ЧАСТОТА И СПЕКТР ГЕНОМНЫХ И ХРОМОСОМНЫХ МУТАЦИЙ В ГАМЕТОГЕНЕЗЕ И НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ВНУТРИУТРОБНОГО РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕКА МАЛЕНКОВ А. ТЮМЕНЬ, РОССИЯ. - Студенческий научный форум

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ЧАСТОТА И СПЕКТР ГЕНОМНЫХ И ХРОМОСОМНЫХ МУТАЦИЙ В ГАМЕТОГЕНЕЗЕ И НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ВНУТРИУТРОБНОГО РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕКА МАЛЕНКОВ А. ТЮМЕНЬ, РОССИЯ.

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.

Хромосомные аномалии могут возникать на любой стадии онтогенеза. Последствия несбалансированных нарушений генома характерны, когда такие нарушения происходят еще в гаметах, во время оплодотворения или на ранних стадиях дробления. При этом хромосомные аномалии, характерные для про- и преэмбрионального периодов развития человека, имеют свои качественные и количественные особенности.

Хромосомные аномалии в гаметогенезе. Большинство геномных и хромосомных мутаций возникает в мейозе. Многие из них оказываются летальными и приводят к гибели зиготы на самых ранних стадиях ее развития. Поэтому оценка частоты возникновения хромосомных аномалий в гаметогенезе, представляется наиболее корректной. Сперматогенез Сведения о частоте спонтанных хромосомных аномалий в зрелых сперматозоидах человека могут быть получены при помощи метода РШН либо путем прямого анализа хромосомного набора мужского пронуклеуса после гетерологичного оплодотворения Основные итоги хромосомного анализа методом РШН с маркированием всех хромосом, за исключением хромосом 19 и 22, позволяют утверждать, что частота гетероплоидных сперматозоидов в норме не превышает 1,5 % . Участие разных хромосом в образовании анеуплоидных сперматозоидов не равноценно. У клинически здоровых доноров частота гетероплоидных сперматозоидов, определенная с помощью ДНК-проб, специфичных к прицентромерным районам хромосом 7 и 18, варьирует в пределах 0,61-0,81 % . Поскольку одноцветная РШН не позволяет отличить дисомные по какой-либо хромосоме сперматозоиды от диплоидных, полученные результаты отражают их суммарную частоту, которая соответствует опубликованным данным для клинически здоровых доноров спермы. Наиболее подвержены нерасхождению хромосомы 1, 9, 16, 21, X и У.При исследовании пациентов, частота дисомных по разным хромосомам сперматозоидов варьирует в широких пределах у различных групп доноров. Существенно, что у пациентов с аномальными морфофункциональными параметрами спермограммы доля гетероплоидных сперматозоидов значительно выше, чем у доноров спермы, причем такая зависимость имеет линейный характер.Методом гетерологичного оплодотворения проанализировано в общей сложности более 20 тысяч хромосомных комплементов зрелых сперматозоидов от здоровых доноров в возрасте от 18 до 65 лет. В этих исследованиях было установлено, что соотношение X- и У-несущих сперматозоидов у здоровых доноров соответствует теоретически ожидаемому 1:1, а наличие хромосомных аберраций не сказывается на подвижности и оплодотворяющей способности сперматозоидов. При этом частота структурных хромосомных аберраций в зрелых сперматозоидах здоровых мужчин составляет 6-7 %, а частота анеуплоидии4 %. Частота и спектр структурных перестроек не зависят от индивидуальных особенностей, а также от условий капацитации. Единственным фактором, увеличивающим частоту аберраций, оказался возраст донора. При этом влияние возраста было показано только для структурных аберраций, но не для численных аномалий. Частота анеуплоидных сперматозоидов у здоровых мужчин составляет в среднем 1-4 %, при этом гипогаплоидия превалирует над гипер- гаплоидией (3,3 и 1,7 % соответственно) . Несоответствие частот гипер- и гипогаплоидных сперматозоидов, по-видимому, обусловлено артефактной утратой хромосом в процессе приготовления препаратов, причем чаще утрачиваются мелкие хромосомы и хромосомы из многочисленной группы С (большие субметацентрические хромосомы 6-12).Суммарные результаты нескольких масштабных исследований свидетельствуют о том, что частота нерасхождения хромосом 21, Х, У, 1, 9 и 16 повышена по сравнению с другими хромосомами, тогда как дисомии 6 и 17 не отмечены ни в одном из 17 998 сперматозоидов, исследованных после гетерологичного оплодотворения. Одной из современных модификаций метода гетерологичного оплодотворения является метод введения спермиев человека непосредственно в овулировавшие яйцеклетки лабораторных мышей. В наших экспериментах проведена инъекция подвижных сперматозоидов от 10 пациентов с нарушением фертильности в ооциты мыши. Всего проанализировано 183 метафазные пластинки мужских пронуклеусов. Суммарная частота гипергаплоидии составила 5,71 %, гипогаплоидии — 8,57 %. Структурные перестройки были единичны (0,4 %) и представлены маркерными, кольцевыми хромосомами и транслокацией. Таким образом, общая частота хромосомных аберраций в зрелых сперматозоидах у мужчин с нарушением фертильности составила около 14 %. Эта величина несколько превышает таковую у здоровых мужчин (~ 10 %), определенную в условиях гетерологичного оплодотворения Таким образом, данные различных методов исследования свидетельствуют о том, что у здоровых мужчин до 10 % сперматозоидов несут хромосомную аномалию, причем структурные перестройки встречаются чаще, чем численные. Оогенез. В отличие от сперматогенеза, где уже реальна объективная оценка частоты спонтанных хромосомных аберраций в зрелых гаметах, данные об их частоте в оогенезе пока ориентировочны. Прежде всего, это связано с тем, что полноценный цитогенетический анализ женских гамет возможен только в ооцитах на стадии метафазы II, полученных в условиях ЭКО. Для оценки частоты гетероплоидии в ооцитах иногда используют косвенный подход, основанный на результатах цитогенетического анализа 1-го или 2-го полярных телец.Тем не менее, в настоящее время с помощью соответствующих методических приемов получены сведения о частоте спонтанных хромосомных аберраций и в оогенезе человека. В целом, они свидетельствуют о более высокой частоте нерасхождения хромосом в процессе оогенеза по сравнению со сперматогенезом. МетафазаI Нет частоты спонтанных хромосомных аберраций в метафазе 1-го мейотического деления ооцитов человека. МетафазаII Высокая частота в широком диапазоне различных типов хромосомных аномалий в ооцитах человека в МП. Так, частота ооцитов, несущих одну или более хромосомную аберрацию, в разных сериях исследований варьирует от 4% до 58 % . В исследованиях из 133 овулировавших ооцитов человека, пригодных для цитогенетического анализа на стадии МП, 30 оказались анеуплоидными, причем частота гипер- и гипогаплои- дии была одинаковой (14 и 16 ооцитов соответственно), что косвенно свидетельствовало об адекватности использованного метода приго-товления хромосомных препаратов. В 19 случаях (63,3 %) в образовании анеуплоидных ооцитов принимали участие отдельные хроматиды. Так как практически все исследования проведены на ооцитах с признаками дегенерации, нельзя исключить, что преждевременное разделение центромер было обусловлено именно этим обстоятельством. Существование такого механизма нерасхождения хромосом в оогенезе доказано в прямых экспериментах на мышах в условиях применения окадаевой кислоты — препарата, вызывающего преждевременную спирализацию хромосом. Основной причиной образования диплоидных ооцитов является блокада анафазы I, которая приводит к персистенции в ооплазме второго диплоидного набора хромосом.Структурные аномалии хромосом обнаружены в 10 ооцитах, причем во всех случаях они сочетались с анеуплоидией. Завершение мейоза Данные о частоте спонтанных хромосомных аберраций в ооцитах, завершивших 2-е деление мейоза, могут быть получены только после оплодотворения, когда происходит отделение 2-го полярного тельца. При этом объектом исследования могут быть хромосомы женского пронуклеуса на стадии метафазы 1-го деления дробления, либо хромосомы 2-го полярного тельца.При определении родительского происхождения анеуплоидии у плодов человека и новорожденных с использованием цитогенетических и молекулярных маркеров установлено, что около 20 % случаев анеуплоидии обусловлено нерасхождением хромосом во 2-м делении созревания ооцита. Для корректной оценки истинной частоты аномальной сегрегации хромосом в оогенезе требуются одновременные исследования хромосомного набора в ооците и полярных тельцах. Многие анеуплоидии и практически все структурные аберрации, не регистрируются, что приводит к занижению реальной частоты возникновения хромосомных аберраций. Частота спонтанных хромосомных аберраций в оогенезе человека изучена недостаточно. Имеются ориентировочные данные о ее необычно большой величине (до 50 %) в метафазе II мейоза и до 25 % после завершения мейоза. Полиплоидия Большая часть аномалий кариотипа в период дробления связана с нарушениями плоидности. Триплоидия как следствие диспермии является наиболее частой патологией оплодотворения ирегистрируется по наличию трех пронуклеусов в зиготе. В случаях, когда наличие и число полярных телец, а также пронуклеусов вызывает сомнения, невозможно отличить диспермию от дигинии. Триплоидные зиготы непосредственно после первого деления дробления, как правило, образуют три и более клеток, и реже — две. В дальнейшем 3-клеточные эмбрионы чаще образуют мозаичные формы полиплоидии, чем 2- или 4-клеточные. Происхождение триплоидии также определяет судьбу дробящегося зародыша. Так, можно считать доказанным, что у дигинетических триплоидов хромосомы всех трех пронуклеусов образуют единое двухполюсное веретено и имеют одну активную центросому. У диспермных триплоидов первое митотическое деление осуществляется, по-видимому, путем образования трехполюсного веретена. В дальнейшем аномальная сегрегация хромосом может приводить к истинной триплоидии либо к формированию мозаиков. Мозаицизм (1п/2п, 2п/3п) может быть также обусловлен асинхронностью формирования пронуклеусов и ошибками репликации ДНК в первом митотическом цикле. Частота трипло- идных зародышей на ранних стадиях дробления, на стадии бластоцисты и в биоптатах ворсин хориона первого триместра, примерно совпадает и составляет в среднем около 2,5 %. Другой формой полиплоидии у зародышей человека является тетраплоидия, которая встречается в единичных случаях вплоть до стадии бластоцисты. Форма тетраплоидии (истинная или мозаичная 2п/4п и, возможно, 1п/4п и 3п/4п) остается неизвестной. Характерным для зародышей человека на стадии бластоцисты является появление большого числа (30-40 %) диплоидно-тетраплоидных мозаиков. Появление гаплоидных бластомеров может быть вызвано редукционным делением диплоидного ядра [455]. Единичные гаплоидные зародыши зарегистрированы только в период дробления (8-10 бластомеров) и не встречаются на стадии бластоцисты, что свидетельствует об их элиминации еще в доимплантационном периоде. Анеуплоидия Зародыши с дефицитом (моносомия) или избытком (трисомия) отдельных хромосом возникают, главным образом, вследствие оплодотворения яйцеклетки с хромосомным дисбалансом. Сведения о частоте анеуплоидных зародышей противоречивы. На ранних стадиях дробления частота анеуплоидии составляет 20 %, однако, может достигать 40 %, а с учетом мозаичных вариантов — даже 80 %Такие «качества» эмбриона как скорость дробления, степень фрагментации, наличие многоядерных бластомеров, диссоциации их размеров могут отражать его хромосомный статус. Так, до 89 % зародышей с высокой степенью фрагментации оказываются мозаичными, и около 71 % эмбрионов, остановившихся в развитии на стадии нескольких бластомеров, обнаруживают хромосомные аномалии. При этом и у морфологически нормальных зародышей частота анеуплоидных бластомеров достаточно высока и составляет около 20 %Идентификация анеуплоидии в материале спонтанных абортусов I триместра беременности, культура клеток которых характеризовалась плохим ростом. У 19 % абортусов с признаками анэмбрионии (наличие оболочек при отсутствии собственно тканей эмбриона) имела место моносомия хромосом 7, 15, 21 и 22. Моносомия большинства аутосом несовместима с формированием бластоцисты, и такие эмбрионы погибают до имплантации. Вместе с тем, моносомия, по крайней мере, некоторых аутосом совместима с имплантацией и развитием провизорных органов, однако развитие тканей самого эмбриона прекращается уже во время имплантации или вскоре после нее. В отличие от аутосомных моносомий, общая частота трисомии аутосом на стадии бластоцисты (5-7 %) оказалась примерно такой же, как и среди эмбрионов, кариотипированных по клеткам биоптатов хориона (10-13-я недели беременности). Любопытно, что на стадии бластоцисты зарегистрированы только 4 типа трисомии (4, 6, 9 и 22), что, по всей вероятности, связано с недостаточностью выборки. Спектр спонтанных хромосомных аномалий на разных стадиях развития. Методы дифференциальной окраски, дающие более полное представление о кариотипе благодаря идентификации не только всех хромосом набора, но и большинства структурных перестроек, подтвердили высокий уровень хромосомных и геномных мутаций у абортусов I и II триместров беременности. Частоты и типы хромосомных аномалий, определенные разными группами исследователей, поразительно совпадают и свидетельствуют о специфике как в отношении типов хромосомных аномалий, так и хромосом, принимающих в них участие. Результаты кариотипирования абортусов, а также новорожденных с пороками развития позволяют составить прогноз их развития в зависимости от типа патологии.Анеуплоидия может затрагивать только часть клеток или быть ограниченной только одной тканью. Если для спонтанных абортусов, мертворожденных или даже для новорожденных с пороками развития ошибочное заключение о кариотипе не столь существенно, то последствия диагностических ошибок при кариотипировании развивающегося плода могут быть весьма серьезными. В связи с этим, принципиально важным является вопрос о прогностической значимости для развивающегося плода его кариотипа, установленного по клеткам хориона/плаценты. Большинство численных хромосомных аберраций, особенно аутосомные моносомии, несовместимы с нормальным внутри-утробным развитием и приводят к гибели плода уже на ранних сроках беременности (до 10-й недели) Обнаружен единственный случай полной формы моносомии 18 у плода 7-8-й недели развития. Трисомия аутосом На постимплантационных стадиях не зарегистрировано ни одного плода с трисомией хромосом 1 или 19. Предполагается, что трисомия по этим хромосомам вообще не совместима с постимплантационным развитием. Однако единичные случаи трисомии 1 обнаружены среди дробящихся зародышей, то есть их развитие возможно, по крайней мере, до стадии 10 бластомеров . Один случай мозаичной трисомии 1 в клетках цитотрофобласта зарегистрирован и в наших исследованиях. По-видимому, на более поздних стадиях такие зародыши либо погибают, либо происходит элиминация бластомеров с дисбалансом этих хромосом.Трисомия 2 (Тс2) описана лишь у спонтанных абортусов. При этом считается, что Тс2 характерна для клеток мезенхимной стромы ворсин хориона и выявляется лишь на препаратах культивированных клеток хориона. Однако нами выявлен случай Тс2 в цитотрофобласте при развивающейся беременности,а в литературе описаны случаи пренатальной диагностики и живорождения детей с мозаичной формой Тс2.Тс3 — одна из наиболее частых трисомий, характерных для клеток цитотрофобласта, причем доля три- сомных клеток может варьировать от единичных находок до полной формы.По-видимому, трисомии хромосом группы В, как и большинства хромосом группы С, также летальны и достаточно редки даже в клетках хориона. В наших исследованиях зарегистрирован один случай полной формы трисомии 4, ограниченной цитотрофобластом.Особого внимания заслуживают хромосомы 7, 8 и 9, для которых отмечена несколько повышенная, по сравнению с остальными хромосомами группы С, частота соответствующих трисомий в материале спонтанных абортов. Случаи Тс7, Тс8 и Тс9, выявленные пренатально и у новорожденных, свидетельствуют о сублетальном эффекте избытка генетического материала этих хромосом. Следовательно, наличие даже мозаичной формы этих трисомий в клетках хориона требует исследования кариотипа плода. Известно, что Тс7 является одной из характерных для трофобласта трисомий (19 случаев в наших исследованиях). Между тем, мозаичные формы трисомии 7 описаны и в культурах клеток амниотической жидкости, а также в фибробластах кожи у детей после рождения. Поэтому мнение, что Тс7 всегда ограничена цитотрофобластом , требует корректировки. Ограниченные плацентой полные формы трисомии по хромосомам группы С. Согласно многочисленным наблюдениям, для Тс21 (синдром Дауна) характерной является полная форма. Мозаичная Тс21 с доминирующей диплоидной линией в цитотрофобласте установлена в 4 случаях. Ни в одном из них диагноз не был подтвержден при исследовании лимфоцитов пуповинной крови плода или периферической крови новорожденного. Все случаи мозаичной Тс21 в цитотрофобласте нуждаются в дополнительных исследованиях на других клетках (амниоциты, лимфоциты пуповинной крови), так как прогноз для жизнеспособности у плодов с трисомией 21, в отличие от других сублетальных трисомий, как правило, благоприятен (22,1 %) Известно, что Тс22 существует как самостоятельный синдром Тс22, т. е. является сублетальной. Полная форма Тс22 зарегистрирована в цитотрофобласте лишь в одном случае; еще в трех она была представлена мозаичным вариантом. У спонтанных абортусов до 10-й недели беременности достаточно высока частота двойных и тройных трисомий по разным хромосомам . В большинстве случаев двойные трисомии, независимо от хромосом, принимающих в них участие, являются летальными . Наиболее частыми являются ди- или трисомии половых хромосом. Именно эти случаи представляют наибольшую сложность для генетического консультирования — благоприятный антенатальный прогноз и совместимость с жизнью после рождения усугубляют проблему медико-генетических рекомендаций при выявлении у плодов анеуплоидии ХУУ, XXV, XXX. Кариотип 47,ХУУ не влияет на жизнеспособность плода, тогда как только 55,3 % плодов с кариотипом 47,XXУ и 70 % с 47,XXX способны завершить внутриутробное развитие. При этом трипло-Х фактически не сказывается на развитии (среди спонтанных абортов эта аномалия встречается редко — 0,1-0,2 %), тогда как вероятность спонтанного прерывания беременности на более поздних стадиях, а также мертворождение заметно выше. Моносомия. Единственная форма моносомии, совместимая с внутриутробным и постнатальным развитием — моносомия Х. На ранних стадиях наличие единственной Х-хромосомы зачастую приводит к гибели — среди спонтанных абортов частота плодов 45,Х — самая высокая и достигает почти 10 %. Мозаицизм Х/ХХ представляет одну из самых серьезных проблем пренатальной диагностики. Высокая частота моносомии Х в клетках цитотрофобласта диктует необходимость дополнительных исследований кариотипа амниоцитов или, что предпочтительнее, лимфоцитов пуповинной крови. Однако даже незначительная доля клеток с кариотипом 45,Х в лимфоцитах плода не является гарантией рождения здоровой девочки. Полиплоидия. Полиплоидия совместима с внутриутробным развитием у человека лишь в виде триплоидии 69,ХХХ и 69,XXУ. Почти каждый 10-й спонтанный абортус является триплоидным. При такой высокой смертности на ранних стадиях неожиданно высокой кажется частота триплоидии при прогрессирующей беременности (0,25 %). Мозаичных вариантов 2п/3п не выявлено. Что касается тетраплоидии, то на прямых препаратах из образцов хориона, особенно в I триместре беременности, она встречается довольно регулярно, при этом частота тетраплоидных клеток цитотрофобласта может достигать 100 %. Однако эта форма полиплоидии при развивающейся беременности ограничена исключительно плацентой. ЗаключениеМногие типы хромосомных аномалий, такие как моносомии аутосом, гаплоидия, тетраплоидия встречаются только на доимплантационных стадиях развития; спектр численных хромосомных аберраций на разных стадиях постимплантационного развития в целом соответствует таковому у мертворожденных или живорожденных; некоторые трисомии, считающиеся летальными (Тс2, Тс3), представлены полными формами только в экстраэмбриональных тканях, другие (Тс7, Тс20, Тс22) могут быть как ограничены плацентой, так и встречаться в отдельных тканях или органах плода; большинство сублетальных трисомий (Тс13, 18, 21) представлено в виде полных форм как в эм-бриональных, так и в экстраэмбриональных тканях; совместимость с внутриутробным развитием и даже с живорождением многих типов трисомий, особенно их мозаичных форм, указывает на необходимость пересмотра существующей классификации летальных и сублетальных трисомий. Литература Баранов В.С., Кузнецова Т.В 2006. Глава 5. Стр 150 – 175. Цитогенетика эмбрионального развития человека.
Просмотров работы: 1014