X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
ХИМЕРИЗМ – МНОГОГРАНОЕ ЯВЛЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Химеризм – явление, при котором организм состоит из генетически разнородных клеток; в результате могут образовываться мужские и женские половые органы, две группы крови или проявляться незначительные изменения в фенотипе.Химеры среди животных образуются путем слияния нескольких оплодотворенных яйцеклеток. Кроме того химеризм у животных может возникнуть при трансплантации органов, в результате чего у одного организма появляются ткани с двумя разными генотипами. Например, трансплантация костного мозга может изменить группу крови. Обычно химеризм не выявляется при стандартном обследовании, но он может быть выявлен при генетическом анализе.
Впервые термин «химеризм» был применен в 1907 году немецким ботаником Г. Винклером для форм растений, которые были получены в результате скрещивания паслёна и томата. В 1909 году Э. Баур, изучая пеларгонию пестролистную, объяснил природу данного явления для растений. Наши соотечественники также внесли вклад в исследование химеризма. М. С. Навашин и Л. П. Бреславец занимались описанием естественных растительных химер.[4]
Животные химеры - организмы, которые состоят из генетически различных клеток, происходящих от двух и более разных зигот. Химеризм у животных нужно отличать от мозаицизма, присутствия в одном организме генетически разнородных клеток, происходящих от одной зиготы. Каждая группа клеток сохраняет свои собственные характеристики, приводя к тому, что организм представляет собой сочетание различных тканей.
Итак, химеризм у животных может быть как результатом индивидуального развития организма (онтогенеза, врожденный химеризм), так и результатом трансплантации органа, ткани (например, костного мозга или переливания крови, искусственный химеризм).
Врожденный химеризм бывает двух форм: тетрагаметизм и микрохимеризм. Тетрагаметизм – это форма врожденного химеризма, возникающая в результате оплодотворения двух отдельных яйцеклеток двумя сперматозоидами, с последующим их объединением на стадии бластоцисты или зиготы и развитием организма со смешанными клеточными линиями. Иными словами, химера образуется от слияния двух разнояйцовых близнецов (хотя подобное слияние может происходить, по-видимому, и с однояйцевыми близнецами, но так как их ДНК почти идентичны, данный факт будет трудно экспериментально подтвердить).
Тетрагаметные химеры могут быть женского или мужского пола, или иметь признаки, характерные для гермафродитов. В процессе онтогенеза может произойти так, что клетки разных органов будут обладать разным набором хромосом. Например, печень химеры может состоять из клеток с одним набором хромосом, а почки – из клеток с другим набором хромосом. Это явление встречается у людей и является довольно распространенным. У разнояйцовых близнецов химеризм возникает из-за анастомозов кровеносных сосудов, между разнополыми плодами, в результате чего между ними происходит обмен половыми гормонами и предшественниками половых клеток. Кроме того, вероятность того, что плод будет химерой, возрастает при экстракорпоральном оплодотворении. Многие химеры проживают целую жизнь, не зная о своем состоянии. Различия в фенотипе могут быть незначительными (например, различие в форме большого пальца: слегка отличающиеся друг от друга по цвету глаза, разная скорость роста волос на разных участках тела, и тд.) или абсолютно незаметными. Химеризм также может быть показан с помощью определенного спектра ультрафиолетового излучения, при котором на спине видны отличительные пятна, напоминающие стрелку, указывающую вниз от плеч до поясницы; это является проявлением неравномерности распределения пигмента в клетках дермы, называемой линиями Блашко. У людей химеризм определяется наличием в организме двух групп эритроцитов, или, если соединившиеся зиготы были разнополые, двойственных половых органов; у такого человека могут различаться участки кожи и волосы (по структуре и цвету) или цвет глаз (гетерохромия). Следует отметить, что частота этого явления не показывает истинное распространение химеризма. Большинство химер не имеют фенотипических проявлений, чего следовало бы ожидать при равномерном распределении двух разных групп клеток по всему телу. Довольно часто большинство клеток ткани образовано из одной клеточной группы, например, кровь состоит из клеток одной группы, а внутренние органы – из другой.
Естественных химер практически невозможно обнаружить до проявления аномалий, таких как гермафродитизм или неравномерная пигментация. Наиболее заметные случаи естественного химеризма – черепаховая окраска у самцов кошек или двойственные половые органы. Тетрагаметизм оказывает влияние на трансплантацию костного мозга или органов. Обычно химеры имеют иммунологическую толерантность к обеим клеточным линиям.
Существование химеризма создает проблемы при анализе ДНК, что влияет на применение законов семейного и уголовного права. Дело Лидии Фэйрчаилд, например, было доведено до суда после того, как ДНК анализ показал, что ее дети не могли быть ей биологически родными. Женщина была обвинена в мошенничестве, а также было оспорено ее право на опеку над детьми. Обвинения против нее были сняты, когда стало понятно, что Лидия – химера, а ДНК, совпадающее с ДНК детей, было найдено в ее шейных тканях. Также известна история Карэн Кигэн, которую обвинили в том, что она не является биологической матерью своих детей, после того, как ее взрослые сыновья прошли тест ДНК для определения подходящего донора для пересадки почки женщине.
Микрохимеризм— явление, характеризующееся наличием в многоклеточном организме плацентарных млекопитающих небольшого количества клеток, которые происходят и самостоятельно передаются в обход полового размножения от другого родственного многоклеточного организма и, следовательно, генетически отличны от клеток хозяина-носителя. Многие люди рождаются с несколькими клетками, идентичными материнским, и количество этих клеток в здоровых организмах уменьшается в ходе онтогенеза. У людей, у которых количество клеток, генетически идентичных клеткам матери, остается высоким, наблюдалось большее количество аутоиммунных заболеваний, вероятнее всего из-за того, что общий иммунный дефект препятствует уничтожению клеток с другой ДНК иммунной системой. Если в крови больного содержатся клетки человека противоположного пола, химеризм легко выявить, обнаружив клетки с женским и мужским кариотипами. В остальных случаях проводят типирование клеток крови больного по HLA. Кроме того, у женщин возможен фетальный микрохимеризм – миграция клеток плода в организм матери, а также переход из кровотока матери в организм плода клеток от предыдущих беременностей (миграция клеток старших братьев и сестер к младшим через посредничество матери).
Ученые не могут прийти к единогласному мнению по поводу влияния фетального микрохимеризма на состояние здоровья матери: данные одних исследований говорят о том, что фетальные клетки в организме матери активизируют иммунитет и вызывают ремиссию аутоиммунных заболеваний, в то время, как результаты других исследований утверждают обратное: фетальный микрохимеризм может вызвать дальнейшее прогрессирование аутоиммунных заболеваний у матери.[9]
Как и у некоторых других млекопитающих, у человека возможен обмен клетками между близнецами в ходе внутриутробного развития. Миграция клеток происходит через общую плаценту (плацентарные анастомозы). Гетерозиготные близнецы имеют свои собственные плаценты, однако было описано несколько случаев, когда гетерозиготные близнецы питались от общей плаценты. В такой ситуации происходит обмен кровью между близнецами, которые не являются генетически идентичными, что приводит к химеризму клеток крови и, возможно, других тканей.[5] Предполагают, что частота этого явления недооценена и увеличивается с применением вспомогательных репродуктивных технологий. Теоретически химеризм у гомозиготных близнецов невозможен, так как они генетически идентичны и происходят от одной зиготы. Редкие наблюдения показывают, что обмен клетками между такими близнецами всё-таки происходит. Описан случай монохориональной диамниотической беременности, при которой у одного из близнецов на ранней стадии развития возникла трисомия по 21 хромосоме. При рождении один из близнецов имел фенотипические признаки страдающего синдромом Дауна, второй имел нормальный фенотип. Анализ микросателлитной ДНК показал, что близнецы были действительно гомозиготными. При этом в клетках эпителия ротовой полости каждого близнеца были обнаружены только его собственные клетки (дисомические или трисомические по 21 хромосоме), а в то крови содержались клетки обоих близнецов. Это явление называется химеризмом клеток крови и объясняется тем, что близнецы с монохориональной плацентой в 70 % случаев обмениваются кровью в период развития.
Естественным путем симбиотический химеризм возникает у цератиевых удильщиков и является важной частью их жизненного цикла. Как только самец достигает возраста полового созревания, он начинает искать самку, используя сильные обонятельные рецепторы. Найдя самку, самец, который меньше 2,5 сантиметров в длину, кусает ее кожу и выпускает фермент, разъедающий кожу его рта и ее тело, объединяю пару на уровне кровеносных сосудов. И хотя это присоединение является необходимым для выживания самца, оно со временем поглощает, объединяя обоих удильщиков в один гермафродитический организм. Иногда в ходе этого странного ритуала, несколько самцов присоединяются к самке как симбионты, они все будут поглощены телом большей самки удильщика. Соединившись с самкой, самцы достигают половой зрелости, развивая большие яички, в то время как все остальные органы атрофируются. Этот процесс создает постоянное присутствие во время метания икры, таким образом, рыбы-химеры могут воспроизводить большее количество потомков.[10]
Для исследований химер создают искусственно, пересаживая клетки эмбриона от одного организма в эмбрион другого и позволяя возникающей бластоцисте развиваться. Также как и при клонировании, процесс создания и вживления химер неточен, процесс развития многих эмбрионов может непроизвольно прекращаться. Успешные эксперименты ведут к крупным достижениям в области эмбриологии, так как создание химеры из клеток особей одного вида с разными физическими признаками позволяет ученым проследить дифференциацию эмбриональных клеток при формировании систем органов во взрослом организме.
Первыми известными приматами-химерами были близнецы макаки-резус, Року и Хекс, каждый из которых имел 6 геномов. Они были созданы путем смешения 4 тотипотентных клеток бластоцист, которые объединившись «работали» вместе, формируя органы. Также было обнаружено, что один из этих приматов, Року, был половой химерой; 4 процента клеток крови Року содержали две X-хромосомы.[8]
Крупный прорыв в области экспериментов над химерами произошел в 1984 году, когда путем комбинирования эмбрионов овцы и козы была получена химера овцы и козы, дожившая до взрослого возраста. Создание этой химеры выявило несколько трудностей в развитии такого организма. При имплантации эмбриона козы для вынашивания в овцу иммунная система овцы отторгает развивающийся эмбрион, в то же время эмбрион химеры имеет иммунные маркеры обоих видов, позволяя эмбрион пережить имплантацию в самку любого из родительских видов.[1]
В августе 2003 года исследователи Второго Шанхайского Медицинского Университета в Китае объявили, что они успешно объединили клетки человеческой кожи и яйцеклетку кролика, создав первый эмбрионы человеческой химеры. Эмбрионы развивались несколько дней в лабораторных условиях, а затем были уничтожены с целью сбора образовавшихся стволовых клеток. В 2007 году ученые Медицинской школы Университета Невады в Рино создали овцу, кровь которой содержала 15% человеческих клеток и 85% овечьих.
Мыши-химеры играют важную роль в исследовании данного явления, так как они позволяют ответить на многие вопросы о том, какие процессы происходят в животном организме, у которого есть две генетически разных группы клеток. Химерные мыши могут быть созданы при помощи либо инъекции, либо агрегации клеток эмбрионов разного происхождения.[3] Первая мышь-химера была создана Беатрисой Минц в 1960 году агрегацией эмбрионов на стадии 8 клеток. Первая инъекция, в свою очередь, впервые была проведена Ричардом Гарднером и Ральфом Бринстером, которые ввели клетки в бластоцисту, создав мышь-химеру, половые клетки которой полностью развились из введенных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). ЭСК являются полезным средством при исследовании химер, так как можно вызвать мутации генов в них, используя гомогенные рекомбинации, дающие возможность производить замену генов. После того, как это открытие было сделано в 1999 году, оно стало основным средством создания целого поколения специализированных мышей-химер. Знание ранних стадий развития мыши позволило создавать химер этого вида. Эмбрион можно превратить в химеру на стадии дробления (от двух до восьми клеток), так как на этой стадии развития еще не началась клеточная дифференциация. Существует возможность препарировать эмбрион на другой стадии и, выделив группу клеток, дающую начало определенной клеточной линии, пересадить их другому эмбриону.
Существует множество различных комбинаций, из которых можно успешно вывести химеру, и, в соответствии с целью эксперимента, подобрать нужную комбинацию клеток и эмбриона; основными комбинациями являются сочетания ЭСК и диплоидного эмбриона, диплоидного эмбриона с диплоидным эмбрионом, ЭСК и тетраплоидный эмбрион, диплоидный и тетраплоидный эмбрион, ЭСК и ЭСК. Комбинация эмбриональных стволовых клеток и диплоидных эмбрионов является довольно распространённым методом, так как замена гена может быть проведена в ЭСК.
Этические и правовые вопросы данной проблемы. Любое новое направление в экспериментальной области биологии и медицины вызывает этические и правовые споры. В США и Западной Европе существуют строгие правовые и этические нормы, которые категорически запрещают определенные эксперименты с использованием человеческих клеток, но нормативно-правовая база в разных государствах отличается. Создание человеческой химеры поднимает вопрос: что же теперь значит понятие «человек»? Этот вопрос затрагивает серьезные легальные и этические проблемы и создает множество противоречий. Например, шимпанзе не имеют правового статуса, и если животное представляет угрозу людям, то его убивают. Если же шимпанзе генетически изменены, что делает их более похожими на людей, это может размыть нравственную грань между понятиями «человек» и «животное». Правовые дебаты являются следующим шагом в процессе решения вопроса о том, следует ли предоставлять химерам юридические права. Кроме вопросов, связанных с правами химер, людей также заботит вопрос о том, унижает ли достоинство человека создание химер с человеческими клетками. Этические дебаты в свою очередь вызывают соответствующий отклик в правовой сфере. В мае 2008 года оживленные дебаты в Палате общин Великобритании на тему этичности создания химер с использованием человеческих стволовых клеток привели к принятию решения, согласно которому химерные эмбрионы можно создавать в лабораторных условиях, при условии, что их уничтожат в течение 14 дней. 11 июля 2005 года сенатор Сэм Браунбэк представил Конгрессу США законопроект, Акт о запрете человеческих химер, но законопроект не был принят. Законопроект был создан с основой на исследование, согласно которому ученые в своих исследованиях достигли такого уровня, что человек и другие животные виды могут быть объединены для создания новой формы жизни. В результате этого могут возникнуть серьезные этические вопросы, так как при экспериментах размывается граница между человеком и животным, и, в соответствии с законопроектом, нарушение этой границы является проявлением неуважения к человечеству. Последним пунктом в Акте о запрете человеческих химер было заявление о том, что имеет место увеличение количества зоонозных заболеваний и создание химер человек-животное может дать возможность этим заболеваниям поразить людей. После «смерти» этого законопроекта в конгрессе в США больше не предпринималось ни одной попытки создать ограничения в исследованиях химер.
В настоящее время ведутся активные исследования в различных областях медицины и биотехнологий с применением искусственно созданных химер. Уже сейчас химер, созданные из человеческих клеток, используют для изучения различных заболеваний. Так, ученые из Рочестерского университета в США (штат Нью-Йорк) и Копенгагенского университета в Дании, используя химерных мышей с человеческими ганглиозными клетками, нашли подтверждения тому, что одной из возможных причин развития шизофрении является патология клеток головного мозга.[11] Кроме того, данные исследований доказывают, что искусственно созданных химер можно использовать для создания трансплантатов отдельных органов, генетически идентичных реципиенту.[2] Таким образом, можно сделать вывод, что химеризм активно изучается и используется в медицине.
Выражаю благодарность своему научному руководителю -доктору биологических наук, профессору Соловых Галине Николаевне.
Список литературы
Анина Н. Овцекозы: гибриды и химеры. Химия и жизнь – XXI век – 2015 - №1 - с. 16-17
Наймак, Елена. Новые мифы о творении. Новый мир – 20009 - №2 – с. 138-151
Большая Медицинская Энциклопедия.
Кренке Н. П. Химеры растений. — М—Л.: АН СССР, 1947. — 386 с.
Chen K., Chmait R. H., Vanderbilt D., Wu S., Randolph L. Chimerism in monochorionic dizygotic twins: case study and review // Am J Med Genet A. — 2013. — Т. 161A, вып. 7. — С. 1817—24
Gengozian, N.; Batson, JS; Eide, P. (1964). "Hematologic and Cytogenetic Evidence for Hematopoietic Chimerism in the Marmoset, Tamarinus Nigricollis".
Friedman, Lauren. "The Stranger-Than-Fiction Story Of A Woman Who Was Her Own Twin”
Masahito Tachibana, Michelle Sparman and Shoukhrat Mitalipov (January 2012) "Generation of Chimeric Rhesus Monkeys»
Yu N., Kruskall M. S., Yunis J. J., Knoll J. H., Uhl L., Alosco S., Ohashi M., Clavijo O., Husain Z., Yunis E. J., Yunis J. J., Yunis E. J. Disputed maternity leading to identification of tetragametic chimerism // N Engl J Med. — 2002. — Т. 346, вып. 20. — С. 1545—52.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница
https://www.rmj.ru/news/khimernye-myshi-pomogli-uchenym-iz-danii-i-ssha-ustanovit-vozmozhnuyu-prichinu-razvitiya-shizofrenii/