Нарушение мейоза в случае структурных хромосомных мутаций. Образование несбалансированных гамет.

При кроссинговере во время профазы I мейоза происходит реципрокный обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами. Это ведет к изменению последовательности аллелей в родительских группах сцепления, и в результате получаются рекомбинанты, но без потери каких-либо генных локусов. Сходные эффекты возникают при таких хромосомных перестройках, как инверсии и транслокации. При перестройках других типов - делециях и дупликациях - число генных локусов в хромосомах изменяется, и это может оказать глубокое влияние на фенотипы. Структурные изменения в хромосомах, связанные с инверсиями, делециями, дупликациями, а в некоторых случаях и транслокациями, можно наблюдать под микроскопом, когда в профазе I мейоза гомологичные хромосомы приступают к конъюгации. Гомологичные хромосомы конъюгируют (см. разд. 22.3), а в тех участках, которые затронула перестройка, одна из гомологичных хромосом образует петлю или же перекручивается. Какая из хромосом образует петлю и как расположатся ее гены, зависит от типа перестройки.

Структурные хромосомные мутации

Структурные мутации хромосом могут возникать только в результате разрыва хромосом с последующим воссоединением, сопровождающимся нарушением исходной конфигурации хромосом. Такие мутации могут быть сбалансированными или несбалансированными. При сбалансированных хромосомных мутациях нет утраты или избытка генетического материала, поэтому они не имеют фенотипических проявлений, кроме тех случаев, когда в результате разрыва хромосомы в месте разрыва оказывается функционально важный ген. В то же время у носителей сбалансированных хромосомных мутаций могут образовываться несбалансированные по хромосомному набору гаметы, и, как следствие этого, у плода, возникшего от оплодотворения такой гаметой, хромосомный набор окажется также несбалансированным. При несбалансированном хромосомном наборе у плода развиваются тяжелые клинические проявления патологии, как правило, в виде комплекса врожденных пороков развития.

Делеции. Делеция означает потерю участка хромосомы. Терминальные делеции возникают, когда в результате одного разрыва в хромосоме сама хромосома укорачивается, а фрагмент обычно теряется при следующем делении клетки. Остальные делеции, которые называют интерстициальными, возникают в результате двух разрывов в хромосоме. Делеция участка хромосомы обусловливает моносомию по этому участку, которая, как правило, оказывается летальной. Считается, что делеция более 2% хромосомного материала от гаплоидного набора будет летальной. В то же время некоторые делеционные синдромы совместимы с жизнью. К ним относятся синдром Вольфа— Хиршхорна и синдром «кошачьего крика».

Дупликации. Дупликация — удвоение участка ДНК, также может возникнуть дупликация части хромосомного материала, вовлеченного в транслокацию. Микродупликации могут также быть результатом неравного кроссинговера в гомологичных хромосомах. Обычно дупликации не приводят к появлению столь выраженных аномалий развития, как делеции. Новая копия может образовать отдельную маленькую хромосому со своими собственными теломерами и центромерой, тогда это свободная дупликация^[4]:2. Тандемные дупликации появляются в половых клетках при мейозе в результате неравного кроссинговера (в этом случае второй гомолог несет делецию) или в соматических клетках в результате неаллельной гомологичной рекомбинации при репарации двунитевого разрыва ДНК. В процессе кроссинговера у гетерозиготы при конъюгации хромосомы с тандемной дупликацией и нормальной хромосомы, как и при делеции, формируется компенсационная петля.

 

Транслокации. Транслокациями называют перенос генетического материала с одной хромосомы на другую. Если разрывы возникают одновременно в двух хромосомах и последние обмениваются образовавшимися свободными сегментами, то такие транслокации называют реципрокными. В этом случае кариотип остается представленным 46 хромосомами, а транслокация может быть выявлена только при детальном анализе хромосом. Реципрокные транслокации обычно не сопровождаются фенотипическими проявлениями. Реципрокные транслокации приводят к образованию несбалансированных гамет, когда они проходят мейоз. Обычно реализуются следующие две возможности: в одну гамету попадают две нормальные, а в другую — две транслоцированные (такой тип расхождения называется альтернативным) хромосомы, и в обе гаметы попадают одна нормальная и одна транслоцированная хромосома. Во втором случае возможны две комбинации из нормальной и транслоцированных хромосом. Теоретически все 4 типа расхождения должны реализоваться с равной вероятностью.

Особый вид реципрокных транслокаций представляют собой так называемые робертсоновские транслокации. В этом случае разрывы в двух акроцентрических хромосомах локализуются в области центромер или в непосредственной близости от них. Длинные плечи хромосом сливаются, а короткие теряются. Поскольку короткие плечи акроцентрических хромосом содержат гены рРНК, то их потеря никак не проявляется, так как множественные копии этих генов содержатся также в других акроцентрических хромосомах. Поэтому робертсоновская транслокация функционально является сбалансированной. В кариотипе число хромосом уменьшается до 45. Как и при реципрокных транслокациях, риск образования несбалансированных гамет связан с тем, как протекает мейоз у носителей робертсоновской транслокации.

Возможно образование 6 типов гамет в результате различных способов расхождения хромосом, вовлеченных в робертсоновскую транслокацию:

1) гаметы с нормальными хромосомами;

2) комплементарные им гаметы с робертсоновской транслокацией (оба типа гамет сбалансированные);

3) гаметы, несущие одну нормальную и транслоцированную хромосому;

4) гаметы, несущие вторую нормальную и транслоцированную хромосому;

5) гаметы, несущие только одну нормальную хромосому;

6) гаметы, несущие только вторую нормальную хромосому.

В том случае, когда робертсоновская транслокация является результатом слияния длинных плеч хромосом 21, все гаметы будут несбалансированными. В семье, в которой один из родителей является носителем такой транслокации, все дети будут с болезнью Дауна.

Инсерции. Когда сегмент одной хромосомы переносится и вставляется в другую хромосому, такую перестройку называют инсерцией. Для того чтобы произошла инсерция, необходимо не менее 3 разрывов хромосом. Поскольку в случае возникновения инсерции не теряется и не добавляется новый генетический материал, такую перестройку считают сбалансированной. Однако у носителей такой инсерции 50% гамет окажутся несбалансированными, поскольку они будут нести хромосому либо с делецией, либо с инсерцией. Вследствие этого будут образовываться зиготы с частичной моносомией или частичной трисомией.

Инверсии. Инверсией называют хромосомную мутацию, когда после двух разрывов в одной хромосоме сегмент хромосомы, расположенный между разрывами, поворачивается на 180° и занимает инвертированное положение. Если в инвертированный сегмент попадает центромера, то такую инверсию называют перицентрической, а если инверсия сегмента хромосомы происходит в пределах одного плеча — парацентрической. При инверсии не происходит потери генетического материала, кроме тех случаев, когда разрыв хромосомы может затронуть функционально важный ген. Поэтому носители обоих типов инверсий не имеют, как правило, каких-либо патологических симптомов. Более того, некоторые инверсии, например перицентрическая инверсия в хромосоме 9, встречаются как нормальный признак с достаточно высокой частотой в некоторых этнических группах. Как и при других сбалансированных перестройках, инверсии в мейозе могут приводить к образованию несбалансированных гамет.

Изохромосомы. Изохромосомы возникают в тех случаях, когда центромера делится не продольно, а поперечно. В результате одно из плеч теряется, а второе удваивается. Чаще всего выявляется изохромосома, составленная из длинных плеч хромосомы X. В этом случае у индивидуума, носителя такой изохромосомы X, обнаруживают проявления синдрома Шерешевского—Тернера.

Кольцевые хромосомы. Этот тип хромосомной мутации возникает в том случае, когда разрывы наблюдаются в обоих плечах какой-то хромосомы. Ацентрические фрагменты при этом теряются, а центральная часть хромосомы замыкается в кольцо. Если такая кольцевая хромосома образуется из аутосомы, то из-за отсутствия значительной доли генетического материала этой хромосомы гамета и зигота оказываются несбалансированными, что должно привести к ранней потере зародыша с кольцевой хромосомой. Если все-таки зародыш образуется, то кольцевая хромосома имеет тенденцию теряться во время митотическихделений клеток. Как следствие, возникает мозаицизм по наличию в клетках кольцевой хромосомы.

 

Несбалансированные перестройки характеризуются утратой или удвоением участков хромосомы. Несбалансированные перестройки (делеции и дупликации) меняют дозовое соотношение генов, и, как правило, их носительство сопряжено с существенными отклонениями от нормы. Хромосомные перестройки обычно не имеют фенотипического эффекта, если они сбалансированы, поскольку весь хромосомный материал присутствует, даже если он иначе упакован. Важно различать разницу между истинно сбалансированными перестройками и теми, которые цитогенетически представляются сбалансированными, но на молекулярном уровне не сбалансированы. Более того, из-за высокой частоты в геноме CNP, увеличивающей и без того существующие различия в много миллионов пар оснований между геномами неродственных индивидуумов, понятие сбалансированности или несбалансированности отчасти произвольно и подлежит дальнейшему исследованию и уточнению. Даже когда структурные перестройки истинно сбалансированы, они могут представлять угрозу последующим поколениям, поскольку носители могут иметь высокую частоту несбалансированных гамет и, следовательно, имеют повышенный риск аномального потомства с несбалансированными кариотипами; в зависимости от специфической перестройки, риск может колебаться от 1 до 20%. Существует также возможность, что один из хромосомных разрывов повредит ген, вызвав мутацию. Это хорошо описаная причина Х-сцепленных болезней у женщин-носителей сбалансированных транслокаций Х-хромосомы и аутосом, такие транслокации могут быть путеводной нитью к уточнению позиции гена, ответственного за развитие болезни.

Тератогенез. Тератогенные факторы окружающей среды. Особенности тератогенного действия физических, химических и биологических факторов. Основные «ошибки» морфогенеза. Примеры дизрупции, деформации, ассоциации.

Тератогенез– возникновение уродств в результате наследст­венных изменений, вызванных повреждающими факторами в период внутриутробного развития. Действие тератогенных факторов (тератогенов) особенно опасно в критические периоды индивиду­ального развития (периоды включения и переключения генов и из­менения обмена веществ). С момента оплодотворения и до рожде­ния ребенка его формирующийся организм проходит через ряд таких периодов (самооплодотворение, имплантация, плацентация, органогенез, отдельные временные отрезки плодного периода).

Тератогенные факторы могут быть эндогенными и экзогенными.

Эндогенные тератогены связаны с изменениями обмена веществ у матери, "перезреванием" половых клеток, возрастом родителей, т.е. с неполноценным гормональным статусом, различными заболева­ниями матери (инфекции, травмы – психические и физические, болезни сердца, легких, эндокринных желез, органов половой сфе­ры, токсикозы беременности).

Экзогенные тератогены (как и все мутагены) могут иметь физическую, химическую и биологическую

природу. Из физических факторов особенно опасно облучение в первые 6 недель внутриутробного развития. Существенное значе­ние может иметь механическое давление на плод. Тератогенное действие доказано для ряда лекарственных препаратов (талидомид, антибиотики ряда тетрациклина), алкоголя, веществ табачного ды­ма, наркотиков химических веществ – бензола¹, фенола², формалина³, бензина, солей тяжелых металлов (свинец, ртуть, мышьяк, хром, кадмий). Из биологических мутагенов тератогенным дейст­вием обладают вирусы (оспы, гриппа, краснухи, ветрянки, кори, паротита и др.), токсические продукты простейших (например, ма­лярийного плазмодия, токсоплазмы⁴), бледной спирохеты – возбу­дителя сифилиса, туберкулезной палочки.

Последствия воздействия тератогенных факторов не столько за­висят от природы фактора, сколько от периода беременности, на ко­торый пришлось их действие (сходные нарушения могут быть вы­званы разными факторами).

Воздействие тератогенных факторов способно вызвать формиро­вание больших пороков развития, приводящих обычно к самопроиз­вольным выкидышам, если фактор действовал до начала органоге­неза. При этом нарушается процесс закладки органов, дифференцировки. Малые пороки развития возникают при действии тератогенов в период закладки органов, в начале плодного периода. Внутриутробные инфекции часто вызывают фор­мирование таких пороков, как аномалии лицевого скелета, нару­шенный прикус, деформация ушных раковин, высокого нёба. Фун­кциональные нарушения могут стать результатом влияния тератогенов в плодный период. Ребенок может родиться здоровым, но че­рез некоторое время появятся симптомы поражения нервной систе­мы (косоглазие, асимметрия лица, расстройства глотания и др.) или других органов и систем (помутнение хрусталика, пороки сердца, почек, надпочечников⁵, кишечника, скрытые аномалии скелета, тромбозы сосудов). Такие тератогенные нарушения особенно ха­рактерны для детей, перенесших внутриутробную инфекцию. В лю­бой из периодов внутриутробного развития, начиная с гаструляции, могут быть спровоцированы отставания в росте и развитии.

Следовательно, в основе явлений канцерогенеза и тератогенеза, в конечном счете, лежат мутации.

Факторы, которые могут привести к нарушению развития плода и его органов, называют тератогенными.

К ним относят:

ионизирующее излучение,

Данные о действии ионизирующих на эмбрион и плод человека получены в результате изучения последствий лучевой терапии (при облучении области живота беременных женщин) и исследований детей, подвергшихся внутриутробному облучению в Хиросиме и Нагасаки. Общий вывод этих наблюдений однозначен —радиочувствительность плода высокая, и она тем выше, чем плод моложе. У выживших детей повреждающее действие радиации проявляется в виде различных уродств, задержки физического и умственного развития или их сочетаний. Наиболее частые уродства — микроцефалия, гидроцефалия, аномалии развития сердца.

различные химические вещества и лекарственные препараты,

Запрещенные наркотики: Среди этих наркотиков больше всего беспокойства вызывают героин, кокаин, особенно высокооичищенный кокаин или крак. Если женщина приобрела зависимость от одного из этих наркотиков, то ее ребенок также имеет шансы приобрести такую зависимость, и обычно после рождения ему приходится испытывать синдром отмены. В период внутриутробного развития у плода может возникнуть перманентное положение головного мозга, в результате чего может наблюдатся задержка умственного развитие или нарушение поведение.

Фармацевтические препараты: препораты, которые можно купить без рецепта, тщательно проверяют на выяивление вредных воздействий , но их можно считать безвредными только при точном выполнении приложенной к ним инструкции. Однако, когда это допустимо, вероятно, было бы вовсе не принимать лекарств, особенно на ранних стадиях беременности, поскольку большинство из них легко проходят через плаценту, а говорить об их абсолютной безопасности во всех случаях представляется неравноправной. Трагедия, связанная с талидомидом, заставляет усилить тестирование лекарственных препаратов. Талидомид появился в начале 60- х; его выписывали беременным женщинам особенно тяжело переносившим тошноту беременности. Довольно быстро удолось установить, что увеличение числа младенцев, рождающихся с деформированными конечностями , вызвано талидомидом, и он был запрещён. Однако до запрета уже в период с1956по1962 годыв ряде стран мира родилось по разным подсчётам от 8000 до 12000 детей с врождёнными уродствами.

Алкоголь легко проходит через плаценту. Высокое потребление спиртного при беременности может вызвать состояние, известное как алкогольный синдром плода или Фетальный алкогольный синдром(ФАС)

инфекции,

Большинство бактерий слишком крупны, чтобы проходить сквозь плаценту, однако вирусы по большей части достаточно малы и в состоянии делать это. Поэтому мать, заразившись вирусной болезнью, может передать ее плоду и нанести ему гораздо больше вреда, особенно на ранних стадиях развития, когда органы еще только формируются. Наибольшую опасность представляет три вирусных заболевания: коревая краснуха, ВИЧ- инфекция и гепатит B. Заражение эмбриона или плода краснухой может привести к самопроизвольному аборту или врожденным порокам. Самые частые из них – слепота, глухота, пороки сердца и различные расстройства нервной системы. Возможно также резкое выраженное отставание в умственном развитии. ВИЧ-инфекции и гепатит B не вызывают врожденных пороков развитие , но угрожают жизни.

нарушение обменных процессов в организме матери

и другие повреждающие факторы.

Тератогенность зависит от многих причин:

· длительности действия,

· стадии внутриутробного развития плода на момент воздействия патологического процесса,

· генетической предрасположенности матери и будущего ребенка.

Выделяют следующие особенности влияния тератогенных факторов.

 

Действие тератогенных факторов имеет дозозависимый характер. У разных биологических видов дозозависимость тератогенного действия может различаться.

Для каждого тератогенного фактора существует определенная пороговая доза тератогенного действия. Обычно она на 1-3 порядка ниже летальной.

Различия тератогенного действия у различных биологических видов, а также у разных представителей одного и того же вида связаны с особенностями всасывания, метаболизма, способности вещества распространяться в организме и проникать через плаценту.

Чувствительность к разным тератогенным факторам в течение внутриутробного развития может меняться. Выделяют следующие периоды внутриутробного развития человека.

· Начальный период внутриутробного развития длится с момента оплодотворения до имплантации бластоцисты. Бластоциста представляет собой скопление клеток - бластомеров. Отличительная черта начального периода - большие компенсаторно-приспособительные возможности развивающегося зародыша. При повреждении большого числа клеток зародыш погибает, а при повреждении отдельных бластомеров - дальнейший цикл развития не нарушается (принцип "все или ничего").

· Второй период внутриутробного развития - эмбриональный (18-60-е сутки после оплодотворения). В это время, когда зародыш наиболее чувствителен к тератогенным факторам, формируются грубые пороки развития. После 36-х суток внутриутробного развития грубые пороки развития (за исключением пороков твердого неба, мочевых путей и половых органов) формируются редко.

· Третий период - плодный. Пороки развития для этого периода не характерны. Под влиянием факторов внешней среды происходит торможение роста и гибель клеток плода, что в дальнейшем проявляется недоразвитием или функциональной незрелостью органов.

В случаях, когда тератогенное действие оказывают возбудители инфекций, пороговую дозу и дозозависимый характер действия тератогенного фактора оценить не удается.

Тератогенные факторы распространены достаточно широко. Исследования показали, что в течение беременности каждая женщина принимает в среднем 3,8 наименования каких-либо лекарственных средств. 10-20 % беременных в США употребляют наркотики. Кроме того, беременные в быту и на работе нередко контактируют с разными вредными веществами.

 

Тератогенным считается химический, физический или биологический фактор, отвечающий следующим критериям.

 

o Доказана связь между действием фактора и формированием порока развития.

o Эпидемиологические данные подтверждают эту связь.

o Действие повреждающего фактора совпадает с критическим периодами внутриутробного развития.

o При редком воздействии повреждающего фактора характерные пороки развития формируются редко.

Необходимо дать определения некоторым терминам, используемым для описания различных видов нарушений морфогенеза:

 - пороки развития (мальформации) представляют собой первичные ошибки морфогенеза, в основе которых лежит изначально неправильный процесс развития. Обычно они возникают в результате многофакторного воздействия, а не моногенной мутации или хромосомной аберрации. Мальформации могут иметь несколько форм. Некоторые, например врожденные пороки сердца, затрагивают только одну систему организма, другие мальформации формируют множественные пороки, при которых в патологический процесс вовлекаются различные ткани и органы;

- неразделение эмбриональных тканей (дизрупция) — вторичный процесс деструкции органа или части тела, которые изначально формировались правильно. Неразделение эмбриональных тканей, в отличие от пороков развития, возможно в результате внешнего вмешательства в процесс нормального морфогенеза. Классическим примером может служить образование амниотических тяжей, которые фиксируются к различным частям развивающегося плода, как бы охватывая его, и сдавливают плод. Неразделение может возникать в результате воздействия окружающей среды. Очевидно, что неразделение не является наследственным заболеванием и не повторяется во время последующих беременностей женщины;

- деформации представляют собой нарушения развития, связанные с ошибками морфогенеза в результате внешних воздействий. Деформации — достаточно распространенное нарушение, и их диагностируют у 2% новорожденных. Считается, что в основе патогенеза лежит местная или общая компрессия растущего плода за счет патологических биомеханических сил, приводящая в итоге к структурным аномалиям. Наиболее частым фактором, приводящим к деформациям, является сдавление плода маткой. Между 35-й и 38-й неделями гестации бурный рост плода опережает рост матки. При этом происходит некоторое уменьшение количества амниотической жидкости, которая в обычных условиях выполняет роль «подушки». Таким образом, даже нормальный плод в это время подвергается сдавлению со стороны матки. Однако в некоторых условиях вероятность патологического сдавления плода маткой увеличивается.

Секвенция или последовательность - этим термином определяется результат первичного начального врожденного дефекта, который в силу патогенетических взаимодействий вызывает последующие дефекты, тесно связанные с этим начальным дефектом. Ранее в литературе это обозначалось термином "аномалад" или "комплекс вторичных врожденных дефектов". Примером этого понятия может служить секвенция Поттер (Potter sequence) - симптомокомплекс аномалий плода в виде необычного лица (лицо плода), множественных характерных контрактур и деформаций конечностей. Все эти дефекты обусловлены маловодием или отсутствием околоплодных вод. В свою очередь - маловодие может быть обусловлено рядом разнообразных причин: идиопатическое маловодие, агенезия или другие врожденные дефекты почек, атрезия уретры. Здесь важно подчеркнуть, что один и тот же симптомокоплекс аномалий вызывается различными причинами.

Дефект поля развития - это понятие имеет давнюю биологическую историю, так как поле развития подразумевает некоторую упорядоченность и иерархию определенных регионов эмбриона в развитии. Эти области получили название поля развития. Важно, что эти поля развития реагируют сходным образом на различные повреждающие факторы. Если в эту реакцию вовлекаются близко расположенные анатомически структуры, то это обозначают как "монотопный дефект поля развития", а если вовлекаются анатомически более отдаленные структуры - то это "политопный дефект поля развития".

Все эти основные множественные врожденные дефекты - синдром, секвенция и политопный дефект поля развития выделяются из наиболее многочисленной группы ассоциаций, т.е. неслучайного комплекса врожденных аномалий обнаруживаемых у двух и более пациентов. Часто наименование ассоциации дается в виде акронима, т.е. из сочетания букв основных клинических симптомов, например

CHARGE ассоциация

Coloboma - дефекты радужки или сосудистой оболочки
Heart - врожденные дефекты сердца
Atresia choane - атрезия хоан (Атрезия Choanal - это врожденное нарушение, при котором затылочный проход (хоана) заблокирован, как правило, аномальными костными или мягкими тканями (мембранными) из-за неудачной реканализации носовых ям в ходе развития плода.)
Retarded growth - задержка физического развития
Genital anomalies - аномалии половых органов (гипогенитализм)
Ear anomalies - характерные аномалии ушных раковин

или

VATER ассоциация

Vertebral anomalies - нарушение строения позвонков
Anal atresia - атрезия ануса
Tracheo
Esophageal fistula - трахеопищеводный свищ
Radial and/or Renal anomalies - аномалии лучевых структур и/или почек