В последние десятилетия наблюдается стойкая тенденция к повышению возраста деторождения. Если 20 лет назад возраст женщины при рождении первого ребенка составлял около 25 лет, то сейчас у многих женщин первые роды происходят между 30 и 35 годами [1]. Например, в 2013 г. в США 43% живорождений пришлось на возраст женщины 30 лет и старше [2]. При этом, по меркам классического акушерства, женщину, рожающую первого ребенка после 28 лет, называли «старородящей» или «пожилой первородящей» и относили ее к группе повышенного риска развития осложнений беременности и родов.

В настоящее время многие женщины рожают детей в возрасте 40 лет и старше. Существует отчетливая тенденция к снижению частоты наступления беременности, повышению риска ее прерывания и увеличению вероятности рождения детей с хромосомной патологией у женщин старшего репродуктивного возраста по сравнению с молодыми [3]. В связи с этим возникает вопрос о том, как именно возраст женщины влияет на качество половых клеток и здоровье будущего ребенка.

Одной из ведущих причин спонтанного прерывания беременности и врожденных пороков развития плода являются генетические нарушения, возникающие вследствие ошибок расхождения хромосом во время мейотического деления ооцитов [4]. Ооциты более подвержены ошибкам, чем сперматоциты и делящиеся путем митоза соматические клетки [5]. Большинство анеуплоидий, обнаруживаемых у эмбрионов человека, происходят из яйцеклетки, а не из сперматозоида [4, 6—10]. Известно, что 88% трисомий по21-й хромосоме имеют материнское происхождение, 8% — отцовское и 4% возникают вследствие ошибок митоза на ранних стадиях развития эмбриона [11]. Установлено, что анеуплоидными являются около 30% ооцитов и только 1—2% сперматозоидов [11], вероятно, из-за значительных различий в процессе мейоза у мужчин и женщин. У мужчин сперматогенез начинается после пубертатного периода и продолжается в течение всей жизни. Напротив, у женщин мейоз инициируется во время внутриутробного развития плода, останавливается на стадии профазы I перед рождением девочки, возобновляется только в процессе овуляции во взрослом возрасте и происходит циклически вплоть до менопаузы [4].

Ограниченный резерв ооцитов формируется еще до рождения девочки, при этом их качество с возрастом снижается, что приводит к снижению фертильности и прогрессивному увеличению числа яйцеклеток с аномальным количеством хромосом [5].

Анеуплоидия — явление, при котором клетки организма содержат число хромосом, некратное гаплоидному (одинарному). Анеуплоидии делят на трисомии (2n+1), тетрасомии (2n+2), двойные трисомии (2n+1+1), моносомии (2n—1) и нуллисомии (2n—2) [12].

Аутосомные моносомии обычно погибают до клинически установленной беременности, трисомии обусловливают тяжелые аномалии развития плода и в 30% случаев приводят к самопроизвольному патологическому прерыванию беременности. Некоторые аутосомные трисомии и анеуплоидии по половым хромосомам совместимы с жизнью, самая частая из них — трисомия по 21-й хромосоме (синдром Дауна) [11, 13]. Частота трисомии эмбриона при клинически установленной беременности остается низкой у женщин в возрасте 20 лет (около 2—3%) и увеличивается примерно до 35% в возрасте 40 лет [14].

Внутриутробно до 6—7-й недели эмбрионального развития в первичную гонаду из области основания желточного мешка мигрируют половые клетки гоноциты. С окончанием этого периода заканчивается индифферентная стадия развития гонады. Половая дифференцировка индуцируется половыми хромосомами. Формирование гонады женского типа начинается с 8—10-й недели внутриутробного развития. Первичные половые клетки превращаются в оогонии, которые затем размножаются путем митотического деления (рис. 1).

Мейотическое деление состоит из следующих фаз: профаза I (включает 5 стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез), метафаза I, анафаза I, телофаза I, затем профаза II, метафаза II, анафаза II, телофаза II [16]. Лептотена (стадия тонких нитей) — начало конденсации хромосом. Зиготена (стадия сливающихся нитей) — сближение и начало конъюгации гомологичных хромосом; к концу ее все гомологи объединяются в биваленты (рис. 2).

В профазе I происходит конъюгация гомологичных хромосом (синапсис) и рекомбинация (обмен ДНК между гомологичными хромосомами) [4]. Этот процесс называют гомологичной рекомбинацией (см. рис. 1) [17]. Связи между гомологичными хромосомами устанавливаются на ранних стадиях развития ооцита во время роста плода женского пола [17]. Материнская и отцовская хромосомы соединяются с помощью белкового синаптонемного комплекса, в результате чего происходит кроссинговер — процесс обмена гомологичными участками ДНК между гомологичными хромосомами [5, 18]. После завершения кроссинговера комплекс исчезает, гомологичные хромосомы прочно связываются перекрещенными молекулами ДНК (хиазмами). Синаптонемный комплекс состоит из центрального элемента и двух латеральных элементов. Основа протяженных латеральных элементов синаптонемного комплекса — структура из 4 белков когезинов (от англ. cohesion — сцепление) [18].

Накануне мейоза в хромосомах появляется специфический белок когезин REC8, к нему присоединяются 3 других белка когезина. Этот когезиновый комплекс располагается внутри хромосомы между двумя сестринскими хроматидами, удерживая их вместе. С комплексом когезинов связываются мейоз-специфичные белки, которые становятся главными белками хромосомных осей и превращают эти оси в латеральные элементы синаптонемного комплекса [18—20].

Когезин склеивает сестринские хроматиды между собой в области центромер (кинетохоров) и в области мест кроссинговера (проксимальный когезин) (см. рис. 2) [5, 18—20]. Когезин дистальнее мест кроссинговера (дистальный когезин) связывает гомологичные хромосомы [5, 19, 20]. В районе кинетохора когезины защищены белком шугошином (от японского слова — защита), который препятствует гидролизу когезина REC8 сепаразой [5, 18, 21, 22]. Протеины шугошина локализуются в обеих перицентромерных областях сестринских хроматид [5, 23].

Когезины — белки, которые играют ключевую роль в процессе сцепления и расхождения хромосом во время деления клетки, регулируют процесс разделения сестринских хроматид. Центромера — участок хромосомы, связывающий сестринские хроматиды. Кинетохор — белковая структура на хромосоме, к которой крепятся волокна веретена деления, формируется в области центромеры (см. рис. 2). Кинетохоры сестринских хроматид должны функционировать как единый кинетохор, чтобы обе сестринские хроматиды гомологичной хромосомы отошли к одному полюсу в процессе мейоза I.

Таким образом, в профазе I образуется структура из двух связанных гомологичных хромосом, называемая бивалентом (см. рис. 1, 2). Затем ооцит вступает в состояние клеточного покоя, происходит остановка развития — 1-й блок мейоза на стадии диктиотены, которая у человека может длиться десятки лет [5].

В пубертатном периоде после установления менструального цикла под действием лютеинизирующего гормона (ЛГ) возобновляется мейоз, и ооцит выходит из стадии диктиотены. Диакинез (стадия обособления двойных нитей) характеризуется уменьшением числа хиазм. Далее фрагментируется ядерная оболочка, формируется веретено деления [9]. На стадии метафазы I биваленты выстраиваются по экватору веретена, образуя метафазную пластинку. В анафазе I начинается движение гомологичных хромосом к противоположным полюсам клетки. В телофазе I образуется ооцит второго порядка и первое полярное тело (ПТ1). В профазе II в ооците второго порядка формируется веретено деления. На стадии метафазы II связанные между собой сестринские хроматиды выстраиваются в метафазную пластинку, наступает 2-й блок мейоза (см. рис. 1).

Ооцит 2-го порядка останавливается на стадии метафазы II, в таком состоянии он во время овуляции выходит из зрелого фолликула в брюшную полость, затем транспортируется в маточную трубу, где происходит встреча со сперматозоидом [5]. Оплодотворение снимает 2-й блок мейоза; 2-е мейотическое деление завершается после проникновения сперматозоида в ооцит [24].

В процессе анафазы II и телофазы II один набор сестринских хроматид остается в яйцеклетке, другой набор уходит во второе полярное тело (ПТ2). ДНК яйцеклетки и сперматозоида формируется в женский и мужской пронуклеусы, которые затем сливаются друг с другом перед первым митотическим делением эмбриона (см. рис. 1) [24, 25]. Данный процесс происходит регулярно в каждом овуляторном менструальном цикле (до остановки развития ооцита на стадии метафазы II, а завершается лишь в случае оплодотворения).

Во время 1-го деления мейоза один набор гомологичных хромосом остается в ооците, а второй уходит в ПТ1. При этом сестринские хроматиды остаются связанными когезином проксимально у центромеры, а когезин защищен протеинами шугошина от воздействия сепаразы. Во 2-м делении мейоза протеины шугошина больше не защищают когезин от воздействия сепаразы, которая гидролизует когезин REC8, поэтому сестринские хроматиды разделяются и расходятся в разные стороны [23]. Таким образом, в процессе 1-го деления мейоза расходятся гомологичные хромосомы, а во время 2-го деления мейоза — сестринские хроматиды.

В качестве причин нарушений расхождения хромосом в мейозе рассматривают 2 основных механизма: нерасхождение и преждевременное разделение сестринских хроматид (рис. 3)

При нерасхождении не происходит расхождения гомологичных хромосом или сестринских хроматид в соответствующих фазах мейоза. При преждевременном разделении пары сестринских хроматид отделяются одна от другой, чтобы независимо друг от друга случайным образом, часто неправильно, разойтись во время анафазы 1-го мейотического деления. Результаты недавних цитогенетических исследований полярных тел позволяют предположить, что ошибки, обусловленные преждевременным разделением сестринских хроматид, встречаются чаще, чем обусловленные их нерасхождением [31—33].

Ошибки расхождения происходят с одинаковой частотой в 1-м и 2-м делениях мейоза, хотя некоторые исследователи сообщают о более высокой частоте ошибок в мейозе II [31, 33, 34]. Это можно объяснить тем, что часто ошибки в мейозе I проявляются только в мейозе II (см. рис. 3). Например, преждевременно разделенные сестринские хроматиды могут разойтись правильно в мейозе I, но дать ошибку позже, в мейозе II. Интересно, что ошибки, обусловленные преждевременным разделением сестринских хроматид, в мейозе I могут быть скорректированы «сбалансированной ошибкой» в мейозе II: если в ПТ1 и ПТ2 есть реципрокные ошибки, то полученный эмбрион будет содержать правильный набор хромосом [31].

Феномен «реципрокного расхождения» — формирование нормальных гаплоидных ооцитов после преждевременного разделения сестринских хроматид в мейозе I и коррекции путем расхождения гомологов в мейозе II (см. рис. 3). Реципрокное расхождение происходит, когда сестринские хроматиды, а не гомологичные хромосомы, расходятся в мейозе I. Они остаются несвязанными после мейоза I, что может вызвать проблемы в метафазе II. Реципрокное расхождение чаще встречается у женщин старшего возраста [35].

По мнению T. Chiang и соавт., большинство трисомий материнского происхождения возникают вследствие ошибок в мейозе I [4]. На материнское происхождение хромосомных аномалий в процессе мейоза I также указывают T. Hassold и соавт. [36, 37].

Анализ полярных тел 20 986 ооцитов методом FISH на 5 хромосом (13, 16, 18, 21, 22), проведенный A. Kuliev и соавт. [34], показал, что анеуплоидии с равной частотой возникают в процессе мейоза I и мейоза II. Изолированные нарушения в процессе мейоза I выявлены в 30,4%, в процессе мейоза II — в 39,8%, в то время как у 29,8% ооцитов аномальный хромосомный набор возник вследствие последовательных ошибок в мейозе I и в мейозе II. Это означает, что почти треть ошибок в мейозе II связана с предшествующими ошибками в мейозе I. Результаты показали, что частота анеуплоидии по 5 исследованным хромосомам увеличивается пропорционально возрасту женщины и составляет 20% в 35 лет и более 40% в 40 лет [34]. Анеуплоидии, происходящие вследствие последовательных ошибок в мейозе I и мейозе II, зависят от возраста.

Частота анеуплоидии, по результатам исследований ПТ1 и ПТ2 (соответственно, после мейоза I и II) методом CGH, составила 45,2% у женщин в возрасте 37 лет и младше, 65,5% у женщин 38—41 года и 82,2% у женщин 42 лет и старше [33]. Следовательно, при исследовании 24 хромосом частота анеуплоидии в ооцитах значительно выше, чем при исследовании 5 хромосом (рис. 4).

L. Gianaroli и соавт. исследовали ПТ1 ооцитов методом флюоресцентной гибридизации in situ (FISH) на 13, 15, 16, 18, 21 и 22-й хромосоме и выявили, что доля ооцитов с ошибками в мейозе I составила 39% у женщин моложе 38 лет и 58% у женщин 44 лет [38]. Таким образом, наличие длительного временного интервала между остановкой мейоза у плода и его возобновлением в период овуляции у взрослой женщины создает предпосылки для повышения частоты анеуплоидии в ооцитах у женщин старшего возраста [4].

Следует отметить, что исследование бластомеров эмбрионов на стадии дробления выявило анеуплоидии в 67,2% случаев у женщин до 38 лет и в 86,3% случаев у женщин 38 лет и старше [39, 40], при этом у женщин старше 45 лет эуплоидные эмбрионы вовсе не обнаружены [41].

Для точного расхождения хромосом важна их правильная интеграция. С возрастом в ооцитах женщин чаще возникают следующие структурные дефекты [42, 43]:

1) сестринские кинетохоры отделяются на большие расстояния, что способствует неправильному расположению бивалентов в мейотическом веретене в мейозе I [44];

2) биваленты со сниженным дистальным сцеплением часто преждевременно распадаются на отдельные хромосомы, называемые униваленты [42].

Для обоих дефектов возможно реципрокное расхождение [5].

Частота образования унивалентов увеличивается с возрастом: у женщин 30—35 лет униваленты определяются в 10% ооцитов, а у женщин старше 35 лет — в 40% [45]. При реципрокном расхождении сестринские хроматиды уже разделены и не могут правильно расположиться в веретене метафазы II (см. рис. 3) [5]. Предполагают, что ухудшение сцепления хроматид является ведущей причиной возрастной анеуплоидии в ооцитах [4, 42]. Сцепление сестринских хроматид в ооцитах человека ослабевает с возрастом, что может привести к неправильному расположению бивалентов во время мейоза I (см. рис. 3) [44].

В норме дистальный когезин связывает вместе гомологичные хромосомы, проксимальный когезин связывает кинетохоры сестринских хроматид, а протеины шугошина защищают проксимальный когезин от удаления в анафазу I. В ооцитах женщин старшего возраста дистальный когезин может быть потерян, и гомологичные хромосомы разделены (см. рис. 2). Проксимальный когезин ослабевает, и сестринские кинетохоры отдаляются на большее расстояние [44]. Защитное влияние шугошина на когезин снижается в перицентромерных областях. В полуперевернутых бивалентах одна пара сестринских хроматид прикрепляется к микротрубочкам противоположных полюсов веретена, что приводит к несбалансированному расхождению. В полностью перевернутых бивалентах обе пары сестринских хроматид прикрепляются к микротрубочкам противоположных полюсов веретена, и это может привести к реципрокному расхождению (см. рис. 3). Также возможно нарушение соединения кинетохоров с микротрубочками [46]. Перевернутые биваленты чаще обнаруживают в ооцитах женщин старшего возраста, и это коррелирует с увеличенным расстоянием между сестринскими кинетохорами [42].

Поскольку сцепление хромосом должно сохраняться в течение довольно длительного периода времени (около 50 лет), оно может быть подвержено возрастным изменениям, приводящим к формированию анеуплоидии. В норме сцепление хромосом должно прекращаться только с началом анафазы. Дефект сцепления дистальнее мест кроссинговера может привести к смещению местоположения хиазмы (сдвиг хиазмы) или к преждевременному расхождению бивалентов в мейозе I. Уменьшение сцепления центромер может привести к преждевременному разделению сестринских хроматид в мейозе II [4]. Преобладание преждевременно разделившихся сестринских хроматид в ооцитах человека также говорит о том, что у женщин старшего возраста ослабевает или теряется их сцепление [4].

Исследования на трансгенных мышах показали, что протеины сцепления (когезины) устанавливаются на хромосомы внутриутробно в фазу S (синтетический период интерфазы) и остаются функциональными, пока возобновляется мейоз. Выявлено, что когезины формируются в избытке, с возрастом их количество снижается, и при достижении некоторого порогового уровня начинает расти частота анеуплоидий [4, 44, 47]. Иммуннофлюоресцентное окрашивание ооцитов на срезах яичников показало, что уровень мейоз-специфических когезинов REC8 и SMC1ß в диктиотене снижен у женщин старшего возраста [11, 48], при этом достоверно увеличивается расстояние между кинетохорами, чаще происходят ошибки расхождения хромосом [42, 44]. Установлена отрицательная линейная корреляция между уровнем когезинов, потерей сцепления и возрастом женщины [48]. Частота ошибок расхождения хромосом возрастает экспоненциально у женщин после 35 лет [14]. Причины падения уровня когезинов на сегодняшний день точно не установлены [11].

Хромосомные нарушения обнаруживают в 3—61% ооцитов у женщин даже моложе 30 лет [49, 50]. Предполагают следующие независимые от возраста причины анеуплоидии:

1. Ошибки контрольных точек формирования веретена (ТФВ) в ооцитах. Функция ТФВ в мейозе I — задерживать анафазу, пока все кинетохоры не прикрепились к микротрубочкам веретена [51]. Однако ооциты вступают в анафазу, несмотря на ошибки расположения хромосом [45]. Установлено, что ТФВ в ооцитах молодых мышей и мышей старшего возраста функционируют одинаково [4].

2. Наличие нескольких полюсов и нестабильность веретена деления затрудняют прикрепление хромосом к микротрубочкам и обусловливают неправильное расхождение сестринских хроматид или гомологичных хромосом [52].

3. Гомологичная рекомбинация влияет на сцепление хромосом в биваленте [11, 53]. У женщин отмечено больше локусов кроссинговера в хромосомах, чем у мужчин. Более длинные хромосомы формируют больше кроссинговеров, чем короткие. Дистальные и проксимальные кроссинговеры могут влиять на силу сцепления гомологичных хромосом и сестринских хроматид [35, 53, 54]. Синапсис и рекомбинация — две первые критические ступени мейоза — происходят в профазе I во время внутриутробного развития плода и поэтому не зависят от возраста. Возможное объяснение связи между ошибками рекомбинации и зависимой от возраста анеуплоидии может заключаться в том, что сниженная частота рекомбинаций или проблемные позиции рекомбинаций (слишком близко к теломерам или слишком близко к центромере) делают конкретные хромосомы более уязвимыми для зависимого от возраста нарушения других процессов годы спустя [4].

Поскольку ооциты млекопитающих проходят профазу мейоза на стадии внутриутробного развития, важно, чтобы сформировался по крайней мере один кроссинговер для рекомбинации между каждой парой гомологичных хромосом с целью обеспечения их сбалансированного расхождения в мейозе I [11]. При синдроме Дауна в 30% случаев материнского происхождения ошибка расхождения гомологичных хромосом возникает вследствие отсутствия кроссинговера [11]. В некоторых случаях наблюдается низкая частота рекомбинации во всем геноме независимо от возраста матери. Например, у сиблингов детей с синдромом Дауна, возникшим в результате отсутствия кроссинговера в 21 паре хромосом, обнаружена низкая частота рекомбинаций во всем геноме независимо от возраста матери на момент их рождения [11].

Регуляция частоты кроссинговера, возможно, менее строго контролируется у женщин, что потенциально может влиять на более высокую частоту анеуплоидий материнского происхождения [11]. Одним из материнских факторов могут быть варианты гена RNF212, обусловливающие низкую частоту кроссинговеров в ооцитах [11]. Для начала мейотической рекомбинации создаются разрывы двойной нити ДНК, затем набираются протеины для репарации и формируются локусы рекомбинации. Мутации или полиморфизм генов этих протеинов могут вызывать нарушение синапсов хромосом. Гены MSH4, MSH5, TEX11, HEI10, RNF212 и TRIP13 являются кандидатами в отношении регуляции материнской рекомбинации у человека и потенциальными факторами риска повышенной частоты анеуплоидии в ооцитах [11]. Позиции кроссинговера также регулируются на многих стадиях мейотической рекомбинации. На частоту и позиции кроссинговера влияют частота и позиции формирования разрыва двойной нити ДНК. Формирование кроссинговера в определенных локусах делает более вероятным нерасхождение хромосом [11].

Таким образом, можно предположить существование генетической предрасположенности к нарушениям процессов мейотического деления ооцитов, проявляющимся независимо от возраста женщины.

1. Наличие длительного временного интервала между остановкой мейоза у плода женского пола и его возобновлением в период овуляции у взрослой женщины создает предпосылки для повышения частоты анеуплоидии в ооцитах женщин старшего возраста.

2. Ведущей причиной возрастной анеуплоидии в ооцитах считается ухудшение сцепления хроматид.

3. Независимые от возраста причины анеуплоидий в ооцитах включают ошибки контрольных точек формирования веретена в ооцитах, нестабильность веретена деления, снижение частоты кроссинговера и проблемные позиции гомологичной рекомбинации.

Участие авторов:

Концепция и дизайн — М.А., А.С., Н.З.

Написание текста — Н.З., А.С.

Редактирование — А.С., М.А.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interest.

Сведения об авторах

А.А. Смирнова — к.м.н., руководитель отделения ВРТ ООО «Центр репродукции и генетики», доцент кафедры женских болезней и репродуктивного здоровья Института усовершенствования врачей Научного медико-хирургического центра им. Н.И. Пирогова (зав. кафедрой — проф. Е.А. Кира), Москва, 105203; Центр репродукции и генетики «ФертиМед», ул. 3-я Парковая, 8/19, Москва, Россия, 105043; https://orcid.org/0000-0003-3035-5921; тел.: +7(495)504-1526; +7(916)16520-64; e-mail: a-smirnova@mail.ru;

Н.А. Зыряева — к.м.н., Центр репродукции и генетики «ФертиМед», ул. 3-я Парковая, 8/19, Москва, Россия, 105043; тел.: +7(495)504-1526; +7(916)406-5827; e-mail: natalia_zy@mail.ru

М.Б. Аншина — к.м.н., генеральный директор ООО «Центр репродукции и генетики», ул. 3-я Парковая, 8/19, Москва, Россия, 105043; https://orcid.org/0000-0002-8446-5387; тел.: +7(495)504-1526; +7(916)531-7734; e-mail: docansh@gmail.com;

Автор, ответственный за переписку: А.А. Смирнова — к.м.н., руководитель отделения ВРТ ООО «Центр репродукции и генетики», доцент кафедры женских болезней и репродуктивного здоровья Института усовершенствования врачей Научного медико-хирургического центра им. Н.И. Пирогова, Москва, 105203; Центр репродукции и генетики «ФертиМед», ул. 3-я Парковая, 8/19, Москва, Россия, 105043;
e-mail: a-smirnova@mail.ru

Corresponding author: A.A. Smirnova — MD, PhD, head of IVF department at IVF & Reproductive Genetics Center, associate professor at Department of women’s diseases and reproductive health of Institute of advanced medical training at Federal state budgetary institution «National Medical and Surgical Center named after N.I. Pirogov» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation, Moscow, Russia; e-mail: a-smirnova@mail.ru

Автор, ответственный за переписку: Е.С. Филиппова — Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии им. В.И. Кулакова;
e-mail: lenfil83@yandex.ru