Меню Закрыть

Хромосомные делеции, инверсии и транслокации

Хромосомные делеции, инверсии и транслокации

При определенных обстоятельствах (например, при воздействии рентгеновского излучения) фрагмент хромосомы может оторваться и привести к той или иной форме хромосомной аномалии. Если поврежденный фрагмент меняет свою ориентацию и снова прикрепляется к той же позиции на исходной хромосоме, это называется хромосомной инверсией. Если фрагмент отделяется от хромосомы и не прикрепляется к той же исходной хромосоме, это называется хромосомной делецией. Если вместо этого фрагмент прикрепляется к соседней гомологичной хромосоме, то это состояние называется хромосомной дупликацией. Наконец, отслоившийся фрагмент может перемещаться и прикрепляться к негомологичной хромосоме, в процессе, называемом хромосомной транслокацией. 

Хромосомные аберрации

Хромосомные аберрации обусловлены либо числовыми аномалиями, либо структурными дефектами. Нормальное диплоидное число хромосом у человека составляет 46. Существует 23 пары хромосом с 22 парами аутосом и двумя половыми хромосомами, X и Y. Женщины имеют две Х-хромосомы (46,XX), в то время как мужчины имеют одну Х- и одну Y-хромосому (46,XY).

Аномалия числа хромосом

Числовая аномалия в хромосомном составе клетки может быть вызвана приобретением одного или нескольких полных наборов гаплоидных хромосом (полиплоидный кариотип). Примером может служить триплоидное хромосомное число (например, 69,XXY) в частичной гидатиформной родинке.

Чаще всего происходит избирательное увеличение или потеря отдельной хромосомы (анеуплоидия). В качестве примера, трисомия 21, вызывающая синдром Дауна, характеризуется приобретением одной дополнительной копии хромосомы 21. Все мутации, изменяющие общее число хромосом, считаются геномными мутациями.

Аномалия хромосомной структуры

Структурные хромосомные аномалии, также называемые хромосомными мутациями, включают в себя те изменения, которые обусловлены одним или несколькими разрывами в хромосоме. После разрыва отделенные фрагменты, вероятно, будут участвовать в хромосомных перестройках. Структурные хромосомные изменения могут приводить к смещению хромосомных областей без какой-либо потери или дублирования генетического материала (т.е. сбалансированные перестройки) или они могут быть несбалансированными:

  • Сбалансированные перестройки часто передаются по наследству и обычно не связаны с фенотипическими аномалиями. Два исключения из этого правила включают точку разрыва, непосредственно разрушающую ген, и перемещение хромосомного материала из Х-хромосомы в аутосому или наоборот.
  • Несбалансированные перестройки приводят к частичной трисомии или моносомии и считаются частой причиной врожденных аномалий или задержки развития.

На субмикроскопическом уровне генные мутации, такие как замены одной пары оснований, вставки, делеции, дупликации, расширения нуклеотидных повторов и инверсии, обычно слишком малы, чтобы их можно было идентифицировать с помощью стандартного кариотипического анализа, и для их обнаружения требуется анализ ДНК. Эти субмикроскопические мутации могут быть столь же малы, как изменение в одной паре оснований, или столь же велики, как мегабазные участки последовательности ДНК в очень больших генах.

Механизмы хромосомного разрыва

Разрушение хромосом вызвано разрывами двухцепочечной ДНК эндогенного или экзогенного происхождения. Эндогенные разрывы связаны с процессами репликации, рекомбинации, транскрипции и репарации ДНК, все из которых требуют временных разрывов двухцепочечной ДНК. Постоянные эндогенные нарушения происходят при запрограммированной клеточной гибели из-за старения клетки, повреждения клетки или регулирования количества клеток. Экзогенные причины включают воздействие облучения и определенных химических веществ, а также другие виды повреждения ДНК.

Восстановление разрывов ДНК происходит с высокой точностью до тех пор, пока поврежденный участок может быть удален и заменен последовательностью ДНК, скопированной с неповрежденной матрицы. Однако двухцепочечные разрывы ДНК требуют восстановления поврежденного участка на обеих цепях и более подвержены ошибкам. Изменяя структуру генов или паттерны экспрессии, такие мутации могут иметь патогенные последствия, включая злокачественную трансформацию.

Хромосомный разрыв также необходим для последующих инверсий, делеций, транслокаций и других хромосомных перестроек.

Инверсии

Хромосомные инверсии характеризуются двумя разрывами на одной и той же хромосоме, поворотом промежуточного сегмента на 180 градусов с последующей хромосомной реинтеграцией промежуточного сегмента в «перевернутом» положении. Инверсии можно разделить на подклассы в зависимости от расположения их разрывов. Точки разрыва только на одном плече хромосомы определяют парацентрические инверсии, тогда как перицентрические инверсии возникают в результате разрывов с обеих сторон центромеры. Носители инверсии обычно фенотипически нормальны. Однако у носителей инверсии могут быть репродуктивные проблемы. При мейозе инвертированная хромосома должна спариться с неинвертированной нормальной хромосомой, образуя петлю. Если происходит кроссинговер, могут возникнуть несбалансированные или аномальные гаметы.

Парацентрические инверсии

Парацентрические инверсии относительно редки, но наблюдались во всех 23 аутосомах и обеих половых хромосомах. Хромосомы у лиц с парацентрической инверсией чаще выявляются из-за бесплодия или повторных выкидышей у носительницы, чем из-за фенотипических аномалий у потомства. Риск заболевания ребенка, как правило, очень мал из-за одного из следующих механизмов:

  • передаваемая хромосома в норме;
  • передаваемая хромосома инвертирована и совместима с жизнью, как и у родительской;
  • после рекомбинации в инвертированной области переданная хромосома становится ацентрической или дицентрической.

Гаметы с ацентрическими фрагментами или дицентрическими хромосомами обычно нежизнеспособны. В целом наследственные парацентрические инверсии безвредны. Тем не менее, есть редкие сообщения о случаях аномального потомства у людей с парацентрическими инверсиями.

Перицентрические инверсии

Перицентрические инверсии не только вызывают изменения в характере исчерченности пораженной хромосомы, но также могут изменить положение центромеры. Теломерные к инвертированному сегменту рекомбинантные хромосомы будут частично дублированы или делетированы. Более крупные сегменты более восприимчивы к кроссинговеру в мейозе I, поскольку обычно на каждое плечо хромосомы приходится по крайней мере один кроссинговер. Следовательно, более крупные перицентрические инверсии связаны с повышенным риском фенотипических аномалий у потомства, поскольку дуплицированные или удаленные сегменты будут меньше и с большей вероятностью совместимы с жизнью.

В клетках со злокачественной трансформацией вследствие соматической мутации гораздо чаще выявляют реципрокные транслокации и делеции, чем инверсии. Как класс, инверсии встречаются только в 2 процентах всех хромосомных аберраций, наблюдаемых у онкологических больных с одной или несколькими хромосомными аномалиями.

Делеции

Делеция хромосомного материала может быть обнаружена или не обнаружена стандартными методами хромосомного бэндинга (т. е. макроделеции и микроделеции соответственно).

Макроделяции — чтобы под микроскопом увидеть хромосомную делецию с помощью группировки хромосом, делеция должна охватывать не менее трех-пяти мегабаз (Mb). Учитывая, что средняя плотность генов составляет примерно один ген на 50 килобаз, неудивительно, что потеря такой большой области может привести к фенотипическим проявлениям. Возможно, наиболее известный пример — синдром кошачьего крика, возникающий из-за терминальной делеции короткого плеча хромосомы 5. Врожденные аномалии при этом расстройстве включают кошачий неонатальный плач, микроцефалию с дисморфическими чертами лица, пороки сердца, гипотонию и тяжелую умственную отсталость. Несмотря на то, что размер удаленного фрагмента различается от пациента к пациенту, всегда включаются хромосомные полосы 5p15.2 и 5p15.3. Таким образом, эти полосы охватывают критическую область для этого фенотипа.

Микроделеции — цитогенетические разработки, такие как методы выделения полос с высоким разрешением и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), позволили обнаружить относительно небольшие («микро») делеции. Если зонд FISH предназначен для локализации области, делетированной на одном аллеле, при оценке (про)метафазной хромосомы будет присутствовать только один двойной сигнал.

Один из примеров микроделеции — синдром Смита-Магениса, встречающийся у 1 к 25 000 и характеризующийся микроделецией участка хромосомы 17p11.2. Фенотипические особенности включают умственную отсталость, низкий и хриплый голос, агрессивное поведение, бессонницу, низкий рост и брахидактилию. В то время как большинство делеций охватывают около 5 Мб и цитогенетически различимы вблизи центромеры, остальные диагностируются с помощью более точных диагностических методов, таких как FISH. Интерстициальная делеция при этом синдроме облегчается наличием областей малокопийных повторов, фланкирующих общие области точек разрыва. Эти сегменты в высокой степени гомологичны, что делает их склонными к неравному кроссинговеру в мейозе I. Во время неравного кроссинговера две несестринские хроматиды рекомбинируют в неправильном месте из-за неправильного выравнивания высоко гомологичных последовательностей ДНК. Таким образом, одна из хроматид приобретает дупликацию промежуточной последовательности, в то время как соответствующий сегмент удаляется на другой хроматиде. Это называется неаллельной гомологичной рекомбинацией (NAHR) и лежит в основе большинства синдромов микроделеции/микродупликации.

Другим примером синдрома микроделеции, являющийся следствием неаллельной гомологичной рекомбинации — синдром Вильямса. Фенотипические особенности включают сердечно-сосудистые заболевания (чаще всего надклапанный аортальный стеноз), характерные лица с полными губами и периорбитальной полнотой, а также необычную умственную отсталость с относительной когнитивной силой в вербальных способностях. Более 99 процентов людей с синдромом Вильямса имеют непрерывную делецию гена, охватывающую ген эластина (ELN) в 7q11.23. Приблизительно 95 процентов людей, страдающих синдромом Вильямса, имеют микроделецию 1,55 Мб, а остальные 5 процентов имеют более крупную микроделецию 1,84 Мб.

Гомологическая рекомбинация во время митоза бывает редкой и аномальной. Тем не менее, неравный кроссинговер также может происходить при митотическом делении и приводит к неравному обмену сестринскими хроматидами. Основной механизм смещения между повторяющимися последовательностями такой же, как и в мейозе. Однако это аномальное событие в митозе приводит к соматической мутации и может предрасполагать к раку, если удаленная последовательность содержит (или будет частью) гена-супрессора опухоли.

Подгруппа пациентов с гиперэозинофильным синдромом имеет новое слияние FIP1L1-PDGFRA из-за большой интерстициальной делеции на хромосоме 4q12. Это приводит к слитому белку с конститутивной тирозинкиназной активностью, эозинофильной пролиферацией и повреждением органов-мишеней. Пациенты с этим слиянием часто реагируют на ингибитор тирозинкиназы, иматиниба мезилат. Диагноз этого слитого белка можно поставить, продемонстрировав потерю гена CHIC2 в удаленной области с помощью FISH или с помощью ПЦР, демонстрирующей наличие слитого транскрипта.

Транслокации

Большинство людей со сбалансированной транслокацией фенотипически нормальны. Различают три типа хромосомных транслокаций: реципрокные, робертсоновские и инсерционные (невзаимные).

Реципрокные транслокации

Врожденные реципрокные транслокации встречаются с частотой 0,2% и происходят из-за разрыва двух негомологичных хромосом, меняющих свои отдельные части. В редких случаях во взаимном обмене хромосомными сегментами участвует более двух хромосом. Когда это происходит, транслокация считается сложной.

В норме генетический материал не теряется при реципрокной транслокации. Во время мейоза нормальные и транслоцированные хромосомы спариваются, образуя четырехвалентную структуру, из которой могут быть получены один нормальный, один сбалансированный и четыре несбалансированных продукта. Несбалансированные продукты можно разделить на два продукта с правильным и два продукта с неправильным расхождением центромер. Последняя ситуация, в которой гамета содержит две идентичные центромеры, встречается очень редко и менее совместима с жизнеспособным исходом. Хотя теоретически ожидается, что 50 процентов произведенных гамет будут аномальными или несбалансированными, эмпирический общий риск рождения аномального живорожденного потомства редко превышает 15 процентов.

Реципрокные транслокации также часто встречаются в виде соматических мутаций при гематологических злокачественных новообразованиях и других новообразованиях. Реципрокная транслокация в одной клетке либо сопоставляет два гена и индуцирует активацию одного из этих генов, либо вызывает активацию онкогена путем создания нового слитого гена. В обоих сценариях клональная экспансия пораженной клетки напрямую приводит к онкогенезу.

Примером первой ситуации может быть транслокация онкогена в ген, либо кодирующий тяжелую или легкую цепь иммуноглобулина, либо Т-клеточный рецептор. Эти гены естественным образом подвергаются обширным перестройкам, чтобы обеспечить необходимое разнообразие клеточно-опосредованных ответов или ответов антител. Однако этот процесс увеличивает риск ошибочных межхромосомных перестроек. Примером может служить t(14;18), присутствующий почти у 80% пациентов с фолликулярной В-клеточной лимфомой. В этой транслокации ген BCL2 на хромосоме 18 примыкает к гену тяжелой цепи иммуноглобулина на хромосоме 14, конститутивно экспрессирующийся и вызывающий сверхэкспрессию BCL2.

Во втором случае точки разрыва возникают в двух генах, и создается гибридный ген. Экспрессия химерного белка может изменить сигнальные пути клетки из-за измененной активности транскрипционных факторов. Одним из многих примеров может выступать t(9;22), вызывающий слияние гена BCR на хромосоме 22 и гена ABL1 на хромосоме 9. Этот гибридный продукт BCR-ABL1 присутствует у всех больных хроническим миелоидным лейкозом.

Хотя в настоящее время неизвестно, какие клеточные процессы определяют, что разрывы хромосом приведут к реципрокной транслокации, были выяснены некоторые патогенные механизмы совмещенных и химерных генов:

  • Ген BCL2 кодирует белки, являющиеся онкогенными, предотвращая запрограммированную гибель клеток, а не стимулируя пролиферацию клеток. В-клетки с t(14;18) избегают апоптоза и, таким образом, предрасположены к накоплению дополнительных мутаций.
  • Ген CCND1 на хромосоме 11, у многих пациентов с мантийно-клеточной лимфомой расположенный рядом с локусом тяжелой цепи иммуноглобулина на хромосоме 14, кодирует регулятор клеточного цикла циклин D1. t(11;14) и напрямую влияет на нормальные события клеточного цикла.

Эти примеры иллюстрируют функциональное разнообразие генов, подвергающихся транслокации в гены иммуноглобулинов или рецепторов Т-клеток.

Однако гены, наиболее часто участвующие в онкогенных транслокациях, относятся к факторам транскрипции. Их нарушение регуляции приводит к неадекватной активации генов-мишеней в одном или нескольких клеточных путях. Примером может служить широко изученный слитый ген BCR-ABL1, кодирующий онкобелок, участвующий в активации множественных каскадов передачи сигнала путем конститутивной экспрессии онкогена ABL1.

В то время как пролиферация и выживание клеток становятся независимыми от цитокинов, обычно регулирующих дифференцировку, а также пролиферацию гемопоэтических клеток, фосфорилирование нескольких субстратов активирует пути передачи сигнала, включая RAS, киназу JUN, MYC и STAT. Индукция дополнительных факторов транскрипции может усиливать или снижать экспрессию потенциально большого количества генов. Наконец, слитый белок BCR-ABL1 также может напрямую влиять на клеточный цикл.

Робертсоновские транслокации

Акроцентрические хромосомы 13, 14, 15, 21 и 22 человека имеют очень короткие p-плечи, содержащие только хромосомные спутники и генетический код рибосомных РНК. Следовательно, их центромеры расположены очень близко к одному концу хромосомы. Когда длинные плечи двух акроцентрических хромосом сливаются в результате транслокации, их короткие плечи теряются и, в зависимости от расположения точек разрыва, создается дицентрическая или моноцентрическая гибридная хромосома.

Потеря коротких плеч акроцентрических хромосом не имеет фенотипических последствий, поскольку утраченные участки не содержат уникальных генетических последовательностей. Единственным следствием может быть сбалансированный кариотип с 45 хромосомами вместо 46. Это определяется примерно у 1 из 1000 человек.

Однако несбалансированные гаметы гетерозиготных носителей распространены и дают начало моносомному или трисомному плоду. Большинство моносомий и трисомий будут летальными и спонтанно прерываются на ранних сроках беременности. Однако выжившие плоды с трисомией 21 могут быть жизнеспособными и иметь синдром Дауна, хотя около 85% зачатых с трисомией 21 не доживают до срока. Когда этот синдром вызван родительской робертсоновской транслокацией, родитель-носитель обычно имеет слияние длинных плеч хромосом 14 и 21. Одна из трех жизнеспособных гамет будет сбалансирована, одна будет нормальной, а третья будет содержать слитую хромосому der(14;21), а также непораженную хромосому 21. Нормальное оплодотворение этой гаметы приводит к плоду с трисомией 21. Эмпирический риск для ребенка с синдромом Дауна составляет от 10 до 15 процентов для матери-носителя и только 2 процента, если отец — носитель робертсоновской транслокации.

Инсерционные транслокации

Инсерционные транслокации по определению не взаимные и вызываются интеграцией сегмента «донорской» хромосомы, имеющей две точки разрыва, в хромосому-реципиент, содержащую только одну точку разрыва. Полученные зиготы могут быть нормальными, сбалансированными, частично трисомными или частично моносомными. Фенотипический результат этой аномалии, когда-то считавшейся редкой, сильно зависит от местоположения точек разрыва и от природы перемещенной последовательности. С появлением сравнительной геномной гибридизации (aCGH, также известной как анализ хромосомных микрочипов) оказалось, что инсерционные транслокации (IT) не так редки, как считалось ранее. В 2000 году оценочная частота видимых под микроскопом инсерционных транслокаций составляла 1/80 000, тогда как более поздние исследования показали, что они встречаются чаще, с оценкой 1/500.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Яндекс.Метрика