Методы исследования хромосом - наследственные и врожденные болезни плода и новорожденного
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Культура клеток. Малый лимфоцит, легко стимулируемый к делению с помощью растительного митогена фитогемагглютинина (ФГА), обычно используют для хромосомных исследований. Делящиеся клетки фиксируются в метафазе, а при добавлении гипотонического раствора выделяются хромосомы. Мазки-препараты хромосом высушивают на воздухе.
Для изучения мозаицизма и биохимических дефектов необходимо использовать культуры фибробластов, что требует больших технических средств и затрат времени. Для диагностики заболеваний крови предпочтительнее использовать культуру костного мозга, но могут быть использованы хромосомы из миелоцитов периферической крови. Методы исследования для получения культуры клеток амниотической жидкости аналогичны таковым для получения культуры фибробластов. Цитогенетический анализ завершается через 2—3 нед.
К наиболее быстро выполнимым методам относится биопсия хорионических ворсинок. Их получают в небольшом количестве с помощью ультразвукового отсасывания через шейку матки вслед за непосредственным наблюдением хромосом в образце или культуре клеток. Эту процедуру выполняют при сроке беременности 8—11 нед, а результаты получают обычно до окончания I триместра беременности. Ее безопасность полностью не оценена.
Традиционные методы окрашивания хромосом в большинстве своем были вытеснены методами, позволяющими получать характерный тип их окрашивания с чередованием светлых и темных (или ярких и серых) дисков в каждой хромосоме. Эти диски (или полосы) связаны со структурой основных пар нуклеотидов, формирующих ДНК, а также распределены вдоль длинной оси хромосомы в виде гистоновых и негистоновых протеинов. Окрашивание производными хинакрина или аналогичными ему веществами и последующее микроскопирование с использованием ультрафиолетового источника света позволяют выделить флюоресцентные диски (Q-диски), в то время как соответствующие G-диски выделяются при окрашивании по модифицированному методу Гимзы. При другом методе, при котором используют краситель Гимзы или акридиновый оранжевый, происходит противоположное окрашивание Q- и G-дисков и выявляются так называемые реверсивные, или R-диски. В настоящее время в любой специализированной лаборатории для точной диагностики используют по крайней мере один иа этих методов окрашивания хромосом. К другим методам относятся выделение С-диска при окрашивании гетерохроматина, обнаруживаемого около центромеры каждой хромосомы, окрашивание С-диска (G-11) в 9-й хромосоме, выделение участков с ядрышковым организатором (ЯО) в сателлитных хромосомах при окрашивании аммиачным серебром, выявление обмена сестринскими хроматидами.
Достижения последних лет позволяют исследовать хромосомы в поздний период профазы, когда они меньше сморщены, чем при обычном исследовании в метафазе. По сравнению с обычным методом исследования, позволяющим анализировать 200—400 дисков, с помощью этого метода выделяют до 600— 1400 дисков, что обеспечивает возможность обнаруживать крайне малые делеции и дупликации.
Кариотипирование. Хромосомная ДНК реплицируется во время S-стадии интерфазы, но двухструктурная природа хромосом становится четко видимой только в начале митоза. Таким образом, во время митоза каждая хромосома состоит из двух одинаково длинных тонких тяжей, называемых сестринскими хроматидами, сжимающихся в плотные структуры, в связи с чем создается впечатление коротких, толстых плечей, удерживающихся вместе с помощью центромеры. В метафазе, когда их длина самая небольшая, хромосомы организуются в пары. Подобная систематизация хромосом из одной клетки называется кариотипом. В настоящее время в большинстве случаев при лабораторных исследованиях у каждого больного анализируются 10—40 метафазных кариотипов и информативными считают методы, позволяющие выявлять хромосомы с типичным расположением дисков. При подозрении на мозаицизм необходимо анализировать как большее число клеток, так и клетки других тканей. В тех случаях, когда требуется более детальный анализ, исследуют профазные и прометафазные хромосомы, поскольку они большей длины и в них идентифицируется большее число дисков.
Нормальный кариотип
Рис. 6-5. Положение центромеры, определяющее три типа хромосом в нормальном кариотипе человека: мета-, суб- и акроцентрические (а)- морфологические маркеры, используемые при идентификации хромосом (б).
Видео: Диагностика синдрома Дауна во время беременности
Диплоидное число хромосом у человека составляет 46, т. е. 23 пары. Таким образом, 23 — гаплоидное число хромосом, обнаруживаемое в гаметах. В метафазе каждая хромосома состоит из двух хроматид, отличается характерной морфологией, определяемой положением центромеры или первичной перетяжкой, которая определяет размеры длинного и короткого плечей (рис. 6-5). Примерами трех нормальных форм хромосом служат 1, 3 и 16-я (метацентрические), 4-я и 5-я (субметацентрические) и 21-я и 22-я (акроцентрические). Все акроцентрические хромосомы, кроме Y-хромосомы, имеют вторичную перетяжку и сателлит. По мере идентификации по размеру, морфологии и характерному расположению окрашенных дисков была разработана числовая система обозначения хромосом (за исключением половых) (рис. 6-6).
Рис. 6-6. Кариотип здорового мужчины с хромосомами в поздней профазе, в которой они отличаются большей длиной плеча и большим числом дисков, нежели в хромосомах, находящихся в метафазе.
В нормальном кариотипе при окрашивании традиционными методами было выявлено несколько вариантов морфологической структуры хромосом. Наиболее изучено удлинение парацентромерного участка в длинном плече 1, 9 и 16-й хромосом, увеличенное или уменьшенное короткое плечо или увеличенные сателлиты акроцентрических хромосом и вторичная перетяжка на коротком плече хромосомы 17 (см. рис. 6-5- рис. 6-7). Форма и длина Y-хромосомы также может быть разной. Несмотря на то что расположение дисков в каждой хромосоме постоянно, были выявлены встречающиеся в норме разные варианты при использовании флуоресцентных методов окрашивания, например различия в интенсивности флуоресцентных дисков около центромер 3-й и 4-й хромосом и сателлитов акроцентрических хромосом (см. рис. 6-7). Различие в длине Y-хромосомы обусловлено расширением или потерей основного Q-диска, не влияющего на фенотип. Первоначально морфологические варианты были выявлены у лиц с аномалиями, в связи с чем их связывали с заболеваниями, но вскоре стало очевидным, что эти морфологические различия наследуются по менделевскому типу, а некоторые варианты встречаются достаточно часто, что можно считать полиморфизмом (варианты нормы). Таким образом, они представляют собой полезные генетические маркеры и могут помочь локализовать гены в определенных хромосомах.
У пожилых лиц были выявлены колебания числа хромосом в разных клетках. Отмечена тенденция к утрате Х-хромосомы у женщин в возрасте 55 лет и старше и Y-хромосомы у мужчин в возрасте старше 65 лет.
К другой категории различий относится наличие или отсутствие мест поломок. Несмотря на то что большинство из них не связано со специфическими синдромами, выявление поломок у конца длинного плеча хромосомы X сочетается с умственной отсталостью (рис. 6-8).
а— хромосомы, окрашенные ацетоарсеином- располагающаяся слева хромосома в каждой паре или триаде обычно «немаркируемая»- б — хромосомы, окрашенные с помощью хипакрина дигидрохлорида, различаются по интенсивности флюоресцирования полос.
Рис. 6-7. Некоторые морфологические варианты у здоровых лиц.
Рис. 6-8. Х-хромосомы, у одной из которых (слева) видна поломка в нижнем конце длинного плеча (fra (X) (Ч28).
Аномальные кариотипы
Изменение числа хромосомы. Хромосомные аберрации подразделяются в зависимости от числовых и структурных изменений. Клетки с кратным увеличением гаплоидного числа, например 46, 69, 92 и так далее, относятся к эуплоидным. Эуплоидные клетки с числом хромосом, превышающим диплоидный набор 46, называются полиплоидными. Клетки с отклонением числа хромосом от одного из эуплоидных чисел, называются анэуплоидными.
К наиболее частым примерам анэуплоидии относится трисомия, т. е. три гомологичные хромосомы вместо обычной пары хромосом. Нехватка хромосомы называется моносомией (для соответствующей пары). Анэуплоидные индивиды могут быть трисомными более чем по одной паре хромосом или у них может быть комбинация три- и моносомии. Во время мейоза гомологичные хромосомы соединяются- после удвоения числа хромосомы расходятся к противоположным полюсам делящейся клетки. При нарушении соединения или разделения (нерасхождение) изменяется процесс сегрегации, что может привести к анэуплоидии (рис. 6-9). Нерасхождение хромосом во время митоза приводит к мозаицизму, что означает присутствие более одной популяции клеток с разным числом хромосом у одного и того же индивида (рис. 6-10). Чем старше мать, тем больше вероятность нерасхождения хромосом и трисомии. Моносомия может быть результатом потери хромосомы, или анафазного сдвига, т. е. неспособности хромосомы достигать одного из полюсов клетки во время анафазы, что также приводит к мозаицизму (см. рис. 6-10). Митотическое нерасхождение в период эмбрионального развития может привести к мозаицизму с двумя или тремя популяциями клеток (рис. 6-11).
Рис. 6-9. Нерасхождение во время мейоза, подтверждаемое двумя парами
хромосом.
Первое деление с нерасхождением, неспособностью малых гомологичных хромосом разделиться, образует гаметы с отсутствующей малой или дополнительной хромосомой (а)- второе деление с нерасхождением при делении центромеры.
Полная полиплоидия несовместима с жизнью, но известны случаи выживания лиц с мозаицизмом. Триплоидию (тройной гаплоидный набор, всего 69 хромосом) чаще всего обнаруживали у спонтанно абортированных плодов и мертворожденных. Она обусловлена оплодотворением яйцеклетки двумя сперматозоидами или присоединением гаплоидного набора к диплоидной гамете. Тетраплоидные клетки были обнаружены у абортусов, у лиц со злокачественными заболеваниями и иногда у младенцев с дисморфией. Тетраплоидия иногда встречается в культурах клеток, особенно в клетках амниотической жидкости, и число их увеличивается пропорционально времени культивирования.
Рис. 6-10. Формирование мозаицизма. Хромосомы X и Y использованы для иллюстрации двух основных ошибок, обусловливающих появление популяции клеток с неправильным набором хромосом. В норме при митозе (вверху) удвоенные хромосомы разделяются и переходят в дочерние клетки. Если одна из удвоенных хромосом не расходится, происходит митотическое нерасхожкение (в центре). При обычном расхождении и задержке миграции хромосом происходит задержка в анафазе (внизу) 
к
ж
Рис. 6-11. Связь между моментом митотического нерасхождения и пропорцией аномальных клеток у эмбриона с мозаицизмом.
а — митоз в норме: все образующиеся клетки содержат 46 хромосом- б — ошибки в процессе перового после зачатия митоза: образуется два типа эмбриональных клеток, в одной половине из которых содержится 47 хромосом, в другой половине — 45- в — ошибки, встречающиеся по достижении определенного размера: образуется три клеточные популяции (с 45, 46 и 47 хромосомами)
Две вновь образованные хромосомы в клетках справа не могут разделиться (б).
Рис. 6-12. Механизм, обусловливающий структурные аномалии хромосом. Эти аберрации зависят по крайней мере от двух разрывов (обозначены волнистой линией).
Структурные аберрации. Эти аномалии обусловлены разрывом хромосом и их перестройкой. Синдромы делеции, например синдром кошачьего крика (5р—), могут быть результатом простой делеции или наследования транслоцированной хромосомы с участком делеции. Внутренние делеции происходят при потере сегмента хромосомы внутри хромосомного плеча (рис. 6-12).
Для всех структурных аномалий требуется хотя бы два хромосомных разрыва, после чего происходит восстановление разорванных концов. Транслокации, которые могут наследоваться или возникать de novo, выявляются чаще всего. Реципрокные транслокации обусловлены обменом сегментами между двумя негомологичными хромосомами (см. рис. 6-12). Носители реципрокных транслокаций обычно фенотипически нормальны, так как отличаются полным набором генов. У детей, рожденных от носителей транслокаций, признаки патологии проявятся в том случае, если они получат только одну хромосому из двух транслоцированных и, соответственно, у них будут встречаться дупликационно-дефицитные синдромы (рис. 6-13). В зависимости от количества наследуемого материала, увеличенного вдвое или утраченного, аберрацию считают частичной трисомией или частичной моносомией. 
Рис. 6-13. Наследование транслокации 2/15
К особому типу транслокации относят центрическое соединение, или робертсоновскую транслокацию, когда в процесс вовлекаются акроцентрические хромосомы, в которых разрывы встречаются в окоцентромерных участках, реципиентной и донорской хромосом. Обычно теряются короткие плечи обеих хромосом и центромера донорской хромосомы. Центрическое соединение чаще встречается в 14-й и 21-й хромосомах, что может обусловить синдром Дауна (рис. 6-14). Поскольку короткое плечо акроцентрической хромосомы генетически не активно, потеря находящегося в нем генетического материала не оказывает очевидного фенотипического воздействия на носителя.
Кольцевые хромосомы образуются в том случае, если оба конца хромосомы отрываются, а концы центральных фрагментов соединяются, образуя хромосому с делецией как короткого, так и длинного плеча (см. рис» 6-12). Эта нестабильная замкнутая структура осложняет митоз. Инверсии (см. рис. 6-12) двух типов могут быть результатом того, что сегменты между двумя разрывами в одной хромосоме меняются местами и порядок генов становится обратным. Поскольку инверсия может привести к затруднению конъюгации хромосом, это может увеличить риск их нерасхождения.
В процессе мейоза кроссинговер генов между хроматидами гомологичных хромосом представляет собой нормальное явление, легко доказываемое рекомбинацией или разделением генов, обычно локализованных на одной и той же хромосоме.
Рис. 6-14. Наследование центрического слияния 14/21. Несмотря на то что эта транслокация также может приводить к аномалии хромосомы 14 и моносомии 21, потомки с этими дефектами, если выживают, встречаются
Обмен между хроматидами также может встречаться во время митоза и может вовлекать в процесс хроматиды двух гомологичных или негомологичных хромосом. Поскольку в метафазе сестринские хроматиды еще не разделены, такой обмен приводит к образованию четырехрадиусной конфигурации, напоминающей дорожный перекресток. Несколько сложнее доказать существование обмена между сестринскими хроматидами в митотических клетках из-за того, что реплицированные хроматиды несут на себе идентичные гены и необычная конфигурация не образуется. Это можно доказать с помощью различных методов окраски. Разнообразные типы обмена хроматид обнаруживают при синдромах разрывов (см. далее) и в клетках, обработанных мутагенными веществами.
Номенклатура
Таблица 6-4. Некоторые типичные образцы записи кариотипов
46, XY | Нормальный кариотип у мужчины |
47, ХХ+13 | Женщина с трисомией 13 |
47, XY + 21 | Мужчина с трисомией 21 (синдром Дауна) |
46, XY, —21, + t(21q21q) | Мужчина с синдромом Дауна в результате транслокациитипа центрического соединения между двумя хромосомами 21, замещение однойхромосомы 21 |
45, XX, —<14, —21, + t(14q21q) | Фенотипически нормальная женщина-носительтранслокации типа центрического соединения между хромосомами 14 и 21 |
46, XY, del (5p) | Мужчина с синдромом кошачьего крика,обусловленным делецией части короткого плеча хромосомы 5 |
46, XX, del (18q) | Женщина с делецией всего или части длинногоплеча хромосомы 18 |
46, XY, г (19) | Мужчина с кольцевой хромосомой 19 |
45, X | Женщина с синдромом Тернера, обусловленныммоносомией X |
47, XXY | Мужчина с синдромом Клайнфелтера Видео: Скрининг анатомии плода |
46, X, i (Xq) | Женщина с синдромом Тернера, обусловленнымизохромосомой длинного плеча Х-хромосомы |
46, XY/47, XXY | Мужчина с XY/XXY мозаичным синдромомКлайнфелтера |
46, XY, fra (X) | Мужчина с поломкой Х-хромосомы |
Для того чтобы избежать путаницы, номенклатура для описания кариотипа была стандартизована. Во-первых, записывают общее число хромосом, во-вторых, набор половых хромосом, после чего следует описание аберраций (табл. 6-4). Короткое плечо хромосомы обозначают литерой «р», а длинное плечо — литерой «q». Любое увеличение или потеря хромосомного материала обозначают соответственно знаком « + » или «—», помещаемым перед номером хромосомы, если речь идет о целой хромосоме, и после символа, обозначающего плечо, если речь идет о любом увеличении или уменьшении длины плеча. Хромосомы с транслокацией записывают в скобках, перед которыми ставят литеру «t»: например, t(14q21 q) означает чаще всего обнаруживаемую транслокацию при синдроме Дауна (у большинства детей, однако, отмечается трисомия по 21-й хромосоме, дополнительную хромосому обозначают + 21).
В настоящее время в хромосомах могут быть выделены участки по характерным для них полосам. Каждое плечо хромосомы разделено на участки и, таким образом, нарушение структуры хромосом и хромосомные перестройки могут быть идентифицированы, аберрации описываются с относительной точностью.
Дерматоглифика
До развития цитогенетики человека одним из критериев для диагностики синдрома Дауна служили отпечатки ладонной и подошвенной поверхностей. Последующее развитие методов хромосомного анализа уменьшило относительное значение дерматоглифики в клинической оценке больных с подозрением на хромосомные аномалии.
Дерматоглифика представляет собой конфигурацию, которую образуют кожные выступы, но не складки при сгибании. Наибольшее значение имеют рисунок концевых фаланг пальцев, расположение трирадиуса относительно ладонной оси и рисунок подошвенной поверхности стопы. Отпечаток определяют путем подсчета числа кожных выступов между центром отпечатка и трирадиусом, определяющим периферию отпечатка. Пальцевые узоры обычно отличаются самым большим числом линий, в то время как на ладонной дуге они отсутствуют, поскольку на ней нет трирадиуса. Для определенных синдромов важны характер и размер отпечатков.
Показана выраженная корреляция между дерматоглифическими признаками и изменениями хромосом. Характерные кожные отпечатки в настоящий момент представляют собой хорошо известные диагностические критерии при трисомии по 13, 18 и 21-й хромосомам и синдроме делеции в 18-й хромосоме и группе G. Все они описаны при соответствующих синдромах.
