Chromozómové mutácie

Chromozómové mutácie (aberácie) sú rozsahom väčšie ako mutácie génové, pretože sú to zmeny v tvare a štruktúre chromozómov. Na ich detekciu nie je nutné použiť molekulárne metódy, ale vystačíme si aj s cytogenetickými metódami, ktoré využívajú hlavne mikroskopickú analýzu karyotypu. Karyotyp je informácia o veľkosti, tvare a počte chromozómov a študuje sa v metafáze mitózy (alebo meiózy), pretože vtedy sú chromozómy najlepšie viditeľné (najviac špiralizované).

Hlavnou podmienkou pre vznik chromozómovej aberácie je jeden alebo viac zlomov v chromozóme. Tie vznikajú hlavne pôsobením silných fyzikálnych a chemických mutagénov schopných prerušiť kovalentné väzby medzi dvoma nukleotidmi na jednom reťazci DNA. Dôsledkom zlomu môže byť chybné spojenie alebo strata časti chromozómu.

Štruktúra chromozómu

Chromatín jadra sa počas bunkového delenia organizuje do kompaktnej makroskopicky viditeľnej štruktúry, ktorou sú chromozómy. V širšom slova zmysle predstavuje jeden chromozóm jednu dlhú molekulu DNA, ktorá je asociovaná so špecifickými bielkovinami - histónmi. Vieme však, že v S-fáze bunkového cyklu, t.j. pred bunkovým delením, dochádza k duplikácii genetického materiálu, takže mitotický chromozóm pozostáva z dvoch identických molekúl DNA, ktoré sú držané pokope v mieste centroméry. Tieto identické molekuly DNA sa nazývajú sesterské chromatidy. Počas anafázy dochádza k oddeleniu sesterských chromatíd a ich rozídeniu na protiľahlé póly bunky, čím sa zabezpečuje rovnaký počet chromozómov v dcérskych bunkách.

Centroméra rozdeľuje chromozóm na dve ramená. Podľa lokalizácie centroméry rozoznávame:

  1. metacentrický chromozóm - centroméra sa nachádza viac-menej v strede
  2. submetacentrický chromozóm - centroméra rozdeľuje chromozóm na dve nerovnako dlhé ramená
  3. akrocentrický chromozóm - jedno rameno chromozómu je výrazne skrátené
  4. telocentrický chromozóm - chromozóm má len jedno rameno, pretože sa centroméra nachádza na jeho konci

Chromozóm je stabilná štruktúra, ktorej stabilita závisí od prítomnosti funkčných telomér. Ich ochranný účinok možno porovnať s prúžkom na konci šnúrok od topánok zabraňujúcim ich rozstrapkaniu a poškodeniu. Chýbanie telomér a variácie v počte centromér majú ďalekosiahly vplyv na integritu genetickej informácie. Funkcie telomér a centromér vyplývajú priamo zo špecifickej sekvencie DNA v týchto oblastiach, ktorej popis je nad rámec stredoškolských vedomostí.

Polyténne chromozómy

Polyténne chromozómy sú niekoľkonásobne (až 160-krát) väčšie chromozómy ako maximálne špiralizované chromozómy v metafáze. Sú typické pre niektoré tkanivá hmyzu radu dvojkrídlovcov (Diptera), napr. pre slinné žľazy larválnych štádií drozofily. Polyténne chromozómy nepredstavujú chromozómové aberácie, naopak je takýto stav genetického materiálu nevyhnutný pre rýchlu a masívnu tvorbu určitých látok potrebných pre larvy hmyzu pred zakuklením.

Polyténia predstavuje niekoľkonásobné zmnoženie genetického materiálu opakovanou replikáciou interfázneho chromatínu, takže jednotlivé zafarbené polyténne chromozómy vidno bez problémov aj na menších zväčšeniach pod svetelným mikroskopom. Vyskytujú sa v haploidnom počte, pretože okrem replikácie samotnej DNA dochádza aj k trvalému párovaniu homologických chromozómov.

Morfológia polyténnych chromozómov má svoje špecifiká a je typická striedaním slabo a silne zafarbených úsekov. Zo základnej genetiky vieme, že slabo sa farbiace oblasti predstavujú transkripčne aktívny euchromatín a naopak silne zafarbené úseky sú typické pre kondenzovaný a transkripčne neaktívny heterochromatín. Keďže polyténne chromozómy nie sú nič iné ako zmnožené kópie jednej a tej istej molekuly DNA, ktoré v jednej chvíli prepisujú tie isté gény, je možné túto aktivitu pozorovať už pri menšom mikroskopickom zväčšení v podobe svetlých prúžkov. Tieto miesta tak predstavujú morfologické prejavy génovej aktivity, ktoré sú zistiteľné klasickými mikroskopickými cytogenetickými technikami.

Chromozómové aberácie

Zatiaľčo polyténne chromozómy sú špeciálne variácie chromozómov typické pre určité bunky, chromozómové aberácie sú mutácie, ktoré vo väčšine prípadov vedú k výraznej zmene fenotypu, a to prevažne patologickej povahy. Závažnosť dedičných chorôb spojených s chromozómovými aberáciami závisí od lokalizácie, charakteru a rozsahu mutácie. Výrazná zmena karyotypu je typická pre mnohé nádorové bunky, u ktorých sú aberácie dôsledkom celkovej nestability genetického materiálu.

Nádorové bunky sú citlivejšie na pôsobenie mutagénov a častejšie sa u nich vyskytujú neopravené chyby v replikácii DNA, pretože majú spravidla nefunkčný reparačný systém, príp. urýchlený bunkový cyklus, ktorý "bezhlavo" posúva bunky do delenia aj s poškodenou DNA. Treba však pripomenúť, že vznik nádorovej bunky prebieha vo viacerých krokoch, počas ktorých musí dôjsť k mutáciám rôznych špecifických génov.

Rozlišujeme niekoľko typov chromozómových aberácií:

  • deficiencia
  • delécia
  • duplikácia
  • inverzia
  • translokácia

Deficiencia

Deficiencia predstavuje stratu koncového úseku chromozómu, ktorá je podmienená jedným zlomom. Po strate teloméry majú chromozómy tzv. lepivé konce, ktoré nie sú chránené pred účinkom degradačných enzýmov (nukleáz), príp. môžu asociovať s ostatnými chromozómami a narúšať ich štruktúru. Deficiencia znižuje množstvo DNA v bunkách.

Lepivé konce nie sú len dôsledkom deficiencie, ale prechodne vznikajú aj pri ostatných typoch chromozómových aberácií. Vo všeobecnosti ich majú akékoľvek lineárne fragmenty DNA, ktoré nie sú zakončené telomérami.

Delécia

Delécia je strata vnútorného úseku chromozómu, ktorá musí byť podmienená dvoma zlomami. Pri tomto type chromozómovej aberácie nevznikajú lepivé konce. Aj v tomto prípade sa mení (zmenšuje) množstvo DNA. Z genetického hľadiska indikuje deléciu neočakávaný výskyt recesívneho fenotypu u potomkov, ak dôjde k delécii dominantnej alely. Takýto prípad sa nazýva pseudodominancia.

Niekedy sa pojmy delécia a deficiencia nerozlišujú a používa sa pre ne len jeden spoločný pojem - delécia. Aj ja budem v ďalšom texte používať len pojem delécia na vyjadrenie akejkoľvek straty časti chromozómu.

Duplikácia

Duplikácia je pomerne častý jav v evolúcii, pri ktorom nastáva zdvojenie určitého úseku chromozómu. Najčastejšou príčinou tejto aberácie je nerovnomerná rekombinácia pri párovaní homologických chromozómov v meióze, pričom jeden chromozóm sa predĺži a druhý skráti o inkriminovaný úsek DNA.

Inverzia

Inverzia spočíva v otočení vnútorného úseku chromozómu o 180°. Je podmienená dvomi zlomami, po ktorých sa fragment nestratí ako pri delécii, ale otočí a vsunie na to isté miesto prostredníctvom lepivých koncov. Niekedy rozlišujeme dva prípady inverzie:

  1. paracentrická inverzia - invertovaný úsek neobsahuje oblasť DNA, ktorá je definovaná ako centroméra
  2. pericentrická inverzia - invertovaný úsek obsahuje centroméru, takže sa môže meniť dĺžka ramien chromozómov

Rozsiahla inverzia môže zabrániť rekombinácií medzi homologickými chromozómami v profáze 1. meiotického delenia, pretože obrátený úsek sa voči normálneho úseku na homologickom chromozóme javí ako nehomologický. Pri inverzii nenastáva zmena v množstve DNA, ale menia sa len väzbové skupiny (mení sa poradie génov na chromozóme).

Translokácia

Translokácia je zmena pozície fragmentu, ktorá môže byť:

  1. nereciproká translokácia - fragment vzniknutý jedným (koncový úsek) alebo dvoma zlomami (vnútorný úsek) sa presunie na nové miesto buď toho istého alebo iného chromozómu
  2. reciproká translokácia - dva nehomologické chromozómy si navzájom vymenia úseky DNA (najčastejšie koncové úseky). Reciproká translokácia sa od crossing-overu odlišuje tým, že je podmienená zlomami a prebieha medzi nehomologickými chromozómami.

Translokácia, podobne ako inverzia, mení len väzbové skupiny, pričom množstvo DNA ostáva konštantné.

Hodnotenie chromozómových aberácií

Hodnotením chromozómových aberácií a ich dôsledkami na fenotyp človeka sa zaoberá cytogenetika. Jej predmetom je teda štúdium počtu, štruktúry a segregácie chromozómov počas bunkového delenia za normálnych a patologických stavov. Horeuvedené typy chromozómových aberácií predstavujú základné procesy, akými dochádza k zmene štruktúry chromozómov. Prakticky všetky tieto aberácie možno identifikovať po zostavení karyotypu v metafáze mitózy. Niekedy sa však môže hodiť hodnotenie aberácií v anafáze mitózy alebo v profáze prvého meiotického delenia.

Anafáza

Počas mitotickej anafázy dochádza k oddeľovaniu sesterských chromatíd, ktoré ako dcérske chromozómy putujú k opačným pólom bunky. Deléciami vzniknutý fragment, ktorý nemá centroméru, tzv. acentrický fragment ostáva v bunke bez povšimnutia mikrotubulami deliaceho vretienka, za to si ho ale všímajú degradačné enzýmy. Výsledkom je, že nová generácia buniek acentrický fragment neobsahuje a nemá teda ani gény, ktoré na ňom boli.

Opakom sú polycentrické chromozómy (dicentrické, tricentrické), ktoré majú viac centromér ako jednu. Vznikajú najčastejšie reciprokou translokáciou. V anafáze je každá centroméra ťahaná na iný koniec a chromozóm sa týmto pnutím doslova "roztrhne" na dva kusy.

Profáza I.

V meióze sa pri štúdiu aberácií využíva fakt, že tu dochádza ku konjugácii homologických chromozómov. V neskorej profáze teda možno dokázať aberácie, ktoré vyplývajú z neúplného párovania chromozómov (spojenie konjugujúcich chromozómov po celej dĺžke). Najčastejším príkladom je delečná slučka, indikujúca deléciu. Z iného uhla pohľadu sa však môže jednať aj o duplikačnú slučku, pretože ani zmnožený úsek chromozómu nemá na homologickom vlákne svojho suseda, takže tvorí podobnú vydutinu.

  1. párovanie homologických chromozómov v profáze meiózy
  2. delécia vnútorného úseku jedného z homologických chromozómov
  3. na mikroskopickom preparáte vidno delečnú slučku, pretože D na jednom homologickom chromozóme chýba