Представляет собой одну из наиболее сложных и малопонятных проблем цитогенетики (цитогеномики) эмбрионального развития человека. Почему дисбаланс одних хромосом всегда летален уже на ранних стадиях, тогда как других совместим с завершением эмбриогенеза и даже с постнатальным развитием? Почему хромосомные нарушения, приводящие к типичным хромосомным болезням, в подавляющем большинстве случаев подвергаются элиминации еще до рождения? Чем объяснить сходство клинических проявлений многих хромосомных болезней? Что является непосредственной причиной гибели зародышей с хромосомными аберрациями? Эти и многие другие вопросы феногенетики хромосомной патологии пока не имеют доказательных ответов. Нам представляется, что причина этого кроется, прежде всего, в многообразии нарушений функций генома в условиях хромосомного дисбаланса, в многообразии уровней живого организма, на которых разворачиваются эти нарушения (молекулярный, клеточный, тканевой, организменный).
Каждая хромосома представляет собой сложную, эволюцион- но сложившуюся, целостную иерархическую систему, состоящую из многих сотен структурных и регуляторных генов, разделенных различными классами повторяющихся последовательностей, назначение которых пока неизвестно. Эта система может нормально функционировать только в условиях правильной трехмерной организации ядра, четко скоординированной и сбалансированной работы всего генома.
Естественно предполагать, что избыток или дефицит целой хромосомы неизбежно приводит к дисбалансу многих структурных генов и регуляторных последовательностей (факторов транскрипции), действующих не только в пределах одной хромосомы (cis-эффект), но и на гены других хромосом, которые представлены нормальным диплоидным числом (trans-эффект). Действительно, молекулярный анализ зародышей с частичной трисомией в условиях экспериментов позволил установить, что экспрессия генов в «избыточном» фрагменте хромосом в среднем в 1,2 раза превышает контрольный уровень, тогда как генов диплоидного фрагмента снижается и составляет 0,9 от контроля [783].
Таким образом, не вызывает сомнения, что на молекулярном уровне первым и основным результатом численных хромосомных аберраций или несбалансированных хромосомных перестроек должно быть нарушение дозы генов. Действительно, эффект дозы генов, измеряемый по количеству генопродуктов (белка, РНК) достаточно четко показан при дисбалансе многих хромосом. Каждый из этих генопродуктов, в свою очередь, может выступать в качестве триггера или шунта различных биохимических реакций и в результате избытка или дефицита приводить к нарушениям различных жизненно важных метаболических путей. Можно предполагать, с некоторыми оговорками, что специфические нарушения и аномалии, характерные для многих хромосомных болезней как раз и обусловлены дисбалансом уникальных структурных генов.
Еще менее предсказуем и многообразен должен быть эффект дозы регуляторных генов, в частности, генов-факторов транскрипции, действие которых направлено на регуляцию функций сразу многих генов. В последнее время в генетике развития особенно популярно представление о наличии в клетке генов-господ и генов-рабов [84]. К первой группе относятся семейства генов-регуляторов, такие как факторы транскрипции типа кластеров генов HOX, SOX, PAX, продукты экспрессии которых, небольшие по размерам белки (около 200 аминокислот), благодаря наличию специальных аминокислотных последовательностей — гомеодоменов, способны соединяться с регуляторными элементами многих структурных генов (генов-рабов), индуцируя или подавляя их экспрессию.
Согласно мнению одного из авторов этой теории нобелевского лауреата Вальтера Геринга, сложнейшая морфогенетическая реакция, завершающаяся формированием целого органа, может быть запущена в ходе эмбрионального развития одним геном [84]. Естественно, что дисбаланс таких генов должен приводить к нарушению экспрессии сразу многих генов различных метаболических путей, а также генов, ответственных за нейроэндокринный статус организма, что a priori предполагает выраженный плейотропный (многообразный) эффект дисбаланса таких генов. Действительно, поражение сразу многих различных систем, органов и тканей при дисбалансе различных хромосом является типичным проявлением многих хромосомных болезней.
Важная роль в феногенетике хромосомных аномалий, по-видимому, принадлежит и коротким повторяющимся ДНК-последовательностям в интронах и в межгенных спейсерах, на которых осуществляется синтез особых малых ядерных РНК, в частности, двухцепочечной интерферирующей РНК (siRNA), размером всего 20-25 п. о. и одноцепочечной микро РНК (miRNA), размером 15-20 п. о. Малые ядерные РНК, согласно последним данным, играют решающую роль в регуляции процессов трансляции непосредственно на уровне рибосом и в процессах гетерохроматизации, т. е. в процессах репрессии — дерепрессии структурных генов [557]. Избыток таких РНК или их дефицит должен приводить к искажению работы многих генов гомологичных, а возможно, и негомологичных хромосом или хромосомных сегментов, вовлеченных в хромосомные аберрации.
Учитывая важность архитектоники интерфазного клеточного ядра, наличие вполне определенных территорий для каждой хромосомы, четкой функциональной компартментализации для осуществления правильной работы генома (см. раздел 11.1) логично предполагать, что хромосомный дисбаланс должен приводить к существенным поломкам внутриядерной структуры, что должно отрицательно сказываться на работе всего генома, а не только отдельных хромосом. Следствием такого общегеномного эффекта хромосомных аберраций могут быть различные нарушения клеточной дифференцировки, нарушения пролиферативной активности клеток. Именно эти нарушения, как известно, особенно типичны для «клеточного синдрома» хромосомных болезней [47].
Возможно, столь характерные для хромосомных аберраций нарушения как общая задержка развития, умственная отсталость, искаженная (зачастую слабая) пролиферативная активность клеток как раз и являются следствием повреждений структурно-функциональной организации всего генома.
Естественно, что повреждения, разворачивающиеся на клеточном уровне, особенно в течение эмбрионального периода, могут иметь самые негативные последствия для развивающегося зародыша. Уменьшение числа клеток, формирующих эмбриональные зачатки и зачатки органов, нарушения клеточной адгезии, перемещения клеток и клеточных листков, десинхронизация процессов эмбриональной индукции должны неминуемо приводить к ранней эмбриональной гибели, к тяжелым порокам развития, к выраженной патологии самого плода и его провизорных органов, прежде всего, плаценты. По всей вероятности, именно эти события являются причиной гибели подавляющего большинства анеуплоидных зародышей человека во время имплантации.
В этой связи нельзя не отметить, что в целом избыток хромосомного материала проявляется на более поздних стадиях эмбриогенеза, чем его дефицит. Зародыши с трисомией большинства хромосом (за исключением хромосом 1 и 19) встречаются в раннем постимплантационном периоде (см. главу 5) и составляют до 60 % всех спонтанных абортусов ранних сроков. Моносомии хромосом (за исключением моносомии Х) крайне редки даже в материале спонтанных абортов. В свете вышеизложенного, а также из опыта модельных исследований на мышах с хромосомными транслокациями [20], можно выделить, по крайней мере, три механизма, объясняющих столь раннюю гибель зародышей с моносомией. Это экспрессия рецессивных летальных генов, дефицит генопродуктов гемизиготных (то есть оставшихся без своих гомологов) генов (аллелей), нарушение межхромосомных взаимодействий.
Экспрессия рецессивных летальных генов непарного гомолога представляется вполне логичной, однако вызывает ряд серьезных возражений. Прежде всего, такой эффект должен быть особенно выраженным у гаплоидных зародышей, то есть у партеногенетически развивающихся зародышей с половинным (гаплоидным) числом хромосом. В действительности, такие зародыши в эксперименте на мышах способны к развитию, по крайней мере, до имплантации, а в условиях создания искусственных гаплоидно-диплоидных химер способны к завершению эмбриогенеза и к дифференцировке. Более того, моносомии некоторых аутосом у мышей (хромосомы 2, 5, 17), как оказалось, могут проявляться раньше и приводить к гибели на более ранних стадиях развития, чем отсутствие целого гаплоидного генома [249]. Таким образом, гаплоидия и моносомия (по крайней мере, многих хромосом) не являются истинными клеточными леталями, однако, по каким-то причинам они не могут реализовать свою наследственную программу формирования целого организма [595].
Отсутствие любой хромосомы, несомненно, должно приводить к значительному снижению дозы продуктов тех генов, которые находятся на данной хромосоме (эффект дозы генов). До сих пор, однако, неясно, может ли 50 %-ное снижение активности фермента повлиять на развитие клеток и целого организма. Такое заключение кажется оправданным для взрослого организма [187]. Однако дефицит дозы гена может иметь катастрофические последствия для ранних зародышей, в том числе для зародышей человека, когда речь идет о дозе регуляторных генов, генов-факторов транскрипции, генов клеточной адгезии и мембранных рецепторов [388]. Как показывают экспериментальные данные [56], такой механизм вряд ли является главной или, по крайней мере, единственной причиной ранней гибели при моносомии аутосом.
Наконец, для объяснения данного феномена может быть привлечена гипотеза структурно-функционального взаимодействия гомологичных хромосом на начальных стадиях эмбриогенеза [14, 18, 20, 21, 249, 250]. Согласно этой гипотезе, сформулированной раньше и независимо от гипотезы геномного импринтинга [286, 612, 822], на начальных этапах развития оплодотворенной яйцеклетки у мышей, а возможно, и у других млекопитающих и у человека, существуют механизмы, с помощью которых гомологичные хромосомы «узнают» друг друга, результатом чего и является активация их генов. Отсутствие одной из хромосом приводит к «неопознанию» партнера и, соответственно, нарушению активации (репрессии генов) сохранившегося гомолога. Это означает, что эффект большинства аутосомных моносомий в действительности может быть сравним с эффектом нуллисомии (полным отсутствием) генов данной хромосомы, чем, собственно, и объясняется ранняя гибель зародышей с такой патологией кариотипа. Находки на тотальных препаратах дробящихся зигот мышей единичных случаев парного расположения отцовских и материнских хромосом, контактирующих между собой по всей длине, как будто свидетельствуют в пользу высказанной гипотезы [190]. В какой мере конъюгация родительских гомологов в процессе 1-го деления дробления обязательна, каково в действительности, ее функциональное значение пока неизвестно и требует дальнейшего изучения. Гипотеза взаимодействия (взаимной активации) гомологичных хромосом в развитии вполне доступна экспериментальной проверке. Для этого следует сравнить развитие зародышей с моносомией и с нуллисомией той же хромосомы. Имеющиеся данные согласуются с этим предположением [350]. Отметим также, что высказанная гипотеза отнюдь не противоречит теории геномного импринтинга, а скорее ее дополняет. Так, если допустить, что на некоторых хромосомах импринтированными являются именно гены «раннего» развития, а их активные аллели локализованы в отсутствующей хромосоме, то логичным итогом этой ситуации должна быть функциональная нуллисомия по данным генам. Следовательно, в обоих случаях именно функциональная нуллисомия может оказаться главной причиной столь ранней гибели зародышей при дефиците хромосом или хромосомных делециях.
Все рассмотренные предположения и гипотезы не объясняют массовой гибели зародышей с аномалиями кариотипа. Особенно интригующими представляются время реализации аберрантного кариотипа (от оплодотворения до постнатального периода), а также тяжесть и частота пороков развития. Наиболее логично на данном этапе предполагать, что данный феномен зависит, по крайней мере, от двух причин — скрытых (рецессивных) мутаций и вариаций структуры клеточного ядра.
Согласно первому предположению, ранее рассмотренные причины патологического эффекта хромосомных аномалий в каждом отдельном случае проецируются на индивидуальные особенности генома зародыша. Это означает, что наличие в геномах плода и, соответственно, у его родителей скрытых мутаций, неблагоприятных вариантов полиморфизма генов «предрасположенности» к факторам внешней среды, к акушерской патологии, к патологии эмбрионального развития могут резко усиливать фенотипический эффект хромосомных аберраций. И наоборот, отсутствие таких мутаций и полиморфизмов, более того, присутствие таких генных вариантов, которые способствуют нормальной имплантации и росту зародыша, будет в значительной мере ослаблять и в какой-то степени нивелировать патологический эффект хромосомных аберраций. Таким образом, именно индивидуальными особенностями генома зародыша с аберрантным кариотипом можно объяснить фенотипический плейотропизм проявления хромосомного дисбаланса.
Следует также обратить внимание на то, что у зародышей с численными нарушениями кариотипа в силу индивидуальных особенностей формирование пространственной архитектоники ядра в связи с наличием или отсутствием целой хромосомы может существенно варьировать. Причем в каждом случае варианты в расположении хромосомных территорий и функциональных компартментов могут носить уникальный характер и по-разному нарушать работу целого генома. Отсюда и фенотипические эффекты при одной и той же хромосомной аберрации могут оказаться различными.
Какое из этих предположений ближе к реальности остается неизвестным и требует дальнейшей проверки.
В отличие от численных и структурных хромосомных аномалий, нарушения развития при ОРД не связаны непосредственно с генным дисбалансом хромосом или их фрагментов. Они обусловлены эпигенетическими изменениями, вызванными хромосомным (геномным) импринтингом (см. раздел 11.2, и главу 7). Наличие импринтирован- ных генов только одного из родителей и отсутствие комплементарных им функционально активных аллелей другого ведет к дисбалансу соответствующих генопродуктов. Следовательно, в случае ОРД реально наблюдается функциональная нуллисомия, то есть отсутствие генопродуктов одних аллелей (импринтированных) и избыток других (неимпринтированных). При этом дополнительные осложнения функции генома могут возникать в связи с проявлением клеточных леталей и рецессивных мутаций. Их вероятность особенно велика при изоди- сомии — ОРД в результате нерасхождения хромосом во 2-м мейотиче- ском делении или удвоения хромосомы в первых делениях дробления моносомной зиготы, следствием которой является гомозиготность по всем генам одного гомолога (см. главу 7). Теоретически более благоприятна для развития гетеродисомия — ОРД после нерасхождения хромосом в 1-м мейотическом делении, когда в геноме зародыша оказываются оба гомолога (хромосомы) одного из родителей (обычно матери) [121]. Вопрос о влиянии ОРД на эмбриональное развитие изучен недостаточно. Имеются ориентировочные данные, что ОРД у плода обычно коррелирует с задержкой развития [532]. При этом, однако, нередко регистрируется наличие мозаицизма хромосом или даже полная форма трисомии аутосом в клетках плаценты. Оценить в какой мере задержка развития обусловлена проявлением ОРД в клетках самого плода, а в какой она связана с трисомией аутосом в клетках плаценты пока не представляется возможным.
Касаясь проблемы геномного (хромосомного) импринтинга, нельзя обойти вниманием и проблему феногенетики хромосомных аномалий в зависимости от природы аберрантной хромосомы, то есть от того, передается она потомству матерью или отцом. Данные экспериментов по цитогенетике эмбриогенеза лабораторных мышей с Робертсоновскими транслокациями убедительно свидетельствуют в пользу такого диморфизма. Так, установлено, что моносомия, по крайней мере, некоторых аутосом (хромосомы 2, 5, 17) у мышей проявляется значительно раньше и ведет к более тяжелым нарушениям морфогенеза, если единственная хромосома унаследована от самца. При наличии у моносомиков единственного гомолога материнского происхождения развитие идет заметно лучше, их гибель происходит на более поздних стадиях [14, 20]. Эти результаты доказывают функциональную неравнозначность гомологичных хромосом, которая может быть выявлена антенатально при численных хромосомных аномалиях. Имеет ли место подобный диморфизм хромосомных аберраций у человека окончательно неизвестно. Логично допустить, что массовая гибель зародышей с хромосомными аномалиями, совместимыми с постнатальным развитием (моносомия Х и трисомии 21, 13 и 18), отчасти обусловлена именно родительским происхождением хромосомы. Данные медицинской генетики, в том числе и анализ результатов пренатальной диагностики, в этом вопросе неоднозначны. Эффект геномного импринтинга родительских хромосом 21 не показан для пациентов с синдромом Дауна [670], а в случае Х-хромосомы проявляется только в постнатальном периоде [413]. Этот интересный феномен заслуживает самого пристального внимания специалистов по цитогенетике развития человека.