Aberracje chromosomowe i mutacje

Magdalena Mayer
Katedra i Zakład genetyki Medycznej UM w Poznaniu

ABERRACJE CHROMOSOMOWE

Aberracje chromosomowe - zmiany materiału genetycznego, które są widoczne pod
mikroskopem w badaniu kariotypu. 0,6% noworodków ma aberrację chromosomową o
znaczeniu klinicznym
Podział aberracji chromosomowych:

• Aberracje

liczby chromosomów

struktury chromosomów

• Aberracje mogą dotyczyć zarówno chromosomów płci, jak i autosomów
• Aberracje są wynikiem mutacji chromosomowej powstałej w komórkach rozrodczych

rodziców lub bardziej odległego przodka

Prawidłowa liczba chromosomów:

46 (23 pary) – w komórkach somatycznych– diploidia
23

- w gametach - haploidia

Aberracje liczby chromosomów:

• Poliploidia – liczba chromosomów stanowi wielokrotność liczby diploidalnej i jest

większa niż diploidalna

Triploidia - 69 chromosomów

Tetraploidia - 92 chromosomy

• Trisomia – dodatkowy chromosom w danej parze
• Monosomia – brak jednego chromosomu w danej parze

Aberracje struktury chromosomów:
Zrównoważone

• Translokacje zrównoważone -

przemieszczenie się materiału genetycznego pomiędzy

chromosomami

a.) translokacje wzajemne - fragmenty chromosomów oderywają się i zamieniają

miejscami

b.) translokacje robertsonowskie - dotycza chromosomów akrocentrycznych - dwa

chromosomy akrocentryczne tracą ramiona krótkie i łączą się ze sobą – powstaje
jeden chromosom. Utrata ramion krótkich chromosomów akrocentrycznych nie
powoduje utraty genów

c.) translokacje inercyjne
d.)
• Inwersje - Chromosom ulega złamaniu w 2 miejscach, a fragment pomiędzy

złamaniami ulega odwróceniu o 180 stopni

a.) Inwersja paracentryczna – oba złamania są w obrębie jednego ramienia i odwrócony

fragment nie zawiera centromeru

b.) Inwersja pericentryczna – złamania nastąpiły w obydwu ramionach chromosomu i

odwrócony fragment zawiera centromer

Niezrównoważone

• Duplikacje - podwojenie części chromosomu
• Delecje - utrata części chromosomu

• Chromosomy pierścieniowe - chromosom pęka w obu ramionach, dystalne części

chromosomów ulegają utracie, a pozostała część chromosomu tworzy pierścień

• Izochromosom -

Nieprawidłowy chromosom, który ma delecję jednego, a duplikację

drugiego ramienia. Może powstać wskutek poprzecznego podziału centromeru

• Fragmenty centryczne

Kliniczne skutki aberracji chromosomowych:
Niezrównoważonych

U zarodka - obumarcie

U dzieci żywo urodzonych

- Zespoły wad wrodzonych z upośledzeniem umysłowym

- Upośledzenie umysłowe z cechami dysmorfii

- Zaburzenia cielesno-płciowe

Zrównoważonych

nosiciel aberracji jest zdrowy, ale może mieć niepowodzenia rozrodu (brak ciąży,

poronienia samoistne, porody martwe, dzieci z zespołem wad i upośledzeniem umysłowym

Zasady zapisu kariotypu:
Na podstawowy zapis kariotypu składa się:

1) Liczba określająca całkowitą ilość chromosomów w komórce
2) Po przecinku wymienione chromosomy płciowe
3) Po przecinku ewentualny opis aberracji

Wykaz niektórych skrótów, używanych przy zapisie kariotypu:
p-ramię krótkie
q- ramię długie
del- delecja
dup- duplikacja
ins-insercja

Wskazania do określenia kariotypu:

• Zespół wad wrodzonych współistniejący z opóźnieniem rozwoju / upośledzeniem

umysłowym

• Upośledzenie umysłowe
• Zaburzenia różnicowania płci
• Niepowodzenia rozrodu

Badanie kariotypu:

•

Można użyć każdej rosnącej tkanki

•

Najczęściej badanie wykonuje się na limfocytach krwi obwodowej, czasem także na
komórkach szpiku kostnego lub fibroblastach skóry

•

W diagnostyce prenatalnej do badania kariotypu pobiera się komórki płynu
owodniowego lub kosmówki

Należy pobrać jałowo do probówki z heparyną ok. 2-5 ml krwi żylnej (od noworodka 1 ml) i
przesłać do laboratorium cytogenetycznego. Jeśli transport krwi jest następnego dnia,
probówkę z krwią należy przechowywać w lodówce (+4 stopnie C). Można też probówkę z
krwią przesyłać szybką pocztą
Uwaga: u noworodka z wadami wrodzonymi, który zmarł zanim zdążono pobrać krew na
badanie kariotypu, można jeszcze jak najwcześniej (ew. nawet do jednej godziny po zgonie)
pobrać krew bezpośrednio z serca

inv- inwersja
mar-marker
t-translokacja
der – chromosomom pochodny
s-satelity
dic-chromosom dicentryczny

Wskazania do badania kariotypu na podstawie fibroblastów skóry:

• Kariotyp mozaikowy w badaniu limfocytów
• Brak aberracji chromosomowej w badaniu standardowym (limfocyty) przy fenotypie

wskazującym na aberrację

• Fenotyp zespołu Pallister-Killian

Fenotyp osoby z niezrównoważoną aberracją chromosomową w zakresie autosomów:

• Często dystrofia wewnątrzmaciczna
• Często nieprawidłowy przebieg ciąży (krwawienie z dróg rodnych, nieprawidłowa

ilość płynu owodniowego, wady płodu w badaniu USG)

• Wady wrodzone, w tym wady narządów wewnętrznych, często wada serca
• Dysmorfia twarzy, dysplastyczne małżowiny uszne
• Upośledzenie umysłowe – zawsze, nawet przy słabo wyrażonych pozostałych w.w.

objawach

ZESPÓŁ DOWNA:

47,XX,+21 lub 47,XY,+21

1/700 żywych urodzeń

Częstość występowania wzrasta z wiekiem matki

Cechy fenotypowe:

Czaszka krótka z nieprawidłowo uformowanymi,
nisko osadzonymi uszami
Mały nos
Skośno-górne ustawienie szpar powiekowych
Zmarszczka nakątna
Płaski profil
Płaska potylica
Na dłoniach bruzda poprzeczna (pojedyncza
bruzda zgięciowa)
Plamki Brushfielda na tęczówkach
Duży język
Charakterystyczny jest nadmiar skóry na karku
U noworodków występuje obniżone napięcie
mięśniowe

ZESPÓŁ PATAU

47,XX,+13 lub 47,XY,+13

1/5000 żywych urodzeń

Ryzyko wystąpienia rośnie z wiekiem matki

90% dzieci umiera przed ukończeniem pierwszego roku życia

Cechy fenotypowe
Hipoteloryzm
Małoocze
Rozszczep wargi i podniebienia
Nieprawidłowe małżowiny uszne
Wystające pięty
Wady skóry w obrębie części owłosionej głowy
Nadmiar skóry na karku

Wady narządowe:
Małogłowie
Wady serca
Wnętrostwo
Spodziectwo
Przerost łechtaczki
Podwójna pochwa

Wady narządowe:
Wady serca!!!
Zarośnięcie przewodu pokarmowego
Przepuklina pępkowa
Wnętrostwo
Problemy kliniczne:
UPOŚLEDZENIE UMYSŁOWE – 100%
Zaćma-2%
Padaczka-10%
Niedoczynność tarczycy-3%
Ostra białaczka-1%

Polidaktylia
Bruzda poprzeczna
Dłonie zaciśnięte w pięści


ZESPÓŁ EDWARDSA

47,XX,+18 lub 47,XY,+18

1/3000 żywych urodzeń

Ryzyko wystąpienia rośnie z wiekiem matki

90% dzieci umiera przed ukończeniem pierwszego roku życia

Cechy fenotypowe
Mała bródka
Wypukła potylica
Nisko osadzone i zniekształcone małżowiny uszne
Podeszwy stóp wygięte łukowato
Bruzdy poprzeczne na dłoniach
Dłonie zaciśnięte w pięści z palcem 2. i 5. zachodzącymi na 3. i 4.
Czasem polidaktylia

ZESPÓŁ TURNERA

45,X

99% płodów ulega poronieniu samoistnemu

W życiu płodowym uogólniony obrzęk płodu

Cechy fenotypowe
Niedobór wzrostu (wzrost ostateczny w przypadku
braku terapii wynosi 145 cm).
Szeroka klatka piersiowa
Brodawki sutkowe szeroko rozstawione
Niska linia owłosienia na karku
Płetwista szyja
Skrócenie kości śródręcza
Hipoplazja płytek paznokciowych
Liczne znamiona barwnikowe na skórze

Intelekt i długość życia są prawidłowe!


ZESPOŁY MIKRODELECJI

•

Delecje chromosomów są bardzo małe, na granicy rozdzielczości metod klasycznej
cytogenetyki, a nawet submikroskopowe

•

Diagnostyka: analiza chromosomów prometafazowych (HRBT) i FISH

•

Fenotyp: dysmorfia, wady rozwojowe i upośledzenie umysłowe

•

Przykłady zespołów mikrodelecji:

Z. Prader-Williego

15q11-12

Z. Angelmana

15q11-12

Z. Langer-Giedion

8q24

Z. Miller-Dieker

17q13

Wady narządowe
Małogłowie
Wady nerek
Wady serca
Wady przewodu pokarmowego
Wady układu moczowego
Przerost łechtaczki

Wady narządowe
wrodzona wada serca-20%
wady nerek
Rozwój cech płciowych
Jajniki rozwijają się prawidłowo do 15
tygodnia ciąży, po tym okresie komórki
jajowe degenerują i zanikają
Z jajników pozostają łącznotkankowe
pasma
Pierwotny brak miesiączki w ok. 90% i
wtórnych cech płciowych

TECHNIKA FLUORESCENCYJNEJ HYBRYDYZACJI IN SITU (FISH)

Zastosowanie FISH w genetyce klinicznej:

•

diagnostyka submikroskopowych aberracji chromosomowych

•

identyfikacja złożonych aberracji struktury chromosomów

•

identyfikacja dodatkowego materiału chromosomowego

•

identyfikacja chromosomów markerowych

•

szybka diagnostyka aneuploidii chromosomowych

MUTACJE GENOWE

- Zmiany normalnej sekwencji DNA organizmu spowodowane błędami w replikacji DNA
(mutacje spontaniczne), lub działaniem czynników chemicznych i fizycznych (mutacje
indukowane

).

- Zachodzą w zygocie, płodzie, komórkach somatycznych i rozrodczych osoby dorosłej.
- Istnieją systemy naprawy DNA.
- Niekiedy mutacje są utrwalane w replikacji i przekazywane komórkom potomnym

.

- Mutacje w komórkach somatycznych (wszystkie komórki poza rozrodczymi) odgrywają
dużą rolę w rozwoju nowotworów u ludzi. Nie są przekazywane potomstwu
- Mutacje w komórkach rozrodczych mogą być odziedziczone lub powstać de novo w
procesie oogenezy lub spermatogenezy (tzw. nowe mutacje)
Mutacje w komórkach rozrodczych mogą być przekazane potomstwu.

Mutacje indukowane
- wprowadzenie analogu zasady w nici DNA
- bezpośrednia zmiana struktury DNA
- pośrednia zmiana struktury DNA

Mutageny chemiczne:
- wprowadzenie analogu zasady w miejscu występowania prawidłowej zasady w DNA (np. 5-
bromouracyl, 2-aminopuryna)
- czynniki deaminujące zasady w helisie DNA (np. kwas azotawy, dwusiarczyn sodowy)
- czynniki alkilujące – wprowadzają dodatkowe grupy alkilowe lub arylowe w nukleotydach
(np. metanosulfonian etylowy (EMS), dimetylonitrozoamina, halogenki metylu, produkty
metabolizmu azotynów)
- czynniki interkalujące – płaskie cząsteczki wnikające pomiędzy pary zasad w podwójnej
helisie; najczęściej mutacje typu inercji (np. bromek etydyny)
Mutageny fizyczne:
- promieniowanie jonizujące
- promieniowanie ultrafioletowe (UV)
- ciepło
Systemy naprawy DNA
- naprawa bezpośrednia
- naprawa z wycinaniem zasad
- naprawa z wycinaniem nukleotydów
- naprawa niedopasowanych nukleotydów
- naprawa rekombinacyjna

Niesprawny system naprawy DNA może skutkować występowaniem chorób
genetycznych, np.

Xeroderma pigmentosum

(inaczej: Skóra pergaminowata i

barwnikowa; częstość 1/70.000 urodzeń; upośledzona naprawa DNA po uszkodzeniu
promieniowaniem UV, występują liczne nowotwory skóry i bliznowacenie rogówki)

Skutki mutacji
- utrata funkcji – zmniejsza lub znosi aktywność białka; większość mutacji tego typu jest
recesywna, ale zdarzają się sytuację, w których mutacja ma charakter dominujący
- nabycie funkcji – mutacja nadaje białku nietypowa aktywność; mutacje tego typu występują
znacznie rzadziej i mają najczęściej charakter dominujący

Mutacje typu GOF (ang. gain of function – nabycie funkcji) czy LOF (ang. loss of function –
utrata funkcji) w tym samym genie mogą mieć wpływ na powstanie różnych chorób
genetycznych:












Rodzaje mutacji
A. Duże rearanżacje genowe
1. Delecje - utrata części sekwencji DNA (alfa-talasemia, niedobór hormonu wzrostu,
rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa Duchenne`a)
2. Duplikacje - powielenie sekwencji DNA (rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia
mięśniowa Duchenne`a)
3. Insercje - wbudowanie dodatkowej sekwencji DNA (hemofilia, neurofibromatoza)

Dystrofia mięśniowa Duchenne`a (DMD):
Objawy::

 Początek w wieku 3-8 lat
 Utrata siły mięśniowej
 Pseudo-hipertrofia mięśni łydek (łydki gnoma)
 Hiperlordoza lędźwiowa
 Objaw Gowera- problem ze zmianą pozycji siedzącej na stojącą

Gen dystrofiny:

Zlokalizowany na krótkim ramieniu chromosomu X
79 egzonów!!!
Trankrypt długości około 14 kpz
Mutacje:
• W 60% delecja zmieniająca ramkę odczytu - brak białka o prawidłowej funkcji
• W 5% duplikacja jednego lub kilku egzonów
• Mutacje punktowe

B. Mutacje punktowe
Najczęstsza przyczyna mutacji w ludzkim genomie!
Typy (mechanizm):

• Insercje, delecje, tranzycje (zastąpienie zasady purynowej inną zasadą purynową lub

pirymidynowej - inną pirymidynową), transwersje (puryna <-> pirymidyna)

Typy (efekt):

• Zmiany sensu (missens)
• Neutralne (ciche)

Przykłady: mukowiscydoza, fenyloketonuria

Gen PAX3

LOF
Zespół Waardenburga – typ I
- Upośledzenie słuchu, głuchota
- Zmiany pigmentacji tęczówki
- Zmiany pigmentacji skóry
- Biały kosmyk włosów

GOF
Rozwój nowotworu u dzieci -alveolar
rhabdomyosarcoma
Nowotwór złośliwy występujący w
mięśniach kończyn lub tułowia.

Mutacja zmiany sensu

– efektem jest zmiana kodowanego aminokwasu. Dotyczą pierwszej

lub drugiej zasady w kodonie.












Mutacja neutralna (cicha mutacja)

– nie powoduje zmiany aminokwasu. Dotyczy zwykle

trzeciej zasady kodonu.











C. Mutacje transkrypcyjne
Występują w obszarze od końca 5` do początku kodonu inicjacyjnego w sekwencji DNA
(np.sekwencja TATA). Jest to miejsce krytyczne dla inicjacji transkrypcji.
Efekt: spadek efektywności transkrypcji->spadek produkcji białka.

D. Mutacje RNA
Proces składania RNA (usunięcie intronów i połączenie egzonów) jest krytyczny dla
prawidłowej ekspresji genu.
Mutacje:

• zmieniają prawidłowe miejsca łączące w regionie połączenia intronu i egzonu
• tworzą nowe miejsca łączenia wewnątrz intronów lub egzonów

Efekt: powstanie niestabilnego, szybko degradującego się RNA

E. Mutacje translacyjne
Zaburzają syntezę białka
2 typy:

• Mutacje nonsensowne (stop) - powstaje przedwczesny kodon terminacyjny ->

zaburzenie struktury białka -> wzrost niestabilności białka -> degradacja produktu

• Mutacje zmiany ramki odczytu - delecja lub insercja w rejonie kodującym genu

zmienia triplet kodu dla wszystkich kodonów następujących po nim -> kompletna
zmiana sekwencji aminokwasów lub zakończenie syntezy białka

Mutacja nonsensowna

– zmienia kodon aminokwasowy na terminujący. Dochodzi do

przedwczesnego zakończenia translacji mRNA










Mutacja zmiany ramki odczytu

– insercja lub delecja zasad, których liczba nie jest

wielokrotnością trzech, ramka odczytu przesuwa się w czasie translacji.









F. Mutacje dynamiczne
- Wzrost liczby trójnukleotydowych sekwencji powtarzalnych

w genie lub obszarze nie

ulegającym translacji ( koniec 3` lub 5` genu)
- Korelacja między ciężkością choroby oraz wiekiem pojawienia się objawów a ilością
powtórzeń
- Ilość powtórzeń może wzrastać w kolejnych pokoleniach
- Objawy mogą nasilać się lub występować wcześniej w kolejnych pokoleniach
(ANTYCYPACJA)
- Pierwszą mutację dynamiczną odkryto w 1991 roku.
- Mutacje dynamiczne stwierdzono tylko u człowieka.
- Mutacje dynamiczne wykazują dużą zmienność populacyjną.
Mutacje dynamiczne stanowią podłoże molekularne 14 jednostek chorobowych i można je
podzielić na dwie grupy:
- Typ I – choroby neurodegradacyjne: ch. Huntingtona, rdzeniowo-opuszkowy zanik mięśni,
ataksje móżdżkowo-rdzeniowe
- Typ II – dystrofia miotoniczna, zespół kruchego chromosomu X, upośledzenie umysłowe
związane z kruchym miejscem FRAXE, ataksja Friedreicha.
Inkluzje neuronalne – struktury widoczne pod mikroskopem świetlnym, powstałe w wyniku
tworzenia makroagregatów białkowych.
Skutki tworzenia inkluzji białkowych:

- blokowanie transportu aksonalnego,
- zaburzenie funkcji mitochondriów
- zaburzenia transkrypcji
- zaburzenia apoptozy

Przykłady chorób związanych z ekspansją powtórek trójnukleotydowych:
Choroba Huntingtona

Sekwencja prawidłowa - (CAG)10-35
Sekwencja zmutowana - (CAG)36-121

Zespół łamliwego chromosomu X (FraX)










G. Negatywne mutacje dominujące
- Zmutowany gen wytwarza produkt, który interferuje z funkcją produktu prawidłowego
allelu- efekt dominujący
- Geny kodujące białka strukturalne
- Przykłady: osteogenesis imperfecta, zespół Marfana

prawidłowa

premutacja

pełna mutacja