Знайте свои гены

Глава 2 Хромосомы

«Но почему именно у нас? Что еще за хромосомы? Почему именно у нашего ребенка лишняя? Перешла от кого-то из нас? Не повторится ли это?»

Такие вопросы неизменно задают растерянные, обезумевшие от горя молодые родители, впервые пришедшие ко мне на консультацию и еще не преодолевшие тяжелого и мрачного недоверия, ощущения чего-то нереального, возникшего у них в результате поставленного мной диагноза, едва они обретают способность говорить.

Снова и снова супруги признаются, что они и понятия не имеют о хромосомах, не знают, чем хромосомы отличаются от генов или даже в чем разница между врожденными и наследственными дефектами.

Я пытаюсь ответить на подобные вопросы как можно проще и яснее, убеждая их, что для понимания этого никаких предварительных знаний биологии не требуется: достаточно нескольких иллюстраций и фотографий. Начнем, с клетки.

Наше тело состоит из миллиардов клеток, многие из которых выполняют весьма специфические функции. Так, клетки мозга служат для памяти и умственной деятельности, клетки сердца — для ритмического сокращения, клетки кишечника — для вырабатывания слизи[6] и т. д. Продолжительность жизни клеток нашего тела зависит от того, какому органу они принадлежат. В то время как клетки мозга не восстанавливаются (в действительности мы постоянно, по мере старения, их теряем), клетки, выстилающие кишечник, погибают и полностью возмещаются каждые 24 часа или около того. Подсчитано, что в нашем теле каждую секунду умирает около 50 млн. клеток, но они быстро возмещаются новыми почти в таком же количестве. Клетки спермы в семенниках могут жить лишь несколько месяцев, в то время как яйцеклетки в яичнике живут дольше 50 лет. Одной из возможных причин врожденных аномалий у ребенка является тот факт, что женские яйцеклетки подвержены влиянию факторов окружающей среды, таких, как рентгеновские лучи или медикаменты, начиная с раннего детства женщины и вплоть до конца детородного периода ее жизни.

Несмотря на то что разные клетки организма выполняют специфические функции, их основные составные части сходны. Центром клеточной активности является ядро. Оно не только контролирует функции клетки, но и содержит всю генетическую информацию о развитии организма в целом, унаследованную нами от родителей[7]. Ядро содержит нитевидные химические структуры, называемые хромосомами, наиболее важным компонентом которых является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

Уже почти целое столетие мы знаем, что если в определенный момент существования клетки ввести в нее специальный краситель, то эти нитевидные структуры вберут в себя красящее вещество и станут более доступными для наблюдения. По этой причине их и назвали хромосомами (от греческих слов «хрома» — краска и «сома» — тело). С конца прошлого столетия ученые стали предполагать, что хромосомы — носители наследственных факторов.

Вся необходимая информация, которая требуется для управления формированием и функционированием человеческого существа — или любого другого живого организма от бактерии и растения до слона, — содержится в этих сложных тонких нитях. Хромосомы же в свою очередь состоят из генов, которые являются единицами наследственности. Сами по себе гены столь малы, что их невозможно рассмотреть даже в электронный микроскоп.

Половину нашего хромосомного набора мы получаем от отца и половину — от матери. Гены, образующие хромосомы, точно так же в равной степени передаются нам каждым из родителей. В свою очередь мы передадим половину наших хромосом и генов каждому из наших собственных детей. Рассмотрение того, что происходит с хромосомами в норме при передаче их родителями ребенку, поможет нам понять и то, что происходит с ними, когда бывают отклонения.

Число, размер и пол

Число хромосом и их структура у разных живых организмов весьма сильно отличаются, колеблясь от 4 до 500 хромосом в каждой клетке. В клетке шимпанзе и горилл 48 хромосом. В 1956 г. было установлено, что в каждой клетке человека (исключая сперматозоиды и яйцеклетки) содержится 46 хромосом, а не 48, как первоначально думали. Хромосомы в клетке можно наблюдать в микроскоп и фотографировать; они выглядят, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Хромосомы внутри клетки, наблюдаемые в микроскоп.

Каждую хромосому из фотографии можно вырезать, наклеить на картон, расположив по порядку, начиная с самых больших по размеру. Как показано на рис. 2, 22 пары хромосом[8] (всего 44) располагают в порядке убывания их длины. В каждой паре одна хромосома отцовская, другая — материнская.

Рис. 2. Нормальные хромосомы в клетке человека, расположенные в порядке убывающей величины.

Оставшиеся две хромосомы в каждой клетке называются половыми, поскольку они содержат информацию, определяющую пол будущего индивида. Заметьте, что на рис. 2 две половые хромосомы помещены отдельно. Каждый родитель передает своему потомку только одну из половых хромосом. Половые хромосомы женщин обозначаются символом XX, а мужчин — XY. Если зародыш, получивший от женщины одну Х-хромосому, получит от мужчины также Х-хромосому, то родится девочка (XX). Если же мужчина передает зародышу Y-хромосому, то комбинация ее с женской хромосомой (X) приводит к рождению мальчика (XY). Присутствие хромосомы Y всегда определяет мужской пол новорожденного (даже при хромосомных нарушениях, когда наряду с Y-хромосомой в клетках присутствуют две или более Х-хромосомы).

Хромосомы можно различать и более точно, чем только по их размеру. Использование новой техники окрашивания позволяет обнаружить на каждой хромосоме поперечные полосы (рис. 3). И, по-видимому, так же, как отпечатки пальцев, своеобразие рисунка полос на хромосомах уникально и характерно только для данного индивида[9]. Этот новый метод окраски обусловил значительный прогресс в медицине, так как сделал возможным обнаружение мельчайших дефектов хромосом, которые при применении старой техники оставались незамеченными.

Рис. 3. Нормальные хромосомы в клетке человека, расположенные в порядке убывающей величины и окрашенные с целью показать поперечные полосы.

Сперматозоиды и яйцеклетки

При образовании как сперматозоида, так и яйцеклетки обычное для остальных клеток число хромосом — 46 — уменьшается вдвое, до 23 хромосом. Сливаясь при оплодотворении, они образуют одну клетку, содержащую опять же 46 хромосом. Почему зародышевые клетки содержат только по 23 хромосомы?

И как после оплодотворения происходит разделение хромосом и в процессе роста и развития от единственной живой клетки возникает человеческий организм? Последовательность событий лучше всего проследить, внимательно рассматривая рис. 4.

Рис. 4. Поэтапное деление хромосомы (мейоз).

Начнем с ядра клетки в семенниках мужчины (тот же процесс происходит и в яичниках женщины). Для простоты проследим только то, что происходит с одной из 23 пар хромосом в этом клеточном ядре. Аналогичный процесс, называемый мейозом, происходит с каждой из 23 хромосомных пар в каждой клетке, из которой возникают сперматозоиды и яйцеклетки.

Первый этап: видна одна клетка с парой хромосом.

Второй этап: хромосомы расщепляются продольно и начинают разделяться.

Третий этап: клеточное ядро начинает делиться.

Четвертый этап: клеточное ядро (и клетка, в которой оно находится) разделилось на два новых ядра, содержащих каждое по паре хромосом.

Пятый этап: две хромосомы в каждом из новых ядер, по мере того как клетка и ее ядро делятся, начинают расходиться.

Шестой этап: образовались новые клетки с ядрами, содержащими только по одной хромосоме из предшествующей клетки. Мы можем видеть, что из первоначальной клетки с двумя хромосомами получились четыре клетки с одной-единственной хромосомой в каждой. Так образуются сперматозоиды и яйцеклетки, и они содержат по 23 хромосомы, половину первоначального числа. Когда эти зародышевые клетки при оплодотворении соединяются друг с другом, возникает одна клетка с 46 хромосомами. Следовательно, мы получили половину наших хромосом (а тем самым и генов) от отца, а половину — от матери.

«Умножение» путем деления

Мы вошли в жизнь, как это показано здесь, единственной живой клеткой с 46 хромосомами. Проследим же развитие этой клетки (рис. 5) — ее деление (процесс, называемый митозом) — на модели клетки, содержащей для простоты одну-единственную пару хромосом.

Рис. 5. Поэтапное деление клетки (митоз).

Первый этап: видна единственная клетка с парой хромосом, развитие которых мы собираемся проследить.

Второй этап: каждая хромосома расщепляется продольно, и таким образом возникают две пары.

Третий этап: в каждой паре хромосомы отделяются одна от другой; ядро клетки и сама клетка начинают делиться.

Четвертый этап: партнеры из каждой пары находятся теперь в двух новых клетках. Мы видим, что из одной первоначальной образовались две клетки. Весь процесс деления клетки повторяется бесконечно и в итоге приводит к образованию всех клеток в человеческом теле.

Нормальный процесс деления клетки может быть нарушен, хромосомы яйцеклетки или сперматозоида могут быть аномальными уже во время оплодотворения. И в том и в другом случае последствия почти всегда бывают весьма печальными. Поскольку теперь дефекты хромосом в достаточной мере известны, рассмотрим проистекающие отсюда отклонения несколько подробнее.

Установлена связь некоторых врожденных дефектов или их сочетаний (синдромов) с определенными аномалиями отдельных хромосом. Хромосомные нарушения встречаются примерно у 1 из 200 живорожденных детей. В одних только Соединенных Штатах Америки ежегодно рождается около 20 000 детей с хромосомными аномалиями. Эта цифра охватывает такие случаи, как болезнь Дауна, синдромы, обусловь ленные нарушениями в половых хромосомах и структурными дефектами хромосом.

Конечно, хромосомные аномалии, которые встречаются в абортированных эмбрионах и плодах, чаще всего очень серьезны. Беременности с такими аномалиями приводят к рождению младенцев с тяжелыми врожденными дефектами: очень маленькая голова (черепно-лицевые деформации), катаракта, заячья губа и волчья пасть, одна ноздря, ненормальные уши, недоразвитая нижняя челюсть и пороки сердца — вот только немногие из аномалий[10]. При этом следует помнить, что в сущности любая распознаваемая хромосомная аномалия может быть диагносцирована на раннем сроке беременности, когда родителям еще не поздно принять решение об аборте (см. гл. 15).

Выкидыши

Частота хромосомных аномалий у самопроизвольно абортированных плодов (выкидышей) и эмбрионов значительно выше, чем у новорожденных. Большинство (около 45 %) хромосомно ненормальных плодов, исследованных после самопроизвольного аборта, имеют в каждой клетке лишнюю хромосому. Кроме того, около 20 % выкидышей из той же группы оказываются лишенными одной Х-хромосомы — состояние, которое называется синдромом Тёрнера (см. гл. 3). Поскольку подавляющее большинство выкидышей происходит в первые три месяца беременности и столь многие из эмбрионов и плодов оказываются дефектными, часто говорится, что выкидыши на этой стадии благо, «все к лучшему». Видимо, природа действует так, чтобы избавить нас от больших уродств.

Пилюли

Женщины, принимающие противозачаточные пилюли, должны побеспокоиться не только о собственном здоровье, но и о судьбе своего будущего ребенка еще до его зачатия. Во время исследований, посвященных этому вопросу, канадский ученый, профессор Д. X. Карр заметил, что у эмбрионов и плодов, появившихся на свет в результате самопроизвольных выкидышей, хромосомные аномалии встречаются чаще, если женщина до начала беременности в течение полугода принимала противозачаточные пилюли. Однако он не обнаружил, чтобы женщины, принимавшие противозачаточные средства внутрь в другие периоды, включая и очень близкий ко времени зачатия, имели бы детей с повышенной частотой хромосомных аномалий. Другие исследователи подтвердили эти наблюдения.

Новые технические методы

Обычные микроскопические методы диагностики хромосомных аномалий не выявляют структурных изменений, если они не превышают одной десятой длины хромосомы. Использование новых методов окраски, выявляющих поперечную исчерченность хромосом (см. рис. 3), обогатило наши возможности. Например, при изучении причин умственной отсталости у 70 детей была применена стандартная методика окрашивания хромосом. Первоначальные результаты показали, что все дети имели нормальные хромосомы. Однако применение нового метода окраски хромосом выявило у четырех детей серьезные хромосомные аномалии, не замеченные при обычной процедуре. В настоящее время использование этих новых методических приемов широко доступно в большинстве медицинских центров.

Иногда хромосом оказывается слишком много.

Чаще всего такие аномалии возникают в процессе деления клетки. Этот процесс легче понять при внимательном рассмотрении рис. 6, который представляет собой ту же основную схему, что и приведенная на рис. 4: этапы 1, 2, 3, 4 идентичны. Основное различие мы видим на следующих этапах.

Рис. 6. Аномальное деление клетки (например, в яичнике), в результате которого образуется одна клетка с лишней хромосомой

Пятый этап: клеточное ядро и клетка, в которой оно находится, начинают делиться, а нормального распределения хромосом не происходит.

Шестой этап: обе хромосомы одной пары остаются в одной клетке, скажем в яйцеклетке, а вторая, дочерняя, клетка оказывается лишенной данной хромосомы. Чаще всего это происходит с 21-й хромосомой.

Когда яйцеклетка с лишней хромосомой оплодотворяется нормальным сперматозоидом, возникает зародышевая клетка (зигота) с этой лишней хромосомой. Нарушение расхождения хромосом может начаться еще ранее, например между третьим и четвертым этапами. В результате возникает сперматозоид (или яйцеклетка) с лишней или недостающей хромосомой. Индивид, рожденный с лишней 21-й хромосомой (рис. 7) во всех или многих клетках, будет проявлять признаки болезни Дауна (трисомия 21). Этот наиболее распространенный хромосомный тип болезни Дауна, составляющий почти 96 % всех случаев упомянутого заболевания, считается ненаследуемым вариантом. У остальных 4 % живорожденных детей с болезнью Дауна имеются перестройки хромосом, которые часто передаются по наследству.

Рис. 7. Аномальное число хромосом (47), характерное для болезни Дауна.

_{Для этой болезни типична лишняя 21-я хромосома.}

Феномен нерасхождения с возникновением лишней хромосомы касается не только 21-й хромосомы (болезнь Дауна), но может произойти и с 13-й, 18-й и любой другой хромосомой. Почти во всех этих случаях у ребенка обнаруживаются тяжелые нарушения развития. Особенно интересно и важно следующее обстоятельство: в большинстве случаев появления лишней хромосомы у новорожденного возраст матери достигает по крайней мере 35 лет (см. гл. 15). Имеются какие-то неизвестные факторы, способствующие нерасхождению хромосомы, что приводит к возникновению синдромов трисомии. Такими факторами, в частности, считаются: облучение рентгеновскими лучами (и не обязательно во время беременности!), вирусная инфекция, диабет или болезнь щитовидной железы у матери и даже наличие фтористых соединений в питьевой воде. Неоднократно было также подмечено, что некоторые из серьезных хромосомных аномалий, включая болезнь Дауна, могут возникать «вспышками». Например, значительное число пораженных детей рождается в одну осень или зиму. Это наталкивает на мысль о роли вирусов в нарушении деления клеток эмбриона.

Наличие лишней 21-й хромосомы можно наблюдать в микроскоп. Впервые это показали французский врач Лежен и его коллеги в 1959 г. Обнаружение у плода или ребенка лишней хромосомы означает, что родители неизбежно должны быть готовы к наличию у ребенка умственной отсталости, карликовости, типичного для болезни Дауна лица, маленькой головы и встрече с другими медицинскими, эмоциональными и социальными проблемами. Наличие лишней 13-й хромосомы обычно сопровождается умственной отсталостью, маленькой головой, аномалиями развития ушей и глаз, волчьей пастью, заячьей губой, наличием лишнего пальца на каждой руке, а также другими аномалиями. Лишняя 18-я хромосома вызывает умственную отсталость, дефекты ушей, глаз, рук и головы.

Очень редко ребенок может родиться с одной. недостающей аутосомой. В большинстве случаев эта аномалия настолько тяжелая, что несовместима с жизнью. Если ребенок и рождается живым, то дефекты у него так серьезны, что он неизбежно умирает вскоре после рождения.

Смешение нормальных и аномальных клеток

В процессе клеточных делений могут возникнуть два различных типа клеток: с нормальным числом хромосом и с лишней хромосомой. В результате индивидуум оказывается состоящим из смеси нормальных и аномальных клеток, и у него оказываются аномальными отдельные органы или ткани. Например, клетки с лишними хромосомами находятся у него только в мозгу, в половых органах, в крови и в коже, все же остальные органы образованы нормальными клетками. Такое, состояние называется хромосомным мозаицизмом.

Если 40 % — клеток содержат нормальные 46 хромосом, а 60 %—лишнюю 21-ю хромосому, признаки болезни Дауна могут быть выражены, но в более легкой форме в зависимости от того, какие органы образованы нормальными клетками. Что же касается мозаицизма по другим аутосомам, то он встречается чрезвычайно редко (см. гл. 3).

Даже в том случае, если в клетке присутствуют все хромосомы, одна или две из них могут иногда быть повреждены. Эти структурные изменения обычно бывают следствием разрывов. Разрывы хромосом могут возникать самопроизвольно или в результате известных (например, вирусная инфекция), или же неустановленных причин, влияющих на зачатие. Тенденция к хромосомным разрывам может также передаваться ребенку от родителя или прародителя. Эти структурные хромосомные дефекты также встречаются весьма часто: примерно у одного из 500 живорожденных детей. Хромосомные разрывы служат причиной множества разнообразных изменений хромосомной структуры. К примеру, два маленьких кусочка могут оторваться от концов двух различных хромосом и поменяться местами. Этот процесс, называемый транслокацией, может происходить самопроизвольно во время зачатия или быть унаследованным и передаваться из поколения в поколение. Унаследованный вариант болезни Дауна, о которой мы уже говорили, является следствием транслокации определенных хромосом (например, обмен частями между 14-й и 21-й хромосомами). Когда части хромосом меняются местами без потери хромосомного материала, транслокация называется сбалансированной. Термин «несбалансированная транслокация» употребляется для обозначения перестройки, при которой один из кусков хромосомы теряется. Описанные явления сопровождаются наличием врожденных дефектов и риском повторного рождения в семье пораженных детей.

Многие из нас, не подозревая об этом, являются носителями различных сбалансированных хромосомных аномалий. В одних только Соединенных Штатах Америки ежегодно рождается примерно 7000 детей со сбалансированными и несбалансированными транслокациями. Те из нас, кто является носителем сбалансированных транслокаций, рискуют произвести на свет дефектного потомка: риск этот составляет примерно 10–20 % для будущих матерей и около 4 % — для будущих отцов. Меньший риск для отцов со сбалансированными транслокациями объясняется, по-видимому, тем, что их аномальные сперматозоиды не способны к оплодотворению. Бывают также весьма редкие ситуации, когда хромосомы обмениваются между собой таким образом, что дети рождаются с болезнью Дауна при каждой беременности: 100 %-ный риск!

Не удивительно, что выявление таких транслокаций дело чрезвычайно важное, о чем свидетельствует и приводимый ниже пример (см. также гл. 15).

После того как Джим и Барбара трижды пострадали (три неудачные беременности Барбары), они приняли очень важное решение: исследовать свои хромосомы. Примерно в 3–8 % случаев привычных выкидышей (здесь три выкидыша подряд) один из супругов оказывается носителем хромосомных аномалий. Чтобы обнаружить эти часто весьма незначительные отклонения, обычно прибегают к новому флюоресцентному методу исследования хромосом, о котором мы говорили выше. Когда было установлено, что Барбара является носителем транслокации, супруги разумно решили прибегнуть к помощи пренатальных исследований. Поскольку риск обзавестись дефектным ребенком составлял для них около 10 %, сведения, которые они получили в результате проведенных исследований, доставили им огромное эмоциональное облегчение.

Барбара и в дальнейшем действовала с большим чувством ответственности (очень желательно, чтобы такой образ действий стал правилом): она позвонила или написала каждому члену семьи по материнской линии. Благодаря ее разумному поведению удалось не только выявить других носителей болезни, но и избавить одну из двоюродных — сестер от несчастья иметь ребенка с серьезными врожденными дефектами.

Другие структурные нарушения

Хромосома может разорваться в двух местах: при этом освобожденный участок может повернуться на 180° и вновь встроиться на прежнее место (рис. 8).

Рис. 8. Хромосомная инверсия.

_{Хромосома может разорваться в двух местах и вновь восстановить свою целостность, после того как вырванный участок перевернулся на 180°.}

Поскольку функция генов, по крайней мере в некоторой степени, определяется их положением в хромосоме, этот процесс называемый инверсией, может сопровождаться (но может и не сопровождаться) неприятными последствиями. В зависимости от вовлеченной в процесс хромосомы инверсия влечет за собой такие дефекты, как тяжелая умственная отсталость, слишком маленькая голова (микроцефалия), врожденный порок сердца и другие серьезные врожденные дефекты. Инверсия может быть и наследственной. Другие сложные структурные аномалии хромосом обычно встречаются редко.

Делеция хромосом

Иногда часть хромосомы может просто оторваться и исчезнуть; это явление получило название делеции. И снова в зависимости от размера выпавшей части и от того, какая хромосома вовлечена в процесс, могут возникнуть различные врожденные дефекты. Природа этих дефектов варьирует — от незначительных до в высшей степени серьезных. Мне живо помнится поразительный случай, с которым я встретился, когда работал в Лондоне: делеция произошла в 5-й хромосоме.

Разрывы хромосом

Разрывы хромосом могут быть вызваны многими внешними факторами. В 1971 г. один американский исследователь из штата Оклахома впервые сообщил о случаях разрывов хромосом у некоторых больных, получивших большие дозы специфических липких аэрозолей.

Это сообщение привлекло к себе всеобщее внимание, и Федеральная инспекция пищевой промышленности, лекарственных продуктов и инсектицидов (ФПЛ) почти тотчас же запретила употребление специфических липких аэрозолей. Многие лаборатории в США были наводнены запросами об опасностях, угрожающих населению при их применении, и просьбами об исследовании хромосом. Поскольку исследования в Оклахоме носили предварительный характер и сравнения с достаточным количеством здоровых людей не было проведено, дать какие-либо руководящие советы заинтересованным лицам не представлялось возможным. В связи с этим многие подверглись обследованиям, но почти у всех хромосомы оказались в норме. Весной 1974 г. влиятельный медицинский журнал, выходящий в Новой Англии, опубликовал доклад о результатах хорошо документированного обследования людей, применяющих липкие аэрозоли в большом количестве. Как оказалось, особых повреждений хромосом не было. На этом основании запрет с применения аэрозолей был снят, и в дальнейшем никаких проблем не возникало.

Разрывы хромосом могут быть вызваны многими другими экзогенными факторами. Определенная доза облучения рентгеновскими лучами, полученная, скажем, при серийном рентгенологическом исследовании желудочно-кишечного тракта, способна привести к разрыву хромосом в циркулирующих кровяных клетках. Но обычно это повреждение временное и не порождает проблемы наследования дефекта. Однако облучение рентгеновскими лучами эмбриона или плода может иметь серьезные последствия (см. гл. 10). Обычная вирусная инфекция также может повлечь за собой повреждение некоторых хромосом, но опять же без тяжелых последствий в будущем. Повреждению хромосом способствуют и различные лекарства, в том числе ЛСД; на этом вопросе мы остановимся подробнее в гл. 11.

В сущности, все обсуждение в этой главе ограничивалось рассмотрением 44 аутосом. К несчастью, оставшиеся две половые хромосомы порождают гораздо больше проблем. Знакомство с ними является целью обсуждения в следующей главе.