Оценка соматической нестабильности хромосом разных видов животных

Цитогенетический мониторинг популяций свиней и крупного рогатого скота показал, что среди племенных животных встречаются особи с хромосомными аномалиями, которые в свою очередь являются одним из главных этиологических факторов нарушения воспроизводительных способностей и снижают уровень хозяйственно полезных признаков у сельскохозяйственных животных (Gustavsson I., 1984; Жигачев А.И., 1986; Стефанова В.Н., 1987; Россоха В.Н. и др., 1989;   Кочнева М.Л. и др., 1997).

В последние  годы оценка спонтанной хромосомной  нестабильности в соматических клетках животных привлекает внимание исследователей в связи с возможностью использования данного «феномена» при изучении негативного влияния факторов окружающей среды. Вместе с тем, анализ опубликованных данных показал широкий размах фоновых значений уровня соматической нестабильности хромосом у разных пород и видов животных. Установление популяционных частот спонтанных цитогенетических нарушений является необходимым условием при проведении эколого-генетического мониторинга популяций (Кочнева М.Л., 2001).

При этом важно проанализировать частоту событий спонтанного  мутационного процесса в разные периоды  онтогенеза (Бочков Н.П., Чеботарев А.Н., 1989) в связи с тем, что  с возрастом  наблюдается изменение частоты  цитогенетических нарушений.

Понятие цитогенетическая (синонимы: геномная или генетическая) нестабильность достаточно ёмкое и используется для описания состояния генома клеток как in vivo, так и in vitro, которое характеризуется  повышенным количеством спонтанных повреждений, высокой частотой мутаций и темпов мутирования, повышенным уровнем амплификации генов и изменением генной экспрессии (Безлепкин В.Г., Газиев А.И., 2001).

 Механизмы нестабильности  генома могут иметь особое  значение в жизни клетки (пример  соматического гипермутагенеза при созревании сродства антител), однако нарушение контроля может привести к опухолеобразованию, накоплению мутаций и др. (Зайнуллин В. Г.,  Москалев  А. А., 2000).

По мере старения организма  снижаются его адаптационные  способности, изменяются метаболические процессы в тканях и клетках, происходят значительные сдвиги в нейро-гуморальной регуляции, что, вероятно, вызывает увеличение частоты аберраций с возрастом (Родькина Л.И., 1971).

Изучая зависимость цитогенетических показателей у человека от возраста, Бочков Н.П. с соавторами (2001) установили, что у молодых организмов повышена частота обменных мутаций, тогда как в более зрелом возрасте накапливаются разрывные аберрации. По их мнению, репарация повреждений хромосом протекает эффективнее в более молодом возрасте, что способствует слиянию измененных сайтов хромосом.

В свою очередь Асташевой  Н.П. и Храмцовой А.К. (2002) не выявлена зависимость спонтанного уровня хромосомных аберраций у крупного рогатого скота от возраста. Хотя были отмечены более выраженные индивидуальные колебания в группе телок 14-18-месячного возраста. Спектр спонтанных мутаций лимфоцитов изученных животных включал, главным образом. терминальные делеции (ацентрические фрагменты) - 41,2% и одиночные (хроматидные) интерстициальные делеции - 29,4%.

Красавцевым Ю.Ф. (1980) проведен анализ частоты анеуплоидных клеток в костном мозге свиней от рождения до старости. Было установлено, что  частота анеуплоидии изменяется с возрастом: при рождении - 14,7%, с  наступлением половой зрелости снижается до 8,2%,  а потом опять возрастает и достигает максимума к старости - 19,4%. Средний процент анеуплоидных клеток составил 8,6.

3. Связь хромосомных нарушений с хозяйственно полезными признаками животных

Из числа  хромосомных нарушений у свиней можно выделить две основные группы: хромосомные аберрации, анеуплоидию и химеризм половых хромосом. Наряду с этим следует отметить такое явление, как полиплоидия в раннем эмбриональном развитии.

Одним из положений, объясняющих  появление полиплоидных зародышей, является старение гамет. Так, задержки спаривания свиноматок до 78 часов после  начала течки привели к тому, что 26% свиней имели к 18-му дню гетероплоидных зародышей.

Наиболее хорошо изученными и часто встречающимися нарушениями  кариотипа у данного вида животных и в большинстве случаев не обладающими летальным эффектом являются реципрокные и робертсоновские транслокации, некоторые из которых наследуются, а другие возникают de novо.

Робертсоновские транслокации у свиней наблюдаются относительно редко и в зарегистрированных к настоящему времени случаях в них участвовали хромосомы 13 и 17, 16 и 17. Обследование потомства хряка-носителя транслокации rob(13;17), проведенное при трех различных условиях содержания за три возрастные периода, показало, что данная группа достоверно отличалась более низким среднесуточным приростом от своих сверстников.

В случае с транслокацией  между 16 и 17 (Kochneva M. et al., 1998) поросята-носители мутации не отличались от сибсов по живой массе и экстерьеру.

Среди цитогенетических нарушений у свиней реципрокные транслокации являются наиболее часто встречающимся типом структурных аберраций, чем у других видов домашних животных.

Большинство реципрокных  транслокаций включают  аутосомы различных  морфологических групп кариотипа  и все они были открыты потому, что оказывали влияние на плодовитость носителей-транслокантов. Первая реципрокная транслокация была описана в 1964 г. у хряка породы шведский ландрас, при спаривании с которым у свиноматок было отмечено снижение многоплодия до 5,6 поросенка, или примерно на 56% (Henricson B., Bakstrom L., 1964). При этом фенотипических отклонений и снижения спермопродукции у данного хряка не было выявлено. Цитогенетический анализ установил перенос большой части длинного плеча одной из акроцентрических хромосом на короткое плечо одной из самых маленьких субметацентрических хромосом в наборе. Сын данного хряка, который унаследовал транслокацию от своего отца, использовался в серии спариваний. У этого хряка также наблюдалось снижение плодовитости, но на 34%. Авторы предположили, что уменьшение фертильности произошло из-за образования гамет с несбалансированным геномом, которые вырабатывает транслокант, что приводит к ранней эмбриональной смертности.

Реципрокные транслокации зарегистрированы в самых разных породах свиней. Практически все транслокации отмечены между аутосомами разных морфологических классов и только в двух случаях - между Х  хромосомой и аутосомой. I. Gustavsson et al. (1989) обнаружили у стерильного хряка транслокацию между хромосомами Х и 13. Анализ образцов семени этого животного показал полное отсутствие сперматозоидов. B. Singh et al. (1994) выявили у свиноматки перестройку, включающую Х хромосому и 14-ю аутосому. Было отмечено, что случаи неонатальной смертности у носительницы транслокации выше, чем в среднем по стаду. Хотя размер гнезда у данной свиноматки незначительно ниже среднего показателя по данному хозяйству.

Практически все хряки, у  которых выявлены реципрокные транслокации, имели нормальную спермопродукцию, половую активность, были фенотипически здоровы. Однако у свиноматок, покрытых этими хряками, наблюдалось уменьшение размера пометов. При этом процент снижения плодовитости у носителей разных типов транслокаций существенно варьировал, и даже у животных с одним типом перестройки отмечена разная степень снижения фертильности. Так, в ходе цитогенетического обследования были выявлены два хряка-носителя реципрокной транслокации rcp(7q-;11q+) (Gustavsson I., Settergren I., 1984). Причем один из них имел в среднем 5,3 поросенка за 24 опороса. У его отца  выявлена идентичная перестройка, однако средний показатель у него был 9,8 поросенка за 51 опорос и в течение нескольких лет отличался самым высоким индексом разведения внутри породы. Ряд его сыновей и дочерей использовались в племенных хозяйствах, в системе искусственного осеменения. Авторы предполагают, что влияние этого хряка еще долго будет сказываться при разведении породы шведский йоркшир.

В нескольких случаях  выявлены хряки-носители транслокаций, характеризовавшиеся полной стерильностью. Словацкими учеными в результате исследования кариотипа хряка породы ландрас, который отличался полной стерильностью, установлено транслоцирование сегмента 15q5.2 на длинное плечо одного из гомологов 5-й пары хромосом, а сегмента 5q5.2 - на «освободившееся» место на плече 15q. Отмечено, что выработка спермы у этого животного происходит, но подавляющее большинство спермиев аномальны.

Из числа  структурных перестроек у свиней известно несколько случаев образования  инверсий. У одного хряка породы польский ландрас обнаружена парацентрическая (т.е. не захватывающая центромеру) инверсия на коротком плече 8-й хромосомы inv(8) (p11;p12). К сожалению, влияние данной перестройки на фенотип тестированного животного не было установлено, так как отсутствовали данные по плодовитости хряка. В другом случае у свиноматки выявили перицентрическую (не захватывающую центромеру) инверсию в хромосоме первой пары. Каких-либо нарушений репродуктивных качеств у данной особи не было выявлено.

Хромосомные нарушения  в системе гоносом у свиней по распространению занимают второе место. Описаны разные кариотипические  формы, такие как мозаицизм 38,ХХ/38XY/37,XO; 39,XXY/40,XXXY; 38,XX/39,XXY и анеуплоидия 39,XXY; 37,XO. Данные синдромы сопровождались различными патологическими нарушениями. У хрячка с кариотипом 39XXY/40XXXY  установлены высокое содержание лимфоцитов (диагноз: лимфосаркома) и медленная скорость роста. В другом случае животное с немозаичной формой синдрома 39,XXY характеризовалось гипоплазией семенников, отсутствием сперматогенеза.

Известны случаи химеризма половых хромосом XX/XY у  свиней. Главным образом данное хромосомное  нарушение отмечается у животных-интерсексов. A.A. Bosma et al. (1975) обнаружили XX/XY химеризм у свиньи женского пола, у которой наблюдалась паховая грыжа. Однако интерсексуальность не всегда сопровождается химеризмом гоносом, и кариотип свиней-интерсексов чаще всего определяется как женский. Относительно низкая частота XX/XY химеризма может объясняться тем, что, вероятно, существует механизм, который снижает возможность образования васкулярных анастомозов между плодами в течение раннего эмбриогенеза.

Хромосомные нарушения  у крупного рогатого скота

У крупного рогатого скота описан ряд структурных  и числовых мутаций, из числа которых  наиболее часто встречаются робертсоновские  транслокации, трисомии и химеризм половых хромосом.

В настоящее  время описано около 40 типов центрического  слияния аутосом: 1/29, 1/28, 1/25, 3/4, 3/27, 5/23, 13/21, 14/20 и др.  Наиболее изученной является транслокация между хромосомами 1 и 29 (rob, 1/29), которая зарегистрирована в различных породах и разных странах. Другие типы центрических слияний не имеют столь широкого распространения.

Фенотипический  эффект транслокации 1/29 выражается, главным  образом, в повышении эмбриональной  смертности у животных-носителей  мутации, снижении процента плодотворных осеменений. Так, King W. (1980) показал, что для получения потомства от венгерских симментальских коров гетерозиготных по rob, 1/29 (2n=59, XX; 1/29) требуется на 28% осеменений больше, чем в группе контроля. Причиной является гибель эмбрионов, несущих несбалансированный набор хромосом.

Японскими исследователями  в ходе цитогенетического мониторинга японской черно-пестрой породы выявлены животные, являющиеся одновременно носителями транслокаций 1/29 и 7/21. Частота данного явления была на уровне 0,9%.

У крупного рогатого скота обнаружены также реципрокные  транслокации, однако распространение их незначительно. В частности описана транслокация  rcp (4q; 13q) у фенотипически нормальной коровы.

Инверсии у  крупного рогатого скота, так же как  и у свиней, зарегистрированы в  единичных случаях.

 По данным P. Popescu (1972), у быков пород нормандской, гернзейской, шароле наблюдалось снижение репродуктивных качеств, ассоциированное с инверсией перицентрического типа. В других описанных случаях у носителей инверсий также наблюдалось снижение плодовитости.

Числовые нарушения  у крупного рогатого скота выражаются в основном трисомиями по аутосомам и половым хромосомам, некоторыми формами мозаицизма.  Случаи полных моносомий не зарегистрированы, описано лишь два случая у бычков с мозаичной формой 60, ХУ/59, ХО.

Синдром ХХУ  чаще встречается в мозаичной форме. У мозаичного индивидуума генетически различные клеточные популяции возникают в ходе онтогенеза в результате таких процессов, как соматические мутации, спонтанного или индуцированного нерасхождения хромосом. Описано несколько случаев ХУ/ХУУ мозаицизма у быков (Dobrijanov I.et al, 1970; Hanada H. et al, 1981, Кочнева М. и др., 1994).

В работе J. Mijke & Y. Kaneda (1988) сообщается, что бык-мозаик характеризовался левосторонним крипторхизмом, показатели объема и концентрации спермы были ниже в сравнении с нормальными производителями. В других случаях не отмечено фенотипических нарушений у носителей гоносомного мозаицизма.

Наиболее часто  встречается гоносомный химеризм - наличие у особи двух клонов клеток с набором  половых  хромосом  ХУ  и  ХХ.  По мнению Э. Мак-Ларен (1979), данное явление может возникать в результате комбинации клеток от разных эмбрионов на самой ранней стадии их развития, при оплодотворении одной яйцеклетки двумя или несколькими сперматозоидами, либо яйцеклетки и ее полярного тельца. Но более вероятной причиной возникновения гоносомного химеризма считается обмен кроветворными клетками через анастомозы между плацентами гетерозиготных двоен. При этом фенотипическим проявлением гоносомного химеризма является фримартинизм. Более значительные нарушения

Согласно теории А.Short (1970),  косвенное влияние бычка осуществляется через половые гонады самки посредством мужских гормонов, вызывающих  маскулинизацию полового тракта фримартина. Высказываются и другие механизмы   образования   химеризма    половых     клеток.  В частности,  А.И. Жигачев (1989) поддерживает следующее предположение: в процессе совместного внутриутробного развития разнополых двоен от эмбриона самца в кровь коровы-матери в больших количествах поступают Н-У-антигены, проникающие через анастомозы в гонады эмбриона самки, где и воздействуют на формирование семенника или яичника с тестосодержащей структурой.