Как следует из рассмотренного выше материала, на современном уровне наших знаний уже можно выделить следующие механизмы регуляции функции генов на хромосомном уровне:
  • Архитектоника ядра, определяющая пространственное расположение хромосом и, по-видимому, их функции.
  • Конститутивный гетерохроматин, который играет важную роль в дислокации хромосом в интерфазном ядре и, возможно, непосредственно регулирует работу ряда «ранних» генов.
  • Интеркалярный гетерохроматин, определяющий связь хромосом с ядерным матриксом, с внутренней ядерной мембраной и, возможно, непосредственно вовлеченный в надмолекулярную организацию работы генома через механизмы избирательной спирализации — деспирализации.
  • Факультативный гетерохроматин Х-хромосомы, определяющий неактивное состояние генов этой хромосомы.
  • Метилирование ДНК, которому принадлежит решающая роль в дифференциальной экспрессии генов и, прежде всего, генов «домашнего хозяйства». Метилирование ДНК прямо связано с механизмами компактизации — декомпактизации хроматина и, соответственно, с репрессией — дерепрессией генов.

Другие феномены, важные для цитогенетики эмбрионального развития человека, это хромосомный импринтинг и однородительская дисомия.
Хромосомный (геномный) импринтинг — дифференциальная экспрессия генов, определяемая тем, от кого из родителей (матери или отца) они унаследованы [19, 20, 566]. В участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только одна аллель — отцовская или материнская. Геномный импринтинг — яркий пример эпигенетической наследственности, то есть наследственности, обусловленной надмолекулярной модификацией ДНК, не затрагивающей ее первичную нуклеотидную последовательность [43].
Данные по геномному импринтингу у человека суммированы на конференции National Institute of Child Health (USA) [893]. Они подробно рассмотрены в ряде отечественных обзоров и сборниках [120, 121, 128].
Как уже отмечалось в главе 10, доказано, что ведущая роль в реализации процесса импринтинга принадлежит ацетилированию гистонов и метилированию ДНК. Детали процесса импринтинга в родительских половых клетках, его сохранение в клетках эмбриона и роль в регуляции процессов экспрессии генов, долгое время оставались неясными. Несмотря на то, что молекулярные механизмы импринтинга до настоящего времени окончательно не установлены, в последние годы в изучении феномена геномного импринтинга достигнуты серьезные успехи. В частности, определены ДНК-последовательности, играющие важную роль в контроле импринтинга, установлено время появления и элиминации импринтов в половых клетках, описана динамика метилирования импринтированных генов в пре- и постнатальном периодах онтогенеза, обнаружена кластерная локализация импринтированных генов в геноме, показана асинхронность репликации импринтирован- ных генов.
В последние годы достигнут большой прогресс в идентификации импринтированных генов. В настоящее время у человека уже известно свыше 40 таких генов и предполагается, что их число может достигать 500 [402]. В настоящее время импринтированные гены обнаружены во многих хромосомах человека — 1, 5-7, 11, 13, 15, 19, 20. Характерной особенностью импринтированных генов оказалась их кластерная организация. Крупные кластеры импринтированных генов обнаружены на хромосомах 7, 11, 14 и 15.
Изменения эпигенотипа, приводящие к ослаблению или нарушению установившегося паттерна импринтинга, неблагоприятно сказываются на эмбриональном развитии и могут быть причиной различных патологических состояний и болезней в постнатальном периоде.
В частности, ранее в модельных экспериментах на мышах с хромосомными транслокациями было установлено, что патологический эффект геномных мутаций проявляется по-разному и зависит от того, какая родительская хромосома (отцовская или материнская) находится в избытке или, наоборот, в дефиците [14, 18, 20, 21, 249, 250, 251].
Известно, что подавляющее большинство зародышей с хромосомными аномалиями, в том числе с дисбалансом хромосом, совместимым с постнатальным развитием (моносомия Х — синдром Шерешевского-Тернера, трисомия 21 — болезнь Дауна, трисомии 13 и 18), нежизнеспособно еще во внутриутробном периоде. Так, установлено, что отсутствие одной Х-хромосомы, которое вполне совместимо с постнатальной жизнью, в действительности летально для 99 % эмбрионов. Можно предполагать, что отчасти такой эффект связан с нарушением баланса импринтированных генов (см. раздел 11.5).
Одним из частых проявлений нарушения процессов импринтинга и дисбаланса импринтированных генов может быть однородительская дисомия. Последняя определяется как состояние, при котором индивидуум наследует обе копии хромосомы от одного из родителей и не содержит в геноме соответствующего гомолога от другого родителя. Однородительская дисомия может быть полной, когда затрагивается целая хромосома, либо частичной (сегментной), когда это касается только хромосомного фрагмента (см. также главы 7 и 9). Частота ОРД составляет в среднем 1 на 3000 зигот. Она может возникнуть в результате потери одной хромосомы у зародыша с три- сомией при условии сохранения двух других хромосом одного из родителей, удвоения единственной непарной хромосомы при моносо- мии, митотической рекомбинации между хроматидами, комплементарности гамет — нуллисомия в одной и дисомия в другой гамете, участвующих в оплодотворении. Естественно, что в каждом из таких вариантов доза всех генов остается нормальной. Единственным отличием от нормы в случае гетеро-ОРД (см. главу 7) может быть необычный паттерн импринтинга, то есть наличие двух однотипных вариантов импринтинга по женскому или мужскому типу. Соответственно, характер патологического эффекта будет определяться тем, какие импринтированные гены находятся в избытке или в дефиците. Для нормального эмбриогенеза, как показали первооткрыватели данного феномена Д. Солтер, Дж. МакГрат и А. Сурани, всегда необходимо наличие двух комплементарно импринтированных аллелей — отцовской и материнской [612]. Число уже известных болезней геномного импринтинга, связанных c ОРД, составляет около 10 и продолжает увеличиваться [121]. Сведения о том, как сказывается ОРД на эмбриональном развитии, пока весьма ограниченны и неоднозначны. Однако не вызывает сомнения, что ОРД в клетках плаценты может быть причиной нарушения ее развития и приводить к плацентарной недостаточности и задержке внутриутробного развития плода.
Цитогенетическая диагностика ОРД затруднена. Она возможна только в отдельных случаях при наличии соответствующих хромосомных маркеров (необычные по размерам спутники, блоки гетерохроматина). Основная диагностика ОРД проводится молекулярными методами с использованием высокоповторяющихся (высокополиморфных) ДНК-маркеров [121]. Заподозрить наличие ОРД в условиях пренатальной диагностики возможно при наличии мозаицизма хромосом, ограниченного плацентой, при наличии у плода Робертсоновской транслокации (центромерного слияния хромосом), унаследованной от одного из родителей, при задержке развития плода и плаценты неясной этиологии (см. главы 7 и 9).
Таким образом, геномный импринтинг не связан с изменениями первичной последовательности ДНК и является следствием эпигенетических изменений генома. Наличие на многих хромосомах человека, особенно на хромосомах 7, 11, 14 и 15 кластеров импринтирован- ных генов, обнаруживающих различную экспрессию при передаче зародышу через мужские или женские гаметы, играет важную роль в патологии анте- и постнатального развития. Цитологическую основу геномного импринтинга составляет однородительская дисомия.