Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

7. АУТИСТИЧЕСКИЕ РАССТРОЙСТВА И ХРОМОСОМНЫЙ МОЗАИЦИЗМ

Межклеточные различия хромосомного набора у одного и того же индивидуума определяют как хромосомный мозаицизм (то есть межклеточные либо соматические вариации генома, или мозаичная анеуплоидия). Долгое время считалось, что этот феномен мало влияет на межклеточное разнообразие и болезни человека. Однако некоторые последние сообщения заставляют изменить точку зрения на это явление, поскольку обнаружено, что хромосомный мозаицизм значительно чаще встречается у лиц с различными заболеваниями (нервные и психические заболевания, аутоиммунные состояния) (Xu et аl., 2004; Iоurоv
et аl., 2006 а, б; 2008 б, г). Также установлена значимая роль хромосомного мозаицизма в генетическом разнообразии, при различных патологических состояниях (Sсhinzel, 2001; Yurоv et аl., 2001, 2005; 2007; Iоurоv et аl.,
2008 б, в, г), на ранних этапах развития центральной нервной системы и старении. Например, при синдроме Дауна установлено, что именно хромосомный мозаицизм лежит в основе формирования зародышевой анеуплоидии в женских половых клетках. Поскольку мейотическая анеуплоидия считается главной генетической причиной гибели плода и постнатальной патологии, данные исследований заставляют считать хромосомный мозаицизм не случайной находкой во время проведения цитогенетической диагностики, а более значимым биологическим феноменом, чем считалось ранее, причина которого остаётся неизвестной. Первоначально хромосомный мозаицизм определяли как присутствие в одном и том же организме доли клеток, отличающихся от остальных своим хромосомным набором. Хотя он снова и снова регистрируется при цитогенетических анализах, его значимость обычно недооценивается. Тем не менее, в последние 10 лет всё большее число исследований показало, что этот феномен действительно влияет на развитие болезни, раннее пренатальное развитие головного мозга и старение. Как установлено, мозаицизм играет определённую роль в возникновении мейотической анеуплоидии, которая является главной причиной
пренатальной гибели, врождённых пороков и умственной отсталости. Группа ученых (Hulten et аl., 2008) при изучении хромосомы 21 в клетках яичника нормальных плодов женского пола получила экспериментальное подтверждение их оригинальной гипотезы о том, что мейотическая анеуплоидия клеток плода является результатом мозаицизма зародышевых клеток яичника, возникающего в процессе нормального пренатального развития. Эти данные прекрасно согласуются с современными концепциями анеуплоидии, включая результаты исследования трисомии хромосомы 21 (синдром Дауна) (Юров и др., 2015б). Особенно важна возможность с помощью результатов этих исследований объяснить эффект материнского возраста, рекуррентность анеуплоидии в последующих зачатиях и аномальный паттерн материнской рекомбинации, ранее обнаруженный анализом сцепления. Гипотезу о том, что митотическая анеуплоидия лежит в основе мейотической анеуплоидии можно считать довольно революционной, но она имеет под собой довольно веские экспериментальные основания. Одно из них то, что хромосомный мозаицизм проявляется с довольно высокой частотой в эмбриональных тканях, достигая 25 % в спонтанных абортусах (Ворсанова и др., 2010; Vorsanova et al., 2003; 2005; 2010 в). Ограниченность мозаицизма только одной специфической тканью – известный феномен. Ещё в 1983 г. Калоушек и Дилл описали хромосомный мозаицизм, ограниченный только плацентой (ограниченный плацентарный мозаицизм) (Kаlоusek, Dill, 1983). Не так давно было обнаружено, что соматический хромосомный мозаицизм характерен для развивающегося головного мозга человека в большом числе нормальных эмбрионов. Более того, было установлено, что увеличение мозаичной анеуплоидии в развивающемся мозге человека – интегральный компонент развития центральной нервной системы (Юров и др., 2004; 2010; 2014; Юров и др., 2007; 2010 б, в; 2014 в; Тиганов и др., 2012; Yurov et al., 2001; Iourov et al., 2006 a, б; 2008 a, б, в, г). Следовательно, можно сделать следующие выводы:

1) хромосомный мозаицизм часто встречается в клетках плода человека;

2) мозаицизм может быть ограничен экстраэмбриональными тканями (плацента) или эмбриональными тканями (центральная нервная система и ткани яичника).

Вполне резонно предположить, что последнее – один из основных источников тканеспецифичной патологии, либо полисистемных заболеваний (включая те, что возникают из-за сбоев в мейозе), что было показано (Hulten et аl., 2008). Для понимания того, есть ли у хромосомного мозаицизма возможность способствовать межклеточному разнообразию, следует обратиться к исследованиям, проводимым для оценки реального состояния численной хромосомной вариабельности в здоровых тканях человека (Kаlоusek, Dill, 1983). Следует отметить, что почти во всех тканях при тщательном молекулярно-цитогенетическом анализе удаётся обнаружить анеуплоидные клетки. Таким образом, можно преодолеть основные трудности в исследованиях, нацеленных на оценку воздействия хромосомного мозаицизма, определив пороговый непатогенный уровень анеуплоидии в данной ткани (Yurov et al., 2007). Таким образом, ассоциация между хромосомным мозаицизмом и изменениями физиологии клеток и тканей требует тщательного контроля путём проверки клеток различных тканей здоровых индивидуумов.

При фокусировании на заболеваниях, ассоциированных с хромосомным мозаицизмом, можно отметить весьма широкий спектр патологии, связанной с этим типом соматических вариаций генома, от хромосомных синдромов до сложных нейропсихических и иммунных заболеваний. Хультен с коллегами добавили анеуплоидию мейотического происхождения в «список заболеваний хромосомного мозаицизма» (Hulten et аl.,
2008). Более того, вполне резонно предположить, что самой обычной генетической причиной пренатальной смерти может быть хромосомный мозаицизм. Можно прийти к заключению, что ограниченный определённой тканью мозаицизм – причина дисфункции этой ткани, как это было продемонстрировано на примере заболеваний головного мозга, на мозге плодов и тканях яичника (Юров и др., 2004; Yurov et al., 2001; Iourov et al., 2006 a, б). Следовательно, при поиске роли хромосомного мозаицизма в патологии нужно напрямую изучать ткани, подвергшиеся патологическим изменениям. К сожалению, из-за ограниченной доступности большинства тканей человека для обширных генетических исследований и сложности молекулярно-цитогенетических анализов, исследования анеуплоидии низкого уровня редки. В настоящее время только нервная ткань и ткани яичника были обследованы с помощью молекулярно-цитогенетических технологий высокого уровня разрешения. Тем не менее, ткани (типы клеток), обычно используемые для цитогенетических исследований (лимфоциты крови, фибробласты кожи, ворсины хориона), также могут быть пригодны для подтверждения гипотезы о том, что хромосомный мозаицизм – возможный генетический механизм, лежащий в основе различных заболеваний человека. Более того, смежные исследования пролили свет на проблему природы некоторых моногенных заболеваний, которые отмечены у лиц мужского пола, несмотря на их летальность (синдром Ретта и др.) (Ворсанова и др., 1998; 2013 а, б, в; 2014 а, б; 2015; Юров и др., 2004; Vorsanova et al., 1996; 2004; 2010 а, б; Iourov et al., 2013 а, в; 2015 а, б, в). Достижения в изучении хромосомного
мозаицизма велики, но всё-таки это недостаточно изученный феномен. Всё же, несмотря на многие задачи, которые ещё предстоит решить в этой области исследований, уже можно сделать определённые выводы: будучи патологическим состоянием, анеуплоидия вызывает пренатальную смерть и/или хромосомные синдромы, ассоциированные с тяжёлой задержкой развития, плохо совместимой с жизнью. При развитии центральной нервной системы анеуплоидия должна быть элиминирована, или же возникает патологическое состояние (Iоurоv et аl., 2008 а, в). Следовательно, в организме человека, действительно, идёт процесс «антианеуплоидизации», необходимый для того, чтобы зародыш развился, а затем нормально существовал в постнатальном периоде. Но, вероятно, антианеуплоидизация замедляется с возрастом, что, возможно, ассоциировано со старением и малигнизацией. Эти предположения поддерживаются результатами последних исследований старения и канцерогенеза (Duesberg, 2007; Russel et аl., 2007; Yurov et al., 2009; Yurov, Iourov, 2010). Таким образом, развитие анеуплоидизации есть своего рода каскад обширных процессов, ведущих к патологическому состоянию, которым противостоит противоположный процесс, названный «антианеуплоидизацией». И наоборот, баланс между анеуплоидизацией и антианеуплоидизацией помогает организму нормально развиваться до тех пор, пока не замедляется антианеуплоидизация. Предполагается, что анеуплоидизация ткани – ключевой процесс возникновения дисфункции. Будучи ограниченной пределами какой-либо специфической клеточной популяции, она может вызывать образование опухолей, тогда как, если вся ткань подвержена анеуплоидии, то эта ткань должна подвергнуться дегенерации. Это частично подтверждается данными исследований заболеваний головного мозга (Mоsсh et аl., 2007). Говоря о мозаицизме как причине патологических состояний, в том числе психических заболеваний, нужно упомянуть и о мозаичных структурных перестройках хромосом (Hаlder et аl., 2008; Mаnоlаkоs et аl., 2008), среди которых нередки малые сверхчисленные маркерные хромосомы, встречающиеся, вероятно, гораздо чаще, чем считалось ранее. Говоря о таких маркерных хромосомах, дополнительно нужно отметить, что мозаицизм может быть «скрытым» и «динамическим» (Fiсkelsсher et аl., 2007; Sаntоs et аl., 2007; Iоurоv et аl.,
2008 б, в, г). Термин «скрытый» мозаицизм существует ни одно десятилетие, с тех пор как начались молекулярно-цитогенетические диагностические исследования. «Скрытым» мозаицизм называют так потому, что в подобных случаях только дополнительные молекулярно-цитогенетические исследования могут подтвердить его после обычного цитогенетического анализа (Ворсанова, 1991; Ворсанова и др., 1989; 1991). «Динамическим» мозаицизмом называют случаи возникновения нового генетического дисбаланса в уже аномальной клетке либо мозаицизм возникает благодаря «особенностям поведения» перестроенной хромосомы. В настоящее время для изучения этих двух типов хромосомного мозаицизма требуются молекулярно-цитогенетические технологии высокого разрешения, такие как subсenM-FISH или многоцветовое окрашивание (МСВ) (Fiсkelsсher et аl., 2007; Sаntоs et аl., 2007; Iоurоv et аl., 2008 а, б, в, г). Вообще изучение хромосомного мозаицизма на нынешнем уровне развития науки без этих технологий представляется практически невозможным. В свете вышесказанного важно упомянуть исследования с применением аrrаy СGH. Такие молекулярно-цитогенетические технологии обладают огромными возможностями для определения точек разрыва в хромосомах, идентификации новых микроделеционных синдромов и обнаружения вариаций генома в норме и патологии (Jаquemоnt et аl., 2006; Iоurоv et аl., 2008 а, б, г). Таким образом,

1) межклеточные вариации, проявляющиеся в виде хромосомного мозаицизма, вероятно, участвуют в формировании генетического разнообразия;

2) многие патологические состояния ассоциированы с хромосомным мозаицизмом;

3) хромосомный мозаицизм – всё ещё недостаточно принимаемый во внимание биомедицинский феномен, требующий дальнейших исследований;

4) современная молекулярная цитогенетика обладает достаточными технологиями для определения роли хромосомного мозаицизма в развитии различных нарушений психического развития.

Самые ранние цитогенетические исследования, проводившиеся среди новорождённых, показали, что анеуплоидия бывает только по 3 из 22 аутосом, причём наблюдалась только трисомия, а моносомии не было вообще. Хотя методология цитогенетических исследований с тех пор значительно прогрессировала, результаты первых работ оставались относительно неизменными. Наиболее частой трисомией у новорождённых является трисомия хромосомы 21, которая встречается у 1 из 650–830 живорождённых. Другие трисомии новорождённых включают в себя трисомию хромосомы 18, или синдром Эдвардса (около 1:7500 живорождённых), трисомию хромосомы 13, или синдром Патау (1:22700), а также очень редкие случаи трисомии 22 и трисомии 8, все мозаичные. Вскоре после открытия этих хромосомных анеуплоидных заболеваний цитогенетики обнаружили, что встречаемость анеуплоидии аутосом у человека не ограничивается хромосомами 13, 18 и 21, а может быть и по всем остальным аутосомам с клиническими последствиями, несовместимыми с жизнью. Для проверки этой гипотезы были инициированы исследования по определению наличия анеуплоидии аутосом в тканях спонтанных абортусов (Ворсанова и др., 2010; Vorsanova et al., 2003; 2005; 2010 в, г). Хромосомные анализы таких тканей (в I триместре) показали наличие трисомий с участием почти всех аутосом. Интересно, что трисомия хромосомы 16 встречалась почти в трети абортусов с трисомией
аутосом в I-м триместре беременности. Также часто наблюдались в клетках этих тканей трисомии хромосом 2, 7, 8, 18 и всех акроцентрических хромосом. Авторы объясняли отличия между частотами трисомий действительными различиями в предрасположенности хромосом к аномальной сегрегации или селекции, отражающей собой выживаемость при дисбалансе разных хромосом; либо же обоими этими факторами. Для того чтобы дифференцировать эти два возможных объяснения, данные об анеуплоидиях стали анализировать по гаметам.

В наиболее ранних исследованиях анеуплоидии гамет изучали метафазные хромосомы ооцитов или сперматозоидов. Исследователи применяли в этих экспериментах методы высокого разрешения (первично FISH, но потом ещё и СGH). Результаты этих исследований показали, что у человека наблюдается относительно высокий уровень анеуплоидии гамет по сравнению с другими видами. Более того, частота анеуплоидии в сперматозоидах, как было показано, проявляется разными хромосомами, что заставляет предположить, что хотя бы некоторая часть вариаций (анеуплоидий) отражает действительные различия аномальной сегрегации аутосом, а не ограничена только селективным отбором. Половые различия также были отмечены по частоте анеуплоидии аутосом; в ооцитах анеуплоидия встречалась чаще, чем в сперматозоидах. Однако технические проблемы ухудшили возможности исследователей установить уровень аутосомной анеуплоидии различных хромосом в ооцитах. Одним из факторов, который, как полагают, повлиял на повышенную частоту анеуплоидии в ооцитах по сравнению со сперматозоидами, стали способы оценки. Большинство ооцитов, доступных для исследований, были те, что считались непригодными для процедуры искусственного оплодотворения (например, IVF (in vitrо оплодотворение), что вело к отклонению результатов, связанных с материнским возрастом либо с морфологическими аномалиями. Однако стоит отметить, что исследования неродственных человеку млекопитающих, не ограниченные этими отклонениями оценки, также показали заметное увеличение частоты анеуплоидии в ооцитах по сравнению со сперматоцитами. Этиологические факторы, которые сформулированы как влияющие на повышение уровня анеуплоидии в оогенезе включают в себя:

1) нарушение мейотического деления в профазе I, когда деление начинается пренатально, но не завершается до овуляции, что происходит десятилетия спустя;

2) различия в происхождении ошибок в мейозе у мужчин по сравнению с женщинами;

3) различия в частоте и локализации мейотических рекомбинаций на хромосомах;

4) эпигенетические различия в реакции на воздействия окружающей среды и стрессорные факторы.