Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

3. fejezet - Citogenetika. Kromoszómamutációk

3. fejezet - Citogenetika. Kromoszómamutációk

Tóth, Sára

A genetikán belül a citogenetika a kromoszómák fajra/sejtre jellemző számával, a kromoszómák szerkezetével, jellemző szakaszaikkal, ezek funkcionális szerepével, illetve az előzőket érintő eltérésekkel, azaz a kromoszómamutációkkal is foglalkozó tudományterület. A kromoszómamutációk a kromoszómák szerkezetében vagy a kromoszómák számában bekövetkezett változást jelentik, relatíve ritkák, ebben térnek el a normálisan előforduló, gyakori, ártalmatlan kromoszóma-polimorfizmusoktól. Mivel mindkét típusú kromoszóma-rendellenesség esetében sok gént érintő elváltozásról van szó, s mivel a kromoszómák, illetve azok érintett részeinek mérete a fénymikroszkópos feloldóképesség határán belül van, így a nagyobb kromoszómamutációk már fénymikroszkóppal is vizsgálhatók, szemben a közvetlenül csak molekuláris biológiai módszerekkel azonosítható génmutációkkal. Ugyanakkor a korszerű hibridizációs (FISH vagy CGH) technikák alkalmazása a korábban fénymikroszkóppal nem felismerhető kicsiny szerkezeti elváltozások (pl. mikrodeléciók vagy CNV-k) azonosítását is lehetővé teszik.

A kromoszóma-rendellenességek kialakulása szempontjából két szempont tekinthető kulcsfontosságúnak: mikor és hol történik. Bár mind mitózisban, mind pedig meiózisban létrejöhetnek kromoszómamutációk, a meiózisban bekövetkező kromoszóma-rendellenességek hibás gaméták képződéséhez, s ezzel beteg utódok születéséhez vezethetnek. Így orvosi jelentőségük is nagyobb, mint a mitotikus kromoszómaaberrációké. A mitózisban bekövetkező kromoszóma-rendellenességek szempontjából az a fontos, hogy az egyedfejlődés során mikor és milyen sejttípusban alakult ki. A korai barázdálódási osztódások során történt mutációnak a szervezet egészét érintő súlyos következményei lehetnek, míg egy állandóan proliferáló sejttípusban (pl. epitél sejtek), felnőttkorban bekövetkezett aberrációnak elhanyagolható lehet a szerepe. Ugyanakkor a tumorsejtek kialakulásában és későbbi gyors proliferációjában kulcsszerepe lehet bizonyos kromoszómamutációknak.

A kromoszóma-rendellenességek létrejöttében két kromoszómarészletnek van kiemelt jelentősége: a centromérának és a telomérának.

A centroméra a kromoszómák elsődleges befűződésének (konstrikció), a testvérkromatidák kapcsolódásának helye, melynek pozíciója az adott kromoszómára jellemző, szigorúan megszabott. Ide kapcsolódik a kinetochor és azon keresztül a kinetochor mikrotubulusok. Jelentősége a testvérkromatidák, illetve a kromoszómák anafázisos szegregációjában van, s így főként a számbeli kromoszómamutációk kialakulásában van szerepe. A centroméra nélküli kromoszómadarabok (acentrikus fragmentumok) nem jutnak el a sejt megfelelő pólusaira, hanem elvesznek az egymást követő osztódások során.

A centroméra környékén sok ismétlődő, G-C gazdag szekvencia van, maga a centroméra pedig a legkésőbben replikálódó DNS-t tartalmazza.

A kromoszómák végei, a telomérák TTAGGG repetitív szekvenciában gazdag szakaszok, biztosítják a kromoszómák szerkezetének integritását és stabilitását, és szerepet játszanak a sejtöregedésben, a tumorképzésben, illetve a szerkezeti kromoszóma-rendellenességek létrejöttében, hiszen hiányában a kromoszómák szerkezete labilissá válik, és a teloméra nélküli darabok könnyen összetapadhatnak, utat nyitva sokféle rendellenességnek.

Szerkezeti kromoszómamutációk = strukturális kromoszómaaberrációk

A szerkezeti kromoszóma-rendellenességek kialakulásának előfeltétele a kromoszóma/ák törése, mely lehet spontán vagy indukált. A strukturális aberrációk csoportosítása pedig a törések számán és azok kromoszómán belüli helyén alapszik (3.1. ábra).

3.1. ábra - A szerkezeti kromoszómaaberrációk csoportosítása

A szerkezeti kromoszómaaberrációk csoportosítása

Deléciók

Ha egy kromoszóma eltörik, és a letört darab elvész, delécióról beszélünk. Ekkor az érintett sejtből hiányozni fog a letört darab által hordozott genetikai információ, aminek következtében a sejt vagy nem normálisan működik, vagy elpusztul. Miután a deléciók következtében bizonyos funkciók kiesnek, bizonyos fehérjék, pl. enzimek nem termelődnek. A deléciók segítségével fel lehet térképezni a kiesett gén helyét – ez volt a géntérképezés egyik legkorábbi módja, a deléciós térképezés.

Ha a törés a kromoszóma végéhez közel van, terminális deléció jön létre. Ebben az esetben egyéb gének mellett a teloméra is elvész, s ez is hozzájárul a tünetek súlyosságához, a korai letalitáshoz. A legismertebb példa a terminális delécióra a cri du chat vagy macskanyávogás-szindróma: itt az 5-ös kromoszóma rövid karja deletál (5p-). A betegség az ilyen rendellenességet hordozó csecsemők jellegzetes, nyávogó sírásáról kapta a nevét.

Az intersticiális deléció során egy kromoszómán belül két törés van, s a köztes darab kiesik, majd elvész. Az ilyen elváltozások is általában igen súlyos testi és szellemi fogyatékossággal járnak, spontán vetéléshez, korai halálhoz vezethetnek az érintett kromoszómától függően. A legismertebb intersticiális deléció a 15-ös kromoszóma hosszú karját érinti: del15(q11-13). Ez a Prader–Willi-, illetve az Angelman-szindróma (lásd 4. fejezet; epigenetika és genomiális imprinting). Az előbbiben apai delécióról, az utóbbiban anyai delécióról van szó.

Ugyancsak intersticiális, de kisméretű, ún. mikrodeléciók állnak a Williams- és a DiGeorge-szindróma (del7q11.23 és del22q11.2) hátterében is.

Duplikációk

a duplikáció során egy adott kromoszómarészlet megkettőződik. Ez vagy replikációs hiba vagy a meiózisban bekövetkező egyenlőtlen crossing over következménye. Mindkét esetben az érintett régióban előforduló repetitív szekvenciák magyarázhatják a replikációs apparátus „elcsúszását”, illetőleg a homológok nem pontos párba állását (skipping). A deléciókhoz hasonlóan a duplikációkat is felhasználták egy gén, illetve géncsoport kromoszómális helyének azonosítására, vagyis géntérképezésre.

Transzlokációk

A transzlokációk kialakulásához egynél több, általában 2 vagy 3 törés kell. A letört rész/ek áthelyeződnek egy másik kromoszómára. Aszerint, hogy a letört darab honnan származik, illetve hány darab cserél helyet, további alcsoportokat különítenek el a transzlokációkon belül.

Reciprok transzlokációk

A reciprok transzlokáció során legalább két törésponttal kell számolni, amelyek lehetnek két homológ kromoszómán vagy két teljesen eltérő, nem homológon is. A letört kromoszómadarabok kicserélődnek, majd az új helyre forrnak vissza.

Ennek eredményeként két megváltozott szerkezetű kromoszóma jön létre. Ez azonban az esetek legnagyobb részében nem okoz fenotípusos változást, azaz tüneteket vagy betegséget. Ilyenkor ún. kiegyensúlyozott transzlokációról van szó. A jelenség azzal magyarázható, hogy csak az érintett gének helyzete változik, maguk a gének nem. A töréspontok általában a nem kódoló szakaszokra esnek, ugyanis a kódoló régiók aránya az emberi genomban mindössze <2%.

Azokban az esetekben, amikor a töréspont génen belül van, az áthelyeződés nyomán maga a gén sérül, így terméke is hibás – eltérő funkciójú vagy aktivitású, mennyiségű, vagy esetleg funkcióképtelen – lesz, ami kóros jellegek megjelenéséhez, pl. tumorképződéshez vezethet.

Erre a legjobb példa a Philadelphia kromoszóma (Ph1) képződéséhez vezető, a 9-es és a 22-es kromoszómák közötti reciprok transzlokáció, amelynek citogenetikai rövidítése t(9;22)(q34;q11).

Ez a transzlokáció a krónikus mieloid (CML), illetve az akut limfoid leukémiában (ALL) fordul elő. A 22-es kromoszómán a töréspont a BCR (breakpoint cluster region) génben van, míg a 9-es kromoszóma töréspontja az ABL (Abelson murine leukemia) protoonkogént érinti. Mivel az ABL gén egy tirozin-kináz enzimet kódol, a transzlokáció nyomán egy olyan BCR/ABLfúziós fehérje keletkezik, amelynek nemcsak a molekulatömege nagyobb az eredeti enziménél, hanem nagyobb az aktivitása is. Ugyanis a transzlokáció révén elvész az ABL saját, jól szabályozott promotere, ezért folyamatosan átíródik. Végül ez vezet a sejt ellenőrizetlen szaporodásához, azaz a tumor kialakulásához.

Egy másik, orvosi szempontból fontos példa a többnyire Epstein–Barr-vírus által okozott Burkitt-limfóma. Ebben a betegségben a 8-as kromoszómán kódolt cMYC protoonkogén transzlokálódik, vagy a 14-es, vagy a 2-es, vagy a 22-es kromoszómára [t(8;14) vagy t(8;2), illetve t(8;22)], ahol vagy az immunglobulin nehézlánc (14-es kromoszóma) vagy az Ig könnyűlánc génjei (κ-lánc 2-es kromoszóma, illetve λ-lánc 22-es kromoszóma) találhatók. Mivel az Ig láncokat kódoló gének folytonosan átíródnak, ezért az ide transzlokálódott cMYC is – amely egy heterodimer formában ható transzkripciós faktort kódol – állandóan átíródva túltermelődik, és a sejtproliferáció fokozódásához, végeredményben tumorképződéshez vezet. A fenti két eset jól példázza a transzlokációk és a protoonkogének kapcsolatát, ahol vagy a normális fehérje túltermelődése (Burkitt-limfóma) vagy egy fúziós – bár normál funkciójú – fehérje szabályozástól független termelése (CML) felelős a daganat kialakulásáért.

Ha 2 töréspont helyett 3 fordul elő, ún. inzerciós transzlokáció, röviden inzerció jöhet létre. Ekkor az egyik kromoszómából kitört darab (2 törés) beépül, inzertálódik a másik kromoszómába (1 törés).

Mivel az emberi kromoszómaszerelvény 46 kromoszómából áll, s ezek bármelyikének bármelyik darabja helyet cserélhet, így nyilvánvaló, hogy a transzlokációs lehetőségek száma szinte korlátlan.

A transzlokációk egy speciális esete a Robertson-féle transzlokáció vagy centrikus fúzió (3.2. ábra). Ebben a szerkezeti kromoszóma-rendellenességben csak akrocentrikus kromoszómák vesznek részt, tehát emberben csak a 13-as, a 14-es, a 15-ös, a 21-es és a 22-es kromoszómák valamelyike lehet érintett. Nemcsak a részt vevő kromoszómák típusa, de a töréspontok helye is szigorúan megszabott: mindig a centroméra közelében vagy a centroméra területén van a törés.

Így vagy olyan rendellenes – fúzionált – kromoszómák jöhetnek létre, amelyek egyike kezdetben akár két centromérát is tartalmazhat (dicentrikus), végül azonban csak egy centroméra marad aktív; másik pedig centroméra nélküli, ami a későbbi osztódások alatt elvész, s ezzel a kromoszómaszám is csökken.

Ha a töréspont pontosan a centroméra területén van, két egycentromérás, bár átrendezett kromoszóma képződik. Az átrendeződés következtében az eredeti akrocentrikusokból két eltérő méretű, egy nagyobb és egy kisebb, szubmeta- vagy metacentrikus kromoszóma jön létre.

3.2. ábra - Robertson-féle transzlokáció vagy centrikus fúzió – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.19. nyomán; 2013.07.03.

Robertson-féle transzlokáció vagy centrikus fúzió – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.19. nyomán; 2013.07.03.

A kis szubmetacentrikus, amely mindkét karján NOR (nukleólusz organizátor) régiót tartalmaz, az egymást követő osztódások során elvész. Mivel azonban akrocentrikus kromoszómák rövidkarján található NOR régióból összesen 10 darab van az emberi genomban, ezért kettő elvesztése nem jár semmilyen fenotípusos változással, vagyis a centrikus fúzió kiegyensúlyozott.

A centrikus fúzió eredményeként nemcsak egy rendellenes szerkezetű kromoszóma jön létre, hanem a kromoszómaszám is 46-ról 45-re csökken.

A jelenlegi citogenetikai bizonyítékok alapján két, egymást követő centrikus fúzióval magyarázható a Hominidák evolúciója során bekövetkezett kromoszómaszám-csökkenés. Míg az emberszabású majmok közül a gorilla, a csimpánz és az orángután 48 kromoszómával bír, addig az ember 46-tal. Ez azt jelenti, hogy a centrikus fúzióknak az emberszabásúak és az ember fejlődési vonalának szétválása után kellett bekövetkezni.

Inverziók

Az inverzió (megfordulás) olyan szerkezeti kromoszómaaberráció, melynek során ugyanaz a kromoszóma kétszer törik el, és a töréspontok közé eső darab 180o-kal megfordul. Két típusa van:

  1. pericentrikus

  2. paracentrikus inverzió

1.) A pericentrikus inverzióban a két törés a kromoszóma két karján, vagyis a centroméra két oldalán van. A 9-es kromoszóma pericentrikus inverziója relatíve gyakori.

2.) A paracentrikus inverziónál mindkét töréspont a kromoszómának ugyanazon karján található, így a megfordulás a centromérát nem érinti.

Mind a para-, mind pedig a pericentrikus inverzióra igaz, hogy a töréspontok általában a nem kódolórészben vannak, ezért az ilyen rendellenességet hordozók is normális fenotípusúak.

A jelenlegi ismereteink szerint az inverzióknak is szerepe lehetett az emberi kromoszomális evolúcióban, mivel néhány humán kromoszóma szerkezete levezethető az emberszabású és a keskenyorrú (Catharrinae) majmok kromoszómáiból. Sőt ilyen átrendeződések megléte vagy hiánya alapján (inv2) sorolták a szumátrai és borneói orángutánokat két külön alfajba, sőt ma már külön fajnak tekintik őket.

Gyűrű (ring) kromoszóma

Ebben az esetben a kromoszóma mindkét karján – általában a telomérák közelében – van törés, majd a törésvégek összezárulnak és egy kromoszómagyűrű alakul ki. A letört darabok az egymást követő osztódások során elvesznek, így a génjeik által kódolt információ is. A hordozók az érintett kromoszóma milyenségétől és az elveszett régió nagyságától függően többé vagy kevésbé súlyosan fogyatékosak. A szomatikus retardáció – a testifejlődés-beli visszamaradottság – azzal is magyarázható, hogy a gyűrűkromoszóma DNS-ének további replikációja zavart: sokszor ördöggyűrű, óriásgyűrű (duplikáció miatt), átrendezett (rekombináns) kromoszóma vagy éppen egy sejten belüli két gyűrű kromoszóma, tehát kromoszómaszám-változás lesz a végeredmény.

Izokromoszóma

Az izokromoszóma olyan rendellenes szerkezetű kromoszóma, amely mindkét karján ugyanolyan géneket tartalmaz. Kialakulásakor a testvérkromatidák nem a kromoszóma hossztengelyére párhuzamosan válnak szét, és kezdenek a sejt két pólusára vándorolni, hanem a hossztengelyre merőleges a szétválásuk síkja.

Így olyan utódkromoszómák, s végül olyan ezeket tartalmazó utódsejtek alakulnak ki, amelyek mindkét karjukon vagy csak a rövid karnak, vagy csak a hosszú karnak megfelelő információt hordozzák, a másik kar információja elvész. Mivel egy kromoszómakaron sok-sok gén található, ezért akár ezek többlete, akár ezek hiánya igen súlyos elváltozásokhoz vezet, gyakran letális. Kivételt képez az X- és az Y- kromoszóma, a legtöbb ismert izokromoszómás eset ilyen. Ennek oka, az Y-kromoszóma viszonylagos génszegénysége, illetve az X-kromoszóma inaktiváció kompenzáló hatása.

A duplikáció kivételével, a fenti szerkezeti rendellenességek általában a DNS megkettőződést megelőzően (G1 fázisban) alakulnak ki, ezért a replikáció már a sérült DNS-t érinti, s azonos testvérkromatidák kialakulásához vezet. Ezek szétválása az osztódás végén azonos kromoszómaaberrációt hordozó utódsejtek létrejöttét eredményezi. Bár az ilyen típusú elváltozások mind mitózisban, mind pedig meiózisban kialakulhatnak, orvosi szempontból feltétlenül az utóbbi a fontosabb, hiszen a hibás gaméta révén hibás kromoszómamutációt hordozó utód születhet.

A szerkezeti aberrációk közül a transzlokációk és az inverziók nemcsak kiegyensúlyozott, tünetmentes formában léteznek. E rendellenességek hordozói esetében a kiegyensúlyozatlan kromoszómakészletű, súlyos fejlődési rendellenességeket mutató, szomatikusan és mentálisan visszamaradott utód kockázata igen nagy. A tünetek sokszor méhen belüli halálhoz, tehát spontán abortuszhoz, halvaszüléshez vezethetnek. Ennek magyarázata a szerkezetileg hibás kromoszómák és normális homológjuk első meiotikus osztódásbeli párba állásának nehézségeiben rejlik (3.3. ábra).

3.3. ábra - Néhány transzlokáció meiotikus következménye – http://c431376.r76.cf2.rackcdn.com/26210/fgene-03-00112-HTML/image_m/fgene-03-00112-g001.jpg: figure 3.4. nyomán; 2013.07.03.

Néhány transzlokáció meiotikus következménye – http://c431376.r76.cf2.rackcdn.com/26210/fgene-03-00112-HTML/image_m/fgene-03-00112-g001.jpg: figure 3.4. nyomán; 2013.07.03.

A reciprok transzlokációk esetén, a meiózisban, a szokásos bivalens helyett, kvadrivalens, a centrikus fúzióban trivalens, az inverziókban hurok alakul ki (3.4. ábra), mely megnehezíti, néha megakadályozza a normális szegregációt, különösen, ha figyelembe vesszük a homológok közötti rekombinációt, a crossing overt is, s nagy valószínűséggel rendellenes kromoszómákat hordozó kiegyensúlyozatlan ivarsejtképződéshez vezet.

3.4. ábra - Egy inverzió (paracentrikus) meiotikus következménye – http://mhanswers-auth.mhhe.com/sciences/life-science/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.11. nyomán; 2013.07.03.

Egy inverzió (paracentrikus) meiotikus következménye – http://mhanswers-auth.mhhe.com/sciences/life-science/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.11. nyomán; 2013.07.03.

Egyetlen reciprok transzlokációból is több mint 10-féle, kiegyensúlyozatlan rendellenességet hordozó gaméta származhat (3.5. ábra). Ezek némelyike már nemcsak az érintett szegment többletével vagy hiányával bír – részleges (parciális) triszómia, illetve monoszómia – hanem már számbeli kromoszóma-rendellenességet is mutat, mivel ilyenkor már maga a szegregáció is hibás lesz, nem 2:2, hanem 3:1 vagy 4:0, azaz nem két-két kromoszóma kerül az utódsejtekbe, hanem az egyikbe 3 vagy 4, a másikba 1 vagy 0.

3.5. ábra - Egy reciprok transzlokáció néhány szegregációs típusa – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.17. nyomán; 2013.07.03.

Egy reciprok transzlokáció néhány szegregációs típusa – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.17. nyomán; 2013.07.03.

A szegregációs zavar a legsúlyosabb esetekben a gametogenezist is gátolhatja, s így infertilitáshoz, sterilitáshoz vezethet. Erre a legjobb példa a homológ akrocentrikus kromoszómák közötti centrikus fúzió. Például a t(15;15) és a t(14;14) Robertson-féle transzlokációból nem születhet életképes utód, a t(21;21) fúzióból pedig vagy életképtelen vagy Down-kóros utód származhat (3.6. ábra).

3.6. ábra - Egy t(14;21) centrikus fúzióból várható kiegyensúlyozatlan kromoszómakészletű ivarsejtek, illetve utódok – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.29. nyomán; 2013.07.03.

Egy t(14;21) centrikus fúzióból várható kiegyensúlyozatlan kromoszómakészletű ivarsejtek, illetve utódok – http://mhanswers-auth.mhhe.com/biology/genetics/mcgraw-hill-answers-changes-chromosome-structure-and-number: figure 8.29. nyomán; 2013.07.03.

Dicentrikus kromoszóma

Dicentrikus, azaz két centromérával bíró kromoszóma nemcsak mint már említettük – centrikus fúzió révén jöhet létre, hanem két nem homológ akrocentrikus kromoszóma rövid karjai között fellépő ún. nem-homológ rekombináció miatt is létrejöhet.

Mivel a dicentrikus kromoszómák az osztódások során nem tudnának a megfelelő pólusokra vándorolni, ezért egy ma még nem tisztázott mechanizmus révén a két centroméra közül az egyik inaktiválódik, s így egy, ugyan abnormális szerkezetű, de egy centromérával bíró kromoszóma marad fenn.

Acentrikus fragment

Ritkábban a kromoszómá(k)ról letört darab(ok) a sejtben, mint centroméra nélküli kis fragmentumok, a citoplazmában maradnak. Mivel a centroméra hiányában az ilyen darabok nem tudnak a megfelelő sejtpólusra vándorolni, vagy ún. mikronukleuszt formálnak, vagy a sejtosztódások során elvesznek a sejtből, s végül csak az érintett, de így már deletált kromoszómák maradnak meg. Az acentrikus darabok leggyakrabban valamilyen indukáló, kromoszómatörést okozó mutagénhatásra, pl. sugárzás alakulnak ki, ezért felhasználhatók a mutagénhatások tesztelésére (mikronukleusz teszt).