Негомологичные хромосомы часто становятся причиной бесплодия или рождения детей с генетическими нарушениями. Почему же они не могут найти друг друга при делении клетки? Давайте разберемся в механизмах взаимодействия хромосом и том, какие последствия несут их нарушения.
Строение и функции хромосом
Хромосомы - это нитевидные структуры в ядре клетки, состоящие из ДНК и белков. Они служат для хранения и передачи генетического материала из поколения в поколение.
Гомологи́чные хромосо́мы (от греч. ομόλογο «подобный») — пара хромосом с одинаковым набором генов и сходной морфологией в кариотипе диплоидного организма.
Различают два основных типа хромосом:
- Аутосомы - телесные хромосомы, несущие гены, отвечающие за формирование тканей и органов.
- Половые хромосомы - определяют пол организма (X и Y у человека).
Основные функции хромосом:
- Хранение генетической информации в виде последовательности нуклеотидов ДНК.
- Передача этой информации дочерним клеткам в процессе деления для обеспечения преемственности признаков в ряду поколений.
Гомологичные хромосомы
Гомологичными называют пару хромосом в диплоидном наборе клетки, которые имеют одинаковый набор генов и сходную морфологию, но при этом не являются идентичными.
Каждая из гомологичных хромосом получена зиготой от одного из родительских организмов. То есть одна хромосома унаследована от матери, другая - от отца.
Хотя гомологи несут одни и те же гены, эти гены могут иметь разные варианты - аллели. Также под влиянием мутаций гомологи могут приобретать различия в структуре.
Важнейшим процессом, в котором участвуют гомологичные хромосомы, является конъюгация и кроссинговер. Это происходит в профазе 1-го деления мейоза при образовании половых клеток:
- Гомологи сближаются и образуют тесные контакты в определенных точках.
- При этом может происходить обмен участками между ними - кроссинговер.
Благодаря этому потомство получает уникальные комбинации генов от обоих родителей.
Виды негомологичных хромосом
Негомологичность хромосом возникает при разнообразных мутациях и нарушениях, которые затрагивают строение или количество этих структур. Различают несколько основных видов:
- Делеции - утрата части хромосомы;
- Дупликации - удвоение участка хромосомы;
- Инверсии - изменения порядка расположения генов;
- Транслокации - перенос фрагмента на другую хромосому.
При этом все перестройки хромосом подразделяют на:
- Сбалансированные - не нарушающие количество генетического материала. Как правило, фенотипически не проявляются, но могут приводить к нарушениям при образовании половых клеток.
- Несбалансированные - которые меняют дозу отдельных генов в клетке. Они чаще всего приводят к серьезным нарушениям развития и несовместимы с жизнью.
Причины возникновения негомологичности
Существует несколько основных причин, которые приводят к возникновению структурных и численных нарушений в хромосомах:
- Мутации - случайные ошибки при репликации ДНК, приводящие к разрывам цепи или неправильному спариванию нуклеотидов.
- Повреждение ДНК под действием мутагенных факторов - радиации, химических веществ, вирусов. Это вызывает двунитевые разрывы ДНК хромосом.
- Ошибки при делении клетки - нарушения в расхождении хромосом в митозе и мейозе. К примеру, неравный кроссинговер гомологичных хромосом, приводящий к дупликациям и делециям.
Последствия негомологичности
К основным неблагоприятным последствиям негомологичности хромосом относят:
- Нарушение процессов конъюгации и кроссинговера гомологичных хромосом при мейозе.
- Снижение фертильности у организма-носителя из-за гибели части половых клеток.
- Повышенный риск самопроизвольных выкидышей и рождения детей с аномалиями развития.
- Развитие хромосомных и генетически обусловленных заболеваний, включая онкологию.
Методы выявления перестроек
Для обнаружения различных типов негомологических хромосом и хромосомных перестроек применяют целый ряд цитогенетических и молекулярно-генетических методов:
- Анализ синапсиса хромосом на стадии пахитены профазы I мейоза.
- Флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) с ДНК-зондами к конкретным хромосомам или генам.
- Сравнительная геномная гибридизация (CGH) для выявления дупликаций и делеций.
- Полногеномное SNP-генотипирование, позволяющее обнаруживать вариации числа копий.
Лечение и профилактика
При выявлении негомологичных хромосом у пациента важное значение имеют профилактические меры для предотвращения передачи аномалий будущим детям.
Рекомендации парам-носителям
Парам, у которых выявлены сбалансированные перестройки хромосом, рекомендуется проводить генетическое консультирование и диагностику перед планированием беременности. Это позволит оценить индивидуальные риски и подготовиться к возможным осложнениям.
Методы пренатальной диагностики
Для выявления хромосомных аномалий у эмбриона или плода используют:
- Ультразвуковое исследование для выявления внешних маркеров патологии.
- Биопсию хориона или амниоцентез для кариотипирования клеток эмбриона.
- Выделение внеклеточной ДНК из крови матери и ее генетический анализ (неинвазивный пренатальный скрининг).
Методы лечения хромосомной патологии
В настоящее время методы лечения хромосомных заболеваний и негомологичности ограничены. В основном это:
- Симптоматическая терапия для облегчения проявлений болезни.
- Хирургическая коррекция врожденных пороков развития.
- Психолого-педагогическая помощь пациентам с нарушением интеллекта.
Перспективы генной терапии
В будущем появится возможность лечения многих хромосомных болезней с помощью технологий генной терапии - внесения нормальных копий генов в клетки пациента.
Этапы развития генной терапии
Современные исследования в области генной терапии хромосомных заболеваний включают несколько основных этапов:
- Изучение молекулярных механизмов патологии и выявление "мишеней" для терапевтического воздействия.
- Создание эффективных методов доставки терапевтических генов в клетки-мишени.
- Доклинические испытания на клеточных и животных моделях заболеваний.
- Клинические испытания на пациентах после подтверждения безопасности и эффективности методов.
- Одобрение терапии регулирующими органами и внедрение в клиническую практику.
Преимплантационная генетическая диагностика
Еще одним перспективным направлением для семей с высоким риском хромосомной патологии у детей является преимплантационная генетическая диагностика (ПГД).
При использовании вспомогательных репродуктивных технологий проводится:
- Биопсия одной-двух клеток у эмбриона на 3-5 день после оплодотворения.
- Экспресс-анализ этого материала на наличие хромосомных аномалий.
- Перенос в полость матки только здоровых эмбрионов.
Преимущества и недостатки ПГД
К основным преимуществам ПГД относят:
- Высокая точность генетического анализа на ранних стадиях развития.
- Возможность реализовать репродуктивные планы пар с высоким генетическим риском.
- Исключение необходимости прерывания беременности по медицинским показаниям на поздних сроках.
Недостатки метода:
- Высокая стоимость процедуры ПГД.
- Дискомфорт и побочные эффекты стимуляции суперовуляции у женщин.
- Невозможность гарантированно исключить все эмбрионы с аномалиями.
Хромосомные перестройки и видообразование
Помимо патологических последствий, структурные изменения хромосом могут играть и положительную эволюционную роль.
Робертсоновские транслокации привели к возникновению «хромосомных рас» и новых биологических видов среди млекопитающих.
Исследования хромосом человека
Изучение хромосомного набора и закономерностей его изменений у человека началось в 1956 году с работы Дж. Тью. С тех пор этой области посвящено уже более 15 000 научных публикаций.
