
Нерасхождение хромосом в мейозе
Анеуплоидия — (трисомия и моносомия) — возникает в результате нарушения сегрегации хромосом в митозе или в мейозе.
Классификация механизмов нерасхождения хромосом достаточно условна, так как все процессы, обеспечивающие клеточное деление взаимосвязаны и взаимозависимы.
В широком смысле, термин «нерасхождение» относится к любым нарушениям разделения хроматид или гомологичных хромосом в анафазе митоза или мейоза. Как правило, аномальное расхождение затра
гивает одну пару хромосом. Нерасхождение нескольких пар хромосом, соответственно, приводит к множественным анеуплоидиям.
- основные механизмы возникновения анеуплоидии
Ниже рассмотрены основные механизмы возникновения анеуплоидии на примере аномальной сегрегации хромосом в мейозе (рис. 3.2).
- собственно нерасхождение хромосом
Собственно нерасхождение хромосом приводит к образованию дочерних анеуплоидных клеток — гипер- и гипоплоидных — вследствие сегрегации обеих гомологичных хромосом (хроматид) к одному полюсу в анафазе клеточного деления (истинное нерасхождение).
- Предделение
Предделение — преждевременное разделение центромер. Предделение мейотических хромосом (бивалентов), как правило, сопровождается образованием унивалентов. Сегрегация унивалентов к разным полюсам регистрируется как нормальная сегрегация, к одному полюсу — как нерасхождение. В качестве одного из механизмов аномальной сегрегации хромосом в оогенезе рассматривается преждевременное разделение сестринских хроматид в первом делении мейоза [424]. Хромосомный набор во втором полярном тельце и ооците в этом случае будет определяться случайной комбинацией одиночных сестринских хроматид.
Преждевременное разделение хроматид и разрыхление центромерных районов хромосом при митотических делениях, сопровождающееся повышенной частотой образования анеуплоидных соматических клеток и микроядер, является цитогенетической характеристикой синдрома Робертса (OMIM 268300). Разъединение сестринских хроматид в центромерном районе одной из Х-хромосом — относительно частое явление, наблюдаемое в отдельных 47,ХХХ лимфоцитах периферической крови у женщин с привычным невынашиванием [300].
- Запаздывание хромосом
Запаздывание хромосом (anaphase lagging) — это полное отсутствие или замедленное относительно остальных хромосом движение хромосомы (или хроматиды) в анафазе, обусловленное, как прави-
ло, нарушением ее ориентации. По-видимому, ведущую роль в этом механизме играют нарушения микротрубочек веретена деления [396], формирования и функций кинетохора — части центромеры, ответственной за прикрепление микротрубочек митотического веретена [763, 793]. Обычно запаздывающие хромосомы элиминируются или образуют микроядра, что сопровождается моносомией при митотических делениях [396] или приводит к гипогаплоидии при мейотических делениях [535].
- Первичное и вторичное нерасхождение хромосом
Нерасхождение хромосом принято подразделять на первичное и вторичное [134].
Под первичным нерасхождением понимают аномальную сегрегацию хромосом в случае вступления в мейоз нормальной диплоидной клетки. Первичное нерасхождение в свою очередь подразделяют на три типа.
- Простое нерасхождение, результатом которого являются гаметы с нуллисомией или дисомией.
- Двойное нерасхождение, к которому относят сочетание (комплементацию) двух простых нерасхождений, одно из которых произошло в оогенезе, другое — в сперматогенезе.
- Последовательное нерасхождение, приводящее к возникновению полисомий, является результатом двух событий нерасхождения одной и той же пары хромосом — сначала в первом, а затем и во втором делениях мейоза.
Нерасхождение хромосом в гаметогенезе у трисомного субъекта называется вторичным нерасхождением.
На многих модельных объектах твердо доказано, что существенную роль в нарушении сегрегации хромосом играет мейотическая рекомбинация, а также хорошо изучены гены, мутации в которых способствуют аномальной сегрегации хромосом. Механизмы возникновения анеуплоидии у человека, в отличие от модельных объектов, менее изучены, а «мейотические» мутации, влияющие на расхождение хромосом у человека, до сих пор не идентифицированы. Тем не менее, накопленные к настоящему времени факты свидетельствуют о сходстве механизмов аномальной сегрегации хромосом в мейозе у различных видов эукариот.
- роль рекомбинации в нерасхождении хромосом
Для исследования связи между рекомбинацией и сегрегацией хромосом у человека используют сравнение частот и локализации обменов и генетических карт сцепления в нормальном мейозе и при нерасхождении хромосом. Именно такой подход позволил доказать, что число и локализация хиазм (обменов) у дрозофилы находятся под генетическим контролем, который запрещает рекомбинацию в прицентромер- ных или теломерных участках, поскольку проксимальное и дистальное расположение хиазм препятствует нормальной сегрегации хромосом.
Наиболее детально изучена взаимосвязь между частотой и локализацией хиазм и нерасхождением хромосом 21 как у матерей, так и у отцов детей с синдромом Дауна [548]. Напомним, что нерасхождение хромосом 21 в сперматогенезе объясняет только 5-10 % случаев синдрома Дауна, а соотношение ошибок сегрегации в первом и втором делениях мейоза близко к 1:1 [210].
азалось, что при нерасхождении отцовских хромосом в первом делении мейоза частота хиазм снижается, а во втором делении — соответствует нормальной [401]. В ооге- незе, при трехкратном преобладании ошибок в первом делении мей- оза [210], примерно половина случаев нерасхождения хромосом 21 в первом делении обусловлена полным отсутствием хиазм в биваленте, тогда как в остальных случаях оно сопряжено с наличием обменов в субтеломерных районах. При нерасхождении во втором делении обмены преимущественно регистрируются в прицентромерных участках хромосом 21 [292].
Аналогичные данные о локализации обменов были получены также при анализе 6 других типов нерасхождения (случаи 47,XXY отцовского происхождения, случаи трисомии половых хромосом, а также аутосом 16, 18 и 21 и однородительской дисомии 15 материнского происхождения) [548]. Сходные механизмы нарушения сегрегации хромосом в мейозе, обусловленные их рекомбинацией, предполагаются и для других аутосом [460], в том числе и для акроцентрических хромосом групп D и G [514].
Следовательно, нерасхождение хромосом в первом делении мейо- за характеризуется подавлением рекомбинации и преимущественной локализацией хиазм в дистальных участках. При нерасхождении во втором делении мейоза большая часть рекомбинаций регистрируется в проксимальных районах [401, 548, 675, 823].
еличение числа теломерных хиазм с большей вероятностью приведет к нерасхождению в первом делении, а прицентромерных — во втором делении мейоза [549].
Установлено, что ахиазматические биваленты подвержены аномальной сегрегации хромосом в первом делении мейоза, а проксимальные и дистальные обмены малоэффективны в обеспечении правильного расхождения хромосом. Полагают, что биваленты утрачиваются, если их удержание происходит только за счет дистальной хроматид- ной конъюгации [692]. Относительно влияния проксимальных хиазм на поведение бивалентов предложено две модели [292, 458]. Первая предполагает, что гомологичные хромосомы не разделяются в анафазе I, что ведет к утрате бивалента или его сегрегации к одному полюсу. Согласно другой модели, реализация проксимальных хиазм приводит к преждевременному расхождению хроматид и их независимой сегрегации к полюсам в анафазе первого или второго деления мейоза.
В любом случае, нерасхождение хромосом в мейозе не только зависит от рекомбинационных событий, происходящих в профазе I, но и определяется ими [823]. Результаты этих исследований легли в основу «двухударной» гипотезы возникновения трисомии, согласно которой первым «уязвимым» событием является формирование бивалентов и образование хиазм в профазе I и вторым — процесс их разделения в первом или втором делении мейоза [458].
- Генетический контроль мейоза
В настоящее время известен целый ряд генов, экспрессия которых осуществляется только в мейозе [895].
тации в этих генах препятствуют созреванию гамет, блокируя клетки на тех или иных стадиях профазы I мейоза [225, 796]. Для некоторых из этих генов, идентифицированных у дрозофилы и дрожжей, установлено существование ортологов, то есть аналогов у других видов, что позволяет высказать предположение об их функциональной гомологии с генами, контролирующими оогенез и сперматогенез у млекопитающих [396]. Следует отметить, что многие из них относятся к семейству циклинов, осуществляющих контроль клеточного цикла в митозе и мейозе [895]. Вместе с тем, низкая частота анеуплоидии в сперматозоидах по сравнению с таковой в ооцитах указывает на различия в механизмах контроля клеточного цикла и процессов презиготической селекции гамет в оогенезе и сперматогенезе [489, 499].
Так, критическими для нормальной сегрегации хромосом в анафазе являются завершение репликации, расположение хромосом на экваторе и прикрепление кинетохор к микротрубочкам веретена. Для большинства митотически делящихся клеток, а также для мейотиче- ских делений сперматоцитов незавершенность одного из этих событий приводит к блоку клеточного цикла на соответствующей стадии и зачастую к массовой гибели всего клона анеуплоидных клеток [395].
Нарушение процессов коньюгации и рекомбинации в сперматогенезе приводит к образованию унивалентов, к остановке мейоза в метафазе первого деления и, в конечном счете, — к гибели клетки. Таким образом, в сперматогенезе функционируют эффективные механизмы селекции аберрантных сперматоцитов, что приводит к элиминации гамет, в том числе и потенциально анеуплоидных [574].
В оогенезе мейоз протекает независимо от наличия унивален- тов или нарушений формирования веретена, что свидетельствует об отсутствии характерной для сперматогенеза селекции гамет с хромосомными аберрациями [226]. В отличие от сперматогенеза блок мейоза на стадии метафазы I является обязательным компонентом оогенеза у большинства животных и у человека (см. главу 1). Утрата в ооге- незе и на первых делениях дробления зиготы механизмов селекции, свойственных делящимся соматическим клеткам и сперматоцитам, по всей видимости, и является причиной высокой частоты анеуплоидии в ооцитах и ранних эмбрионах человека [489, 549] (см главу 5).
Источник: www.med24info.com
Источник: www.chem21.info
гаметы 21,21 0 21
F1 21,21,21 21,0 синдром Дауна летальная мутация
Если хромосомы не расходятся при митозе в процессе дробления или других стадий эмбрионального развития, то образуются мозаики. Схема образования мозаичной формы синдрома Дауна.
21,21 21,21 21.0 21,21,21 нормальный клон клеток моносомия по клетки с 21 хромосоме, трисомией по летальная му- 21 хромосоме тация, клетки погибают. В результате такой мутации образуется мозаик типа 46,ХХ/ 47,ХХ,+21 или 46,ХХ/ 47,ХХ,+21. Чем позже в эмбриональном развитии нарушится митоз, тем меньше образуется аномальных клеток.
2. Вторым механизмом, обусловливающим геномные мутации, является утрата отдельной хромосомы вследствие "анафазного отставания": во время движения в анафазе одна хромосома может отстать от всех других. Она не включается в ядро и разрушается ферментами цитоплазмы. Утрата хромосомы ведет к мозаицизму, при котором имеется одна трисомная и одна нормальная клеточная популяция. Аномальное число хромосом в клетке (анеуплоидия) увеличивает риск последующих нарушений, таких как потеря хромосом вследствие анафазного отставания в последующих клеточных делениях. 3. Рождение больных детей у родителей с хромосомными болезнями (синдромы Клайнфельтера, полисомии Х и др.). У родителей с трисомией образуется равное число нормальных или аномальных гамет. Теоретически вероятность рождения ребенка с геномной мутацией составляет 50%. Однако, это фактически встречается реже (приблизительно в 10%), т.к. анеуплоиды характеризуются сниженной жизнеспособностью и фертильностью.
Причины формирования полиплоидии. 1. Полиплоидия может быть следствием нерасхождения всех хромосом при мейозе у одного из родителей. В результате образуется диплоидная половая клетка (2n). После оплодотворения нормальной гаметой сформируется триплоид (3n). 2. Может наблюдаться соматическая мутация — нерасхождение всех хромосом при делении клеток эмбриона (нарушение митоза). Это приводит к появлению тетраплоида (4 n) полного или мозаичной формы. 3. Возможно также слияние диплоидной зиготы с направительным тельцем или оплодотворение яйцеклетки двумя сперматозоидами.
Источник: studopedia.info Обычно мужчины и женщины имеют хорошо выраженный фенотип, определяемый их набором хромосом — XY или XX. Но иногда рождаются дети с необычным числом половых хромосом, и это происходит в результате ненормального развития гамет. Два подобных синдрома названы по именам первых описавших их врачей. Синдром Клайнфельтера проявляется у мальчиков, которые обычно высокие, с гинекомастией (развитие молочных желез по женскому типу), пониженным умственным развитием и маленькими яичками. В 1959 году Якобе и Стронг установили, что синдром Клайнфельтера связан с наличием лишней Х-хромосомы, то есть с набором хромосом XXY. Другой случай ненормального развития гамет называется синдромом Тернера и проявляется у девочек. У них нет яичников, они невысокие, с недоразвитыми вторичными половыми признаками (маленькая грудь). Хромосомный набор у таких девочек — Х0, то есть одна Х-хромосома (0 обозначает отсутствие хромосомы). Поскольку такие женщины гомозиготны по Х-хромосоме, у них проявляется рецессивный фенотип, например дальтонизм, обычно свойственный мужчинам. Рождение одного ребенка с генотипом XXY приходится приблизительно на каждые 700 рождений, а с генотипом ХО — на каждые 2500. Кроме того, на каждую 1000 рождений приходится один случай XXX; эти девочки внешне нормальные, хотя и с некоторыми недостатками умственного развития. Рис. 5.6. Последствия нерасхождения Х-хромосом в ооците на первом этапе мейоза и оплодотворения сперматозоидами с хромосомами X или Y. Нерасхождение на втором этапе мейоза (не показано) может привести к еще большему увеличению числа Х-хромосом Как же возникают такие случаи? Непосредственная причина пока еще не известна, но ясно, что во время мейоза эти хромосомы не расходятся как следует (рис. 5.6). Такое явление и называется нерасхождением хромосом. Оно происходит в гаметах каждого пола, на первом или втором этапе мейоза или сразу на двух этапах. В результате нерасхождения образуются гаметы с двумя половыми хромосомами (XX, YY, XY) или вовсе без половой хромосомы. В редких случаях встречаются и более двух копий хромосом. (Нерасхождение аутосом приводит к серьезным врожденным порокам, о чем упоминается в гл. 14.) Если сперматозоид XY оплодотворяет яйцеклетку X, то образуется зигота с хромосомами XXY; сперматозоид без половых хромосом и яйцеклетка X дают зиготу ХО. В результате оплодотворения яйцеклетки X сперматозоидом XX получается зигота XXX, а в результате оплодотворения такой яйцеклетки сперматозоидом YY — зигота XYY. Ненормальные случаи распределения половых хромосом заставляют задуматься, почему ХХ-женщи-ны и XY-мужчины получаются нормальными, если у них разное число Х-хромосом? Должен быть какой-то механизм, который компенсирует различие и поддерживает генетическое равновесие. В 1961 году Мэри Лион и Лайан Рассел независимо друг от друга предложили гипотезу, объясняющую компенсацию генов, связанных с Х-хромосомой. Они заметили, что у гетерозиготных женских особей часто бывает разный фенотип; гетерозиготным кошкам, например, свойственна пятнистая окраска, причем черные и желтые пятна находятся в разных местах. Лион и Рассел предположили, что в каждой клетке развивающегося эмбриона одна из Х-хромосом случайным образом «выключается», и во всех клетках, происходящих из этой клетки эмбриона, эта Х-хро-мосома продолжает оставаться в неактивном состоянии. Так, у гетерозиготной кошки в некоторых участках кожи должна быть выключена Х-хромосома с аллелем черного меха, поэтому на этих участках появляется желтый мех; на других участках кожи выключена Х-хромосома с аллелем желтого меха, и на них вырастает черный мех. Хотя такая схема деактивации Х-хромосом наиболее очевидна на примере окраски кошек и мышей, в действительности каждая женская особь млекопитающего сочетает в себе два типа клеток, и любая разница в аллелях Х-хромосом может привести к фенотипическому разнообразию. «Выключенные» Х-хромосомы сворачиваются в плотные комочки, которые называются половыми хроматинами, или тельцами Барра, по имени открывшего их Муррея Барра; их можно увидеть в клетках нормальных женских особей. Одна из Х-хромосом остается активной, а другая сжимается, поэтому у обычной женщины тельце Барра можно обнаружить в каждой клетке, а у женщины с синдромом Тернера их нет. У женщин с лишними хромосомами их бывает два, три или даже четыре. У мужчин телец Барра обычно не бывает, но у людей с синдромом Клайнфельтера бывает одно, два и более телец Барра, в зависимости от количества лишних Х-хромосом. Мужчины XYY: «хромосома преступности» В 1956 году Патрисия Джейкобе и ее ассистенты опубликовали доклад, вызвавший длительные споры и обсуждения среди биологов. Изучая кариотип заключенных мужского отделения для умственно отсталых при тюремном госпитале в Шотландии, исследователи обнаружили, что у семи мужчин из 196 (3,6%) имелась одна лишняя Y-хромосома. Помимо прочих фенотипических признаков у таких мужчин обычно бывает высокий рост — значительно выше нормы. Позже, изучая хромосомный набор 3500 родившихся в госпитале младенцев, ученые обнаружили, что лишняя Y-хромосома встретилась только у пяти из них (0,14%). Таким образом, если люди с генотипом XYY составляют приблизительно 0,14% всей популяции, а заключенные госпиталя с таким генотипом составляют 3,6%, то напрашивается вывод: люди с такой особенностью склонны к насилию и совершению преступлений. На этом основании можно даже предположить, что Y-хромосома содержит ген (или гены) агрессивности, которая увеличивается, если таких генов в два раза больше. Газеты тут же поспешили окрестить Y-хромосому хромосомой преступности. Те же газетчики не замедлили рассказать читателям, что лишняя Y-хромосома имелась у известного чикагского серийного убийцы Ричарда Спека. Но на самом деле это было не так. Тем не менее некоторым убийцам удалось избежать наказания на том основании, что они имели генотип XYY и якобы не отвечали за свои действия. К 1974 году было зарегистрировано по меньшей мере шесть случаев, в которых обвиняемые доказывали, что они невменяемы именно на основании своего генотипа XYY. Это были дела Даниэля Югона в Париже, Лоренса Хэннела в Мельбурне, Эрнста-Дитера Бекка в Западной Германии, Шона Фарли в Нью-Йорке; Рэй-монда Таннера в Лос-Анджелесе и так называемое дело «Миллард против штата» в Мэриленде. Несмотря на недостаток убедительных доказательств, некоторые представители власти и даже генетики высказывали крайне тенденциозные и предвзятые заявления. Например, Кеннеди Мак-Райтер, юрист и генетик, утверждал, будто «вероятностный фактор подтверждает, что преступники с хромосомами XYY — крайне опасные личности»2. Один юридический журнал предположил следующее: Лица с хромосомами XYY представляют постоянную угрозу, поскольку они могут в любой момент оказаться в ситуации, в которой будут не способны контролировать свое поведение. И хотя в обществе может быть много подобных ходячих «пороховых бочек», лица с хромосомами XYY легче остальных поддаются выявлению3. Сообщалось, что «один из ведущих генетиков страны» сказал: Мы не можем быть уверенными в том, что хромосомы XYY делают из человека преступника, но я лично не пригласил бы такого человека на обед4. Даже такой известный ученый, как X. Бентли Гласе, покойный председатель Американской ассоциации по популяризации науки, назвал генотип XYY отклонением от нормы и предложил избавляться от него в популяции посредством современных технологий дородовой диагностики и прерывания беременности5. На самом деле никем и никогда не было выявлено прямой зависимости между генотипом XYY и склонностью к совершению преступлений. Тщательно анализируя данные нескольких исследований, Эрнест Б. Хук6 выяснил, что доля новорожденных с хромосомами XYY в общей популяции составляет 0,1% и при этом в «специализированных учреждениях» (тюрьмах, психиатрических лечебницах для умственно отсталых, алкоголиков или эпилептиков) доля мужчин с генотипом XYY сотавляет 2%. Однако эти лица вовсе не демонстрировали особой склонности к агрессивности или насилию. Их наиболее частый фенотипический признак — высокий рост. У них также бывают тяжелые воспаления сальных желез, иногда отставание в умственном развитии и трудности в общении, отсюда и склонность к импульсивному поведению. Интересно, что мужчины с синдромом Клайнфельтера (генотип XXY) тоже отличаются высоким ростом и тоже часто оказываются в «специализированных учреждениях» — приблизительно в пять раз чаще обычных людей. Отсюда был сделан разумный вывод: дело тут в том, что высокие подростки и юноши с необычными внешними признаками испытывают трудности в общении и, как правило, вызывают настороженное отношение окружающих, а если и представители власти воспринимают их как потенциально опасных, то общество буквально толкает их на путь, приводящий в тюрьму или психиатрическую лечебницу. История с хромосомами XXY должна послужить предостережением. Обычно ученые — это консерваторы, с трудом принимающие новые теории, но в данном случае одержимость новой идеей, не подтвержденной солидными доказательствами, привела к опасному убеждению, будто существует связь между криминальным поведением и генотипом XYY. Такого рода идеи могут нанести непоправимый вред науке. Если следовать подобной логике, то можно прийти к выводу, что если мужчин в тюрьмах больше, чем женщин, то в склонности к преступлениям виноват сам по себе генотип XY. Реальное же значение таких синдромов для генетики состоит в том, что они происходят от неразделения хромосом и доказывают связь между хромосомным набором и фенотипом. Если лишние или недостающие хромосомы влияют на выраженность гена, то гены и в самом деле расположены в хромосомах.
Глава шестая ФУНКЦИЯ ГЕНОВ Итак, мы уже рассмотрели, как хромосомы и гены передаются от поколения к поколению, но еще не узнали, за что именно они отвечают и как функционируют. Пора подробнее осветить этот вопрос. Источник: helpiks.org
гаметы 21,21 0 21 F1 21,21,21 21,0 синдром Дауна летальная мутация Если хромосомы не расходятся при митозе в процессе дробления или других стадий эмбрионального развития, то образуются мозаики. Схема образования мозаичной формы синдрома Дауна.
21,21 21,21 21.0 21,21,21 нормальный клон клеток моносомия по клетки с 21 хромосоме, трисомией по летальная му- 21 хромосоме тация, клетки погибают. В результате такой мутации образуется мозаик типа 46,ХХ/ 47,ХХ,+21 или 46,ХХ/ 47,ХХ,+21. Чем позже в эмбриональном развитии нарушится митоз, тем меньше образуется аномальных клеток. 2. Вторым механизмом, предопределяющим геномные мутации, является утрата отдельной хромосомы вследствие "анафазного отставания"˸ во время движения в анафазе одна хромосома может отстать от всех других. Она не включается в ядро и разрушается ферментами цитоплазмы. Утрата хромосомы ведет к мозаицизму, при котором имеется одна трисомная и одна нормальная клеточная популяция. Аномальное число хромосом в клетке (анеуплоидия) увеличивает риск последующих нарушений, таких как потеря хромосом вследствие анафазного отставания в последующих клеточных делениях. 3. Рождение больных детей у родителей с хромосомными болезнями (синдромы Клайнфельтера, полисомии Х и др.). У родителей с трисомией образуется равное число нормальных или аномальных гамет. Теоретически вероятность рождения ребенка с геномной мутацией составляет 50%. Однако, это фактически встречается реже (приблизительно в 10%), т.к. анеуплоиды характеризуются сниженной жизнеспособностью и фертильностью. Причины формирования полиплоидии. 1. Полиплоидия должна быть следствием нерасхождения всех хромосом при мейозе у одного из родителей. В результате образуется диплоидная половая клетка (2n). После оплодотворения нормальной гаметой сформируется триплоид (3n). 2. Может наблюдаться соматическая мутация — нерасхождение всех хромосом при делении клеток эмбриона (нарушение митоза). Это приводит к появлению тетраплоида (4 n) полного или мозаичной формы. 3. Возможно также слияние диплоидной зиготы с направительным тельцем или оплодотворение яйцеклетки двумя сперматозоидами. Источник: referatwork.ru |