7.3: Помилки в мейозі

Спадкові порушення можуть виникнути, коли хромосоми поводяться ненормально під час мейозу Хромосомні порушення можна розділити на дві категорії: аномалії хромосомного числа і хромосомні структурні перебудови. Оскільки навіть невеликі сегменти хромосом можуть охоплювати багато генів, хромосомні порушення є характерно драматичними і часто смертельними.

Розлади в хромосомному номері

Виділення і мікроскопічне спостереження хромосом становить основу цитогенетики і є первинним методом, за допомогою якого клініцисти виявляють хромосомні аномалії у людини. Каріотип - це кількість та зовнішній вигляд хромосом, включаючи їх довжину, смугастість та положення центроміри. Щоб отримати уявлення про каріотип індивіда, цитологи фотографують хромосоми, а потім вирізають і вставляють кожну хромосому в діаграму, або каріограму (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Малюнок \(\PageIndex{1}\): Ця каріограма показує хромосоми жіночої імунної клітини людини під час мітозу. (кредит: Андреас Болцер та ін.)

КАР'ЄРА В ДІЇ: Генетики використовують каріограми для виявлення хромосомних аберацій

Каріотип - це метод, за допомогою якого з однієї клітини можуть бути ідентифіковані ознаки, що характеризуються хромосомними аномаліями. Для спостереження каріотипу людини клітини людини (як білі кров'яні тільця) спочатку збирають із зразка крові або іншої тканини. У лабораторії стимулюють виділені клітини, щоб почати активно ділитися. Потім хімічна речовина наноситься на клітини, щоб зупинити мітоз під час метафази. Осередки потім закріплюються на предметному склі.

Потім генетик забарвлює хромосоми одним з декількох барвників, щоб краще візуалізувати чіткі та відтворювані схеми бандажування кожної пари хромосом. Після фарбування хромосоми проглядаються за допомогою мікроскопії яскравого поля. Виявити кожну смугу може досвідчений цитогенетик. Крім смугастих патернів, хромосоми додатково ідентифікуються на основі розміру та розташування центромерів. Для отримання класичного зображення каріотипу, при якому гомологічні пари хромосом вирівняні в числовому порядку від найдовших до найкоротших, генетик отримує цифрове зображення, ідентифікує кожну хромосому і вручну упорядковує хромосоми за цією схемою (рис. \(\PageIndex{1}\)).

У найосновнішому вигляді каріограма може виявити генетичні аномалії, при яких у людини занадто багато або занадто мало хромосом на клітину. Прикладами цього є синдром Дауна, який ідентифікується третьою копією хромосоми 21, і синдром Тернера, який характеризується наявністю тільки однієї Х-хромосоми у жінок замість двох. Генетики також можуть виявити великі делеції або вставки ДНК. Наприклад, синдром Якобсена, який включає відмінні риси обличчя, а також вади серця та кровотечі, ідентифікується за допомогою делеції на хромосомі 11. Нарешті, каріотип може точно визначити транслокації, які виникають, коли сегмент генетичного матеріалу розривається з однієї хромосоми і реприєднується до іншої хромосоми або в іншу частину тієї ж хромосоми. Транслокації причетні до деяких видів раку, включаючи хронічний мієлолейкоз.

Спостерігаючи каріограму, генетики можуть реально візуалізувати хромосомний склад індивіда, щоб підтвердити або передбачити генетичні відхилення у потомства ще до народження.

Нероз'єднання, дублювання та видалення

З усіх хромосомних порушень аномалії хромосомного числа найлегше ідентифікувати з каріограми. До порушень хромосомного числа відноситься дублювання або випадання цілих хромосом, а також зміна кількості повних наборів хромосом. Вони викликані недиз'юнкцією, яка виникає, коли пари гомологічних хромосом або сестринських хроматид не можуть відокремитися під час мейозу. Ризик недиз'юнкції зростає з віком батьків.

Недиз'юнкція може виникати під час або мейозу I або II, з різними результатами (рис. \(\PageIndex{2}\)). Якщо гомологічні хромосоми не можуть відокремитися під час мейозу I, результатом є дві гамети, яким не вистачає цієї хромосоми та двох гамет з двома копіями хромосоми. Якщо сестринські хроматиди не можуть відокремитися під час мейозу II, результатом є одна гамета, якій не вистачає цієї хромосоми, дві нормальні гамети з однією копією хромосоми та одна гамета з двома копіями хромосоми.

Малюнок \(\PageIndex{2}\): Після мейозу кожна гамета має по одній копії кожної хромосоми. Недиз'юнкція виникає, коли гомологічні хромосоми (мейоз I) або сестринські хроматиди (мейоз II) не відокремлюються під час мейозу.

Особа з відповідним для свого виду кількістю хромосом називається еуплоїд, у людини еуплоїдія відповідає 22 парам аутосом і одній парі статевих хромосом. Індивід з помилкою в хромосомному номері описується як анеуплоїд - термін, який включає моносомію (втрату однієї хромосоми) або трисомію (посилення сторонньої хромосоми). Моносомні людські зиготи відсутні будь-якої однієї копії аутосоми, незмінно не розвиваються до народження, оскільки мають лише одну копію основних генів. Більшість аутосомних трисомій також не розвиваються до народження; однак дублювання деяких менших хромосом (13, 15, 18, 21 або 22) може призвести до потомства, яке виживає від декількох тижнів до багатьох років. Трисомічні особи страждають від іншого типу генетичного дисбалансу: перевищення дози гена. Функції клітин калібруються до кількості генного продукту, виробленого двома копіями (дозами) кожного гена; додавання третьої копії (дози) порушує цей баланс. Найпоширеніша трисомія - це хромосома 21, що призводить до синдрому Дауна. Особи з цим успадкованим розладом мають характерні фізичні особливості та затримки розвитку у зростанні та пізнанні. Частота виникнення синдрому Дауна співвідноситься з материнським віком, таким чином, що жінки старшого віку частіше народжують дітей з синдромом Дауна (рис. \(\PageIndex{3}\)).

Малюнок \(\PageIndex{3}\): Частота народження плоду з трисомією 21 різко зростає з віком матері.

ПОНЯТТЯ В ДІЇ

Візуалізуйте додавання хромосоми, що призводить до синдрому Дауна в цій відеосимуляції .

Люди проявляють драматичні шкідливі ефекти з аутосомними трисоміями та моносоміями. Тому може здатися неінтуїтивним, що жінки та чоловіки можуть нормально функціонувати, незважаючи на те, що вони несуть різну кількість Х-хромосоми. Частково це відбувається через процес, який називається інактивацією X. На початку розвитку, коли ембріони жіночих ссавців складаються всього з декількох тисяч клітин, одна Х-хромосома в кожній клітині інактивується шляхом конденсації в структуру, звану тілом Барра. Гени на неактивній Х-хромосомі не виражені. Конкретна Х-хромосома (материнською або батьківською), яка інактивується в кожній клітині, є випадковою, але як тільки відбудеться інактивація, всі клітини, що походять з цієї клітини, матимуть однакову неактивну Х-хромосому. Цим процесом самки компенсують свою подвійну генетичну дозу Х-хромосоми.

У так званих «черепахових» кішок X інактивація спостерігається як шерстяно-кольорова строкатість (рис. \(\PageIndex{4}\)). Самки, гетерозиготні за Х-зв'язаним геном кольору шерсті, виражатимуть один з двох різних кольорів шерсті в різних областях свого тіла, що відповідає залежності від того, яка Х-хромосома інактивується в попереднику ембріональних клітин цього регіону. Побачивши черепахового кота, ви будете знати, що це повинна бути самка.

Ілюстрація \(\PageIndex{4}\): Ембріональна інактивація однієї з двох різних Х-хромосом, що кодують різні кольори шерсті, породжує фенотип черепахової оболонки у кішок. (кредит: Майкл Бодега)

У людини, що несе аномальне число Х-хромосом, клітинні механізми будуть інактивувати всі, крім одного Х в кожній з її клітин. В результаті Х-хромосомні аномалії, як правило, пов'язані з легкими психічними і фізичними вадами, а також стерильністю. Якщо Х-хромосома відсутня зовсім, індивід не розвинеться.

Охарактеризовано кілька помилок у числі статевої хромосоми. Особи з трьома Х-хромосомами, які називаються трипло-X, з'являються жіночими, але виражають затримки розвитку та знижену фертильність. XXY хромосомний комплемент, що відповідає одному типу синдрому Клайнфельтера, відповідає чоловікам з невеликими яєчками, збільшеними грудьми та зменшеним волоссям на тілі. Зайва Х-хромосома піддається інактивації, щоб компенсувати перевищення генетичної дози. Синдром Тернера, що характеризується як хромосомний комплемент Х0 (тобто лише одна статева хромосома), відповідає жіночій особі з низьким зростом, перетинчастою шкірою в області шиї, порушеннями слуху та серця, стерильністю.

Особа з більш ніж правильною кількістю хромосомних наборів (два для диплоїдних видів) називається поліплоїдних. Наприклад, запліднення аномальної диплоїдної яйцеклітини нормальним гаплоїдним сперматозоїдом дало б триплоїдну зиготу. Поліплоїдні тварини надзвичайно рідкісні, серед плоских хробаків, ракоподібних, земноводних, риб та ящірок лише кілька прикладів. Триплоїдні тварини стерильні, оскільки мейоз не може нормально протікати з непарною кількістю наборів хромосом. Навпаки, поліплоїдія дуже поширена в рослинному царстві, і поліплоїдні рослини, як правило, більші та міцніші, ніж еуплоїди їх видів.

Хромосомні структурні перебудови

Цитологи характеризували численні структурні перебудови хромосом, включаючи часткові дублювання, делеції, інверсії та транслокації. Дублювання та делеції часто дають потомство, яке виживає, але виявляє фізичні та психічні відхилення. Крі-дю-чат (від французького «крик кота») - синдром, пов'язаний з порушеннями нервової системи та ідентифікованими фізичними особливостями, що є результатом видалення більшої частини малої руки хромосоми 5 (рис. \(\PageIndex{5}\)). Немовлята з цим генотипом видають характерний високий крик, на якому базується назва розладу.

Малюнок \(\PageIndex{5}\): Ця людина з синдромом крі-дю-чат проявляється в різному віці: (A) вік два, (B) вік чотири, (C) вік дев'ять і (D) вік 12. (кредит: Паола Серруті Майнарді)

Хромосомні інверсії та транслокації можуть бути ідентифіковані шляхом спостереження клітин під час мейозу, оскільки гомологічні хромосоми з перебудовою в одній з пари повинні спотворювати, щоб підтримувати відповідне вирівнювання генів та ефективно пари під час профази I.

Хромосомна інверсія є відшарування, 180° обертання, і повторна вставка частини хромосоми (рис. \(\PageIndex{6}\)). Якщо вони не порушують послідовність генів, інверсії лише змінюють орієнтацію генів і, ймовірно, матимуть більш м'які ефекти, ніж анеуплоїдні помилки.

ЕВОЛЮЦІЯ В ДІЇ: Хромосома 18 Інверсія

Не всі структурні перебудови хромосом виробляють нежиттєздатних, порушених або безплідних особин. У рідкісних випадках така зміна може закінчитися еволюцією нового виду. Насправді, інверсія в хромосомі 18, схоже, сприяла еволюції людини. Ця інверсія відсутня у наших найближчих генетичних родичів, шимпанзе.

Вважається, що інверсія хромосоми 18 сталася у ранніх людей після їх розбіжності від спільного предка з шимпанзе приблизно п'ять мільйонів років тому. Дослідники припустили, що довгий відрізок ДНК був продубльований на хромосомі 18 предка людини, але щоб під час дублювання вона була інвертована (вставлена в хромосому в зворотній орієнтації.

Порівняння генів людини і шимпанзе в області цієї інверсії вказує на те, що два гени -ROCK1 і USP14 - знаходяться далі один від одного на хромосомі 18 людини, ніж вони знаходяться на відповідній хромосомі шимпанзе. Це говорить про те, що одна з точок зупину інверсії сталася між цими двома генами. Цікаво, що люди та шимпанзе експресують USP14 на різних рівнях у конкретних типах клітин, включаючи клітини кори та фібробласти. Можливо, інверсія хромосоми 18 у прабатьківської людини перемістила специфічні гени та скинула рівень їх експресії корисним чином. Оскільки як ROCK1 , так і код USP14 для ферментів, зміна їх вираження може змінити клітинну функцію. Невідомо, як ця інверсія сприяла еволюції гомінідів, але вона, здається, є важливим фактором розбіжності людей від інших приматів. ¹

Транслокація виникає, коли сегмент хромосоми дисоціює і реприєднується до іншої, негомологічної хромосоми. Транслокації можуть бути доброякісними або мати руйнівні наслідки, залежно від того, як змінюються позиції генів щодо регуляторних послідовностей. Зокрема, специфічні транслокації були пов'язані з кількома раковими захворюваннями та шизофренією. Взаємні транслокації є результатом обміну сегментів хромосом між двома негомологічними хромосомами таким чином, що немає посилення або втрати генетичної інформації (рис. \(\PageIndex{6}\)).

Малюнок \(\PageIndex{6}\): Інверсія (а) відбувається, коли сегмент хромосоми відривається від хромосоми, змінює свою орієнтацію, а потім реприєднується у вихідне положення. A (b) зворотна транслокація відбувається між двома негомологічними хромосомами і не призводить до втрати або дублювання будь-якої генетичної інформації. (кредит: модифікація роботи Національного дослідницького інституту геному людини (США)

Підсумок розділу

Кількість, розмір, форма та смугастість хромосом роблять їх легко ідентифікованими в каріограмі та дозволяють оцінити багато хромосомних аномалій. Порушення хромосомного числа або анеуплоїдії, як правило, смертельні для ембріона, хоча кілька трисомних генотипів є життєздатними. Через інактивацію X аберації в статевих хромосомах зазвичай мають більш м'який вплив на людину. Анеуплоїдії також включають екземпляри, в яких сегменти хромосоми дублюються або видаляються. Хромосомні структури також можуть бути перебудовані, наприклад, шляхом інверсії або транслокації. Обидві ці аберації можуть призвести до негативного впливу на розвиток або смерть. Оскільки вони змушують хромосоми припускати викривлені пари під час мейозу I, інверсії та транслокації часто пов'язані зі зниженою фертильністю через ймовірність недиз'юнкції.

Виноски

1. 1 V Goidts та ін., «Сегментарне дублювання, пов'язане зі специфічною для людини інверсією хромосоми 18: подальший приклад впливу сегментарних дуплікацій на еволюцію каріотипу та генома у приматів», Генетика людини , 115 (2004) :116—22.

Глосарій

анеуплоїд

індивід з похибкою в хромосомному номері; включає делеції і дублювання сегментів хромосом

автосома

будь-яка з нестатевих хромосом

інверсія хромосоми

відшарування, обертання на 180° та повторна вставка хромосомного плеча

еуплоїд

особина з відповідним числом хромосом для свого виду

каріограма

фотографічне зображення каріотипу

каріотип

кількість та зовнішній вигляд хромосом окремих осіб, включаючи розмір, схеми смугастість та положення центроміри

моносомія

інакше диплоїдний генотип, в якому відсутня одна хромосома

недиз'юнкція

нездатність синапсірованних гомологів повністю відокремитися і мігрувати на окремі полюси під час першого клітинного поділу мейозу

поліплоїдний

індивід з неправильною кількістю хромосомних наборів

транслокація

процес, за допомогою якого один сегмент хромосоми дисоціює і реприєднується до іншої, негомологічної хромосоми

трисомія

інакше диплоїдний генотип, в якому один весь хромосома дублюється

X інактивація

конденсація Х-хромосом в тіла Барра під час ембріонального розвитку у самок для компенсації подвійної генетичної дози

Дописувачі та атрибуції

• Template:ContribOpenStaxConcepts