Цитогенетика эмбрионального развития - часть 10

Цитогенетика эмбрионального развития человека

76

Генетически сбалансированные хромосомные аберрации (трансло-

кации, инсерции, инверсии), как правило, не сказываются на феноти-

пе носителя. Однако их наличие закономерно приводит к нарушению 

процессов  спаривания  гомологов  в  профазе  мейоза  и,  как  следствие 

этого,  к  образованию  гамет  с  несбалансированными  хромосомными 

аберрациями (делециями и дупликациями) и зигот с частичной моно- 

или трисомией по соответствующим участкам хромосом.

3.2. Механизмы возникновения

 геномных мутаций

3.2.1. Триплоидия (3n  =  69)

Основными  механизмами  возникновения  триплоидии  являются 

нарушения  оплодотворения,  связанные  с  диандрией  (присутствие  в 

яйцеклетке двух отцовских геномов) или с дигинией (наличие в яйцек-

летке лишнего гаплоидного генома матери).

Причиной  диандрии,  которая  у  человека  встречается  особенно 

часто,  является  оплодотворение  одной  яйцеклетки  двумя  сперма-

тозоидами  вследствие  неэффективного  блока  полиспермии,  либо  

оплодотворение яйцеклетки спермием с нередуцированным, дипло-

идным  числом  хромосом.  Такие  сперматозоиды  могут  возникать 

либо при созревании тетраплоидных сперматоцитов, либо при на-

рушении их цитотомии.

Лишний  женский  геном  может  появляться  при  блокаде первого 

либо, что происходит чаще, второго деления созревания яйцеклетки. 

Такой механизм возникновения триплоидии, характерный для некото-

рых лабораторных млекопитающих (в частности, мышей), сравнитель-

но редко (около 8

 

%) встречается в генезе триплоидии у человека.

3.2.2. Тетраплоидия (4n  =  92)

Тетраплоидия может быть результатом одного из двух событий — 

блокирования  веретена  деления  или  эндомитоза.  В  первом  случае 

диплоидный  набор  удваивается  вследствие  нерасхождения  сестрин-

ских хроматид в анафазе, которые остаются в одном ядре. Такой тип 

поведения хромосом получил название К-митоза по аналогии с тако-

вым после воздействия на клетку колхицина, который блокирует ве-

77

Глава 3. 

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

а)

б)

Рис.3.1. Тетраплоидные метафазные пластинки на прямых препаратах из хориона 

(окраска QFH/AcD): а — блокирование веретена деления (92,ХХХХ); б — эндомитоз 

(92,ХХYY)

ретено  деления.  В  случае  эндомитоза  клеточный  цикл  оказывается 

незавершенным,  при  этом  происходит  два  последовательных  раунда 

репликации  (эндоредупликация)  хромосомной  ДНК.  После  второго 

раунда репликации хромосомы могут завершить деление. Как прави-

ло,  на  стадии  метафазы  этого  деления  все  хромосомы  оказываются 

сдвоенными.  Таким  образом,  тетраплоидия,  в  отличие  от  других  ге-

номных мутаций, обусловлена нарушением кариотомии и цитотомии 

исключительно при митотическом делении. Оба механизма образова-

ния  тетраплоидии  представлены  в  трофобласте.  Так,  тетраплоидные 

метафазные пластинки, особенно эндомитозы, сравнительно часто на-

блюдаются на прямых препаратах из хориона и плаценты (рис. 3.1).

3.2.3. Анеуплоидия

Анеуплоидия — (трисомия и моносомия) — возникает в результате 

нарушения сегрегации хромосом в митозе или в мейозе.

Классификация механизмов нерасхождения хромосом достаточно 

условна,  так  как  все  процессы,  обеспечивающие  клеточное  деление 

взаимосвязаны и взаимозависимы.

В широком смысле, термин «нерасхождение» относится к любым 

нарушениям разделения хроматид или гомологичных хромосом в ана-

фазе митоза или мейоза. Как правило, аномальное расхождение затра-

Цитогенетика эмбрионального развития человека

78

гивает одну пару хромосом. Нерасхождение нескольких пар хромосом, 

соответственно, приводит к множественным анеуплоидиям.

3.2.3.1. основные механизмы возникновения анеуплоидии

Ниже рассмотрены основные механизмы возникновения анеуплои-

дии на примере аномальной сегрегации хромосом в мейозе (рис. 3.2).

3.2.3.1.1. собственно нерасхождение хромосом

Собственно нерасхождение хромосом приводит к образованию до-

черних анеуплоидных клеток — гипер- и гипоплоидных — вследствие 

сегрегации обеих гомологичных хромосом (хроматид) к одному полю-

су в анафазе клеточного деления (истинное нерасхождение).

3.2.3.1.2. Предделение

Предделение — преждевременное разделение центромер. Предделе-

ние мейотических хромосом (бивалентов), как правило, сопровождается 

образованием унивалентов. Сегрегация унивалентов к разным полюсам 

регистрируется как нормальная сегрегация, к одному полюсу — как не-

расхождение. В качестве одного из механизмов аномальной сегрегации 

хромосом в оогенезе рассматривается преждевременное разделение сес-

тринских хроматид в первом делении мейоза [424]. Хромосомный набор 

во втором полярном тельце и ооците в этом случае будет определяться 

случайной комбинацией одиночных сестринских хроматид. 

Преждевременное разделение хроматид и разрыхление центромер-

ных районов хромосом при митотических делениях, сопровождающе-

еся  повышенной  частотой  образования  анеуплоидных  соматических 

клеток и микроядер, является цитогенетической характеристикой син-

дрома Робертса (OMIM 268300). Разъединение сестринских хроматид 

в центромерном районе одной из Х-хромосом — относительно частое 

явление,  наблюдаемое  в  отдельных  47,ХХХ  лимфоцитах  перифери-

ческой крови у женщин с привычным невынашиванием [300].

3.2.3.1.3. Запаздывание хромосом

Запаздывание  хромосом  (anaphase  lagging) —  это  полное  отсут-

ствие или замедленное относительно остальных хромосом движение 

хромосомы  (или  хроматиды)  в  анафазе,  обусловленное,  как  прави-

79

Глава 3. 

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

I  деление мейоза 

 

Нормальная 

сегрегация 

 

Истинное 

нерасхождение  
 

М I  

 

Случайная 

сегрегация 

унивалентов  
(

ахиазматическое  

нерасхождение) 

 

Преждевременное 

расхождение 

сестринских 

хроматид 

 

II

   

деление мейоза

 

Нормальная 

сегрегация

 

 

Истинное 

нерасхождение  
 

М II

 

 

Случайная 

сегрегация 

сестринских 

хроматид 

 

 

Рис.3.2. Механизмы возникновения анеуплоидии в мейозе [457]. 

Варианты сегрегации гомологичных хромосом в анафазе первого деления мейоза: нор-

мальное расхождение, совместное движение бивалента к одному полюсу («истинное 

нерасхождение»), случайная ориентация унивалентов и их независимое движение к 

одному  полюсу  («ахиазматическое  нерасхождение»),  преждевременное  разделение 

сестринских хроматид и их случайная комбинация. Нерасхождение сестринских хро-

матид во втором делении мейоза обусловлено их неспособностью к разделению или 

движением одиночных хроматид к одному полюсу в анафазе II

Цитогенетика эмбрионального развития человека

80

ло, нарушением ее ориентации. По-видимому, ведущую роль в этом  

механизме играют нарушения микротрубочек веретена деления [396], 

формирования  и  функций  кинетохора —  части  центромеры,  ответс-

твенной  за  прикрепление  микротрубочек  митотического  веретена 

[763,  793].  Обычно  запаздывающие  хромосомы  элиминируются  или 

образуют микроядра, что сопровождается моносомией при митотичес-

ких делениях [396] или приводит к гипогаплоидии при мейотических  

делениях [535].

3.2.3.1.4. Первичное и вторичное нерасхождение хромосом

Нерасхождение  хромосом  принято  подразделять  на  первичное  и 

вторичное [134].

Под первичным нерасхождением понимают аномальную сегрегацию 

хромосом в случае вступления в мейоз нормальной диплоидной клетки. 

Первичное нерасхождение в свою очередь подразделяют на три типа.

1. Простое нерасхождение, результатом которого являются гаметы 

с нуллисомией или дисомией.

2. Двойное нерасхождение, к которому относят сочетание (компле-

ментацию) двух простых нерасхождений, одно из которых произошло 

в оогенезе, другое — в сперматогенезе.

3.  Последовательное  нерасхождение,  приводящее  к  возникнове-

нию  полисомий,  является  результатом  двух  событий  нерасхождения 

одной и той же пары хромосом — сначала в первом, а затем и во вто-

ром делениях мейоза.

Нерасхождение  хромосом  в  гаметогенезе  у  трисомного  субъекта 

называется вторичным нерасхождением.

На многих модельных объектах твердо доказано, что существенную  

роль  в  нарушении  сегрегации  хромосом  играет  мейотическая  реко-

мбинация, а также хорошо изучены гены, мутации в которых спосо-

бствуют  аномальной  сегрегации  хромосом.  Механизмы  возникнове-

ния анеуплоидии у человека, в отличие от модельных объектов, менее  

изучены,  а  «мейотические»  мутации,  влияющие  на  расхождение  

хромосом у человека, до сих пор не идентифицированы. Тем не менее, 

накопленные  к  настоящему  времени  факты  свидетельствуют  о  сход-

стве механизмов аномальной сегрегации хромосом в мейозе у различ-

ных видов эукариот.

81

Глава 3. 

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

3.2.3.2. роль рекомбинации в нерасхождении хромосом

Для исследования связи между рекомбинацией и сегрегацией хро-

мосом у человека используют сравнение частот и локализации обменов 

и генетических карт сцепления в нормальном мейозе и при нерасхож-

дении хромосом. Именно такой подход позволил доказать, что число 

и локализация хиазм (обменов) у дрозофилы находятся под генетичес-

ким  контролем,  который  запрещает  рекомбинацию  в  прицентромер-

ных или теломерных участках, поскольку проксимальное и дистальное 

расположение хиазм препятствует нормальной сегрегации хромосом.

Наиболее детально изучена взаимосвязь между частотой и локали-

зацией хиазм и нерасхождением хромосом 21 как у матерей, так и у 

отцов детей с синдромом Дауна [548]. Напомним, что нерасхождение 

хромосом 21 в сперматогенезе объясняет только 5–10

 

% случаев син-

дрома  Дауна,  а  соотношение  ошибок  сегрегации  в  первом  и  втором 

делениях мейоза близко к 1:1 [210]. Оказалось, что при нерасхождении 

отцовских хромосом в первом делении мейоза частота хиазм снижа-

ется, а во втором делении — соответствует нормальной [401]. В ооге-

незе, при трехкратном преобладании ошибок в первом делении мей-

оза [210], примерно половина случаев нерасхождения хромосом 21 в 

первом делении обусловлена полным отсутствием хиазм в биваленте, 

тогда как в остальных случаях оно сопряжено с наличием обменов в 

субтеломерных  районах.  При  нерасхождении  во  втором  делении  об-

мены преимущественно регистрируются в прицентромерных участках 

хромосом 21 [292].

Аналогичные данные о локализации обменов были получены так-

же при анализе 6 других типов нерасхождения (случаи 47,XXY отцов-

ского  происхождения,  случаи  трисомии  половых  хромосом,  а  также 

аутосом 16, 18 и 21 и однородительской дисомии 15 материнского про-

исхождения) [548]. Сходные механизмы нарушения сегрегации хромо-

сом в мейозе, обусловленные их рекомбинацией, предполагаются и для 

других аутосом [460], в том числе и для акроцентрических хромосом 

групп D и G [514].

Следовательно, нерасхождение хромосом в первом делении мейо-

за характеризуется подавлением рекомбинации и преимущественной 

локализацией  хиазм  в  дистальных  участках.  При  нерасхождении  во 

втором делении мейоза большая часть рекомбинаций регистрируется 

Цитогенетика эмбрионального развития человека

82

в проксимальных районах [401, 548, 675, 823]. Увеличение числа те-

ломерных хиазм с большей вероятностью приведет к нерасхождению 

в первом делении, а прицентромерных — во втором делении мейоза 

[549].

Установлено,  что  ахиазматические  биваленты  подвержены  ано-

мальной сегрегации хромосом в первом делении мейоза, а проксималь-

ные и дистальные обмены малоэффективны в обеспечении правильно-

го расхождения хромосом. Полагают, что биваленты утрачиваются, 

если их удержание происходит только за счет дистальной хроматид-

ной конъюгации [692]. Относительно влияния проксимальных хиазм 

на поведение бивалентов предложено две модели [292, 458]. Первая 

предполагает, что гомологичные хромосомы не разделяются в анафа-

зе I, что ведет к утрате бивалента или его сегрегации к одному полюсу. 

Согласно другой модели, реализация проксимальных хиазм приводит 

к преждевременному расхождению хроматид и их независимой сегре-

гации к полюсам в анафазе первого или второго деления мейоза.

В любом случае, нерасхождение хромосом в мейозе не только за-

висит от рекомбинационных событий, происходящих в профазе I, но и 

определяется ими [823]. Результаты этих исследований легли в основу 

«двухударной» гипотезы возникновения трисомии, согласно которой 

первым «уязвимым» событием является формирование бивалентов и 

образование хиазм в профазе I и вторым — процесс их разделения в 

первом или втором делении мейоза [458].

3.2.3.3. Генетический контроль мейоза

В настоящее время известен целый ряд генов, экспрессия которых 

осуществляется только в мейозе [895]. Мутации в этих генах препят-

ствуют созреванию гамет, блокируя клетки на тех или иных стадиях 

профазы I  мейоза  [225,  796].  Для  некоторых  из  этих  генов,  иденти-

фицированных у дрозофилы и дрожжей, установлено существование 

ортологов, то есть аналогов у других видов, что позволяет высказать 

предположение об их функциональной гомологии с генами, контроли-

рующими оогенез и сперматогенез у млекопитающих [396]. Следует 

отметить, что многие из них относятся к семейству циклинов, осущест-

вляющих контроль клеточного цикла в митозе и мейозе [895]. Вместе 

с тем, низкая частота анеуплоидии в сперматозоидах по сравнению с 

83

Глава 3. 

Механизмы возникновения геномных и хромосомных мутаций

таковой в ооцитах указывает на различия в механизмах контроля кле-

точного цикла и процессов презиготической селекции гамет в оогенезе 

и сперматогенезе [489, 499].

Так,  критическими  для  нормальной  сегрегации  хромосом  в  ана-

фазе  являются  завершение  репликации,  расположение  хромосом  на 

экваторе и прикрепление кинетохор к микротрубочкам веретена. Для 

большин ства митотически делящихся клеток, а также для мейотиче-

ских делений сперматоцитов незавершенность одного из этих событий  

приводит  к  блоку  клеточного  цикла  на  соответствующей  стадии  и  

зачастую к массовой гибели всего клона анеуплоидных клеток [395].

Нарушение процессов коньюгации и рекомбинации в сперматоге-

незе приводит к образованию унивалентов, к остановке мейоза в мета-

фазе первого деления и, в конечном счете, — к гибели клетки. Таким  

образом, в сперматогенезе функционируют эффективные механизмы 

селекции  аберрантных  сперматоцитов,  что  приводит  к  элиминации  

гамет, в том числе и потенциально анеуплоидных [574].

В  оогенезе  мейоз  протекает  независимо  от  наличия  унивален-

тов  или  нарушений  формирования  веретена,  что  свидетельствует  об  

отсутствии характерной для сперматогенеза селекции гамет с хромо-

сомными аберрациями [226]. В отличие от сперматогенеза блок мейоза 

на  стадии  метафазы I  является  обязательным  компонентом  оогенеза 

у  большинства  животных  и  у  человека  (см. главу 1).  Утрата  в  ооге-

незе и на первых делениях дробления зиготы механизмов селекции, 

свойственных делящимся соматическим клеткам и сперматоцитам, по 

всей видимости, и является причиной высокой частоты анеуплоидии в 

ооцитах и ранних эмбрионах человека [489, 549] (см главу 5).

3.2.4. Мозаицизм хромосом

Мозаицизм  хромосом  возникает  на  доимплантационных  стадиях 

развития вследствие нерасхождения хромосом при дроблении бласто-

меров. По своему генезу мозаицизм подразделяется на митотический 

и мейотический.

Митотический  мозаицизм

 

●

  возникает  вследствие  нерасхожде-

ния хромосом при дроблении нормальной диплоидной зиготы 

и сопровождается образованием клона трисомных клеток (все 

моносомные  клетки,  за  исключением  45,Х  нежизнеспособны