Лекция 13

Геномные мутации. Механизмы их обусловливающие. Фенотипический эффект. Понятие о хромосомных болезнях.

Для каждого вида организмов характерным признаком является определенное число хромосом в клетках. Постоянное число хромосом в клетках организма обеспечивается тончайшими механизмами митоза и мейоза. Однако в некоторых случаях механизмы расхождения хромосом при митозе и мейозе нарушаются, что может сопровождаться неравномерным распределением их в дочерние клетки. В результате таких нарушений возникают клетки с измененным числом хромосом. Предполагают, что причинами нарушения нормального расхождения хромосом могут быть: изменение состояния веретена деления, потеря полярности делящейся клетки, увеличение вязкости цитоплазмы. Возможны, вероятно, и другие причины. Изменение числа хромосом в клетке относят к геномным мутациям. Среди геномных мутаций выделяют три типа: гаплоидия, полиплоидия и анеуплоидия.

Гаплоидия - геномная мутация, связанная с уменьшением числа гаплоидных наборов хромосом в клетке. При этом соматические клетки содержат одинарный набор хромосом (n). Организмы, клетки которых содержат гаплоидные наборы хромосом получили название гаплоидных организмов. Гаплоидные организмы в естественных условиях имеются, главным образом, среди растений. Такие организмы меньших размеров, поскольку в 2 раза снижена доза генов. Жизнеспособность их также снижена в силу проявления всех рецессивных аллелей. Гаплоидные организмы фактически бесплодны, что связано с нарушением процессов мейоза.

Полиплоидия – геномная мутация, связанная с увеличением числа гаплоидных наборов хромосом в клетке. В зависимости от числа гаплоидных наборов хромосом различают триплоидию (3n), тетраплоидию (4n), пентаплоидию (5n) и т.д. К развитию полиплоидии может приводить нарушение расхождения хромосом при мейозе. Если в результате нерасхождения хромосом в мейозе гамета получит полный соматический набор хромосом (2n), то при слиянии такой гаметы с нормальной (1n) образуется триплоидная зигота, из которой будет развиваться триплоидный организм. При слиянии двух гамет с соматическим набором хромосом (2n+2n) образуется тетраплоидная зигота, из которой будет развиваться тетраплоидный организм. Тетраплоид может возникнуть также при репликации хромосом в зиготе, не сопровождаемой ее первым делением. Такой же механизм формирования тетраплоидных соматических клеток. В случае нарушения митоза в соматических клетках - клетки будут полиплоидными только в той части организма, которая развивается из исходной полиплоидной клетки. В этом случае будет формироваться мозаичная форма полиплоида. У растений это приводит к появлению тетраплоидных побегов.

Наиболее часто полиплоидия встречается у растений. Полиплоидные виды есть во всех крупных группах растений. Около 47% всех цветковых растений - это полиплоиды. Полиплоидными являются многие из наиболее важных культурных растений: пшеница, картофель, хлопчатник, многие плодовые и др.

Полиплоидные мутанты отличаются от диплоидных растений многими морфологическими, физиологическими и биохимическими особенностями. Размеры клеток и ядер полиплоидных растений, их цветки, семена и плоды увеличены. Полиплоидные растения можно получать и искусственно, подвергая растение действию различных веществ, влияющих на формирование веретена деления при митозах. Одно из таких веществ - это колхицин, алкалоидный препарат, полученный из растений осеннего крокуса Colchicumautumnale. После обработки колхицином реплицированные хромосомы не расходятся к противоположным полюсам, а остаются в одном ядре.

В естественных условиях среди животных полиплоиды встречаются довольно редко, но такие случаи известны у ящериц, земноводных (саламандра), рыб и некоторых других животных. Существует несколько причин, по которым полиплоидизация среди животных встречается реже, чем среди растений. Во-первых, полиплоидия нарушает баланс между аутосомами и половыми хромосомами, что заметно влияет на жизнеспособность животных по сравнению с растениями. Во-вторых, большинство животных размножается посредством перекрестного оплодотворения. Возникший единичный мутант - полиплоид у животных не может размножаться сам по себе. В-третьих, процесс онтогенеза животных более сложен, полиплоидия нарушает его, что ведет, как правило, к формированию аномалий развития не совместимых с жизнью. Наконец, полиплоидные растения часто возникают в результате удвоения хромосом при гибридизации, а у животных гибриды обычно нежизнеспособны или стерильны.

Мутации полиплоидии известны у человека. Полиплоидные ядра обнаружены в клетках при анализе материала спонтанных абортов у женщин. Причиной ранних абортов у женщин в 25% случаев являются полиплоидии. Однако в литературе нет доказанных случаев рождения детей с полиплоидией. Жизнеспособными могут быть только мозаичные формы, например, диплоидно-триплоидные формы, у которых полиплоидными является только часть клеток организма.

Анеуплоидия - это геномная мутация, которая связана с изменением числа отдельных хромосом в клетке. При этом формируются анеуплоиды, у которых одна или несколько хромосом нормального набора клетки отсутствуют или представлены дополнительно (в избытке). Анеуплоидия может возникать в результате неправильного расхождения хромосом какой-либо пары во время первого и второго деления мейоза. В результате образуются гаметы, содержащие дополнительно одну и более хромосом, или ни одной хромосомы какой-то пары. При слиянии таких гамет во время оплодотворения с гаметой, имеющей нормальный гаплоидный набор хромосом, формируются моносомные (2n-1) и полисомные зиготы, например, трисомные (2n+1) (рис. 1, 2).

.

			ХХ
Первое деление мейоза		Не расхождение в первом делении
	ХХидная ие в первом делении					ХХ
Второе деление мейоза
ХХидная ие в первом делении		ХХидная ие в первом делении		ХХ			ХХ
Х		Х		ХХХ			ХХХ
Моносомия		Моносомия		Трисомия			Трисомия

Рис. 1. Не расхождение хромосом во время первого деления мейоза. При слиянии образующихся гамет с нормальными гаплоидными гаметами образуются моносомные и трисомные зиготы

Моносомики часто нежизнеспособны у разных видов организмов. В частности достоверно установлено, что полные моносомии по всем аутосомам у человека не совместимы с жизнью. Моносомики по половым хромосомам у человека известны, они жизнеспособны. Нежизнеспособность моносомиков у многих видов по началу оставалась загадкой, так как у таких организмов всегда имеется по одной копии каждого гена. Однако один из таких генов может быть представлен в виде летального аллеля, не имеющего парного нормального аллеля, маскирующего мутацию. В таком случае организм погибает. У растений последствия анеуплоидий менее ощутимы, чем у животных. Моносомия по отдельным аутосомам обнаружена у кукурузы, табака, энотеры, дурмана и других видов. Тем не менее, моносомики у растений обычно менее жизнеспособны по сравнению с диплоидами.

			ХХ
Первое деление мейоза		Нормальное расхождение
	Х					Х
Второе деление мейоза	Нормальное расхождение					Не расхождение во втором делении
Х		Х		ХХ			ХХ
ХХ		ХХ		ХХХ			Х
Дисомия (норма)		Дисомия (норма)		Трисомия			Моносомия

Рис. 2. Не расхождение хромосом во время второго деления мейоза. При слиянии образующихся гамет с нормальными гаплоидными гаметами образуются моносомные и трисомные зиготы

Трисомии известны у многих видов организмов, в особенности у растений. Появление в кариотипе добавочной хромосомы приводит к уменьшению жизнеспособности как у растений, так и у животных. Если добавочная хромосома достаточно крупная, то проявления трисомии более тяжелые. Однако трисомики у растений обычно жизнеспособны. Трисомия характерна для таких хозяйственно важных видов зерновых как рис, кукуруза и пшеница. У некоторых видов растений известны тетрасомики и даже полисомики более высоких порядков, но встречаются они много реже трисомиков.

Присутствие лишней хромосомы у животных, особенно у млекопитающих, оказывает вредное воздействие и может быть летально. Причины, по которой ни у человека, ни у других животных организмов не наблюдается трисомии по многим хромосомам может состоять в том, что такие трисомики нежизнеспособны и погибают на ранних стадиях развития.

Неправильное расхождение хромосом может происходить не только при мейозе, но и в митозе при делении соматических клеток. Мутантная клетка при делении может дать целый клон мутантных клеток. В результате возникают мозаики - особи, у которых определенная часть клеток организма будет нести мутацию. Неправильное расхождение хромосом может произойти при первом же клеточном делении зиготы или позднее, что и определяет степень мозаицизма. Фенотипическое отклонение от нормы в случаях мозаицизма зависит от доли клеток с мутациями, а это зависит от стадии развития организма, на которой произошло неправильное расхождение хромосом.

Анеуплоидии у человека

Анеуплоидии у человека встречаются не так часто и не так редко, являясь причиной целого ряда врожденных заболеваний. Фенотипические проявления анеуплоидий у человека характеризуются множественными врожденными пороками развития, которые формируются в раннем эмбриогенезе. Что касается моносомии у человека, то моносомии по аутосомам после рождения ребенка не известны. Единственный известный случай моносомии у новорожденных - это моносомия по Х-хромосоме (45, ХО). При наличии в клетках одной Х-хромосомы в отсутствии Y-хромосомы возникает синдром Шерешевского-Тернера. Частота синдрома Шерешевского-Тернера среди новорожденных девочек 1:3000. Фенотипически - это женщины с почти атрофированными яичниками и слабо развитыми вторичными половыми признаками, они стерильны (бесплодны). У новорожденных и детей грудного возраста отмечаются характерные симптомы: короткая шея с избытком кожи и крыловидными складками. В число других характерных признаков синдрома Шерешевского-Тернера входят низкий рост, деформация грудной клетки, низкое расположение ушных раковин. Синдром обычно не сопровождается умственной неполноценностью.

Полисомии у человека известны как по половым хромосомам, так и по аутосомам. Полисомии по половым хромосомам весьма разнообразны. Они различаются числом дополнительных хромосом, их типом и комбинацией разных клоновых линий в случае мозаицизма. В табл. № 1 представлены основные немозаичные, встречающиеся на практике типы полисомий по половым хромосомам.

Табл. № 1. Типы полисомий по половым хромосомам у человека

Х-полисомии при отсутствии Y-хромосомы	Х-полисомии в присутствии одной Y-хромосомы	Y-полисомии в присутствии одной Х-хромосомы	Полисомии по обеим половым хромосомам
47,ХХХ 48,ХХХХ 49,ХХХХ	47,ХХY 48,XXXY 49,XXXXY	47,XYY 48,XYYY 49,XYYYY	48,XXYY 49,XXXYY

Общая частота полисомии по Х- или Y-хромосомам среди новорожденных составляет 1,5:1000 - 2:1000. В основном это полисомии: ХХХ, ХХY и ХYY. Наиболее распространенным вариантом Х-полисомии является трисомия-Х (47, ХХХ). Среди новорожденных девочек частота синдрома составляет 1:1000. Чаще всего такие индивиды выявляются случайно при обследовании. Это объясняется тем, что в клетках две Х-хромосомы гетерохроматизированы (два тельца полового хроматина) и лишь одна, как у нормальной женщины, функционирует. У большинства женщин с кариотипом 47, ХХХ нормальный физический и умственный статус, нормальная плодовитость, не отмечается отклонений в половом развитии. Интеллектуальное развитие нормальное или на нижней границе нормы. С увеличением числа дополнительных Х-хромосом без Y-хромосомы в хромосомном наборе частота и степень отклонений от нормы нарастает. У женщин с тетра- и пентасомией описаны отклонения в умственном развитии, аномалии скелета, зубов, половых органов. Однако женщины даже с тетрасомией по Х-хромосоме имеют потомство.

Случаи полисомии по половым хромосомам, при которых имеется не менее двух Х-хромосом и не менее одной Y-хромосомы объединены под названием синдром Клайнфельтера. Наиболее часто встречается синдром Клайнфельтера с набором 47, XXY. Этот синдром встречается с частотой 1:700 новорожденных мальчиков. Варианты полисомии с большим числом Х- и Y-хромосом встречаются редко. Присутствие Y-хромосомы определяет формирование мужского пола. До периода полового созревания мальчики с синдромом Клайнфельтера развиваются почти нормально, отмечается лишь небольшое отставание в психическом развитии. Генетический дисбаланс в связи с добавочной Х-хромосомой проявляется клинически в период полового созревания в виде недоразвития семенников и вторичных мужских половых признаков. У таких мужчин отмечается высокий рост, женский тип телосложения, гинекомастия, слабое оволосение лица, яички уменьшены и такие мужчины бесплодны.

Иная картина имеет место, когда в хромосомном наборе при единственной Х-хромосоме содержится более одной Y-хромосомы. Среди таких случаев в основном встречается синдром Y-дисомии (47, XYY). Его частота среди новорожденных мальчиков составляет около 1:1000. Большинство лиц с этим синдромом обнаруживаются случайно, поскольку фенотипически эти мужчины с нормальным физическим и умственным развитием. Заметных отклонений ни в половом развитии, ни в гормональном статусе, ни в плодовитости у большинства XYY-индивидов нет. Не исключены некоторые особенности поведения таких лиц. При соответствующих условиях они склонны к агрессивным и даже криминальным поступкам.

Полные моносомии по аутосомам у человека, по-видимому, нежизнеспособны уже на стадии гамет и зиготы по всем аутосомам, поскольку даже в материале спонтанных абортов описания таких анеуплоидий редки и известны лишь по отношению к некоторым аутосомам. Трисомии в материале спонтанных абортов встречаются по всем аутосомам исключая хромосому 1, но с разной частотой. В постнатальном периоде с сохранением жизни хотя бы в течение короткого времени совместимы полные трисомии по некоторым аутосомам: 8, 9, 13, 18, 21. Но полные трисомии по 8 и 9, как правило, летальны. Практически все такие зачатия заканчиваются внутриутробной гибелью носителя лишней хромосомы 8 и 9, в силу выраженного физического внутриутробного недоразвития. По аутосомам 8 и 9 часты случаи мозаицизма с наличием клона нормальных клеток, что, несомненно, уменьшает летальный эффект дисбаланса генетического материала. Рождаются дети с полной трисомией по хромасомам 13, 18 и 21.

Трисомия 13. (синдром Патау). Частота синдрома Патау среди новорожденных равна 1:7000 - 1:14000. Соотношение полов при синдроме Патау близко 1:1. Трисомия 13, как правило, следствие нерасхождения хромосом в мейозе у одного из родителей (главным образом у матери). Встречаются и мозаичные формы (нерасхождение на ранних стадиях дробления). Для синдрома Патау характерны множественные пороки развития внутренних и наружных органов. Типичный признак синдрома Патау - расщелины верхней губы и неба. Со стороны внутренних органов: дефекты перегородок сердца, кисты почек, аномалии внутренних половых органов, дефекты поджелудочной железы, пороки развития головного мозга. В связи с тяжелыми врожденными пороками развития большинство детей с синдромом Патау умирает в первые недели и месяцы (95% - до 1года).

Трисомия 18 (синдром Эдвардса). Частота синдрома Эдвардса составляет 1:6000 - 1:8000 новорожденных. Соотношение мальчиков и девочек равно 1:3. Причины преобладания больных девочек пока неясны. Трисомия 18 - следствие нерасхождения хромосом в мейозе у одного из родителей. Встречаются и мозаичные формы (нерасхождение на ранних стадиях дробления зиготы). Для синдрома Эдвардса характерны множественные врожденные пороки развития лицевой части черепа, сердца, костной системы, половых органов. Дети с синдромом Эдвардса умирают в раннем возрасте (90% - до 1года).

Трисомия 21 (синдром Дауна). Синдром Дауна наиболее изученное наследственное заболевание человека. Частота синдрома Дауна среди новорожденных равна 1:700 - 1:800. Соотношение мальчиков и девочек среди новорожденных с синдромом Дауна составляет 1:1. Основную долю (95-96%) составляют случаи простой полной трисомии 21, как следствие нерасхождения хромосом 21-й пары в анафазе первого или второго деления мейоза. В результате образуются женские или мужские гаметы с лишней хромосомой 21. При этом материнский вклад нерасхождения составляет 80%, а отцовский - 20%, причины такой разницы неясны. С возрастом матери вероятность рождения детей с синдромом Дауна возрастает. Около 2% детей с синдромом Дауна имеют мозаичные формы (47+21/46) (нерасхождение 21 пары хромосом на разных стадиях дробления зиготы). Примерно 4-5 % больных с синдромом Дауна имеют транслокационную форму трисомии по типу робертсоновских транслокаций (см. раздел хромосомные мутации). Для синдрома Дауна характерны врожденные пороки развития. Многие аномалии развития заметны при рождении, в последующем они проявляются более четко. Дети с синдромом Дауна схожи по внешним признакам между собой. Их характеризует низкий рост, монголоидный (косой) разрез глаз, круглое уплощенное лицо, короткий с плоской переносицей нос, крупный (обычно высунутый) язык, деформированные ушные раковины. Для синдрома Дауна характерна задержка психического, психомоторного и умственного развития (врожденное слабоумие). Часто встречаются пороки сердца и других внутренних органов. Врожденные пороки внутренних органов часто приводят к летальному исходу в первые 5 лет, лишь немногие с синдромом Дауна доживают до 50-ти лет.

Врожденные наследственные болезни, в основе которых лежат хромосомные и геномные мутации, получили название хромосомные болезни. Эти два разных типа мутаций для краткости объединяют общим термином «хромосомные аномалии». Практически все хромосомные аномалии (кроме сбалансированных) ведут к врожденным порокам развития. Частота хромосомных аномалий составляет 6% среди перинатально погибших плодов. При этом летальные эффекты сочетаются с врожденными пороками развития. Примерно 46% спонтанных абортов у женщин связаны с хромосомными аномалиями. На 1000 новорожденных младенцев 3-4 имеют хромосомные болезни.