Цитогенетика эмбрионального развития - часть 51

Цитогенетика эмбрионального развития человека

390

ная ситуация наблюдается и для плодов у беременных групп высокого 

риска рождения ребенка с хромосомной болезнью. Увеличение акти-

вности ЯОР хромосом в лимфоцитах плода, по-видимому, свидетель-

ствует о менее благоприятном прогнозе для внутриутробного разви-

тия.  Выявленные  нами  закономерности  функциональной  гетероген-

ности ЯОР у плодов в зависимости от факторов риска хромосомной 

патологии требуют дальнейших исследований.

10.1.4. особенности наследования

 функциональной активности Яор

Как уже отмечалось (см. раздел 10.1.1), активность ЯОР на 1–2 хромо-

сомах изменяется от клетки к клетке и от поколения к поколению при со-

хранении неизмененной копийности кластеров р-генов [180, 505, 830].

Представляло  интерес  идентифицировать  акроцентрики  с  вариа-

бельными ЯОР и определить характер наблюдаемых изменений в за-

висимости от родительского происхождения хромосом. Для решения 

этих задач структурно-функциональное состояние ЯОР хромосом бы-

ло прослежено в 14 полных семьях, т. е. в клетках цитотрофобласта 

хориона/плаценты  у  эмбрионов/плодов  8–19  недель  развития  с  нор-

мальным кариотипом, а также в лимфоцитах периферической крови их 

родителей. При анализе наследования ЯОР индивидуальных хромосом 

использовали два параметра — размер кластера р-генов и их транс-

крипционную  активность.  Используя  в  обоих  случаях  4-балльную 

систему визуальной оценки, о копийности судили по величине гибри-

дизационного сигнала после FISH с рДНК-зондом [3], об аргентофиль-

ности ЯОР — по размеру гранул серебра [107]. Для каждого индивида 

было проанализировано не менее 11 метафазных пластинок.

Сравнительный анализ 140 ЯОР хромосом у плодов и их родителей  

с учетом поправки на межклеточную вариабельность показал, что в боль-

шинстве случаев (101 хромосома, 73

 

%) структурно-функциональный ста-

тус ЯОР сохраняется при наследовании, тогда как в 39 (27

 

%) он оказал-

ся измененным. При этом число хромосом с нестабильной активностью 

ЯОР варьировало от 1 до 4, преимущественно составляя 2–3 на клетку. 

Наблюдаемые различия касались преимущественно изменения аргенто-

фильности. Лишь у двух эмбрионов было отмечено отсутствие активно-

сти ЯОР, которое было вызвано делецией кластера рибосомных генов на 

хромосомах 14 и 15, унаследованных от матери [136, 527].

391

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

Анализ  состояния  ЯОР  хромосом  в  пределах  групп  показал,  что 

при наследовании активность ЯОР была изменена у 17 из 84 хромо-

сом группы D (20

 

%) и у 19 из 37 хромосом группы G (51

 

%), т. е. ак-

тивность кластеров р-генов на хромосомах группы G характеризуется 

большей изменчивостью, чем на хромосомах группы D.

При исследовании ЯОР индивидуальных хромосом оказалось, что 

чаще других меняется активность ЯОР хромосомы 21 (33

 

% от всех 

вариабельных ЯОР), в три раза реже — ЯОР хромосомы 14 (4 слу-

чая из 39). Изменчивость ЯОР остальных хромосом регистрируется 

примерно с одинаковой частотой (по 17–19

 

% для ЯОР хромосом 13, 

15 и 22). При этом для ЯОР хромосом 13, 15, 21 и 22 с неизмененной 

структурой было зарегистрировано как увеличение, так и уменьше-

ние активности (в 47

 

% и 53

 

% соответственно). Только ЯОРхромо-

сомы 14 во всех 4 случаях, включая случай полной делеции кластера 

р-генов, проявлял пониженную по сравнению с таковой у родителей 

активность.

Хромосомы 13, 14, 21 и 22 с вариабельными ЯОР имели как ма-

теринское,  так  и  отцовское  происхождение.  В  случае  хромосомы  15 

нестабильная активность ЯОР была присуща только гомологу отцов-

ского происхождения, тогда как гомолог материнского происхождения 

характеризовался  стабильным  наследованием  транскрипционной  ак-

тивности ЯОР.

Таким  образом,  семейный  анализ  индивидуальных  ЯОР  показал, 

что  размеры  кластеров  р-генов  наследуются  в  98,6

 

%,  тогда  как  их 

транскрипционная активность характеризуется стабильным состояни-

ем в 73

 

% случаев. Изменению активности подвержены примерно 1/4 

ЯОР  хромосом  у  эмбрионов,  что  в  2,5  раза  превышает  долю  вариа-

бельных ЯОР у взрослых индивидов и их родителей, т. е. в постнаталь-

ном периоде онтогенеза [505, 601]. Наличие в кариотипе эмбрионов 

большего числа вариабельных ЯОР можно объяснить отбором, напра-

вленным на поддержание определенной «адаптивной» дозы активных 

копий р-генов на уровне, необходимом для обеспечения нормальной 

жизнедеятельности [199].

Следует отметить, что в цитотрофобласте число хромосом с вариа-

бельными ЯОР составляло от 1 до 4 на клетку, при этом у разных эм-

брионов  увеличение  или  уменьшение  активности  затрагивало  ЯОР 

хромосом,  имеющих  различное  родительское  происхождение,  пре-

Цитогенетика эмбрионального развития человека

392

имущественно хромосом группы G. В какой-то мере это может быть 

обусловлено различиями в сроках развития исследованных эмбрионов 

[146, 559].

Разный вклад в функциональный полиморфизм ЯОР разных акро-

центрических хромосом еще раз подтверждает гипотезу о существо-

вании тенденции к функциональной дифференциации ЯОР хромосом 

группы D и G [3]. При этом ЯОР разных хромосом, отличаясь друг от 

друга числом копий генов рРНК, имеют разное функциональное значе-

ние. Высокая доля хромосом группы G, отличающихся по активности 

от родительских ЯОР, не противоречит высказанному ранее предполо-

жению  о  большей  функциональной  значимости  рибосомных  генных 

кластеров хромосом 21 и 22, нежели хромосом 13, 14, 15, по крайней 

мере, в период интенсивного органогенеза [146].

Закономерно возникает вопрос о том, какие механизмы лежат в ос-

нове  различной  функциональной  активности  ЯОР  разных  акроцент-

рических хромосом. Можно предположить, что определенный вклад 

в дифференциальную экспрессию рибосомных генных кластеров раз-

ных хромосом вносят, во-первых, различия в регуляторных областях 

этих  кластеров,  а  во-вторых,  уникальные  особенности  прилежащих  

к ним сателлитных ДНК.

Известно, что последовательности, кодирующие рРНК, чрезвычай-

но консервативны, однако существует межвидовой и внутривидовой 

полиморфизм  по  спейсерным  участкам,  обусловленный  преимуще-  

ст венным распределением специфически метилированных вариантов 

спейсерных участков по определенным парам акроцентрических хро-

мосом [866]. В спейсерных участках, разделяющих р-гены, локализо-

ваны также последовательности, влияющие на рекомбинацию и ини-

циацию  репликации,  а  также  определяющие  уровень  транскрипции 

рДНК [446]. Таким образом, в основе специфических систем контро-

ля транскрипционной активности ЯОР разных пар акроцентрических 

хромосом может лежать дивергенция спейсерных участков негомоло-

гичных акроцентрических хромосом.

Еще  одной  причиной  неслучайного  распределения  вариантов  

Ag

 + 

-ЯОР  по  разным  парам  акроцентрических  хромосом  являются 

качественные  и  количественные  различия  в  составе  фланкирующих 

рДНК сателлитных последовательностей, которые по типу эффекта по-

ложения могут оказывать определенное влияние на функционирование  

393

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

р-генов [450, 679]. По сатДНК, входящих в состав блоков прицентро-

мерного гетерохроматина и спутников, наиболее близки хромосомы 13 

и 21 [198, 201, 298, 582]. Показана также высокая степень гомологии 

сателлитных  последовательностей  хромосом  14  и  22  [299].  В  то  же 

время для коротких плеч хромосом 15 характерен иной набор групп 

сатДНК [690]. Эти данные позволяют предполагать, что гомология по 

сатДНК хромосом 13 и 21, а также 14 и 22 способствует их ассоци-

ации  в  мейозе  и,  следовательно,  увеличивает  частоту  рекомбинации 

по коротким плечам этих хромосом. При этом негомологичная реко-

мбинация может приводить к «гомогенизации» не только сателлитных 

последовательностей  [298],  но  и  рибосомных  генов  этих  хромосом.  

В то же время процесс негомологичной рекомбинации между корот-

кими  плечами  хромосомы  15  и  другими  акроцентрическими  хромо-

сомами  затруднен  из-за  дивергенции  последовательностей  сатДНК 

в  прицентромерных  районах  [876].  Не  исключено,  что  пониженная 

рекомбинация и дивергенция сатДНК хромосомы 15 влияет также на 

смежные участки, приводя к дивергенции спейсерных участков, учас-

твующих в регуляции активности р-генов.

Любопытно, что в отличие от ЯОР хромосом 13, 14, 21 и 22, вари-

абельность которых не связана с их родительским происхождением, ак-

тивность  ЯОР хромосомы  15  в  клетках  цитотрофобласта  зависит  от  ее 

родительской принадлежности. Так, согласно полученным нами данным 

[136, 527], активность ЯОР хромосом 15, унаследованных от отца, часто 

оказывается вариабельной, в то время как активность ЯОР материнских 

хромосом 15 наследуется как стабильный признак. Таким образом, осо-

бенности функционирования ЯОР хромосомы 15 в клетках цитотрофо-

бласта определяются ее родительским происхождением.

Наиболее  известным  примером  зависимости  транскрипционной 

активности  кластеров  рибосомных  генов  от  их  родительского  прои-

схождения является феномен ядерного доминирования, обнаруженный 

у межвидовых гибридов животных и растений, а также в гибридных 

соматических клетках млекопитающих [748]. Ядерное доминирование 

представляет собой экспрессию кластеров генов рРНК только одного 

родителя  и  инактивацию  р-генных  кластеров  другого,  при  этом  сте-

пень  репрессии  одного  из  кластеров  рДНК  может  изменяться  [295]. 

Репрессия  р-генов  осуществляется  за  счет  обратимых  эпигенетиче-

ских  изменений,  в  которых  ключевую  роль  отводят  метилированию 

Цитогенетика эмбрионального развития человека

394

ДНК  и  деацетилированию  гистонов  [294],  т.  е.  тем  же  механизмам, 

которые регулируют дозу активных рибосомных генов в геноме [370]. 

Интересно отметить, что на выбор того, какой из родительских ЯОР бу-

дет  инактивирован,  влияет  не  только  метилирование  регуляторных  по-

следовательностей  рибосомных  генов,  но  и  других,  иногда  достаточно 

удаленных последовательностей, которые могут входить в состав регуля-

торных элементов других генов этой ЯО-хромосомы [294, 295].

Можно  предположить,  что  в  основе  выявленных  нами  особенно-

стей  наследования  функциональной  активности  ЯОР  хромосом  15 

лежат сходные механизмы. Во-первых, значительное влияние на функ-

ционирование ЯОР могут оказывать другие локусы, расположенные на 

этой хромосоме. В частности, в проксимальном районе длинного пле-

ча хромосомы 15 (15q) локализован кластер из 10 импринтированных 

генов,  активность  которых  определяется  процессами  метилирования 

[128]. Блоки метилированной ДНК, как правило, присутствуют и в ко-

ротких плечах хромосом 15, в то время как степень метилирования ЯО 

других хромосом существенно ниже [687].

Таким образом, особенности первичной организации (последова-

тельности ДНК), а также конформационные изменения хроматина, воз-

можно, и определяют активность р-генов хромосомы 15 в зависимости 

от их родительского происхождения в клетках цитотрофобласта эмб-

рионов человека с нормальным кариотипом на 8–19 неделях развития. 

Безусловно, выявление возможных причин и механизмов зависимой от 

родительского происхождения активности ЯОР, в т. ч. и хромосомы 15, 

требует дальнейшего углубленного изучения с использованием комп-

лексных цитогенетических и молекулярно-биологических подходов.

10.1.5. Функциональный полиморфизм Яор 

у плодов человека с анеуплоидным кариотипом

Принимая  во  внимание  количественную  и  качественную  вариа-

бельность  ЯОР  хромосом,  а  также  значимость  работы  р-генов  для 

жизнедеятельности  любой  клетки,  их  ключевую  роль  в  клеточной 

сигнализации  и  участие  в  процессах  дифференцировки,  несомнен-

ный интерес представляет выяснение варьирования активности ЯОР  

в  клетках  плодов  при  хромосомном  дисбалансе.  Особый  интерес  

в этом отношении представляют синдромы, обусловленные трисоми-

ями хромосом 21 (синдром Дауна) и 13 (синдром Патау) — наиболее 

395

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

частые хромосомные болезни человека. Поскольку в анеуплоидии при 

этих синдромах принимают участие ядрышкообразующие хромосомы, 

это неизбежно должно отразиться на работе системы генов рибосом-

ного биогенеза, в частности, генов рРНК. Основное внимание в нашем 

исследовании было уделено анализу влияния дополнительной ЯО-хро-

мосомы на функциональный статус ЯОР других хромосом в кариотипе 

эмбрионов.

Анализ  структурно-функционального  состояния  ЯОР  хромосом 

был проведен в 14 полных семьях, т. е. в клетках цитотрофобласта или 

лимфоцитах пуповинной крови от 7 эмбрионов с трисомией 21 и 7 эмб-

рионов с трисомией 13, а также в лимфоцитах периферической крови 

их родителей. При анализе были использованы методические приемы, 

аналогичные ранее описанным.

Дополнительная хромосома у всех плодов с трисомией 21, а также 

у 4 плодов с трисомией 13 имела материнское происхождение в резуль-

тате нерасхождения в первом делении мейоза. Три случая трисомии 13 

были  обусловлены  аномальной  сегрегацией  хромосом  в  сперматоге-

незе (в одном случае в первом делении, в двух — во втором делении 

мейоза).

Сравнительный анализ 154 (по 77 для каждого типа трисомии) ин-

дивидуальных ЯОР хромосом у плодов и их родителей показал, что  

в 68

 

% случаев функциональный статус ЯОР сохранялся при наследо-

вании. Хромосомы с вариабельными ЯОР составили 32

 

%, что оказа-

лось на 5

 

% больше, чем при анализе плодов с нормальным кариоти-

пом (см. раздел 10.1.3). У плодов с трисомиями 21 и 13 отмечена также 

тенденция к увеличению числа вариабельных ЯОР хромосом (2–6 на 

клетку по сравнению с 1–4 при нормальном кариотипе у плода). Инте-

ресно также отметить, что у плодов с трисомиями 21 и 13, несмотря на 

участие в анеуплоидии хромосом разных групп, доли хромосом групп 

D и G с измененной активностью ЯОР были сопоставимы (табл. 10.2). 

При этом в случае трисомии 21 каждый ЯОР вносил равный вклад в 

общую изменчивость транскрипционной активности, а при трисомии 

13 чаще других менялась активность ЯОР именно на хромосомах 13 

(рис. 10.5).  Попытки  установить  влияние  родительской  принадлеж-

ности хромосомы на изменения активности ее ЯОР оказались безус-

пешными —  ни  для  одной  акроцентрической  хромосомы  у  плодов  

с трисомией 21 или 13 такой зависимости выявлено не было.

Цитогенетика эмбрионального развития человека

396

:

Кариотип эмбрионов

Нормальный Трисомия 21 Трисомия 13

Число эмбрионов

14

7

7

Общее число исследованных ЯОР хро-

мосом

140

77

77

Число хромосом с измененной актив-

ностью ЯОР по сравнению с таковой у 

родителей в том числе: 

36

(26 %)

22

(29 %)

25

(32 %)

группы D (из всех хромосом группы D) 

17 из 84

(20 %)

12 из 42

(29 %)

15 из 49

(31 %)

группы G (из всех хромосом группы G) 

19 из 37

(33 %)

10 из 35

(29 %)

10 из 25

(35 %)

с увеличенной активностью ЯОР 

17* (47 %)

1* (5 %)

2* (8 %)

со сниженной активностью ЯОР

19* (53 %)

21* (95 %)

23* (92 %)

Таблица 10.2.  Характер  наследования  активности  ЯОР  хромосом  у  эмбрионов  с  нор-

мальным кариотипом и трисомией по хромосомам 13 и 21 (собственные данные)

* Достоверные различия между группами эмбрионов в норме и патологии

При  анализе  характера  изменения  активности  ЯОР  установлено, 

что у эмбрионов с трисомиями активность ЯОР, как правило, снижена 

по сравнению с исходной родительской (табл. 10.2). При этом только у 

двух эмбрионов с трисомией 21 это снижение явилось следствием де-

леции кластеров рибосомных генов на отцовских хромосомах 21 и 15.

Сравнение  интенсивности Ag-окраски  отдельных  акроцентричес-

ких хромосом в  цитотрофобласте между эмбрионами с нормальным 

кариотипом и трисомиями показало, что в присутствии любой допол-

нительной  ЯО-хромосомы  активность  всех  ЯОР  увеличивается.  До-

стоверная разница в интенсивности Ag-окраски наблюдалась по ЯОР 

всех хромосом группы D (хромосомы 13 и 15 при трисомии 13 и хро-

мосомы 14 при трисомии 21) и хромосомы 22 только при трисомии 13. 

При  анализе  суммарной  активности  ЯОР  хромосом  у  плодов  с  нор-

мальным и анеуплоидным кариотипом обнаружены различия как по 

средней активности ЯОР на геном, так и по характеру распределения 

(рис. 10.5).

Полученные данные хорошо согласуются с результатами исследо-

вания активности ЯОР у спонтанных абортусов [117] и свидетельству-

ют, что при любом анеуплоидном кариотипе, особенно при трисомиях 

397

Глава 10.

 структурно-функциональная организация хромосом в эмбриогенезе

по  ЯО-хромосомам,  общий  уровень  экспрессии  р-генов  возрастает. 

Это увеличение особенно демонстративно у пациентов с синдромом 

Дауна и у лиц с дополнительными маркерными ЯО-хромосомами [107, 

657,  705,  904].  Повышение  суммарной  активности  р-генов  в  таких 

клетках происходит за счет активации дополнительных ЯОР. При этом 

аргентофильные характеристики других хромосом либо сохра няются, 

как это отмечено при исследовании мозаичных кариотипов [705, 904], 

либо уменьшаются, как это обнаружено у эмбрионов с трисомией 21 

и  13  (см. выше).  В  случаях  утраты  ЯОР,  например,  в  результате  Ро-

бертсоновской  транслокации  по  ЯО-хромосомам,  общий  уровень 

активности,  как  правило,  снижается  при  относительном  увеличении 

активности других индивидуальных ЯОР [669]. Несмотря на то, что 

изменения активности могут оказаться недостаточными для достиже-

ния оптимального уровня, характерного для нормального кариотипа, 

эти данные могут служить косвенным доказательством существования 

компенсаторного механизма дозы р-генов в клетке. Компенсация дозы 

может осуществляться путем модификации активности ЯОР родитель-

ских хромосом на стадии зиготы. При этом жизнеспособными оказы-

Рис. 10.5. Распределение суммарной активности ЯОР хромосом в клетках цитотрофоблас-

та хориона, плаценты и ФГА-стимулированных лимфоцитах из пуповинной крови плодов 

человека с нормальным кариотипом (n  =  15), трисомией 21 (n  = 16), и трисомией 13 (n  =  7). 

По оси абсцисс — средняя суммарная активность ЯОР на клетку (в баллах), по оси ординат 

— число плодов