Cytogenetika-09-Aberace

1
2
Brevipalpus phoenicis je polyfágní roztoč žijící v oblasti tropů a subtropů, kde ničí
citrusy, papáju, čaj, kávu atd. za miliony dolarů ročně. Jeho populace je složená
výhradně ze samic množících se výhradně partenogeneticky (vzácně se
vyskytnuvší samci nemají žádnou funkci), nejbližší příbuzné druhy se množí také
partenogenezí nebo haplodiploidií. B. phoenicis má dva chromosomy a pomocí
cytogenetických technik se podařilo prokázat, že tyto chromosomy nejsou
homology, neboli že tento druh je haploidní. Je to tedy jediný známý případ
haploidních samic u živočichů.
Haploidie je s největší pravděpodobností způsobena vnitrobuněčnou bakterií,
která manipuluje pohlavím hostitele směrem k samicím, přes které je přenášena
do další generace. Když byli roztoči přeléčeni antibiotiky, začali se z
neoplozených vajíček líhnout samečci, původním mechanismem determinace
pohlaví je tedy haplodiplodie a za nepřítomnosti bakterie by určovala pohlaví B.
phoenicis dodnes.
Weeks et al. 2001
3
4
Polyploidizace je jev poměrně běžný u rostlin (velká část druhů rostlin vznikla
polyploidizací), u živočichů vzácnější a přítomná jen v některých skupinách. K
opakovaným polyploidizacím docházelo a dochází u ryb a obojživelníků, u ryb se
také polyploidizace navozuje uměle z šlechtitelských důvodů. U člověka sice
vznikají tri- a tetraploidní embrya, ale tento stav je letální.
Polyploidizace funguje velmi často jako reprodukční bariéra mezi polyploidem a
rodičovskou populací, takže díky ní vznikají nové druhy.
5
Polyploidie můžeme rozlišit podle toho, zda buňka obsahuje sudý (ortoploidie)
nebo lichý (anortoploidie) počet sad chromosomů. Lichý počet chromosomálních
sad způsobuje problémy s rozchodem chromosomů v meióze, což vede ke
sterilitě (téměř nevznikají funkční gamety). U ortoploidů je tento problém menší
(nicméně také často mají problémy s meiózou), ale pokud by došlo ke křížení s
diploidním jedincem, vznikne sterilní anortoploidní potomek. Je tedy žádoucí, aby
docházelo k páření mezi jedinci stejné ploidie. Pokud je polyploid schopen
samooplození, což je případ řady rostlin, může bez problémů produkovat
potomstvo – vznikl nový druh. U živočichů, kteří nemají možnost samooplození,
je polyploidizace životaschopná jen pokud se polyploid dokáže množit
partenogeneticky. Příkladem takového druhu je triplodiní partenogenetická
ještěrka Aspidoscelis neomexicana, která je hybridem A. inortana a A. tigris.
7
Podle toho, zda došlo k duplikaci genomu v rámci druhu nebo při mezidruhové
hybridizaci, rozlišujeme dva typy ploidií: autopolyploidie – v rámci druhu, vzniklý
polyploid obsahuje jen jeden typ genomu, a allopolyploidie – hybridizací vznikne
jedinec s různými rodičovskými genomy.
Allo- i autopolyploidie způsobují ihned po vzniku masivní epigenetické změny a
s tím spojenou vyšší aktivitu mobilních elementů, oba typy ploidií poskytují
materiál k neofunkcionalizaci, atd. Ale allopolyploidie je zdá se výhodnější než
autopolyploidie, protože dva různé genomy poskytují více alel, více proteinových
interakcí, dochází k heteróznímu efektu, hybridi mají širší ekologický záběr než
rodičovské druhy, vykazují vyšší rezistenci k parazitům než jeden nebo oba
rodičovské druhy.
Většina informací, které máme o tom, co se děje bezprostředně po polyploidizaci,
pochází z rostlin, kde se jednak vyskytují přirození polyploidi a jednak lze u mnoha
druhů uměle polyploidy generovat. Relativně recentní duplikace genomu u obratlovců se
odehrály u různých žab, ryb čeledí Salmonidae a Cyprinidae, a některých ještěrek.
Přesto jsou vlivy polyploidizace u obratlovců zatím málo studované.
Polyploidi často vykazují aneuploidii, která je způsobená poruchami v meióze. Časté
přestavby jsou způsobeny homeologní rekombinací spojenou s nepřesným párováním.
Homeologní rekombinace je také spojena se ztrátou homeoalel u části gamet. Čím větší
byly rozdíly mezi homeology, tím dramatičtější jsou následné přestavby, zahrnující
inverze, translokace, tvorbu dicentrických chromosomů. Bezprostředním efektem jsou i
poruchy v epigenomu, což má vliv na expresi genů a na aktivitu mobilních elementů.
Geny duplikované při polyploidizaci mají vyšší naději na přežití, než geny
duplikované tzv. segmentální duplikací, protože polyploidizace zachovává všechny
interagující geny, zatímco duplikace menšího segmentu kopíruje jen část dráhy, jeden
gen nebo jeho část. Obecně geny vzniklé segmentální duplikací vznikají častěji, ale
přežívají v průměru několik milionů let, zatímco geny vzniklé polyploidizací u drápatek
přežily desítky milionů let.
Duplikované geny může potkat řada osudů. Nejpravděpodobnější je to, že jedna
z kopií je vyřazena mutací a gen je změněn na pseudogen. To může být žádoucí,
pokud samostatně duplikovaný gen (vs. polyplodizace) narušuje rovnováhu
genových produktů, které spolu interagují, např. v metabolické dráze. Gen může
být vyřazen buď mutací v kódující oblasti (záměna nukleotidů, delece, inzerce),
nebo degenerací regulačních faktorů, epigenetickou inaktivací nebo fungováním
MEs. Pokud jsou zachovány obě kopie, mohou existovat obě beze změny, pokud
je výhodné mít dvě kopie takového genu (např. jako pojistka proti škodlivým
mutacím nebo pokud je výhodné mít více genového produktu, např. geny pro
histony nebo rRNA). Jedna z kopií genu může díky mutaci získat novou funkci
(neofunkcionalizace). Případně může jedna nebo obě kopie ztratit některou z
funkcí, které měl původní gen (subfunkcionalizace), čili dojde ke specializaci, kdy
každá z kopií zastává jednu z funkcí původního genu, případně se mohou obě
kopie exprimovat na různých místech nebo v jiném čase.
Evans 2008
10
Zvýšení odolnosti ke škůdcům a nepříznivému prostředí
Navození polyploidie v některých případech vede ke zvýšení odolnosti
k biotickým i abiotickým faktorům. Není to však pravidlem a někdy je efekt
opačný. Výhodnější je produkce allopolyploidů z druhů, které využívají různé
sekundární metabolity na obranu proti stresorům, protože sekundární metabolity
jsou obvykle aditivní. Výsledný hybrid tak produkovat všechny enzymy a obrané
látky, jako oba jeho rodiče.
Zvětšení velikosti
- Větší genom vede k větší velikosti buňky, což může být ve šlechtitelství
kýženým znakem. Na některé hybridy to ale má špatný vliv, např. tetraploidi
jablek jsou sice větší, ale vodnatí a špatného tvaru. Ke komerčním účelům se
proto pěstují triploidi. Ploidie je žádaná i u dekorativních květin, které jsou
mohutnější a déle vydrží. Zahradní jahoda je oktoploid.
12
Výroba sterilních kultivarů
Při uvádění nových druhů do krajiny je žádoucí předejít tomu, aby se
nekontrolovaně množily. Nejefektivnější metodou je navození polyploidie, která je
často provázena problémy s párováním a rozchodem, takže jedinec netvoří
funkční gamety.
Triploidní jedinci, kteří netvoří semena, jsou žádaní v produkci ovoce. Některé
druhy ale mají tzv. interploidní blok, čili jedinci různých ploidií se nekříží. To lze
vyřešit kultivací triploidního endospermu in vitro, ze kterého za vhodných
podmínek vznikne embryo a z něj rostlinka. Tento přístup byl úspěšně využit
např. u jablek, citrusů, kiwi, mučenky, akácie, rýže a papáji.
13
Znovunastolení fertility u hybridů vdálených druhů
Pokud jsou rodičovské druhy fylogeneticky vzdálené a tedy jejich genomy
diverzifikované, jejich hybridi jsou často neplodní. Důvodem je problém
s párováním homeologů a následně jejich špatný rozchod v meióze, což vede ke
vzniku aberantních gamet. Zdvojením sad chromosomů se každý chromosom má
s kým párovat a může se správně rozejít, takže vzniklé gamety mají správný
počet chromosomů a jsou funkční. Tímto způsobem vznikla třeba Chitalpa
tashkentensis (kříženec Chilopsis linearis a Catalpa bignonioides).
14
Případem znovunastolení fertility polyploidizací je produkt mezirodového křížení
zelí a ředkvičky – tzv. Raphanobrassica, Pokus prováděl ve 30. letech 20. století
sovětský genetik G.D. Karpečenko a jeho cílem bylo získat rostlinu, která bude
mít kořeny ředkvičky a listy zelí. Výsledek byl přesně opačný a vzniklá rostlin
navíc netvořila téměř žádná semena. Z těch, která přece vznikla, vyrostly
allotetraploidi, čili semena vznikla díky náhodné tetraploidizaci.
15
16
Aneuploidie jsou u člověka nejčastější příčinou raných potratů. Z tabulky shrnující
výskyt trisomií autosomů u člověka vyplývá, že některé trisomie jsou natolik
závažné, že nejsou vůbec zachytitelné ani u potracených plodů (1 a 19) a drtivá
většina dalších vede k potratu. Jen trisomie 13, 18 a 21 jsou slučitelné se
životem, i když trisomie 13 (Patauův syndrom) a 18 (Edwardsův syndrom)
způsobují tak závažné poškození, že děti obvykle umírají krátce po porodu.
Jediná trisomie, jejíž nositelé se mohou dožít dospělosti, je trisomie 21 (Downův
syndrom).
Sumner 2003
17
18
Robertsonovská translokace je významným jevem v evoluci karyotypu druhů.
Jedná se o fúzi akrocentrických chromosomů, při které dojde k ztrátě krátkých
ramének a dlouhá raménka obou akrocentriků jsou spojena v jeden chromosom s
jednou centromerou. Jedinec, který je heterozygotní pro Robertsonovkou
translokaci, produkuje tři druhy gamet: normální (nesou správný počet
nesfúzovaných chromosomů), balancované (nese zfúzovaný chromosom) a
nebalancované (část genetického materiálu jim chybí nebo přebývá).
19
20
Dvouřetězcové zlomy DNA u monocentrických chromosomů generují acentrické
fragmenty (= fragmenty bez centromery), které se během metafáze nemohou
zachytit na dělící vřeténko a jsou během několika generací ztraceny. Konce
chromosomů bez telomer jsou lepivé a mají tendenci se spojovat, takže vnikají
dicentrické chromosomy, které se v anafázi nemohou rozejít a vytvářejí tzv.
anafázní můstky, což způsobí blok buněčného dělení. U holokinetických
chromosomů, které mají kinetochor po celé délce/většině chromosomu, ke ztrátě
fragmentů nedochází, protože se mohou navázat na dělící vřeténko.
21
22
Segmentální duplikace je zdvojení části chromosomu. Nejčastějším
mechanismem je ektopická rekombinace, čili homologní rekombinace mezi
úseky, které se nacházejí na různých místech chromosomu/ů (hlavně mobilními
elementy). Vyskytují se ve všech genomech, i když u různých druhů jsou různě
významné. Jejich prostřednictvím genom získává nový a nadbytečný genetický
materiál, které může využít pro nové účely. Segmentální duplikace byly např.
klíčové pro evoluci primátů. Geny v segmentálních duplikacích primátů se často
účastní imunitní reakce, olfaktorického rozpoznávání, odbourávání xenobiotik a
reprodukce. Naopak málo zastoupené jsou geny účastnící se běžného
buněčného metabolismu a základních funkcí, patrně proto, že změna jejich
exprese by byla předmětem silné purifikující selekce. Některé geny, které odlišují
člověka od šimpanze vznikly duplikací. Příkladem je expanze genu pro amylázu
(AMY1), který kóduje enzym z počátku metabolické dráhy škrobu a glykogenu.
Tohoto genu má člověk 3x víc než šimpanz (a stejně tak i jeho produktu), což je
pravděpodobně adaptace na množství potravy bohaté na škrob v zemědělských
kulturách.
Duplikace genu a rezistence
Dobře prozkoumaným případem adaptace na insekticid duplikací genů je komár
Culex pipiens, který byl na jihu Francie dlouhodobě vystavován tlaku insekticidů.
Odpovědí byla duplikace genů pro dvě nespecifické esterázy Est-2 a Est-3, které
odbourávají organofosfáty, a Ace1, lokus, který kóduje enzym
acetylcholinesterázu, která je hlavním cílem organo-fosfátových insekticidů.
23
Inverze jsou další aberací, která je významná pro evoluci genomu. U
heterozygotů pro inverzi mezi invertovanými úseky nedochází k párování
homologů a nemůže dojít k rekombinaci, kombinace alel tak zůstávají
zachované. To je důležitý mechanismus při speciaci, kdy zůstávají při obě
varianty genů, které jsou např. zodpovědné za znaky odlišující vznikající druhy a
za jejich rozpoznávání. Inverze jsou důležité i pro evoluci pohlavních
chromosomů (viz přednáška č. 07).
Obrázek z http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/illustrations/
24
Filadelfský chromosom je změna v karyotypu, která vzniká reciprokou
translokací mezi chromosomy 9 a 22 ((t(9;22)(q34.1;q11.2)). Je typická pro
chronickou myeloidní leukemii (95% pacientů), ale je přítomná i u akutní
lymfoblastické leukemie (25-30% dospělých a 2-10% dětí) a příležitostně u akutní
myeloidní leukemie. Translokací vzniká prodloužený chromosom 9 a zkrácený
chromosom 22 (Filadelfský chromosom), který nese fúzní onkogen BCR-Abl,
vzniklý spojením genu Abl1 z chromosomu 9 a část genu BCR ("breakpoint
cluster region") z chromosomu 22. Gen Abl1 kóduje tyrosin kinázu, která řídí
aktivitu dalších genů řídících buněčný cyklus. Onkogen BCR-Abl je transkribován
kontinuálně, což vede k neregulovanému růstu buněk, čili k rakovině. Navíc
inhibuje reparaci DNA, což vede k další nestabilitě genomu. K léčbě se používají
inhibitory tyrosin kinázy.
Označení Ph chromosomu (t(9;22)(q34.1;q11.2) znamená translokace
podproužku 1 z proužku 4 z oblasti 3 z chromosomu 9 na podproužek 2
z proužku 1 z oblasti 1 chromosomu 22. (Obrázky a info z
http://en.wikipedia.org/wiki/Philadelphia_chromosome)
Obrázky z:
http://www.broadinstitute.org/blog/visualizing-genome-disarray
25
Obrázek z http://www.mun.ca/biology/scarr/Robertsonian_fusion.html
26
Robertsonovská traslokace může být příčinou Downova syndromu, pokud k fúzi
došlo mezi chromosomem 21 a dalším akrocentrikem. Sám nositel balancované
translokace je v pořádku, ale část jeho gamet je nebalancovaných a nese oba
chromosomy 21. Po oplození normální gametou vzniká jedinec s trisomií 21, čili s
Downovým syndromem. Speciálním a vzácným případem je fúze obou
chromosomů 21, kdy balancované gamety nemohou vniknout a všichni potomci
balancovaného rodiče mají Downův syndrom.
David-Padilla et al. 2009
http://apamedcentral.org/search.php?where=aview&id=10.0000%2Famp.2009.43
.1.12&code=0012AMP&vmode=PUBREADER#!po=16.6667
27
Mutageny jsou látky, které zvyšují frekvenci mutací.
Příklady chemických mutagenů
analogy bazí – nahrazují báze a způsobují chyby v párování
mutace
alkylační látky – přidávají metylovou nebo etylovou skupinu k bazím
párování
chyba v
interkalační látky – vmezeření do DNA – posun čtecího rámce
látky deaminující báze – přeměna cytosinu na uracil
Fyzikální mutageny
UV – thyminové dimery = kovalentně spojené sousední thyminy, pokud nejsou
opravené, způsobují problémy při replikaci DNA. Hlavní příčina melanomů.
ionizující záření – zlomy DNA
Biologické mutageny
mobilní elementy
řada mechanismů, hlavně inserční mutageneze (vloží se do
regulační/kódující sekvence genu), dále delece, duplikace, ...
viry – inserční mutageneze
Wing spot test (test skvrn na křídlech) je elegantní, i když v současné době již
málo využívaná metoda, jak testovat potenciální mutageny. Principem je křížení
dvou čistých linií drozofil. První linie nese recesivní mutaci mwh (multiple hair
wing), která způsobuje zmnožení trichomů na křídlech. Druhá linie nese recesivní
mutaci flr (flare) způsobující deformované trichomy na křídlech. Oba geny jsou
lokalizované na stejném chromosomu. Kříženci obou linií jsou heterozygotní pro
obě recesivní mutace a mají tedy divoký fenotyp. Pokud dojde mezi homology k
somatické rekombinaci, dostanou se na chromatidy stejného chromosomu
mutantní alely obou genů. Po mitóze se v jedné dceřiných buňkách mohou sejít
chromatidy nesoucí mutantní alely stejného genu, čili jedna buňka bude recesivní
homozygot pro mwh, druhá pro flr. Potomci těchto buněk mají stejný genotyp,
takže vedle sebe vzniknou dvě populace buněk, jedna s fenotypem mwh, druhá
flr. Herozygoti jsou nakrmeni testovanou chemikálií a po nějaké době
vyhodnoceni. Čím silnější je mutagen, tím více dvojitých skvrn se na křídle
vyskytuje. Vyhodnocuje se minimálně 40 křídel ze samic, jedno křídlo má 30800
buněk. Metoda je tedy pracná, ale velmi citlivá.
30
Výměna sesterských chromatid (Sister chromatide exchange, SCE)
SCE je výměna odpovídajících si částí dsDNA mezi chromatidami jednoho
chromosomu. K SCE dochází během S-fáze vlivem mutagenů, které interferují
s replikací DNA (ionizující záření, chemikálie vážící se na DNA). Dochází
k dvouřetězcovým zlomům DNA a k výměně částí sesterských chromatid. K SCE
dochází přirozeně v malé míře, velké množství výměn ale ukazuje na vliv nějakého
mutagenu na genom. Test na SCE se používá na testování potenciálních mutagenů a
na otestování osob, které pracují v rizikových místech. K testu se používají buňky
z periferní krve, které se kultivují po dobu 72 hodin (tak aby byly zastaveny v průběhu
druhé mitózy) za přítomnosti bromo-deoxy-uridinu (BrdU), který je začleněn do nového
řetězce DNA. Po druhé replikaci DNA obsahuje každý chromosom jednu chromatidu
s jedním řetězcem s BrdU a jedním původním řetězcem DNA bez BrdU (ta se bude
Giemsou barvit sytě) a jednou chromatidou s oběma řetězci DNA a BrdU (ta se bude
barvit světle). Buněčné dělení je zastaveno kolchicinem, aby bylo co nejvíce buněk
v metafázi, připraví se chromosomální preparát a obarví se Giemsou. Chromosomy, u
kterých došlo k výměně sesterských chromatid, budou mít části chromatid světlé a jiné
tmavé.
Obrázek z http://atlasgeneticsoncology.org/Kprones/BLO10002.html
Info z:
http://www.crios.be/genotoxicitytests/sister_chromatid_exchange_test.htmhttp://www.bro
adinstitute.org/blog/visualizing-genome-disarray
http://en.wikipedia.org/wiki/Sister_chromatid_exchange
31
32