Цитогенетика эмбрионального развития - часть 50

Цитогенетика эмбрионального развития человека

382

ЯОР  определяется  числом  работающих  копий  р-генов,  экспрессия 

которых,  в  свою  очередь,  регулируется  на  уровне  транскрипции.  До 

настоящего времени, однако, до конца не выяснены факторы, которые 

вызывают изменение транскрипционной активности р-генов.

10.1.3. Характеристика функционального

 состояния Яор в эмбриогенезе человека

Изучение функциональной активности р-генов в эмбриогенезе, без-

условно, заслуживает пристального внимания, поскольку нарушения 

в системе ЯОР могут быть причиной различных аномалий или даже 

гибели плода [101, 102].

Функционирование рибосомных генов в ходе эмбриогенеза деталь-

но исследовано на примере лабораторных млекопитающих, в частно-

сти, мыши [171, 847], крысы [698] и американской норки [73].

У мышей аргентофильные белки определяются в мужском и в жен-

ском  пронуклеусах.  После  оплодотворения  они  выявляются  в  комп-

лексе с деконденсирующимся хроматином сперматозоида и материн-

скими  телофазными  хромосомами.  Впоследствии  аргентофильные 

белки ЯОР транспортируются из пронуклеусов в проядрышки, а во 

время  первого  деления  митоза  переносятся  в  цито плазму.  На  ста-

дии  зиготы  эти  белки  не  участвуют  в  транскрипции  рибосомных 

генов, но, вероятно, играют определенную роль в функционирова-

нии других генов и в регуляции клеточного цикла. Таким образом,  

в первом делении дробления аргентофильные ЯОР не выявляются на 

метафазных хромосомах. Однако, уже начиная со стадии 2-клеточ-

ного зародыша, метафазные хромосомы содержат Ag-ЯОР. В ходе  

эмбрионального развития мышей и крыс [58], а также американс-

кой норки [73] число аргентофильных ядрышковых организаторов 

на клетку может изменяться.

Экспериментальные данные по изучению динамики ЯОР на разных 

стадиях  эмбриогенеза  позволяют  предполагать,  что  дифференциаль-

ная активность каждого ЯОР определяется своеобразной наследствен-

ной программой. Регуляция этого процесса осуществляется как путем  

активации/инактивации целых кластеров рибосомных генов [58], так и 

путем изменения скорости транскрипции в каждом из них [73].

Сведения о функционировании ЯОР в эмбриогенезе человека не-

многочисленны.

383

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

Так,  при  анализе  лимфоидных  клеток  у  эмбрионов  5–10  недель 

развития установлено, что характер Ag-окраски ЯОР не отличается от 

такового в ФГА-стимулированных лимфоцитах периферической кро-

ви взрослых индивидов [180]. Данные о влиянии каких-либо факторов 

на экспрессию р-генов в эмбриогенезе человека до 16-й недели разви-

тия получены при анализе фибробластов различного происхождения 

[117, 122, 180]. Установлено, что среднее число аргентофильных ЯОР 

на клетку в разных тканях зародыша человека варьирует (8,71 ± 0,10 

у медицинских, 8,99 ± 0,08 у спонтанных абортусов), а их суммарная 

активность находится в пределах 15,6–28,4 баллов. Увеличение числа 

аргентофильных хромосом и повышение суммарной активности ЯОР 

на  клетку  у  спонтанных  по  сравнению  с  медицинскими  абортусами 

отмечалось преимущественно за счет плодов женского пола. Несмотря 

на наличие корреляции между активностью ЯОР и сроком беремен-

ности, статистически значимых изменений в функционировании ЯОР 

в ходе эмбрионального развития не выявлено [117].

Таким  образом,  информация  о  функциональном  полиморфизме 

ЯОР в эмбриогенезе человека пока весьма ограничена. Остались невы-

ясненными структурно-функциональные особенности ЯОР хромосом 

человека  в  клетках  эмбриональных  и  экстраэмбриональных  тканей 

in vivo, закономерности наследования и изменчивости уровня экспрес-

сии индивидуальных ЯОР и их вклад в общую вариабельность р-ге-

нов, а также факторы, влияющие на эти процессы. Для восполнения 

этих пробелов нами были предприняты исследования полиморфизма 

ЯОР метафазных хромосом в эмбриональных и экстраэмбриональных 

тканях плода человека на разных стадиях развития, а также в лимфо-

цитах пуповинной крови. Ниже суммированы результаты этих иссле-

дований.

10.1.3.1. Полиморфизм Яор 

 у эмбрионов 6,5–14 недель развития

При исследовании ЯОР на «прямых» препаратах метафазных хро-

мосом из клеток экстраэмбриональных (цитотрофобласт) и эмбрион-

альных тканей (мозг, кишечный эпителий, легкое, печень, почка, рого-

вица глаза) медицинских абортусов с нормальным кариотипом оказа-

лось, что среднее число Ag

 + 

-ЯОР хромосом на метафазную пла стинку 

варьирует от 6,1 ± 0,46 до 8,3 ± 0,68 [146].

Цитогенетика эмбрионального развития человека

384

Средняя суммарная активность ЯОР хромосом групп D и G, отража-

ющая интенсивность экспрессии локализованных в них р-генов, варьи-

ровала в широких пределах — от 17,8 ± 1,64 до 34,2 ± 2,18 баллов [146]. 

При этом 42

 

% общей вариабельности активности р-генов составляли ин-

дивидуальные  различия.  Межиндивидуальные  различия  суммарной  ак-

тивности, определяемые комбинаторикой родительских хромосом, ранее 

отмечались и другими исследователями [107, 122, 180].

Особый интерес представляло сопоставление активности ЯОР хро-

мосом  цитотрофобласта  с  другими  эмбриональными  тканями.  Изве-

стно,  что  гены  рРНК  являются  ключевым  компонентом  путей  кле-

точной сигнализации, контролирующих рост и пролиферацию клеток 

[652].  Учитывая  активный  рост  ворсин  хориона  при  формировании 

хорион-аллантоидной плаценты и интенсивную пролиферацию клеток 

цитотрофобласта [734], а также увеличение активности ЯОР в быстро 

делящихся клетках [140, 238, 631], логично предполагать увеличение 

транскрипционной активности р-генов в клетках цитотрофобласта по 

сравнению с другими эмбриональными тканями. Результаты исследо-

ваний, однако, свидетельствуют об отсутствии явных отличий актив-

ности ЯОР в клетках цитотрофобласта по сравнению с другими эмб-

риональными тканями [122, 146].

Следует отметить, что имеющиеся сведения о влиянии типа ткани 

на функционирование р-генов противоречивы. Согласно одним авто-

рам, функциональный статус ЯОР в эмбриональных клетках не зави-

сит  от  тканевой  принадлежности  и  соответствует  таковому  в  бласт-

трансформированных  лимфоцитах  периферической  крови  взрослых 

[117, 146, 180]. Результаты других исследований, напротив, свидетель-

ствуют о значительной вариабельности экспрессии р-генов в разных 

тканях  одного  индивидуума  [278,  600,  629].  Причины  наблюдаемых 

различий не совсем ясны. Не исключено, однако, что они обусловлены 

методическими  особенностями  приготовления  препаратов,  в  частно-

сти, использованием в большинстве исследований клеточных культур. 

Между тем, условия in vitro, возможно через механизм метилирования 

ДНК [22, 422], могут существенно влиять на экспрессию рибосомных 

генов [261].

Таким образом, в клетках различных тканей у эмбрионов челове-

ка  6–14  недель  развития  как  по  числу Ag

 + 

-ЯОР  хромосом,  так  и  по 

суммарной  активности  локализованных  в  них  р-генов,  наблюдается 

385

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

межхромосомный,  межклеточный  и  межиндивидуальный  полимор-

физм, не отличающийся по диапазону от функционального полимор-

физма ЯОР в постнатальный период онтогенеза.

Как показывают наши исследования, суммарная транскрипционная 

активность ЯОР у эмбрионов человека 6–14 недель развития возрас-

тает по мере развития плода (рис. 10.3), тогда как зависимость числа 

Ag

 + 

-ЯОР хромосом на клетку от срока беременности прослеживается 

не столь отчетливо.

Увеличение  транскрипционной  активности  рибосомных  генных 

кластеров носит хромосом-специфичный характер. Так, р-гены, лока-

лизованные на хромосомах группы G, экспрессируются интенсивнее, 

чем  на  хромосомах  группы  D.  Так  как  число Ag

 + 

-ЯОР  хромосом  не 

зависит от стадии эмбриогенеза, увеличение уровня суммарной актив-

ности ЯОР можно объяснить большей функциональной активностью 

р-генных кластеров хромосом 21 и 22, по сравнению с хромосомами 

13, 14, 15 [146].

Предполагается, что наследуемая программа экспрессии рибосом-

ных генов реализуется за счет «резервных» молчащих р-генов [103], 

которые, возможно, могут активироваться в связи с необходимостью 

интенсивного белкового синтеза в процессе эмбриогенеза. При этом 

число резервных р-генов варьирует на разных акроцентрических хро-

мосомах, и их активация может происходить неравномерно. В частно-

сти, хромосома 21, по сравнению с другими ЯО-хромосомами, содер-

жит наибольшее число молчащих копий рибосомных генов, а хромо-

сома 15 имеет пониженную активность и является наиболее низкоко-

пийной по содержанию р-генов [103].

Таким  образом,  основной  причиной  полиморфизма  ЯОР  хромо-

сом эмбрионов человека является комбинаторика родительских ЯОР 

хромосом,  определяющая  индивидуальные  различия.  Нельзя,  однако, 

исключить  и  наличия  реальных  молекулярных  механизмов  репрес-

сии/дерепрессии р-генов, регулирующих модуляции их активности в 

процессе  онтогенеза.  Согласно  последним  данным  [450],  регуляция 

активности ЯОР районов может осуществляться с помощью одного из 

трех механизмов: элиминации части рДНК, ее метилирования, эффек-

та положения гетерохроматиновых районов. Какой из этих механизмов 

модуляции активности ЯОР превалирует в эмбриогенезе человека ос-

тается неизвестным и требует специального изучения.

Цитогенетика эмбрионального развития человека

386

Срок развития эмбриона (недели)

Хромосомы группы G+D

r=0,63 P=0,000001

Хромосомы группы G

r=0,58 P=0,000001

Хромосомы группы D

r=0,40 P=0,009

Сре

дняя су

ммарная ак

тивность хромос

ом (в б

алах)

Экспериментальные значения для хромосом:

- группы D;

- группы G;

- групп G и D

7

7

8

9

10

11

12

13

6

9

11

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

Рис. 10.3. Динамика активности ЯОР хромосом в цитотрофобласте у эмбрионов че-

ловека с нормальным кариотипом в 6–14 недель развития

В  6–14  недель,  во  время  активного  органогенеза,  интенсивность 

транскрипции р-генов возрастает. Можно предполагать, что этот фе-

номен обусловлен увеличением числа работающих копий генов и/или 

скоростью  транскрипции,  а  не  увеличением  числа  аргентофильных 

ЯО-хромосом. Двухступенчатая модель активации р-генов (см. выше) 

хорошо согласуется с этим предположением. Согласно данной моде-

ли,  первичная  активация  транскрипции  происходит  в  ядрышковых 

организаторах с наибольшим числом рибосомных цистронов; актива-

ция других ЯОР начинается только после завершения транскрипции 

предыдущего.  Другой  причиной  полиморфизма  ЯОР  является  срок 

эмбрионального развития, который в большей степени сказывается на 

хромосомах группы G, нежели группы D. Эти результаты указывают 

на различную функциональную значимость хромосом G и D в эмбри-

огенезе человека.

387

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

10.1.3.2. Полиморфизм Яор

 у плодов 20–24 недель развития

Для  характеристики  состояния  ЯОР  в  эмбриогенезе  человека  во 

второй половине беременности были проведены исследования мета-

фазных  хромосом  из  ФГА-стимулированных  лимфоцитов  пуповин-

ной крови, полученной при кордоцентезе, от 43 плодов с нормальным 

карио типом (2n  =  46) в срок 20–24 недель беременности. В 22 случа-

ях пренатальное кариотипирование было выполнено в связи с высо-

ким риском хромосомных болезней у плода: возраст матери 39 лет и 

старше, наличие хромосомной болезни или множественных пороков 

развития у предыдущего ребенка (группа 1). В 8 случаях — для вы-

работки тактики родоразрешения в связи с наличием у плода пороков 

развития, выявленных при ультразвуковом исследовании (группа 2), и 

в 13 — с целью пренатальной диагностики генных болезней (группа 3).

У  всех  плодов  наблюдалась  межклеточная  и  межиндивидуальная 

вариабельность числа Ag

 + 

-хромосом и активности их ЯОР. Ранжиро-

вание случаев по возрастанию суммарной активности ЯОР хромосом 

позволили  сформировать  группы  сравнения,  которые,  что  оказалось 

неожиданным,  соответствовали  показаниям  для  проведения  кордо-

центеза.  Интересно,  что  в  группах  плодов,  имевших  повышенный 

риск хромосомных болезней (группа 1), или пороки развития, не сов-

местимые с живорождением и постнатальным развитием (группа 2), 

среднее число Ag

 + 

-хромосом на клетку оказалось выше, чем у плодов  

с популяционным риском хромосомных болезней (группа 3). В груп-

пах 1 и 2 были сильнее выражены межклеточная и межиндивидуаль-

ная вариабельность суммарной активности ЯОР по сравнению с груп-

пой контроля (табл. 10.1). Сравнение полигонов частот ЯОР показало, 

что распределения суммарной активности ЯОР между тремя группами 

различны (рис. 10.4), однако они хорошо соответствуют представлени-

ям о пределах варьирования активности ЯОР хромосом в популяции 

здоровых индивидов с нормальным кариотипом [101, 107]. Так, в кон-

трольной группе суммарная активность ЯОР фактически не выходила 

за пределы таковой для взрослой популяции и составляла 18–26 бал-

лов (табл. 10.1).

У плодов с высоким риском анеуплоидии и с пороками развития от-

мечена  значительная  вариабельность  активности  ЯОР,  а  также  ее  сме-

щение в сторону увеличения (19–38 баллов) (табл. 10.1, рис. 10.4). Эти 

Цитогенетика эмбрионального развития человека

388

Группы плодов

Число 

плодов

Среднее число  

Ag

 + 

-ЯОР хромосом 

на клетку

Пределы вариабельности 

суммарной активности ЯОР 

(в баллах)

1

Высокий риск хро-

мосомной болезни 

у плода

22

8,37 ± 0,104*

19,3 ± 2,39 — 37,2 ± 1,83

2 Грубые пороки раз

-

вития у плода

8

8,67 ± 0,131*

19,0 ± 2,76 — 38,3 ± 1,07

3

Контрольная группа 

(высокий риск моно-

генных болезней у 

плода)

13

7,25 ± 0,081

16,9 ± 1,09 — 29,5 ± 0,70

Таблица  10.1.  Полиморфизм  числа  Ag

 + 

-ЯОР  хромосом  и  суммарной  активности  ЯОР  

в ФГА-стимулированных лимфоцитах пуповинной крови у плодов 20–24 недель развития

(cобственные данные)

* Р < 0,05.

Рис. 10.4. Распределение суммарной активности ЯОР хромосом в ФГА-стимулиро-

ванных  лимфоцитах  из  пуповинной  крови  плодов  человека  с  нормальным  кариоти-

пом в 20–24 недели развития. По оси абсцисс — средняя активность ЯОР на клетку  

(в баллах), по оси ординат — число плодов

389

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

наблюдения хорошо согласуются с результатами сравнительного иссле-

дования  полиморфизма  ЯОР  хромосом  у  спонтанных  абортусов  9–16 

недель беременности [117]. Хотя сравнение данных разных авторов за-

труднено вследствие различий критериев визуальной оценки активности 

ЯОР,  нельзя  не  обратить  внимания  на  общую  тенденцию  к  смещению  

в сторону увеличения суммарной активности ЯОР у плодов с пониженной 

жизнеспособностью.  Логично  предположить,  что  процессы,  связанные  

с нарушением жизнеспособности плода и приводящие к его внутриутроб-

ной гибели и/или спонтанному прерыванию беременности, существенно 

влияют и на функциональную активность р-генов.

Угрозой прерывания беременности, по-видимому, можно объ яснить 

и смещение распределения суммарной активности ЯОР у плодов груп-

пы  цитогенетического  скрининга  (группа  1).  Предполагается,  что  у 

спонтанных  абортусов  с  нормальным  кариотипом  увеличение  сум-

марной активности ЯОР в геноме может быть связано с адаптивными 

механизмами ответа системы рибосомных генов на неблагоприятные 

условия развития [117]. К сожалению, мы не располагаем сведениями 

о дальнейшем течении этих беременностей и их исходах. Нельзя, од-

нако, исключить и другие причины увеличения суммарной активности 

ЯОР хромосом у плодов этой группы. В частности, у родителей детей 

с синдромом Дауна обнаружена высокая частота экстремальных вариа-

нтов ЯОР, в т. ч. двойных ЯОР [857]. Кроме того, некоторые авторы 

отмечают  тенденцию  к  увеличению  активности  р-генов  у  женщин 

по  мере  увеличения  репродуктивного  возраста  [117].  В  любом  слу-

чае,  плоды  именно  таких  родителей  могут  унаследовать  хромосомы 

с повышенной экспрессией р-генов, что и определяет наличие у них 

высокого уровня суммарной активности ЯОР. Для проверки данного 

предположения необходимы сведения о функциональном статусе ЯОР 

родительских хромосом и изучение характера их наследования.

Таким образом, при исследовании функционального полиморфиз-

ма ЯОР у плодов человека во втором триместре беременности уста-

новлено, что пределы вариабельности суммарной активности р-генов 

у плодов, матери которых имели невысокий риск рождения ребенка 

с хромосомной патологией, соответствуют установленным у здоро-

вых индивидов после рождения. В то же время, при наличии у плодов 

с нормальным кариотипом пороков развития, несовместимых с жиз-

нью, экспрессия р-генов возрастает. Аналогичная, но менее однознач-