Něco málo o genetice II

9. října 2009 v 23:56 | Tuška |  Genetika
Pokračuji v naší genetické procházce (nikoliv však růžovou zahradou):

Chromosomy a karyotyp člověka

Genové mutace a jejich mechanismy
  • Mutace chromosomové
  • Mutace genomové
  • Mutageny


Chromosomy a karyotyp člověka

Mikrostavba chromosomů

Chromosomy jsou pentlicovité útvary vznikající v eukaryotních buňkách při jaderném dělení.

Základní stavební jednotkou chromosomu jsou tzv. nukleosomy - což je útvar tvořený 8 histony, které jsou omotány zhruba 146 páry bazí molekuly DNA.
Spiralizací těchto nukleosomů vznikají chromatinová vlákna a další spiralizací těchto vláken vznikají již celé chromosomy.

Makrostavba chromosomů

Nejčastěji se chromosomy jeví jako dvě ramena, mezi nimiž je ztenčená oblast (zaškrcení) - centromera.

Koncová část ramének se potom označuje jako telomera. Raménka nemusí být stejně dlouhá - potom na chromosomu rozlišujeme krátké raménko (p raménko) a dlouhé raménko (q raménko).

U některých chromosomů ještě nalézáme sekundární zaškrcení na jednom raménku, které odděluje jeho koncovou část - tzv. satelit.
Obecně pak chromosomy podle uložení centromery dělíme na chromosomy Telocentrické (pouze s 1 raménkem), Metacentrické (se stejně dlouhými raménky), Submetacentrické (jedno raménko je mírně kratší) a Akrocentrické (jedno raménko je znatelně kratší).

Tvar a velikost chromosomů, stejně jako umístění centromery, jsou poměrně charakteristické a konstantní druhové znaky.
Např. člověk - 23 párů chromosomů, žížala - 18 párů, pes - 39 párů. Tento soubor chromosomů označujeme jako karyotyp.

Pro vyšetření karyotypu je nutné zachytit buňky (při vyšetření karyotypu člověka se používají kultivované, dělící se leukocyty, odebrané z periferní krve) při mitóze (nejlépe v metafázi), k čemuž se dodnes používá vřeténkový jed - kolchicin.

Dále se chromosomy znázorní třeba některou z pruhovacích technik, jako je Q pruhování nebo G pruhování (Ale dnes se již běžně používá řada modernějších metod pro zkoumání karyotypu - např. FISH = Fluorescent In Situ Hybridization).

Autosomy a gonosomy

Chromosomy se dělí na chromosomy somatické (autosomy, které tvoří homologní páry a jejich přítomnost není specifická pro určité pohlaví) a chromosomy pohlavní (gonosomy), které určují pohlaví jedince (ale nesou i jiné geny, zejména chromosom X) a jsou heterologní (označení X a Y).

Karyotyp člověka

Karyotyp člověka se skládá z 23 párů chromosomů (celkem jde tedy o 46 chromosomů).
Z toho 22 chromosomů jsou autosomy a tvoří homologní páry, zatímco poslední pár je heterologní a je tvořen pohlavními chromosomy.

U člověka je mužské pohlaví primárně určeno přítomností chromosomu Y. Jakmile v zygotě tento chromosom přítomen není - začne se dále vyvíjet jedinec ženského pohlaví.
U ženského zárodku dojde velmi časně ve všech buňkách k inaktivaci jednoho X chromosomu (náhodně - tento X chromosom může být původně od matky i od otce) a k jeho kondenzaci.
Tato struktura se označuje jako Barrovo tělísko (nebo také sex chromatin, případně X chromatin) a lze jej využít k diagnostice pohlaví, či různých chromosomových aberací chromosomu X.
Proces inaktivace X chromosomu je po své objevitelce (genetičce Mary Lyonové) pojmenován jako lyonizace.

Zatímco ženadva chromosomy X (a má veškeré geny z chromosomu X ve dvou kopiích), mužchromosom X jenom jeden. Muž tak má řadu genů z chromosomu X pouze v jedné kopii (hovoříme o tom, že muž je pro tyto geny hemizygotní).

Z toho plyne, že mutace v takovémto genu je pro muže závažnější než pro ženu, protože nemá druhou - potenciálně zdravou - kopii genu (alelu), která by mohla negativní účinek mutované kopie kompenzovat.
Existují však i tzv. pseudoautosomální oblasti na chromosomu X a Y. Tyto oblasti obsahují homologní (tedy vlastně stejné) geny. Tato skutečnost má dva základní významy. Jednak jde o geny, které nacházíme ve dvou kopiích u mužů i u žen (a proto - v souladu s pojmem pseudoautosomální - se jejich dědičnost řídí podobnými pravidly jako dědičnost autosomální) a jednak jsou tyto oblasti důležitý pro párování (jinak morfologicky značně odlišných) chromosomů X a Y do páru v průběhu buněčného dělení.

Lidské chromosomy - skupiny

Chromosomy člověka dělíme podle jejich makrostavby do několika skupin:
A - Chromosomy 1, 2, 3 jsou velké metacentrické.
B - Chromosomy 4, 5 jsou velké submetacentrické.
C - Chromosomy 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, X jsou střední submetacentrické.
D - Chromosomy 13, 14, 15 jsou střední akrocentrické.
E - Chromosomy 16, 17, 18 jsou malé submetacentrické.
F - Chromosomy 19, 20 jsou malé metacentrické.
G - Chromosomy 21, 22, Y jsou malé akrocentrické.

Indikace k vyšetření karyotypu

V rámci klinické genetiky se karyotyp vyšetřuje relativně často. Toto vyšetření je u dospělého člověka (či dítěte) relativně nenáročné, neboť stačí odebrat krev (viz výše). Komplikovanější je vyšetření karyotypu plodu, neboť buněčný materiál je potřeba získat pomocí některé z invazivních metod prenatální diagnostiky. Toto vyšetření je zcela dobrovolné a vázané na poučený souhlas.

Vyšetření karyotypu indikujeme u:
  • těhotných žen, u kterých je zvýšené riziko vrozené vývojové vady (v případě pozitivního biochemického či ultrazvukového screeningu či pozitivní rodinné anamnézy)
  • těhotných žen nad 35 let, u kterých je obecně zvýšené riziko chromosomálních aberací, zvláště pak Downova syndromu (u této a předcházející možnosti se samozřejmě provádí vyšetření karyotypu plodu)
  • novorozenců a dětí, u kterých je důvodné podezření na některou chromosomální aberaci.
  • dospívajících a dospělých, u kterých nacházíme poruchy puberty či pohlavního vývoje
  • neplodných párů, u kterých byly vyloučeny jiné příčiny neplodnosti, nebo u párů s několika spontánními potraty
  • zájemců o dárcovství vajíček či spermií
________________________________________________________________________

Mutace

Mutace jsou změny v genotypu organismu oproti normálu. Velká většina mutací je naprosto náhodných, cílená mutageneze se používá téměř výhradně pro vědecké účely. Mutace vzniklé třeba díky chybě při replikaci DNA se nazývají mutace spontánní (dochází k nim bez zásahu z vnějšího prostředí).

Pravděpodobnost jedné takovéto chyby se pohybuje v řádech asi 10-7. Četnost těchto mutací je tedy velice nízká, navíc buňky jsou do jisté míry schopné tyto chyby díky reparačním enzymům likvidovat.
Většina mutací je tedy tzv. indukovaných, tj. vyvolaných vnějšími mutagenními faktory (mutageny - viz níže).

Mutace genové

Probíhají na úrovni vlákna DNA. V následujícím přehledu budeme uvažovat, že k mutaci došlo v kódujícím úseku DNA, abychom mohli lépe demonstrovat možné vlivy této mutace na proteosyntézu.

Z hlediska vlivu na proteosyntézu rozlišujeme:
  • Mutace neměníci smysl (samesense, silent mutation), které těží z degenerace genetického kódu (viz kapitola translace), kdy je i přes mutaci zařazena stejná aminokyselina. Jsou způsobeny substitucemi na třetí pozici kodonu.
  • Mutace měnící smysl (missense mutation), které mění smysl polypeptidového vlákna. Jsou způsobeny zejména takovými substitucemi, které způsobí zařazení odlišné aminokyseliny při proteosyntéze.
  • Nesmyslné mutace (nonsense mutation), které zapříčiní vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA. Syntéza takového polypeptidu paki není dokončena a výsledkem je zcela nefunkční protein. Tyto mutace jsou způsobeny delecí nebo inzercí určitého množství bází, pokud nejde o 3n násobek.
Mechanismy genových mutací jsou:

  • Adice (inzerce)
Zařazení jednoho nebo více nadbytečných nukleotidových párů. Pokud je zařazen takový počet nukleotidů, který není celočíselným násobkem 3 (3n), potom dojde k posunu čtecího rámce (tzv. frameshift mutation) a následně k syntetizování zcela odlišného polypeptidu nebo dokonce k předčasnému ukončení proteosyntézy vznikem terminačního kodonu. Zařazení 3n nukleotidů prodlužuje polypeptidový řetězec o n aminokyselin podle inzertované sekvence.
  • Delece
Jde o ztrátu jednoho nebo více nukleotidů původní sekvence. Účinek je podobný jako u adicí, pouze místo prodloužení polypeptidového řetězce dochází ke zkracování.
  • Substituce
Substituce je náhrada báze původní sekvence bází jinou. Pokud jde o záměnu purinové báze za purinovou bázi, nebo o záměnu pyrimidinové báze za pyrimidinovou bázi - pak je tato substituce označena jako transice. Záměna purinové báze za bázi pyrimidinovou nebo naopak se označuje jako transverse. Následeky substituce mohou být různé, podle toho, na které pozici kodonu k substituci došlo.

Mutace chromosomové

Dochází při nich ke změně struktury nebo počtu chromosomů. Obecně se označují jako chromosomové aberace.

Strukturní změny chromosomů
vznikají jako následek chromosomální nestability (zlomů), způsobené nadměrnou expozicí jedince mutagenům, nebo zhoršenou funkcí reparačních mechanismů. Následky těchto odchylek závisí na tom, zda je i po strukturní přestavbě zachováno normální množství genetické informace. Pokud ne, potom dochází k fenotypovým projevům, které se odvíjejího od toho, která část genomu chybí nebo je strukturně poškozena, či naopak přebývá.

Duplikace.
Jde o znásobení úseku chromosomu. Může být způsobeno nerovnoměrným crossing-overem, jehož následkem dojde na jednom chromosomu k duplikaci sledovaného úseku, zatímco na druhém je tentýž úsek deletován (viz níže).

Delece - Část chromosomu chybí.
Deletován může být konec raménka (potom jde o terminální deleci) nebo střední část některého z ramének chromosomu (intersticiální delece).

Delece vznikají jako následek chromosomální nestability nebo nerovnoměrného crossing-overu (viz výše).

Inverse
při inversi dochází vlivem chromosomové nestability k vyštěpení části chromosomu, jejímu převrácení a následnému napojení.

Například následkem inverse na chromosomu s původní sekvencí A-B-C-D-E-F-G-H by byla sekvence A-B-F-E-D-C-G-H (pokud je na invertované části chromosomu centromera, potom je inverse označována jako pericentrická; pokud na invertovaném úseku centromera není - jde o inversi paracentrickou).

Translokace
Při translokaci je část chromosomu vyštěpena z původního chromosomu a připojena k jinému chromosomu. Translokace mohou být balancované (kdy je zachováno stejné množství genetické informace v buňce) nebo nebalancované (kdy původní množství není dodrženo).

Reciproční translokace jsou vzájemné translokace mezi dvěma nehomologními chromosomy. Chromosomy si vymění nehomologní úseky, počet chromosomů všakzůstane stejný.

Robertsonské translokace jsou zvláštní případy translokace, kdy dochází k fúzi dvou akrocentrických chromosomů (po ztrátě satelitů) - např. 14, 21. Jedinec s takovouto balancovanou translokací má o chromosom méně, ale původní množství genetické informace - proto většinou nemá žádné fenotypové projevy. Současně má však velmi velké riziko, že jeho děti budou postiženy nebalancovanými chromosomálními aberacemi.

Fragmentace
Fragmentace je krajní případ chromosomové aberace, kdy vlivem silných mutagenů a vysoké chromosomální nestability dojde k rozpadu chromosomu na fragmenty. Buňka s takovýmto chromosomem se nemůže dále mitoticky dělit a může u ní být navozena apoptóza.

Isochromosom
Isochromosom je chromosom, který má pouze dlouhá, či naopak krátká raménka. Vzniká chybným mitotickým rozestupem chromosomů, kdy nedojde k rozestupu chromatid, ale do jedné dceřinné buňky se dostanou obě krátká raménka a do druhé obě raménka dlouhá.

Ring chromosom
Pokud dojde u chromosomu k deleci konců obou ramének (telomer), může se tento chromosom stočit, koncové části se spojí a vznikne "kolečko" - tedy kruhový chromosom (ring chromosom).

Numerické změny chromosomů
jsou způsobeny poruchou rozestupu chromosomů (nondisjunkcí) při dělení buňky.

Standartně je každý chromosom v eukaryotické buňce přítomen ve dvou kopiích - základním stavem je tedy disomie. Odchylky od tohoto stavu se nazývají aneuploidie. Pokud není přítomen žádný chromosom z páru - nazývá se tento stav nulisomie, pokud je přítomen pouze jeden chromosom potom monosomie, pokud je chromosom přítomen ve třech kopicíh pak trisomie atd.

Pokud k nondisjunkci dojde při meiotickém dělení (při I. nebo II. meiotickém dělení) během vzniku pohlavních buněk (nondisjunkce na germinální úrovni), potom bude mít zygota k jejímuž vzniku přispěla tato aberovaná gameta nestandardní počet chromosomů a tím pádem každá buňka jedince, který z této zygoty vznikne (tedy pokud vůbec bude vývoj dále pokračovat...), bude mít aberovaný karyotyp. Pokud k dojde k nondisjunkci až během mitózy - vzniká chromosomová mozaika - viz níže.
____________________________________________________________________________


Mutace genomové

Dochází ke změně samotného genomu, většinou jde o znásobení celé chromosomové sady.
Takovýto stav se nazývá polyploidie, jedinec je 3n - triploidní, 4n - tetraploidní nebo i více. Tento stav je relativně běžný u některých rostlin, u člověka (a vyšších živočichů obecně) není slučitelný se životem.

Běžně polyploidní jsou ty buňky, které mají více jader (syncytia - např. svalové vlákno) nebo u buněk, kde je velmi vysoká metabolická aktivita, která vyžaduje velkou transkripční aktivitu - příkladem mohou být jaterní buňky - hepatocyty.

Druhým extrémem pak mohou být červené krvinky - erytrocyty, které jako terminální buňky nemají jádro a postrádají tak jadernou genetickou informaci (tento stav by se mohl nazývat nuliploidie).

Mozaicismus

Nondisjunkce (neoddělení) chromosomů může nastat i během mitózy ve vyvíjejícím se organismu (na somatické úrovni). Takový jedinec je potom tvořen několika (2, případně ale i více) liniemi buněk, z nichž každá linie vykazuje jiný karyotyp.

U takového jedince se potom může manifestovat příslušný klinický syndrom (známé jsou mozaiky Downova a Turnerova syndromu), projev však může být velmi variabilní a závisí na tom, kolik a jakých buněk nese aberovaný karyotyp.

Chimerismus

Zvláštním případem je chimerismus, kdy je jedinec tvořen dvěma liniemi buněk, které vznikly ze dvou různých zygot, které následně splynuly v jednoho jedince. Příkladem mohou být některé druhy srostlých dvojčat, nebo vlastně i jedinec s transplantovaným orgánem.

Dynamické mutace

Dynamické mutace jsou spojené s expanzí repetitivních sekvencí. Bylo zjištěno, že u některých chorob (Huntingtonova chorea, syndrom fragilního X chromosomu, Fanconiho anémie) nalézáme oproti normálu zvýšený počet trinukleotidových repetic na specifickém úseku genomu.

Vinou nepřesností při replikaci tohoto úseku, může docházet ke zvyšování počtu trinukleotidových (existují i dinukleotidové a jiné repetice) repetic. Pokud nepřesáhne počet repetic kritické číslo (k rozvoji choroby), ale je oproti normálu zvýšen, označuje se tento stav jako premutace. Jakmile je tento kritický počet dosažen či překročen, dojde k plné mutaci a u jedince se manifestuje příslušná choroba.
_____________________________________________________________________________

Mutageny jsou látky, které jsou schopny způsobovat mutace.

Z klinického hlediska jde o nežádoucí produkty vnějšího prostředí, které mohou poškodit genetickou informaci člověka.

U dospělého člověka mohou některé mutageny působit jako kancerogeny a způsobit tak zhoubné bujení (rakovinu).

Pokud mutageny způsobí mutace pohlavních buněk, bude potomek rodičů postižen příslušnou dědičnou chorobou či chromosomovou aberací. Zároveň některé mutageny mohou mít účinkovat i jako teratogeny a způsobit tak poruchy prenatálního vývoje jedince.

Mutace můžeme i uměle indukovat, což se využívá k pokusům na modelových organismech, zejména pro studiem exprese genů. Experimentálně se testují i potencionální mutagenní účinky nových chemických látek.

Mutageny dělíme na:

Fyzikální
  • UV záření - zdrojem je Slunce, nebezpečné je zejména vzhledem ke slábnoucí ozonové vrstvě
  • Ionizující záření - radioaktivní nebo RTG záření. Může způsobovat chromosomové zlomy
Chemické
  • Aromatické uhlovodíky - v tabákovém kouři a produktech spalování vůbec
  • Barviva - např. akridinová barviva
  • Organická rozpouštědla
  • Některé dříve běžně užívané látky - např. součásti plastů (PCB), hnojiv, herbicidů, insekticidů (DDT) nebo i léčiv
  • Bojové látky - např. yperit
Biologické
  • Viry - některé viry (retroviry) se mohou inkorporovat do genetické informace infikované buňky, čímž mohou porušit sekvenci některého strukturního genu, nebo jeho regulační oblasti, promotor aj.
  • Mobilní genomové sekvence - Transposony a retrotransposony - mohou působit stejným mechanismem jako retroviry - tj. inzercí na "nesprávné" místo.
Zdroj:

 

3 lidé ohodnotili tento článek.

Komentáře

1 hana.kubikova | E-mail | Web | 20. listopadu 2009 v 15:59 | Reagovat

Nás - míněn Williamsův syndrom u Bartoloměje - se týká delece, resp. mikrodelece na 7. chromozomu. V zásadě Bártovi chybí hlavně elastinový gen, který reguluje syntézu elastinu - proteinu důležitého pro funkci kontraktilních tkání jako jsou myokard a stěny arterií. To pravděpodobně vysvětluje specifický vzhled dětí s WS, hluboký hlas, vrozené srdeční vady, protože dostatečné množství elastinu je nutné pro normální funkci myokardu, arterií a dalších pružných tkání a orgánů. Další chybějící gen vede k růstové retardaci a vývojovým poruchám. Ostatní geny jsou vesměs zodpovědné za další klinické projevy WS, jako je psychomotorická retardace, hyperkalcemie a zřejmě i za muzikálnost pacientů s WS. Obecně se tvrdí, že dětem s Williamsovým syndromem chybí kolem 20 genů, některým více - a tyhle děti jsou na tom hůř, jiným méně a to jsou ty šťastné děti, které se někdy označují jako "vysokofunkční".

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama