Тема N5. Хромосомы и хромосомные нарушения.
Номенклатура хромосом: принята в 1971 г. на Парижской конференции цитогенетиков. Хромосомы обозначаются порядковыми номерами от 1 до 22, половые хромосомы - X, Y; длинное плечо - q, короткое - p. Плечи разделяются на районы, имеющие четкие морфологические маркеры, а районы подразделяются на сегменты. Обозначение нормального кариотипа: 46,XX - для женщин, 46,XY - для мужчин. Пример аномального кариотипа: ПМДД/Б - XY,del(X)(q 21.1 - 21.3).
Хромосома (хр.) в свете современных представлений - это уровень организации наследственного материала в виде нуклеопротеидного комплекса или хроматинового комплекса.
Бурное развитие цитогенетики человека началось в 1956 году, когда Тио и Леван определили в культуре фибробластов легочной ткани человеческих эмбрионов истинное число хромосом, равное 46 (хотя до этого считали, что их 48).
В 1960 г. в Денвере (США) была принята первая классификация хромосом человека в зависимости от их морфологических характеристик: размера, формы, положения центромеры. Все аутосомы получили порядковые номера и были подразделены на 7 групп: А (1,2,3 пары) – большие метацентрические, В (4,5) - большие субметацентрические, С (6-12) - средние субметацентрические, Д (13-15) - большие акроцентрические, Е (16-18) - малые субметацентрические, F (19,20) - короткие метацетрические, G (21,22) - малые акроцентрические; Х-хр. неотличима от группы С, а Y-хр. - от группы G.
В настоящее время понятие "кариотип" трактуется как совокупность морфологических особенностей полного хромосомного набора, свойственного клеткам данного вида.
О размерах хромосом можно судить по числу входящих в них нуклеотидных пар. Так, самая маленькая 21-хр. включает около 50 млн.п.н., а самая большая – 1-я – до 250 млн.п.н.
Для подразделения хромосом на группы в зависимости от положения центромеры применяют термин "центромерный индекс", величина которого определяется отношением длины короткого плеча хромосомы ко всей длине хромосомы. Если центромерный индекс равен 50%, то хромосому относят к метацентрическим; если менее 50%, то – к субметацентрическим; если же центромера расположена близко к концу хромосомы, то – к акроцентрическим.
Возможности точной идентификации каждой хромосомы появились только в конце 70-х годов, когда три группы ученых (В Швеции, Франции и СССР) предложили 4 основных метода дифференциального окрашивания хромосом человека: G (окрашивание красителем Гимза), Q (окрашивание акрихином), R (revers - обратный) и C-метод. Эти методы выявляют различные типы сегментов (блоки) хромосом. Чередование сегментов (темные и светлые полосы) характеризуется исключительным постоянством, что позволило состоявшейся в 1971г. в Париже конференции цитогенетиков создать идиограмму гаплоидного набора хромосом человека.
Каждая хромосома стала рассматриваться как непрерывная совокупность сегментов, независимо от окраски. Всего было идентифицировано около 300 сегментов.
Методы дифференциального окрашивания:
1) G-окрашивание - наиболее распространенный метод - окрашивание с использованием красителя Романовского-Гимзы;
2) Q-окрашивание - окрашивание флюорохромами (акрихин, акрихин-иприт). При применении этого метода наиболее четко выявляется Y-хромосома. Исчерченность хромосом при G и Q методах почти всегда совпадает за некоторыми исключениями;
3) R-окрашивание дает обратную картину по сравнению с G-окрашиванием. При этом методе хорошо окрашиваются теломерные районы хромосом;
4) C-окрашивание позволяет выявить центромерные и околоцентромерные участки всех хромосом, коротких плеч 13,14,15,21,22 хр. и длинного плеча Y-хромосомы.
В настоящее время разработаны и успешно применяются более совершенные методы дифференциального окрашивания хромосом, позволяющие анализировать хромосомы на стадиях прометафазы и профазы, а также проводить разделение нормального гаплоидного набора более чем на 2000 сегментов.
При исследовании ДНК оказалось, что на большом протяжении своей структуры в нативном хроматине, она соединена с белками. Эта нуклеопротеидная нить состоит из связанных друг с другом дискретных единиц – нуклеосом (структурных единиц хромосомы). Нуклеосома имеет белковый остов, который содержит белки-гистоны 4-х типов. ДНК в нуклеосоме лежит поверхностно, так что на гистоновый остов накручен отрезок ДНК протяженностью 140 п.н.. Нуклеосомы соединены между собой "мостиками", отрезками ДНК протяженностью от 10 до 70 п.н., что позволяет молекуле ДНК изменять свою длину в 6-7 раз.
По степени конденсации участков хромосомы на протяжении клеточного цикла в ней выделяют эухроматин и гетерохроматин.
Эухроматин - деконденсированные участки, содержит основное количество структурных генов, т.е. функционально активные участки хромосомы, участвующие в реализации наследственной информации.
Гетерохроматин, конденсированные участки, почти не содержит структурных генов и является генетически малоактивным.
Эу- и гетерохроматин отличаются по времени репликации в интерфазе.
Рассмотрим классификацию, основные механизмы, частоту нарушений хромосом. Цитогенетический анализ позволяет выделить 2 класса мутаций: хромосомные (структурные) и геномные (числовые). И геномные и хромосомные нарушения могут возникать спонтанно или индуцировано как в зародышевых, так и в соматических клетках. Мутации во время гаметогенеза могут привести к возникновению у потомства хромосомной патологии.
Изменение хромосомного набора соматических клеток может являться причиной формирования новообразований.
Геномные мутации подразделяются на полиплоидии, т.е. кратное увеличение гаплоидного набора хромосом более чем в два раза (триплоидии, тетраплоидии и т.д.), и анеуплоидии (увеличение или уменьшение числа гомологичных хромосом). Среди анеуплоидий выделяют моносомии (уменьшение числа хромосом в паре) и полисомии (полное или частичное увеличение числа хромосом в паре - трисомии, тетрасомии и т.д.). Добавочная хромосома обозначается знаком <+>. ПР.: классическая трисомия по 21 хромосоме (синдром Дауна) – 47,ХХ,+21. Утрата хромосомы или ее части обозначается знаком <->. Пр.: синдром "кошачьего крика" – 46,ХУ,5p-.
В основе геномных мутаций, как правило, лежит нерасхождение или анафазное отставание хросомом во время деления клеток.
Хромосомные мутации произошедшие в период дробления зиготы являются причиной мозаицизма, патологического состояния организма, при котором часть клеток организма имеет нармальный, а часть - аномальный кариотип. Пример обозначение мозаицизма: 60%-46,ХХ/47,ХХ-40%. Различают патологический и физиологический мозаицизм. Примером физиологического мозаицизма является гиперплоидия в мегакариоцитах и гепатоцитах, возникающая при приспособительных реакциях организма в экстремальных условиях. Патологический мозаицизм может привести к развитию новообразования, либо хромосомного синдрома.
Второй класс мутаций принят называть хросомомными аберрациями, подчеркивая этим их отличие от перестроек гаметического типа. Они подразделяются на две группы: аберрации хромосомного типа (вовлечена вся хромосома) и аберрации хроматидного типа (вовлечены только хроматиды). В свою очередь и те и другие подразделяются на простые и обменные. Среди обменных аббераций выделяют два самостоятельных типа: внутрихромосомные (внутриплечевые и межплечевые) и межхромосомные (симметричные и ассиметричные). Симметричными перестройки называются потому, что хромосомы (или хроматиды) остаются моноцентрическими (имеют одну центромеру). Если же в результате мутации появляется полицентрическая хромосома или хроматида, то их называют ассиметричными.
Хромосомные перестройки подразделяют также на сбалансированные (присутствуют все генные локусы, однако их положение отличается от исходного нормального) и несбалансированные (утрата или удвоение участков хромосомы).
Среди внутрихромосомных перестроек выделяют:
1. Делеция - утрата участка хромосомы. Среди них выделяют концевые (потеря теломеры) и интерстициальные (утрата фрагмента между центромерами либо между центромерой и теломерой). В свою очередь интерстициальные делеции делятся на перицентрические (утрачивается центромера) и парацентрические (затрагивается только одно плечо хромосомы). Обозначение - del; пример: 46XY,del(1)(q21)- делеция длинного плеча 1-й хромосомы дистальнее 21 района.
2. Дупликация - удвоение сегмента хромосомы. Большинство дупликаций летальны (если даже организм жизнеспособен, то носители мутации все равно не могут оставить потомство). Обозначение - dup; пример: 46,XY,dup(3)(q21-qter) - дупликация сегмента длинного плеча 3-й хромосомы.
3. Инсерция - вставка в хромосому. Могут быть внутри- и межхромосомные. Обозначение - ins; пример: 46XY,ins(1)(p21-pter) - вставка в конце короткого плеча 21-й хромосомы.
4. Инверсия - поворот участка хромосомы на 180 град. с последующим соединением разрывов. Выделяют пери- (центромера вовлечена) и парацентрические (без вовлечения центромеры) инверсии. Обозначение - inv; пр.: 46XY,inv(1)(p25q21) - поворот участка 1-й хромосомы, расположенного между точками p25 и q21.
5. Инвертированная инсерция.
6. Изохромосома - хромосома с идентичными плечами. Обозначение - i; пр.: 46X,i(Xq) - два длинных плеча X хромосомы.
7. Кольцевая хромосома - образование хромосомы в виде кольца с утратой ее теломерных сегментов. Обозначение - r; пр.: 46XY,r(15) - 15 хромосома кольцевая.
8. Фрагменты хромосомы - оторвавшиеся участки хромосомы.
9. Рекомбинантная хромосома - аномальная хромосома, образовавшаяся в результате кроссинговера в зоне мутации между аномальной хромосомой и ее нормальным гомологом.
Среди межхромосомных перестроек выделяют:
1. Транслокации, подразделяющиеся на: реципрокные или сбалансированные (взаимный обмен участками без потери генетического материала); обозначение - rep; пр.: 46XY,rep(1;5)(q21;q31) - обмен участками между 1-й хромосомой дистальнее q21 и 5-й хромосомой дистальнее q31.; нереципрокные или несбалансированные (перенос участка одной хромосомы на другую с потерей или прибавлением материала); обозначение - t; пр.: 46XY,t(14;21);- робертсоновские или типа центрического слияния (после разрывов хромосом в околоцентромерных областях происходит их слияние с инактивацией одной центромеры). Обозначение - rob; пр.: 46XY,rob(13q;13q).
По оценкам (Н.П.Кулешов, 1978,1982) более 55% образовавшихся зигот несут те или иные хромосомные аномалии, которые в 98-99% случаев элиминируются внутриутробно, что клинически проявляется бесплодием, спонтанными абортами, выкидышами, мертворождениями и др. проявлениями патологии беременности. Около 0,9-1,0% новорожденных рождается с разными отклонениями в хромосомном наборе, из которых около 0,8% имеют явные хромосомные нарушения. При учете современных показателей рождаемости и численности населения РФ (около 150 млн. чел.) предполагается ежегодно до 12 тыс. рождений больных с ХЗ, а всего - около 350-400 тыс. случаев.
Среди причин внутриутробной гибели плода аномалии хромосом достигают 85-90%; на сроке 2-4 недель процент хромосомных аномалий достигает 70, на 10-12 неделях - 53, во втором триместре - 30, на 20-27 неделях - 6,6. Среди доношенных мертворожденных детей хромосомные аномалии достигают 6-7 %. В расчете на 1000 новорожденных частота хромосомных синдромов достигает 6,9-7,1, в том числе трисомии аутосом - 1,7, сбалансированные перестройки аутосом - 1,9, прочие аномалии - 0,4; аномалии по половым хромосомам при мужском фенотипе - 1,8-2,0, при женском - 1,1. Большинство хромосомных и геномных мутаций - 85-90% - приводят к внутриутробной гибели плода.
Среди детей школьного возраста частота полных аутосомных трисомий уменьшается до 1,4 промилей, т.е. в 5 раз (в основном за счет смерти детей с наиболее распространенными хромосомными синдромами).
Среди психически больных детей частота хромосомных аномалий достигает 12%, детей с олигофренией - 15%, детей с нарушением половой дифференцировки - 20-50% (в половине случаев обнаруживается мозаицизм).
При отягощенном акушерском анамнезе у супружеских пар (повторные спонтанные аборты, мертворождения, рождение детей с пороками развития) с частотой до 5% у одного или обоих родителей выявляются сбалансированные транслокации.
- 47,ХХ, +21 – трисомия по 21 паре (болезнь Дауна);
- 45,ХО – моносомия по половым хромосомам (болезнь Шерешевского-Тернера); 47,ХХУ – трисомия по половым хромосомам (болезнь Клайнфельтера) и др.;
- 46,ХУ, 5p- - делеция короткого плеча 5 хромосомы (синдром «кошачьего крика»);
- 45, ХО-25%/46,ХХ-75% - мозаицизм при болезне Шерешевского-Тернера;
-del,
-dup
- 45,ХХ, t(14+21) – носительство сбалансированной транслокации
-inv(9)(p22q32) – перицентрическая инверсия;
Хромосомные болезни, общие клинические проявления – в учебнике «Клиническая генетика»