Цитогенетика эмбрионального развития - часть 61

Цитогенетика эмбрионального развития человека

470

ванными CpG-последовательностями, с помощью специфических ан-

тител к метилцитозину (см. главу 10) [307]. В результате проведенных 

исследований  уже  получены  ориентировочные  данные,  свидетельс-

твующие о следующем: 1) в С-гетерохроматине некоторых хромосом 

могут находиться структурные гены, 2) характер метилирования хро-

мосом в клетках хориона (плаценты) отличается от такового в клетках 

собственных эмбриональных тканей, 3) паттерны метилирования го-

мологичных хромосом в клетках плаценты могут быть разными. Пос-

ледние две находки позволили предполагать, что активность хромосом 

(генов)  в  хорионе  отлична  от  таковой  в  собственно  эмбриональных 

тканях, и что функции материнских и отцовских хромосом в клетках 

провизорных органов, прежде всего, в плаценте, отличаются. Все эти 

предположения имеют большой научный и практический интерес. Их 

прямая проверка с помощью других методов и подходов, особенно ме-

тодами молекулярной биологии (например, путем изучения соответс-

твующих РНК-последовательностей или белковых продуктов, синте-

зируемых генами метилированных и неметилированных участков хро-

мосом) является актуальной.

Следует обратить внимание, что использование гистохимического ме-

тода детекции метилированных участков хромосом началось сравнитель-

но недавно. До настоящего времени мало известно о чувствительности 

данного метода. Считается, что этим методом нельзя выявлять единичные 

метилированные CpG-островки в промоторах структурных генов [307]. 

Неясно, однако, при какой плотности метилированных цитозинов (CpG-

островков) сигнал детекции становится положительным. Тем не менее, 

согласно  уже  полученным  данным  (см. главу 10)  окраска  метафазных 

хромосом из культивируемых лимфоцитов крови с применением антител 

к метилцитозину позволяет получить дифференциальную окраску, отлич-

ную от ранее хорошо известных G-, R-, Q-, C-, T-рисунков, получаемых 

стандартными  методами.  Данное  обстоятельство  позволяет  говорить  о 

наличии нового, специального метода дифференциальной окраски хро-

мосом, который позволяет выявлять кластеры метилированной ДНК — 

М-сегментацию [71]. Известно также, что хромосомы дробящихся заро-

дышей млекопитающих обнаруживают весьма характерную окраску, при 

которой типичные М-сегменты располагаются только в одной хроматиде 

(родительской) и отсутствуют в другой (дочерней) [307]. Такое располо-

жение полос свидетельствует о задержке метилирования ДНК дочерних 

471

Глава 11. 

Горизонты цитогенетики эмбрионального развития человека

хроматид на начальных стадиях развития. Гипометилирование одной из 

хроматид (гемиметилирование) отмечено нами и у доимплантационных 

зародышей человека. Другие важные находки при изучении паттернов ме-

тилирования хромосом дробящихся зародышей человека касаются нали-

чия существенных различий в метилировании гомологичных хромосом и 

отсутствия метилирования крупных блоков гетерохроматина хромосом 1, 

9, 16. В настоящее время имеются данные, что у дробящихся зародышей 

млекопитающих функционально активна почти половина всех структур-

ных генов (около 15 000) [760]. Возможно, гипометилированное состоя-

ние генома как раз и отражает высокую транскрипционную активность 

генов  ранних  зародышей  человека.  Неожиданным  следствием  такого 

«раскрытия»  хроматина  у  доимплантационных  зародышей  мышей,  как 

показали  молекулярные  исследования,  явилась  массовая  транскрипция 

эндогенных, то есть находящихся в составе ДНК хромосом и особенно 

широко представленных в гетерохроматине вирусоподобных последова-

тельностей — ретротранспозонов. Более того, оказалось, что в ооцитах и 

у дробящихся зародышей происходит массовое перемещение ретротранс-

позонов по геному и их включение в промоторные области и даже в состав 

первых экзонов многих структурных генов [760]. Эти интересные факты 

дают  основание  рассматривать  гипометилирование  хроматина,  транс-

крипцию и перемещение по геному ретротранспозонов, их интеграцию в 

структурные гены как цепь последовательных событий, необходимых для 

активации генома зародыша, формирования первичного эмбрионального 

транскриптома и начала реализации наследственной программы индиви-

дуального развития.

Таким  образом,  деспирализации  хромосом  и  гипометилированию 

ДНК принадлежит ключевая роль в запуске программы индивидуаль-

ного  развития.  Эти  принципиально  важные  наблюдения  позволяют 

считать, что обнаруженные в наших исследованиях различия паттер-

нов  метилирования  некоторых  идентичных  сегментов  гомологичных 

хромосом, а также паттернов метилирования хромосом эмбриобласта 

и цитотрофобласта могут указывать на их большую роль в регуляции 

генной  активно сти  в  раннем  эмбриогенезе  человека.  Дальнейшее  уг-

лубленное  изучение  этих новых цитогенетических  феноменов  с при-

менением современных молекулярных и молекулярно-цитогенетических 

методов исследования представляет несомненный интерес для понимания 

особенностей функции генома на доимплантационных стадиях развития.

Цитогенетика эмбрионального развития человека

472

В заключение, уместно обратить внимание на то, что согласно раз-

работанному и уже частично реализуемому в ряде лабораторий мира 

эпигеномному проекту предполагается новая программа по изучению 

общегеномного  метилирования  всех  генов  человека.  В  рамках  этой 

программы  уже  составлен  паттерн  метилирования  HLA-локуса,  где 

картированы  главные  гены  гистосовместимости.  Ограничена  ли  эта 

программа  только  клетками  различных  тканей  взрослого  организма 

или будет включать паттерны метилирования генов в эмбриогенезе че-

ловека пока неясно.

Таким образом, несмотря на ранее отмеченные ограничения, даль-

нейший анализ паттернов метилирования метафазных хромосом в раз-

личных тканях зародыша и на разных стадиях развития является, без-

условно, перспективным направлением цитогенетики (цитогеномики) 

эмбрионального развития человека.

11.4. Цитологические факторы регуляции 

активности генов в эмбриогенезе

Как следует из рассмотренного выше материала, на современном уров-

не наших знаний уже можно выделить следующие механизмы регуляции 

функции генов на хромосомном уровне:

Архитектоника ядра, определяющая пространственное распо-

 

●

ложение хромосом и, по-видимому, их функции.

Конститутивный гетерохроматин, который играет важную роль 

 

●

в дислокации хромосом в интерфазном ядре и, возможно, не-

посредственно регулирует работу ряда «ранних» генов.

Интеркалярный  гетерохроматин,  определяющий  связь  хромо-

 

●

сом с ядерным матриксом, с внутренней ядерной мембраной и, 

возможно, непосредственно вовлеченный в надмолекулярную 

организацию  работы  генома  через  механизмы  избирательной 

спирализации — деспирализации.

Факультативный  гетерохроматин  Х-хромосомы,  определяю-

 

●

щий неактивное состояние генов этой хромосомы.

Метилирование ДНК, которому принадлежит решающая роль 

 

●

в дифференциальной экспрессии генов и, прежде всего, генов 

«домашнего хозяйства». Метилирование ДНК прямо связано с 

механизмами компактизации — декомпактизации хроматина и, 

соответственно, с репрессией — дерепрессией генов.

473

Глава 11. 

Горизонты цитогенетики эмбрионального развития человека

Другие феномены, важные для цитогенетики эмбрионального раз-

вития  человека,  это  хромосомный  импринтинг  и  однородительская 

дисомия.

Хромосомный  (геномный)  импринтинг — дифференциальная  экс-

прессия  генов,  определяемая  тем,  от  кого  из  родителей  (матери  или 

отца) они унаследованы [19, 20, 566]. В участках генома, подвержен-

ных  импринтингу,  экспрессируется  только  одна  аллель — отцовская 

или материнская. Геномный импринтинг — яркий пример эпигенети-

ческой  наследственности,  то  есть  наследственности,  обусловленной 

надмолекулярной модификацией ДНК, не затрагивающей ее первич-

ную нуклеотидную последовательность [43].

Данные по геномному импринтингу у человека суммированы на кон-

ференции National Institute of Child Health (USA) [893]. Они подробно рас-

смотрены в ряде отечественных обзоров и сборниках [120, 121, 128].

Как уже отмечалось в главе 10, доказано, что ведущая роль в реали-

зации процесса импринтинга принадлежит ацетилированию гистонов 

и метилированию ДНК. Детали процесса импринтинга в родительских 

половых клетках, его сохранение в клетках эмбриона и роль в регуля-

ции процессов экспрессии генов, долгое время оставались неясными. 

Несмотря  на  то,  что  молекулярные  механизмы  импринтинга  до  на-

стоящего времени окончательно не установлены, в последние годы в 

изучении феномена геномного импринтинга достигнуты серьезные ус-

пехи. В частности, определены ДНК-последовательности, играющие 

важную роль в контроле импринтинга, установлено время появления 

и элиминации импринтов в половых клетках, описана динамика мети-

лирования импринтированных генов в пре- и постнатальном периодах 

онтогенеза,  обнаружена  кластерная  локализация  импринтированных 

генов в геноме, показана асинхронность репликации импринтирован-

ных генов.

В последние годы достигнут большой прогресс в идентификации 

импринтированных генов. В настоящее время у человека уже известно 

свыше 40 таких генов и предполагается, что их число может достигать 

500 [402]. В настоящее время импринтированные гены обнаружены во 

многих хромосомах человека — 1, 5–7, 11, 13, 15, 19, 20. Характерной 

особенностью импринтированных генов оказалась их кластерная орга-

низация. Крупные кластеры импринтированных генов обнаружены на 

хромосомах 7, 11, 14 и 15.

Цитогенетика эмбрионального развития человека

474

Изменения  эпигенотипа,  приводящие  к  ослаблению  или  наруше-

нию установившегося паттерна импринтинга, неблагоприятно сказы-

ваются на эмбриональном развитии и могут быть причиной различных 

патологических состояний и болезней в постнатальном периоде.

В частности, ранее в модельных экспериментах на мышах с хро-

мосомными  транслокациями  было  установлено,  что  патологический 

эффект геномных мутаций проявляется по-разному и зависит от того, 

какая родительская хромосома (отцовская или материнская) находится 

в избытке или, наоборот, в дефиците [14, 18, 20, 21, 249, 250, 251].

Известно,  что  подавляющее  большинство  зародышей  с  хромо-

сомными  аномалиями,  в  том  числе  с  дисбалансом  хромосом,  сов-

местимым  с  постнатальным  развитием  (моносомия  Х — синдром 

Шерешев ского–Тер нера, трисомия 21 — болезнь Дауна, трисомии 13 

и 18), нежизнеспособно еще во внутриутробном периоде. Так, уста-

новлено, что отсутствие одной Х-хромосомы, которое вполне совмес-

тимо с постнатальной жизнью, в действительности летально для 99

 

% 

эмбрионов. Можно предполагать, что отчасти такой эффект связан с 

нарушением баланса импринтированных генов (см. раздел 11.5). 

Одним из частых проявлений нарушения процессов импринтинга 

и  дисбаланса  импринтированных  генов  может  быть  однородитель-

ская дисомия. Последняя определяется как состояние, при котором 

индивидуум  наследует  обе  копии  хромосомы  от  одного  из  родите-

лей  и  не  содержит  в  геноме  соответствующего  гомолога  от  друго-

го родителя. Однородительская дисомия может быть полной, когда 

затрагивается целая хромосома, либо частичной (сегментной), когда 

это  касается  только  хромосомного  фрагмента  (см. также  главы  7  и 

9).  Частота  ОРД  составляет  в  среднем  1  на  3000  зигот.  Она  может 

возникнуть в результате потери одной хромосомы у зародыша с три-

сомией при условии сохранения двух других хромосом одного из ро-

дителей, удвоения единственной непарной хромосомы при моносо-

мии, митотической рекомбинации между хроматидами, комплемен-

тарности гамет — нуллисомия в одной и дисомия в другой гамете, 

участвующих в оплодотворении. Естественно, что в каждом из таких 

вариантов доза всех генов остается нормальной. Единственным отли-

чием от нормы в случае гетеро-ОРД (см. главу 7) может быть необыч-

ный паттерн импринтинга, то есть наличие двух однотипных вариан-

тов импринтинга по женскому или мужскому типу. Соответственно, 

475

Глава 11. 

Горизонты цитогенетики эмбрионального развития человека

характер  патологического  эффекта  будет  определяться  тем,  какие 

импринтированные гены находятся в избытке или в дефиците. Для 

нормального эмбриогенеза, как показали первооткрыватели данного 

феномена  Д. Солтер,  Дж. МакГрат  и  А. Сурани,  всегда  необходимо 

наличие двух комплементарно импринтированных аллелей — отцов-

ской и материнской [612]. Число уже известных болезней геномного 

импринтинга, связанных c ОРД, составляет около 10 и продолжает 

увеличиваться [121]. Сведения о том, как сказывается ОРД на эмб-

риональном  развитии,  пока  весьма  ограниченны  и  неоднозначны. 

Однако не вызывает сомнения, что ОРД в клетках плаценты может 

быть причиной нарушения ее развития и приводить к плацентарной 

недостаточности и задержке внутриутробного развития плода.

Цитогенетическая  диагностика  ОРД  затруднена.  Она  возможна 

только  в  отдельных  случаях  при  наличии  соответствующих  хромо-

сомных  маркеров  (необычные  по  размерам  спутники,  блоки  гетеро-

хроматина).  Основная  диагностика  ОРД  проводится  молекулярными 

методами с использованием высокоповторяющихся (высокополиморф-

ных) ДНК-маркеров [121]. Заподозрить наличие ОРД в условиях пре-

натальной диагностики возможно при наличии мозаицизма хромосом, 

ограниченного  плацентой,  при  наличии  у  плода  Робертсоновской 

транслокации (центромерного слияния хромосом), унаследованной от 

одного из родителей, при задержке развития плода и плаценты неясной 

этиологии (см. главы 7 и 9).

Таким образом, геномный импринтинг не связан с изменениями 

первичной последовательности ДНК и является следствием эпигене-

тических изменений генома. Наличие на многих хромосомах челове-

ка, особенно на хромосомах 7, 11, 14 и 15 кластеров импринтирован-

ных  генов,  обнаруживающих  различную  экспрессию  при  передаче 

зародышу через мужские или женские гаметы, играет важную роль в 

патологии анте- и постнатального развития. Цитологическую основу 

геномного импринтинга составляет однородительская дисомия.

11.5. Феногенетика хромосомной патологии

Представляет  собой  одну  из  наиболее  сложных  и  малопонятных 

проблем  цитогенетики  (цитогеномики)  эмбрионального  развития  че-

ловека. Почему дисбаланс одних хромосом всегда летален уже на ран-

них стадиях, тогда как других совместим с завершением эмбриогенеза 

Цитогенетика эмбрионального развития человека

476

и даже с постнатальным развитием? Почему хромосомные нарушения, 

приводящие  к  типичным  хромосомным  болезням,  в  подавляющем 

большинстве  случаев  подвергаются  элиминации  еще  до  рождения? 

Чем объяснить сходство клинических проявлений многих хромосом-

ных болезней? Что является непосредственной причиной гибели заро-

дышей с хромосомными аберрациями? Эти и многие другие вопросы 

феногенетики хромосомной патологии пока не имеют доказательных 

ответов. Нам представляется, что причина этого кроется, прежде всего, 

в многообразии нарушений функций генома в условиях хромосомно-

го дисбаланса, в многообразии уровней живого организма, на которых 

разворачиваются эти нарушения (молекулярный, клеточный, тканевой, 

организменный).

Каждая  хромосома  представляет  собой  сложную,  эволюцион-

но сложившуюся, целостную иерархическую систему, состоящую 

из многих сотен структурных и регуляторных генов, разделенных 

различными  классами  повторяющихся  последовательностей,  на-

значение которых пока неизвестно. Эта система может нормально 

функционировать только в условиях правильной трехмерной орга-

низации ядра, четко скоординированной и сбалансированной рабо-

ты всего генома.

Естественно предполагать, что избыток или дефицит целой хромо-

сомы неизбежно приводит к дисбалансу многих структурных генов и 

регуляторных  последовательностей  (факторов  транскрипции),  дейс-

твующих не только в пределах одной хромосомы (cis-эффект), но и на 

гены других хромосом, которые представлены нормальным диплоид-

ным числом (trans-эффект). Действительно, молекулярный анализ за-

родышей с частичной трисомией в условиях экспериментов позволил 

установить, что экспрессия генов в «избыточном» фрагменте хромо-

сом в среднем в 1,2 раза превышает контрольный уровень, тогда как 

генов диплоидного фрагмента снижается и составляет 0,9 от контроля 

[783].

Таким образом, не вызывает сомнения, что на молекулярном уровне 

первым и основным результатом численных хромосомных аберраций 

или несбалансированных хромосомных перестроек должно быть нару-

шение дозы генов. Действительно, эффект дозы генов, измеряемый по 

количеству генопродуктов (белка, РНК) достаточно четко показан при 

дисбалансе многих хромосом. Каждый из этих генопродуктов, в свою 

477

Глава 11. 

Горизонты цитогенетики эмбрионального развития человека

очередь, может выступать в качестве триггера или шунта различных 

биохимических  реакций  и  в  результате  избытка  или  дефицита  при-

водить  к  нарушениям  различных  жизненно  важных  метаболических 

путей. Можно предполагать, с некоторыми оговорками, что специфи-

ческие нарушения и аномалии, характерные для многих хромосомных 

болезней как раз и обусловлены дисбалансом уникальных структур-

ных генов.

Еще менее предсказуем и многообразен должен быть эффект дозы 

регуляторных генов, в частности, генов-факторов транскрипции, дейс-

твие которых направлено на регуляцию функций сразу многих генов. 

В последнее время в генетике развития особенно популярно представ-

ление о наличии в клетке генов-господ и генов-рабов [84]. К первой 

группе  относятся  семейства  генов-регуляторов,  такие  как  факторы 

транскрипции типа кластеров генов HOX, SOX, PAX, продукты экс-

прессии которых, небольшие по размерам белки (около 200 аминокис-

лот),  благодаря  наличию  специальных  аминокислотных  последова-

тельностей — гомеодоменов, способны соединяться с регуляторными 

элементами многих структурных генов (генов-рабов), индуцируя или 

подавляя их экспрессию.

Согласно мнению одного из авторов этой теории нобелевского ла-

уреата  Вальтера  Геринга,  сложнейшая  морфогенетическая  реакция, 

завершающаяся формированием целого органа, может быть запущена 

в ходе эмбрионального развития одним геном [84]. Естественно, что 

дисбаланс  таких  генов  должен  приводить  к  нарушению  экспрессии 

сразу многих генов различных метаболических путей, а также генов, 

ответственных  за  нейроэндокринный  статус  организма,  что  a priori 

предполагает  выраженный  плейотропный  (многообразный)  эффект 

дисбаланса таких генов. Действительно, поражение сразу многих раз-

личных систем, органов и тканей при дисбалансе различных хромосом 

является типичным проявлением многих хромосомных болезней.

Важная роль в феногенетике хромосомных аномалий, по-видимому, 

принадлежит и коротким повторяющимся ДНК-последовательно стям 

в интронах и в межгенных спейсерах, на которых осуществляется син-

тез особых малых ядерных РНК, в частности, двухцепочечной интер-

ферирующей РНК (siRNA), размером всего 20–25 п. о. и одноцепочеч-

ной микро РНК (miRNA), размером 15–20 п. о. Малые ядерные РНК, 

согласно  последним  данным,  играют  решающую  роль  в  регуляции