Цитогенетика эмбрионального развития

Цитогенетика эмбрионального развития человека

Та

бл

иц

а 2

. О

сн

ов

ны

е р

аз

ли

чи

я С

-, R

- и G

-б

ло

ко

в х

ро

мо

со

м ч

ел

ов

ек

Харак

теристик

R-б

локи

G-б

локи

С-б

локи

Нуклео

тидный со

ст

ав ДНК

Обогащенно

сть GC-парами

Обогащенно

сть А

Т-парами

Обогащенно

сть А

Т-парами

Со

держание пов

торов

Пов

торы SINE

Пов

торы LINE-бога

тые

Са

теллитные пов

торы

I, II, III класс

Тип из

ох

оров

GC-бога

тые (т

яж

елые) из

ох

оры

АТ (легкие) из

ох

оры

АТ-бога

тые из

ох

оры

Со

держание CpG-о

ст

ровк

ов

Обогащенно

сть

Отно

сительная об

едненно

сть

Очень м

ало

Уров

ень ацетилиров

ания

гист

онов

Высокий

Низкий

Время реплик

ации в S-фазе

Ранняя

Сре

дняя,

поз

дняя

Поз

дняя

Со

ст

ояние в интерфазе

ек

онденсиров

ан

Отно

сительно дек

онденсиров

ан

Конденсиров

ан

Обогащенно

сть г

енами

Высок

ая к

онцент

рация (г

ены

до

машнег

о х

озяйств

а)

Низк

ая к

онцент

рация

(тк

ане

специфичные г

ены)

Низк

ая или по

лно

е о

тс

ут

ствие

Чув

ствительно

сть к

про

тео

литиче

ским

фер

мент

ам

Очень высок

ая

Высок

ая

Низк

ая, прак

тиче

ски

по

лно

стью о

тс

ут

ств

ует

Чув

ствительно

сть к

нукле

азам (ДНК

аза I, II,

ре

ст

рик

тазы)

Очень высок

ая

Высок

ая

Низк

ая

Част

от

а кро

ссинг

ов

ера

Очень высок

ая

Низк

ая

Очень низк

ая,

от

сут

ствие

Глава 2.

Нормальный кариотип человека

изохоры преимущественно локализованы в G-сегментах хромосом, в то

время как тяжелые изохоры — в основном в R-сегментах, при этом плот-

ность распределения тяжелого изохора Н3 в сегментах хромосом пример-

но пропорциональна количеству содержащихся в них генов [496].

Гетерохроматин в хромосомах человека в свою очередь подразде-

ляется на структурный, или конститутивный, и факультативный гетеро-

хроматин. Конститутивный, или структурный, гетерохроматин обра зует

постоянные структурные элементы в парах гомологичных хромосом и

располагается преимущественно в околоцентромерных районах, а так-

же дистальном отделе длинного плеча Y-хромосомы [158, 163, 819].

Как уже упоминалось, конститутивный гетерохроматин человека

состоит из сателлитной ДНК I–III классов (с длиной повторяющейся пос-

ледовательности 1–20 п. н.), а также из сателлитной ДНК α-, β- и γ-типов

(с длиной отдельного повтора 170 п. н., 68 п. н. и 220 п. н. соответствен-

но) [485, 620]. Cателлитные повторы имеют различную обогащенность

АТ- и CG-парами оснований (класс I обогащен АТ-парами, классы II и III

содержат как АТ-, так и CG-пары) и специфично распределены по хромо-

сомам. Прицентромерный гетерохроматин хромосом 3 и 4 представлен,

в основном, сатДНКI. В прицентромерном гетерохроматине хромосом

групп D и G, а также в районе Yqh локализованы сатДНК классов I и

III. В состав 16qh входит преимущественно сатДНКII, 1qh — сателли-

ты II и III классов, 9qh — сатДНКIII [610]. Известно, что сатДНКIII

хромосомы 9 состоит из пентамеров, 5–15

% которых содержат CpG-

по следо вательности [523]. Распределение α-, β- и γ-сателлитных ДНК

также хромосомспецифично. Так, α-сателлит находится в составе гетеро-

хроматина хромосом 1, 11, 13, 14, 15, 17, 21, 22, X и Y; β-сателлит — в при-

центромерных районах хромосом 3 и 9, а также в районе Yqh; γ-сателлит —

в центромерах хромосом 8 и X [485, 620].

Термин «факультативный гетерохроматин» относится к гетеро-

хроматинизированному эухроматину, который присутствует не в обе-

их, а в одной из двух гомологичных хромосом [32]. Если конститу-

тивному гетерохроматину присуще неизменное, стабильное конденси-

рованное состояние, то факультативный гетерохроматин свойственен

какой-либо определенной стадии развития или типу клеток.

Классическим примером факультативного гетерохроматина явля-

ется функционально неактивная (инактивированная) Х-хромосома,

Цитогенетика эмбрионального развития человека

представленная в интерфазных соматических клетках, имеющих две

Х-хромосомы, в виде так называемого тельца полового хроматина

(тельце Барра). Отметим, что инактивация одной из Х-хромосом у за-

родышей женского пола происходит в раннем эмбриогенезе, точнее

на стадии бластоцисты, тогда как перед вступлением ооцитов в мейоз

происходит ее реактивация (см. главу 1). Примером обратимой гете-

рохроматизации может быть и половой пузырек, образуемый X- и Y-

хромосомами в сперматогенезе и наблюдаемый лишь в профазе мейоза

(на стадиях зиготены — пахитены).

Факультативный гетерохроматин, в отличие от конститутивного

хроматина, содержащего различные классы сателлитной ДНК, обо-

гащен протяженными повторяющимися последовательностями типа

LINE, которые способствуют конденсации хроматина. Наличие LINE

повторов в G-сегментах сближает эти районы метафазных хромосом с

факультативным гетерохроматином [610]. Гетерохроматиновые райо-

ны поздно реплицируются, метилированы и содержат гипоацетили-

рованные гистоны, вследствие чего эти сегменты хромосом обычно

транскрипционно инертны или обладают пониженной транскрипци-

онной активностью (см. также главу 10).

В заключение следует отметить, что в настоящее время, благодаря

успешному завершению программы «Геном человека», практически

полностью определена нуклеотидная последовательность гигантской

(1,7 м) молекулы ДНК человека и получены карты нуклеотидных

по следовательностей каждой из 23 пар хромосом [316, 497]. Опреде-

лено и общее число генов человека (около 35 000). К марту 2005 года

на хромосомах человека было картировано около 16 000 генов, однако

местоположение многих из них нуждается в уточнении. При этом

было обнаружено, что «насыщенность» генами разных хромосом су-

щественно варьирует. Больше всего генов пока локализовано на самой

большой хромосоме 1 (873). Самой «обедненной» генами оказалась Y-

хромосома (всего 46 генов). Самой «эухроматиновой» (насыщенной

генами) с учетом небольших размеров оказалась хромосома 19. В ней

уже картировано 603 гена, то есть больше, чем в хромосоме 2 (570),

в 3,5 раза превышающей ее абсолютные размеры. Информацию

о генах, идентифицированных на разных хромосомах человека, мож-

но получить на ежедневно обновляющемся интернет-сайте National

Center Biotechnological Information USA (http://www.ncbi.nlm.nih.gov).

Глава 2.

Нормальный кариотип человека

В различных хромосомах значительно варьирует не только плот-

ность генов как таковых, но также генов, отличающихся активной

транскрипцией. Так, насыщенность транскрибируемыми единицами

максимальна для хромосом 17 и 19. Хромосомы 16 и 11 также содер-

жат большое число активно транскрибируемых локусов, в то время как

хромосомы 4, 13, 21, X и Y характеризуются наименьшей плотностью

экзонов [203]. Информация о транскрибируемых последовательностях

доступна на сайте http://www.genecards.org.

Заключение

Современная цитогенетика обладает богатым набором методов,

позволяющих не только с уверенностью кариотипировать зародыши

человека на любой стадии развития, идентифицировать любые хромо-

сомные перестройки, но и непосредственно изучать особенности функ-

циональной активности индивидуальных хромосом и их отдельных

сегментов. Совмещение карт цитогенетического и молекулярного кар-

тирования открывает ранее неизвестные возможности для выяснения

особенностей фенотипического проявления дисбаланса определенных

блоков генов в условиях хромосомных и геномных мутаций, роли

районов ядрышковых организаторов и процессов метилирования в

ходе нормального и патологического эмбриогенеза человека. Все эти

достижения цитогенетики и генетики человека позволяют подойти к

пониманию структурно-функциональной организации генома челове-

ка на новом, ранее недоступном уровне. Достаточно подробно изучен-

ный эмбриогенез человека (см. главы 1 и 8 ) в сочетании с большими

методическими возможностями пренатальной диагностики (см. главы

4 и 9) делают такой подход особенно интересным и продуктивным.

введение

Хромосомные аномалии могут возникать на любой стадии онто-

генеза. Для цитогенетики развития особенно важны те нарушения ка-

риотипа, которые возникают в гаметогенезе, при оплодотворении и на

ранних (начальных) стадиях развития.

В данной главе приводится классификация основных типов хромо-

сомных аномалий и дана краткая характеристика механизмов их воз-

никновения. Подробную информацию можно получить в монографиях

и руководствах [31, 56, 187].

Для описания типов хромосомных аномалий используются симво-

лы международной номенклатуры [510] (Приложение, табл. 1).

3.1. Классификация хромосомных аномалий

Хромосомные аномалии подразделяют на геномные и структурные.

Первые связаны с изменением числа хромосом, вторые — их струк-

туры.

3.1.1. Геномные мутации

Геномные мутации могут затрагивать весь геном или отдельные

хромосомы. Напомним, что в норме в каждой соматической клетке

человека имеется диплоидный набор хромосом, равный 46. Любые

отклонения от этого модального числа являются численными анома-

лиями — гетероплоидией. При этом изменения числа хромосом могут

быть либо кратными гаплоидному набору, либо некратными ему.

ГлАвА 3

МеХАНиЗМЫ воЗНиКНовеНиЯ

ГеНоМНЫХ и ХроМосоМНЫХ МУТАЦиЙ

НА рАЗНЫХ сТАдиЯХ оНТоГеНеЗА

Глава 3.

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

У человека изменения числа хромосом на уровне гаплоидного генома

ограничиваются триплоидией (3n = 69) — наличием лишних 23 хро-

мосом, которые могут иметь отцовское или материнское происхожде-

ние. При этом кариотип 69,XYY летален, в то время как триплоидия

69,XXX и 69,XXY вполне совместима с внутриутробным развитием и

живорождением.

Тетраплоидия (4n = 92) как конституциональная форма карио типа

представлена только в клетках эмбрионов до стадии бластоцисты. Од-

нако тетраплоидия характерна и для некоторых тканей (клетки тро-

фобласта, печени, мегакариоциты).

Анеуплоидия — изменения числа отдельных хромосом, некратные

гаплоидному набору, представлена следующими видами:

Трисомия

●

(2n + 1 = 47) — наличие дополнительной гомологич-

ной хромосомы. Известны случаи множественных трисомий,

которые обусловлены сочетанием трисомий по двум или трем

разным хромосомам (2n + 1 + 1 = 48 или 2n + 1 + 1 + 1 = 49);

Полисомия

●

(крайне редкая для аутосом форма анеуплоидии) —

увеличение числа в пределах одной пары гомологичных хромо-

сом, характерна для системы половых хромосом (например, три-

сомия Х-хромосом — 47,ХХХ, тетрасомия — 48,ХХХХ, пента-

сомия — 49,ХХХХХ; дисомия Y-хромосомы — 47,XYY);

Моносомия

●

(2n – 1 = 45) — отсутствие одной из гомологичных

хромосом;

Нуллисомия

●

(2n – 2 = 44) — отсутствие обеих гомологичных хро-

мосом. Отсутствие двух гомологов обычно приводит к гибели

соматических клеток, поэтому нуллисомия при стандартном

кариотипировании практически не встречается. Однако, гипо-

гаплоидия, обусловленная утратой одной из хромосом набора

(n – 1 = 22), относительно часто регистрируется при анализе хро-

мосомного набора зрелых сперматозоидов и неоплодотворен-

ных ооцитов в метафазе второго мейотического деления.

Моносомия по любой из аутосом, как и нуллисомия Х-хромосом

(кариотип 45,Y), является летальной, поэтому их обнаружение на

метафазных пластинках обычно связано с погрешностями при при-

готовлении препаратов. В клинической цитогенетике описаны случаи

сочетания моносомии (исключительно моносомии Х-хромосомы) с

Цитогенетика эмбрионального развития человека

трисомией по какой-либо из аутосом, при этом общее число хромосом

в наборе соответствует диплоидному (2n – 1 + 1 = 46).

Если геномная мутация присутствует во всех клетках зародыша, ее

называют истинной, или полной, формой.

Присутствие на хромосомных препаратах клеточных клонов от

разных зародышей (например, с наборами гоносом ХХ и ХY) позволя-

ет заподозрить наличие химеризма (chi).

Если геномная мутация определяется только в отдельных клетках

одного организма, возникшего из одной зиготы, говорят о мозаицизме

хромосом, или мозаичной форме гетероплоидии (mos).

Однородительская дисомия (англ. — uniparental disomy, или upd) —

недавно описанный у человека новый тип хромосомных аномалий. В

этом случае кариотип представлен нормальным диплоидным числом

хромосом, однако одна пара гомологов представлена хромосомами

только одного из родителей (только материнскими — updmat или

только отцовскими — updpat). При этом возможна ситуация, когда в

кариотипе присутствуют оба гомолога от одного родителя — гетеро-

дисомия, либо удвоенной оказывается одна из гомологичных хромо-

сом — изодисомия.

3.1.2. Хромосомные мутации

Структурные хромосомные перестройки — нарушения кариоти-

па, сопровождающиеся или не сопровождающиеся дисбалансом ге-

нетического материала в пределах одной или нескольких хромосом

(внутрихромосомные и межхромосомные перестройки соответственно).

3.1.2.1. Межхромосомные перестройки

К межхромосомным перестройкам относятся транслокации (t),

то есть перемещение генетического материала между хромосомами.

Транслокации подразделяются на следующие типы.

Реципрокные транслокации

●

(rcp) — взаимный обмен, т. е. обмен

фрагментами между двумя (реже — тремя или более) негомоло-

гичными хромосомами — не сопровождаются изменением чис-

ла хромосом и дисбалансом генетического материала.

Нереципрокные транслокации

●

— обмен хромосомными фрагмен-

тами, обычно приводящий к несбалансированному кариотипу.

Глава 3.

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

Робертсоновские транслокации

●

(rob), или центрические сли-

яния хромосом — воссоединение плеч двух акроцентричес-

ких хромосом в околоцентромерных районах. При этом число

хромосом в кариотипе уменьшается на одну, так как обычно

одна из центромер и короткие плечи двух акроцентриков с ло-

кализованными в них ядрышкообразующими районами утра-

чиваются.

Наконец, в качестве варианта межхромосомных перестроек можно

рассматривать инсерцию (ins) — перемещение фрагмента одной хро-

мосомы внутрь другой.

3.1.2.2. внутрихромосомные перестройки

Внутрихромосомные перестройки представлены несколькими ти-

пами:

Пробелы

●

(g) (ахроматические, то есть неокрашенные области) и

разрывы — могут быть хроматидными и хромосомными.

Делеция

●

(del) — утрата части хромосомы (концевые и интер-

стициальные).

Дупликация

●

(dup) — удвоение части хромосомы.

Инверсия

●

(inv) — переворот фрагмента хромосомы на 180°, не

включающего область центромеры (парацентрическая инверсия),

или с вовлечением центромеры (перицентрическая инверсия).

Изохромосома

●

(i) — метацентрическая (моно- или дицентриче-

кая, idic) хромосома с генетически идентичными плечами (то

есть удвоенными только длинными или только короткими).

Кольцевые

●

хромосомы (r) представляют собой одиночные

(реже — двойные) замкнутые кольца с одной или двумя центро-

мерами (моно- или дицентрические, соответственно).

Хромосомными

●

фрагментами (fr) и маркерными хромосомами

(mar) обозначают сверхчисленные производные хромосом: мел-

кие ацентрические (ace) (т. е. не содержащие центромеру) или

содержащие 1–2 центромеры. Маркерные хромосомы могут

быть результатом как внутри-, так и межхромосомных перестро-

ек. Для их идентификации используются различные цитогенети-

ческие методы. Особенно информативными являются различные

варианты метода гибридизации in situ (метод FISH) с хромосом-

и локусспецифическими ДНК-зондами.

Цитогенетика эмбрионального развития - часть 9