Шизофрения - одна из самых загадочных и сложных болезней, причем во многих смыслах. Ее тяжело диагностировать - до сих пор нет консенсуса о том, одно это заболевание или много похожих друг на друга. Ее сложно лечить - сейчас есть лишь препараты, которые подавляют т. н. позитивные симптомы (вроде бреда), но они не помогают возвратить человека к полноценной жизни. Шизофрению сложно исследовать - ни одно другое животное кроме человека ей не болеет, поэтому и моделей для ее изучения почти нет. Шизофрению очень тяжело понять с генетической и эволюционной точки зрения - она полна противоречий, которые биологи пока не могут разрешить. Однако хорошие новости заключаются в том, что в последние годы, наконец, дело вроде бы сдвинулись с мертвой точки. Об истории открытия шизофрении и первых результатах ее изучения нейрофизиологическими методами мы уже . На этот раз речь пойдет о том, как ученые ищут генетические причины возникновения болезни.

Важность этой работы даже не в том, что шизофренией болеет почти каждый сотый человек на планете и прогресс в этой области должен хотя бы радикально упростить диагностику, - даже если создать хорошее лекарство сразу и не получится. Важность генетических исследований в том, что они уже сейчас меняют наши представления о фундаментальных механизмах наследования сложных признаков. Если ученым все-таки удастся понять, как может «прятаться» в нашей ДНК такая сложная болезнь как шизофрения, это будет означать радикальный прорыв в понимании организации генома. И значение такой работы выйдет далеко за пределы клинической психиатрии.

Сначала немного сырых фактов. Шизофрения - это тяжелое, хроническое, ведущее к инвалидности психическое заболевание, поражающее обычно людей в молодом возрасте. От нее страдает около 50 миллионов человек по всему миру (немногим менее 1% популяции). Заболевание сопровождается апатией, безволием, часто галлюцинациями, бредом, дезорганизацией мышления и речи, моторными нарушениями. Симптомы обычно становятся причиной социальной изоляции и снижения работоспособности. Повышенный риск суицида у больных шизофренией, а также сопутствующие соматические заболевания приводят к тому, что общая продолжительность жизни у них снижается на 10-15 лет. Кроме того, больные шизофренией имеют меньше детей: мужчины имеют в среднем на 75 процентов, женщины - на 50 процентов .

Последние полвека стали временем бурного прогресса во многих областях медицины, однако этот прогресс почти не затронул профилактику и лечение шизофрении. Не в последнюю очередь это связано с тем, что мы до сих пор не имеем внятного представления о том, нарушение каких именно биологических процессов является причиной развития заболевания. Такой дефицит понимания привел к тому, что со времени появления на рынке первого антипсихотического препарата хлорпромазина (торговое название: «Аминазин») более 60 лет назад так и не произошло качественного изменения в лечении болезни. Все ныне существующие одобренные для лечения шизофрении антипсихотики (как типичные, включая хлорпромазин, так и атипичные) имеют один и тот же основной механизм действия: они снижают активность дофаминовых рецепторов, что устраняет галлюцинации и бред, но, к сожалению, слабо влияет на негативную симптоматику вроде апатии, безволия, расстройств мышления и т. д. Про побочные эффекты мы даже не упоминаем. Общее разочарование в исследованиях шизофрении проявляется в том, что фармацевтические компании уже давно уменьшают финансирование разработки антипсихотиков , - и это при том, что общее число клинических испытаний только растет. Однако надежда на прояснение причин возникновения шизофрении пришла с довольно неожиданной стороны - она связана с беспрецедентным прогрессом в молекулярной генетике.

Коллективная ответственность

Еще первые исследователи шизофрении заметили, что риск заболеть тесно связан с наличием больных родственников. Попытки установить механизм наследования шизофрении были предприняты почти сразу после переоткрытия законов Менделя, в самом начале XX века. Однако, в отличие от многих других болезней, шизофрения никак не хотела укладывалась в рамки простых менделевских моделей. Несмотря на высокую наследуемость, связать ее с одним или несколькими генами не получалось, поэтому к середине века все большей популярностью стали пользоваться т. н. психогенные теории развития болезни. В согласии с крайне популярным к середине века психоанализом, эти теории объясняли видимую наследуемость шизофрении не генетикой, а особенностями воспитания и нездоровой атмосферой внутри семьи. Появилось даже такое понятие как «шизофреногенные родители».

Однако теория эта, не смотря на свою популярность, прожила недолго. Окончательную точку в вопросе о том, является ли шизофрения наследственной болезнью, поставили психогенетические исследования, проведенные уже в 60-70-е годы. Это были прежде всего близнецовые исследования, а также исследования приемных детей. Суть близнецовых исследований заключается в сравнении вероятностей проявления какого-то признака - в данном случае развития заболевания - у одно- и разнояйцевых близнецов. Поскольку разница в действии среды на близнецов не зависит от того однояйцевые они или разнояйцевые, то различия в этих вероятностях должны происходит главным образом от того, что однояйцевые близнецы генетически идентичны, а разнояйцевые имеют в среднем лишь половину общих вариантов генов.

В случае шизофрении оказалось, что конкордантность однояйцевых близнецов более чем в 3 раза превышает конкордантность разнояйцевых: для первых она составляет приблизительно 50 процентов, а для вторых - менее 15 процентов. Эти слова надо понимать так: если у вас есть страдающий шизофренией однояйцевый брат-близнец, то вы сами заболеете с вероятностью в 50 процентов. Если же вы с братом разнояйцевые близнецы, то и риск заболеть составляет не более 15 процентов. Теоретические расчеты, которые дополнительно учитывают распространенность шизофрении в популяции, дают оценку вклада наследуемости в развитие болезни на уровне 70-80 процентов. Для сравнения, примерно так же наследуется рост и индекс массы тела - признаки, которые всегда считались тесно связанными с генетикой. Кстати, как оказалось позже, столь же высокая наследуемость характерна для трех из четырех остальных основных психических заболеваний: синдрома дефицита внимания и гиперактивности, биполярного расстройства и аутизма.

Результаты близнецовых исследований полностью подтвердились при изучении детей, которые родились у больных шизофренией и были усыновлены в раннем младенчестве здоровыми приемными родителями. Оказалось, что риск заболеть шизофренией у них не снижен по сравнению с детьми, воспитанными своими родителями-шизофрениками, что однозначно указывает на ключевую роль генов в этиологии.

И здесь мы подходим к одной из самых загадочных особенностей шизофрении. Дело в том, что если она так сильно наследуется и при этом очень негативно влияет на приспособленность носителя (напомним, что больные шизофренией оставляют по крайней мере вдвое меньше потомков, чем здоровые люди), то как ей удается сохраняться в популяции по крайней мере на протяжении ? Это противоречие, вокруг которого во многом и происходит главная борьба между разными теориями, получило название «эволюционного парадокса шизофрении»

До недавнего времени ученым было совершенно неясно, какие именно особенности генома больных шизофренией предопределяют развитие болезни. На протяжении десятилетий горячие споры велись даже не о том, какие именно гены изменены у больных шизофренией, а о том, какова общая генетическая «архитектура» болезни.

Имеется ввиду следующее. Геномы отдельных людей очень похожи друг на друга, отличия в среднем составляют менее 0,1 процента нуклеотидов. Некоторые из этих отличительных особенностей генома довольно широко распространены в популяции. Условно считается, что если они встречаются у более чем одного процента людей, их можно называть распространенными вариантами или полиморфизмами. Считается, что такие распространенные варианты появились в геноме человека более 100,000 лет назад, еще до первой эмиграции из Африки предков современных людей, поэтому они присутствуют обычно в большинстве человеческих субпопуляций. Естественно, что для того, чтобы существовать в значительной части популяции на протяжении тысяч поколений большая часть полиморфизмов должна быть не слишком вредна для своих носителей.

Однако в геноме каждого из людей есть и другие генетические особенности,- более молодые и более редкие. Большая часть из них не предоставляет носителям какого-либо преимущества, поэтому их частота в популяции, даже если они фиксируются, остается незначительной. Многие из этих особенностей (или мутаций) имеют более или менее выраженное отрицательное влияение на приспособленность, поэтому они постепенно удаляются негативным отбором. Им взамен в результате непрерывного мутационного процесса появляются другие новые вредные варианты. В сумме частота любой из новых мутаций почти никогда не превышает 0,1 процентов, и такие варианты называют редкими.

Так вот, под архитектурой болезни имеется ввиду то, какие именно генетические варианты - распространенные или редкие, имеющие сильный фенотипический эффект или лишь слегка увеличивающие риск развития болезни, - предопределяют ее появление. Именно вокруг это вопроса до недавнего времени и велись основные споры о генетике шизофрении.

Единственный факт, бесспорно установленный молекулярно-генетическими методами относительно генетики шизофрении за последнюю треть XX века - ее невероятная сложность. Сегодня очевидно, что предрасположенность к болезни определяется изменениями в десятках генов. При этом все предложенные за это время «генетические архитектуры» шизофрении можно объединить в две группы: модель «распространенная болезнь - распространенная изменчивость» («common disease - common variants», CV) и модель «распространенная болезнь - редкие варианты» («common disease - rare variants», RV). Каждая из моделей давала свои объяснения «эволюционного парадокса шизофрении».

RV vs. CV

Согласно модели CV генетическим субстратом шизофрении является некий набор генетических особенностей, полиген, - сродни тому, что определяет наследование количественных признаков вроде роста или массы тела. Такой полиген - это набор полиморфизмов, каждый из которых лишь немного влияет на физиологию (они называются «каузальными», т. к. хоть и не по одиночке, но приводят к развитию болезни). Чтобы поддерживать характерный для шизофрении довольно высокий уровень заболеваемости необходимо, чтобы этот полиген состоял из распространенных вариантов - ведь собрать в одном геноме много редких вариантов очень сложно. Соответственно и каждый человек имеет десятки таких рискованных вариантов в своем геноме. Суммарно все каузальные варианты определяют генетическую предрасположенность (liability) каждого отдельного человека к заболеванию. Предполагается, что для качественных сложных признаков, таких как шизофрения, имеется некое пороговое значение предрасположенности, и заболевание развивается только у тех людей, чья предрасположенность превышает это пороговое значение.

Пороговая модель предрасположенности к заболеванию. Показано нормальное распределение предрасположенности, отложенной по горизонтальной оси. У людей, чья предрасположенность превышает пороговое значение, развивается заболевание.

Впервые такая полигенная модель шизофрении была предложена в 1967 году одним из основателей современной психиатрической генетики Ирвингом Готтесманом, внесшим также значительный вклад в доказательство наследственной природы болезни. С точки зрения приверженцев модели CV сохранение высокой частоты каузальных вариантов шизофрении в популяции на протяжении многих поколений может иметь несколько объяснений. Во-первых, каждый отдельный такой вариант имеет довольно незначительное влияние на фенотип, такие «квази-нейтральные» варианты могут быть невидимы для отбора и оставаться распространенными в популяциях. Особенно это касается популяций с низкой эффективной численностью, где влияние случайности не менее важно, чем давление отбора - к таковым относится и популяция нашего вида.

С другой стороны, выдвигались предположения о присутствии в случае шизофрении т. н. балансирующего отбора, т. е. позитивного влияния «шизофренических полиморфизмов» на здоровых носителей. Это не так уж и сложно представить. Известно, например, что для шизоидных личностей с высокой генетической предрасположенностью к шизофрении (которых много среди близких родственников больных), характерен повышенный уровень творческих способностей, что может слегка увеличивать их адаптацию (это показано уже в нескольких работах). Популяционная генетика допускает такую ситуацию, когда положительный эффект каузальных вариантов у здоровых носителей может перевешивать негативные последствия для тех людей, у которых этих «хороших мутаций» оказалось слишком много, что привело к развитию болезни.

Вторая базовая модель генетической архитектуры шизофрении - модель RV. Она предполагает, что шизофрения - это собирательное понятие и каждый отдельный случай или семья историей заболевания - это отдельная квази-менделевская болезнь, связанная в каждом отдельном случае с уникальными изменениями в геноме. В рамках этой модели каузальные генетические варианты находятся под очень сильным давлением отбора и довольно быстро удаляются из популяции. Но так как в каждом поколении происходит небольшое количество новых мутаций, то между отбором и возникновением каузальных вариантов устанавливается некое равновесие.

С одной стороны, модель RV может объяснить, почему шизофрения очень хорошо наследуется, но ее универсальных генов до сих пор не найдено: ведь в каждой семье наследуются свои собственные каузальные мутации, а универсальных просто нет. С другой стороны, если руководствоваться этой моделью, то приходится признать, что мутации в сотнях разных генов могут приводить к одному и тому же фенотипу. Ведь шизофрения - заболевание распространенное, а возникновение новых мутаций происходит редко. Например, данные по секвенированию троек отец-мать-ребенок показывают, что в каждом поколении на 6 миллиардов нуклеотидов диплоидного генома возникает лишь 70 новых однонуклеотидных замен, из которых в среднем только несколько теоретически могут оказывать какое-либо влияние на фенотип, а мутации других типов - еще более редкое явление.

Тем не менее, некоторые эмпирические данные косвенно подтверждают такую модель генетической архитектуры шизофрении. Например, в начале 90-х годов было обнаружено, что около одного процента всех больных шизофренией имеют микроделецию в одной из областей 22-ой хромосомы. В подавляющем большинстве случаев эта мутация не наследуется от родителей, а происходит de novo в ходе гаметогенеза. Один из 2000 людей рождается с такой микроделецией, приводящей к разнообразным нарушениям в работе организма, названным «синдромом Ди Джорджи». Для страдающих этим синдромом характерны серьезные нарушения когнитивных функций и иммунитета, часто они сопровождаются гипокальциемией, а также проблемами с сердцем и почками. У четверти больных синдромом Ди Джорджи развивается шизофрения. Заманчиво было бы предположить, что и другие случаи шизофрении объясняются сходными генетическими нарушениями с катастрофическими последствиями.

Другим эмпирическим наблюдением косвенно подтверждающим роль de novo мутаций в этиологии шизофрении является связь риска заболеть с возрастом отца. Так, по некоторым данным среди тех, чьим отцам было больше 50 лет на момент рождения, в 3 раза больше больных шизофренией, чем среди тех, чьим отцам было меньше 30. С другой стороны, довольно давно выдвигались гипотезы о связи возраста отца с возникновением de novo мутаций. Такая связь, например, давно установлена для спорадических случаев другой (моногенной) наследственной болезни - ахондроплазии. Эта корреляция совсем недавно была подтверждена вышеупомянутыми данными по секвенированию троек: количество de novo мутаций связано с возрастом отца, но не с возрастом матери. По расчетам ученых от матери ребенок в среднем получает 15 мутаций независимо от ее возраста, а от отца - 25, если ему 20 лет, 55, если ему 35 лет и более 85, если он старше 50. То есть количество de novo мутаций в геноме ребенка увеличивается на две с каждым годом жизни отца.

Казалось, что вместе эти данные довольно ясно указывают на ключевую роль de novo мутаций в этиологии шизофрении. Однако ситуация на самом деле оказалась гораздо сложнее. Уже после разделения двух основных теорий, на протяжении десятилетий генетика шизофрении находилась в стагнации. Не было получено почти никаких достоверных воспроизводимых данных в пользу одной из них. Ни об общей генетической архитектуре болезни, ни о конкретных вариантах, влияющих на риск развития заболевания. Резкий скачок произошел за последние 7 лет и он связан прежде всего с технологическими прорывами.

В поисках генов

Секвенирование первого генома человека, последующее усовершенствование технологий секвенирования, а затем появление и повсеместное внедрение высокопроизводительного секвенирования позволили наконец получить более или менее полное представление о структуре генетической вариабельности в человеческой популяции. Эта новая информация сразу стала использоваться для полномасштабного поиска генетических детерминант предрасположенности к тем или иным заболеваниям, в том числе и к шизофрении.

Строятся подобные исследования примерно так. Сначала собирается выборка неродственных больных людей (cases) и примерно такая же по размеру выборка неродственных здоровых индивидуумов (controls). У всех этих людей определяется наличие тех или иных генетических вариантов - как раз в последние 10 лет у исследователей появилась возможность определять их на уровне целых геномов. Затем производится сравнение частоты встречаемости каждого из определенных вариантов между группами больных людей и группой контроля. Если при этом удается найти статистически достоверное обогащение того или иного варианта у носителей, его называют ассоциацией. Таким образом среди необъятного числа существующих генетических вариантов находятся те, которые связаны с развитием болезни.

Важной величиной, характеризующей эффект ассоциированного с болезнью варианта, является OD (odds ratio, отношение рисков), которое определяется как отношение шансов заболеть у носителей данного варианта по сравнению с теми людьми, у которых он отсутствует. Если величина OD варианта равна 10, это означает следующее. Если взять случайную группу носителей варианта и равную ей группу людей, у которых данный вариант отсутствует, окажется, что в первой группе больных будет в 10 раз больше, чем во второй. При этом чем ближе OD к единице у данного варианта, тем бóльшая выборка нужна для того, чтобы достоверно подтвердить то, ассоциация действительно существует, - что это генетический вариант действительно влияет на развитие болезни.

Подобные работы позволили к настоящему времени обнаружить по всему геному более десятка субмикроскопических делеций и дупликаций , ассоциированных с шизофренией (их называют CNV - copy number variations, одна из CNV как раз вызывает уже известный нам синдром Ди Джорджи). Для обнаруженных CNV, вызывающих шизофрению, OD колеблется в интервале от 4 до 60. Это высокие значения, однако из-за чрезвычайной редкости даже суммарно все они объясняют только очень небольшую часть наследуемости шизофрении в популяции. Что же отвечает за развитие болезни у всех остальных?

После сравнительно неудачных попыток найти такие CNV, которые бы вызывали развитие болезни не в нескольких редких случаях, а у значительной части популяции, сторонники «мутационной» модели возлагали большие надежды на другой тип экспериментов. В них сравнивают у больных шизофренией и здоровых контролей не наличие массивных генетических перестроек, а полные последовательности геномов или экзомов (совокупностей всех кодирующих белки последовательностей). Такие данные, получаемые с использованием высокопроизводительного секвенирования, позволяют находить редкие и уникальные генетические особенности, которые невозможно обнаружить другими методами.

Удешевление секвенирования сделало в последние годы возможным эксперименты такого типа на довольно больших выборках - включающих в последних работах несколько тысяч больных и столько же здоровых контролей. Каков результат? Увы, пока удалось обнаружить лишь один ген, редкие мутации в котором достоверно ассоциированы с шизофренией - это ген SETD1A , кодирующий один из важных белков, участвующих в регуляции транскрипции. Как и в случае с CNV, проблема тут та же самая: мутации в гене SETD1A не могут объяснять сколько-нибудь значимой части наследуемости шизофрении из-за того, что они просто очень редкие.

Связь распространенности ассоциированных генетических вариантов (по горизонтальной оси) и их влияния на риск развития шизофрении (OR). На основном графике красными треугольниками показаны некоторые из обнаруженных к настоящему времени CNV, ассоциированные с болезнью, синими кружками – SNP по данным GWAS. Во врезе в тех же координатах представлены области редких и частых генетических вариантов.

Есть указания на то, что существуют и другие редкие и уникальные варианты, которые влияют на предрасположенность к шизофрении. И дальнейшее увеличение выборок в экспериментах с использованием секвенирования должно помочь отыскать некоторые из них. Однако, несмотря на то, что исследование редких вариантов еще может принести некоторое количество ценной информации (особенно эта информация будет важна для создания клеточных и животных моделей шизофрении), большинство ученых в настоящее время сходятся во мнении, что редкие варианты играют лишь второстепенную роль в наследуемости шизофрении, а модель CV намного лучше описывает генетическую архитектуру болезни. Убежденность в верности CV модели пришла прежде всего с развитием исследований типа GWAS, о которых мы подробно расскажем во второй части. Коротко говоря, исследования такого типа позволили обнаружить ту самую распространенную генетическую изменчивость, описывающую значительную долю наследуемости шизофрении, существование которой предсказывалось моделью CV.

Дополнительным подтверждением CV модели для шизофрении является связь между уровнем генетической предрасположенности к шизофрении и так называемыми расстройствами шизофренического спектра. Еще ранние исследователи шизофрении заметили, что среди родственников больных шизофренией часто встречаются не только другие больные шизофренией, но и «эксцентрические» личности со странностями характера и симптоматикой сходной с шизофренической, но выраженной менее ярко. Впоследствии подобные наблюдения привели к концепции, согласно которой существует целый набор болезней, для которых характерны более или менее выраженные нарушения в восприятии реальности. Эта группа болезней получила название расстройства шизофренического спектра. Помимо различных форм шизофрении к ним относят бредовые расстройства, шизотипическое, параноидное и шизоидное расстройства личности, шизоаффективное расстройство и некоторые другие патологии. Готтесман, предлагая свою полигенную модель шизофрении, предположил, что у людей с субпороговыми значениями предрасположенности к болезни могут развиваться другие патологии шизофренического спектра, причем тяжесть заболевания коррелирует с уровнем предрасположенности.

Если эта гипотеза верна, логично предположить, что генетические варианты, обнаруженные как ассоциированные с шизофренией, будут обогащены и среди людей, страдающих расстройствами шизофренического спектра. Для оценки генетической предрасположенности каждого отдельного человека используется специальная величина, называемая уровнем полигенного риска (polygenic risk score). Уровень полигенного риска учитывает суммарные вклад всех идентифицированных в GWAS распространенных рискованных вариантов, имеющихся в геноме данного человека, в предрасположенность к болезни. Оказалось, что, как и предсказывала модель CV, значения уровня полигенного риска коррелируют не только с самой шизофренией (что тривиально), но и с другими болезнями шизофренического спектра, причем тяжелым типам расстройств соответствуют более высокие уровни полигенного риска.

И все-таки остается одна проблема - феномен «старых отцов». Если большая часть эмпирических данных подтверждает полигенную модель шизофрении, как согласовать с ней давно известную связь между возрастом отцовства и риском детей заболеть шизофренией?

Некогда было выдвинуто изящное объяснение этого феномена с точки зрения модели CV. Предполагалось, что позднее отцовство и шизофрения не являются соответственно причиной и следствием, а представляют собой два следствия общей причины, а именно генетической предрасположенности поздних отцов к шизофрении. С одной стороны, высокий уровень предрасположенности к шизофрении может коррелировать у здоровых мужчин с более поздним отцовством. С другой стороны, очевидно, что высокая предрасположенность отца предопределяет повышенную вероятность того, что его дети заболеют шизофренией. Выходит, что мы можем иметь дело с двум независимыми корелляциями, а значит накопление мутаций в предшественниках сперматозоидов у мужчин можетпочти никак не влиять на развитие шизофрении у их потомков. Недавно полученные результаты моделирования , учитывающего эпидемиологические данные, а также свежие молекулярные данные по частоте de novo мутаций, хорошо согласуются именно с таким объяснением феномена «старых отцов».

Таким образом, в настоящий момент можно считать, что убедительных аргументов в пользу «мутационной» RV модели шизофрении уже почти не осталось. А значит ключ к этиологии болезни лежит в том, какой именно набор распространенных полиморфизмов вызывает шизофрению в соответсвии с CV-моделью. Тому, как этот набор ищут генетики и что им уже удалось обнаружить, будет посвящена вторая часть нашей истории.

Медицинская цитогенетика - изучение кариотипа человека в норме и при патологии. Это направление возникло в 1956 г., когда Тио и Леван усовершенствовали метод приготовления препаратов метафазных хромосом и впервые установили модальное число хромосом (2n=46) в диплоидном наборе. В 1959 г. была расшифрована хромосомная этиология ряда заболеваний - синдромов Дауна, Клайнфельтера, Шерешевского-Тернера и некоторых других синдромов аутосомных трисомий. Дальнейшее развитие медицинской цитогенетики в конце 1960-х годов было обусловлено появлением методов дифференциального окрашивания метафазных хромосом, дающих возможность идентификации хромосом и их отдельных районов. Методы дифференциального окрашивания не всегда обеспечивали правильность установления точек разрывов в результате структурных перестроек хромосом. В 1976 г. Юнис разработал новые методы их изучения на стадии прометафазы, которые получили название «высокоразрешающие методы».

Использование таких методов позволило получить хромосомы с разным количеством сегментов (от 550 до 850) и дало возможность проведения идентификации нарушений с вовлечением небольших их участков (микроперестроек). С начала 1980-х гг. цитогенетика человека вступила в новый этап развития: в практику был внедрен хромосомный анализ молекулярно-цитогенетических методов, флюоресцентной гибридизации in situ (FISH - Fluorescence In Situ Hybridization). Этот метод широко используют для выявления более тонких структурных аномалий хромосом, которые неразличимы при дифференциальном окрашивании. В настоящее время применение различных методов хромосомного анализа позволяет успешно проводить пре- и постнатальную диагностику хромосомных болезней.

Хромосомные болезни - большая группа клинически многообразных состояний, характеризуемых множественными врожденными пороками развития, этиология которых связана с количественными или структурными изменениями кариотипа.

В настоящее время различают почти 1000 хромосомных аномалий, из них более 100 форм имеют клинически очерченную картину и называются синдромами; их вклад в спонтанные аборты, неонатальную смертность и заболеваемость весьма значителен. Распространенность хромосомных аномалий среди спонтанных абортов составляет в среднем 50%, среди новорожденных с грубыми множественными врожденными пороками развития - 33%, мертворожденных и перинатально умерших с врожденными пороками развития - 29%, недоношенных с врожденными пороками развития - 17%, новорожденных с врожденными пороками развития - 10%, мертворожденных и перинатально умерших - 7%, недоношенных - 2,5%, всех новорожденных - 0,7%.

Большинство хромосомных болезней являются спорадическими, возникающими заново вследствие геномной (хромосомной) мутации в гамете здорового родителя или в первых делениях зиготы, а не наследуемыми в поколениях, что связано с высокой смертностью больных в дорепродуктивном периоде. Фенотипическую основу хромосомных болезней составляют нарушения раннего эмбрионального развития. Именно поэтому патологические изменения складываются еще в пренатальном периоде развития организма и либо обусловливают гибель эмбриона или плода, либо создают основную клиническую картину заболевания уже у новорожденного (исключение составляют аномалии полового развития, формирующиеся в основном в период полового созревания). Раннее и множественное поражение систем организма характерно для всех форм хромосомных болезней. Это черепно-лицевые дизморфии, врожденные пороки развития внутренних органов и частей тела, замедленные внутриутробный и постнатальный рост и развитие, отставание психического развития, пороки центральной нервной системы, сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой, пищеварительной и эндокринной систем, а также отклонения в гормональном, биохимическом и иммунологическом статусе. Для каждого хромосомного синдрома характерен комплекс врожденных пороков развития и аномалий развития, присущий в какой-то мере только данному типу хромосомных патологий. Клинический полиморфизм каждой хромосомной болезни в общей форме обусловлен генотипом организма и условиями среды. Вариации в проявлениях патологии могут быть очень широкими - от летального эффекта до незначительных отклонений в развитии. Несмотря на хорошую изученность клинических проявлений и цитогенетики хромосомных болезней, их патогенез даже в общих чертах еще не ясен. Не разработана общая схема развития сложных патологических процессов, обусловленных хромосомными аномалиями и приводящих к появлению сложнейших фенотипов хромосомных болезней.

Основные типы хромосомных аномалий
Все хромосомные болезни по типу мутаций можно разделить на две большие группы: вызванные изменением числа хромосом при сохранении структуры последних (геномные мутации) и обусловленные изменением структуры хромосомы (хромосомные мутации). Геномные мутации возникают вследствие нерасхождения или утраты хромо-сом в гаметогенезе или на ранних стадиях эмбриогенеза. У человека обнаружено только три типа геномных мутаций: тетраплоидия, триплоидия и анеуплоидия. Частота возникновения триплоидных (Зn=69) и тетраплоидных (4n=92) мутаций очень низка, в основном их обнаруживают среди спонтанно абортированных эмбрионов или плодов и у мертворожденных. Продолжительность жизни новорожденных с такими нарушениями - несколько дней. Геномные мутации по отдельным хромосомам многочисленны, они составляют основную массу хромосомных болезней. При этом из всех вариантов анеуплоидий встречаются только трисомии по аутосомам, полисомии по половым хромосомам (три-, тетра- и пентасомии), а из моносомий встречается только моносомия X.

Полные трисомии или моносомии переносятся организмом тяжелее, чем частичные, дисбаланс по крупным хромосомам встречается у живорожденных значительно реже, чем по мелким. Полные формы хромосомных аномалий вызывают значительно более серьезные отклонения, чем мозаичные. Аутосомные моносомии среди живорожденных очень редки, это мозаичные формы с большой долей нормальных клеток. Доказан факт относительно малой генетической ценности гетерохроматиновых районов хромосом. Именно поэтому полные трисомии у живорожденных наблюдают по тем аутосомам, которые богаты гетерохроматином, - 8, 9, 13, 14, 18, 21, 22 и X. Этим объясняется хорошая переносимость пациентами даже тройной дозы материала Y-хромосомы и почти полная утрата длинного ее плеча. Совместимую с постнатальной жизнью полную моносомию по Х-хромосоме, приводящую к развитию синдрома Шерешевского-Тернера, а также тетра- и пентасомии наблюдают только по Х-хромосоме, которая гетерохроматизирована.

Хромосомные мутации, или структурные хромосомные перестройки, - нарушения кариотипа, сопровождаемые или не сопровождаемые дисбалансом генетического материала в пределах одной или нескольких хромосом (внутри- и межхромосомные перестройки).

В подавляющем большинстве случаев структурные хромосомные мутации пере-дает потомству один из родителей, в кариотипе которого присутствует сбалансированная хромосомная перестройка. К ним относят реципрокную (взаимную) сбалансированную транслокацию без потери участков вовлеченных в нее хромосом. Она, как и инверсия, не вызывает патологических явлений у носителя. Однако при образовании гамету носителей сбалансированных транслокаций и инверсий могут образовываться несбалансированные гаметы. Робертсоновская транслокация - транслокация между двумя акроцентрическими хромосомами с потерей их коротких плеч - приводит к образованию одной метацентрической хромосомы вместо двух акроцентрических. Носители такой транслокации здоровы, потому что потеря коротких плеч двух акроцентрических хромосом компенсируется работой таких же генов в остальных 8 акроцентрических хромосомах. При созревании половых клеток случайное распределение (при клеточных делениях) двух перестроенных хромосом и их гомологов приводит к появлению нескольких типов гамет, одни из которых нормальны, другие содержат такую комбинацию хромосом, которая при оплодотворении дает зиготу со сбалансированным перестроенным кариотипом, третьи дают при оплодотворении хромосомно несбалансированные зиготы.

При несбалансированном хромосомном наборе (делеции, дупликации, инсерции) у плода развиваются тяжелые клинические патологии, как правило, в виде комплекса врожденных пороков развития. Недостаток генетического материала вызывает более серьезные пороки развития, чем его избыток.

Значительно реже структурные аберрации возникают de novo. Родители пациента с хромосомной болезнью обычно кариотипически нормальны. Хромосомная болезнь в этих случаях возникает de novo в результате передачи от одного из родителей геномной или хромосомной мутации, возникшей однократно в одной из гамет, или такая мутация возникает уже в зиготе. Это не исключает повторного возникновения хромосомного нарушения у детей в данной семье. Есть семьи, предрасположенные к повторным случаям нерасхождения хромосом. Мутациями, возникшими de novo, являются почти все случаи известных полных трисомий и моносомий. Основной механизм возникновения структурной перестройки любого типа - разрыв в одной или нескольких хромосомах с последующим воссоединением образовавшихся фрагментов.

Клинические показания к цитогенетической диагностике
Цитогенетический метод исследования занимает ведущее место среди методов лабораторной диагностики при медико-генетическом консультировании и в пре-натальной диагностике. Однако следует строго придерживаться объективных
показаний для направления пациентов на исследование кариотипа.

Основные показания к пренатальной диагностике:
хромосомная аномалия у предыдущего ребенка в семье;
мертворожденный ребенок с хромосомной аномалией;
хромосомные перестройки, хромосомный мозаицизм или анеуплоидия по половым хромосомам у родителей;
результаты исследования сыворотки крови у матери, указывающие на повы-шенный риск хромосомной аномалии у плода (группа риска);
возраст матери;
выявленные при ультразвуковом исследовании аномалии плода;
подозрение на мозаицизм у плода при предыдущем цитогенетическом исследовании;
подозрение на синдром с хромосомной нестабильностью.

Исследование кариотипа при постнатальной диагностике рекомендуют проводить при наличии у пациента:
первичной или вторичной аменореи или ранней менопаузы;
аномальной спермограммы - азооспермии или выраженной олигоспермии;
клинически выраженных отклонений в росте (низкий, высокий рост) и размерах головы (микро-, макроцефалия);
аномальных гениталий;
аномального фенотипа или дизморфий;
врожденных пороков развития;
умственной отсталости или нарушений развития;
проявлений делеционного/микроделеционного/дупликационного синдрома;
Х-сцепленного рецессивного заболевания у женщин;
клинических проявлений синдромов хромосомной нестабильности;
при мониторинге после трансплантации костного мозга.

Цитогенетические исследования следует провести у супружеской пары:
при хромосомных аномалиях или необычных вариантах хромосом у плода, обнаруженных при пренатальной диагностике;
повторных выкидышах (3 и более); мертворождении, неонатальной смерти плода, невозможности обследования пораженного плода;
наличии у ребенка хромосомной аномалии или необычного хромосомного варианта;
бесплодии неизвестной этиологии.

Показанием к цитогенетическому исследованию является наличие у родственников пациента:
хромосомных перестроек;
умственной отсталости предположительно хромосомного происхождения;
репродуктивных потерь, врожденных пороков развития плода или мертворождения неясного происхождения.

Показания к исследованию FISH-методом:
подозрение на микроделеционный синдром, для которого доступна молекулярно-цитогенетическая диагностика (наличие соответствующих ДНК-зондов);
повышенный риск микроделеционного синдрома по анамнестическим данным;
клинические признаки, позволяющие предположить мозаицизм по опреде-ленному хромосомному синдрому;
состояния после трансплантации костного мозга, когда донор и реципиент разного пола;
подозрение на хромосомную аномалию при стандартном цитогенетическом исследовании, когда FISH-метод может быть полезным для дальнейшего 
уточнения характера аномалии, или в ситуациях, когда имеются характерные клинические проявления;
наличие сверхчисленной маркерной хромосомы;
подозрение на скрытую хромосомную перестройку.

FISH-метод при анализе метафаз показан:
при маркерных хромосомах;
дополнительном материале неизвестного происхождения на хромосоме;
хромосомных перестройках;
подозрении на потерю хромосомного сегмента;
мозаицизме.

FISH-метод при анализе интерфазных ядер показан:
при численных хромосомных аномалиях;
дупликациях;
делениях;
перестройках хромосом;
определении хромосомного пола;
амплификации генов.

Методы цитогенетического исследования :
Исследование и описание характерных особенностей метафазных хромосом особенно важны для практической цитогенетики. Отдельные хромосомы в пределах группы распознают с помощью методов дифференциального окрашивания. Эти методы позволяют обнаруживать неоднородность структуры хромосомы по длине, определяемую особенностями комплекса основных молекулярных компонентов хромосом - ДНК и белков. Проблема распознавания индивидуальных хромосом в кариотипе важна для развития цитогенетической диагностики хромосомных болезней у человека.

Методы цитогенетического исследования делятся на прямые и непрямые. Прямые методы применяют в тех случаях, когда нужен быстрый результат и имеется возможность получить препараты хромосом клеток, делящихся в организме. Непрямые методы включают в качестве обязательного этапа более или менее длительное культивирование клеток в искусственных питательных средах. Промежуточное положение занимают методы, включающие кратковременное культивирование (от нескольких часов до 2-3 сут).

Основной объект цитогенетического исследования прямыми и непрямыми методами - стадия метафазы митоза и различные стадии мейоза. Метафаза мито¬за служит основным предметом цитогенетического исследования, так как именно на этой стадии возможны точная идентификация хромосом и выявление их ано¬малий. Хромосомы в мейозе исследуют для обнаружения некоторых типов пере¬строек, по природе своей не обнаруживаемых в метафазе митоза.

Биологический материал для цитогенетических исследований. Обработка клеточных культур. Приготовление хромосомных препаратов
В качестве материала для получения хромосом человека и их исследования могут быть использованы клетки любой ткани, доступной для биопсии. Чаще всего используют периферическую кровь, кожные фибробласты, костный мозг, клетки амниотической жидкости, ворсинчатого хориона. Наиболее доступны для исследования хромосом лимфоциты периферической крови человека.

В настоящее время практически во всех лабораториях мира для постановки культуры лимфоцитов применяют метод с использованием цельной периферической крови. Кровь в количестве 1-2 мл заранее берут из локтевой вены в стерильную пробирку или флакон с раствором гепарина. Во флаконе кровь можно хранить 24-48 ч в холодильнике при температуре 4-6 °С. Постановку культуры лимфоцитов осуществляют в специальном боксовом помещении или в рабочей комнате под ламинарным шкафом в стерильных условиях. Такие условия обязательны для предотвращения заноса в культуру крови патогенной флоры. Если есть подозрение на загрязненность крови или другого материала, необходимо в культуральную смесь добавить антибиотики. Флаконы с культуральной смесью инкубируют в термостате при температуре +37 °С в течение 72 ч (идет активный рост и деление клеток). Основное назначение методических приемов при обработке клеточных культур и приготовлении из них хромосомных препаратов - получить на препарате достаточное количество метафазных пластинок с таким разбросом хромосом, при котором можно оценить длину, форму и другие морфологические признаки каждой хромосомы набора.

Накопление клеток в метафазе митоза и получение на препарате качественных пластинок происходит с помощью ряда последовательных процедур:
колхинизации - воздействия на клетки цитостатиками колхицином или колцемидом, блокирующими митоз в стадии метафазы;
гипотонизации культур;
фиксации клеток смесью метилового спирта с уксусной кислотой;
нанесения клеточной взвеси на предметное стекло.

Колхинизацию культур клеток осуществляют за 1,5-2 ч до начала фиксации. После введения колхицина флаконы с клеточными культурами продолжают инкубировать в термостате. По окончании инкубации культуральную смесь из каждого флакона сливают в чистые центрифужные пробирки и подвергают центрифугиро-ванию. Затем к осадку клеток добавляют гипотонический раствор калия хлорида, предварительно нагретый до температуры +37 °С.

Гипотонизацию проводят в термостате при температуре +37 °С в течение 15 мин. Гипотонический раствор KCI способствует лучшему разбросу хромосом на предметном стекле. После гипотонизации клетки переводят в осадок центрифуги-рованием и подвергают фиксации. Фиксацию проводят смесью метилового (или этилового) спирта с уксусной кислотой.

Завершающий этап - приготовление хромосомных препаратов для получения хорошо «распластанных» метафазных пластинок с сохранением целостности, полноты хромосомного набора в каждой из них. На мокрые, охлажденные пред-метные стекла наносят клеточную взвесь, после чего стекла высушивают при ком-натной температуре и маркируют.

Методы дифференциального окрашивания хромосом
С 1971 г. в цитогенетике нашли широкое распространение методы, позволяющие дифференциально окрашивать каждую хромосому набора по ее длине. Практическое значение этих методов состоит в том, что дифференциальная окраска позволяет идентифицировать все хромосомы человека благодаря специфическому рисунку продольной окрашиваемости для каждой хромосомы. Для окраски может быть пригодна любая краска, состоящая из основного красителя, поскольку главным красящим субстратом хромосом является комплекс ДНК с белками. В практике цитогенетических исследований наибольшее применение получили следующие методы.

G-метод окраски - самый распространенный метод из-за простоты, надежности и доступности необходимых реактивов. После окраски каждая пара хромосом приобретает исчерченность по длине благодаря чередованию по-разному окрашенных гетерохроматиновых (темных) и эухроматиновых (светлых) сегментов, которые принято обозначать как G-сегменты. С-метод окраски обеспечивает выявление лишь некоторых районов хромосом. Это районы гетерохроматина, локализованного в околоцентромерных участках длинных плеч хромосом 1, 9 и 16 и в длинном плече Y-хромосомы, а также в коротких плечах акроцентрических хромосом. R-метод окраски препаратов хромосом показывает картину дифференциальной сегментации, обратной G-методу. Этим методом хорошо прокрашиваются дистальные сегменты хромосом, что очень важно при идентификации мелких пере-строек с вовлечением концевых участков. Q-метод окраски обеспечивает дифференциальную флюоресцентную окраску индивидуальных хромосом набора, позволяет идентифицировать каждую пару гомологов, а также определить наличие Y-хромосомы в интерфазных ядрах по свечению тельца Y-хроматина.

Принципы хромосомного анализа
Обязательным этапом исследования является визуальный анализ хромосом под микроскопом с использованием тысячекратного увеличения (х1000) при окулярах х10 и иммерсионном объективе х100. Оценку качества и пригодности хромосомных препаратов для исследования, а также отбор метафазных пластинок для анализа проводят при малом увеличении (х100). Для исследования выбирают хорошо окрашенные, полные метафазные пластинки с хорошим разбросом хромосом. Исследователь подсчитывает общее количество хромосом и проводит оценку структуры каждой хромосомы путем сопоставления исчерченности гомологов, а также сопоставления наблюдаемой картины с цитогенетическими картами (схемами) хромосом.

Использование компьютерных систем анализа изображений существенно облегчает задачу цитогенетика, повышает качество его работы и предоставляет возможность быстрого и простого документирования результатов исследования. Для обеспечения высокого качества работы рекомендуют участие двух специалистов в проведении цитогенетического исследования каждого образца. Документом, подтверждающим исследование, служит протокол, в котором указывают координаты просмотренных клеток, количество хромосом в каждой из них, обнаруженные перестройки, формулу кариотипа и заключение, а также фамилию пациента, дату и номер исследования, фамилию и подпись врача (врачей), проводившего исследование. Следует сохранять препараты и изображения хромосом для последующего просмотра.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ОПИСАНИЯ ХРОМОСОМНЫХ АНОМАЛИЙ СОГЛАСНО МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ
Запись формулы кариотипа необходимо проводить в соответствии с действую-щей версией Международной системы цитогенетической номенклатуры человека - International System for human Cytogenetic Nomenclature. Ниже рассмотрены аспекты применения номенклатуры, которые наиболее часто встречаются в клинической цитогенетической практике.

Количество и морфология хромосом:
В кариотипе хромосомы разделяют на семь легкоразличимых групп (А-G) в соответствии с их размером и положением центромеры. Аутосомы - это хромосо¬мы с 1-й по 22-ю, половые хромосомы - X и Y.
Группа А (1-3) - большие метацентрические хромосомы, которые можно отличить друг от друга по размеру и положению центромеры.
Группа В (4-5) - большие субметацентрические хромосомы.
Группа С (6-12, X) - метацентрические и субметацентрические хромосомы среднего размера. Х-хромосому относят к самым крупным хромосомам в этой группе.
Группа D (13-15) - акроцентрические хромосомы среднего размера со спутниками. 
Группа Е (16-18) - относительно небольшие метацентрические и субметацентрические хромосомы.
Группа F (19-20) - маленькие метацентрические хромосомы.
Группа G (21-22, Y) - маленькие акроцентрические хромосомы со спутниками. Y-хромосома не имеет спутников.

Каждая хромосома состоит из непрерывного ряда полос, которые размещаются по длине плеч хромосом в строго ограниченных районах (участках). Хромосомные районы специфичны для каждой хромосомы и имеют существенное значение для их идентификации. Полосы и районы нумеруют в направлении от центромеры к теломере по длине каждого плеча. Районы - участки хромосомы, расположенные между двумя соседними полосами. Для обозначения коротких и длинных плеч хромосом используют следующие символы: р - короткое плечо и q - длинное плечо. Центромера (сеп) обозначена символом 10, часть центромеры, прилежащая к короткому плечу, - р10, к длинному плечу - q10. Район, ближайший к центромере, обозначают цифрой 1, следующий район - цифрой 2 и т. д.

Для обозначения хромосом используют четырехзначную символику:
1-й символ - номер хромосомы;
2-й символ (р или q) - плечо хромосомы;
3-й символ - номер района (участка);
4-й символ - номер полосы в пределах этого района.

Например, запись 1р31 указывает на хромосому 1, ее короткое плечо, район 3, полосу 1. Если полоса подразделяется на субполосы, после обозначения полосы ставят точку, затем пишут номер каждой субполосы. Субполосы, так же как и полосы, нумеруют в направлении от центромеры к теломере. Например, в полосе 1р31 выделяют три субполосы: 1р31.1, 1р31.2 и 1р31.3, из которых субполоса 1р31.1 проксимальна по отношению к центромере, а субполоса 1р31.3 - дистальна. Если субполосы подразделяют дополнительно на части, их нумеруют цифрами без пунктуации. Например, субполоса 1р31.1 делится на 1р31.11,1р31.12 и т. д.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ НОРМАЛЬНОГО И АНОМАЛЬНОГО КАРИОТИПА
В описании кариотипа первым пунктом указывают общее количество хромосом, включая половые хромосомы. Первое число отделяют от остальной части записи запятой, затем записывают половые хромосомы. Аутосомы обозначают только в случае аномалий.

Нормальный человеческий кариотип выглядит следующим образом:
46,XX - нормальный кариотип женщины;
46,XY - нормальный кариотип мужчины. 

При хромосомных аномалиях первыми записывают аномалии половых хромо-сом, затем аномалии аутосом в порядке возрастания номеров и независимо от типа аномалии. Каждую аномалию отделяют запятой. Для описания структурно перестроенных хромосом используют буквенные обозначения. Хромосому, вовлеченную в перестройку, записывают в круглых скобках после символа, обозначающего тип перестройки, например: inv(2), del(4), r(18). Если в перестройке участвуют две или более хромосом, между обозначениями номера каждой из них ставят точку с запятой (;).

Знаки (+) или (-) ставят перед хромосомой для обозначения аномалии с указанием дополнительной или отсутствующей хромосомы (нормальной или аномальной), например: +21,-7,+der(2). Их также используют для обозначения уменьшения или увеличения длины плеча хромосомы после символа (р или q); с этой целью указанные выше знаки можно применять только в тексте, но не в описании кариотипа, например: 4р+, 5q-. При описании размеров гетерохроматиновых сегментов, спутников и спутнич- ных нитей знак (+) (увеличение) или (-) (уменьшение) ставят непосредственно за обозначением соответствующего символа, например: 16qh+, 21ps+, 22pstk+. Знак умножения (х) используют для описания множественных копий перестроенных хромосом, но его нельзя использовать для описания множественных копий нормальных хромосом, например: 46,XX,del(6)(q13q23)х2. Для указания альтернативных интерпретаций аномалий используют символ (оr), например: 46,XX,del(8)(q21.1) or i(8)(p10).

Кариотипы разных клонов разделяют косой чертой (/). Квадратные скобки ставят после описания кариотипа, для обозначения абсолютного количества клеток в данном клоне. Для того чтобы указать причину возникновения разных клонов, используют символы mos (мозаицизм - клеточные линии произошли из одной зиготы) и chi (химера - клеточные линии произошли из разных зигот), которые приводят перед описанием кариотипа. При перечислении кариотипов нормальный диплоидный клон всегда указывают последним, например: mos47,XY,+21/46,XY; mos47,XXY/46,XY.

Если есть несколько аномальных клонов, запись проводят в порядке увеличе¬ния их размера: первый - наиболее часто встречаемый, затем по нисходящей. Самым последним указывают нормальный клон, например: mos45,X/47,XXX /46,ХХ. Аналогичную запись используют и в кариотипе, имеющем два нормальных клона, например: chi46,XX/46,XY. Если в кариотипе присутствуют два аномальных клона, один из которых имеет числовую аномалию, а другой - структурную перестройку, то клон с числовой аномалией записывают первым. Например: 45,X/46,X,i(X)(q10).

Когда оба клона имеют числовые аномалии, сначала записывают клон, имеющий аутосому с меньшим порядковым номером, например: 47,ХХ,+8/47,ХХ,+21; клон с аномалиями половых хромосом всегда ставят первым, например: 47,ХХХ/47,ХХ,+21 .

Тот факт, что кариотип является гаплоидным или полиплоидным, будет очеви-ден из числа хромосом и дальнейших обозначений, например: 69,XXY. Все измененные хромосомы должны быть обозначены относительно соответствующего уровня плоидности, например: 70,XXY,+21.

Материнское или отцовское происхождение аномальной хромосомы обозначают символами mat и pat соответственно после описываемой аномалии, например: 46,XX,t(5;6)(q34;q23)mat,inv(14)(q12q31)pat; 46,XX,t(5;6)(q34;q23)mat,inv(14) (q12q31)mat. Если известно, что хромосомы родителей нормальны по сравнению с данной аномалией, ее рассматривают как вновь возникшую и обозначают символом denovo (dn), например: 46,XY,t(5;6)(q34;q23)mat,inv (14)(q12q31)dn.

Описание численных аномалий хромосом:
Знак (+) или (-) ставят для обозначения потери или приобретения дополни-тельной хромосомы при описании численных аномалий.
47,XX,+21 - кариотип с трисомией 21.
48,XX,+13,+21 - кариотип с трисомией 13 и трисомией 21.
45,XX,-22 - кариотип с моносомией 22.
46,XX,+8,-21 - кариотип с трисомией 8 и моносомией 21.
Исключением из этого правила являются конституциональные аномалии поло-вых хромосом, которые записывают без использования знаков (+) и (-).
45,X - кариотип с одной Х-хромосомой (синдром Шерешевского-Тернера).
47,XXY - кариотип с двумя Х-хромосомами и одной Y-хромосомой (синдром Клайнфельтера).
47,XXX - кариотип с тремя Х-хромосомами.
47,XYY - кариотип с одной Х-хромосомой и двумя Y-хромосомами.
48,XXXY - кариотип с тремя Х-хромосомами и одной Y-хромосомой.

Описание структурных аномалий хромосом
В описании структурных перестроек используют как краткую, так и детальную системы записи. При использовании краткой системы указывают только тип хромосомной перестройки и точки разрыва. Записывают тип хромосомной аномалии, хромосому, вовлеченную в данную аномалию, и в круглых скобках - точки разры-ва. Краткая система не дает возможности однозначного описания сложных хромосомных перестроек, которые иногда выявляют при анализе кариотипов опухолей.

Краткая система обозначения структурных перестроек
Если в перестройку, возникшую в результате двух разрывов, произошедших в одной хромосоме, вовлечены оба плеча, точку разрыва в коротком плече записыва¬ют перед точкой разрыва в длинном плече: 46,XX,inv(2)(p21q31). Когда две точки разрыва находятся в одном плече хромосомы, первой указывают проксимальную к центромере точку разрыва: 46,XX,inv(2)(p13p23). В случае, когда в перестройку вовлечены две хромосомы, первой указывают либо хромосому с меньшим поряд-ковым номером, либо половую хромосому: 46,XY,t(12;16)(q13;p11.1); 46,X,t(X;18) (p11.11;q11.11).

Исключением из правила являются перестройки с тремя точками разрыва, когда фрагмент одной хромосомы вставляется в район другой хромосомы. При этом хромосому-реципиента записывают первой, а хромосому-донора последней, даже если это половая хромосома или хромосома с меньшим порядковым номером: 46,X,ins(5;X)(p14;q21q25); 46,XY,ins(5;2)(p14;q22q32). Если перестройка затрагивает одну хромосому, первыми указывают точки разрыва в сегменте, где образовалась вставка. В случае прямой инсерции первой записывают проксимальную к центромере точку разрыва вставленного фрагмента, а затем - дистальную точку разрыва. При инвертированной вставке - наоборот.

Для обозначения транслокаций, в которые вовлечены три разные хромосомы, на первом месте указывают половую хромосому или хромосому с меньшим поряд¬ковым номером, затем хромосому, получившую фрагмент от первой хромосомы, и, наконец, хромосому, отдавшую фрагмент первой хромосоме. 46,XX,t(9;22;17) (q34;q11.2;q22) - фрагмент хромосомы 9, соответствующий дистальному району 9q34, перенесен на хромосому 22, в сегмент 22q11.2, фрагмент хромосомы 22, соответствующий дистальному району 22q11.2, перенесен на хромосому 17, в сегмент 17q22, а фрагмент хромосомы 17, соответствующий дистальному району 17q22, перенесен на хромосому 9, в сегмент 9q34. 

Детальная система обозначения структурных перестроек. В соответствии с детальной системой обозначений структурные перестройки хромосом определяют по составу полос в них. Все обозначения, употребляемые в краткой системе, сохраняются и в детальной системе. Однако в детальной системе приводят подробное описание состава полос в перестроенных хромосомах с примене¬нием дополнительных символов. Двоеточие (:) обозначает точку разрыва, а двойное двоеточие (::) - разрыв с последующим воссоединением. Стрелкой (->) указывается направление переноса фрагментов хромосомы. Концы плеч хромосом обозначают символом ter (терминальный), pter или qter означают конец короткого или длинного плеча соответственно. Символ сеп используют для обозначения центромеры.

Типы хромосомных перестроек
Дополнительный материал неизвестного происхождения. Символ add (от лат. additio - прибавление) используют для указания на допол-нительный материал неизвестного происхождения, присоединившийся к хромосомному району или полосе. Дополнительный материал, присоединившийся к терминальному участку, будет вызывать увеличение длины плеча хромосомы. При описании хромосом с дополнительным материалом неизвестного проис-хождения в обоих плечах перед номером хромосомы ставят символ der. Если неизвестный дополнительный материал вставлен в плечо хромосомы, для описания используют символы ins и (?).

Делеции. Символ del используют для обозначения терминальных (концевых) и интерстициальных делеций:
46,XX,del(5)(q13)
46,XX,del (5) (pter->q13:)
Знак (:) означает, что разрыв произошел в полосе 5q13, в результате хромосома 5 состоит из короткого плеча и части длинного плеча, заключенной между центро-мерой и сегментом 5q13.
46,XX,del(5)(q13q33)
46,XX,del(5)(pter->q13::q33->qter)
Знак (::) означает разрыв и воссоединение полос 5ql3 и 5q33 длинного плеча хромосомы 5. Сегмент хромосомы между этими полосами делетирован.

Производные, или дериватные, хромосомы (der) - это хромосомы, возникшие в результате перестроек, затрагивающих две и более хромосом, а также в результате множественных перестроек внутри одной хромосомы. Номер производной хромосомы соответствует номеру интактной хромосомы, имеющей ту же центромеру, что и хромосома-дериват:
46,XY,der(9)del(9)(p12)del(9)(q31)
46,XY,der(9) (:р12->q31:)
Дериватная хромосома 9 является результатом двух терминальных делеций, произошедших в коротком и длинном плечах, с точками разрыва в полосах 9р12 и 9q31 соответственно.
46,XX,der (5)add(5)(p15.1)del(5)(q13)
46,XX,der(5)(?::p15.1-»q13:)
Дериватная хромосома 5 с дополнительным материалом неизвестного происхождения, присоединенным к полосе 5р15.1, и терминальной делецией длинного плеча дистальнее полосы 5q13.

Дицентрические хромосомы. Символ die используют для описания дицентрических хромосом. Дицентрическая хромосома заменяет одну или две нормальные хромосомы. Таким образом, нет необходимости указывать недостающие нормальные хромосомы. 
45,XX,dic(13;13)(q14;q32)
45,XX,dic(13;13)(13pter->13ql4::13q32-»13pter)
Разрыв и воссоединение произошли в полосах 13ql4 и 13q32 на двух гомологичных хромосомах 13, в результате чего образовалась дицентрическая хромосома.

Дупликации. Дупликации обозначают символом dup; они могут быть прямыми и инвертированными.
46,XX,dup(1)(q22q25)
46,XX,dup(1)(pter->q25::q22->qter)
Прямая дупликация сегмента между полосами lq22 и lq25.
46,XY,dup(1)(q25q22)
46,XY,dup(1) (pter->q25::q25->q22::q25->qter) или (pter->q22::q25-»q22::q22->qter)
Инвертированная дупликация сегмента между полосами lq22 и lq25. Необходимо отметить, что только детальная система дает возможность описать инвертированную дупликацию.

Инверсии. Символ inv используют для описания пара- и перицентрических инверсий.
46,XX,inv(3)(q21q26.2)
46,XX,inv(3)(pter->q21::q26.2->q21::q26.2->qter)
Парацентрическая инверсия, при которой разрыв и воссоединение произошли в полосах 3q21 и 3q26.2 длинного плеча хромосомы 3.
46,XY,inv(3)(p13q21)
46,XY,inv(3)(pter-»pl3::q21->p13::q21->qter)
Перицентрическая инверсия, при которой разрыв и воссоединение произошли между полосой 3р13 короткого плеча и полосой 3q21 длинного плеча хромосомы 3. Участок между этими полосами, включающий центромеру, перевернут на 180°.

Инсерции. Символ ins используют для обозначения прямой или инвертированной инсерции. Прямой считают такую инсерцию, при которой проксимальный конец района вставки оказывается в проксимальном положении относительно второго ее конца. При инвертированной инсерции проксимальный конец района вставки оказывается в дистальном положении. Тип инсерции (прямая или инвертированная) также может быть отражен символами dir и inv соответственно.
46,XX,ins(2)(pl3q21q31)
46,XX,ins(2)(pter->p13::q31->q21::pl3-»q21::q31-qter)
Прямая инсерция, т. е. dir ins(2) (p13q21q31), произошла между сегментами 2q21 и 2q31 длинного плеча и сегментом 2р13 короткого плеча хромосомы 2. Участок хромосомы длинного плеча между сегментами 2q21 и 2q31 вставлен в короткое плечо в районе сегмента 2р13. В новом положении сегмент 2q21 остается ближе к центромере, чем сегмент 2q31.
46,XY,ins(2) (pl3q31q21)
46,XY,ins(2)(pterH>pl3::q21->q31::pl3->q21::q31-»qter)
В данном случае вставленный участок инвертирован, т. е. inv ins(2)(p13q31q21). Во вставке сегмент 2q21 отстоит от центромеры дальше, чем сегмент 2q31. Таким образом, изменилось расположение сегментов по отношению к центромере.

Изохромосомы. Символ i используют при описании изохромосом, которые представляют собой хромосомы, состоящие из двух идентичных плеч. Точки разрыва в изохромосомах локализованы в центромерных районах р10 и q10.
46,XX,i(17)(q10)
46,XX,i(17)(qter-»q10::q10 ->qter) 
Изохромосома по длинному плечу хромосомы 17 и точка разрыва обозначены в районе 17q10. В кариотипе одна нормальная хромосома и одна перестроенная хромосома 17.
46,X,i(X)(q10)
46,X,i(X) (qter-»q10::q10->qter)
Одна нормальная Х-хромосома и Х-изохромосома по длинному плечу.

Ломкие участки (fragile sites, сокращенно fra) могут проявляться как нормальный полиморфизм, а могут быть связаны с наследственными заболеваниями или аномалиями фенотипа.
46,X,fra(X)(q27.3)
Ломкий участок в субполосе Xq27.3 одной из Х-хромосом в женском кариотипе.
46,Y,fra(X)(q27.3)
Ломкий участок в субполосе Xq27.3 Х-хромосомы в мужском кариотипе.

Маркерная хромосома (таг) - это структурно измененная хромосома, ни одна часть которой не может быть идентифицирована. Если какая-нибудь из частей аномальной хромосомы идентифицирована, ее описывают как производную хромосому (der). При описании кариотипа перед символом mar ставят знак (+).
47,XX,+mar
Одна дополнительная маркерная хромосома.
48,X,t(X;18)(p11.2;q11.2)+2mar
Две маркерные хромосомы в дополнение к транслокации t(X;18).

Кольцевые хромосомы обозначают символом г, они могут состоять из одной или нескольких хромосом.
46,XX,r(7)(p22q36)
46,XX,r(7) (::р22->q36::)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 7р22 и 7q36 с потерей участков хромосомы, расположенных дистальнее этих точек разрыва.
Если центромера кольцевой хромосомы неизвестна, но известны сегменты хромосом, содержащихся в кольце, кольцевые хромосомы определяются как производные (der).
46,XX,der(1)r(1;3)(p36.1q23;q21q27)
46,XX,der(1)(::lp36.1->1q23::3q21->3q27::)

Транслокации. Реципрокные транслокации
Для описания транслокаций (t) используют те же принципы и правила, что и для описания других хромосомных перестроек. Для того чтобы отличить гомологичные хромосомы, один из гомологов может быть подчеркнут одинарным подчеркиванием (_).
46,XY,t(2;5)(q21;q31)
46,XY,t(2;5)(2pter2q21::5q31-> 5qter;5pter 5q31::2q21->2qter)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 2q21 и 5q31. Хромосомы обме-нялись участками, дистальными по отношению к этим сегментам. Первой указывают хромосому с меньшим порядковым номером.
46,X,t(X;13)(q27;ql2)
46,X,t(X;13)(Xpter->Xq27::13ql2->13qter;13pter->3q 12::Xq27->Xqter)
Разрыв и воссоединение произошли в сегментах Xq27 и 13q12. Сегменты, дистальные по отношению к этим участкам, поменялись местами. Поскольку в транслокации участвует половая хромосома, ее записывают первой. Отметим, что правильная запись следующая - 46,X,t(X;13), а не 46,XX,t(X;13).
46,t(X;Y) (q22;q1, 1.2) 
46,t(X;Y)(Xpter->Xq22::Yq11.2->Yqter;Ypter->Yq11.2::Xq22->Xqter)
Реципрокная транслокация между X- и Y-хромосомами с точками разрыва Xq22 и Yq11.2.
Транслокации с вовлечением в них целых хромосомных плеч могут быть записаны с указанием точек разрыва в центромерных районах р10 и q10. При сбалансированных транслокациях точку разрыва в половой хромосоме или в хромосоме с меньшим порядковым номером обозначают р10.
46,XY,t(4;3)(p10;q10)
46,XY,t(1;3)(lpteMlpl0::3ql0->3qter;3pter->3p40::4q40->4qter)
Реципрокная транслокация целых хромосомных плеч, при которой короткие плечи хромосомы 1 присоединились к центромере с длинными плечами хромосомы 3, а длинные плечи хромосомы 1 присоединились к коротким плечам хромосомы 3.
При несбалансированных транслокациях целых хромосомных плеч перестроен-ная хромосома обозначается как производная (der) и замещает две нормальные хромосомы.
45,XX,der(1;3) (p10;q10)
45,XX,der(1;3)(1pter->1p10::3q10->3qter)

Производная хромосома, состоящая из короткого плеча хромосомы 1 и длинного плеча хромосомы 3. Недостающие хромосомы 1 и 3 не обозначены, так как они заменены производной хромосомой. Кариотип, таким образом, содержит одну нормальную хромосому 1, одну нормальную хромосому 3 и производную хромосому der(l;3).

Робертсоновские транслокации
Это особый тип транслокаций, возникающих в результате центрического слияния длинных плеч акроцентрических хромосом 13-15 и 21-22 с одновременной потерей коротких плеч этих хромосом. Принципы описания несбалансированных транслокаций, затрагивающих целые плечи, применимы и для описания робертсоновских транслокаций с использованием символа (der). Символ rob также может быть использован при описании этих транслокаций, но его нельзя применять в описании приобретенных аномалий. Точки разрывов хромосом, участвующих в транслокации, указывают в районах q10.
45,XX,der(13;21) (q10;q10)
45,XX,rob(13;21) (q10;q10)

Разрыв и воссоединение произошли в сегментах 13q10 и 21q10 центромерных районов хромосом 13 и 21. Производная хромосома заменила одну хромосому 13 и одну хромосому 21. Нет необходимости указывать недостающие хромосомы. Кариотип содержит одну нормальную хромосому 13, одну нормальную хромосому 21 и der (13;21). Дисбаланс возникает за счет потери коротких плеч хромосом 13 и 21.

Для сравнения количества de novo мутаций для каждого из случаев проводили параллельное секвенирование экзомов испытуемого и его родителей (трио). Особенно много (по отношению к контрольной группе) у больных ВПС несинонимичных замен было обнаружено в генах, вовлеченных в метилирование, деметилирование и распознавание метилирования лизина 4 гистона 3, а также отвечающих за убиквитинилирование H2BK120, которое необходимо доя метилирования H3K4. Особенность этих генов состоит в том, что каждая из мутаций в них ведет к нарушению экспрессии сразу нескольких генов, играющих важную роль в развитии организма.

Интересным представляется то, что по результатам аналогичного исследования, проведенного на больных аутизмом, гены, участвующие в распознавании метилирования H3K4 (СHD7, CHD8 и другие), также попали в список кандидатов. В работе перечисляются мутации, общие для обоих заболеваний (аутизма и ВПС), и никогда ранее не обнаруженные в норме. Авторы предполагают, что по подобному механизму могут развиваться и другие наследственные заболевания.

Источник
Nature. 2013 May 12. De novo mutations in histone-modifying genes in congenital heart disease. Zaidi S, Choi M, Wakimoto H, Ma L, Jiang J, Overton JD, Romano-Adesman A, Bjornson RD, Breitbart RE, Brown KK, Carriero NJ, Cheung YH, Deanfield J, Depalma S, Fakhro KA, Glessner J, Hakonarson H, Italia MJ, Kaltman JR, Kaski J, Kim R, Kline JK, Lee T, Leipzig J, Lopez A, Mane SM, Mitchell LE, Newburger JW, Parfenov M, Pe"er I, Porter G, Roberts AE, Sachidanandam R, Sanders SJ, Seiden HS, State MW, Subramanian S, Tikhonova IR, Wang W, Warburton D, White PS, Williams IA, Zhao H, Seidman JG, Brueckner M, Chung WK, Gelb BD, Goldmuntz E, Seidman CE, Lifton RP.

Подпись к рисунку
De novo мутации в метаболических путях H3K4 и H3K27. На рисунке перечислены гены, мутации в которых вляют на метилирование, деметилирование и узнавание гистоновых модификаций. Гены, несущие мутации типа сдвига рамки считывания и в сайтах сплайсинга, отмечены красным; гены, несущие несинонимичные замены, показаны синим. Обозначение SMAD (2) означает, что данная мутация была обнаружена сразу у двух пациентов. Гены, продукты которых работают в комплексе, обведены в прямоугольник.

Детекция мутации denovo в гене дистрофина и её значение для медико-генетического консультирования при мышечной дистрофии Дюшенна

(клиническое наблюдение)

Муравлева Э.А., Стародубова А.В, Пышкина Н.П., Дуйсенова О.С.

Научный руководитель: д.м.н. доц. Колоколов О.В.

ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава РФ

Кафедра неврологии ФПК и ППС им. К.Н. Третьякова

Введение. Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) относится к наиболее часто встречающимся наследственным нервно-мышечным болезням. Распространенность её составляет 2-5: 100000 населения, популяционная частота - 1: 3500 новорожденных мальчиков. Эта форма мышечной дистрофии впервые описана Edward Meryon (1852г.) и Guillaume Duchenne (1861г.).

Заболевание характеризуется Х-сцепленным рецессивным типом наследования и тяжелым, прогрессирующим течением. МДД обусловлена мутацией в гене дистрофина, локус которого локализован на Xp21.2. Около 30% случаев обусловлены мутациями de novo, 70% - носительством мутации матерью пробанда. Дистрофин отвечает за соединение цитоскелета каждого мышечного волокна с основной базальной пластинкой (внеклеточного матрикса) через белковый комплекс, который состоит из многих субъединиц. Отсутствие дистрофина приводит к проникновению избыточного кальция в сарколему (клеточную мембрану). Мышечные волокна подвергаются некрозу, происходит замещение мышечной ткани жировой, а также соединительной.

Современная диагностика МДД основана на оценке соответствия проявлений болезни клинико-анамнестическим и лабораторно-инструментальным (креатин-киназа сыворотки крови (ККС), электронейромиография (ЭНМГ), гистохимическое исследование мышечного биоптата) критериям, генеалогическом анализе и данных молекулярно-генетического исследования.

Проведение медико-генетического консультирования в настоящее время во многих семьях позволяет предупредить рождение больного ребенка. Пренатальная ДНК диагностика на ранних сроках беременности в семьях, имеющих ребенка, страдающего МДД, позволит выбрать дальнейшую тактику для родителей и, возможно, досрочно прекратить беременность в случае наличия заболевания у плода.

В ряде случаев клиническая картина наблюдается у женщин - гетерозиготных носительниц мутантного гена в виде увеличения икроножных мышц, умеренно выраженной мышечной слабости, снижения сухожильных и периостальных рефлексов, по данным параклинических исследований повышается уровень ККС. Кроме того, классические клинические проявления МДД могут возникать у женщин с синдромом Шерешевского-Тернера (генотип 45, ХО).

Клинический пример. В нашей клинике наблюдается мальчик К., 7 лет, который предъявляет жалобы на слабость в мышцах рук и ног, утомляемость при длительной ходьбе. Мама ребенка отмечает у него периодические падения, затруднения при подъеме по лестнице, нарушение походки (по типу «утиной»), трудности при вставании из положения сидя, увеличение икроножных мышц в объеме.

Раннее развитие ребенка протекало без особенностей. В возрасте 3-х лет окружающие заметили нарушения двигательных функций в виде появления трудностей при ходьбе по лестнице, при вставании, ребенок не принимал участия в подвижных играх, стал быстро уставать. Затем изменилась походка по типу «утиной». Наросли трудности при вставании из положения сидя или из положения лежа: поэтапное вставание «лесенкой» с активным использованием рук. Постепенно стало заметным увеличение икроножных и некоторых других мышц в объеме.

В неврологическом осмотре ведущим клиническим признаком является симметричный проксимальный периферический тетрапарез, более выраженный в ногах (мышечная сила в проксимальных отделах верхних конечностей - 3-4 балла, в дистальных - 4 балла, в проксимальных отделах нижних конечностей - 2-3 балла, в дистальных - 4 балла). Походка изменена по типу «утиной». Использует вспомогательные («миопатические») приемы, например вставание «лесенкой». Мышечный тонус снижен, контрактур нет. Гипотрофия мышц тазового и плечевого пояса. «Миопатические» черты, например в виде широкого межлопаточного пространства. Имеется псевдогипертрофия икроножных мышц. Сухожильные и периостальные рефлексы - без достоверной разницы сторон; биципитальные - низкие, триципитальные и карпорадиальные - средней живости, коленные и ахилловы - низкие. На основании клинических данных заподозрена МДД.

При исследовании ККС её уровень составил 5379 ед/л, что в 31 раз выше нормы (норма - до 171 ед/л). По данным ЭНМГ зарегистрированы признаки, более характерные для умеренно текущего первично-мышечного процесса. Таким образом, полученные данные подтвердили наличие у пациента МДД.

Помимо пробанда осмотрены его родители и старшая родная сестра. Ни у кого из родственников пробанда клинических проявлений МДД не наблюдалось. Однако у матери замечено некоторое увеличение икроножных мышц в объеме. По данным генеалогического анализа пробанд является единственным заболевшим в семье. При этом нельзя исключить, что мать ребенка и родная сестра пробанда являются гетерозиготными носительницами мутантного гена (рис. 1).

Рис. 1 Родословная

В рамках медико-генетического консультирования семья К. была обследована на предмет наличия/отсутствия делеций и дупликаций в гене дистрофина. Молекулярно-генетический анализ в лаборатории ДНК-диагностики МГНЦ РАМН выявил у пробанда К. делецию 45 экзона, что окончательно подтверждает установленный клинический диагноз МДД. У матери делеция 45 экзона, выявленная у сына, не обнаружена. У сестры в результате анализа делеция 45 экзона, выявленная у брата, не найдена. Следовательно, у исследуемого мутация, скорее всего, имеет происхождение de nоvo, однако также она может явиться результатом герминального мозаицизма у матери. Соответственно, при мутации de novo риск рождения больного ребенка у матери будет определяться популяционной частотой данной мутации (1:3500, ‹‹1%), что значительно меньше, нежели при Х-сцепленном рецессивном типе наследования (50% мальчиков). Поскольку невозможно полностью исключить, что мутация может явиться результатом герминального мозаицизма, при котором наследование по законам Менделя нарушается, рекомендуется проведение пренатальной диагностики при последующей беременности у матери и сестры пробанда.

Заключение. В настоящее время у врача есть широкий арсенал симптоматических средств, используемых в лечении МДД, однако, несмотря на достижения науки, этиологическое лечение МДД до сих пор не разработано, эффективных препаратов для заместительного лечения при МДД не существует. Согласно недавним исследованиям стволовых клеток, существуют перспективные векторы, которые могут заменить поврежденные мышечные ткани. Однако, в настоящее время, возможно лишь симптоматическое лечение, направленное на улучшение качества жизни больного. В этой связи ранняя диагностика МДД играет важнейшую роль для своевременного проведения медико-генетического консультирования и выбора дальнейшей тактики планирования семьи. Для пренатальной ДНК диагностики исследование с помощью биопсии хориона (CVS) можно проводить на 11-14 неделях беременности, амниоцентез можно использовать после 15 недели, забор крови плода возможен примерно на 18 неделе. Если тестирование будет осуществлено на ранних сроках беременности, возможно досрочное прекращение беременности в случае наличия заболевания у плода. В ряде случаев целесообразно проведение преимплантационной ДНК диагностики с последующим экстракорпоральным оплодотворением.

Выводы. Для обеспечения раннего выявления и профилактики МДД необходимо шире использовать методы молекулярно-генетической диагностики; повысить настороженность практикующих врачей в отношении данной патологии. При мутации de novo риск рождения больного ребенка у матери определяется популяционной частотой мутации гена дистрофина. В случаях носительства мутации матерью пробанда требуется пренатальная или перимплантационная ДНК диагностика с целью планирования семьи.

ГЛАВА 5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОРГАНИЗМА

ГЛАВА 5 ИЗМЕНЧИВОСТЬ ОРГАНИЗМА

Общие данные

Изменчивость организма есть изменчивость его генома, обусловливающая генотипические и фенотипические различия человека и вызывающая эволюционное разнообразие его генотипов и фенотипов (см. главы 2 и 3).

Внутриутробное развитие зародыша, эмбриона, плода, дальнейшее постнатальное развитие организма человека (младенчество, детство, отрочество, юность, взрослая жизнь, старение и смерть) осуществляются в соответствии с генетической программой онтогенеза, сформировавшейся при слиянии материнского и отцовского геномов (см. главы 2 и 12).

В ходе онтогенеза геном организма индивида и закодированная в нем информация подвергаются непрерывным преобразованиям под действием факторов окружающей среды. Возникшие в геноме изменения могут передаваться из поколения в поколение, обусловливая изменчивость признаков и фенотипа организма у потомков.

В начале XX в. немецкий зоолог В. Хэкер выделил направление генетики, посвященное изучению связей и взаимоотношений между генотипами и фенотипами и анализу их изменчивости, и назвал его феногенетикой.

В настоящее время феногенетики выделяют два класса изменчивости: ненаследственную (или модификационную), которая не передается из поколения в поколение, и наследственную, которая передается из поколения в поколение.

В свою очередь, наследственная изменчивость также бывает двух классов: комбинативная (рекомбинационная) и мутационная. Изменчивость первого класса определяют три механизма: случайные встречи гамет при оплодотворении; кроссинговер, или мейотическая рекомбинация (обмен равными участками между гомологичными хромосомами в профазе первого деления мейоза); независимое расхождение гомологичных хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза. Изменчивость второго

класса обусловлена точковыми, хромосомными и геномными мутациями (см. ниже).

Последовательно рассмотрим различные классы и типы изменчивости организма на разных этапах его индивидуального развития.

Изменчивость при оплодотворении гамет и начало функционирования генома зародившегося организма

Материнский и отцовский геномы не могут функционировать отдельно друг от друга.

Только двух родительских генома, объединившиеся в зиготе, обеспечивают зарождение молекулярной жизни, появление нового качественного состояния - одного из свойств биологической материи.

На рис. 23 отражены результаты взаимодействия двух родительских геномов при оплодотворении гамет.

Согласно формуле оплодотворения: зигота = яйцеклетка + сперматозоид, начало развития зиготы - это момент формирования двойного (диплоидного) при встрече двух гаплоидных наборов родительских гамет. Именно тогда зарождается молекулярная жизнь и запускается цепь последовательных реакций на основе сначала экспрессии генов генотипа зиготы, а затем генотипов появившихся из нее дочерних соматических клеток. Отдельные гены и группы генов в составе генотипов всех клеток организма начинают «включаться» и «выключаться» в ходе реализации генетической программы онтогенеза.

Ведущая роль в происходящих событиях принадлежит яйцеклетке, имеющей в ядре и цитоплазме все необходимые для зарожде-

Рис. 23. Результаты взаимодействия двух родительских геномов при оплодотворении гамет (рисунки по www.bio.1september.ru; www.bio.fizteh.ru; www. vetfac.nsau.edu.ru соответственно)

ния и продолжения жизни структурные и функциональные компоненты ядра и цитоплазмы (суть биологического матриархата). Сперматозоид же содержит ДНК и не содержит компонентов цитоплазмы. Проникнув в яйцеклетку, ДНК сперматозоида вступает в контакт с ее ДНК, и тем самым в зиготе «включается» функционирующий в течение всей жизни организма главный молекулярный механизм: ДНК-ДНК взаимодействие двух родительских геномов. Строго говоря, активизируется генотип, представленный примерно равными частями нуклеотидных последовательностей ДНК материнского и отцовского происхождения (без учета мтДНК цитоплазмы). Упростим сказанное: начало молекулярной жизни в зиготе - нарушение постоянства внутренней среды яйцеклетки (ее гомеостаза), а вся последующая молекулярная жизнь многоклеточного организма - стремление восстановить подверженный действию факторов среды гомеостаз или баланс между двумя противоположными состояниями: стабильностью с одной стороны и изменчивостью с другой. Таковы причинно-следственные связи, определяющие возникновение и непрерывность молекулярной жизни организма в ходе онтогенеза.

Теперь обратим внимание на результаты и значение изменчивости генома организма как продукта эволюции. Сначала рассмотрим вопрос об уникальности генотипа зиготы или клетки-родоначальницы всех клеток, тканей, органов и систем организма.

Само оплодотворение происходит случайно: одну женскую гамету оплодотворяет только одна мужская гамета из 200-300 млн сперматозоидов, содержащихся в эякуляте мужчины. Очевидно, что каждую яйцеклетку и каждый сперматозоид отличают друг от друга многие генотипические и фенотипические признаки: наличие измененных или неизмененных по составу и комбинациям генов (результаты комбинативной изменчивости), разные сиквенсы нуклеотидных последовательностей ДНК, разные размеры, форма, функциональная активность (подвижность), зрелость гамет и др. Именно эти отличия позволяют говорить об уникальности генома любой гаметы и, следовательно, генотипа зиготы и всего организма: случайность оплодотворения гамет обеспечивает появление на свет генетически уникального организма индивида.

Иными словами, молекулярная жизнь человека (как и жизнь биологического существа вообще) - «дар судьбы» или, если угодно, «божественный дар», ибо вместо данного индивида с одинаковой

вероятностью могли родиться генетически иные - его родные братья и сестры.

Теперь продолжим наши рассуждения о балансе между стабильностью и изменчивостью наследственного материала. В широком смысле, поддержание такого баланса - это одновременное сохранение и изменение (преобразование) стабильности наследственного материала под действием внутренних (гомеостаз) и внешних средовых факторов (норма реакции). Гомеостаз зависит от генотипа, обусловленного слиянием двух геномов (см. рис. 23). Норма реакции определяется взаимодействием генотипа с факторами окружающей среды.

Норма и диапазон реакции

Специфический способ реакции организма в ответ на действие факторов окружающей среды называется нормой реакции. Именно гены и генотип ответственны за развитие и диапазон модификаций отдельных признаков и фенотипа всего организма. Вместе с тем, в фенотипе реализуются далеко не все возможности генотипа, т.е. фенотип - частный (для индивида) случай реализации генотипа в конкретных условиях окружающей среды. Поэтому, например, между монозиготными близнецами, имеющими полностью идентичные генотипы (100% общих генов), выявляются заметные фенотипические различия, если близнецы растут в разных условиях окружающей среды.

Норма реакции бывает узкой или широкой. В первом случае стабильность отдельного признака (фенотипа) сохраняется практически вне зависимости от влияния окружающей среды. Примерами генов с узкой нормой реакции или непластичных генов служат гены, кодирующие синтез антигенов групп крови, окраску глаз, курчавость волос и др. Их действие одинаково при любых (совместимых с жизнью) внешних условиях. Во втором случае стабильность отдельного признака (фенотипа) изменяется в зависимости от влияния окружающей среды. Пример генов с широкой нормой реакции или пластичных генов - гены, контролирующие количество эритроцитов крови (разное у лиц, поднимающихся в гору, и лиц, спускающихся с горы). Другой пример широкой нормы реакции - изменение окраски кожных покровов (загар), связанный с интенсивностью и временем воздействия на организм ультрафиолетового облучения.

Говоря о диапазоне реакции, следует иметь в виду фенотипические различия, проявляющиеся у индивида (его генотипа) в зависимости от

«обедненных» или «обогащенных» условий окружающей среды, в которых находится организм. Согласно определению И.И. Шмальгаузена (1946), «наследуются не признаки, как таковые, а норма их реакции на изменения условий существования организмов».

Таким образом, норма и диапазон реакции - это пределы генотипической и фенотипической изменчивости организма при изменении условий окружающей среды.

Следует также отметить, что из внутренних факторов, оказывающих влияние на фенотипическое проявление генов и генотипа, определенное значение имеют пол и возраст индивида.

Внешние и внутренние факторы, определяющие развитие признаков и фенотипов, входят в указанные в главе три группы основных факторов, среди которых гены и генотип, механизмы межмолекулярных (ДНК-ДНКовых) и межгенных взаимодействий между родительскими геномами и факторы окружающей среды.

Безусловно, основой приспособления организма к условиям окружающей среды (основой онтогенеза) является его генотип. В частности, индивиды с генотипами, не обеспечивающими подавление отрицательного действия патологических генов и факторов среды, оставляют меньше потомков, чем те индивиды, у которых нежелательные эффекты подавляются.

Вероятно, что в генотипы более жизнеспособных организмов включены специальные гены (гены-модификаторы), подавляющие действие «вредных» генов таким образом, что вместо них доминантными становятся аллели нормального типа.

НЕНАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Говоря о ненаследственной изменчивости генетического материала, снова рассмотрим пример широкой нормы реакции - изменение окраски кожных покровов под действием ультрафиолетового излучения. «Загар» ведь не передается из поколения в поколение, т.е. не наследуется, хотя в его возникновении участвуют пластичные гены.

Точно так же не наследуются результаты травм, рубцовые изменения тканей и слизистых оболочек при ожоговой болезни, обморожениях, отравлениях и многие другие признаки, вызванные действием исключительно факторов среды. Вместе с тем, следует подчеркнуть: ненаследственные изменения или модификации связаны с наслед-

ственными свойствами данного организма, ибо образуются на фоне конкретного генотипа в конкретных условиях окружающей среды.

Наследственная комбинативная изменчивость

Как сказано в начале главы, кроме механизма случайных встреч гамет при оплодотворении, комбинативная изменчивость включает механизмы кроссинговера в первом делении мейоза и независимого расхождения хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза (см. главу 9).

Кроссинговер в первом делении мейоза

За счет механизма кроссинговера сцепление генов с хромосомой регулярно нарушается в профазе первого деления мейоза в результате перемешивания между собой (обмена) генов отцовского и материнского происхождения (рис. 24).

В начале XX в. при открытии кроссинговера Т.Х. Морган и его ученики предположили: кроссинговер между двумя генами может происходить не только в одной, но и в двух, трех (соответственно двойной и тройной кроссинговер) и большем количестве точек. Отмечалось подавление кроссинговера в участках, непосредственно примыкающих к точкам обмена; такое подавление назвали интерференцией.

В конечном итоге подсчитали: на один мужской мейоз приходится от 39 до 64 хиазм или рекомбинаций, а на один женский мейоз - до 100 хиазм.

Рис. 24. Схема кроссинговера в первом делении мейоза (по Шевченко В.А. и соавт., 2004):

a - сестринские хроматиды гомологичных хромосом до начала мейоза; б - они же во время пахитены (видна их спирализация); в - они же во время диплотены и диакинеза (стрелки указывают на места кроссинговера-хиазмы, или участки обмена)

В результате сделали вывод: сцепление генов с хромосомами постоянно нарушается в ходе кроссинговера.

Факторы, влияющие на кроссинговер

Кроссинговер - один из регулярных генетических процессов в организме, контролируемый многими генами как непосредственно, так и через физиологическое состояние клеток в ходе мейоза и даже митоза.

К факторам, влияющим на кроссинговер, относятся:

Гомо- и гетерогаметный пол (речь идет о митотическом кроссинговере у самцов и самок таких эукариот, как дрозофила и тутовый шелкопряд); так, у дрозофилы кроссинговер протекает нормально; у тутового шелкопряда - либо тоже нормально, либо отсутствует; у человека следует обратить внимание на смешанный («третий») пол и конкретно на роль кроссинговера при аномалиях развития пола при мужском и женском гермафродитизме (см. главу 16);

Структура хроматина; на частоту кроссинговера в разных участках хромосом влияет распределение гетерохроматиновых (прицентромерные и теломерные участки) и эухроматиновых районов; в частности, в прицентромерных и теломерных участках частота кроссинговера снижена, и расстояние между генами, определяемое по частоте кроссинговера, может не соответствовать фактическому;

Функциональное состояние организма; по мере увеличения возраста меняется степень спирализации хромосом и скорость клеточного деления;

Генотип; в его составе выделены гены, увеличивающие или уменьшающие частоту кроссинговера; «запиратели» последнего - хромосомные перестройки (инверсии и транслокации), затрудняющие нормальную конъюгацию хромосом в зиготене;

Экзогенные факторы: воздействие температуры, ионизирующей радиации и концентрированных растворов солей, химические мутагены, лекарства и гормоны, как правило, повышающие частоту кроссинговера.

По частоте мейотического и митотического кроссинговера и СХО порой судят о мутагенном действии лекарств, канцерогенов, антибиотиков и других химических соединений.

Неравный кроссинговер

В редких случаях в ходе кроссинговера наблюдаются разрывы в несимметричных точках сестринских хроматид, и они обменива-

ются между собой неравными участками - это неравный кроссинговер.

Вместе с тем, описаны случаи, когда в ходе митоза наблюдается митотическая конъюгация (неправильное спаривание) гомологичных хромосом и рекомбинация происходит между несестринскими хроматидами. Такое явление получило название генной конверсии.

Значение данного механизма трудно переоценить. Например, в результате неправильного спаривания гомологичных хромосом по фланкирующим повторам может произойти удвоение (дупликация) или утрата (делеция) участка хромосомы, содержащего ген РМР22, что обусловит развитие наследственной аутосомно-доминантной моторно-сенсорной нейропатии Шарко-Мари-Тус.

Неравный кроссинговер - один из механизмов возникновения мутаций. Например, периферический белок миелин кодируется геном РМР22, расположенным в хромосоме 17 и имеющим длину около 1,5 млн н.п. Этот ген фланкируется двумя гомологичными повторами длиной около 30 тыс. н.п. (повторы расположены на флангах гена).

Особенно много мутаций в результате неравного кроссинговера происходит в псевдогенах. Тогда либо фрагмент одного аллеля переносится в другой аллель, либо фрагмент псевдогена - в ген. Например, подобная мутация отмечается при переносе последовательности псевдогена в ген 21-гидроксилазы (CYP21B) при адреногенитальном синдроме или врожденной гиперплазии коры надпочечников (см. главы 14 и 22).

Кроме того, за счет рекомбинаций в ходе неравного кроссинговера могут образовываться множественные аллельные формы генов, кодирующих антигены HLA класса I.

Независимое расхождение гомологических хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток в ходе митоза и мейоза

Благодаря процессу репликации, предшествующему митозу соматической клетки, общее количество нуклеотидных последовательностей ДНК увеличивается вдвое. Формирование одной пары гомологичных хромосом происходит из двух отцовских и двух материнских хромосом. При распределении этих четырех хромосом в две дочерние клетки каждая из клеток получит одну отцовскую и одну материнскую хромосомы (для каждой пары хромосомного набора), однако какую именно из двух, первую или вторую, неизвестно. Имеет место

случайный характер распределения гомологичных хромосом. Легко подсчитать: за счет различных комбинаций 23 пар хромосом общее количество дочерних клеток составит 2 23 , или более 8 млн (8 χ 10 6) вариантов комбинаций хромосом и расположенных на них генов. Следовательно, при случайном характере распределения хромосом в дочерние клетки каждая из них будет иметь свой уникальный кариотип и генотип (свой вариант комбинации хромосом и сцепленных с ними генов соответственно). Следует отметить и возможность патологического варианта распределения хромосом в дочерние клетки. Например, попадание в одну из двух дочерних клеток только одной (отцовской или материнской по происхождению) Х-хромосомы приведет к моносомии (синдром Шерешевского-Тернера, кариотип 45, ХО), попадание трех одинаковых аутосом приведет к трисомии (синдромы Дауна, 47,XY,+21; Патау, 47,ХХ,+13 и Эдвадса, 47,ХХ,+18; см. также главу 2).

Как отмечено в главе 5, в одну дочернюю клетку могут одновременно попасть две отцовские или две материнские по происхождению хромосомы - это однородительская изодисомия по конкретной паре хромосом: синдромы Сильвера-Рассела (две материнские хромосомы 7), Беквитта-Видемана (две отцовские хромосомы 11), Ангельмана (две отцовские хромосомы 15), Прадера-Вилли (две материнские хромосомы 15). В целом объем нарушений распределения хромосом достигает 1% всех хромосомных нарушений у человека. Эти нарушения имеют большое эволюционное значение, ибо создают популяционное разнообразие кариотипов, генотипов и фенотипов человека. Причем каждый патологический вариант является уникальным продуктом эволюции.

В результате второго мейотического деления образуются 4 дочерние клетки. В каждую из них отойдет по одной либо материнской, либо отцовской хромосоме из всех 23 хромосом.

Чтобы избежать возможных ошибок в наших дальнейших расчетах, примем за правило: в результате второго мейотического деления также образуется 8 млн вариантов мужских гамет и 8 млн вариантов женских гамет. Тогда ответ на вопрос, каков общий объем вариантов комбинаций хромосом и расположенных на них генов при встрече двух гамет, следующий: 2 46 или 64 χ 10 12 , т.е. 64 триллиона.

Образование такого (теоретически возможного) количества генотипов при встрече двух гамет наглядно объясняет смысл гетерогенности генотипов.

Значение комбинативной изменчивости

Комбинативная изменчивость важна не только для гетерогенности и уникальности наследственного материала, но и для восстановления (репарации) стабильности молекулы ДНК при повреждении ее обеих нитей. Примером служит образование одноцепочечной бреши ДНК напротив нерепарированного повреждения. Появившаяся брешь не может быть безошибочно исправлена без привлечения к репарации нормальной нити ДНК.

Мутационная изменчивость

Наряду с уникальностью и гетерогенностью генотипов и фенотипов в результате комбинативной изменчивости огромный вклад в вариабельность генома и фенома человека вносит наследственная мутационная изменчивость и обусловленная ею генетическая гетерогенность.

Вариации нуклеотидных последовательностей ДНК чисто условно можно разделить на мутации и генетический полиморфизм (см. главу 2). Вместе с тем, если гетерогенность генотипов - это постоянные (нормальные) характеристики вариабельности генома, то мутационная изменчивость - это, как правило, его патология.

В пользу патологической вариабельности генома свидетельствуют, например, неравный кроссинговер, неправильное расхождение хромосом к полюсам деления при образовании дочерних клеток, наличие генетических компаундов и аллельных серий. Иными словами, наследственная комбинативная и мутационная изменчивость проявляется у человека значительным генотипическим и фенотипическим разнообразием.

Уточним терминологию и рассмотрим общие вопросы теории мутаций.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МУТАЦИЙ

Мутация есть изменение структурной организации, количества и/или функционирования наследственного материала и синтезируемых им белков. Это понятие впервые предложил Гуго де Фриз

в 1901-1903 гг. в своей работе «Мутационная теория», где описал основные свойства мутаций. Они:

Возникают внезапно;

Передаются из поколения в поколение;

Наследуются по доминантному типу (проявляются у гетерозигот и гомозигот) и рецессивному типу (проявляются у гомозигот);

Не имеют направленности («мутирует» любой локус, вызывая незначительные изменения или затрагивая жизненно важные признаки);

По фенотипическому проявлению бывают вредными (большинство мутаций), полезными (крайне редко) или безразличными;

Возникают в соматических и половых клетках.

Кроме того, одни и те же мутации могут возникнуть повторно.

Мутационный процесс или мутагенез, есть непрерывно идущий процесс формирования мутаций под действием мутагенов - факторов среды, повреждающих наследственный материал.

Впервые теория непрерывно идущего мутагенеза предложена в 1889 г. русским ученым из Петербургского университета С.И. Коржинским в его книге «Гетерогенезис и эволюция».

Как принято считать в настоящее время, мутации способны проявиться спонтанно, без видимых внешних причин, но под влиянием внутренних условий в клетке и организме - это спонтанные мутации или спонтанный мутагенез.

Мутации, вызванные искусственно путем воздействия внешних факторов физической, химической или биологической природы, - это индуцированные мутации, или индуцированный мутагенез.

Наиболее часто встречающиеся мутации называются мажорными мутациями (например, мутации в генах миодистрофии Дюшенна- Беккера, муковисцидоза, серповидноклеточной анемии, фенилкетонурии и др.). Сейчас созданы коммерческие наборы, позволяющие выявлять в автоматическом режиме наиболее важные из них.

Вновь возникшие мутации называются новыми мутациями или мутациями de novo. Например, к ним относятся мутации, лежащие в основе ряда аутосомно-доминантных болезней, таких, как ахондроплазия (10% случаев заболевания - семейные формы), нейрофиброматоз Реклингаузена I типа (50-70% - семейные формы), болезнь Альцгеймера, хорея Гентингтона.

Мутации от нормального состояния гена (признака) к патологическому состоянию называются прямыми.

Мутации от патологического состояния гена (признака) к нормальному состоянию называются обратными или реверсиями.

Впервые способность к реверсии установлена в 1935 г. Н.В. Тимофеевым-Рессовским.

Последующие мутации в гене, подавляющие первичный мутантный фенотип, называются супрессорными. Супрессия может быть внутригенной (восстанавливает функциональную активность белка; аминокислота не соответствует исходной, т.е. истинной обратимости нет) и внегенной (изменяется структура тРНК, в результате чего мутантная тРНК включает в полипептид другую аминокислоту вместо кодируемой дефектным триплетом).

Мутации в соматических клетках называются соматическими мутациями. Они формируют патологические клеточные клоны (совокупность патологических клеток) и в случае одновременного присутствия в организме нормальных и патологических клеток приводят к клеточному мозаицизму (например, при наследственной остеодистрофии Олбрайта экспрессивность заболевания зависит от количества аномальных клеток).

Соматические мутации могут быть как семейными, так и спорадическими (несемейными). Они лежат в основе развития злокачественных новообразований и процессов преждевременного старения.

Ранее считалось аксиомой, что соматические мутации не наследуются. В последние же годы была доказана передача из поколения в поколение наследственной предрасположенности 90% мультифакториальных форм и 10% моногенных форм рака, проявляющихся мутациями в соматических клетках.

Мутации в половых клетках называются герминативными мутациями. Считается, что они встречаются реже соматических мутаций, лежат в основе всех наследственных и некоторых врожденных болезней, передаются из поколения в поколение и также могут быть семейными и спорадическими. Наиболее изученная область общего мутагенеза - физический и, в частности, радиационный мутагенез. Любые источники ионизирующей радиации пагубны для здоровья человека, они, как правило, оказывают мощное мутагенное, тератогенное и канцерогенное воздействие. Мутагенный эффект однократной дозы облучения гораздо выше, чем при хроническом облучении; доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека. Доказано: ионизирующее излучение способно вызвать мутации, приводящие

к наследственным (врожденным) и онкологическим болезням, а ультрафиолетовое - индуцировать ошибки репликации ДНК.

Большую опасность представляет химический мутагенез. В мире существует около 7 млн химических соединений. В народном хозяйстве, на производстве и в быту постоянно применяются примерно 50-60 тыс. химических веществ. Ежегодно внедряются в практику около одной тысячи новых соединений. Из них 10% в состоянии индуцировать мутации. Таковы гербициды и пестициды (доля мутагенов среди них достигает 50%), а также ряд лекарственных препаратов (некоторые антибиотики, синтетические гормоны, цитостатики и др.).

Существует еще биологический мутагенез. К биологическим мутагенам относятся: чужеродные белки вакцин и сывороток, вирусы (ветряная оспа, коревая краснуха, полиомиелит, простой герпес, СПИД, энцефалит) и ДНК, экзогенные факторы (неполноценное белковое питание), соединения гистамина и его производные, стероидные гормоны (эндогенные факторы). Усиливают действие внешних мутагенов комутагены (токсины).

В истории генетики немало примеров значения связей между генами и признаками. Один из них - классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта.

Классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта

Такую классификацию мутаций впервые предложил в 1932 г. Г. Мёллер. Согласно классификации были выделены:

Аморфные мутации. Это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим аллелем, не проявляется, так как патологический аллель не активен по сравнению с нормальным аллелем. К таким мутациям относятся ген альбинизма (11q14.1) и около 3000 аутосомно-рецессивных заболеваний;

Антиморфные мутации. В этом случае значение признака, контролируемого патологическим аллелем, противоположно значению признака, контролируемого нормальным аллелем. К таким мутациям относятся гены около 5-6 тыс. аутосомно-доминантных заболеваний;

Гиперморфные мутации. В случае такой мутации признак, контролируемый патологическим аллелем, выражен сильнее признака, контролируемого нормальным аллелем. Пример - гете-

розиготные носители генов болезней нестабильности генома (см. главу 10). Их число составляет около 3% населения Земли (почти 195 млн человек), а количество самих заболеваний достигает 100 нозологий. Среди этих заболеваний: анемия Фанкони, атаксиятелеангиэктазия, пигментная ксеродерма, синдром Блума, прогероидные синдромы, многие формы рака и др. При этом частота рака у гетерозиготных носителей генов этих заболеваний в 3-5 раз выше, чем в норме, а у самих больных (гомозигот по этим генам) частота рака в десятки раз выше, чем в норме.

Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление признака, контролируемого патологическим аллелем, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. К таким мутациям относятся мутации генов синтеза пигментов (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), а также более 3000 форм аутосомно-рецессивных заболеваний.

Неоморфные мутации. О такой мутации говорят, когда признак, контролируемый патологическим аллелем, будет иного (нового) качества по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. Пример: синтез новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов.

Говоря о непреходящем значении классификации Г. Мёллера, следует отметить, что спустя 60 лет после ее публикации фенотипические эффекты точковых мутаций были разделены на разные классы в зависимости от оказываемого ими воздействия на структуру белкового продукта гена и/или уровень его экспрессии.

В частности, нобелевский лауреат Виктор Маккьюсик (1992) выделил мутации, изменяющие последовательность аминокислот в белке. Оказалось, что именно они отвечают за проявление 50-60% случаев моногенных болезней, а остальные мутации (40-50% случаев) приходятся на долю мутаций, затрагивающих экспрессию генов.

Изменение аминокислотного состава белка проявляется в патологическом фенотипе, например, в случаях метгемоглобинемии или серповидноклеточной анемии, обусловленной мутациями бетаглобинового гена. В свою очередь, были выделены мутации, затрагивающие нормальную экспрессию гена. Они приводят к изменению количества генного продукта и проявляются фенотипами, связанными с недостаточностью того или иного белка, например,

в случаях гемолитической анемии, обусловленной мутациями генов, локализованных на аутосомах: 9q34.3 (дефицит аденилаткиназы); 12p13.1 (дефицит триозофосфатизомеразы); 21q22.2 (дефицит фосфофруктокиназы).

Классификация мутаций В. Маккьюсика (1992) - это, безусловно, новое поколение классификаций. Вместе с тем, накануне ее публикации широкое признание получила классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала.

Классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала

Классификация включает следующее.

Точковые мутации (нарушение структуры гена в разных его точках).

Строго говоря, к точковым мутациям относятся изменения нуклеотидов (оснований) одного гена, ведущие к изменению количества и качества синтезируемых ими белковых продуктов. Изменения оснований - это их замены, вставки, перемещения или выпадения, которые можно объяснить мутациями в регуляторных областях генов (промотор, сайт полиаденилирования), а также в кодирующих и некодирующих областях генов (экзоны и интроны, сайты сплайсинга). Замены оснований ведут к появлению трех типов мутантных кодонов: миссенс-мутации, нейтральные мутации и нонсенс-мутации.

Точковые мутации наследуются как простые менделевские признаки. Они часто встречаются: 1 случай на 200-2000 рождений - это первичный гемохроматоз, неполипозный рак толстой кишки, синдром Мартина-Белл и муковисцидоз.

Точковые мутации, встречающиеся крайне редко (1:1 500 000), - это тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) в результате дефицита аденозиндезаминазы. Иногда точковые мутации формируются не при воздействии мутагенов, а как ошибки репликации ДНК. При этом их частота не превышает 1:10 5 -1:10 10 , так как они исправляются с помощью репарационных систем клетки почти на

Структурные мутации или аберрации хромосом (нарушают структуру хромосом и приводят к формированию новых групп сцепления генов). Это делеции (утраты), дупликации (удвоения), транслокации (перемещения), инверсии (поворот на 180°) или инсерции (вставки) наследственного материала. Такие мутации характерны для сомати-

ческих клеток (включая стволовые клетки). Их частота составляет 1 на 1700 клеточных делений.

Известен ряд синдромов, обусловленных структурными мутациями. Наиболее известные примеры: синдром «кошачьего крика» (кариотип: 46,ХХ,5р-), синдром Вольфа-Хиршхорна (46,ХХ, 4р-), транслокационная форма синдрома Дауна (кариотип: 47, ХУ, t (14;21)).

Другой пример - это лейкемии. При них происходит нарушение экспрессии гена в результате так называемого разделения (транслокация между структурной частью гена и его промоторной областью), и, следовательно, нарушается синтез белка.

Геномные (численные) мутации - нарушение числа хромосом или их частей (ведут к появлению новых геномов или их частей путем добавления или утраты целых хромосом или их частей). Происхождение этих мутаций обусловлено нерасхождением хромосом в митозе или мейозе.

В первом случае - это анеуплоиды, тетраплоиды с неразделенной цитоплазмой, полиплоиды, имеющие по 6, 8, 10 пар хромосом и более.

Во втором случае - это неразделение парных хромосом, участвующих в формировании гамет (моносомии, трисомии) или оплодотворение одной яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия или триплоидный зародыш).

Их типичные примеры уже не раз приводились - это синдром Шерешевского-Тернера (45,ХО), синдром Клайнфельтера (47,ХХУ), регулярная трисомия при синдроме Дауна (47,ХХ, +21).