Genómové mutácie sú rozsahom najväčšie mutácie ovplyvňujúce karyotyp jedinca zmenou počtu jednotlivých chromozómov alebo celého chromozómového súboru. Normálny karyotyp je pritom druhovo špecifický znak, ktorý je rovnaký pre všetky zdravé jedince daného druhu a nezávisí od veku ani vonkajšieho prostredia.
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. Naopak, chromozómy z rôznych párov, ktoré sa navzájom líšia, označujeme ako nehomologické alebo heterologické.
Pohlavné bunky, ktoré vznikli procesom redukčného delenia – meiózy, naproti tomu obsahujú polovičný počet chromozómov. Tento počet sa nazýva haploidný (n), takže z každého chromozómového páru je prítomný len jeden chromozóm. Po splynutí samčej a samičej pohlavnej bunky sa obnovuje diploidný počet chromozómov (2n) zygoty, ktorá sa ďalej delí mitoticky. Každá telová bunka človeka má 46 chromozómov (23 chromozómových párov, z ktorých je 22 párov autozómov a 1 pár gonozómov), zatiaľ čo spermia a vajíčko majú po 23 chromozómov.
Diploidný počet chromozómov v somatických bunkách sa evolučne stabilizoval v dôsledku vzniku sexuálneho rozmnožovania. Náhodná segregácia pôvodne materských a otcovských chromozómov pri gametogenéze zvyšuje genetickú premenlivosť (variabilitu), a tým aj prispôsobivosť (adaptabilitu) organizmov na neustále meniace sa podmienky prostredia. Túto premenlivosť navyše mnohonásobne zvyšuje rekombinácia medzi homologickými chromozómami, takže každá gaméta nesie úplne novú a unikátnu kombináciu génov.
Genómové mutácie sú všetky odchýlky od základného diploidného počtu chromozómov somatickej bunky. Principiálne sa delia na:
- aneuploidie – zmena počtu jednotlivých chromozómov (chýbanie alebo nadbytok)
- euploidie – zmena násobku celého chromozómového súboru (patrí sem diploidia, monoploidia aj pravé polyploidie)
Dôsledok genómových mutácií je vo väčšine prípadov pre živočíchy a človeka letálny. Z autozómových aneuploidií sú s narodením a prežívaním zlučiteľné iba tri známe syndrómy: Downov syndróm (trizómia 21, najlepšia prognóza dožitia), Edwardsov syndróm (trizómia 18) a Patauov syndróm (trizómia 13). Niektoré typy aneuploidie gonozómov (pohlavných chromozómov) naproti tomu nepredstavujú bezprostredné ohrozenie života, hoci často vedú k sterilite (napr. Turnerov alebo Klinefelterov syndróm). Aneuploidie sú tiež charakteristické pre nádorové bunky a súvisia s celkovou chromozómovou instabilitou. Polyploidia u človeka nie je tolerovaná vôbec, takýto zárodok spravidla odumiera vo veľmi skorých vývinových štádiách. Naopak, u rastlín sú genómové mutácie vo väčšine prípadov výborne tolerované, ba dokonca zohrávajú kľúčovú úlohu v evolúcii a šľachtení nových 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 (neoddelenie chromozómov). Ďalšou príčinou môže byť tzv. anafázové zaostávanie, kedy chromozóm pri delení bunky „zaostane“ v cytoplazme, nestihne sa začleniť do nového jadra a zanikne.
Pri aneuploidii teda niektoré chromozómy chýbajú alebo sú navyše. Rozlišujeme niekoľko základných typov (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 nezlučiteľné so životom a neumožňujú normálny vývin embrya. 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. Turnerov syndróm (karyotyp 45,X) je vôbec jediná monozómia u človeka, ktorá je zlučiteľná so životom. Žiadna iná úplná monozómia (ani autozómov, ani gonozómov) neprežíva.
| chromozóm | syndróm | frekvencia výskytu |
| Autozómy | ||
| trizómia 21 | Downov syndróm | 1 : 700 |
| trizómia 18 | Edwardsov syndróm | 1 : 4 000 |
| trizómia 13 | Patauov syndróm | 1 : 5 000 |
| Gonozómy, ženy | ||
| X, monozómia | Turnerov syndróm | 1 : 2 500 |
| XXX, trizómia; XXXX, tetrazómia; XXXXX, pentazómia | Syndróm XXX | 1 : 700 |
| Gonozómy, muži | ||
| XYY, trizómia | Syndróm XYY | 1 : 400 |
| XXY, trizómia | Klinefelterov syndróm | 1 : 250 |
Anomálie v počte gonozómov nie sú zďaleka také fatálne ako aneuploidia autozómov. Chromozóm Y je podobne ako 21. chromozóm veľmi malý a chudobný na gény. S chromozómom X je trochu odlišná situácia. Muži majú len jeden chromozóm X, zatiaľ čo ženy majú dva. Napriek tomu sa u žien netvorí dvojnásobné množstvo génových produktov (proteínov), čo by inak narušilo jemné molekulárne mechanizmy bunky. Zistilo sa, že v rannom embryonálnom vývine dochádza k inaktivácii jedného z chromozómov X jeho premenou na transkripčne neaktívny heterochromatín, viditeľný pod mikroskopom ako tzv. Barrovo teliesko. Viac kópií chromozómu X u žien znamená len viac Barrových teliesok, pričom aktívny ostáva v bunke vždy len jeden chromozóm X. Inaktivácia však nie je úplná. Niektoré gény (napr. v tzv. pseudoautozomálnych oblastiach) zostávajú aktívne na oboch chromozómoch. Aj preto existujú viditeľné zdravotné rozdiely medzi zdravou ženou (46,XX) a Turnerovým syndrómom (45,X).
Downov syndróm link
Ľudia s Downovým syndrómom majú trizómiu 21. chromozómového páru (47,XX,+21 alebo 47,XY,+21). Tá je zlučiteľná so životom pravdepodobne v dôsledku toho, že chromozóm 21 je veľmi malý, je chudobný na gény a len málo sa podieľa na kľúčových etapách ontogenetického vývinu.
Prvý ucelený popis osoby s týmto syndrómom publikoval JOHN LANGDON DOWN v roku 1866. V minulosti sa pre typické rysy tváre týchto pacientov používal pojem „mongolizmus“, ten sa však dnes už striktne odmieta ako nevedecký a neetický. Pacienti trpia viacerými morfologickými abnormalitami, majú kratší vzrast, znížené IQ a v dospelosti častejšie trpia leukémiou ako je priemer populácie. Existuje veľmi jasná korelácia medzi vekom matky a porodením dieťaťa s Downovým syndrómom – kým u mladých matiek do 26 rokov je riziko približne 1 : 1 300, po 45. roku života matky stúpa toto riziko až na 1 : 30. Je to spôsobené starnutím oocytov, ktoré vo vaječníkoch čakajú na dokončenie meiózy už od prenatálneho vývinu ženy.
Euploidia link
Euploidia je stav, keď sa v bunke nachádza taký počet chromozómov, ktorý je celým násobkom základného stavu. Zahŕňa normálnu diploidiu, vzácnu monoploidiu a napokon stavy, kedy je celý chromozómový súbor nadmerne zmnožený (3 a viac) – tie označujeme ako polyploidie (alebo pravé polyploidie). V ďalšom texte budem na zmnoženie sád používať len termín polyploidia. 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 (prípadne endoreduplikácia) a možno ho vyvolať umelo.
Najúčinnejší spôsob indukcie polyploidie je použitie kolchicínu. Kolchicín je alkaloid z jesienky obyčajnej (Colchicum autumnale), ktorý deštruuje deliace vretienko, takže nedochádza k rozchodu chromozómov a rozdeleniu buniek pri delení. Nemá mutagénny účinok na DNA. Je to jeden z najúčinnejších nástrojov cytogenetiky.
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 (3x).
Monoploidia link
Monoploidia predstavuje stav, kedy má organizmus v telových bunkách len jeden základný chromozómový súbor (ide teda o typ euploidie). Takýto stav je u dospelých organizmov veľmi zriedkavý, pretože umožňuje priamy prejav recesívnych letálnych génov, ktoré sú za normálnych okolností v diploidnom organizme maskované účinkom dominantných vitálnych alel.
U niektorých organizmov je však monoploidia priamo súčasťou ich životného cyklu. Monoploidné bunky majú napr. primárne hýfy bazídiových húb alebo vegetatívne štádiá niektorých jednobunkovcov. Vyskytuje sa aj u niektorých druhov hmyzu – u samcov včiel (trúdov), ôs a mravcov, ktorí sa vyvíjajú z neoplodneného vajíčka (partenogeneticky). U človeka je monoploidia, tak isto ako iné odchýlky celých sád, letálna.
Polyploidia link
Ostaňme teda naďalej pri termíne polyploidia, ktorý je najčastejšie zaužívaný pre pomenovanie chromozómového počtu s celočíselným násobkom základnej sady (x) vyšším ako 2. Rozdeľujeme ju:
- anortoploidia – predstavuje nepárny násobok chromozómového súboru (napr. triploid – 3x, pentaploid – 5x ...)
- ortoploidia – predstavuje párny násobok chromozómového súboru (napr. tetraploid – 4x, hexaploid – 6x ...)
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 1. meiotického delenia putuje na jeden pól jeden chromozóm a na druhý pól dva chromozómy. Keďže 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.
Ak jeden chromozómový súbor triploida tvorí x chromozómov, vznikne gaméta, ktorá bude mať rovnaký (vyvážený) počet homologických chromozómov s pravdepodobnosťou 2 : \( 2^x \). V prípade, ak chromozómový súbor tvoria len 2 chromozómy (x = 2; 3x = 6), je to teda 50 % pravdepodobnosť (2 : \( 2^2 \) = 2 : 4 = 1 : 2), ale pre 4 chromozómy (x = 4; 3x = 12) je to už len 12,5 % a pre 10 chromozómov necelých 0,2 %. Ak by bol človek triploidný (x = 23; 3x = 69), tvoril by gaméty, ktoré by mali vo všetkých homologických pároch vyvážene po jednom alebo dvoch chromozómoch, s pravdepodobnosťou zhruba 1 : 4,2 milióna.
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).
| stupeň ploidie | príklady |
|---|---|
| triploidia (3x) | banán, jablko, ľalia, tulipán |
| tetraploidia (4x) | pšenica tvrdá, kukurica, bavlna, zemiak, kapusta, pór, tabak, arašidy, muškát |
| hexaploidia (6x) | pšenica letná, chryzantéma, ovos |
| oktoploidia (8x) | jahoda, georgína, fialka, cukrová trstina |
Pre rastliny používame ešte jedno rozdelenie polyploidie, ktoré hovorí o pôvode chromozómov:
- autopolyploidia – zmnoženie chromozómového súboru pochádzajúceho z toho istého druhu
- alopolyploidia – zväčšenie počtu chromozómov, ktoré pochádzajú od dvoch rôznych (no príbuzných) rastlinných druhov
Alopolyploidia je teda taká forma polyploidie, pri ktorej pochádza celý chromozómový súbor z iného rastlinného druhu. Takouto cestou medzidruhového kríženia (hybridizácie) vzniklo a neustále vzniká v prírode množstvo rastlinných druhov, pretože jej dôsledkom je obrovské rozšírenie genetickej variability a adaptability na klimatické či pôdne faktory. Alopolyploidia sa bežne používa aj pri syntéze nových odrôd kultúrnych rastlín a pri šľachtení. Klasickým príkladom medzidruhovej hybridizácie je pšenično-ražný hybrid Triticale (Triticum + Secale).
Polyploidné rastliny sú typické zväčšením buniek a celých orgánov, čo napokon spôsobuje aj zväčšenie plodov. Zväčšenie buniek priamo súvisí s nukleocytoplazmatickým pomerom: keďže sa v bunkách nachádza viac DNA, bunka sa zväčšuje nadmerným prijímaním vody. Väčšie ovocie je tak vodnatejšie a zriedenejší vakuolárny obsah znamená, že nemusí mať vždy lepšiu či výraznejšiu chuť.
Využívanie polyploidie u rastlín je logickou evolučnou stratégiou prežitia. V porovnaní so živočíchmi nemajú rastliny schopnosť aktívneho presunu v prípade zhoršenia prírodných podmienok. Namiesto toho môžu využiť rozšírený genetický repertoár v podobe existencie viacerých variantov génov. Napríklad: Diploidná rastlina môže mať gén pre esenciálny enzým, ktorý funguje optimálne len pri teplote 20 °C. Ak je však rastlina polyploidná, môže vo viacerých sadách chromozómov niesť odlišné varianty toho istého génu – jeden enzým bude najlepšie fungovať pri 10 °C, druhý pri 20 °C a tretí pri 30 °C. Táto rastlina tak získa obrovskú výhodu, dokáže prosperovať v širokej teplotnej škále počas celého roka a nemusela sa z miesta pohnúť ani o meter.
