – геном, локализованным на любой другой хромосоме. В случае если наблюдается сцепленное наследование этих двух признаков, можно говорить о связи данной хромосомы с определенной группой сцепления.

Анализ генетических и цитологических карт позволил сформулировать основные положения хромосомной теории наследственности.

1. Каждый ген имеет определенное постоянное место (локус) в хромосоме.

2. Гены в хромосомах располагаются в определенной линейной последовательности.

3. Частота кроссинговера между генами прямо пропорциональна расстоянию между ними и обратно пропорциональна силе сцепления.

Literature

1. Baranov V. S., Kuznecova T. V. Citogenetika jembrional’nogo razvitija cheloveka: nauchno-prakticheskie
   aspekty // SPb.: Nauchnaja literatura, 2007. — S. 252—310.
2. Vorsanova S. V., Jurov Ju. G., Chernyshov V. N. Medicinskaja citogenetika // Moskva, 2006. — S. 219—222.
3. Biancotti J. C. Human embryonic stem cells as models for aneuploid chromosomal syndromes // Stem cells. — 2010. — Vol. 28. — P. 1530—1540.
4. Bricker L. Types of pregnancy loss in recurrent miscarriage: implications for research and clinical practice // Hum. Reprod., 2002. — Vol. 17, N 5. — P. 1345—1350.
5. Carrell D. T. The clinical implementation of sperm chromosome aneuploidy testing: pitfalls and promises // J Androl.,2008. — Vol. 29(2). — P. 124—33.
6. Gersen S. L. The principles of clinical Cytogenetics // New York: Springer, 2013. — P. 275—292
7. Harper J. C. Preimplantation genetic diagnosis // CambridgeUniversity Press, 2009. — Р. 95—116.
8. Harton G. L. at al. ESHRE PGD Consortium/Embryology Special Interest Group. Best practice guidelines for polar body and embryo biopsy for preimplantation genetic diagnosis/screening (PGD/PGS) // Human Reproduction, 2010. — Vol. 1. — P. 1—8.
9. Nielsen J. Chromosome abnormalities found among 34,910 newborn children: results from a 13-year incidence study in Arhus, Denmark // Hum Genet., 1991. — Vol. 87(1). — P. 81—3.
10. McKinlay Gardner R. J. Chromosome abnormalities and genetic counseling // New York: Oxford University Press, Inc., 2012, — P. 27—66, P. 377—402.

Библиографическая ссылка

Гонтарь Ю. В., Ильин И. Е., Будерацкая Н. А., Связь количественных хромосомных аномалий сперматозоидов и преимплантационных эмбрионов // «Живые и биокосные системы». — 2014. — № 8; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-8/article-11.

Физико-химическая природа хромосом

Физико-химическая природа хромосом зависит от сложности организации биологического вида. Хромосома эукариот состоит из молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (см.), гистоновых и негистоновых белков (см. Гистоны), а также рибонуклеиновой кислоты (см.). Основным химическим компонентом хромосомы, заключающим в структуре своей молекулы генетическую информацию, является ДНК. В естественных условиях в отдельных участках хромосомы ДНК может быть свободной от структурных белков, однако в основном она существует в виде комплекса с гистонами, причем как и в интерфазе, так и в метафазе весовое отношение ДНК/гистон составляет единицу. Содержание кислых белков в хромосомах варьирует в зависимости от их активности и степени конденсации в клеточном цикле. В хроматине (см.) интерфазного ядра и на любой стадии митотической конденсации ДНК существует в комплексе с гистонами, и взаимодействие именно этих молекул создает элементарные структурные частицы хроматина — нуклеосомы. В нуклеосоме ее центральную часть составляют 8 молекул гистонов четырех типов (по 2 молекулы от каждого типа). Это гистоны Н2А, Н2В, НЗ и Н4, взаимодействующие между собой, по-видимому, С-концевыми участками молекул. N-концевые участки гистоновых молекул взаимодействуют с молекулой ДНК таким образом, что последняя оказывается накрученной на гистоновый остов, делая два витка на одной его стороне и один на другой. На одну нуклеосому приходится около 140 пар оснований ДНК. Между соседними нуклеосомами имеется варьирующий по длине отрезок ДНК (10—70 пар оснований). Когда он выпрямлен, ДНК принимает вид нити с бусинками. Если отрезок находится в сложенном состоянии, нуклеосомы тесно прилегают друг к другу, формируя фибриллу диаметром 10 нм. Строение из нуклеосомных частиц является принципом организации хроматина (см.) как в интерфазной, так и в метафазной хромосоме.

В геноме эукариот (см. Геном) выделяют несколько классов ДНК по числу повторяющихся последовательностей нуклеотидов, составу последовательностей, их размерам. У человека ДНК может быть подразделена на ДНК с многократно повторяющимися последовательностями нуклеотидов, включая сателлитную ДНК (ок. 10,3%), ДНК с умеренно повторяющимися последовательностями (ок. 12,3%), ДНК с низкой их повторяемостью (13,4%), а также ДНК, состоящую из уникальных последовательностей (около 64%). У человека четыре основных типа сателлитных ДНК локализуются в большинстве хромосом, но неодинаково распределяются по типам и количеству. ДНК с многократно повторяющимися последовательностями содержится преимущественно в гетерохроматине (сильно спирализованных и интенсивно окрашенных районах хромосомы). На поперечник хромосомы при ее максимальной деконденсации приходится одна молекула ДНК. В метафазной хромосоме составляющая ее молекула ДНК должна укоротиться в 104 раз по сравнению с ее длиной в свободном от белков состоянии. Взаимодействие ДНК с гистонами при формировании нуклеосом и нити диаметром 10 нм обеспечивает укорочение исходной нити ДНК примерно в 6,5—7 раз и увеличение диаметра с 3 нм до 10 нм. В нативном хроматине преобладают нити второго порядка диаметром 20—30 нм, в фибриллах этого уровня общее укорочение ДНК оказывается примерно 40-кратным.

ДНК с умеренным числом повторов обнаруживается главным образом в G-окрашивающихся сегментах. С помощью флюорохромов (см.), по-разному связывающихся с аденинтимин и гуанинцитозин парами оснований ДНК, показано различие участков метафазной хромосомы по составу оснований. Специфичность ДНК в разных участках хромосом, вероятно, определяет их различие по генетической активности.

Методы диагностики вариаций числа копий генов в опухоли

Сегодня существует несколько методов, с помощью которых можно обнаружить хромосомные аберрации в опухоли.

1. ИГХ. Иммуногистохимическое исследование является простым и эффективным способом диагностики хромосомных аберраций в опухоли. Оно позволяет исследовать белок, изменение концентрации которого является маркером наличия генетических и хромосомных поломок. Для проведения диагностики необходим образец ткани и набор антител. Если в образце имеется нарушение в исследуемом гене, это проявляется изменением экспрессии белка в клетке. Связанные с данным белком антитела визуализируются при помощи специальной системы, далее ткань исследуется под микроскопом.
2. ПЦР. Для выявления вариаций числа копий в опухоли применяется полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР). Данный метод отличается высокой чувствительностью и позволяет исследовать образцы с низким содержанием опухолевого материала. При этом качество ОТ-ПЦР сильно зависит от изначального качества РНК, которая является менее стабильной, чем ДНК, а потому не всегда хорошо сохраняется из-за фиксации в формалине и длительного хранения ткани в парафиновом блоке.
3. является «золотым стандартом» диагностики многих вариаций числа копий в опухоли, поскольку позволяет визуализировать сами гены и хромосомы. Он основан на использовании специальных зондов, меченных флуоресцентными красителями. Зонды могут быть специфичными для определенных участков хромосомы, поэтому специалист всегда может выявить точный вид мутации.

Мутационная изменчивость. Классификация мутаций. Соматические и генеративные мутации. Понятие о хромосомных и генных болезнях.

Мутация – это спонтанное изменение генетического материала. Мутации возникают под действием мутагенных факторов:
А) физических (радиация, температура, электромагнитное излучение);
Б) химических (вещества, которые вызывают отравление организма: алкоголь, никотин, колхицин, формалин);
В) биологических (вирусы, бактерии).
Различают несколько классификаций мутаций.

Классификация 1.
Мутации бывают полезные, вредные и нейтральные. Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови).

Классификация 2.
Мутации бывают соматические и генеративные. Соматические (чаще всего они не наследуются) возникают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела. Они будут наследоваться следующим поколениям при вегетативном размножении. Генеративные (они наследуются, т.к.

происходят в половых клетках): эти мутации происходят в половых клетках. Генеративные мутации делятся на ядерные и внеядерные (или митохондриальные).
Классификация 3.
По характеру изменений в генотипе мутации подразделяются на генные, хромосомные, геномные.
Генные мутации (точковые) происходят в результате потери нуклеотида, вставки нуклеотида, замены одного нуклеотида другим.

Эти мутации могут приводить к генным болезням: дальтонизм, гемофилия. Таким образом, генные мутации приводят к появлению новых признаков.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Может произойти делеция – потеря участка хромосомы, дупликация – удвоение участка хромосомы, инверсия – поворот участка хромосомы на 1800, транслокация – это перенос части или целой хромосомы на другую хромосому. Причиной этого может быть разрыв хроматид и их восстановление в новых сочетаниях.
Геномные мутации приводят к изменению числа хромосом. Различают анеуплоидию и полиплоидию. Анеуплоидия связана с изменением числа хромосом на несколько хромосом (1, 2, 3):
А) моносомия общая формула 2n-1 (45, Х0), болезнь – синдром Шерешевского-Тернера.

Б) трисомия общая формула 2n+1 (47, ХХХ или 47, ХХУ) болезнь – синдром Клайнфельтра.
В) полисомия
Полиплоидия – это изменение числа хромосом, кратное гаплоидному набору (например: 3n 69).
Организмы могут быть автоплоидными (одинаковые хромосомы) и аллоплоидными (разные наборы хромосом).

К хромосомным относятся болезни, обусловленные геномными мутациями или структурными изменениями отдельных хромосом.

Хромосомные болезни возникают в результате мутаций в половых клетках одного из родителей. Из поколения в поколение передаются не более 3—5 % из них. Хромосомными нарушениями обусловлены примерно 50 % спонтанных абортов и 7 % всех мёртворождений.

Все хромосомные болезни принято делить на две группы: аномалии числа хромосом и нарушения структуры хромосом.

Аномалии числа хромосом

Болезни, обусловленные нарушением числа аутосом (неполовых) хромосом

синдром Дауна — трисомия по 21 хромосоме, к признакам относятся: слабоумие, задержка роста, характерная внешность, изменения дерматоглифики;

синдром Патау — трисомия по 13 хромосоме.