Genómové mutácie

Genómové mutácie sú rozsahom najväčšie mutácie ovplyvňujúce karyotyp jedinca zmenou počtu jednotlivých chromozómov alebo celého chromozómového súboru. Eukaryotické organizmy sú prevažne diploidné organizmy, tzn. že každá somatická (telová) bunka vlastní dva chromozómové súbory (diploidný počet = 2n) - jednu polovicu od matky a druhú polovicu od otca. Tieto tzv. homologické chromozómy obsahujú rovnaké väzbové skupiny a tvoria chromozómový pár. Pohlavné bunky, ktoré vznikli procesom redukčného delenia - meiózy, naproti tomu obsahujú polovičný počet chromozómov (haploidný počet = n), takže z každého chromozómového páru je u nich prítomný len jeden chromozóm. Po splynutí samčej a samičej pohlavnej bunky sa obnovuje diploidný počet chromozómov zygoty, ktorá sa ďalej delí mitoticky. Každá telová bunka človeka má 46 chromozómov (23 chromozómových párov), spermia a vajíčko majú po 23 chromozómov.

Genómové mutácie sú všetky odchýlky od základného diploidného počtu (2n) chromozómov somatickej bunky alebo haploidného počtu (n) chromozómov pohlavnej bunky a súhrnne sa nazývajú heteroploidie alebo polyploidie v širšom zmysle slova. Principiálne sa delia na:

1. aneuploidia - zmena počtu jednotlivých chromozómov
2. euploidia - zmena násobku celého chromozómového súboru; predstavuje polyploidiu v užšom zmysle slova

Dôsledok genómových mutácií je vo väčšine prípadov pre živočíchy a človeka letálny. Známy je len jeden prípad aneuploidie autozómov, ktorý je zlučiteľný so životom, aj keď s množstvom zdravotných komplikácií - Downov syndróm. Niektoré typy aneuplodie gonozómov nepredstavujú závažnejší zdravotný problém, hoci vedú k sterilite. Aneuploidie sú charakteristické pre nádorové bunky a súvisia s celkovou chromozómovou instabilitou. Polyploidia u človeka nie je tolerovaná vôbec, takýto zárodok odumiera vo veľmi skorých vývinových štádiách. Naopak u rastlín sú genómové mutácie vo väčšine prípadov tolerované, ba dokonca zohrávajú veľmi dôležitú úlohu v evolúcii rastlinných druhov.

Aneuploidia link

Pri aneuploidii sa mení len počet niektorých, individuálnych chromozómov. Aneuploid vzniká vtedy, keď dôjde k poruche rozchádzania chromozómov v anafáze meiotického alebo mitotického delenia. Jednej dcérskej bunke potom jeden chromozóm chýba a druhá má naopak jeden chromozóm navyše. Takýto jav nerovnomernej segregácie chromozómov nazývame nondisjunkcia.

Pri aneuploidii sú teda niektoré chromozómy navyše alebo chýbajú. Rozlišujeme niekoľko základných typov aneuploidie (ostatné pomenovania sa tvoria analogicky):

• nulizómia - strata celého jedného páru homologických chromozómov (2n-2)
• monozómia - strata len jedného chromozómu z niektorého chromozómového páru (2n-1)
• trizómia - k chromozómovému páru prislúcha ešte jeden nadbytočný chromozóm (2n+1)
• dvojitá trizómia - trizómia postihujúca dva odlišné chromozómové páry (2n+1+1)

U ľudí sú monozómie autozómov zriedkavé a neumožňujú normálny vývin embrya, takže dochádza k spontánnemu potratu omnoho skôr, ako vôbec možno dokázať, že došlo k oplodneniu. Naopak trizómie sú príčinou až polovice spontánnych potratov v neskorších štádiách vnútromaternicového vývinu, ktoré súvisia s chromozómovými abnormalitami.

Downov syndróm link

Ľudia s Downovým syndrómom majú trizómiu 21. chromozómového páru. Tá je zlučiteľná so životom pravdepodobne v dôsledku toho, že chromozóm 21 je chudobný na gény a len málo sa podieľa na kľúčových etapách ontogenetického vývinu.

Prvý ucelený popis osoby s Downovým syndrómom prvýkrát publikoval JOHN LANGDON DOWN (1828-1896) v roku 1866. Nositelia Downovho syndrómu sa pre svoje tvárové črty niekedy nazývajú "mongoloidné deti". Trpia viacerými morfologickými abnormalitami a majú znížené IQ. V dospelosti častejšie trpia leukémiou ako je priemer populácie. Existuje veľmi jasná korelácia medzi vekom matky a porodením dieťaťa s Downovým syndrómom (do 26 rokov veku matky je riziko 1:1300, nad 45 rokov je už riziko 1:30).

Euploidia link

Euploidia je stav, keď sa v bunke nachádza taký počet chromozómov, ktorý je celým násobkom základného stavu. To znamená, že každý chromozóm z chromozómového súboru je zmnožený, príp. chýba. Nazýva sa aj pravá polyploidia a v ďalšom texte budem používať na jej označenie len termín polyploidia, na ktorý ste pravdepodobne najviac zvyknutí. Vzniká pri delení buniek, ktoré v S-fáze zreplikujú svoju DNA, ale tieto ostanú v materskej bunke bez jej rozdelenia na dve dcérske bunky. Takéto "delenie" sa nazýva endomitóza a možno ju vyvolať umelo.

Ak z nejakého dôvodu neprebehne redukčné delenie pri meióze, vznikajú tzv. neredukované gaméty s diploidným počtom (2n) chromozómov, ktoré, ak sú životaschopné, môžu splývať s normálnymi redukovanými gamétami (n) a vzniká triploidný organizmus (3n).

Monoploidia link

Monoploidia predstavuje organizmus, ktorý má v telových bunkách len jeden chromozómový súbor (takže predstavuje typ euploidie). Takýto stav je u dospelých organizmov veľmi zriedkavý, pretože umožňuje prejav recesívnych letálnych génov, ktoré sú za normálnych okolností v prípade diploidného organizmu maskované účinkom dominantných vitálnych alel na homologických chromozómoch.

U niektorých organizmov je však monoploidia priamo súčasťou ich životného cyklu. Monoploidné bunky majú napr. primárne hýfy bazídiových húb alebo vegetatívne štádiá niektorých jednobunkovcov. Monoploidia existuje aj u niektorých druhov hmyzu. Vyskytuje sa u samcov včiel (trúdov), ôs a mravcov, ktorí sa vyvíjajú z neoplodneného vajíčka, tzv. partenogeneticky. U človeka je monoploidia, tak isto ako aj iné prípady polyploidie (euploidie), letálna.

Polyploidia link

Ostaňme teda naďalej pri termíne polyploidia, ktorý je najčastejšie zaužívaný pre pomenovanie chromozómového počtu s celočíselným násobkom vyšším ako 2. Rozdeľujeme ju:

1. anortoploidia - predstavuje nepárny násobok chromozómového súboru (napr. triploid - 3n, pentaploid - 5n ...)
2. ortoploidia - predstavuje párny násobok chromozómového súboru (napr. tetraploid - 4n, hexaploid - 6n ...)

Toto rozdelenie má aj hlbší zmysel, pretože priamo súvisí s fertilitou (plodnosťou) jedincov, t.j. schopnosťou produkovať životaschopné potomstvo, ktoré sa môže ďalej rozmnožovať. Anortoploidia fertilitu ovplyvňuje negatívne, pretože počas meiózy nemôže dôjsť k pravidelnému rozchodu homologických chromozómov, pretože ich nie je párny počet. Triploid má po tri homologické chromozómy, čiže v anafáze I. meiotického delenia putuje na jeden pól jeden chromozóm a na druhý pól dva chromozómy. Kedže pre homológy každého chromozómu je segregácia náhodná, je malá pravdepodobnosť, že vznikne gaméta s rovnakým počtom homologických chromozómov. Tetraploid také problémy nemá, pretože má párny počet homológov.

Triploidia, ako najčastejšia polyploidia u ľudí, zapríčiňuje 15-20% spontánnych potratov. Vyskytuje sa aj tetraploidia, na ktorú pripadá asi 5% spontánnych potratov.

Polyploidia u rastlín link

Polyploidia u rastlín má oveľa menšie dôsledky na prežívanie. Ortoploidy dokonca nemajú ani vážnejšie problémy s fertilitou a anortoploidy riešia problém fertility prechodom na nepohlavný spôsob rozmnožovania, pri ktorom sa nemusia tvoriť gaméty. Polyploidia súvisí s evolúciou asi 50% rastlinných druhov. Viaceré druhy tvoria tzv. polyploidné rady, čo je skupina príbuzných druhov so vzostupným radom násobkov základného monoploidného stavu (napr. rod pšenica má druhy s počtom chromozómov 14, 28 a 42 tvoriace polyploidný rad).

Pre rastliny používame ešte jedno rozdelenie polyploidie, ktoré hovorí o pôvode chromozómov:

1. autopolyploidia - zmnoženie chromozómového súboru pochádzajúceho z toho istého druhu
2. alopolyploidia - zväčšenie počtu chromozómov, ktoré pochádzajú od dvoch rôznych rastlinných druhov

Alopolyploidia je taká forma polyploidie, pri ktorej pochádza celý chromozómový súbor z iného, príbuzného rastlinného druhu. Takouto cestou medzidruhového kríženia (hybridizácie) vzniklo a neustále vzniká v prírode množstvo rastlinných druhov, pretože jej dôsledkom je rozširovanie genetickej variability a zároveň aj adaptability na klimatické a pôdne faktory. Alopolyploidia sa používa aj pri syntéze nových odrôd kultúrnych rastlín a pri genetickom šľachtení. Príkladom medzidruhovej hybridizácie je pšenično-ražný hybrid Triticale (Triticum + Secale).

Princíp obidvoch typov polyploidizácie je rovnaký, tzn. že súvisí buď s tvorbou neredukovaných gamét alebo poruchou rozdelenia materskej bunky pri mitotickom delení. Obrázok znázorňuje najčastejšie spôsoby vzniku autopolyploida a alopolyploida. V prvom prípade dochádza k tvorbe neredukovaných gamét (c vľavo) pri gametogenéze jednej rastliny. Ak sa táto gaméta spojí s normálnou redukovanou gamétou, dochádza k vzniku triploidnej zygoty (d vľavo). V prípade alopolyploidizácie existujú dva príbuzné druhy, ktoré oba tvoria štandardné gaméty (c vpravo). Ak sa však tieto gaméty spoja navzájom, dochádza k vzniku hybridnej zygoty (d vpravo), ktorá nesie po jednom súbore chromozómov od oboch rodičov. Takáto rastlina je sterilná, pretože v meióze nedochádza k párovaniu homologických chromozómov a nemôžu vznikať funkčné gaméty. Ak však po oplodnení prebehne chybné rozdelenie zygoty, ktorá si ponechá zduplikovaný počet chromozómov, vzniká alotetraploid a fertilita sa obnovuje (e vpravo).

Polyploidné rastliny sú typické zväčšením buniek a celých orgánov, čo napokon spôsobuje aj zväčšenie plodov. Zväčšenie buniek súvisí s nukleocytoplazmatickým pomerom: keďže sa v bunkách nachádza viac DNA, zväčšuje sa aj bunka prijímaním vody. Väčšie ovocie je tak vodnatejšie a zriedenejší vakuolárny obsah neznamená vždy aj lepšiu chuť.