ВВЕДЕНИЕ
Нарушениям наследственного аппарата принадлежит важное место в патологии человека. Мужская и женская стерильность, самопроизвольные аборты, рождение детей с тяжелыми аномалиями развития, многие патологические состояния постнатального периода, в том числе и хромосомные болезни, обусловлены поломками генома. По весьма приблизительным оценкам общий генетический груз в популяции оценивается величиной в 5-5,5 %, из которого только на долю новорожденных приходится около 1,5 % [31]. При этом значительная часть нарушений онтогенеза связана с численными или структурными аберрациями всего генома или отдельных хромосом, и может быть выявлена цитогенетическими методами путем анализа кариотипа гамет или клеток зародыша.
Таким образом, цитогенетические исследования играют важную роль в диагностике многих патологических состояний на разных стадиях онтогенеза человека. Их значение особенно велико, если исследования кариотипа проводятся еще до рождения, то есть в течение антенатального периода развития человека. Именно тогда хромосомные болезни можно не только диагностировать, но и предупредить путем элиминации плодов с нарушениями кариотипа. Профилактика рождения детей с хромосомными болезнями составляет главную задачу такого сравнительно нового научно-практического направления как пренатальная диагностика. На каких стадиях онтогенеза происходят поломки наследственного аппарата зародыша? Как они реализуются в фенотипе? Как они могут быть выявлены еще до рождения? Что такое хромосомный мозаицизм, ограниченный плацентой и представляет ли он угрозу для плода? Ответы на эти и другие практической вопросы пренатальной диагностики можно найти в первых 5 главах монографии.
Вместе с тем, исследования по цитогенетике эмбрионального развития человека отнюдь не исчерпываются решением практических задач пренатальной диагностики. По твердому убеждению авторов, уже
существующие сегодня возможности прижизненного исследования плодного материала на всех стадиях эмбрионального развития открывает реальные перспективы исследования функции генома в течение всего внутриутробного периода развития человека. Это позволяет непосредственно на человеке начать исследования центральной проблемы современной биологии — проблемы реализации генетической информации в индивидуальном развитии. Важная роль в таких исследованиях, безусловно, принадлежит цитогенетике развития, изучающей функции отдельных хромосом и их фрагментов в условиях хромосомного дисбаланса. Впервые на млекопитающих такой подход был использован в модельных экспериментах на мышах с хромосомными транслокациями [11, 56, 380].
К сожалению, применение цитогенетических методов в исследовании эмбриогенеза человека до появления пренатальной диагностики было значительно менее продуктивным. Выполненные на абортном материале с применением методов клеточных культур, они были весьма продуктивными только при исследовании цитологических феноменов хромосомного дисбаланса (гипотеза «клеточного синдрома») [47, 93, 96]. Они, однако, оказались малопригодными для суждения о хромосомном контроле гаметогенеза и эмбриогенеза человека. И это понятно. Исследования кариотипов абортусов, представлявших собой мацерированные ткани или остатки абортивного плодного яйца, не позволяли объективно судить о том, как дисбаланс той или иной хромосомы или ее фрагментов мог влиять на процессы развития.
Ситуация коренным образом изменилась только в 80-х годах ХХ века, когда благодаря успехам ультразвуковой диагностики и прогрессу в технике забора плодного материала, появилась реальная возможность прижизненного кариотипирования плода [391, 427, 694]. Масштабные цитогенетические исследования плодов в Санкт- Петербурге были начаты в 1987 году, когда в Институте акушерства и гинекологии им. Д. О. Отта РАМН была организована Лаборатория пренатальной диагностики наследственных и врожденных болезней [15, 17]. К настоящему времени в этой лаборатории комплексное цитогенетическое исследование проведено на более 8000 плодах разных стадий развития.
Становление и развитие пренатальной диагностики совпало с появлением и бурным развитием методов экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), позволяющих путем трансплантации в матку оплодотворенных in vitro яйцеклеток, решать проблему бесплодия, связанного с непроходимостью маточных труб и с другими причинами [873]. Появление новых молекулярно-цитогенетических методов (например, метод FISH), а также точных методов ДНК-диагностики сделали возможным пренатальную диагностику генных и хромосомных болезней уже на ранних доимплантационных стадиях развития и даже на уровне гамет (ооцитов).
Таким образом, уже к концу ХХ-го века практически все стадии раннего развития человека, включая гаметогенез, а также до- и постимплантационный эмбриогенез, стали доступными для лабораторных исследований непосредственно на материале зародыша.
Важно отметить, что возможность прижизненного исследования плода человека на всех стадиях развития практически совпала во времени с триумфальными достижениями Международной Программы «Геном человека» [316]. Полная расшифровка первичной структуры всего генома в апреле 2003 года установление точной нуклеотидной последовательности всех 23 пар хромосом; разработка технологии одновременной регистрации экспрессионных профилей многих тысяч генов [865]; возможность визуализации работ отдельных генов и генных кластеров в интерфазном ядре [562], развитие представлений биоинформатики о «генных сетях», обеспечивающих координированную работу генных ансамблей в процессах морфогенеза [41] — все эти фундаментальные достижения составляют основу нового направления — функциональной геномики [79]. Они открывают принципиально новые, недостижимые ранее, возможности и для цитогенетики развития человека. В первую очередь, это касается проблемы структурно-функциональной организации хромосом.
Таким образом, достижения фундаментальных наук в изучении генома человека и успехи клинической медицины в области пренатальной диагностики предопределили возросший интерес к цитогенетике развития человека, сделали весьма актуальным изучение особенностей гаметогенеза и ранних стадий эмбриогенеза человека при помощи традиционных и современных нетрадиционных методов хромосомного анализа.
Некоторые данные об особенности структурно-функциональной организации хромосом на разных стадиях эмбриогенеза человека приведены в главе 10.
В заключительной главе книги (глава 11) суммированы взгляды авторов на перспективы дальнейших исследований в области пренатальной диагностики и в плане изучения функции генома и его отдельных элементов (хромосом) на разных стадиях гаметогенеза и эмбриогенеза человека.
Кроме того, нам казалось целесообразным дополнить теоретические данные и практические результаты собственных исследований методами приготовления хромосомных препаратов из тканей зародышей человека на разных стадиях развития.
Данная книга является первой монографией, посвященной проблемам цитогенетики эмбрионального развития человека. Авторы вполне отдают себе отчет в том, что это, безусловно, в высшей степени прогрессивное направление функциональной геномики делает только первые шаги, и многие актуальные вопросы структурно-функциональной организации хромосом пока остаются без ответа. Естественно, это не относится к проблемам пренатальной диагностики, где практически все проблемы уже решены. В этом плане практические аспекты цитогенетики развития значительно опережают теоретические фундаментальные аспекты индивидуального развития. Однако нет сомнения в том, что дальнейшие углубленные исследования в этом направлении позволят получить принципиально новую информацию о структурно-функциональных особенностях генома человека. Такая информация будет иметь большое теоретическое, и несомненное практическое значение не только для ранней диагностики, но и для лечения наследственных болезней.
Авторы сочтут свою задачу выполненной, если эта книга послужит руководством не только для врачей-цитогенетиков, занимающихся вопросами пренатальной диагностики, но и привлечет к себе внимание специалистов по цитогенетике и генетике человека, интересующихся проблемами онтогенеза, а также студентов мединститутов и биофаков, понимающих необходимость и перспективность внедрения достижений генетики в современную медицину и биологию.
Считаем приятным долгом выразить глубокую признательность всем сотрудникам Лаборатории пренатальной диагностики наследственных и врожденных заболеваний ГУ НИИАГ им. Д. О. Отта РАМН за неизменную помощь в работе над монографией. Мы особенно благодарны сотрудникам цитогенетической группы этой лаборатории.
Таким образом, цитогенетические исследования играют важную роль в диагностике многих патологических состояний на разных стадиях онтогенеза человека. Их значение особенно велико, если исследования кариотипа проводятся еще до рождения, то есть в течение антенатального периода развития человека. Именно тогда хромосомные болезни можно не только диагностировать, но и предупредить путем элиминации плодов с нарушениями кариотипа. Профилактика рождения детей с хромосомными болезнями составляет главную задачу такого сравнительно нового научно-практического направления как пренатальная диагностика. На каких стадиях онтогенеза происходят поломки наследственного аппарата зародыша? Как они реализуются в фенотипе? Как они могут быть выявлены еще до рождения? Что такое хромосомный мозаицизм, ограниченный плацентой и представляет ли он угрозу для плода? Ответы на эти и другие практической вопросы пренатальной диагностики можно найти в первых 5 главах монографии.
Вместе с тем, исследования по цитогенетике эмбрионального развития человека отнюдь не исчерпываются решением практических задач пренатальной диагностики. По твердому убеждению авторов, уже
существующие сегодня возможности прижизненного исследования плодного материала на всех стадиях эмбрионального развития открывает реальные перспективы исследования функции генома в течение всего внутриутробного периода развития человека. Это позволяет непосредственно на человеке начать исследования центральной проблемы современной биологии — проблемы реализации генетической информации в индивидуальном развитии. Важная роль в таких исследованиях, безусловно, принадлежит цитогенетике развития, изучающей функции отдельных хромосом и их фрагментов в условиях хромосомного дисбаланса. Впервые на млекопитающих такой подход был использован в модельных экспериментах на мышах с хромосомными транслокациями [11, 56, 380].
К сожалению, применение цитогенетических методов в исследовании эмбриогенеза человека до появления пренатальной диагностики было значительно менее продуктивным. Выполненные на абортном материале с применением методов клеточных культур, они были весьма продуктивными только при исследовании цитологических феноменов хромосомного дисбаланса (гипотеза «клеточного синдрома») [47, 93, 96]. Они, однако, оказались малопригодными для суждения о хромосомном контроле гаметогенеза и эмбриогенеза человека. И это понятно. Исследования кариотипов абортусов, представлявших собой мацерированные ткани или остатки абортивного плодного яйца, не позволяли объективно судить о том, как дисбаланс той или иной хромосомы или ее фрагментов мог влиять на процессы развития.
Ситуация коренным образом изменилась только в 80-х годах ХХ века, когда благодаря успехам ультразвуковой диагностики и прогрессу в технике забора плодного материала, появилась реальная возможность прижизненного кариотипирования плода [391, 427, 694]. Масштабные цитогенетические исследования плодов в Санкт- Петербурге были начаты в 1987 году, когда в Институте акушерства и гинекологии им. Д. О. Отта РАМН была организована Лаборатория пренатальной диагностики наследственных и врожденных болезней [15, 17]. К настоящему времени в этой лаборатории комплексное цитогенетическое исследование проведено на более 8000 плодах разных стадий развития.
Становление и развитие пренатальной диагностики совпало с появлением и бурным развитием методов экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), позволяющих путем трансплантации в матку оплодотворенных in vitro яйцеклеток, решать проблему бесплодия, связанного с непроходимостью маточных труб и с другими причинами [873]. Появление новых молекулярно-цитогенетических методов (например, метод FISH), а также точных методов ДНК-диагностики сделали возможным пренатальную диагностику генных и хромосомных болезней уже на ранних доимплантационных стадиях развития и даже на уровне гамет (ооцитов).
Таким образом, уже к концу ХХ-го века практически все стадии раннего развития человека, включая гаметогенез, а также до- и постимплантационный эмбриогенез, стали доступными для лабораторных исследований непосредственно на материале зародыша.
Важно отметить, что возможность прижизненного исследования плода человека на всех стадиях развития практически совпала во времени с триумфальными достижениями Международной Программы «Геном человека» [316]. Полная расшифровка первичной структуры всего генома в апреле 2003 года установление точной нуклеотидной последовательности всех 23 пар хромосом; разработка технологии одновременной регистрации экспрессионных профилей многих тысяч генов [865]; возможность визуализации работ отдельных генов и генных кластеров в интерфазном ядре [562], развитие представлений биоинформатики о «генных сетях», обеспечивающих координированную работу генных ансамблей в процессах морфогенеза [41] — все эти фундаментальные достижения составляют основу нового направления — функциональной геномики [79]. Они открывают принципиально новые, недостижимые ранее, возможности и для цитогенетики развития человека. В первую очередь, это касается проблемы структурно-функциональной организации хромосом.
Таким образом, достижения фундаментальных наук в изучении генома человека и успехи клинической медицины в области пренатальной диагностики предопределили возросший интерес к цитогенетике развития человека, сделали весьма актуальным изучение особенностей гаметогенеза и ранних стадий эмбриогенеза человека при помощи традиционных и современных нетрадиционных методов хромосомного анализа.
Некоторые данные об особенности структурно-функциональной организации хромосом на разных стадиях эмбриогенеза человека приведены в главе 10.
В заключительной главе книги (глава 11) суммированы взгляды авторов на перспективы дальнейших исследований в области пренатальной диагностики и в плане изучения функции генома и его отдельных элементов (хромосом) на разных стадиях гаметогенеза и эмбриогенеза человека.
Кроме того, нам казалось целесообразным дополнить теоретические данные и практические результаты собственных исследований методами приготовления хромосомных препаратов из тканей зародышей человека на разных стадиях развития.
Данная книга является первой монографией, посвященной проблемам цитогенетики эмбрионального развития человека. Авторы вполне отдают себе отчет в том, что это, безусловно, в высшей степени прогрессивное направление функциональной геномики делает только первые шаги, и многие актуальные вопросы структурно-функциональной организации хромосом пока остаются без ответа. Естественно, это не относится к проблемам пренатальной диагностики, где практически все проблемы уже решены. В этом плане практические аспекты цитогенетики развития значительно опережают теоретические фундаментальные аспекты индивидуального развития. Однако нет сомнения в том, что дальнейшие углубленные исследования в этом направлении позволят получить принципиально новую информацию о структурно-функциональных особенностях генома человека. Такая информация будет иметь большое теоретическое, и несомненное практическое значение не только для ранней диагностики, но и для лечения наследственных болезней.
Авторы сочтут свою задачу выполненной, если эта книга послужит руководством не только для врачей-цитогенетиков, занимающихся вопросами пренатальной диагностики, но и привлечет к себе внимание специалистов по цитогенетике и генетике человека, интересующихся проблемами онтогенеза, а также студентов мединститутов и биофаков, понимающих необходимость и перспективность внедрения достижений генетики в современную медицину и биологию.
Считаем приятным долгом выразить глубокую признательность всем сотрудникам Лаборатории пренатальной диагностики наследственных и врожденных заболеваний ГУ НИИАГ им. Д. О. Отта РАМН за неизменную помощь в работе над монографией. Мы особенно благодарны сотрудникам цитогенетической группы этой лаборатории.