Chromozomální přestavby

Chromozomální přestavby ( chromozomální mutace nebo chromozomální aberace)  jsou typem mutací, které mění strukturu chromozomů . Klasifikují se následující typy chromozomálních přestaveb: delece (ztráta segmentu chromozomu), inverze (změna pořadí genů segmentu chromozomu k obrácení), duplikace (opakování segmentu chromozomu), translokace(přenos segmentu chromozomu na jiný), dále dicentrické a kruhové chromozomy. Známé jsou také izochromozomy, které nesou dvě identická ramena. Pokud se přestavbou změní struktura jednoho chromozomu, pak se takové přeuspořádání nazývá intrachromozomální (inverze, delece, duplikace, prstencové chromozomy), pokud dva různé, pak interchromozomální (duplikace, translokace, dicentrické chromozomy). Chromozomální přestavby se také dělí na vyvážené a nevyvážené. Vyvážené přestavby (inverze, reciproční translokace) nevedou ke ztrátě nebo přidání genetického materiálu během formování, proto jsou jejich nositelé většinou fenotypově normální. Nevyvážené přestavby (delece a duplikace) mění dávkový poměr genů a jejich přenášení je zpravidla spojeno s významnými odchylkami od normy.

Chromozomální přestavby hrají roli v evolučním procesu a speciaci [1] , u poruch plodnosti, u onkologických [2] a vrozených dědičných onemocnění člověka.

Příčiny chromozomálních aberací

Hlavním předpokladem pro výskyt chromozomálních přestaveb je výskyt dvouřetězcových zlomů DNA v buňce , to znamená zlomů obou řetězců šroubovice DNA v rámci několika párů bází. K zlomům dvouřetězcové DNA dochází spontánně v buňce nebo pod vlivem různých mutagenních faktorů: fyzikální ( ionizující záření ), chemické nebo biologické ( transpozony , viry ) povahy. Dvouvláknové zlomy DNA nastávají naprogramované během profáze I meiózy , stejně jako během zrání T- a B-lymfocytů během specifické somatické V(D)J rekombinace . Porušení a chyby v procesu znovusjednocení zlomů dvouřetězcové DNA vedou ke vzniku chromozomálních přestaveb [3] .

Klasifikace

Smazání

Existují terminální (ztráta koncové části chromozomu) a interkalární (ztráta části na vnitřní části chromozomu) delece. Pokud si po vytvoření delece chromozom ponechal centromeru , je stejně jako ostatní chromozomy přenášen během mitózy , zatímco oblasti bez centromery jsou zpravidla ztraceny. Během konjugace homologních chromozomů během meiózy se v normálním chromozomu v místě odpovídajícím interkalární deleci v defektním chromozomu vytvoří deleční smyčka , která kompenzuje nepřítomnost deletované oblasti.

Vrozené delece u lidí zřídka zachycují prodloužené úseky chromozomů, obvykle takové aberace vedou k smrti embrya v raných fázích vývoje. Nejvíce dobře prozkoumanou nemocí způsobenou poměrně velkou delecí je syndrom kočičího pláče , popsaný v roce 1963 Jérômem Lejeunem . Je založen na deleci části krátkého raménka chromozomu 5. Pacienti se vyznačují řadou odchylek od normy: porušením funkcí kardiovaskulárního , trávicího systému, nevyvinutím hrtanu (s charakteristickým pláčem připomínajícím kočičí mňoukání), celkovým opožděním vývoje, mentální retardací , měsíčním... tvarovaný obličej s široce rozmístěnýma očima. Syndrom se vyskytuje u 1 z 50 000 novorozenců.

Moderní metody detekce chromozomálních poruch, především fluorescenční in situ hybridizace , umožnily stanovit souvislost mezi mikrodelecemi chromozomů a řadou vrozených syndromů. Zejména mikrodelece jsou způsobeny dlouho popsaným Prader-Williho syndromem a Williamsovým syndromem .

Duplikace

Duplikace jsou třídou přestaveb, které kombinují intra- a interchromozomální přestavby. Obecně platí, že jakákoli duplikace je vzhled další kopie oblasti chromozomu, která může být umístěna bezprostředně za oblastí, která je duplikována, pak se jedná o tandemovou duplikaci, buď na novém místě nebo v jiném chromozomu. Nová kopie může tvořit samostatný malý chromozom s vlastními telomerami a centromerou, jde pak o volnou duplikaci [4] :2 . Tandemové duplikace se objevují v zárodečných buňkách během meiózy jako výsledek nestejného křížení (v tomto případě druhý homolog nese deleci) nebo v somatických buňkách jako výsledek nealelické homologní rekombinace při opravě zlomu dvouřetězcové DNA . V procesu křížení se u heterozygota, kdy se konjuguje chromozom s tandemovou duplikací a normální chromozom, jako v případě delece, vytvoří kompenzační smyčka.

Téměř u všech organismů je normálně pozorováno velké množství genů kódujících rRNA (ribozomální RNA). Tento jev se nazývá redundance genů . Takže v E. coli představuje rDNA (DNA kódující rRNA) 0,4 % celkového genomu , což odpovídá 5-10 kopiím ribozomálních genů.

Dalším příkladem duplikace je Barová mutace u Drosophila , objevená ve 20. letech 20. století T. Morganem a A. Sturtevantem . Mutace je způsobena duplikací 57.0 lokusu X chromozomu. U normálních žen (B + /B + ) má oko 800 fazet, u heterozygotních samic (B + /B) má oko 350 fazet, u homozygotních (B/B) mutací - pouze 70 faset. Byly nalezeny i samice s trojím opakovaným genem - double Bar (B D /B + ).

V roce 1970 Susumu Ohno ve své monografii Evolution by Gene Duplication vypracoval hypotézu o evoluční roli duplikací, které dodávají nové geny, aniž by ovlivnily funkce původních genů. Tuto myšlenku podporuje blízkost řady genů ve složení nukleotidů kódujících různé produkty. Jedná se o trypsin a chymotrypsin , hemoglobin a myoglobin a řadu dalších proteinů .

Inverze

Inverze je otočení segmentu chromozomu o 180°. Existují paracentrické (obrácený fragment leží na jedné straně centromery) a pericentrické (obrácený fragment leží na opačných stranách centromery) inverze. Během inverzí nedochází ke ztrátě genetického materiálu, takže inverze obvykle neovlivňují fenotyp přenašeče . Pokud však u inverzních heterozygotů (tj. v organismu, který nese jak normální chromozom, tak chromozom s inverzí) během gametogeneze během meiózy dojde k překročení v invertované oblasti, pak existuje možnost tvorby abnormálních chromozomů. , což zase může vést k částečné eliminaci zárodečných buněk, stejně jako k tvorbě gamet s nevyváženým genetickým materiálem.

Více než 1 % lidské populace jsou nositeli pericentrické inverze na 9. chromozomu, která je považována za variantu normy [5] .

Translokace

Translokace jsou interchromozomální přestavby, při kterých se část jednoho chromozomu přenáší na druhý. Samostatně se rozlišují reciproční translokace (kdy si dva nehomologní chromozomy vyměňují místa) a robertsonovské translokace neboli centrické fúze (v tomto případě jsou dva nehomologní akrocentrické chromozomy spojeny do jednoho se ztrátou materiálu krátkého ramene). První, kdo popsal centrické slučování, byl v roce 1916 Američan W. Robertson ( WRB Robertson ), který porovnával karyotypy blízce příbuzných druhů kobylek.

Reciproční translokace nejsou doprovázeny ztrátou genetického materiálu, nazývají se také vyvážené translokace, obvykle se fenotypově neprojevují . U přenašečů recipročních translokací však polovina gamet nese nevyvážený genetický materiál, což vede ke snížení plodnosti, zvýšené pravděpodobnosti spontánních potratů a narození dětí s vrozenými anomáliemi. Frekvence heterozygotů pro reciproční translokace se odhaduje na 1 z 600 manželských párů. Reálné riziko narození dětí s nevyrovnaným karyotypem je dáno povahou reciproční translokace (specifika chromozomů podílejících se na přestavbě, velikost translokovaných segmentů) a může dosáhnout 40 %.

Příkladem reciproční translokace je translokace Philadelphia chromozomu ( Ph ) mezi chromozomy 9 a 22. V 95 % případů je tato mutace v hematopoetických progenitorových buňkách příčinou chronické myeloidní leukémie . Tuto restrukturalizaci popsali P. Nowell a D. Hungerford v roce 1960 a pojmenovali ji podle města v USA, kde oba pracovali. V důsledku této translokace se gen ABL1 z chromozomu 9 spojí s genem BCR chromozomu 22. Aktivita nového chimérického proteinu vede k necitlivosti buňky k růstovým faktorům a způsobuje její nekontrolované dělení.

Robertsonovy translokace jsou jedním z nejčastějších typů vrozených chromozomálních abnormalit u lidí. Podle některých zpráv je jejich frekvence 1:1000 novorozenců. Jejich nositelé jsou fenotypově normální, hrozí jim však spontánní potraty a narození dětí s nevyrovnaným karyotypem, který se výrazně liší v závislosti na chromozomech zapojených do fúze a také na pohlaví přenašeče. Většina Robertsonových translokací (74 %) postihuje chromozomy 13 a 14. Ve struktuře požadavků na prenatální diagnostiku jsou vedoucí nositelé der(13;14) a der(14;21) [6] :1 . Druhý případ, konkrétně Robertsonova translokace zahrnující chromozom 21, vede k tzv. „familiárnímu“ (dědičnému) Downovu syndromu .

Robertsonovy translokace mohou být příčinou rozdílů mezi počtem chromozomů u blízce příbuzných druhů. Bylo prokázáno, že různé druhy Drosophila mají 3 až 6 chromozomů. Robertsonovy translokace vedly v Evropě k několika sourozeneckým druhům (rasám chromozomů) u myší skupiny druhů Mus musculus , které mají tendenci být od sebe geograficky izolované. Soubor a zpravidla i exprese genů v Robertsonových translokacích se nemění, takže druhy jsou vzhledově prakticky nerozeznatelné. Mají však různé karyotypy a plodnost u mezidruhových křížení je výrazně snížena.

Izochromozomy

Izochromozomy se skládají ze dvou kopií jednoho ramene chromozomu spojených centromerou tak, že ramena výsledného chromozomu jsou navzájem zrcadlovými obrazy. V jistém smyslu je izochromozom obří převrácená duplikace velikosti celého ramene a delece druhého ramene. Pacienti se 46 chromozomy, z nichž jeden je izochromozom, jsou monosomičtí pro geny chybějícího raménka chromozomu a trisomičtí pro geny přítomné na izochromozomu. Pokud je izochromozom navíc, pak je pacient tetrasomický pro geny přítomné v izochromozomu. Obecně platí, že čím menší izochromozom, tím menší genetická nerovnováha a tím větší pravděpodobnost, že plod nebo dítě s touto přestavbou přežije. Proto není divu, že nejčastější hlášené případy autozomálních izochromozomů se týkají chromozomů s malými pažemi. Mezi nejčastější účastníky tvorby izochromozomů patří krátká ramena chromozomů 5, 8, 12, 18 [7] .

K vysvětlení vzniku izochromozomů lze navrhnout dva mechanismy: (1) v důsledku abnormální příčné separace centromery během buněčného dělení nebo (2) v důsledku nesprávné fúze konců izochromatidové mezery vytvořené v pericentromerické oblasti [ 6] :2 .

Chromozomální aberace a mutagenní účinky

Mutagenní účinky, které způsobují zlomy dvouřetězcové DNA, vedou k výskytu chromozomálních přestaveb v buňkách. Nejlépe charakterizovaným mutagenem, který vyvolává chromozomové aberace, je ionizující záření . Zakladatelem radiační cytogenetiky je Karl Sachs , jehož zásadní práce „Chromosome Aberrations Induced by X-Rays“ byla publikována v roce 1938 [8] . Pro klasifikaci radioindukovaných chromozomálních poruch byla vytvořena vlastní klasifikace aberací, která se pouze částečně shoduje s klasifikací používanou v lékařské genetice . V této klasifikaci se rozlišují aberace chromozomálního a chromatidového typu, které zase mohou být výměnné a jednoduché, stabilní a nestabilní. Typ chromozomálních aberací je do značné míry dán fází buněčného cyklu, ve které se buňka v době ozáření nacházela.

Když jsou buňky ozářeny ve fázi G0-G1 buněčného cyklu, jsou pak v metafázích pozorovány aberace chromozomálního typu. Nejcharakterističtější z nich jsou tzv. výměnné chromozomální aberace, a to: dicentrické a cirkulární chromozomy, které vznikají v důsledku nesprávného spojení dvouřetězcových zlomů DNA. Dicentrické a kruhové chromozomy jsou zpravidla doprovázeny fragmentem chromozomu, který neobsahuje centromery, tzv. chromozomální acentrický fragment. Mezi výměnné aberace chromozomálního typu patří i translokace. Neopravené dvouřetězcové zlomy DNA vedou k delecím chromozomů a tvorbě acentrických chromozomálních fragmentů, které lze pozorovat v další mitóze. Dicentrika, prstence a acentrické fragmenty se špatně přenášejí v sérii buněčných dělení a v průběhu času mizí v dělících se buňkách, takže jsou klasifikovány jako nestabilní chromozomální přestavby. Translokace, které nevedou ke ztrátě genetického materiálu, jsou volně přenášeny do dceřiných buněk v mitóze, proto jsou klasifikovány jako stabilní aberace.

Pokud ozáření způsobilo objevení se zlomu dvouřetězcové DNA v chromozomové oblasti, která již prošla duplikací během replikace v S-fázi buněčného cyklu, pak to může vést ke vzniku aberací chromatidového typu. Nejtypičtějšími aberacemi chromatidového typu jsou tetraradiály (výměnné aberace, ke kterým dochází při nesprávném spojení dvou dvouřetězcových zlomů DNA umístěných na chromatidách různých chromozomů) a fragmenty chromatid (neopravený dvouřetězcový zlom DNA).

Dicentrika a prstence, stejně jako některé aberace výměny chromatidového typu, často vedou k tvorbě „můstků“ v anafázi mitózy, které lze detekovat pomocí antelofázové metody pro analýzu chromozomových aberací .

Frekvence radioindukovaných chromozomálních aberací se vyznačuje striktní závislostí na dávce, síle a povaze ionizujícího záření, což umožnilo vytvořit cytogenetické metody biologické dozimetrie [9] .

Analýza chromozomálních přestaveb v buněčných kulturách po různých fyzikálních nebo chemických úpravách umožňuje zkoumat mutagenitu těchto účinků [10] .

Metody detekce chromozomálních přestaveb

Chromozomální přestavby byly poprvé objeveny u Drosophila pomocí genetické analýzy . U některých křížení byl poměr počtu potomků v různých třídách velmi odlišný od toho, co se očekávalo, a to bylo vysvětleno přítomností přeskupení v chromozomech rodičů. Delece, duplikace a translokace byly objeveny K. Bridgesem v roce 1916, 1919 a 1923, resp. První inverzi popsal Alfred Sturtevant v roce 1921 při porovnání pořadí genů na chromozomu 3 u D. melanogaster a D. simulans .

První cytologická pozorování chromozomálních přestaveb byla provedena na polytenových chromozomech slinných žláz Drosophila. Až o nějakou dobu později byly na mitotických chromozomech prokázány chromozomální přestavby [4] :1 .

Cytologicky lze chromozomální přestavby detekovat i v profázi prvního dělení meiózy ve stadiu pachytenu díky synapsi homologních oblastí chromozomů. Takovou analýzu poprvé provedla Barbara McClintock v roce 1930 při studiu translokace u kukuřice [11] [12] .

V lékařské genetice se chromozomální přestavby detekují a analyzují pomocí cytogenetických metod, nejčastěji se analýza chromozomálních přestaveb provádí cytologicky ve stadiu metafáze. Nejběžnější a nejdostupnější cytogenetickou metodou je metoda diferenciálního G-barvení chromozomů ( G-banding ). Od konce 80. let se k detekci chromozomálních přestaveb používá metoda fluorescenční in situ hybridizace pomocí DNA sond k jednotlivým chromozomům nebo chromozomálním lokusům.

Jednou z nejpřesnějších metod detekce malých duplikací a delecí je v současnosti metoda komparativní genomové hybridizace na preparátech metafázových chromozomů nebo DNA microarrays . Duplikace a delece mohou být také detekovány genotypizací SNP celého genomu. Je třeba poznamenat, že poslední dvě metody neumožňují detekci vyvážených chromozomálních přestaveb a na rozdíl od jiných cytogenetických metod neumožňují analýzu chromozomálních aberací na úrovni jednotlivé buňky, to znamená, že jsou necitlivé na případy mozaiky .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Rieseberg LH Chromozomální přeuspořádání a speciace  //  Trends Ecol Evol : journal. - 2001. - Sv. 16 , č. 7 . - str. 351-358 . Archivováno z originálu 28. září 2010.
  2. ↑ Albertson DG, Collins C., McCormick F., Grey JW Chromozomové aberace u solidních nádorů  // Nat Genet: Journal. - 2003. - T. 34 , č. 4 . - S. 369-376 .
  3. ↑ Pfeiffer P., Goedecke W., Obe G. Mechanismy opravy dvouřetězcových zlomů DNA a jejich potenciál indukovat chromozomální aberace   // Mutageneze . - 2000. - Sv. 15, č. 4 . - S. 289-302. — PMID 10887207 .
  4. ↑ 1 2 Koryakov D. E., Zhimulev I. F. Chromozomy. Struktura a funkce. - Novosibirsk: Nakladatelství sibiřské pobočky Ruské akademie věd, 2009.
  5. ↑ Humphray SJ, Oliver K, Hunt AR, Plumb RW, Loveland JE, Howe KL, Andrews TD, Searle S, Hunt SE, Scott CE a kol. Sekvence DNA a analýza lidského chromozomu 9 // Příroda. - 2004. - Sv. 429. - S. 2-7. — PMID 15164053 .
  6. ↑ 1 2 Baranov V.S., Kuznetsova T.S. Cytogenetika lidského embryonálního vývoje: vědecké a praktické aspekty. - Petrohrad. : Nakladatelství N-L, 2007.
  7. ↑ Kaiser-Rogers K, Rao K. Strukturální přestavby chromozomů v Principy klinické cytogenetiky. Eds Martha B. Keagle, Steven L. Gersen. Humana Press. 2005; str.165-206
  8. ↑ Sax K. Chromozomové aberace indukované rentgenovým zářením // Genetika. - 1938. - Sv. 23. - Ne. 5. - S. 494-516. — PMID 17246897
  9. ↑ IAEA, Cytogenetická analýza pro hodnocení radiační dávky, příručka, Technical Report Series No. 405. Mezinárodní agentura pro atomovou energii 2001, Vídeň, Rakousko; http://www-pub.iaea.org/books/iaeabooks/6303/Cytogenetic-Analysis-for-Radiation-Dose-Assessment-A-Manual
  10. ↑ Vereshchako G. G. , Khodosovskaya A. M. Radiobiologie: termíny a koncepty. - Mn. : Běloruská věda, 2016. - S. 287.
  11. ↑ Cytologie a genetika meiózy / V. V. Khvostova, Yu. F. Bogdanov. - M .: Nauka, 1975. - S. 232-262. — 432 s.
  12. ↑ McClintock B. Cytologická demonstrace umístění záměny mezi dvěma nehomologickými chromozomy Zea mays.  // Proč Natl Acad Sci USA .. - 1930. - T. 16 , č. 12 . - S. 791-796 . — PMID 16577311 .

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích
 Chromozomy
Hlavní
Klasifikace
Struktura
Chromatidy
Telomerytelomeráza
CentromeraKinetochore
Chromatin
Nukleosom
Restrukturalizace a
porušení
Určení chromozomálního
pohlaví
Metody