Цитогенетика животных

24.01.2014

Краткие сведения о структуре и функции хромосом. В зависимости от особенностей организации наследственного аппарата все opганизмы принято делить на прокариоты и эукариоты. Прокариоты характеризуются отсутствием клеточного ядра, отделенного мембраной от остального содержимого клетки. Их генетический материал представлен одной или несколькими молекулами ДНК, сосредоточенными в зоне клетки, именуемой нуклеоидом. Этот генетический материал воспроизводится как одна единица, а в распределении его по дочерним клеткам при делении решающую роль играет контакт с клеточной мембраной.
К эукариотам относятся организмы, у которых генетический материал сосредоточен в хромосомах ядра. Хромосомы, расположенные в клеточном ядре, обеспечивают передачу наследственной информации при размножении половым путем от поколения к поколению и в онтогенезе от клетки к клетке.
Существование у эукариот специализированных «органоидов», обеспечивающих хранение и передачу наследственной информации, в эволюционном плане явилось прогрессивным приобретением, поскольку позволило, с одной стороны, обеспечить более эффективные и устойчивые воспроизводство и передачу наследственного материала, сохраняя постоянное количество его в процессе размножения и онтогенеза, исключая специализированные ткани, а с другой стороны, явилось основой для появления комбинативной изменчивости.
Каждая хромосома гаплоидного (одинарного, присущего половым клеткам) набора характеризуется своим, присущим только для нее набором генов. Для каждого вида характерен свой набор хромосом, характеризующийся их числом, размерами и морфологией, т.е. свой уникальный вариант упаковки наследственной информации, сохранение которой является необходимым условием, обеспечивающим нормальное развитие и жизнедеятельность организмов данного вида. Совокупность хромосом, присущую для организмов определенного вида, принято обозначать термином кариотип. При этом подразумевается использование этого термина в широком смысле. Данный термин идентичен редко используемому термину кариом.
В узком смысле термин кариотип означает совокупность хромосом соматической клетки особи определенного вида, включающую их количественные, морфометрические характеристики и описание дифференциальной их структуры, а также другие индивидуальные характеристики, в том числе наличие и локализацию вторичных перетяжек.
Морфология и номенклатура хромосом. Хромосомы представляют собой нитевидные дизоксирибонуклеотидные структуры, способные к саморепродукции и сохранению своих морфологических особенностей на протяжении ряда поколений.
В настоящее время подавляющее большинство исследований в прикладной цитогенетике выполняется на метафазных хромосомах соматических клеток. Кроме того, без знания характеристик метафазных хромосом невозможно проведение других цитогенетических исследований, в том числе с использованием непрямых методов кариотипирования, которые в силу своей более высокой технологичности начинают находить более широкое применение в цитогенетическом анализе.
Морфологическое строение хромосом наиболее четко выражено в стадии метафазы. В этот период хромосома состоит их двух нитей — хроматид, интенсивно окрашивающихся основными красителями. В определении формы хромосом большое значение имеет положение ее обязательного структурного элемента — первичной перетяжки, в районе которой расположена центромера — специальная структура, управляющая передвижением хромосомы. Центромерный район делит хромосому на два плеча равной или различной длины. В зависимости от его положения определяют три типа хромосом:
1. Метацентрические — центромерный район расположен в середине хромосомы.
2. Субметацентрические — с четко выраженным неравенством плеч.
3. Акроцентрические — центромерный район расположен очень близко к одному из концов хромосомы и почти не просматривается. Эти хромосомы — одноплечие.
Объективным критерием для отнесения хромосом к той или иной группе служат их морфометрические показатели: центромерный или плечевой индексы.
Плечевой индекс определяют как отношение длинного плеча хромосомы к короткому. Центромерный индекс равен выраженному в процентах отношению длины короткого плеча к длине хромосомы.
К акроцентрическим хромосомам принято относить хромосомы с центромерным индексом менее 12,5%, у субметацентриков он находится в интервале от 12,5 до 25,0%, а у метацентриков от 37,0 до 50,0%. Иногда выделяют группу субтело- или субакроцентриков с центромерным индексом от 12,5 до 25,0%.
Измерение хромосом проводят на микрофотографиях с помощью курвиметра или мерного циркуля. Помимо перечисленных характеристик при кариотипировании важен еще один показатель — относительный размер хромосом.
При построении кариотипа существует ряд правил. Принято начинать построение кариотипа с метацентрических или субметацентрических аутосом, располагая хромосомы в порядке убывания относительно размера. При этом хромосомы сходной морфологии объединяют в группы. Порядок расположения хромосом в группах тот же — от большего к меньшему. Чередование групп зависит от центромерного индекса. В последнюю группу всегда входят хромосомы с минимальным центромерным индексом; если в кариотипе есть акроцентрики, кроме половых хромосом, то последнюю пару образуют самые мелкие акроцентрики. Половые хромосомы, независимо от размеров и формы, выделяют в отдельную группу. При отсутствии в кариотипе двуплечих хромосом построение его начинается с самой крупной аутосомы. Нумерацию хромосом начинают с первой пары и заканчивают последней, без учета деления на группы.
При описании хромосом короткое плечо обозначают буквой р, а длинное q. К морфологической характеристике относят также наличие у хромосом вторичных перетяжек, соответствующих зонам ядрышковых организаторов.
При описании дифференциальной окраски хромосом принято делить плечи на зоны (блоки) и полосы. Деление на зоны основано на наличии в плече регулярно воспроизводимых при дифференциальной окраске структур, не зависящих от степени спирализации. Как правило, границу зон проводят в районе крупных положительно или негативно окрашенных полос. При этом существует дополнительное условие — границы проводят так, чтобы зоны не слишком различались по размерам.
Для идентификации полос зоны нумеруют, начиная от центромеры, затем идет нумерация полос в зоне от проксимального к дистальному концу. Подобная система позволяет указать наличие хромосомной перестройки или локализацию определенного гена на хромосомной карте. Например запись локализации гена церуллоплазмина у свиней имеет вид 13q32—13q33, что означает что данный ген локализован на длинном плече хромосомы 13 в районе 2-3 полосы 3 блока.
Для обобщенной характеристики хромосомного набора строят по-ликариограммы и идиограммы. На поликариограмме каждая хромосома представлена точкой двухмерного пространства. Распределение точек на таком графике отражает реальные характеристки хромосом по количественным критериям в нескольких кариотипах. Поликариограмма может быть построена и для отдельных хромосом. В качестве параметров при ее построении берут плечевой или центромерный индекс и относительную длину хромосом.
Идиограмма представляет графическое изображение хромосом с учетом их морфологических деталей: длины, положения центромеры, вторичных пертяжек и при дифференциальной окраске расположения положительно и негативно окрашенных полос. Идиограмма может быть построена по обобщенным данным или для конкретного кариотипа.
Изменчивость хромосомного набора. Изучение хромосомного набора чаще всего проводится в клетках соматических тканей. Хромосомный набор соматической клетки у высших животных диплоидный (2n) и состоит из двух гаплоидных наборов, вносимых мужской и женской гаметами. Поэтому хромосомы набора парные, т.е. каждая хромосома имеет своего морфологического двойника или гомолога. У млекопитающих одна пара хромосом имеет непосредственное отношение к определению пола и называется половой: у самки это XX, а у самца XY-хромосомы. Все остальные хромосомы называют аутосомами. Число хромосом — один из основных признаков кариотипа и характеризуется довольно высокой стабильностью. Помимо хромосомного числа часто при кариотипировании подсчитывают число плеч хромосом и обозначают эту величину.
Несмотря на стабильность хромосомного числа, отклонение от неге встречаются как у отдельных особей, так и практически у специализированных тканей и органов появление клеток с измененным числом хромосом (речь идет о полиплоидии) является нормой. Поэтому, говоря о числовых вариациях кариотипа, всегда надо различать конституционную изменчивость, т.е. наличие одной и той же аномалии во всех клетках организма, и о соматической изменчивости, когда аномалии затрагивают часть клеток и, как правило, затрагивают разные хромосомы.
Отклонение от диплоидного числа может быть двух типов: умножение полного хромосомного набора — полиплоидия, и умножение или уменьшение числа хромосом в случае добавления или утери нескольких хромосом набора — анеуплоидия. В случае утери хромосом говорят о гипоплоидии, а при увеличении числа хромосом — о гиперплоидии. В зависимости от числа утерянных гомологов (один или два) различают моносомию или нулисомию данному гомологу, аналогично при появлении дополнительных хромосом — трисомию или тетрасомию. Возможно сочетание в одной клетки гипоплоидии и гиперплоидии по разным парам хромосом, если при этом число хромосом равно диплоидному, клетку называют псевдоплоидной. В общем случае явление анеуплоидии и полиплоидии объединяют термином гетероплоидия.
Жизнеспособные полиплоидные организмы у высших животных не известны, так как эта аномалия приводит к гибели на ранних стадиях развития. Анеуплоидия же не является абсолютно летальной, поэтому в популяциях отмечают появление таких особей с частотой 1 на 1000-10000. У всех видов сельскохозяйственных животных описаны случаи моносомии и трисомии по половым хромосомам, но случаи анеуплоидии по аутосомам, известные у крупного рогатого скота, не известны у свиней.
Говоря о количественных нарушениях хромосомного числа, необходимо отметить такой вариант, как мозаицизм, когда в части клеток наблюдается гипо- или гиперплоидия по одной и той же хромосоме.
К изменению числа хромосом приводят и так называемые робертсоновские транслокации или центрические слияния, заключающиеся в том, что две акроцентрические хромосомы сливаются короткими плечами. В результате этого возникает новая метацентрическая или субметацентрическая хромосома, а диплоидное число хромосом уменьшается на единицу.
Ho в отличие от анеуплоидии NF в этом случае остается постоянным. Считают, что робертсоновские транслокации являются одним из механизмов эволюционного изменения кариотипа.
К структурным аномалиям относят реципкорные транслокации, т.е. обмен участками плеч между двумя хромосомами.
При описании робертсоновских и реципкорных транслокаций придерживаются определенных правил нотации. Робертсоновская транслокация обозначается символом Rt, через дробь указывают номера хромосом, вовлеченных в перестройку, так, запись Rt 59, XX, 1/29 означает, что обследованное животное (корова) несет транслокацию робертсоновского типа, в которую вовлечены 1 и 29 хромосомы, 59 в данном случае — диплоидное число, XX — хромосомная формула пола (в данном случае не изменена). Запись Rt, 60, XXX, 1/29 означает, что, помимо данной транслокации, животное является трисомиком, а 60 — псевдодиплоидное число. Иногда вместо диплоидного числа указывают число аутосом, тогда перед хромосомной формулой ставят знак «+». В случае анеуплоидии по аутосомам после диплойдного числа и формулы пола указывают номер избыточной или недостающей хромосмы со знаком «+» или «-» соответственно.
Реципкорные транслокации обозначают символом гср, при этом указывают номера хромосом и их плечи, вовлеченные в транслокацию. При неравном размере транслоцированных блоков (а именно только такие транслокации выявляются при однородной или рутинной окраске) хромосома, с которой транслоцирован большой блок, обозначается знаком «-», а хромосома, на которую перенесен, знаком «+». Так, запись гср 4р+; 13q- означает, что произошла транслокация между коротким плечом хромосомы 4 и длинным плечом хромосомы 13. В том случае, если перестройка выявлена с использованием дифференциальной окраски, указывают локализацию точек разрыва, знаки «+>> и «-» в этом случае опускают. Например, запись гср 1q23; 6р12 читается так: реципкорная транслокация с точками разрыва на длинном плече хромосомы 1 в районе третьей полосы второго блока и на коротком плече хромосомы 6 в районе второй полосы первого блока. Символы Rt и гср могут быть опущены.
У животных робертсоновские и реципкорные транслокации, как правило, сопровождаются нарушением репродукции, эмбриональной и постнатальной смертностью. К числу структурных аберраций конституционного типа относятся также дупликации и инверсии, но в популяциях сельскохозяйственных животных они встречаются крайне редко и фенотипический эффект их не изучен.
Преставление об изменчивости организма было бы неполным, если ограничиться только рассмотрением конституционных изменений. Кроме структурных аномалий, которые могут появляться в части соматических клеток, рассмотренных выше, существуют аномалии, присущие только популяциям клеток — это пробелы, разрывы хромосом, делеции, а также дицентрики, т.е. аберрации исходного типа, предшествующие транслокациям, инверсиям и дупликациям.
Изучение вариобельности кариотипа соматических клеток имеет практическое значение, во-первых, как модель при изучении действия различных повреждающих агентов (радиации, химического загрязнении и др.), во-вторых, изучение этих показателей позволяет оценить степень поражения генетического аппарата конкретного животного, и в-третьих, оценить вероятность возникновения генетических аномалий в потомстве данного животного. Действительно, если аберрации возникли в одной ткани, то они с определенной вероятностью возникнут и в других, в том числе и генеративных. Следовательно, чем выше уровень, изменчивости кариотипа в соматических клетках, тем выше вероятность возникновения гамет с хромосомными аномалиями.
Кариотипическая нестабильность у крупного рогатого скота. За последние три с небольшим десятилетия, развитие цитогенетики характеризовалось внедрением различных методов анализа хромосом, что позволило исследователям из разных стран установить все хромосомы наборов (число и их размеры), локализацию хромосомных структур, идентифицировать основные нарушения кариотипов и изучить, хромосомный полиморфизм у основных видов сельскохозяйственных животных. Успешному внедрению цитогенетических методов в практику животноводства способствовало прикладное значение исследований хромосомных наборов животных.
Согласно экспериментально установленным данным аномалии хромосом являются причиной снижения признаков продуктивности и воспроизводительных качеств животных в связи с эмбриональной смертностью, рождением плодов с уродствами и падением плодовитости у носителей аберрантных хромосом и у их потомков. Так, у крупного рогатого скота эмбриональные, плодные и перинатальные потери варьируются в широких пределах и составляют 35-44%. Пo некоторым данным до 37% эмбрионов у этого вида сельскохозяйственных животных гибнут до рождения из-за разнообразных хромосомных аномалий.
Введение в практику скотоводства современных приемов селекции ведет к возрастанию влияния ограниченного числа производителей на генофонд стада. При этом существенно повышается риск распространения в популяциях различных наследственных патологий. В первую очередь к ним относят числовые нарушения хромосом.
Числовые мутации хромосом, к которым относят гаплоидию, гипер- и гипоплоидию, у крупного рогатого скота представлены в основном трисомиями в системе аутосом и половых хромосом, а также различными мозаичными вариантами этих патологий.
Нарушения числа отдельных хромосом (трисомия, моносомия) возникают вследствие нерасхождения хроматид во время второго мейотического деления или хромосом при первом мейотическом делений. Трисомия и моносомия могут также возникать и в результате нарушения расхождения или утраты митотических хромосом в самом начале либо в течение эмбриогенеза. Анеуплоидия хромосом приводит к значительным изменениям в генотипе организма, что в свою очередь обуславливает гибель или рождение с множественными пороками развития.
Как правило, анеуплоидии по аутосомам у крупного рогатого скота, так же как и у других млекопитающих, возникают de novo, поскольку моносомики и трисомики (за исключением отдельных случаев) не выживают и не оставляют потомства.
У крупного рогатого скота трисомии по аутосомам в большинстве своем легальны, вследствие эмбриональной или перинатальной смертности особей. В отдельных случаях не установлено летального эффекта трисомий. Интересен факт рождения фенотипически и кариотипически нормального теленка (2n = 60, XY) у коровы с трисомией по 22 паре хромосом. Животное с трисомией имело пупочную грыжу, свищ мочевого прохода и слабо выраженную прогнатию нижней челюсти. Данная форма трисомии не была летальной и даже не оказала влияние на фертильность животного.
В отличие от трисомий, моносомии аутосом у крупного рогатого скота, вероятно, приводят к ранней эмбриональной гибели. Известны случаи обнаружения эмбрионов с моносомией первой аутосомы в возрасте 13 дней.
Числовые аномалии половых хромосом составляют значительную часть хромосомных нарушений, описанных у крупного рогатого скота и представленных в основном трисомией по Х-хромосоме, синдромом XXY (бычий гипогонадизм), различными формами мозаи-цизма и химеризмом.
Особи с избытком или недостатком половых хромосом характеризуются, как правило, нарушениями плодовитости, а в некоторых случаях — жизнеспособности. Выживаемость животных с дисбалансом в системе половых хромосом связана, по-видимому, с механизмами, которые обеспечивают постоянство активных Х-хромосом за счет инактивации одной или более Х-хромосом при патологических состояниях.
Трисомия половых хромосом выявлена в различных породах крупного рогатого скота и сопровождается иногда явным нарушением фенотипа животного. G. Rieck описал корову с трисомией X, которая имела искривление позвоночника (кифоз) и общее недоразвитие организма. В других случаях выявлены животные с недоразвитыми яичниками, у которых наблюдалось полное или частичное снижение плодовитости. В ряде случаев трисомики по половым хромосомам, достигая половозрелого возраста, способны оставлять потомство. При исследовании телки с гипоплазией яичников в ее кариотипе было обнаружено два хромосомных нарушения — трисомия по половым хромосомам и робертсоновская транслокация 1/29. Исследованное животное имело кариотип 2n = 60, XXX, + t (1/29).
Животные с кариотипом 61, XXY встречаются реже, чем животные с кариотипом 61, XXX, так как быки интенсивнее выбраковываются в раннем возрасте из-за существенного нарушения роста и развития. У взрослых особей наблюдается гипоплазия семенников, некроспермия или олигоспермия и ряд других дефектов. Описана сложная мутация у белка с аномалиями наружных половых органов и отсутствием сперматозоидов. В кариотипе животного с синдромом Клайнфельтера присутствовала робертсоновская транслокация (2n = 61, XXY, t (1/29).
Более распространенными мутациями в системе половых хромосом у крупного рогатого скота являются мозаицизм и химеризм, которым часто сопутствует интерсексуальность.
Гоносомальный мозаицизм в различных вариантах: 60, XY/61, ХXY; 60, ХХ/61, XXY; 60, XY/60, XX, 61, XXY; 60, ХХ/61, XXY; 60, 4Y/61, XXY/78, XXY и другие обнаруживают у животных с нарушением половых рефлексов, снижением подвижности сперматозоидов, с гипогонадизмом, крипторхизмом, фримартинизмом, мускулинизацией гонад.
Несмотря на близость мозаицизма и химеризма, следует различать эти понятия. Мозаицизм предполагает наличие клеток в организме с различным набором хромосом при условии, что все они ведут начало от Одной зиготы. При химеризме клоны клеток с различными наборами хромосом происходят от двух или более зигот. Мозаицизм возникает в результате нарушения митоза во время раннего дробления при делении зиготы.
Химеризм по половым хромосомам у крупного рогатого скота встречается с частотой в среднем около 2,2%. Эта аномалия возникает в результате обмена стволовыми клетками через анастамозы хориона при многоплодной беременности (постзиготный химеризм) или путем слияния бластоцистов — полиандрия или полигиния (зиготный химеризм). В обоих случаях наблюдается появление у фенотипических самцов определенного числа клеток с женскими XX, а у самок — с мужскими половыми хромосомами XY, частота которых может изменяться от 0 до 100% и остается константной в постнатальном онтогенезе.
D некоторых случаях химеризм выявляется только у одного родившеюся животного, что можно объяснить гибелью второго плода на ранних стадиях эмбрионального развития. Телки-фримартины почти всегда бесплодны. Имеется лишь несколько публикаций, в которых сообщается о фертильных животных. В отношении воспроизводительных функций быков с химеризмом мнения разноречивы. По данным одних авторов, у быков с XX/XY-химеризмом наблюдается ухудшение качества семени, понижение плодовитости или даже стерильность; по другим — не установлено негативного влияния химеризма по половым хромосомам на воспроизводительные функции производителей.
Химеризм по половым хромосомам у гетеросексуальных двоен возникает не всегда. Известны случаи появления телок из разнополых двоен с кариотипом 60, XX.
У крупного рогатого скота аномалии в системе половых хромосом, в отличие от аномалий аутосом, имеют более широкое распространение, приводят в основном к нарушениям плодовитости животных и не являются летальными.
Мутации, затрагивающие изменения целых геномов как в сторону их увеличения, так и уменьшения, у крупного рогатого скота не описаны. Очевидно, гаплоидия и полиплоидия несовместимы с постнатальным развитием.
Известно, что полиплоидия может возникать в результате нарушения в мейозе или во время оплодотворения. У животных обнаруживают диплоидные гаметы, которые сформировались в результате не-расхождения хромосом в мейозе. Такие случаи полиплоидии связаны с нарушением образования веретена или тянущихся нитей в анафазе. Полиплоидия может также являться следствием оплодотворения одной яйцеклетки с гаплоидным набором хромосом двумя или более сперматозоидами. В некоторых случаях полиплоиды возникают при задержке первого дробления зиготы. Факторы, способствующие образованию полиплоидии, — старение гамет при задержке овуляции, длительное хранение спермы и задержка оплодотворения самок. Слияние клеток может индуцироваться вирусами. На разрыв нитей веретена деления могут оказывать влияние лекарственные препараты.
Полная гаплоидия и полиплоидия встречаются у эмбрионов крупного рогатого скота только на самых ранних стадиях пренатального развития (от 2 до 32 клеток). В мозаичной форме полиплоидные клетки 3n и 4n обнаружены у нескольких животных. Мозаики типа 2n/3n у крупного рогатого скота ассоциируются с интерсексуальностью у животных.
Наиболее часто встречающимися числовыми нарушениями хромосом у крупного рогатого скота являются трисомии гоносом и аутосом, большая часть из которых вызывает нарушение плодовитости, приводит к гибели эмбрионов и плодов или рождению особей с множественными пороками развития.
Хромосомные аберрации. У крупного рогатого скота описан широкий спектр структурных нарушений хромосом, которые, как известно, возникают в результате спонтанных или индуцированных ломок, разрывов и последующих воссоединений хромосом новым способом. Сбалансированные по основному генетическому материалу аберрации (транслокации и инверсии) проходят сквозь сито презиготического и зиготического отбора и наблюдаются у 50% потомства, если один из родителей гетерозиготный, в 100% — если один из родителей — гомозиготный носитель. Хотя транслокации и считаются сбалансированными аберрациями, но в процессе мейоза у гетерозиготных носителей перестроек может нарушаться процесс конъюгации и расхождения гомологичных хромосом, что приводит к образованию гамет с нехваткой или избытком хромосом. Несбалансированные аберрации (делеции, дупликации, изохромосомы и кольцевые хромосомы) приводят к нарушению баланса генов, следствием которого может быть отсутствие или изменение действия генетического контроля на самые разные признаки организма.
Наиболее распространенной структурной перестройкой хромосом у крупного рогатого скота являются транслокации типа центрических слияний или робертсоновские, среди которых транслокация 1/29 изучена наиболее полно.
К настоящему времени транслокация 1/29 зарегистрирована более чем в 50-ти породах крупного рогатого скота. Установлены породные различия в частоте встречаемости этой транслокации. В швицкой породе в США частота транслокации 1/29 составляет 2,4 %; в симментальской в Венгрии — 3,27%, в Англии — 4,8%, в России — 7,1—10,0%, на Украине — 8,4%; в красной степной породе в России — 3,3%.
Возможная причина варьирования степени распространения хромосомных аберраций среди разных пород крупного рогатого скота связана прежде всего с численностью исследованных животных в данной породе, ее инбредностью, жесткостью и направленностью отбора, а также с фенотипическим проявлением и влиянием аберраций ил воспроизводительные качества животных.
Наиболее часто данная аберрация регистрируется в породах красного, палево-пестрого и бурого корня, а также в тех породах, которые созданы на их основе.
У носителей робертсоновской транслокации отмечают снижение плодовитости, рост эмбриональных потерь, которые оцениваются в пределах 4-10%.
У крупного рогатого скота наряду с транслокацией 1 и 29 хромосом обнаружены еще более 30 различных вариантов центрических слияний, число которых постоянно возрастает. Описаны с низкой частотой центрические слияния хромосом 1/21, 1/25, 1/26, 2/4, 4/8, 7/21, 13/24, 14/20, 14/21, 14/28, 21/27 и др. Интересно отметить, что из 29 пар аутосом крупного рогатого скота только пары 15, 17, 19 и 22 пока не вовлечены в этот тип транслокации.
Накопленные сведения о фенотипических эффектах робертсоновских транслокаций все же недостаточны для полной оценки их влияния на хозяйственно-полезные признаки животных. Имеются данные о том, что одна и та же структурная мутация может отрицательно влиять на плодовитость и в то же время быть связанной с повышенной мясной и молочной продуктивностью животных. Можно предположить, что увеличение продуктивности в этом случае есть результат гетерозиготного эффекта, обусловленного блоком генов, сцепленных с данной транслокацией. Выявление, сохранение и рациональное использование носителей таких уникальных комбинаций генов является, несомненно, одним из перспективных путей повышения продуктивности сельскохозяйственных животных.
Соматическая хромосомная нестабильность у животных. Феномен нестабильности хромосом в соматических клетках человека и животных известен на протяжении многих лет.
Хромосомная нестабильность или неспецифические хромосомные изменения кариотипа — это нарушения, которые присутствуют в небольшой части клеток организма. Неспецифические хромосомные аберрации, возникающие в митозе или мейозе, выражаются в появлении анеуплоидов, разрывов, ди- и трицентрических хромосом и других аномалий. Хромосомная нестабильность кариотипа свойственна в той или иной мере практически всем особям в популяции и служит одним из показателей для оценки естественной мутабильности хромосом.
Причиной образования хромосомной нестабильности в клетках является ее связь с нарушением работы одного или нескольких ферментов, ответственных за поддержание структурной целостности генома. По мнению Н.П. Дубинина, неспецифические хромосомные аберрации являются следствием нарушения в системах репарации или репликации хромосом. Угнетение иммунитета и иммунные конфликты могут приводить к увеличению в организме числа клеток с цитогенетическими нарушениями.
Спонтанные нарушения хромосомного набора в клетках соматических тканей человека и сельскохозяйственных животных представлены широким спектром изменений, затрагивающих как число, так и структуру хромосом (анеуплоидия, полиплоидия, делеции, транслокации и др.).
Обобщая результаты о частоте клеток с аберрациями хромосом у человека (без учета пробелов и гэпов), на основании данных многих исследователей можно констатировать, что она составляет около 1—3%. Аберрации хроматидного типа (в основном одиночные фрагменты) составляют 50-70% от всех аберраций.
Уровень спонтанных нарушений хромосом у крупного рогатого скота находится в широких пределах от 0,17 до 36,0%.
У животных черно-пестрой, симментальской, холмогорской, швицкой, красной степной пород частота анеуплоидии в соматических клетках равна 6,3-9,9%. В период выращивания до 18 месяцев у телок помесей первого поколения черно-пестрой и голштинской пород уровни гиперплоидии составляют 2,49-3,89%, гипоплоидии — 25,07-35,71%, полиплоидии — 1,85-2,24%, клеток со структурными аберрациями — 0,58-0,81%. Структурные мутации у крупного рогатого скота встречаются с частотой 0,40%, геномные мутации — 9,01%.
Несмотря на распространенность этого феномена, вопрос о связи спонтанной изменчивости кариотипа с продуктивными и репродуктивными качествами, отдельными болезнями и врожденными патологиями у сельскохозяйственных животных изучен в меньшей степени, чем влияние на эти признаки конституциональных аномалий.
Имеются сведения о положительной корреляции между уровнем полиплоидных клеток в крови и степенью гипертрофии мышц у быков кианской и шаролезской пород.
Полиплоидизация клеток является характерной чертой для ряда органов и тканей организма. Соматическая полиплоидия связана с интенсивностью пролиферативных и обменных процессов, с увеличением объема и массы клеток у животных.
Повышение уровня спонтанных аномалий кариотипа в соматических тканях связано со снижением репродуктивных качеств у животных.
У крупного рогатого скота возрастает нестабильность хромосом у животных с пониженной воспроизводительной функцией. Существуют различия в репродуктивных качествах коров в зависимости от уровня их кариотипической изменчивости.
Отмечено возрастание нестабильности хромосом у животных, больных лейкозом, бруцеллезом. При цитогенетическом обследовании крупного рогатого скота с клинической формой лейкоза выявлено повышение в 5 раз уровня полиплоидии у больных животных в сравнении со здоровыми.
В литературе описаны случаи о наличии связи целого ряда патологических состояний у животных с повышением частот полиплоидных и анеуплоидных клеток, фрагментов и разрывов хромосом.
А. Герцог опубликовал результаты многолетних исследований телят с различными врожденными пороками развития. Им установлено повышение частоты хроматидных и изохроматидных разрывов у телят, больных паракератозом. Отмечается также, что у отцов и матерей телят с клиническими признаками паракератоза число хромосомных разрывов достоверно выше — 11,1 и 9,5% соответственно, чем у родителей здоровых телят— 1,4%. Автор предлагает использовать число хромосомных разрывов как маркер гетерозиготности по наследственному паракератозу. Он же сообщил о высокой частоте тетраплоидных клеток у 24 телят с врожденными аномалиями центральной нервной системы и у 25 телят — носителей синдрома общей карликовости.
Анализ частоты хромосомных аберраций у быков, различающихся по уровню перинатальной смертности потомства, выявил возрастание смертности потомков у производителей с высокой частотой хромосомных нарушений (коэффициент корреляции +0,46).
У телки черно-пестрой породы с каудоректоурогенитальным синдромом и санкообразностью конечностей был установлен высокий уровень полиплоидии (26,3%). Высокая частота тетраплоидных клеток найдена у теленка с врожденным укорочением шеи. Для телят с врожденной атаксией характерны разрывы и фрагментация хромосом. Выраженную ассоциативность расположения хромосом и мозаицизм по центрическим слияниям хромосом наблюдали у бычков чернопестрой породы с врожденной деформацией передних конечностей.
Частые перегулы у животных, повторные аборты, рождение мертвого и нежизнеспособного приплода могут быть показаниями для проведения кариотипического анализа у таких особей.
Иногда у животного с высокой частотой аберрантных клеток рождается потомок с той же особенностью. D. Di Berardino описал корову фризской породы с 8% аберрантных клеток (в контроле 3%), у которой родился теленок с врожденным уродством передних конечностей и с 25% аберрантных клеток в кариотипе (разрывы хроматид и хромосом, центрические слияния, хромосомные фрагменты и делеции). По мнению авторов, здесь имела место наследственная передача хромосомной нестабильности.
В некоторых случаях при цитогенетических исследованиях животных с разнообразными врожденными патологиями (паракератозом, аномалиями центральной нервной системы, удвоением лицевой части черепа, атрезией анального отверстия, пропорциональной карликовостью, гигантизмом и другими патологиями) не выявлено каких-либо отклонений от кариотипической нормы.
Представляет интерес изучение вопроса о возможности экстраполяции величин спонтанной хромосомной нестабильности в соматических тканях на зародышевые клетки организма, участвующие в оплодотворении.
Имеющиеся сведения о наличии либо отсутствии параллелизма мутационных процессов, происходящих в клетках соматической и генеративной тканей, не позволяют пока прийти к определенному мнению на этот счет. В то же время точно установлено, что в половых клетках в 2-3 раза больше числовых и структурных мутаций хромосом в сравнении с клетками крови. Частота аберраций хромосом в эмбриональной ткани в 2,5-3,2 раза больше, чем в лейкоцитах беременных. В костном мозге больше структурных аберраций и хромосомных отставаний в анафазе, чем в сперматоцитах. Установлен параллелизм возрастного увеличения мутаций хромосом в гаметах и соматических клетках при старении.
Таким образом, лабильность кариотипа присуща всем организмам независимо от видовой, половой и возрастной принадлежности, а также морфофункционального состояния.