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). Normálny karyotyp je charakteristický a prísne rovnaký pre všetky zdravé jedince toho istého biologického druhu.

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 link

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 (primárna konstrikcia) rozdeľuje chromozóm na dve ramená – krátke rameno (p) a dlhé rameno (q). V mieste centroméry sa nachádza aj dôležitá bielkovinová štruktúra tzv. kinetochor, na ktorú sa počas delenia bunky upínajú vlákna deliaceho vretienka. Podľa lokalizácie centroméry rozoznávame:

1. metacentrický chromozóm – centroméra sa nachádza viac-menej v strede, ramená sú približne rovnako dlhé
2. submetacentrický chromozóm – centroméra je mierne posunutá, rozdeľuje chromozóm na dve zreteľne nerovnako dlhé ramená
3. akrocentrický chromozóm – centroméra je výrazne posunutá ku koncu, takže krátke rameno je extrémne skrátené. Tieto chromozómy často nesú tzv. sekundárnu konstrikciu so satelitom (v ktorej sa nachádza organizátor jadierka).
4. telocentrický chromozóm – centroméra sa nachádza na úplnom konci (má len jedno rameno). Tento typ sa však v ľudskom karyotype nevyskytuje.

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 link

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 link

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:

• delécia (pod ktorú historicky patrí aj pojem deficiencia)
• duplikácia
• inverzia
• translokácia

Delécia link

Delécia je strata určitej časti chromozómu. Podľa toho, kde k nej dôjde, ju rozdeľujeme na terminálnu deléciu (strata koncového úseku podmienená jedným zlomom) a intersticiálnu deléciu (strata vnútorného úseku podmienená dvoma zlomami a následným spojením zvyšných častí). Niekedy sa pre stratu koncového úseku používa starší pojem deficiencia, no v súčasnosti sa najčastejšie používa jeden spoločný pojem – delécia. Obe formy znižujú množstvo DNA v bunkách.

Pri terminálnej delécii (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. Lepivé konce prechodne vznikajú aj pri ostatných typoch chromozómových aberácií (majú ich akékoľvek lineárne fragmenty DNA nezakončené telomérami). Pri intersticiálnej delécii naopak lepivé konce nevznikajú.

Z genetického hľadiska indikuje deléciu neočakávaný výskyt recesívneho fenotypu u potomkov, ak dôjde k delécii dominantnej alely. Tento jav sa nazýva pseudodominancia. Známou chorobou spôsobenou deléciou (krátkeho ramena 5. chromozómu) je syndróm mačacieho kriku (Cri-du-chat).

Deficiencia link

V staršej literatúre sa pojmy delécia a deficiencia oddeľovali takto:

• Delécia sa definovala výlučne ako strata vnútorného úseku chromozómu.
• Deficiencia sa definovala ako strata koncového úseku chromozómu.

V modernej lekárskej biológii a genetike sa od tohto striktného slovíčkarenia upustilo. Dôvodom je zjednocovanie s medzinárodnou (najmä anglosaskou) literatúrou, kde sa už dlhodobo a štandardne používajú termíny terminal deletion a interstitial deletion.

Duplikácia link

Duplikácia je prítomnosť nadbytočného úseku chromozómu, kedy nastáva jeho zdvojenie. Najčastejšou príčinou tejto aberácie je nerovnomerný (inekválny) crossing-over pri párovaní homologických chromozómov v meióze, pričom jeden chromozóm sa o inkriminovaný úsek DNA predĺži (duplikácia) a druhý naopak skráti (delécia). Duplikácia je pomerne častý jav v evolúcii, vďaka ktorému vznikajú nové kópie génov s potenciálom pre nové funkcie.

Inverzia link

Inverzia spočíva v otočení vnútorného úseku chromozómu o 180°. Je podmienená dvoma zlomami, po ktorých sa fragment nestratí, ale otočí a vsunie späť na to isté miesto prostredníctvom lepivých koncov. Rozlišujeme dva prípady inverzie:

1. paracentrická inverzia – invertovaný úsek nezahŕňa oblasť centroméry
2. pericentrická inverzia – invertovaný úsek zahŕňa centroméru, v dôsledku čoho sa môže meniť dĺžka ramien chromozómov

Rozsiahla inverzia môže zabrániť rekombinácii medzi homologickými chromozómami v profáze 1. meiotického delenia, pretože obrátený úsek sa voči normálnemu úseku na homologickom chromozóme javí ako nehomologický. Pri inverzii sa nemení množstvo DNA, menia sa len väzbové skupiny (mení sa poradie génov na chromozóme).

Translokácia link

Translokácia je zmena pozície fragmentu chromozómu, ktorá môže byť:

1. nereciproká translokácia (inzercia) – fragment chromozómu sa presunie a začlení na nové miesto buď toho istého, alebo iného chromozómu
2. reciproká translokácia – dva nehomologické chromozómy si navzájom vymenia úseky DNA. Od crossing-overu sa odlišuje tým, že je podmienená zlomami a prebieha medzi nehomologickými chromozómami. Príkladom je vznik tzv. Filadelfského chromozómu, ktorý spôsobuje chronickú myeloidnú leukémiu.
3. Robertsonova translokácia – špecifický typ, pri ktorom dochádza k splynutiu dlhých ramien dvoch akrocentrických chromozómov, pričom ich krátke ramená sa väčšinou stratia. Tento mechanizmus môže byť príčinou dedičnej formy Downovho syndrómu.

Translokácia spravidla mení len väzbové skupiny a pokiaľ je vyvážená, množstvo genetického materiálu zostáva nezmenené.

Hodnotenie chromozómových aberácií link

Hodnotením chromozómových aberácií a ich dôsledkami na fenotyp človeka sa zaoberá cytogenetika. Jej predmetom je štúdium počtu, tvaru, štruktúry a segregácie chromozómov počas bunkového delenia za normálnych a patologických stavov. Prakticky všetky štruktúrne aberácie možno identifikovať po zostavení karyotypu v metafáze mitózy, pretože práve vtedy vrcholí špiralizácia (kondenzácia) chromozómov a sú pod mikroskopom najlepšie viditeľné. Niekedy sa však môže hodiť aj detailné hodnotenie aberácií v anafáze mitózy alebo v profáze prvého meiotického delenia.

Anafáza link

Počas mitotickej anafázy dochádza k oddeľovaniu sesterských chromatíd, ktoré ako samostatné dcérske chromozómy putujú k opačným pólom bunky. Ak však napríklad po zlome vznikne fragment, ktorý nemá centroméru (tzv. acentrický fragment), chýba mu aj bielkovinový kinetochor. Mikrotubuly deliaceho vretienka sa naň preto nedokážu upnúť a ostáva v bunke „bez povšimnutia“. Za to si ho ale všímajú degradačné enzýmy, v dôsledku čoho tento fragment zaniká v cytoplazme. Výsledkom je, že nová generácia buniek acentrický fragment neobsahuje a definitívne tak stráca gény, ktoré na ňom boli.

Opakom sú polycentrické chromozómy (najčastejšie dicentrické), ktoré majú viac centromér ako jednu. Vznikajú napríklad po chybnom spojení zlomených častí dvoch chromozómov alebo po reciprokých translokáciách. V anafáze je potom každá z týchto centromér ťahaná k inému pólu bunky a chromozóm sa týmto extrémnym pnutím doslova „roztrhne“ na dva kusy (vzniká tzv. anafázový mostík).

Profáza I. link

V meióze sa pri štúdiu aberácií často využíva fakt, že tu dochádza k tesnému párovaniu homologických chromozómov (tzv. synapsii) do bivalentov. V neskorej profáze I (pachyténe) teda možno veľmi dobre dokázať aberácie, ktoré vyplývajú z ich neúplného párovania. Najčastejším príkladom je tzv. delečná slučka, indikujúca deléciu. Ak totiž vnútorný úsek jedného z homologických chromozómov chýba, zdravé homologické vlákno jeho suseda nemá s kým vytvoriť pár, takže sa v tomto mieste vyduje do priestoru a vytvorí slučku. Z iného uhla pohľadu sa však takýto mikroskopický obraz môže javiť aj ako duplikačná slučka – ani zmnožený úsek chromozómu totiž nemá na svojom zdravom susedovi adekvátneho partnera, takže prebytočný úsek opäť vytvorí podobnú vydutinu.