X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Я выбрала данную тему, потому что считаю ее очень актуальной в наше время. Сейчас большинство людей живут карьерой, а к мыслям о создании семьи приходят уже после 30 лет, но как раз после этого возраста значительно уменьшается вероятность рождения полностью здорового ребенка. Исландские генетики провели беспрецедентное по масштабу исследование мутагенеза у современных людей, проанализировав полные геномы 1548 «троек», включающих пару родителей и их потомка. Оказалось, что каждый новорожденный получает в среднем 70 новых мутаций, которых не было у родителей. Подтвердился быстрый рост числа новых мутаций с возрастом отца: каждый год жизни отца прибавляет его потомству в среднем 1,5 мутации.

Распределение «материнских» мутаций по геному оказалось неравномерным: в нескольких участках частота их возникновения резко повышена. По-видимому, это связано с тем, что в этих участках чаще всего рвутся хромосомы в стареющих ооцитах.

Мутация (лат. mutatio — изменение) — стойкое преобразование генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды.

Геномные мутации

Хромосомные мутации

Генные мутации

Цель: изучить влияние возраста на частоту геномных и хромосомных мутаций

Задачи:

Рассмотреть геномные и хромосомные мутации

Выявить, как влияет возраст на частоту геномных и хромосомных мутаций

Геномные мутации

Геномные мутации - это мутации, которые приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного гаплоидного набора хромосом.

Причины: нарушения при расхождении хромосом.

Анеуплоидия — изменение (уменьшение — моносомия, увеличение — трисомия) числа хромосом в диплоидном наборе, некратное гаплоидному (2n + 1, 2n - 1 и т.д.).

Полиплоидия — увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (3n, 4n, 5n и т.д.).

У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидии являются летальными мутациями.

К наиболее частым геномным мутациям относятся:

трисомия — наличие трех гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре, при синдроме Дауна, по 18-й паре при синдроме Эдвардса, по 13-й паре при синдроме Патау; по половым хромосомам: XXX, ХХY, ХYY);

моносомия - наличие только одной из двух гомологичных хромосом.

При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная моносомия у человека, совместимая с жизнью, - моносомия по Х-хромосоме - приводит (к синдрому Шерешевского-Тернера (45, Х0).

Термин «нерасхождение» означает отсутствие разделения хромосом или хроматид в мейозе или митозе. Нерасхождение хромосом наиболее часто наблюдается во время мейоза. (Рис.1) Хромосомы, которые в норме должны делиться во время мейоза, остаются соединенными вместе и в анафазе отходят к одному полюсу клетки. Таким образом, возникают две гаметы, одна из которых имеет добавочную хромосому, а другая не имеет этой хромосомы. При оплодотворении гаметы с нормальным набором хромосом гаметой с лишней хромосомой возникает, при оплодотворении гаметой без одной хромосомы возникает зигота с моносомией. Если моносомная зигота образуется по какой-либо аутосомной (не половой) хромосоме, то развитие организма прекращается на самых ранних стадиях развития.

Хромосомные мутации

Хромосомные мутации – изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п.

Причины: нарушения при кроссинговере.

Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные.

Внутрихромосомные мутации — это аберрации в пределах одной хромосомы. (Рис. 2) К ним относятся:

делеции (от лат. deletio — уничтожение)— утрата одного из участков хромосомы, внутреннего или терминального. Это может обусловить нарушение эмбриогенеза и формирование множественных аномалий.

инверсии (от лат. inversio — перевертывание) - в результате двух точек разрывов хромосомы образовавшийся фрагмент встраивается на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается только порядок расположения генов;

дупликации (от лат duplicatio — удвоение) — удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы. (Рис. 3)

Межхромосомные мутации— обмен фрагментами между негомологичными хромосомами. Такие мутации получили название транслокации(от лат. Tгаns-за, через + locus -место).

реципрокная транслокация, когда две хромосомы обмениваются своими фрагментами;

нереципрокная транслокация, когда фрагмент одной хромосомы транспортируется на другую;

«центрическое» слияние (робертсоновская транслокация) - соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч.

При поперечном разрыве хроматид через центромеры «сестринские» хроматиды становятся «зеркальными» плечами двух разных хромосом, содержащих одинаковые наборы генов. Такие хромосомы называют изохромосомами.

Частота возникновения мутаций

Методы оценки.

Чтобы оценить частоту возникновения мутаций, необходимо подсчитать число тех случаев, когда какой-либо признак или наследственная болезнь не обнаруживаются у родителей и других членов семьи пробанда (т. е. число спорадических случаев). Точно оценить частоту хромосомных аберраций стало возможно после того, как Курт Браун предложил изучать популяционные выборки, например выборки новорожденных. Частота мутации рассчитывается по простой формуле:

Этот так называемый прямой метод может применяться как для признаков, детерминируемых одним геном, так и в случае геномных и хромосомных мутаций.

Когда эта оценка основана на данных о сериях новорожденных, ее следует считать заниженной, так как в ней учтены лишь те мутации, носители которых выживают к моменту рождения. У человека же, равно как и у других млекопитающих, преобладающее большинство геномных и хромосомных мутаций летально и обусловливает гибель зиготы.

Частота возникновения геномных мутаций. Данные об аномалиях по числу половых хромосом и аутосом, выявленных в семи разных исследованиях новорожденных, приведены в (табл. 1,2) В (табл. 3) даны оценки частот возникновения мутаций.

Частота возникновения хромосомных мутаций. Данные о числе структурных аномалий аутосом приведены в (табл. 2). В тех работах, в которых они были получены, применялся стандартный метод окрашивания ацетоорсеином. Последующие исследования с использованием методов дифференциальной окраски дали несколько большие частоты сбалансированных реципрокных транслокаций и особенно инверсий, однако и их значения относительно невелики. Делеции можно считать мутациями de novo. Соответствующий расчет дает оценку их частоты, равную 4,57 х 10–5. Джекобc и др., основываясь на менее обширном материале, получили следующие оценки частот аберраций: 1,9 х 10–4 – 2,2 х 10–4 для всех сбалансированных перестроек (транслокаций и инверсий) вместе; 3,24 х 10–4 для несбалансированных робертсоновских транслокаций ¹и 3,42 х 10–4 для несбалансированных неробертсоновских перестроек. Эти частоты рассчитаны из данных о пробандах, «доживших до стадии распознаваемой беременности», т. е. включая абортусов. Они представляют потенциальный интерес, так как именно структурные аберрации хромосом у новорожденных весьма перспективны для использования в будущих программах мониторинга популяций на возможное увеличение темпа мутирования в результате действия мутагенных факторов, например, ионизирующей радиации.

Возраст женщины

Около 95% случаев хромосомных синдромов обусловлены ошибочным распределением хромосом при формировании яйцеклетки. Вероятность такой ошибки есть всегда и у всех, поскольку одно из нормальных свойств ДНК – совершать ошибки. Дело лишь в уровне вероятности. Хочу подчеркнуть, что на качество хромосом не оказывают существенного влияния образ жизни или привычки, единственный значимый фактор – возраст женщины. Цифры скажут сами за себя: вероятность хромосомной аномалии для 20-25-летних 1:1300, для 30-летних 1:750, для 35-летних 1:300, для 40-летних 1:80, для 45-летних 1:5.

Лишь часть этих ошибок приведет к рождению ребенка с синдромом, большинство беременностей самопроизвольно прервется. Но ни тот, ни другой результат нельзя назвать желаемым. Однако, управлять своими хромосомами никто не властен. Не зря запас яйцеклеток ограничен (от 400 до 500 на всю жизнь), а вместе с ним и репродуктивный возраст женщин. Тут, кстати, будет не лишним напомнить о возможности выявить хромосомную аномалию во время беременности благодаря скринингу и пренатальной диагностике.

Известно, что анеуплоидия является, главным образом, следствием аномальной сегрегации хромосом в оогенезе. При этом основное число анеуплоидов возникает в результате нерасхождения хромосом в 1-м делении мейоза. В чем смысл и каковы биологические механизмы «старения яйцеклетки» с возрастом женщины остается малопонятным. Для объяснения этого феномена было выдвинуто несколько гипотез. Рассмотрим некоторые из них.

Гипотеза «ограниченного пула» основана на предположении о том, что по мере старения организма истощается пул ооцитов, и в каждом цикле уменьшается среднее число антральных фолликулов. При этом хромосомы в «перезрелых» ооцитах возрастных женщин более подвержены нерасхождению. Эти процессы не связаны напрямую с хронологическим возрастом женщины, хотя во многом свойственны именно стареющему организму. Косвенно эту гипотезу подтверждают экспериментальные данные и некоторые клинические наблюдения. Так, отмечено повышение уровня анеуплоидных ооцитов у мышей с одним удаленным яичником, а также рождение детей с анеуплоидным кариотипом пациентками с синдромом Тернера, имеющими частичную дисгенезию гонад.

Не утратила своего значения сегодня и гипотеза «продуктивной линии». Она основана на предположении, что в эмбриональном яичнике млекопитающих существует определенный порядок вступления оогониев в мейоз: первичные половые клетки, первыми достигшие зачатков гонад, первыми вступают в мейоз и впоследствии первыми овулируют. Для них характерна высокая частота хромосомных рекомбинаций (хиазм) в отличие от оогониев, которые позже вступили в мейоз. Вследствие различий в частоте хиазмообразования ранние ооциты характеризуются низким числом унивалентов и, соответственно, низкой частотой нерасхождения хромосом в первом делении мейоза, тогда как ооциты, овулирующие позже, имеют повышенную частоту унивалентов и, соответственно, более высокую частоту анеуплоидии.

Возраст мужчины

Мужчины способны сохранять фертильность до старости. Если, конечно, не испортят сами этот дар природы, поскольку мужские половые клетки как раз очень чувствительны к внешним воздействиям. В отличие от яйцеклеток, сперматозоиды образуются в огромном количестве (около 20 миллионов в 1 мл спермы) и это обеспечивает конкуренцию между ними. Именно благодаря такой конкуренции у сперматозоида с лишней хромосомой практически нет шансов на оплодотворение, поскольку он тяжелее и медленнее нормальных. Длительное время считалось, что возраст мужчины вообще не влияет на генетический материал сперматозоидов, передаваемый потомкам. Но целый ряд исследований последних десятилетий говорит об обратном.

Частота спонтанных прерываний беременности у женщин моложе 30 от мужчин старше 40 в два раза выше, чем от мужчин 25-30-летних. Это можно объяснить хромосомными аномалиями, причиной которых стали сперматозоиды с нехваткой хромосом. Кроме того, ДНК спонтанно изменяется не только на уровне хромосом, но и на уровне генов. Это определяет возникновение мутаций de novo, то есть таких, которых у самого родителя нет, но они появились в его половых клетках и будут у потомства. Так вот, подавляющее большинство (около 90%) мутаций de novo возникают именно в сперматозоидах мужчин старше 35 лет. Если новая мутация рецессивная, то она пополнит «молчаливый» генетический груз, который лишь при определенном стечении обстоятельств может проявиться в следующих поколениях. Но если возникла доминантная мутация, то она проявится у самого ребенка. Таких моногенных доминантных заболеваний очень много, их гены хорошо изучены и позволяют точно установить происхождение мутации. Общий риск рождения ребенка с доминантной мутацией составляет 0,001-0,004%, а для мужчин старше 40 лет он на два порядка выше: 0,1-0,4%.

А еще есть группа заболеваний, в развитии которых важна генетическая составляющая, но она пока точно не известна. Это, например, онкология у детей, шизофрения, аутизм. Оказалось, есть прямая связь между риском этих заболеваний и возрастом родителей. Особенно возрастом отцов.

Нерасхождение хромосом и возраст родителей. Статистика.

Чем старше родители, тем больше вероятность рождения у них ребенка с синдромом Дауна². Этот факт известен уже много лет. На (График 1) представлены частоты новорожденных с синдромом Дауна у матерей из разных возрастных групп. До 29 лет величина риска изменяется незначительно, однако начиная с 35-39, лет кривая круто идет вверх. Данные амниоцентеза у женщин старше 35 лет показали, что оценки риска возникновения трисомии по 21-й хромосоме занижены. Ведь старые статистические данные были собраны до наступления хромосомной эры. Смещение оценок, по-видимому, связано с не всегда правильной постановкой диагноза или с большей вероятностью мертворождений для детей с синдромом Дауна. Различия частот, еще более выраженные в случае трисомии по 13-й и 18-й хромосомам, можно объяснить эмбриональной смертностью за период от проведения амниоцентеза (≈ 16-17 недель беременности) до родов. Последние данные свидетельствуют о действительном увеличении риска рождения ребенка с трисомией для матерей в возрасте от 35 лет и старше. В печати появились сообщения об определенном выравнивании кривой риска рождения трисомиков при переходе к самой старой возрастной группе (матери в возрасте от 46 до 49 лет).

Возрасты матерей и отцов обычно коррелируют: чем старше жены, тем, как правило, старше их мужья. В случае синдрома Дауна, возрастание риска, как показал еще в 1933 г. Пенроуз, обусловлено увеличением возраста матери. Основываясь на данных о 150 случаях, в которых известен и возраст матери, и возраст отца, он получил следующие частные коэффициенты корреляции:

а) частную корреляцию между возрастом матерей и частотой детей с синдромом Дауна при постоянном возрасте отцов r = +0,221;

б) частную корреляцию между возрастом отцов и частотой синдрома Дауна у их детей r = — 0,011.

Вычисление частных корреляций позволяет оценить корреляции между двумя переменными, исключив влияние третьей. Пенроуз провел анализ тех же данных с использованием метода регрессии и получил практически такой же результат.

Эффект возраста матери признавался и неоднократно подтверждался на протяжении 50 лет. Однако несколько лет назад были опубликованы данные, свидетельствующие о некотором влиянии возраста отца, дополняющем влияние возраста матери. Речь идет об изучении 224 пациентов с синдромом Дауна, родившихся в Дании между 1960 и 1971 годами, 176 из которых были идентифицированы с помощью цитогенетических методов как трисомики по 21-й хромосоме. Эту выборку сравнивали с контрольной – 6053 отобранными случайным образом индивидами, родившимися в той же стране и в тот же период времени, а также с выборками, описанными в литературе.

Получены следующие результаты:

1) риск иметь детей с синдромом Дауна значительно повышен для мужчин от 55 лет и старше;

2) почти во всех крупных выборках, изучавшихся в опубликованных работах, эта трисомия связана со случаями, когда возраст отца сильно превышает возраст матери.

3) при сравнении пациентов и контроля методом частной корреляции по отдельным группам, выделенным в соответствии с возрастом матерей, было обнаружено, что доля отцов детей с синдромом Дауна возрастает, хотя и незначительно, с увеличением возраста отцов. Этот вывод подвергается все новым и новым проверкам, приводящим к протиречивым результатам.

Зависимость частоты трисомий от возраста матери

(График 2) иллюстрирует влияние материнского возраста на частоту различных трисомий среди всех клинически диагностируемых беременностей (то есть у живорожденных и спонтанных абортусов) при предположении, что частота спонтанных абортов составляет 15%. Как мы видим, существует сильный эффект возраста матери: у женщин старше 42 лет около одной трети всех клинически диагностируемых зачатий аномальны. Если предполагать, что нерасхождение приводит к возникновению равного числа моносомных и трисомных зигот, то можно считать, что большинство ооцитов у женщин старших возрастов анеуплоидны.

Заключение

Таким образом, не вызывает сомнения, что образование анеуплоидных гамет зависит от возраста и пола, однако механизмы этих феноменов, несмотря на наличие многих гипотез, остаются до конца невыясненными. Соответственно, неясны и возможные пути предупреждения образования хромосомных аномалий в процессе гаметогенеза. Единственным реальным способом профилактики хромосомных болезней у потомства в настоящее время остается пренатальная, в т. ч. доимплантационная диагностика.

Хромосомы человека обнаруживают постоянный в течение многих поколений уровень индивидуальной изменчивости, известной также под названием гетероморфизма. Каждый человек ответственен за наследственное благополучие своих детей, при этом важным фактором является его биологическое образование, так как знания в области аномалии, физиологии, генетики предостерегут человека от совершения ошибок.

Список литературы

1. Баранов В.С., Кузнецова Т. В. Цитогенетика эмбрионального развития человека: Научно-практические аспекты — СПб: Издательство Н-Л,2009. — 640 с.. 2009.

2. Мутирующее человечество: что мы узнали о своих мутациях за 15 лет геномной эры, «Элементы»

3. Augustine Kong, Bjarni V. Halldorsson, Agnar Helgason, Daniel F. Gudbjartsson & Kari Stefansson. Parental influence on human germline de novo mutations in 1,548 trios from Iceland // Nature. Published online 20 September 2017.

4. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: в 3-х т. Т. 2: Пер с англ.

Приложения

Рис. 1 Схема нерасхождения хромосом в гаметогенезе и результаты оплодотворения

Рис. 2 Виды хромосомных мутаций

Рис. 3 Схемы наиболее частых хромосомных аберраций. Делеции: 1 - концевая; 2 - интерстициальная. Инверсии: 1 - перицентрическая (с захватом центромеры); 2 - парацентрическая (в пределах одного плеча хро­мосомы).

Табл. 1 Частота аномалий по половым хромосомам в семи популяционных выборках.

Табл. 2 Частота аутосомных аномалий (геномных и хромосомных мутаций) у 54749 новорожденных

Табл. 3 Частота геномных мутаций по результатам изучения новорожденных.

График 1. Частота новорожденных с синдромом Дауна (с указанием 95% доверительных интервалов).

График 2. Частота случаев трисомий среди всех клинически диагностируемых беременностей, включая спонтанные аборты, исходя из предположения, что частота спонтанных абортов составляет 15%.

1^ Робертсоновская транслокация — хромосомная перестройка, при которой происходит слияние двух акроцентрических хромосом с образованием одной метацентрической или субметацентрической хромосомы.

2^ Синдром (болезнь) Дауна (СД) – синдром трисомии 21 – самая частая форма хромосомной патологии у человека (1:750). У мальчиков и девочек патология встречается одинаково часто.

Код для цитирования: Скопировать