A kromoszóma mutációk

A kromoszómák száma és szerkezete fajra jellemző tulajdonság. Egy fajon belül az ettől való eltérést kromoszóma mutációnak nevezzük. A kromoszóma mutációknak alapvetően két típusát különböztetjük meg. A kromoszóma átrendeződések a kromoszómák szerkezetét érintik. Ilyenek például a kromoszómán belüli duplikációk és deléciók. Ha a fajra jellemző kromoszómaszámban történik változás, akkor kromoszómaszám változással járó mutációkról beszélünk. Az aneuploidia esetén az adott egyed a fajra jellemző kromoszómakészlettől eltérő számú - kevesebb vagy több - kromoszómával rendelkezik. Poliploídia esetén teljes kromoszóma készletmegtöbbszöröződése figyelhető meg.

Kromoszómaátrendeződések

A kromoszóma átrendeződések olyan változásokat okoznak a kromoszómák szerkezetében, amelyek a citogenetika eszköztárával tetten érhetőek. Általában egynél több gént érintenek és hatásukra a fenotípus is megváltozik. Négyféle kromoszóma átrendeződést különböztetünk meg. Ezek a deléció, a duplikáció, az inverzió valamint a transzlokáció.

A deléció alatt egy kromoszóma régió kiesését értjük (1.8. ábra). Az általa okozott mutáció nem revertálható és sok esetben letális. A delécióra heterozigóta egyedek meiózisának profázisában a homológ kromoszómák párosodása során a vad típusú kromoszóma azon szakasza, amely a deléciót hordozó kromoszómából hiányzik,kihurkolódik. Ez az úgynevezett deléciós hurok jól megfigyelhető a Drosophila melanogaster politén óriás kromoszómáin is (1.9. ábra).

deléció a kromoszómatörés következtében jön létre.

1.8. ábra: A deléció a kromoszómatörés következtében jön létre. Egy töréspont (szaggatott vonal) esetén terminális, míg két töréspont esetén intersticiális delécióról beszélünk. p1-p4 és q1-q5: kromoszóma régiók. Az ellipszis a centromeront, a benne lévő kék szám a kromoszóma számát jelöli.

deléció citológiai megjelenése a deléciós hurok.

1.9. ábra: A deléció citológiai megjelenése a deléciós hurok. (A) Egy delécióra heterozigóta egyed meiózisa során a vad típusú kromoszóma megfelelő szakasza kihurkolódik, deléciós hurok alakul ki. (B) Deléciós hurok Drosophila melanogaster politén kromoszómán.

A duplikáció esetében egy kromoszóma régió megkétszereződik. Hasonlóan a delécióhoz a duplikációs heterozigóták a meiózisában is megfigyelhetünk duplikációs hurkot, de ebben az esetben a duplikációt hordozó kromoszóma megkettőződött szakaszainak egyike hurkolódik ki (1.10. ábra).

A duplikáció kromoszómatörés következtében jön létre.

1.10. ábra: A duplikáció kromoszómatörés következtében jön létre. Az ellipszis a centromeront, a benne lévő kék szám a kromoszóma számát jelöli. (töréspont: szaggatott vonal; p1-p4 és q1-q5: kromoszóma régiók. Az ellipszis a centromeront, a benne lévő kék szám a kromoszóma számát jelöli.

A duplikáció következtében általában nem alakul ki fenotípusos változás. Ha viszont igen, akkor ez könnyen revertálódhat. Jó példa erre a muslica résszemű mutációja a Bar(1.11. ábra).

A duplikációk fenotípusos változásokat okozhatnak.

1.11. ábra: A duplikációk fenotípusos változásokat okozhatnak. (A)Az egyedfejlődés során bizonyos fehérjék egymáshoz viszonyított arányának megváltozása fejlődési rendellenességek kialakulásához vezethet. Egy adott fehérje mennyisége gyakorta arányos a fehérjét kódoló gén példányszámával. A D. melanogaster résszemű (Bar) fenotípus kialakulásának hátterében az X kromoszóma 16 A régiójának duplikációja áll. A 16 A régióban található gének példányszámának növekedésével arányosan nő a Bar fenotípus súlyossága.(B) A Bar (BB) állatok meiózisa során a homológ kromoszómák közötti egyenlőtlen crossing-over következtében vad típusú illetve triplikációs X kromoszómák is képződhetnek. BB legyek tenyészetében ezért időnként megjelenhetnek vad típusú és Ultrabar legyek is. A Bar mutáció tehát revertálódhat.

Az inverziónál egy kromoszóma szakasz 180 fokos átfordulása történik meg egy kromoszómán belül. Ha az inverzió töréspontjai a centomert fogják közre,akkor az inverzió pericentrikus. Ha az inverzió nem érinti a centromert akkor paracentrikus inverzióról beszélünk. A delécióval és duplikációval ellentétben az inverzió következtében nem történik mennyiségi változás a genetikai anyagban.

Inverziók.

1.12. ábra: Inverziók. Az ellipszis a centromeront, a benne lévő kék szám a kromoszóma számát jelöli. (töréspont: szaggatott vonal; p1-p5 és q1-q5: kromoszóma régiók.

Az inverziós mutánsok gyakran életképesek és nem mutatnak fenotípust kivéve, ha az inverziós töréspont egy génen belül van, vagy ha a töréspont közelében elhelyezkedő gén megváltozott genomi környezetbe kerül és a cisz szabályozó elemek összetétele és így a gén kifejeződésének szabályozása megváltozik. Ez az úgynevezett pozíciós hatás.

Az inverziós heterozigótákban a homológok párosodása során a meiózis profázisában, illetve a Drosophila óriás kromoszómáin jellegzetes képződmény, az úgynevezett inverziós hurok figyelhető meg. Inverziós heterozigótákban a homológ kromoszómák párosodása akadályozott ezért az inverzión kívüli, de ahhoz közel eső szakaszokban az átkereszteződések aránya elmarad a kromoszóma más régióiban tapasztalható értékektől. Ezért az inverziós heterozigóták igen kevés a rekombináns ivarsejtet képeznek. Ennek okait a 1.13. ábra szemlélteti. A balanszer kromoszómák is inverziók rekombinációt gátló hatását használják ki.

Inverziós heterozigóták meiózisa.

1.13. ábra: Inverziós heterozigóták meiózisa. Para- és pericentrikus inverziós heterozigóta meiózisa során egyaránt inverziós hurok alakul ki a homológok párosodásakor. Az inverziós hurkon belül bekövetkező átkereszteződések mindkét esetben kiegyensúlyozatlan rekombináns gaméták képződéséhez vezetnek. Az inverziók tehát meggátolják a rekombináns egyedek kialakulását.

Transzlokáció során egy kromoszóma részlete egy másik kromoszómára helyeződik át, vagyis az információ tartalom nem változik. Kivételt jelentenek azok az esetek, ahol a töréspont egy génen belül található vagy a már említett pozíciós hatás érvényesül. A nem reciprok transzlokáció esetén a genetikai anyag mozgása egyirányú. Reciprok transzlokáció esetén azonban a két nem homológ kromoszóma között a genetikai anyag kölcsönösen kicserélődik.

Transzlokációk.

1.14. ábra: Transzlokációk. (A) reciprok transzlokáció. (B) Roberstsoni transzlokáció. Az ellipszis a centromeront, a benne lévő kék szám a kromoszóma számát jelöli. (töréspont: szaggatott vonal; p1-p3 és q1-q5: kromoszóma régiók.

reciprok transzlokációs heterozigóta meiózisa.

1.15. ábra: Egy reciprok transzlokációs heterozigóta meiózisa. (A) reciprok transzlokáció úgy jön létre, hogy két nem homológ kromoszómán (N1. és N2.)egy-egy törés keletkezik és az acentrikus kromoszóma részletek a másik, nem homológ kromoszómával forrnak össze (T1 és T2). Az ilyen egyed általában életképes, benne a genetikai információ mennyisége és tartalma általában változatlan marad. (B) Meiózis I-ben jellegzetes kereszt alakban párosodik a két vad típusú nem-homológ (N1 és N2) és a két transzlokációs kromoszóma (T1 és T2). (C) Szomszédos szegregáció esetén anafázis I-ben egy vad típusú és egy transzlokációs kromoszóma szegregál együtt (N1 és T2 illetve T1 és N2). Az így létrejött meiótikus termékek kiegyensúlyozatlanok, és legtöbbször életképtelen utód képződéséhez vezetnek. (D) Váltakozó szegregáció esetén két vad típusú (N1 és N2) illetve két transzlokációs kromoszóma (T1 és T2) szegregál együtt. Mivel az így létrejött ivarsejtek kiegyensúlyozottak, belőlük általában egészséges utód fejlődik. Az ábrán nincs feltüntetve, de ritkán (>1%) a homológ centromeronnal rendelkező kromoszómák (N1 és T1, illetveN2 és T2) szegregálnak együtt. Ez a II-es típusú szomszédos szegregáció. Ebben az esetben is kiegyensúlyozatlan gaméták keletkeznek.

A transzlokációk eredményeképpen jelentősen megváltozhat a kromoszómák morfológiája. A Robertsoni transzlokáció során egy akrocentrikus kromoszóma hosszú karját és egy másik akrocentrikus kromoszóma rövid karját alkotó kromoszóma részlet cserélődik ki kölcsönösen. Az eredmény egy nagy metacentrikus és egy apró metacentrikus kromoszóma. A kisebb kromoszóma gyakran elveszhet, mert szegregálódik megfelelően a meiózis során. Összességében tehát a Robertsoni transzlokáció a kromoszómaszám csökkenéséhez vezethet. A transzlokációknak fontos szerepe van a kariotípusok evolúciójában. A főemlősök közül a csimpánzok, a gorillák és az orángutánok diploid kromoszómaszáma, 2n = 48.Az ember diploid kromoszómaszáma 2n = 46. Ha a kromoszómák sávozási mintázatát gondosan tanulmányozzuk, akkor látható, hogy a humán 2. nagy metacentrikus kromoszóma két ősi akrocentrikus kromoszóma Robertsoni transzlációjával jött létre. A kis metacentrikus kromoszóma pedig elveszett az idők folyamán (1.16. ábra).

A transzlokációk a kromoszómaszám megváltozásához vezethetnek.

1.16. ábra: A transzlokációk a kromoszómaszám megváltozásához vezethetnek. Az ember diploid kromoszómaszáma (2n = 46) valószínűleg egy Robertsoni transzlokáció és egy kromoszóma elvesztése következtében alakult ki.

A kromoszómák számában bekövetkező változások

Aneuploídia

Egy többsejtű eukarióta szervezet euploid ha az alap kromoszómaszám egész számú többszörösével rendelkezik testi sejtjeiben (pl.: haploid, diploid, vagy poliploid). Ha azonban egy egyed az alap kromoszóma készlethez képest egy vagy több kromoszómával kevesebb vagy több kromoszómával rendelkezik, akkor az aneuploid. Az aneuploídia kialakulhat egy Robertsoni transzlokációt követő kromoszómavesztéssel, vagy a meiózis illetve a mitózis során kromoszóma nondiszjunkció következtében (1.17. ábra).

Az aneuploídia kromoszóma non diszjunkcióval jön létre.

1.17. ábra: Az aneuploídia kromoszóma non diszjunkcióval jön létre. A kromoszóma non diszjunkció attól függően, hogy a meiózis I. vagy a Meiózis II. során is következik be, eltérő meiótikus termékek keletkezéséhez vezethet.

Diploid szervezetekben a leggyakoribb aneuploidok a nulliszómok. Az ilyen egyedek mindkét homológ kromoszómájukat elvesztették. Kromoszómakészletüket 2n-2, ahol n a haploid kromoszómaszám. A monoszómok egyetlen kromoszómát vesztettek el. Jelölésük 2n-1. Triszómia (2n+1) akkor alakul, ki ha az egyed egy kromoszómával többel rendelkezik a normálisnál. Tetraszómiáról akkor beszélünk,ha két extra homológ kromoszómára tett szert az egyed. Egy egyedben egyszerre több aneuploidiát eredményező mutációs esemény is bekövetkezhet. Ilyenek például a dupla triszómiások, amelyek két nem homológ kromoszómából is egy-egy extra példányt hordoznak (2n+1+1).

Az aneuploídia következtében egyes gének példányszáma és dózisa megváltozik, így a géntermékek közötti egyensúly felborul. Ez pedig általában összeegyeztethetetlen a normális egyedfejlődéssel. Ez az oka annak, hogy az ember esetében az aneuploid embriók mindössze két százaléka születik meg. Az élve született aneuplidokban általában az ivari kromoszómák száma tér el a normálistól (3. táblázat).  Az autoszómális aneuploidok túlnyomó többsége spontán elvetél,kizárólag néhány kisebb autoszóma számának megváltozása esetén születnek meg élve. Ennek oka valószínűleg az, hogy akisebb kromoszómákon kevesebb gén található, vagyis a géntermékek egyensúlyában is kisebb mértékű a zavar. Emberben a legelterjedtebb autoszómális aneuploídia a 21. kromoszóma triszómiája, amely a Down kórt okozza.

3.      táblázat: Néhány gyakoribb emberi aneuploidia

Poliploídia

Az eukarióta szervezetek többsége életciklusa nagyobbik részében diploid (2n). A diploidokban minden kromoszóma két homológ példányban van jelen, vagyis kétszeres kromoszóma készlettel rendelkeznek. A kromoszóma készletük egyik felét az apától a másikat az anyától öröklik. A soksejtű eukarióták ivarsejtjeiben és a haploid élőlények testi sejtjeiben azonban minden kromoszóma csak egyetlen példányban van jelen. A kromoszóma készlet többszörös vagyis poliploid ha a kromoszóma készletek száma az alap kromoszóma számnak (x) kettőnél nagyobb számú többszöröse. Például: 3x = triploid, 4x = tetraploid, 5x = pentaploid, 6x = hexaploid. A poliploídia a növények körében a legelterjedtebb. A fajképződés igen gyakori módja ez. A virágos növények 40 a füvek 70 százaléka poliploid (4. táblázat). Az állatvilágban a poliploídia ritka jelenség. Egyes halak, békák és szalamandrák esetében fordul elő.

Aszerint, hogy a poliploidok egyetlen faj kromoszóma készletét, vagy több különböző faj kromoszóma készletét tartalmazzák több példányban, megkülönböztetünk autopoliploid illetve allopoliploid szervezeteket.

Az autopoliploidok létrejöhetnek úgy, hogy egy korai diploid (2n) embrió mitózisában az egyik testvér kromatida sem válik szét az anafázis során és így a diploid szervezetből tetraploid (4n) szervezet jön létre (1.18. ábra A). Ha egy diploid szervezetben meiótikus nondiszjunkció következtében 2n kromoszómakészletű ivarsejt képződik és ez egy normális haploid (n) ivarsejttel képez zigótát akkor autotriploídia alakulhat ki (1.18. ábra B).

Az autopoliploídia kialakulása.

1.18. ábra: Az autopoliploídia kialakulása. Autopoliploídia kialakulhat mitózis kromoszóma non diszjunkció attól függően, hogy a meiózis I. vagy a Meiózis II. során is következik be, eltérő meiótikus termékek keletkezéséhez vezethet.

Mivel az autopoliploidok kromoszómakészletei közös eredetűek, a homológok meiózis I profázisában párosodni próbálnak. Olyan autopoliploidoknál, amelyek az alap kromoszómakészlet páratlan számú többszörösét tartalmazzák, az egyik homológnak nem jut pár ezért az véletlenszerűen szegregál anafázis I-ben. Ennek következtében az ivarsejtek és belőlük kialakuló zigóták túlnyomó része több vagy kevesebb kromoszómával rendelkezik a normálisnál (1.19. ábra). Ez általában sterilitáshoz vezet. Azon autopoliploidok esetében, amelyek az alap kromoszómakészlet páros számú többszörösét tartalmazzák, elméletben minden homológ megtalálhatja párját és normálisan osztódhatna, ez mégis ritka esemény. Ezért ezek a szervezetek is kiegyensúlyozatlan ivarsejteket képeznek.

Az autotriploid szervezetek sterilek.

1.19. ábra: Az autotriploid szervezetek sterilek. Az autotriploid szervezetek háromszoros kromoszóma készlettel rendelkeznek (3x = 2n). Ennek következtében Meiózis I-ben legalább az egyik homológ kromoszóma véletlenszerűen szegregál. Ezért csak kis valószínűséggel keletkeznek normális, kiegyensúlyozott ivarsejtek.

Az allopoliploidok két faj keresztezésével jönnek létre. A hibrid olyan poliploid lesz, amely két vagy több faj kromoszómakészletét hordozza. A hibrid minden kromoszómát csak egy példányban tartalmaz ezért a gaméta képzése során meiózis I profázisában nincsenek homológok, amelyek párosodhatnának. Ennek következtében anafázis I-ben a kromoszómák véletlenszerűen szegregálnak és kiegyensúlyozatlan, aneuploid gaméták képződnek (1.19. ábra). Vagyis a hibrid steril lesz, de vegetatívan szaporítható. Ritkán előfordul, hogy a hibrid korai embrionális korában mitótikus nondiszjunkció következik be. Ennek következtében megduplázódik a kromoszóma száma és egy allotetraploid egyed jön létre. Az allotetraploid meiózisa esetében már minden egyes kromoszóma megtalálja homológját és így kiegyensúlyozott euploid gaméták képződhetnek. A növénynemesítők sejtosztódást gátló kolhicin segítségével végeredményben ugyanezt érik el. Ha ugyanis a kolhicines kezelés az osztódó sejtet a mitózis profázisában éri, akkor a már megduplázódott kromoszómakészlettel rendelkező sejt visszakerülhet interfázisba és így egy mesterséges allotetraploid növény jöhet létre.

Közeli rokon fajok kereszteződésével előállt hibridek esetén a két faj kromoszómai még nagyfokú hasonlóságot mutathatnak egymással. Ekkor a hibrid meiózisa során profázis I-ben kialakulhatnak olyan homológ párok, amelyek egyik tagja az egyik másik tagja a másik faj kromoszómáját tartalmazza. Ez felhasználható a egyes növények rokonsági viszonyainak megállapítására.

A legtöbb élőlényben a sejttérfogat a sejtmagtérfogatának, vagyis a genomméretének függvénye. Tehát a poliploidok általában nagyobb sejttérfogattal és sokszor nagyobb testmérettel is rendelkeznek. A növénynemesítők így állítanak elő nagyobb virágú vagy gyümölcsű növényeket. Ez a helyzet a legtöbb termesztett növény esetében is (4. táblázat).

4.             táblázat: Termesztett nővényeink általában poliploidok

Az előzőekben röviden összefoglaltam, hogy megszületése óta milyen új technikákkal bővült a citogenetika eszköztára illetve a kromoszómák mutációit. A citogenetika gyakorlatokon pedig megismerkedünk a mitózis és a meiózis folyamatával, egy egyszerű kromoszómafestési módszerrel illetve a citogenetikai preparátumok széles körben elterjedt elkészítési módjával.