bg‑cyan

Przyczyny powstawania nagłych zmian w chromosomach

Podstawowe informacje na temat rodzajów mutacji znajdziesz w e‑materiałach „Mutacje - kryteria podziału i rodzaje”POBdTUpBZ„Mutacje - kryteria podziału i rodzaje”.

Mutacje chromosomowe strukturalne są następstwem pęknięć chromosomówchromosom metacentrycznychromosomów, tj. przerwania obu nici DNA. Uszkodzenie to prowadzi zazwyczaj do utraty części materiału genetycznego (delecji).

Możliwe jest także błędne naprawienie uszkodzenia. Działanie mechanizmów naprawczych komórki umożliwia ponowne połączenie spontanicznie przerwanych nici DNA oraz zachowanie materiału genetycznego, ale bywa zawodne w przypadku podwójnych pęknięć. Nieprawidłowe połączenie pękniętych fragmentów chromosomów skutkuje przegrupowaniem fragmentów w obrębie jednego chromosomu (inwersja) bądź kariotypu (translokacja).

Skutkiem niesymetrycznej wymiany odcinków chromatydchromatydachromatyd podczas crossing‑over w czasie pierwszego podziału mejotycznego komórki może być podwojenie (duplikacja) lub powstanie chromosomów z brakiem danego fragmentu (delecja).

Na powstawanie pęknięć wpływają czynniki mutagenneczynnik mutagenny (mutagen)czynniki mutagenne. Wyróżnia się chemiczne i fizyczne czynniki uszkadzające chromosomy.

RuA1UUV3iuhcW1
Mapa myśli. Lista elementów:
  • Nazwa kategorii: Czynniki mutagenne uszkadzające chromosomy
    • Elementy należące do kategorii Czynniki mutagenne uszkadzające chromosomy
    • Nazwa kategorii: Czynniki chemiczne
      • Elementy należące do kategorii Czynniki chemiczne
      • Nazwa kategorii: związki interkalujące
        • Elementy należące do kategorii związki interkalujące
        • Nazwa kategorii: barwniki akrydynowe
        • Nazwa kategorii: bromek etydyny
        • Koniec elementów należących do kategorii związki interkalujące
        Koniec elementów należących do kategorii Czynniki chemiczne
    • Nazwa kategorii: Czynniki fizyczne
      • Elementy należące do kategorii Czynniki fizyczne
      • Nazwa kategorii: Promieniowanie jonizujące
        • Elementy należące do kategorii Promieniowanie jonizujące
        • Nazwa kategorii: promienie X
        • Nazwa kategorii: promienie alfa
        • Nazwa kategorii: promienie beta
        • Nazwa kategorii: promienie gamma
        • Nazwa kategorii: uwalniane przez radioaktywne izotopy pierwiastków protony i neutrony
          • Elementy należące do kategorii uwalniane przez radioaktywne izotopy pierwiastków protony i neutrony
          • Nazwa kategorii: rad
          • Nazwa kategorii: kobalt-90
          • Nazwa kategorii: [baseline-shift: super; font-size: smaller;]32[/]P
          • Nazwa kategorii: [baseline-shift: super; font-size: smaller;]35[/]S
          • Koniec elementów należących do kategorii uwalniane przez radioaktywne izotopy pierwiastków protony i neutrony
        • Nazwa kategorii: promienie ultrafioletowe (UV)
        • Koniec elementów należących do kategorii Promieniowanie jonizujące
        Koniec elementów należących do kategorii Czynniki fizyczne
      Koniec elementów należących do kategorii Czynniki mutagenne uszkadzające chromosomy
Czynniki mutagenne uszkadzające chromosomy.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Do czynników chemicznych należą związki interkalujące. Są to drobnocząsteczkowe substancje zdolne do bezpośredniego wnikania w strukturę podwójnej helisy DNA. Prowadzi to do zmian strukturalnych, takich jak:

  • wydłużenie nici na skutek insercji;

  • skrócenie nici na skutek delecji;

  • skręcenie par zasad.

Takie modyfikacje strukturalne mogą uniemożliwić zajście niektórych procesów, np. transkrypcji i replikacji. Do czynników interkalujących zalicza się czynniki chemiczne, m.in. bromek etydyny i barwniki akrydynowe.

Do czynników fizycznych zalicza się promieniowanie jonizujące.

Na skutek działania promieniowania jonizującego powstają dwa typy uszkodzeń cząsteczki DNA:

  • pęknięcie cząsteczki DNA w jednej lub obu niciach nukleotydowych;

  • usunięcie pirymidyn z cząsteczki DNA.

Więcej na temat czynników mutagennych w e‑materiale pt. Czynniki mutagenne i ich źródła.

Więcej na temat mechanizmów działania czynników mutagennych w e‑materiale pt. Mechanizmy działania wybranych mutagenów.

bg‑cyan

Rodzaje mutacji chromosomowych strukturalnych

Główne rodzaje mutacji zmieniających strukturę chromosomów to delecja, inwersja, 
duplikacja i translokacja.

Delecja

Utrata fragmentu chromosomu pomiędzy dwoma punktami pęknięcia. Za podtyp delecji można uznać deficjencję, która polega na utracie dystalnego (końcowego) odcinka chromosomu.

Inwersja

Polega na odwróceniu fragmentu danego chromosomu o 180°, co skutkuje zmianą kolejności ułożenia genów w chromosomie. Aby mogło dojść do tej mutacji strukturalnej, chromosom musi pęknąć w dwóch miejscach. Fragment powstały w wyniku pęknięć jest odwracany i ponownie wbudowywany do chromosomu.

Duplikacja

Zdublowanie (podwojenie) części chromosomu, pociągające za sobą zmiany dziedziczne cech organizmu.

Translokacja

Zmiana strukturalna polegająca na przemieszczeniu fragmentu z jednego chromosomu na inny chromosom niehomologiczny. Może to skutkować powstaniem tzw. genu fuzyjnego z połączenia dwóch genów pochodzących z  różnych chromosomów. Nowo powstały gen koduje inne białko niż dwa wyjściowe geny.

Szczególnym rodzajem translokacji jest translokacja wzajemna, polegająca na wzajemnej wymianie fragmentów między dwoma chromosomami niehomologicznymi.

R9dt0xt2XUFsp1
Rodzaje mutacji chromosomowych strukturalnych.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RG6XIqaThOemJ1
Grafika przedstawia mutacje chromosomowe strukturalne. Na ilustracji ukazane są chromosomy o różnej długości ramion. Części chromosomów - chromatydy - ułożone są w stosunku do siebie równolegle. Pierwsza ilustracja na grafice przedstawia delecję. Polega ona na usunięciu części informacji genetycznej z chromosomu. Na ilustracji są równoległe do siebie dwie chromatydy - mają ramiona różnej długości. Są one podzielone na odcinki w różnych kolorach. Pierwsza chromatyda ma dwa długie ramiona. Dolne ramię ma dłuższy odcinek zbudowany z pasków w kolorach żółtym, zielonym, czerwonym. Równoległa do niej chromatyda ma dolne ramię skrócone o wspomniany odcinek z kolorami żółtym, zielonym, czerwonym. Druga ilustracja przedstawia duplikację. Informacja genetyczna chromosomu zostaje podwojona. Na ilustracji są równoległe do siebie dwie chromatydy - mają ramiona różnej długości. Dolne ramię pierwszej chromatydy ma odcinek z paskami w kolorach żółtym, zielonym, czerwonym. Dolne ramię równoległej chromatydy ma podwójną liczbę tych pasków w identycznej kolejności. Trzecia ilustracja przedstawia inwersję. W równoległych w stosunku do siebie chromatydach, w dolnym ramieniu drugiej chromatydy paski z kolorami żółtym, zielonym, czerwonym zostają odwrócone kolejnością w stosunku do pierwszej chromatydy. Czwarty obrazek przedstawia translokację. Na ilustracji pierwsza chromatyda ma górne ramię podzielone na niebieskie odcinki, w dolnym ramieniu oprócz niebieskich odcinków są żółte, zielone paski i pasek czerwony. Obok jest chromatyda o krótszych ramionach, ale równej długości - ma ona wyłącznie paski w zielonych kolorach. Następnie jest chromatyda o dłuższych, równych ramionach, ale ma wyłącznie niebieskie paski. Kolejno jest chromatyda, która ma górne ramię krótsze, dolne dłuższe. Krótsze ma zielone paski, dolne dłuższe zielone, ale oprócz tego sekwencje żółtych pasków, zielonych i paska czerwonego jak było w pierwszej chromatydzie. Ostatnia ilustracja przedstawia translokację wzajemną. Pierwsza niebieska chromatyda posiada na swoim dolnym dłuższym ramieniu, na jego końcu, czerwony pasek i dwa żółte, natomiast obok jest druga, zielona chromatyda - o krótszych, równych ramionach - posiada na swoim końcu jaskrawozielony pasek i żółty. Po wystąpieniu mutacji na niebieskiej chromatydzie w dolnym odcinku pojawia się jaskrawozielony pasek, ale znika czerwony odcinek, a na zielonej chromatydzie w dolnej części oprócz żółtych pasków jest czerwony odcinek.
Mutacje chromosomowe strukturalne.
Źródło: Małgorzata Wysocka, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑cyan

Rodzaje inwersji

1

Inwersja nie jest jednorodną mutacją chromosomową. Wyróżnia się inwersje paracentryczną oraz pericentryczną.

Inwersja paracentryczna

Ten rodzaj mutacji dotyczy fragmentu chromosomu, który powstał w wyniku dwóch pęknięć i nie zawiera centromeru. Fragment ten jest odwracany o 180° i ponownie wbudowywany do chromosomu.

Inwersja pericentryczna

To mutacja, w której doszło do odwrócenia o 180° fragmentu chromosomu zawierającego centromercentromercentromer. Efektem inwersji pericentrycznej może być przekształcenie chromosomu akrocentrycznego w metacentryczny.

Więcej na temat chromosomów przeczytasz w e‑materiale pt. „Budowa i rodzaje chromosomów eukariotycznych”DLiBmDY0C„Budowa i rodzaje chromosomów eukariotycznych”.

bg‑cyan

Czym jest chromosom pierścieniowy?

Chromosom pierścieniowy powstaje przez połączenie się dwóch ramion chromosomu. Jest to możliwe na drodze delecji dystalnej zachodzącej na końcach ramion chromosomu, które następnie łączą się. Powstaniu chromosomu pierścieniowego towarzyszy więc utrata małych fragmentów chromosomu.

R1C4vhuR3QuE91
Schemat powstawania chromosomu pierścieniowego.
Źródło: Englishsquare.pl sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Objawy obserwowane u ludzi z chromosomami pierścieniowymi są spowodowane delecją genów w regionach telomerowych tych chromosomów.

Ważne!

W rzadkich przypadkach chromosomy tworzą pierścień bez utraty odcinków chromosomów. Wówczas mutacja nie ujawnia się w fenotypie.

Chociaż chromosomy pierścieniowe występują rzadko, znaleziono je we wszystkich ludzkich chromosomach. Opublikowano doniesienia naukowe o dziedziczeniu chromosomów pierścieniowych obejmujących różne chromosomy, w tym 8, 13, 14, 17, 18, 20, 21 i 22.

Występowanie chromosomów pierścieniowych łączy się z niektórymi chorobami genetycznymi człowieka, np. chromosom pierścieniowy X może być przyczyną zespołu Turnerazespół Turnerazespołu Turnera.

Pierścień chromosomu 18 warunkuje fenotyp tzw. zespołu pierścieniowego chromosomu 18, objawiający się m.in. niepełnosprawnością intelektualną, niskim wzrostem, hipotonią mięśniową, skoliozą.

Pierścień chromosomu 20 może mieć związek z padaczką, a chromosomu 21 – z niskim wzrostem, małogłowiem i zaburzeniami rozrodczymi.

bg‑cyan

Czym są izochromosomy?

Izochromosomy to chromosomy metacentrycznechromosom metacentrycznychromosomy metacentryczne, których oba ramiona są identycznie długie lub krótkie, homologiczne zarówno pod względem morfologicznym, jak i ułożenia genów.

Izochromosomy powstają na skutek poprzecznego, nieprawidłowego podziału centromeru z zachowaniem połączenia chromosomów homologicznych podczas procesu crossing‑over. Mogą też powstawać na drodze utraty (delecji) jednego ramienia chromosomu i podwojenia (duplikacji) drugiego ramienia.

Zaburzenie strukturalne w postaci powstania izochromosomu 17q może być przyczyną neoplazji, czyli niekontrolowanego wzrostu komórek, będącego wynikiem nowotworzenianowotwórnowotworzenia.

R1YG05sXArsBZ1
Grafika przedstawia schemat powstawania izochromosomu. Dwa chromosomy homologiczne oznaczone są kolorami niebieskim i zielonym. Górne ramiona obu chromosomów oznaczone są jako ramiona p, natomiast dolne ramiona oznaczone są jako ramiona q. Dochodzi do ich połączenia. W centromerze chromosomu dochodzi do jego podziału na dwie jednostki. Jedna składa się z dwóch ramion p, natomiast druga składa się z dwóch ramion q.
Schemat powstawania izochromosomu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

U człowieka najczęściej stwierdza się izochromosom długich ramion chromosomu X (kariotyp 46,X,i(Xq)). Powstaje on przez podział poprzeczny centromeru i duplikację długiego ramienia (q) chromosomu X z równoczesną całkowitą delecją ramienia krótkiego (p) tego chromosomu. Wskutek tego powstaje chromosom X, mający jedno ramię krótkie i trzy długie. Prowadzi to do występowania częściowego zespołu Turnera (monosomia krótkiego ramienia).

U człowieka najczęściej stwierdza się izochromosom długich ramion chromosomu X (kariotyp 46, duże X, małe i (duże X małe q)). Powstaje on przez podział poprzeczny centromeru i duplikację długiego ramienia (małe q) chromosomu X z równoczesną całkowitą delecją ramienia krótkiego (małe p) tego chromosomu. Wskutek tego powstaje chromosom X, mający jedno ramię krótkie i trzy długie. Prowadzi to do występowania częściowego zespołu Turnera (monosomia krótkiego ramienia).

Monosomia krótkiego ramienia występuje u ok. 12 chorych z Zespołem Turnera. Objawia się zwiększonym prawdopodobieństwem pojawienia się chorób autoimmunologicznych, np. przewlekłego limfocytarnego zapalenia tarczycy typu Hashimoto, wrzodziejącego zapalenia jelita grubego lub choroby Leśniowskiego‑Crohna. Zwiększone jest również ryzyko pojawienia się wad słuchu.

bg‑cyan

Skutki mutacji chromosomowych strukturalnych

Aberracje strukturalne prowadzą zazwyczaj do niekorzystnych zmian genotypowych i fenotypowych organizmu, skutkując znacznymi zaburzeniami wzrostu i rozwoju psychofizycznego.

W przypadku mutacji strukturalnych, w których ilość informacji genetycznej nie ulega zmianie, modyfikacje genotypu nie zawsze wiążą się z poważnymi zmianami w fenotypie. W takich sytuacjach nosiciel mutacji jest zdrowy, jednak nie odnosi sukcesu rozrodczego: obserwuje się u niego wady komórek rozrodczych (jajowych lub nasienia) prowadzące do poronień samoistnych lub porodów dzieci obciążonych wadami genetycznymi.

Więcej o chorobach spowodowanych zmianą struktury chromosomów tutajP1FT2tYDUtutaj.

Słownik

centromer
centromer

(łac. centrum – środek; gr. méros – część) część chromosomu odpowiedzialna za segregację chromosomów podczas podziału komórki (mitozy i mejozy), która utrzymuje kontakt pomiędzy chromatydami siostrzanymi, aż do ich rozdzielenia podczas anafazy; w regionie centromeru znajdują się sekwencje wiążące białka tworzące kinetochor (strukturę umożliwiającą połączenie chromatydy z mikrotubulami wchodzącymi w skład wrzeciona podziałowego)

chromatyda
chromatyda

(gr. chrṓma – barwa; eídos – postać, kształt) połowa chromosomu po replikacji DNA, widoczna jako odrębna jednostka morfologiczna w stadiach bezpośrednio poprzedzających podział materiału genetycznego (mitoza, mejoza); chromatydy siostrzane to dwie identyczne chromatydy powstałe po replikacji i połączone centromerem

chromosom
chromosom

(gr. chrṓma – barwa, sṓma – ciało) najbardziej skondensowana forma organizacji materiału genetycznego; pałeczkowate struktury są najlepiej widoczne w metafazie podziału komórkowego; składają się z dwóch chromatyd połączonych centromerem

chromosom metacentryczny
chromosom metacentryczny

chromosom z centromerem znajdującym się pośrodku długości chromosomu; oba ramiona chromosomu metacentrycznego są równej długości

czynnik mutagenny (mutagen)
czynnik mutagenny (mutagen)

czynnik, który powoduje powstawanie mutacji genetycznych; do mutagenów należą czynniki fizyczne, takie jak promieniowanie jonizujące, czynniki biologiczne, np. niektóre wirusy, oraz czynniki chemiczne, np. znajdujący się w papierosach benzopiren

nowotwór
nowotwór

tkanka wywodząca się z prawidłowych tkanek ustroju, lecz wskutek utrwalonych cech patologicznych rozrastająca się w sposób niekontrolowany, niepoddający się czynnikom regulującym wzrost, dojrzewanie i czynności komórek; rosnąca mimo wyeliminowania przyczyny, jeżeli jest ona znana

zespół Turnera
zespół Turnera

schorzenie z grupy zaburzeń genetycznych, najczęstsza postać dysgenezji gonad; charakteryzuje się istnieniem niewykształconych prawidłowo gonad, upośledzeniem rozwoju drugo- i trzeciorzędowych cech płciowych i występowaniem typowych zmian somatycznych (niski wzrost, krępa budowa ciała, płetwistość szyi, często koślawość łokci); przyczyną zespołu są aberacje chromosomalne