Общая информация о хромосомной патологии

Хромосомы и гены

Общая информация о хромосомной патологии

Как наследственная информация хранится в организме

Дело в том, что организм человека представляет собой невероятно сложную систему. В нем насчитывается огромное количество клеток, каждая их которых должна выполнять свою функцию. При этом отличия существуют как на клеточном уровне, так и на уровне отдельных молекул и простейших химических реакций. В идеале все превращения веществ происходят согласованно.

Это можно сравнить с игрой слаженного оркестра из сотни инструментов: каждый музыкант извлекает свои ноты строго в нужный момент, с определенной силой и продолжительностью. В результате отдельные звуки складываются в гармоничное звучание. Однако стоит появиться фальшивой ноте, и благополучный ход произведения нарушается. Если нота одна и практически неслышна – то неподготовленный слушатель даже не заметит разницы. Да и музыка практически не поменяет своего характера. Но если музыкант не просто сфальшивит, а толкнет при этом своего соседа или просто громко чихнет, испугав других, весь оркестр может сбиться. Подобным образом мельчайшие отклонения в организме могут повлиять на общее функционирование клеток, органов и всего тела.

Сбой может случиться также из-за того, что в напечатанные к концерту ноты вкралась ошибка. От ее тяжести также зависит многое: чем больше разница с исходным вариантом, тем больше риск полного провала оркестра. С другой стороны, небольшое отклонение, которое возникло на каждом листе, может оказаться не менее разрушительным по своим последствиям. Поскольку именно нотами определяется каждый нюанс произведения, нарушения на этом уровне зачастую гораздо более опасны, чем индивидуальные ошибки каждого из исполнителей.

Подобно приведенному примеру, в оркестре человеческого организма имеются свои ноты и свои исполнители. В качестве своеобразной партитуры, определяющей каждое взаимодействие с огромной точностью, выступает информация об организме, закодированная в последовательности ДНК.

При этом существует несколько уровней упаковки данных. Структурные единицы ДНК, которые называются нуклеотиды, объединяются в группы. Каждая такая последовательность отвечает за хранение информации об определенном веществе. И каждая оказывает влияние на жизнедеятельность всего организма в большей или меньшей степени.

Последовательность генов формирует нить ДНК, которая особым образом укладывается внутри клетки. Получившееся из нее образование можно увидеть в обычный световой микроскоп во время процесса клеточного деления. Соответствующие органеллы с наследственной информацией назвали хромосомами. Все хромосомы образуют пары, которые всегда отличаются по размеру. Ученые договорились нумеровать их от большей к меньшей. Поскольку распределение генов по хромосомам одинаково, подобная нумерация позволяет однозначно указывать на расположение определенных аномалий в составе генетической информации.

Совокупность хромосом или кариотип хранит все данные о строении конкретного человеческого организма. У разных людей последовательность генов отличается (поскольку сами гены могут отличаться), что становится причиной различий во внешности, протекании некоторых реакций и так далее. В норме каждая клетка человека имеет 23 пары хромосом. Из них выделяется одна пара половых хромосом, которая отвечает за то, будет человек мужчиной или женщиной. Все остальные называются аутосомами.

Почему наследственная информация может повреждаться

В организме также есть клетки, которые называются половыми или гаметами. В них хранится лишь половина стандартного набора хромосом. Это нужно для того, чтобы в процессе оплодотворения зародыш получил полноценное количество генетической информации. Однако в некоторых случаях хорошо отлаженный природный механизм дает сбой.

В частности, нарушение может возникнуть на этапе деления клеточного ядра, в котором и хранится генетическая информация. Иногда хромосомы, которые должны разойтись к полюсам клетки и сформировать одиночные наборы, не могут расцепиться. Соответственно, такая не разошедшаяся хромосома целиком попадет в одну половую клетку. В результате в клетке имеется дополнительная копия части наследственного материала.

Казалось бы, ничего страшного. В привычном мире вещей и информации дополнительный экземпляр принято считать страховкой и определенно хорошим предметом. Но не в организме, баланс которого оттачивался миллионами лет эволюционного процесса. Каждый ген хромосомы отвечает за выработку тех или иных веществ. Причем в норме производится ровно столь «продукции», сколько необходимо для правильного развития зародыша в полноценный организм. Если же информационной базы – то есть генов – оказывается больше, нарушается баланс. Из-за этого процесс развития искажается, что приводит к развитию патологических состояний. Несложно понять, что последствия отклонения на ранних этапах развития зародыша могут стать катастрофическими. Ведь в это время объем плода еще очень невелик, поэтому наличие аномалии оказывает сильное воздействие.

Наличие дополнительной хромосомы, которая у зародыша оказывается третьей, принято называть трисомией. Это частный случай анеуплоидии, то есть нарушения числа хромосом в кариотипе. Многие подобные отклонения вызывают самопроизвольное прерывание беременности. И лишь для некоторых хромосом (к ним относятся 13, 18 и 21) трисомия допускает роды. Трисомия по 18 хромосоме вызывает развитие характерного комплекса нарушений – именно его и называют синдромом Эдвардса.

Есть и другие причины, которые вызывают изменение генной информации. В частности, различные мутации под воздействием разнообразных факторов могут произойти в отдельной клетке. В таком случае последствия для организма будут меньше либо вообще нивелируются.

Устройство генетического материала: гены, ДНК и хромосомы

Для понимания механизма возникновения аномального изменения генетического материала, которое является причиной развития синдрома Патау, нужно представлять себе механизм хранения и передачи наследственной информации в организме. Дело в том, что человеческое тело представляет собой огромное скопление клеток, многие из которых отличаются друг от друга по функциям, строению и необходимым для жизнедеятельности питательным веществам. Однако если просто собрать кучу из отдельных элементов, каковыми являются клетки, тело не возникнет само по себе. Для того чтобы оно появилось, требуется длительный, протяженностью в годы, процесс развития. За это время человек проходит через различные стадии, начиная от одной-единственной клетки и заканчивая полноценно сформированным организмом. Только при этом условии каждая отдельная клетка будет «знать свое место», а также справляться именно с теми задачами, которые ей «по плечу».

Однако недостаточно всего лишь заставить клетки соединиться в нужном порядке, чтобы сформировать органы и системы органов. Ведь каждая из них взаимодействует с соседками, обменивается кислородом и углекислым газом. А внутри клетки в это же время протекают сложные биохимические реакции синтеза, разложения на части и т.д. Очевидно, что без какого-то изначального плана не обойтись.

И такой план действительно существует. Он записан в последовательности нуклеотидов, структурных единиц ДНК. Определенный набор стоящих рядом нуклеотидов, отвечающий за специфическую функцию или признак, называется геном. Примечательно, что в ДНК гены идут в сходном порядке. Точнее, порядок не меняется, а вот сами гены могут отличаться из-за допустимых вариаций либо по причине мутационных изменений.

Существует и более высокий уровень. На нем отдельные молекулы ДНК специальным образом «упаковываются». В результате получаются те самые образования, которые на определенном этапе клеточного деления можно увидеть в световой микроскоп. Их назвали хромосомами. В нормальном организме без каких-либо нарушений они объединяются в пары.

Каждая пара хромосом выглядит как две полоски, соединенные в срединной области. При этом концы, торчащие в одну сторону, обычно больше противоположных. В научном мире они получили название длинных и коротких плеч соответственно.

Характерной особенностью устройства хромосом является тот факт, что их можно упорядочить по размеру. И при этом на одной и той же порядковой хромосоме будут располагаться гены, отвечающие за одну функцию. В итоге ученые могут быстро и точно передавать друг другу позицию гена на хромосоме, длинном или коротком плече.

Как происходит передача генетической информации потомкам?

Однако мало иметь «запись» того, каким образом должен строиться организм. Нужно еще правильно передать эту информацию потомкам. За миллионы лет эволюции природа отточила соответствующий механизм.

Для живых организмов с бесполым размножением все обстоит достаточно просто. Отпочковывается себе новый экземпляр, полностью копируя все необходимые данные, затем отделяется от родителя – и все, в мире на одного больше. Для тех организмов, которые практикуют половое размножение, все несколько усложняется. Ведь в таком случае потребуется скомбинировать информацию о строении и функционировании из двух источников – от матери и отца соответственно.

Для реализации этого процесса предусматривается создание специальных половых клеток – гамет. Каждая из них в нормальном состоянии обладает лишь половинным запасом наследственного материала. Иными словами, вместо 46 попарно объединенных хромосом в них попадает лишь 23. Это необходимо для того, чтобы после слияния в процессе оплодотворения получалась клетка с полноценным набором из стандартного количества пар.

Для того чтобы половая клетка получила половинный набор, используется специальный метод деления. Хромосомы при этом сначала собираются в центральной области клетки, после чего каждая пара разделяется. По отдельности они направляются каждая к своему полюсу. Затем клетка перетягивается пополам и формирует две дочерних. В результате каждая из получившихся половых клеток несет по 23 хромосомы.

Почему иногда процесс передачи информации проходит с появлением аномалий в структуре наследственного материала?

Все происходит ровно и гладко только в идеальном мире. В реальности же всегда остается некоторая вероятность появления нарушений в ходе процесса передачи генетического материала. В частности, ошибка порой возникает из-за того, что сошедшиеся в центральной области хромосомы не могут корректным образом разделиться. В результате пара целиком отправляется к одному из полюсов. Очевидно, что при этом одна из дочерних клеток получит не точный половинный набор, а увеличенный на одну хромосому. Аналогичным образом, второй клетке не достанется необходимого количества.

Случаи подобного нарушения числового состава хромосомного набора называются анеуплоидиями. Их принято разбивать на несколько более мелких категорий, чтобы можно было определить суть произошедшей мутации.

Если в результате нерасхождения хромосом в процессе деления в клетках оказывается недостаточное количество хромосом, то их точно так же будет не хватать и после оплодотворения. Иными словами, вместо полноценного кариотипа из 46 хромосом будет представлен сокращенный набор из 45 штук. Подобная ситуация называется моносомией (от слова моно, то есть один вместо двух экземпляров в норме), для более точного описания указывается также номер отсутствующей хромосомы.

Если же в половой клетке оказалось излишнее количество генного материала, то одна из хромосом оказывается продублированной. Тогда после оплодотворения у зародыша будет тройной набор этой хромосомы. Такие варианты отклонения от нормы называются трисомией, опять же с указанием номера проблемной хромосомы.

В более редких случаях в получившейся после слияния гамет клетке насчитывается не одна лишняя копия хромосомы, а сразу несколько. Подобные аномальные нарушения хромосомного набора называются полисомией.

Наряду с нерасхождением хромосом существуют и некоторые другие формы изменения наследственной информации, которые также могут привести к ее искажению при передаче потомству. В частности, при сохранении количества хромосом может поменяться структура распределения генов по ним.

В процессе некоторых мутаций участок ДНК с содержащимися на ней генами может быть утрачен. Такая аномалия носит название делеция. Если хромосома с потерянными генами передается дочернему организму, то для него это носит эффект, сравнимый с полным отсутствием хромосомы.

При дупликации происходит формирование дополнительной копии уже существующего участка ДНК. В таком случае эффект, производимый дисбалансом числа экземпляров генов, сходен с проявлениями чистой трисомии.

Существует также еще один класс перестроек хромосомного материала, при котором численный состав генов не меняется. Это так называемые транслокации – перемещение участка наследственной информации с одной хромосомы на другую. Если при этом с другой хромосомы на исходную перемещается другой участок ДНК, то транслокация называется реципрокной.

Отдельно рассматриваются так называемые Робертсоновские транслокации (по фамилии ученого, исследовавшего это явление). В таком случае происходит не полноценный обмен генами, а слияние двух хромосом из разных пар. При этом генетический материал, расположенный на коротких плечах, может частично или полностью утратиться.

Транслокации опасны тем, что достаточно незаметны в родительском организме. Однако при передаче наследственной информации детям часть генов может потеряться. В результате у потомства будут наблюдаться яркие проявления соответствующего заболевания.

Факторы, увеличивающие число мутаций

Многие исследования отмечают, что существуют определенные факторы, влияющие на частоту мутаций. В частности, к ним относится воздействие различными химическими веществами. Одним из ярких представителей этого класса является алкоголь. Он вызывает появление различных мутантных отклонений в наследственном материале. Поскольку в женском организме половые клетки закладываются еще во время развития плода, они более подвержены действию агрессивных веществ. По этой причине им не рекомендуется злоупотреблять спиртосодержащими напитками или курением.

Другой пример воздействия – радиационное излучение. Оно вызывает различные повреждения в структуре ДНК, которые не всегда правильно восстанавливаются внутренними системами организма. В результате наследственная информация меняется, что и приводит в дальнейшем к развитию патологических состояний.

Почему изменение числа копий генов настолько сильно воздействует на организм?

Современная наука описала множество хромосомных и генных заболеваний, которые вызываются нарушениями в ДНК. Но с точки зрения обычного человека может быть непонятно, каким образом дополнительная (то есть третья) копия гена приводит к развитию заболевания. Дело в том, что человеческое тело устроено очень сложно. Кроме наличия огромного количества реакций, превращений и трансформаций необходимо тщательное согласование всех процессов. Чтобы это стало возможным, содержание определенных веществ в организме должно максимально соответствовать нормальным значениям. Только в этом случае развитие зародыша будет идти по предусмотренному природой пути.

Если же в генетическом материале имеются искажения – например, три или одна копия гена вместо нормальных двух – то баланс выработки веществ нарушается. Соответственно, ряд реакций не может начаться, другие идут с неверной скоростью или изменившимся образом. Это можно сравнить с перемещением очень большого груза (к примеру, воза) группой отличающихся друг от друга участников (лебедь, рак и щука из известной басни). Если их усилия будут разобщены, воз никогда не доедет в точку назначения. Сходным образом дисбаланс в производстве веществ, необходимых для нормального развития и жизнедеятельности, приводит к аномальному функционированию организма. Вследствие этого развиваются различные отклонения, вплоть до тяжелых врожденных пороков развития.

В случае синдрома Патау «виноватой» оказывается продублированная генная информация из 13 хромосомы.