0
46026

Хромосомные аберрации

Компас посвящен нарушениям структуры и количества хромосом- хромосомным аберрациям, которые приводят к возникновению пороков развития и различных заболеваний.

на сайте с 27 августа 2008

Хромосомные аберрации

хромосома Под хромосомными аберрациями понимают изменения структуры хромосом, вызванные их разрывами, с последующим перераспределением, утратой или удвоением генетического материала. Они отражают различные виды аномалий хромосом.
У человека среди наиболее часто встречающихся хромосомных аберраций, проявляющихся развитием глубокой патологии, выделяют аномалии, касающиеся числа и структуры хромосом. Нарушения числа хромосом могут быть выражены отсутствием одной из пары гомологичных хромосом (моносомия) или появлением добавочной, третьей, хромосомы (трисомия). Общее количество хромосом в кариотипе в этих случаях отличается от модального числа и равняется 45 или 47. Полиплоидия и анеуплоидия имеют меньшее значение для развития хромосомных синдромов. К нарушениям структуры хромосом при общем нормальном их числе в кариотипе относят различные типы их «поломки»:
 -транслокацию (обмен сегментами между двумя негомологичными хромосомами)-на рисунке транслокация между 8-й и 11-й хромосомами (и моносомия по 15-й хромосоме),

 -делецию (выпадение части хромосомы), на рисунке делеция части длинного плеча 9-й хромосомы (и транслокация по 1-й и 3-й хромосомам)

 -фрагментацию,
 -кольцевые хромосомы и т. д.- на рисунке кольцевая хромосома 14 (обозначена r14) и ее нормальный вариант.

Хромосомные аберрации, нарушая баланс наследственных факторов, являются причиной многообразных отклонений в строении и жизнедеятельности организма, проявляющихся в так называемых хромосомных болезнях.

Хромосомные аберрации- это поломки хромосом, когда по каким-то причинам исчезает или добавляется большая часть хромосомы и/или изменяется нормальное число хромосом.

Методы определения

хромосомы FISH Для того, чтобы выявить наличие у человека хромосомных аберраций, проводят кариотипирование- процедуру определения кариотипа. Ее проводят на клетках, которые находятся в метафазе митоза, т.к. они спирализованы и хорошо видны. Для определения человеческого кариотипа используются одноядерные лейкоциты, извлечённые из пробы крови. Полученные клетки в стадии метафазы фиксируются, окрашиваются и фотографируются под микроскопом; из набора получившихся фотографий формируются т. н. систематизированный кариотип — нумерованный набор пар гомологичных хромосом (аутосом), изображения хромосом при этом ориентируются вертикально короткими плечами вверх, их нумерация производится в порядке убывания размеров, пара половых хромосом помещается в конец набора.

Исторически первые недетализованные кариотипы, позволявшие проводить классификацию по морфологии хромосом получались аллельные варианты генов). Первый метод окраски хромосом, позволяющий получить такие высокодетализированные изображения, был разработан шведским цитологом Касперссоном (Q-окрашивание). Используются и другие красители, такие методики получили общее название дифференциального окрашивания хромосом:
 -Q-окрашивание — окрашивание по Касперссону акрихин-ипритом с исследованием под флуоресцентным микроскопом. Чаще всего применяется для исследования Y-хромосом (быстрое определения генетического пола, выявление транслокаций между X- и Y-хромосомами или между Y-хромосомой и аутосомами, скрининг мозаицизма с участием Y-хромосом)
 -G-окрашивание — модифицированное окрашивание по Романовскому — Гимзе. Чувствительность выше, чем у Q-окрашивания, поэтому используется как стандартный метод цитогенетического анализа. Применяется при выявлении небольших аберраций и маркерных хромосом (сегментированных иначе, чем нормальные гомологичные хромосомы)
 -R-окрашивание — используется акридиновый оранжевый и подобные красители, при этом окрашиваются участки хромосом, нечувствительные к G-окрашиванию. Используется для выявления деталей гомологичных G- или Q-негативных участков сестринских хроматид или гомологичных хромосом.
 -C-окрашивание — применяется для анализа центромерных районов хромосом, содержащих конститутивный гетерохроматин и вариабельной дистальной части Y-хромосомы.
 -T-окрашивание — применяют для анализа теломерных районов хромосом.На рисунке хромосомы синие, теломеры- белые.

В последнее время используется методика т. н. спектрального кариотипирования, состоящая в окрашивании хромосом набором флуоресцентных красителей, связывающихся со специфическими областями хромосом (FISH). В результате такого окрашивания гомологичные пары хромосом приобретают идентичные спектральные характеристики, что не только существенно облегчает выявление таких пар, но и облегчает обнаружение межхромосомных транслокаций, то есть перемещений участков между хромосомами — транслоцированные участки имеют спектр, отличающийся от спектра остальной хромосомы.
a-метафазная пластинка

b-раскладка на пары хромосом


Сравнение комплексов поперечных меток в классических кариотипах или участков со специфичными спектральными характеристиками позволяет идентифицировать как гомологичные хромосомы, так и отдельные их участки, что позволяет детально определять хромосомные аберрации — внутри- и межхромосомные перестройки, сопровождающиеся нарушением порядка фрагментов хромосом (делеции, дупликации, инверсии, транслокации). Такой анализ имеет большое значение в медицинской практике, позволяя диагностировать ряд хромосомных заболеваний, вызванных как грубыми нарушениями кариотипов (нарушение числа хромосом), так и нарушением хромосомной структуры или множественностью клеточных кариотипов в организме (мозаицизмом).

Хромосомные болезни

хромосомы Это группа болезней, в основе развития которых лежат нарушения числа или структуры хромосом, возникающие в гаметах родителей или на ранних стадиях дробления зиготы (оплодотворенной яйцеклетки). История изучения хромосомных болезней берет начало с кинических исследований, проводившихся задолго до описания хромосом человека и открытия хромосомных аномалий. Хромосомные болезни - болезнь Дауна, синдромы: Тернера, Клайнфельтера, Патау, Эдвардса.
Наиболее часто встречающаяся болезнь, трисомия-21 , клинически была описана в 1866 г. английским педиатром Л.Дауном. По его имени и названа эта болезнь - синдром (или болезнь) Дауна . В дальнейшем причина синдрома не раз подвергалась генетическому анализу. Высказывались предположения о доминантной мутации, о врожденной инфекции, о хромосомной природе.

Первое клиническое описание синдрома моносомии по Х-хромосоме как отдельной формы болезни было сделано русским клиницистом Н.А.Шерешевским в 1925 г., в1938 г. Г.Тернер также описал этот синдром. По фамилии этих учёных моносомию по Х-хромосоме называют синдромом Шерешевского-Тернера. В зарубежной литературе в основном используют название синдром Тернера, хотя никто не оспаривает открытие Н.А.Шерешевского. Хромосомные аномалии часто вызывают самопроизвольный аборт , пороки развития , замедление умственного развития и появление опухолей.

Аномалии в системе половых хромосом у мужчин ( трисомия-ХХУ ) как клинический синдром впервые описал Г.Клайнфелтер в 1942 г.

Перечисленные три формы и явились объектом первых клиникоцитогенетических исследований, проведенных в 1959 г. Расшифровка этиологии синдромов Дауна, Шерешевского-Тернера и Клайнфелтера открыла новую главу в медицине - хромосомные болезни. В 60-х годах благодаря широкому развертыванию цитогенетических исследований в клинике полностью сложилась клиническая цитогенетика. Была показана роль хромосомных и геномных мутаций в патологии человека, расшифрована хромосомная этиология многих синдромов врожденных пороков развития, определена частота хромосомных болезней среди новорожденных и при спонтанных абортах. Наряду с изучением хромосомных болезней как врожденных состояний начались интенсивные цитогенетические исследования в онкологии, особенно при лейкозах. Роль хромосомных изменений в опухолевом росте оказалась очень значимой.

С разработкой метода авторадиографии стала возможной идентификация некоторых индивидуальных хромосом, что способствовало открытию группы болезней, связанных со структурными перестройками хромосом. Интенсивное развитие учения о хромосомных болезнях началось в 70-х годах XX века, после разработки методов дифференциального окрашивания хромосом.

Классификация хромосомных болезней основана на типах мутаций, вовлеченных в них хромосом. Мутации в половых клетках приводят к развитию полных форм заболеваний, при которых все клетки организма имеют одну и ту же хромосомную аномалию.

В настоящие время описано 2 варианта нарушений числа хромосомных наборов - тетраплоидия (4 набора хромосом вместо 2 в норме) и триплоидия (з набора хромосом вместо 2 в норме). Другая группа синдромов обусловлена нарушениями числа отдельных хромосом - трисомиями (когда имеется добавочная хромосома в диплоидном наборе) или моносомия (одна из хромосом отсутствует ). Моносомии аутосом несовместимы с жизнью. Трисомии - более часто встречающаяся патология у человека . Ряд хромосомных болезней связан с нарушением числа половых хромосом.

Самая многочисленная группа хромосомных болезней - это синдромы, обусловленные структурными перестройками хромосом. Выделяют хромосомные синдромы так называемых частичных моносомий (увеличение или уменьшение числа отдельных хромосом не на целую хромосому, а на ее часть ). В связи с тем, что подавляющая часть хромосомных аномалий относится к категории летальных мутаций для характеристики их количественных параметров используются 2 показателя - частота распространения и частота возникновения.

Выяснено, что около 170 из 1000 эмбрионов и плодов погибают до рождения, из них около 40% - вследствие влияния хромосомных нарушений. Тем не менее значительная часть мутантов (носителей хромосомной аномалии ) минует действие внутриутробного отбора. Но некоторые из них погибают в раннем, до достижения пубертантного возраста. Больные с аномалиями половых хромосом из-за нарушений полового развития, как правило, не оставляют потомства. Отсюда следует, что все аномалии можно отнести к мутациям. Показано, что в общем случае хромосомные мутации почти полностью исчезают из популяции через 15 - 17 поколений.

Для всех форм хромосомных болезней общим признаком является множественность нарушений (врожденные пороки развития). Общими проявлениями хромосомных болезней являются: задержка физического и психомоторного развития, умственная отсталость , костно-мышечные аномалии, пороки сердечно - сосудистой, мочеполовой, нервной и др. систем, отклонение в гормональном , биохимическом и иммунологическом статусе и др.

Степень поражения органов при хромосомных болезнях зависит от многих факторов - типа хромосомной аномалии , недостающего или избыточного материала индивидуальной хромосомы, генотипа организма, условий среды, в котором развивается организм.

Этиологическое лечение этого вида болезней в настоящее время не разработано.

Роль в процессе старения

хромосомы Старение можно определить как увеличивающуюся с возрастом вероятность возникновения дегенеративных болезней (рак, аутоиммунные заболевания, сердечно-сосудистая патология и т.д.) и смерти. Скорость процесса обусловлена как индивидуальной генетической программой, так и факторами окружающей среды, действующими в течение жизни на организм. Много работ было посвящено изучению зависимых от возраста биологических параметров и поиску тех, которые играют ключевую роль в старении и, соответственно, сформулировано много гипотез. Гипотеза, рассматривающая в качестве причины старения спонтанные мутации в соматических клетках, концептуально представляется наиболее логичной. Действительно, ДНК определяет все основные клеточные функции, она чувствительна к действию различных физических и химических факторов, ее изменения передаются дочерним клеткам. Кроме того, эта гипотеза подтверждается рядом клинических и экспериментальных фактов.

Во-первых, у человека существуют наследственные синдромы преждевременного старения, обусловленные различными дефектами репарации ДНК.

Во-вторых, ионизирующие излучения, а также факторы, модифицирующие ДНК, например, 5-бромдезоксиуридин, ускоряют процесс старения экспериментальных животных. При этом молекулярные, цитологические и цитогенетические нарушения при естественном, и индуцированном радиацией старении аналогичны.

В-третьих, имеется определенный параллелизм между отдаленными соматическими, (т.е. возникающими непосредственно у облученных организмов) и генетическими, (т.е. наблюдаемыми у потомства облученных родителей), эффектами радиации. Это - увеличение канцерогенного риска, нестабильность генома, ухудшение общефизиологического статуса. В отличие от самих облученных организмов их потомство свободно от следов непосредственного лучевого воздействия, но так же, как и облученные особи, несёт в своих соматических клетках индуцированные генетические повреждения, переданные через половые клетки родителей.

Наконец, при исследовании различных цитогенетических, мутационных и молекулярно-генетических нарушений в большинстве случаев было установлено, что их частота увеличивается с возрастом. Это касалось хромосомных аберраций, микроядер, анеуплоидий, утраты теломерных повторов, мутаций в гликофориновом локусе, мутаций устойчивости к 6-тиогуанину, разрывов ДНК и др. Структурные аберрации хромосом относятся к тому типу генетических нарушений, которые, несомненно, вносят свой вклад в многофакторный процесс старения. Нестабильные хромосомные аберрации - дицентрики, кольца, фрагменты - приводят к гибели клеток, стабильные - транслокации, инсерции, как известно, сопровождают онкогенез, а также могут влиять на жизненно важные функции клеток.

Показанное в многочисленных исследованиях увеличение частоты структурных мутаций под влиянием различных вредных факторов (радиация, химические соединения) позволяет рассматривать их как одну из возможных причин ухудшения здоровья людей в экологически неблагоприятных условиях. (Воробцова и соавт., 1999)

Синдромы преждевременного старения

прогерия Синдромы, включающие преждевременное старение кожи, -это замечательные модели для понимания нормального старения кожи и процесса старения вобщем. Сейчас проводятся разнообразные исследования этих синдромов, в том числе генетические и биохимические. Этим исследованиям посвящена недавняя статья французских ученых Dereure O, Marque M и Guillot B из Монпелье "Синдромы преждевременного старения: от фенотипа к гену". Сейчас разрабатывается новая классификация этих синдромов, основанная на биохимических механизмах патогенеза:
 - синдромы с/без дефектов ламина А (прогерия)
 - синдромы, связанные с дефектами репарации (синдром Коккейна)
 - синдромы, связанные с хромосомной нестабильностью, чаще всего из-за дефектов хеликазы (синдромы Вернера и Ротмунд-Томсона, атаксия-телеангиэктазия)
Диагностика этих синдромов чаще всего основывается на клинических проявлениях и самые яркие из этих признаков связаны со старением кожи. Ученые считают, что генетические исследования должны вестись более широкомасштабно. Исследование этих синдромов, в том числе и вызванных хромосомными аберрациями, позволит пролить свет на механизмы старения у нормальных людей, т.к. прогерия и подобные ей синдромы в некоторой степени повторяют нормальное старение.

Лейкоз и потеря Y-хромосомы

Rhona Schreck Ученые под руководством Роны Шрек (Rhona Schreck) и Стефена Ли (Stephen Lee) из знаменитого лос-анджелеского медицинского центра Cedars-Sinai Medical Center провели исследование явления потери Y-хромосом в лейкозных клетках. В научной среде обсуждаются клиническая ассоциация между потерей Y-хромосомы и острым миелоидным лейкозом и миелодиспластическим синдромом (AML/MDS), потому что оба явления связаны со старением. В более ранних публикациях говорилось о том, что потеря Y-хромосомы в 75% клеток свидетельствует о клональности этого феномена и является маркером гематологического заболевания. Ученые проанализировали результаты обследования 2896 мужчин- пациентов, наблюдавшихся с 1996 по 2007 год. Исследовалась корреляция количества (в процентном соотношении) клеток без Y-хромосомы и возрастом пациентов. Потеря хромосомы была обнаружена у 142 человек. Из них 16 человек с миелоидными заболеваниями, 2 случая AML и 14 случаев MDS. Были сделаны выводы, что потеря Y-хромосомы- это преимущественно возрастассоциированный феномен, который статистически значимо кореллирует со случаями AML/MDS, а значит дефект любой делящейся клетки костного мозга может привести к  AML/MDS.

Фагоцитоз клеток с аберрациями-защита от рака?

Василий Манских Мы много говорим о том, что клетки повреждены, т.к. повреждены хромосомы. Но возникает вопрос-реагирует ли организм на поврежденные клетки? Если да, то как? И какое значение имеют подобные процессы? Может быть скоро на эти и другие вопросы будут найдены точные ответы.

Недавно вышла статья молодого ученого Василия Манских, который некоторое время произвел фурор в московских научных кругах. Данная статья называется "Гипотеза: Фагоцитоз аберрантных клеток защищает долгоживущих позвоночных от опухолей". Возможные механизмы защиты от канцерогенеза и спонтанного образования опухолей долгоживущих позвоночных сейчас обсуждаются научной общественностью. Предполагается, что эти механизмы подразумевают фагоцитоз и элиминацию (т.е. удаление) поврежденных клеток, включающие ДНК-Протеинкиназа-зависмый путь и p53-зависимый путь, а также лиганды для Scavenger-рецепторов и Toll-подобных рецепторов. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы находится в стадии разработки.

Анеуплоидия в лейкоцитах долгожителей

Лейкоцит на фоне эритроцитов Сейчас уже практически не вызывает сомнение, что с возрастом увеличивается количество клеток с хромосомными аберрациями. Проблема анеуплоидии у долгожителей (старше 80 лет) стала темой исследования грузинских ученых во главе с Лежава. Они количественно анализировали хромосомные перестройки и соотношение между "индуцированной" и "естественной" анеуплоидией у людей от 80 до 114 лет с помощью кариотипирования. Изучалось 1136 кариотипов из 40 лимфоцитарных культур, вырощенных из лимфоцитов 40 доноров (26 мужчин и 14 женщин). 964 кариотипа из 48 здоровых доноров от 20 до 48 лет использовались в качестве контроля. Исследования показали, что естественная анеуплоидия чаще встречается у женщин, а индуцированная-у мужчин. Вопрос естественной анеуплоидии у мужчин остался неясным. Остается надееться, что ученые продолжат работу в этом интересном направлении.

Ступени на пути к раку

Stindl R Одно из недавних исследований с использованием секвенирования кроме всего прочего показала наличие 1700 немолчащих мутаций в генах, приводящих к раку груди или колоректальному раку, и это всего в 11 образцах рака груди и 11 образцах колоректального рака. Это доказало, что геномная нестабильность- признак раковых клеток. Изучением этой проблемой занимаются многие ученые по всему миру, в том числе Рейнхард Штиндль (Reinhard Stindl) из Департамента Молекулярной и Клеточной биологии Университета Беркли, чему посвящена его статья "Ступени на пути к раку".
Многообразие геномных изменений не подчиняется закону "корелляции генотипа и фенотипа", т.к. разные образцы опухолей, относящихся к одному и тому же гистологическому типу, демонстрируют разные мутации и хромосомные аберрации у каждого пациента. Штиндль предлагает каскадную модель канцерогенеза. Рассмотрим ее.
1) Регенерация ткани зависит от пролиферации и последовательной активации стволовых клеток. Репликативная эрозия теломер (т.е. их укорочение с каждым делением) ограничивает продолжительность жизни взрослых стволовых клеток и проявляется в лимите Хейфлика (M1).
2) Кроме того, локальное истощение ткани или пожилой возраст может вызывать активацию М1- дефектных стволовых клеток.
3) Растянутая во времени пролиферация этих клеток приводит к геномной нестабильности и хромосомным аберрациям (анеуплоидии).
Некоторые из вышеописанных этапов уже были описаны в литературе. Но в отличие от общих теорий, эта теория предлагает объяснение тому, как повреждение генома проявляется на эпигенетическом уровне. В результате анеуплоидии многие гены не могут быть активированы модификацией паттерна (образа) метилирования. Поэтому, фенотип раковой ткани детерминируется эпигенетическим "арестом" стволовых клеток ткани, что дает им возможность пролифирировать, осуществлять инвазию и метастазирование. Эта новая модель сочетает генетические и эпигенетические факторы в некий каскад, давая объяснение многообразию повреждений генома, обнаруживаемых в раковых клетках.

В заключение

Как мы выяснили, изучив материал о хромосомных аберрациях, на данный момент несомненно одно- хромосомные аберрации (т.е. нестабильность генома) приводят к старению и возраст-ассоциированным заболеваниям. Но хромосомные аберрации являются и точным признаком стареющих клеток и организмов, так что вопрос о том, что первично-старение или аберрации-остается открытым. Хотя для возраст-зависимых заболеваний определено, что их причиной может быть геномная нестабильность.
Тема эта безусловно интересна и важна для поиска лекарства от старения. Кроме того, существует "природная модель" взаимосвязи хромосомных аберраций и старения- дети с прогерией. Наблюдение и изучение этих малышей позволит не только найти лекарства от их страшных болезней, но и лекарства от старения, т.к. прогерия и подобные ей заболевания, как отмечалось выше, являются в некотром приближении моделями естественного старения.
Другим направлением может быть исследование долгожителей, аналогичное работе грузинских ученых, о которой мы говорили выше. Но работа эта должна быть глубокой, в ней должны участвовать ученые со всего мира и исследоваться должны представители не одной популяции, а многих. Важным будет и сравнение результатов между популяциями, и комплексный анализ генетических и эпигенетических аспектов геномной нестабильности.
Эти исследования обязательно помогут в борьбе со старением, а также дадут надежду тысячам больным онкологическими заболеваниями, являющимися результатом хромосомных аберраций.

24 ноября 2008 года

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter




"ГЕТСПОРТ" предлагает профессиональный и любительский инвентарь