17.5: Помилки при мейозі

Спадкові порушення можуть виникнути, коли хромосоми поводяться аномально 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 розлади характерно драматичні і часто смертельні.

Порушення хромосомного числа

Виділення і мікроскопічне спостереження хромосом становить основу цитогенетики і є первинним методом, за допомогою якого клініцисти виявляють хромосомні аномалії у людини. Каріотип - це кількість і зовнішній вигляд хромосом, включаючи їх довжину, смугастий візерунок та положення центромер. 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 нормальної жіночої імунної клітини людини під час мітозу. (Кредит: Андреас Болцер та ін.)

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

Генетики використовують каріограми для виявлення хромосомних аберацій

Хоча Менделя називають «батьком сучасної генетики», він проводив свої експерименти ні з одним із інструментів, які генетики сьогодні регулярно використовують. Однією з таких потужних цитологічних методик є каріотипування, метод, при якому ознаки, що характеризуються хромосомними аномаліями, можуть бути ідентифіковані з однієї клітини. Щоб спостерігати каріотип людини, клітини людини (як лейкоцити) спочатку збирають із зразка крові або іншої тканини. У лабораторії ізольовані клітини стимулюються до початку активного ділення. Хімічна речовина під назвою колхіцин потім застосовується до клітин для затримки конденсованих хромосом у метафазі. Потім клітини набухають за допомогою гіпотонічного розчину, щоб хромосоми поширювалися один від одного. Нарешті, зразок зберігається в фіксаторі і наноситься на гірку.

Потім генетик забарвлює хромосоми одним з декількох барвників, щоб краще візуалізувати чіткі та відтворювані смуги кожної пари хромосом. Після фарбування хромосоми розглядають за допомогою яскраво-польової мікроскопії. Поширеним вибором плям є морилка Giemsa. Фарбування Giemsa призводить до приблизно 400-800 смуг (щільно згорнутої ДНК та конденсованих білків), розташованих уздовж усіх 23 пар хромосом; досвідчений генетик може визначити кожну смугу. Крім бандажних паттернів, хромосоми додатково ідентифікуються на основі розміру і розташування центромер. Для отримання класичного зображення каріотипу, в якому гомологічні пари хромосом вирівнюються в числовому порядку від найдовшого до найкоротшого, генетик отримує цифрове зображення, ідентифікує кожну хромосому і вручну впорядковує хромосоми за цією схемою (рис.\(\PageIndex{1}\)).

За своєю основною, каріограма може виявити генетичні відхилення, 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 нормальних двох. Генетики також можуть виявити великі видалення або вставки ДНК. Наприклад, синдром Якобсена, який включає відмінні риси обличчя, а також дефекти серця та кровотечі - ідентифікується шляхом делеції на хромосомі 11. Нарешті, каріотип може точно визначити транслокації, які виникають, коли сегмент генетичного матеріалу розривається з однієї хромосоми і знову приєднується до іншої хромосоми або до іншої частини тієї ж хромосоми. Транслокації причетні до деяких видів раку, включаючи хронічний мієлолейкоз.

За життя Менделя спадкування було абстрактним поняттям, яке можна було зробити лише шляхом виконання хрестів та спостереження за рисами, вираженими потомством. Спостерігаючи каріограму, сьогоднішні генетики можуть фактично візуалізувати хромосомний склад людини, щоб підтвердити або передбачити генетичні відхилення у потомства ще до народження.

З усіх хромосомних порушень аномалії хромосомного числа найбільш легко ідентифікуються з каріограми. Порушення хромосомного числа включають дублювання або втрату цілих хромосом, а також зміни кількості повних наборів хромосом. Вони викликані нерадиз'юнкцією, яка виникає, коли пари гомологічних хромосом або сестринських хроматидів не можуть відокремлюватися під час мейозу. Ризик неразрушення зростає з віком батьків.

Недиз'юнкція може виникати під час мейозу I або II, з різними результатами (рис.\(\PageIndex{2}\)). Якщо гомологічні хромосоми не розділяються під час мейозу I, результатом є дві гамети, яким не вистачає цієї хромосоми, і дві гамети з двома копіями хромосоми. Якщо сестринські хроматиди не відокремлюються 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\(\PageIndex{2}\): Нондиз'юнкція виникає, коли гомологічні хромосоми або сестринські хроматиди не відокремлюються під час мейозу, що призводить до аномального хромосомного числа. Нерадиз'юнкція може виникати під час мейозу I або мейозу II. Фото кредит Tweety207; Вікімедіа.

Особа з відповідною кількістю хромосом для свого виду називається еуплоїдом; у людини еуплоїдія відповідає 22 парам аутосом і одній парі статевих хромосом (як це видно на каріотипу на малюнку\(\PageIndex{1}\)). Індивід з похибкою хромосомного числа описується як анеуплоїд, термін, який включає моносомію (втрату однієї хромосоми) або трисомію (посилення сторонньої хромосоми). Моносомні людські зиготи, які не мають жодної копії аутосоми, незмінно не розвиваються до народження, оскільки вони 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) можуть призвести до потомства, яке виживає від декількох тижнів до багатьох років. Трисомні особини страждають від іншого типу генетичного дисбалансу: перевищення дози генів. Функції клітин калібруються на кількість 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 спадковим розладом мають характерні фізичні особливості та затримки розвитку у зростанні та пізнанні.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Каріотип індивіда з синдромом Дауна. Фото кредит Міністерство енергетики США Геном людини Програма. Вікімедіа.

Частота виникнення синдрому Дауна корелює з віком матері, така, що жінки старшого віку частіше народжують дітей з синдромом Дауна (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Частота народження плода з трисомією 21 різко зростає з віком матері.

Особа з більш ніж правильною кількістю хромосомних наборів (два для диплоїдних видів) називається поліплоїдної. Наприклад, запліднення аномальної диплоїдної яйцеклітини нормальною гаплоїдною спермою дасть триплоїдну зиготу. Поліплоїдні тварини надзвичайно рідкісні, лише кілька прикладів серед плоских черв'яків, ракоподібних, земноводних, риб та ящірок. Триплоїдні тварини стерильні, оскільки мейоз не може нормально протікати з непарною кількістю наборів хромосом. На відміну від цього, поліплоїдія дуже поширена в рослинному царстві, а поліплоїдні рослини, як правило, більші та міцніші, ніж еуплоїди їх виду (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Як і у багатьох поліплоїдних рослин, цей триплоїдний помаранчевий лілейник (Hemerocallis fulva) особливо великий і міцний, і вирощує квіти з потрійною кількістю пелюсток своїх диплоїдних побратимів. (кредит: Стів Карг)

Неріз'юнкція статевої хромосоми

Люди виявляють драматичні згубні ефекти з аутосомними трисоміями та моносоміями. Тому може здатися незрозумілим, що жінки та чоловіки людини можуть нормально функціонувати, незважаючи на те, що несуть різну кількість Х-хромосоми. Частково це відбувається через процес, який називається інактивацією X. На початку розвитку, коли ембріони жіночих ссавців складаються лише з декількох тисяч клітин, одна Х-хромосома в кожній клітині інактивується шляхом конденсації в структуру, яка називається тілом Барра. Гени на неактивній Х-хромосомі не виражені. Конкретна Х-хромосома (материнська або батьківська похідна), 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 інактивація X спостерігається у вигляді строкатості шерсті (рис.\(\PageIndex{6}\)). Самки гетерозиготні для гена кольору X-зв'язаної шерсті виражають один з двох різних кольорів шерсті на різних ділянках свого тіла, що відповідає тому, яка Х-хромосома інактивована в ембріональній клітині прабатька цієї області. Коли ви побачите черепахову кішку, ви будете знати, що вона повинна генетично бути самкою.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ембріональна інактивація однієї з двох різних Х-хромосом, що кодують різні кольори шерсті, породжує фенотип черепахового панцира у котів. (кредит: Майкл Бодега)

У людини, що несе аномальну кількість Х-хромосом, клітинні механізми інактивують всі, крім одного X, у кожній з її клітин. В результаті Х-хромосомні аномалії, як правило, пов'язані з легкими психічними і фізичними дефектами, а також стерильністю. Якщо Х-хромосома відсутня зовсім, індивід не буде розвиватися.

Охарактеризовано декілька помилок у кількості статевих хромосом. Особи з трьома Х-хромосомами, які називаються трипло-Х, з'являються жіночими, але виражають затримки розвитку та зниження фертильності. XXY хромосомний комплемент, відповідний одному типу синдрому Клайнфельтера, відповідає чоловічим особам з невеликими яєчками, збільшеними грудьми та зменшеним волоссям на тілі. Додаткова Х-хромосома піддається інактивації, щоб компенсувати перевищення генетичної дози. Синдром Тернера, що характеризується як комплемент хромосоми X0 (тобто тільки однієї статевої хромосоми), відповідає жіночій особі з низьким зростом, перетинчастою шкірою в області шиї, порушеннями слуху і серця, стерильністю.

Хромосомні структурні перебудови

Цитологи характеризували численні структурні перебудови в хромосомах, включаючи часткові дублювання, делеції, інверсії та транслокації. Дублювання та видалення часто спричиняють потомство, яке виживає, але виявляє фізичні та психічні відхилення. Крі-дю-чат (від французького означає «крик кота») - синдром, пов'язаний з аномаліями нервової системи та ідентифікованими фізичними особливостями, що є наслідком видалення більшої частини маленької руки хромосоми 5 (рис.\(\PageIndex{7}\)). Немовлята з цим генотипом видають характерний високий крик, на якому заснована назва розладу.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Ця особа з синдромом крі-дю-чату показана 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 за клітинами під час мейозу, оскільки гомологічні хромосоми з перебудовою в одну з пари повинні контортувати для підтримки відповідного вирівнювання генів та ефективної пари під час профази I.

Інверсія хромосоми - це відшарування, обертання на 180° та реінтеграція частини хромосоми (рис.\(\PageIndex{8}\)). Якщо вони не порушують послідовність генів, інверсії лише змінюють орієнтацію генів і, ймовірно, матимуть більш м'які ефекти, ніж помилки анеуплоїдів.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Інверсія виникає, коли сегмент хромосоми відривається від хромосоми, змінює її орієнтацію, а потім знову закріплюється у вихідному положенні.

Транслокація відбувається, коли сегмент хромосоми дисоціює і знову приєднується до іншої, негомологічної хромосоми. Транслокації можуть бути доброякісними або мати руйнівні наслідки, залежно від того, як змінюються положення генів щодо регуляторних послідовностей. Примітно, що специфічні транслокації були пов'язані з кількома раковими захворюваннями та шизофренією. Реципрокні транслокації виникають внаслідок обміну сегментами хромосом між двома негомологічними хромосомами таким чином, що немає посилення або втрати генетичної інформації (рис.\(\PageIndex{9}\)).

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Реципрокна транслокація виникає, коли сегмент ДНК переноситься з однієї хромосоми в іншу, негомологічну хромосому. (кредит: модифікація роботи Національним дослідженням геному людини/США)

Філадельфійська хромосома

Один конкретний приклад хромосомної транслокації — «Філадельфійська хромосома» — зустрічається у людей, які страждають на хронічний мієлоїдний лейкоз (ХМЛ). При цій транслокації шматочок хромосоми 9 міняється місцями з ділянкою хромосоми 22. Це з'єднує два гени хромосоми 22; один, який був спочатку з хромосоми 9 і один з хромосоми 22. Ця транслокація виробляє злитий білок BCR-ABL, який змушує лейкоцити ділитися з-під контролю. Позитивні онкологічні захворювання BCR-ABL можна лікувати препаратом Глівак.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): «Філадельфійська хромосома», що показує розташування злитого білка BCR-ABL. Фото кредит A Obeidat; Вікімедіа.

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax.

OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. 27 травня 2016 р. http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:6-3MVU-j@4/Errors-in-Meiosis