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.

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 (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

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.

Tab. Aneuploidie u živonarodených detí
chromozómsyndrómfrekvencia výskytu
Autozómy
trizómia 21Downov syndróm1 : 700
trizómia 18Edwardsov syndróm1 : 4000
trizómia 13Patauov syndróm1 : 5000
Gonozómy, ženy
X0, monozómiaTurnerov syndróm1 : 2500
XXX, trizómia
XXXX, tetrazómia
XXXXX, pentazómia
"superžena"1 : 700
Gonozómy, muži
XYY, trizómia"supermuž"1 : 400
XXY, trizómia
XXYY, tetrazómia
XXXY, tetrazómia
Klinefelterov syndróm1 : 250
Anomálie v počte gonozómov nie sú také fatálne ako aneuploidia autozómov. Y-chromozóm je podobne ako 21. chromozóm veľmi chudobný na gény (ba ešte chudobnejší). S chromozómom X je trochu odlišná situácia. Muži majú len jeden X-chromozóm, zatiaľčo ženy majú dva X-chromozómy. Napriek tomu sa u nich nenachádza dvojnásobné množstvo génových produktov (proteínov), ktoré by mohlo ovplyvňovať jemné molekulárne mechanizmy. Zistilo sa, že u žien dochádza k inaktivácii jedného X-chromozómu premenou na heterochromatín, ktorý je transkripčne inaktívny. Takýto X-chromozóm sa nazýva Barrovo teliesko. Viac kópií chromozómu X u žien znamená len viac Barrových teliesok, pričom aktívny ostáva len jeden X-chromozóm. (Inaktivácia však zrejme nie je počas celej ontogenézy úplná, pretože existujú rozdiely vo fenotype medzi X0 /Turnerov syndróm/ a XX.)

Downov syndróm

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

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.

Najúčinnejší spôsob indukcie polyploidie je použitie kolchicínu. Kolchicín je alkaloid z rastliny 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 (3n).

Monoploidia

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.

Niekedy sa na označenie monoploidie používa termín haploidia, nemalo by tomu však tak byť. Haploidné bunky sú gaméty, ktoré majú polovičné množstvo chromozómov ako somatické bunky toho istého organizmu. Monoploidné bunky sú také, ktoré majú jeden chromozómový súbor, ale nie sú gamétami, hoci počet chromozómových súborov môžu mať rovnaký (1). Rozdiel medzi haploidiou a monoploidiou bude jasnejší z nasledujúceho príkladu: Mnoho rastlinných druhov, najmä kultúrnych, má tetraploidné bunky, čo znamená, že jadro každej somatickej bunky obsahuje 4 chromozómové súbory. Gaméty u tetraploidov vznikajú taktiež redukciou počtu chromozómov na polovicu, ale v tomto prípade predstavuje polovičný, t.j. haploidný počet 2 chromozómové súbory. Monoploidia však stále predstavuje absolútny počet - 1 chromozómový súbor, a týka sa, samozrejme, len nepohlavných buniek.

Polyploidia

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.

Ak jeden chromozómový súbor triploida tvorí x chromozómov (n = x), vznikne gaméta, ktorá bude mať rovnaký počet homologických chromozómov s pravdepodobnosťou 2:2x. V prípade, ak chromozómový súbor tvoria len 2 chromozómy (n = 2; 3n = 6), je to teda 50% pravdepodobnosť (2:22 = 2:4 = 1:2), ale pre 4 chromozómy (n = 4; 3n = 12) je to už len 12,5%, a pre 10 chromozómov necelých 0,2%. Ak by bol človek triploidný (n = 23; 3n = 69), tvoril by gaméty, ktoré by mali vo všetkých homologických pároch po jednom alebo dvoch chromozómoch, s pravdepodobnosťou 1 : 42000.

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

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).

Tab. Príklady polyploidie u rastlín
stupeň ploidiepríklady
triploidia3nbanán, jablko, ľalia, tulipán
tetraploidia4npšenica tvrdá, kukurica, bavlna, zemiak, kapusta, pór, tabak, arašidy, muškát
hexaploidia6npšenica letná, chryzantéma, ovos
oktoploidia8njahoda, georgína, fialka, cukrová trstina

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.

Využívanie polyploidie u rastlín je logickou 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 variant génov. Príkladom je napr. hypotetický enzým XM, ktorý zabezpečuje syntézu nejakého esenciálneho produktu pri teplote +20°C, ale nepostačuje už pri poklese teploty na +10°C alebo pri vzostupe na +30°C. Dajme ale tomu, že rastlina je triploidná, pričom nesie aj variantu génu XH, ktorá syntetizuje produkt najlepšie pri +30°C, a aj variantu XC, ktorá syntetizuje produkt pri +10°C s rovnako vysokou efektivitou. Táto rastlina tak dokáže dobre prosperovať v širokej teplotnej škále 10-30°C a nemusela sa počas roka z miesta pohnúť ani o meter.