Клинические наблюдения повторных случаев рождения детей с хромосомными болезнями, а также спонтанных абортусов с трисоми- ями в некоторых семьях с нормальным кариотипом, свидетельствуют в пользу существования генетических факторов риска возникновения геномных мутаций. В качестве таких факторов рассматриваются хромосомный мозаицизм, гетероморфизм гомологов и наличие специфических генов, осуществляющих контроль за сегрегацией хромосом.
Как уже отмечалось (см. раздел 6.3.1) одной из причин, приводящих к нерасхождению хромосом и повторному рождению детей с различными трисомиями, является скрытый гонадный мозаицизм у матери [751].
Гонадный мозаицизм, то есть присутствие в гонадах родителей наряду с нормальными, эуплоидными половыми клетками, клонов анеуплоидных клеток, дающих начало гаметам с анеуплоидным числом хромосом или с несбалансированными хромосомными аберрациями, является одним из вариантов ограниченного тканевого мозаицизма Он может затрагивать как мужские, так и женские гонады. Доказательства существования гонадного мозаицизма получены как для моногенных (например, для мио- дистрофии Дюшенна) [381], так и для хромосомных болезней [503].
Естественно, что прямые доказательства наличия гонадного мозаицизма могут быть получены только при анализе хромосомного набора тканей гонад и пулов генеративных клеток. Так, методом FISH у мужчин с кариотипом 47,XYY в биоптатах семенников показано наличие двух пулов сперматогониев — с кариотипом XYY (87 %) и с кариотипом 46,XY (13 %) [503]. Повышенная частота сперматозоидов с дисомией 21, выявленная методом гетерологичного оплодотворения (см. главу 5), также может рассматриваться как косвенное доказательство существования мозаицизма в тканях семенника. Однако, учитывая особенности конъюгации хромосом в триаде (см. главу 4), а также доказанную экспериментально аномальную сегрегацию хромосом в нормальном клоне (см. раздел 6.3.2), установить, какой из клонов (нормальный или анеуплоидный) функционирует с образованием зрелых анеуплоидных гамет, весьма затруднительно.
В отличие от сперматогенеза, исследования материала биоптата овариальных тканей для получения прямых доказательств гонадного мозаицизма у женщин репродуктивного возраста на практике не используются. Косвенными аргументами в пользу наличия мозаицизма в яичниках служат лишь данные о наличии детей с одной и той же анеу- плоидией у женщин с нормальным кариотипом. Однако при детальном изучении родословных, в которых отмечалось регулярное рождение детей с синдромом Дауна в разных поколениях, оказалось, что у матерей и бабушек в некоторых семьях нарушен процесс сегрегации хромосом в клетках всех тканей, включая ткани яичника [888].
Таким образом, реально гонадный мозаицизм встречается достаточно редко. Поэтому его наличием нельзя объяснить все случаи повторных анеуплоидий у потомства, а рождение сибсов с различными анеуплоидиями свидетельствует в пользу существования и других факторов, предрасполагающих к нерасхождению хромосом и приводящих к повторным случаям геномных мутаций у потомства.
К таким факторам относят некоторые полиморфные варианты хромосом в кариотипе родителей, которые приводят к структурному гетероморфизму гомологов. В первую очередь, это районы 1qh, 9qh, 16qh и Yqh, которые благодаря различиям в размерах блоков конститутивного гетерохроматина могут затруднять конъюгацию хромосом в профазе I и, как следствие, способствовать их аномальной сегрегации в анафазе первого или второго делений мейоза [117, 354]. Однако прямых доказательств негативного влияния гетероморфизма гетерохроматиновых блоков этих хромосом, как и в случае 9ph (см. раздел 6.2.3) на поведение других хромосом в мейозе не получено.
К «цитогенетическим» факторам нерасхождения хромосом групп D и G также относят особенности их коротких плеч, которые являются компонентами ядрышка на стадии интерфазы и могут влиять на расхождение хромосом на других стадиях клеточного цикла. В частности, широко обсуждалась проблема корреляции между аномальной сегрегацией хромосом в мейозе и образованием устойчивых ассоциаций ядрышкообразующих хромосом, регистрируемых в соматических клетках, а также присутствием в кариотипе одного из супругов экстраварианта ядрышкообразующего района, так называемого двойного ЯОР (дЯОР) [514, 681, 857]. В дЯОР число копий рибосомных генов обычно в 5-6 раз превышает среднее количество копий в единичных ЯОР [464], хотя часть из них может быть инактивирована посредством метилирования [254, 412]. Поскольку при трисомии 21 дополнительная хромосома, как правило, наследуется от родителя-носителя дЯОР, предполагается, что именно этот хромосомный вариант нарушает нормальную конъюгацию гомологов и влияет на расхождение других ак- роцентрических хромосом, ассоциированных в ядрышке [636, 681].
Еще одним фактором, влияющим на расхождение хромосом, может быть полиморфизм альфоидных ДНК, входящих в состав прицентро- мерных районов акроцентрических хромосом. Как уже упоминалось (см. главу 2), прицентромерные районы хромосомы характеризуются набором последовательностей, специфических по нуклеотидному составу и вариабельных по числу повторов. Однако результаты исследований методом FISH с использованием специфичного к центромерному району хромосомы 21 ДНК-зонда (aRI-6) не подтверждают участия альфоидных ДНК в аномальной сегрегации хромосом 21 [880].
Таким образом, имеющиеся к настоящему времени данные о влиянии структурно-функциональных особенностей коротких плеч акро- центрических хромосом на их поведение в мейозе весьма противоречивы, а их участие в аномальной сегрегации хромосом требует дополнительных доказательств.
Учитывая многочисленные экспериментальные данные на растениях и лабораторных млекопитающих нельзя исключить, что случаи повторных анеуплоидий в одной семье объясняются существованием генов, ответственных за нормальную сегрегацию хромосом в митозе и мейозе.
Впервые гипотеза о наличии специфических «генов анеуплоидии» была сформулирована в 1976 году [838]. Так как дети у одних и тех же кариотипически нормальных родителей могут иметь одну и ту же хромосомную болезнь, а могут и разные, то гены, ответственные за возникновение геномных мутаций, логично были подразделены на го- моанеуплоидные (т. е. приводящие к нерасхождению одних и тех же хромосом) и гетероанеуплоидные (т. е. влияющие на сегрегацию разных хромосом) [462]. В пользу существования таких генов, возможно, наследуемых по аутосомно-рецессивному типу, свидетельствуют результаты исследования частот рождения детей с трисомией 21 в близкородственных браках [218]. Эта гипотеза, однако, не получила широкого признания [884]. Между тем, многочисленные факты повторного рождения детей с хромосомной патологией, прослеживаемой даже в ряду поколений, свидетельствуют в пользу существования наследственной предрасположенности к нерасхождению хромосом. Каковы конкретные механизмы возникновения повторных анеуплоидий (гомо- или гетеро-), и какой ген (или гены) может обладать таким эффектом, остается неясным.
На эту роль в первую очередь могут претендовать гены, продукты которых принимают непосредственное участие в процессах рекомбинации и сегрегации хромосом в мейозе, а также в генах-регуляторах мейоза и митоза. В качестве таких кандидатов могут быть гены, контролирующие синтез ДНК (MTFR), клеточный цикл (MAD2 и BUB1), гены структурных белков синаптонемного комплекса, ферментов пост- мейотической репарации, а также белков, отвечающих за сегрегацию хромосом [804].
Как уже упоминалось, многие гены, контролирующие процесс гаметогенеза, осуществляют свои функции как в мужском, так и в женском мейозе. Однако, если жесткие механизмы селекции мужских гамет могут препятствовать формированию сперматозоидов с хромосомными аберрациями, то при созревании ооцитов и в первых делениях дробления зиготы механизмы селекции анеуплоидных клеток либо отсутствуют, либо не так эффективны [489, 653]. Следовательно, наследственные факторы, способствующие возникновению хромосомных аберраций, во время мужского и женского мейоза могут быть совершенно различными. Установить природу ведущего повреждающего фактора, как правило, не удается, а фрагментарность сведений, касающихся генов предрасположенности к нерасхождению хромосом в мейозе, обусловлена сложностями в проведении подобных исследований на человеке.
Тем не менее, накопленные к настоящему времени данные позволяют рассматривать некоторые гены в качестве факторов риска аномальной сегрегации хромосом в мейозе.
В первую очередь, это гены, мутации в которых вызывают болезни, связанные с хромосомной нестабильностью. Под нестабильностью хромосом обычно понимают увеличение спонтанной и/или индуцированной частоты хромосомных аберраций, сестринских хроматидных обменов (СХО) и аномальной сегрегации хромосом в соматических клетках [124]. Всего известно около 15 моногенных нозологических форм, сопровождающихся повышенной ломкостью хромосом. Наиболее изученными являются синдром Робертса (преждевременное расхождение центромер), анемия Фанкони (повышенная частота сестринских хроматидных обменов), синдром Луи-Бар (повышенный уровень спонтанных хромосомных аберраций и транслокаций с вовлечением хромосом 7 и 14). Известны также заболевания, ассоциированные с нестабильностью хромосом вследствие их нерасхождения в соматических клетках в процессе эмбриогенеза. Наиболее известные из них — синдром Ротмунда-Томсона (мозаичная форма трисомии 8 в соматических клетках) и синдром мозаичной смешанной анеуплоидии (MVAS, OMIM 257300). Предполагается, что мутации в генах, ответственных за возникновение этих болезней, являются митотическими, т. е. затрагивают только соматические клетки. Не исключено, однако, что аналогичное действие они проявляют в мейотических делениях и в первых делениях дробления зиготы. По крайней мере, мутации в генах при синдромах Робертса, Ротмунда-Томсона, MVAS, как и при синдроме Эппл-Пиль (OMIM 243605), мозаичной анеуплоидии с преждевременным разделением хроматид (OMIM 176430), относят к мутациям, возникающим в герминативных клетках [804]. Большинство из этих синдромов диагностируются после рождения и приводят к инвалиди- зации или ранней детской смертности. Поэтому оценить влияние на расхождение хромосом в мейозе у таких больных не представляется возможным. Определенная информация на эту тему может быть получена только на модельных объектах. В частности, на трансгенных мышах показано, что мутации в гене Fac (анемия Фанкони) приводят к блоку сперматогенеза и гипоплазии яичников, в гене Atr/Atm (атаксия — телеангиэктазия, или синдром Луи-Бар) — к блоку мейоза на стадиях зиготены — пахитены. В экспериментах было доказано наличие не менее 15 генов, мутации в которых сопровождаются нарушением гаметогенеза и ассоциированы с возникновением анеуплоидии в мейозе у мышей [395].
Внедрение методов тестирования аллельного полиморфизма некоторых генов с целью выяснения генных сетей, ответственных за развитие мультифакториальных болезней, позволило получить информацию и о генах предрасположенности к нерасхождению хромосом в мейозе. Например, показана ассоциация аномальной сегрегации хромосом во втором делении мейоза у молодых женщин с аллелью е4 гена аполи- попротеина АроЕ [233], а также нерасхождения хромосом и некоторыми вариантами генотипов по гену пресенелина 1 [243].
Особый интерес вызывают гены, вовлеченные в метаболизм фолиевой кислоты [604], в частности, ген метилентетрагидрофолатредуктазы MTHFR [520], метионинсинтазы MTR [718] и метионинсинтазы-редуктазы MTRR [622]. Несмотря на то, что прямых корреляций между мутациями в этих генах и нерасхождением хромосом пока не получено [457], ведется активное изучение возможных механизмов участия продуктов этих генов в сегрегации хромосом в мейозе. Тестирование полиморфизмов некоторых из перечисленных выше генов включено в генетическую карту репродуктивного здоровья (см. главы 9 и 11).
Предполагается, что нерасхождение хромосом в мейозе может быть обусловлено мобильными диспергированными элементами (МДГ). Последние примечательны тем, что способны индуцировать разрывы хромосом в профазе I мейоза [461]. Репарация этих двунитевых разрывов, имеющих сходство с рекомбинацией, нарушает формирование типичных хиазм и может интерферировать с нормальной сегрегацией мейотических хромосом. Поскольку МДГ-индуцированная репарация происходит в профазе мейоза, то ооциты у пожилых женщин должны иметь больше таких нарушений, и, соответственно, их хромосомы могут быть в большей степени подвержены нерасхождению.
Тщательный анализ родословных показал, что предрасположенность к повторному рождению детей с анеуплоидным кариотипом наследуется по материнской линии. Сформулировано предположение о цитоплазматическом наследовании факторов, предрасполагающих к нерасхождению хромосом в мейозе, в частности, мутации в митохондриальной ДНК [236]. В пользу этой гипотезы приводят следующие факты. Во-первых, для матерей, в анамнезе которых отмечено неоднократное рождение детей с несбалансированным кариотипом, характерны такие заболевания как болезнь Альцгеймера, диабет и гипотиреоз, в развитие которых определенный вклад вносят мутации митохондриальной ДНК [504, 881]. Во-вторых, мутации в мтДНК нередко способствуют увеличению свободных радикалов при одновременном снижении общего синтеза АТФ. Эти процессы могут влиять на функционирование мейотического аппарата, в частности, нарушать структуру синаптонемного комплекса, снижать активность АТФ-зависимых ферментов рекомбинации и постмейотической репарации, а также дестабилизировать элементы аппарата деления. Предполагается, что мутации митохондриальной ДНК накапливаются с возрастом матери, что собственно и объясняет увеличение частоты анеуплоидии в потомстве женщин старшего репродуктивного возраста [237].
Таким образом, в настоящее время накапливается все больше данных, доказывающих важную роль генетических факторов в нерасхождении хромосом и возникновении анеуплоидии в гаметах и у зародышей человека. Уже известно свыше 15 генов, мутации которых предрасполагают к нерасхождению хромосом в мейозе и митозе. Продукты этих генов входят в состав митотического веретена, контролируют синтез нуклеиновых кислот, ферменты системы репарации ДНК, белки рекомбинации мейотических хромосом, а также системы детоксикации ксенобиотиков.