Хромосомные аномалии представляют собой изменение наследственного материала, включающего сотни генов, и связаны с изменением числа или строения хромосом. Наличие лишней хромосомы (трисомия) или отсутствие одной из них (моносомия) ведет к избытку или недостатку многих генов, что связано с изменением многих фенотипических признаков организма. Такие хромосомные аномалии (синдромы), как правило, называются по имени ученых, которые их открыли и описали.

В 1960 году английский ученый Ноуэл создал новый метод получения препаратов хромосом из периферической крови. До этого времени все работы по изучению хромосом человека проводились на материале, получаемом в результате операций. В современных экспериментах для кариологических исследований используются кровь, костный мозг, кожа и другие ткани, полученные разными методами. При этом кровь чаще всего берется из вены, пальца, пуповины (при ее обрезе у только что родившихся), а у детей до одного года — в основном из пятки.

 

Мужские и женские хромосомы

Как уже упоминалось, в клетках человека содержится 46 хромосом, собранных в 23 пары (в каждой паре по одной хромосоме от каждого родителя), которые, в свою очередь, условно делятся на блоки А — G. Двадцать две пары называются аутосомными. Они одинаковы по размеру и обязательно присутствуют во всех клетках как мужчины, так и женщины. В двадцать третьей паре хромосомы не одинаковы по размеру. Эти хромосомы определяют пол в поэтому называются половыми. Генотип женщины содержит две хромосомы XX, а мужчины — XY (рис. 8). Одну из них, крупную, называют Х-, а другую, меньшую,— Y-хромосомой.

Формы и размеры хромосом человека различны. Каждая из них имеет перетяжку (центромеру), которая делит хромосому на две части (плеча). В зависимости от расположения центромеры различают три типа хромосом: метацентрические (центромера расположена в центре хромосомы и оба плеча хромосомы одинаковы по длине); субметацентрические (центромера расположена не в центре хромосомы, одно плечо несколько больше другого); акроцентрические (центромера расположена на конце хромосомы, одно плечо длинное, а другое очень короткое).

Рис. 8. Хромосомы женщины (а) и мужчины (б). Справа внизу — общий вид под микроскопом.

Поскольку размеры хромосом человека различны — есть очень большие и очень маленькие, их условно объединяют в шесть групп, в каждую из которых входят хромосомы, подобные по форме и размеру.

До последнего времени было довольно трудно определять (идентифицировать) хромосомы внутри каждой группы. Об этом может свидетельствовать следующий пример. Опытным цитогенетикам предложили для идентификации препараты хромосом от одних и тех же лиц. В препаратах метафазных хромосом от нормальных мужчин в 22 % случаев определение оказалось неверным, а в препаратах от мужчин с различными аномалиями хромосом число правильных определений колебалось от 31 до 70 %

Позднее был предложен флуоресцентный метод окраски хромосом с использованием красителей — атебрина, акрихин-иприта и др. Этот метод особенно успешно применяется для идентификации Y-хромосомы, которая интенсивно светится в метафазных и интерфазных пластинках (неделящихся клетках) и в сперматозоидах. В настоящее время при аномалиях половых хромосом наряду с другими методами идентификации хромосом считается необходимым применение метода флуоресцентной окраски Y-хромосомы.

 

Женщины с хромосомами мужчин

Флуоресцентный метод окраски Y-хромосомы подтвердил наличие мужских 44 + XY-хромосом у женщин с синдромом тестикулярной феминизации. Необходимо отметить, что этот синдром описан в клинической медицине задолго до XX века и диагностировался чаще всего при тщательном обследования или при оперативном хирургическом вмешательстве. В настоящее время, когда стало известно, что внешне нормальные женщины — носительницы синдрома тестикулярной феминизации — имеют XY-, а не ХХ-хромосомы, возможен массовый скрининг (обследование) этого заболевания.

Чаще всего носителей хромосомных аномалий обнаруживают врачи-педиатры среди детей, так как их внешний вид и развитие резко отличаются от нормального уровня. Однако этого нельзя сказать об указанном выше синдроме тестикулярной феминизации. Видимо, причина здесь в том, что в данном случае имеется сбалансированный и нормальный хромосомный набор мужчины. Объясняя причину возникновения этого синдрома, некоторые ученые считают, что в результате мутации одного из генов организм оказался нечувствительным к мужским половым гормонам и на каком-то этапе развития эмбриона началось развитие по женскому тину. Для женщин с тестикулярной феминизацией характерно отсутствие менструаций, поэтому их иногда диагностируют врачи-гинекологи. Для безошибочного диагноза, помимо клинической картины, необходим анализ, устанавливающий кариотип хромосом.

Цитолог, обнаружив у женщины набор хромосом 44 + XY, может предположить синдром тестикулярной феминизации, но ставить диагноз после соответствующего обследования может только врач. Тем не менее установление кариотипа 44 + XY, например, у женщин-спортсменок — достаточный фактор для вывода их из состава соревнований, так как считается, что такая женщина в спорте обладает возможностями мужчины.

Таким образом, женщины иногда могут иметь хромосомы мужчины. Эта аномалия хотя и редко, но встречается. Логично было бы предположить, что должна встречаться и обратная аномалия — мужчины с женским набором хромосом (44 + XX). Такие мужчины действительно были обнаружены и описаны. Встречаются и мозаики по половым хромосомам. У них в одних клетках одного и того же организма встречаются клетки с кариотипом 44 + XX, а в других - 44 + XY.

В научной литературе высказаны две гипотезы, объясняющие развитие мужского фенотипа при кариотипе 46 XX (44 + XX). Согласно первой, происходит транслокация (перемещение) части Y-хромосомы на Х-хромосому; согласно второй, имеет место мозаицизм, то есть в одних клетках данного организма встречается кариотип 44 + XX, а в других — 44 + XY.

По многочисленным данным, частота хромосомных аномалий и, как следствие этого, тяжелых заболеваний среди новорожденных составляет 1,5—2,0 %. Что касается более грубых нарушений хромосом, то они несовместимы о жизнью и являются причиной частых спонтанных абортов, выкидышей и мертворождений. Это имеет место в 25 % случаев. Как видим, частота хромосомных аномалий весьма значительна.

 

Аномалии половых хромосом

К настоящему времени описаны различные аномалии половых хромосом. Это синдром Шерешевского — Тернера (кариотип состоит из 45 хромосом Х0), Клайнфельтера (47 хромосом XXY), трисомии X (47 хромосом XXX), тетрасомии X (48 хромосом ХХХХ) и другие, которые встречаются гораздо реже (табл. 1).

Больные с синдромом Шерешевского — Тернера имеют характерный фенотип: наличие крыловидной шейной складки, низкий рост, задержка полового развития, аменорея, бесплодие. Сейчас известно, что ряд больных с этим синдромом представлен мозаиками. Так, например, описаны больные с набором хромосом 45Х/46Х (изохромосома) или 45Х/46ХХ.

Частота синдрома Шерешевского — Тернера среди новорожденных небольшая (1 из 2500), однако среди спонтанно абортированных эмбрионов она значительна, так как при хромосомном наборе 44 + ХО эмбрионы имеют пониженную жизнеспособность.

Таблица 1. Наиболее частые отклонения по набору половых хромосом

Выше мы уже упомянули, что для синдрома Шерешевского — Тернера характерен определенный фенотип, то есть определенные морфологические изменения. У больных с этим синдромом в ядрах клеток отсутствуют тельца Барра. Существует ряд других синдромов с подобными фенотипами, имеющими нормальный набор хромосом, например синдром Ульриха — Нунана. Синдром Шерешевского — Тернера характерен для женщин, а больные с синдромом Ульриха — Нунана встречаются как среди женщин, так и среди мужчин. Это заболевание вызывается наличием одного аномального гена (аутосомно-доминантное исследование). Синдром Ульриха — Нунана встречается с частотой 0,4—1,0 на 1000 новорожденных. Часть пациентов бесплодна, другие могут иметь детей с 50%-й вероятностью появления больного ребенка. Примерно у 35 % больных с синдромом Ульриха — Нунана наблюдаются пороки сердца.

Благодаря появлению нового метода дифференциальной окраски хромосом, в результате применения которого хромосомы оказываются поперечно исчерченными (причем для каждой пары хромосом характерен свой индивидуальный рисунок исчерченности), цитогенетики смогли выявить множество различных аномалий как по половым, так и по аутосомным хромосомам. Так, у высокорослых женщин с первичной аменореей (отсутствие менструаций) иногда наблюдали 46 хромосом, но одна из Х-хромосом была представлена изохромосомой (первое плечо имеется в двойном наборе, второе отсутствует). У некоторых женщин выявляли тетрасомию X. Среди 26 обследованных пациенток с первичной аменореей у 11 выявлены хромосомные аномалии.

Необходимо отметить, что при хромосомном мозаицизме фенотип пациентов значительно варьирует от внешне нормального (возможны низкий или высокий рост и эндокринные аномалии) до имеющего признаки умственной отсталости.

 

Аномалии аутосом

В качестве примера аномалий аутосом чаще всего приводится синдром Дауна. Эта тяжелейшая болезнь встречается часто и в относительных цифрах составляет 1 из 500—600. Больной с названным синдромом имеет непропорционально маленькую голову, узкие глазные щели, плоское лицо и резко выраженные признаки умственной отсталости. Кроме того, у 40 % больных синдромом Дауна наблюдаются различные пороки сердца. Генетически все эти проявления связаны с наличием у больного одной лишней хромосомы — 21-й. Иными словами, пациент имеет во всех клетках, включая половые, не 46 хромосом, как в норме, а 47 (рис. 9).

Рис. 9. Кариотип больного с синдромом Дауна с 47 хромосомами.

Если принять число всех больных с синдромом Дауна за 100%, то трисомия по 21-й хромосоме наблюдается у 94,5% пациентов, мозаицизм — у 2,27%, а синдром Дауна транслокационной природы — у 2,88 % пациентов. В последнем случае у больного имеются 46 хромосом, одна из них представлена объединением двух хромосом — чаще всего 15-й и 21-й (рис. 10).

Обычно у одного из родителей, имеющих больного ребенка с синдромом Дауна, наблюдают 45 хромосом, при этом 15-я хромосома также объединена с 21-й. В такой семейной паре независимо от возраста матери дети с синдромом Дауна будут рождаться довольно часто.

В случае синдрома Дауна, обусловленного мозаицизмом хромосом, при изучении кариотипа в культуре лимфоцитов (эта методика применяется в практике медико-генетической консультации) установлен очень низкий процент клеток с 47 хромосомами. В. Хаберландтом в 1973 году при исследовании кариотипа в культуре клеток с 47 хромосомами установлена трисомия по 21-й хромосоме в 100 % изученных клеток. В культуре лимфоцитов крови только две клетки из 103 имели кариотип с 47 хромосомами, а в культуре фибробластов кожи во всех клетках установлено 47 хромосом.

Рис. 10. Кариотип больного с синдромом Дауна с 46 хромосомами.

В литературе имеются сообщения о том, что причиной рождения детей с синдромом Дауна может быть мозаицизм одного или обоих родителей. В одном из таких описанных случаев в культуре лимфоцитов крови отца из 100 изученных клеток шесть имели 47 хромосом. Частота мозаиков с низким процентом 47-хромосомных клеток пока не известна.

Почему же появляются дети с 47 хромосомами? И что происходит при образовании и формировании нового организма?

Родители имеют по 46 хромосом и у ребенка (в норме) должно быть столько же. В половых клетках человека, образующихся в результате мейоза, содержится 23 хромосомы. У женщин при формировании половой клетки в последнюю попадает 23 хромосомы (22+ Х). Во всех яйцеклетках содержится только одна Х-хромосома. При формировании мужских половых клеток — сперматозоидов — в одну попадает Х-хромосома (22+ Х), а в другую — Y-хромосома (22 +У). Оплодотворение любой яйцеклетки, всегда имеющей хромосомы 22 + X, сперматозоидом с хромосомами 22 + X обусловливает развитие женского организма, а в случае оплодотворения сперматозоидом с хромосомами 22 + Y обеспечивается развитие мужского организма (рис. 11).

Рис. 11. Передача половых хромосом от родителей к детям. Пояснения см. в тексте.

Формирование половых клеток — очень сложный и ответственный процесс, протекающий в организме. Казалось бы, этот процесс хорошо защищен от воздействия различных факторов, однако, как показывает реальная жизнь, материнский возраст является важнейшим фактором, влияющим на возможность появления синдрома Дауна у ребенка.

Установлено, что у 1000 женщин-рожениц в возрасте 15—19 лет частота появления новорожденных с синдромом Дауна крайне мала, и мы ее примем за единицу. У того же количества женщин в возрасте 35—39 лет частота рождения детей с синдромом Дауна будет гораздо большей и составит 11. После 45 лет эта цифра достигает уже 104 (табл. 2). Женщины старше 40 лет рожают примерно 2 % детей, однако среди новорожденных 24,5 % — то есть почти каждый четвертый — является обладателем синдрома Дауна. При этом вероятность появления на свет ребенка с синдромом Дауна не зависит от того, будет ли это первый ребенок в семье или последующий.

Возраст матери не безразличен и для состояния нервной системы новорожденных, а именно — его увеличение повышает частоту врожденных аномалий. Если частоту нервных аномалий у детей, рожденных самыми молодыми (15— 19 лет) матерями, принять за единицу, то при возрасте рожениц 31—35 лет частота этих аномалий увеличивается в 4,3 раза, а при возрасте 41—45 лет —уже более чем в 100 раз!

Таблица 2. Зависимость частоты рождения детей с синдромом Дауна от возраста матери *

* Всего изучено 545 случаев рождения детей с синдромом Дауна.

В настоящее время установлено, что первое редукционное деление (мейоз) у девочки происходит в эмбриональный период (4—6 месяцев беременности матери), а второе редукционное деление и созревание яйцеклетки наступают в период полового созревания, что соответствует примерно 11—12 годам. Далее попеременно, то в правом яичнике, то в левом, созревает одна яйцеклетка в каждые 28—30 дней. Таким образом, одни клетки будут «ждать» второго редукционного деления 11—12 лет, а другие — 25 или даже 40 лет.

Однако на 100 женщин встречается одна, у которой созревают одновременно две и более яйцеклетки. Случаи рождения трех—пяти близнецов не единичны; имеются факты рождения шести близнецов. Во всех этих случаях близнецы разнояйцевые. В некоторых случаях созревающая и оплодотворенная яйцеклетка может поделиться и так, что даст возможность образоваться двум и более совершенно одинаковым (идентичным, однояйцевым) организмам-близнецам (рис. 12). Если разнояйцевые близнецы могут быть одно- или разнополыми, то однояйцевые бывают только однополыми.

Частота рождения близнецов зависит от разных причин, в том числе и от возраста матери и числа ее предшествующих родов. Доказано, что с возрастом матери (табл. 3) и порядковым номером родов частота рождения близнецов увеличивается. Описаны такие семьи, в которых женщины имели близнецов в ряде поколений, то есть обладали наследственным предрасположением к многоплодию.

Рис. 12. Однояйцевые сестры-близнецы.

Рождение близнецов одного пола еще не является доказательством их идентичности (однояйцевости). Однояйцевые близнецы, как правило, очень похожи друг на друга, однако случаются и исключения из этого правила. Последнее бывает в том случае, когда условия внутриутробного развития близнецов несколько отличались.

А так ли важно знать, родились разно- или однояйцевые близнецы? Да, очень важно. Ведь если заболеет один из пары однояйцевых близнецов, врач должен пристально наблюдать и за другим, а, возможно, даже начать его профилактическое лечение.

Изучение развития и заболеваемости близнецов оказало большое влияние на понимание роли наследственности и среды формирования человека в возникновении многих его болезней. Если какой-то признак имеет сходство у однояйцевых близнецов, то это является свидетельством его зависимости от наследственности (генотипа). Изучение заболеваемости одно- и разнояйцевых близнецов показало, что такие заболевания, как корь, коклюш, ветряная оспа и др., возникают только при наличии инфекции, а предрасположение организма к ним имеет малое значение. А вот для появления дифтерии, свинки, воспаления легких, полимиелита, туберкулеза и ряда других болезней, кроме первого фактора, играют роль и наследственные свойства организма.

Таблица 3. Возраст матери и частота рождения близнецов

* На 1000 рожениц.

Количество ежемесячно созревающих яйцеклеток находится под генетическим контролем и также сильно зависит от возраста матери. Совершенно естественно, что клетки, из которых формируются яйцеклетки, со временем стареют, то есть «портятся», и как бы природа их не защищала, они все равно с определенной вероятностью повреждаются. В результате этого второе редукционное деление может произойти с ошибками, например с нерасхождением хромосом. В таком случае будут формироваться яйцеклетки с 24 хромосомами, или вообще хромосомы распределятся по двум дочерним клеткам не, поровну, вследствие чего в яйцеклетку попадет больше хромосом, чем это необходимо. Оплодотворение такой клетки приведет к появлению ребенка с хромосомными аномалиями.

Для объяснения причин, вызывающих появление хромосомных аномалий, ученые выдвинули ряд предположений.

1. Изменение pH (кислотности среды), наступающее в организме в результате старения, болезней и (особенно) воспалительных процессов половых органов женщин, что приводит к нерасхождению хромосом.

2. Изменение гормонального статуса (эндокринопатия). Последнее может привести к появлению детей с мозаицизмом хромосом и с синдромом Дауна. Напомним, что эндокринные отклонения с возрастом женщины увеличиваются.

3. Применение различных лекарств или использование воды и продуктов питания, содержащих химические вещества. В литературе имеются данные о связи между концентрациями фтора в воде и повышенной частотой рождения детей с синдромом Дауна (центральные штаты США). Так, при содержании 0,1 — 0,2 % фтора частота больных детей составляет 0,39 на 1000 новорожденных, а при 1,0—2,6 % — она возрастает до 0,58. В этом случае другой важный фактор, влияющий на частоту появления синдрома Дауна,— возраст матери, отходит на второй план. А ведь во многих странах вода фторируется для снижения заболеваемости кариесом зубов! И тяжесть последствий для потомства при этом, к сожалению, не учитывается!

Как указывалось выше, у женщин формируется в среднем одна половая клетка в месяц. А это значит, что при оплодотворении совершенно отсутствует возможность выбора. У мужчин с возрастом количество половых клеток с неправильным набором хромосом каждые 15—18 лет увеличивается в 100 раз. Это, казалось бы, должно приводить к еще большей частоте новорожденных с синдромом Дауна. Однако природа распорядилась по-своему. Она «позволила» мужчине образовывать не одну половую клетку в месяц, а много миллионов, что создает возможность выбора, как бы конкуренции. Поэтому «вина» мужчин в появлении детей с синдромом Дауна (не транслокационной природы) гораздо меньше. В целом рождение детей с болезнью Дауна примерно в 80 % случаев обусловлено нерасхождением хромосом при формировании женских половых клеток и в 20 % — при формировании мужских половых клеток — сперматозоидов. При этом нерасхождение хромосом может происходить как в первом делении в мейозе (когда будущая мать сама является эмбрионом), так и во втором (задолго до оплодотворения). Данные исследования материнского (отцовского) происхождения добавочных хромосом у больных с синдромом Дауна приведены в табл. 4.

Интересен опыт анализа частоты рождения Даунов в Дании, где генетика человека хорошо поставлена на службу обществу. В 1950 и 1970 годах в этой стране был организован учет данных о рождении Даунов по возрастным группам рожениц (табл. 5). Оказалось, что в 1950 году из 79558 новорожденных 116 детей были с синдромом Дауна (в среднем 1 на 685 новорожденных). Спустя 20 лет, в 1970 году, из 70802 новорожденных обнаружен только 71 случай синдрома Дауна (в среднем 1 на 994 ребенка), то есть почти на 30 % меньше. Если проанализировать частоту рождения Даунов по возрастным группам рожениц, то видно, что за 20 лет возраст их уменьшился почти на 5 лет.

Таблица 4. Влияние пола родителей на частоту появления добавочной хромосомы у больных с синдромом Дауна

Таблица 5. Данные о детях с синдромом Дауна, рожденных в Дании в 1950 и 1970 годах

В СССР для разных районов отмечена неодинаковая частота рождения детей с синдромом Дауна. По городу Омску, например, за 1960—1971 годы она была равна 0,148 %, при этом в 90 % случаев отмечена трисомия по 21-й хромосоме, 7—8 % составил мозаицизм и в 2% случаев болезнь носила транслокационный характер.

Естественно, что ни один из родителей не хочет иметь больного ребенка. Для целей генетического консультирования родителей важно знать, где и когда произошла «ошибка» при создании нового организма — во время формирования половых клеток отца или матери либо же после оплодотворения женской клетки и создания зиготы? Можно ли исправить эту «ошибку», а, значит, предотвратить большое горе?

Современная генетика во многих случаях может ответить на эти вопросы, и особенно последнее касается синдромов Шерешевского — Тернера и Клайнфельтера. Для этого медику-генетику необходимо знать наследственные системы групп крови X матери и отца. Об этой системе известно, что она сцеплена с Х-хромосомой, так как ген, ее обусловливающий, локализован в данной хромосоме и характеризуется наличием двух типов отклонений — Х(а+) и Х(а—). При этом Х(а+) доминирует над Х(а—).

Рассмотрим пример: мать обладает Х(а—), отец — Х(а+). Соответствующие их генотипы будут следующими: Х(а—)Х(а—) и X(a+)Y. Здесь возможны два случая. Первый — дочь оказалась с синдромом Шерешевского — Тернера Х(а—) с генотипом Х(а—)0. Это свидетельствует о том, что отцовская половая клетка не внесла ни одной половой хромосомы (22 + 0). Второй случай — рождение дочери с синдромом Тернера Х(а+) — возможен, если материнская половая клетка не имела половой хромосомы (22 + 0).

Подобный генетико-медицинский анализ семей, имеющих детей с синдромами Шерешевского — Тернера и Клайнфельтера, показал, что «виновными» в появлении таких детей могут быть как отцы, так и матери. Иными словами, нарушение формирования половых клеток у одного из родителей обусловливает появление детей с аномалиями половых хромосом.

Для ряда европейских стран установлена неодинаковая частота рождения детей с синдромами Шерешевского — Тернера и Клайнфельтера в течение года, а именно — упомянутые синдромы гораздо чаще появляются при зачатии в летние месяцы (июль — август). Ученые связывают этот факт с увеличением попадания в организм супругов с овощами, ягодами и фруктами токсических веществ (пестициды, инсектициды, гербициды и др.), которые в наибольшем количестве используются для борьбы с вредителями и сорняками на нолях именно в это время года. Согласно данным ученых, химические вещества, применяемые в качестве мутагенов, концерагенов и тератогенов, в СССР составляют более 60 тыс. наименований, а в США — более 450 тыс.

В настоящее время, кроме описанного выше синдрома Дауна, известно много хромосомных нарушений у человека. Это синдромы Патау (трисомия по хромосоме Д), Эдвардса (трисомия по 18-й хромосоме), синдром, обусловленный делецией (выпадением) короткого плеча 5-й хромосомы (синдром «кошачьего крика»), синдром, связанный с делецией короткого плеча 4-й хромосомы, и др. Описание аутосомных синдромов дано А. В. Микальсааром в книге «Лекции по медицинской генетике».

Все перечисленные синдромы несовместимы с жизнью. Синдром Патау ограничивает жизнь больного тремя месяцами, очень редко одним годом. Больные с синдромом Дауна живут 16—18 лет, а с синдромом, связанным с делецией короткого плеча 4-й хромосомы,— до трех лет.

Необходимо отметить, что в странах с хорошо поставленной работой генетических консультаций и налаженным статистическим учетом больных (это некоторые европейские страны, США, Япония и др.) хромосомные аномалии у новорожденных удается в какой-то мере снизить.