Анеуплоидия | |
---|---|
Хромосомы при синдроме Дауна , одном из наиболее распространенных состояний человека, вызванных анеуплоидией. Есть три хромосомы 21 (в последнем ряду). | |
Специальность | Медицинская генетика |
Анеуплоидия — это наличие аномального числа хромосом в клетке , например, человеческая клетка имеет 45 или 47 хромосом вместо обычных 46. [1] [2] Она не включает разницу в один или несколько полных наборов хромосом . Клетка с любым числом полных наборов хромосом называется эуплоидной клеткой. [1]
Дополнительная или отсутствующая хромосома является частой причиной некоторых генетических нарушений . Некоторые раковые клетки также имеют аномальное количество хромосом. [3] [4] Около 68% человеческих солидных опухолей являются анеуплоидными. [4] Анеуплоидия возникает во время деления клеток , когда хромосомы не разделяются должным образом между двумя клетками ( нерасхождение ). Большинство случаев анеуплоидии в аутосомах приводят к выкидышу , а наиболее распространенными дополнительными аутосомными хромосомами среди живорожденных являются 21 , 18 и 13. [5] Аномалии хромосом обнаруживаются у 1 из 160 живорожденных людей . Аутосомная анеуплоидия более опасна, чем анеуплоидия половых хромосом, так как аутосомная анеуплоидия почти всегда смертельна для эмбрионов, которые из-за нее перестают развиваться.
Большинство клеток в организме человека имеют 23 пары хромосом , или в общей сложности 46 хромосом. (Сперматозоид и яйцеклетка, или гаметы , имеют по 23 непарные хромосомы, а эритроциты в костном мозге изначально имеют ядро, но те эритроциты, которые активны в крови, теряют свое ядро и, таким образом, в конечном итоге не имеют ядра и, следовательно, хромосом.) [6]
Одна копия каждой пары наследуется от матери, а другая — от отца. Первые 22 пары хромосом (называемые аутосомами ) пронумерованы от 1 до 22, от наибольшей к наименьшей. 23-я пара хромосом — это половые хромосомы . У типичных женщин две X-хромосомы , в то время как у типичных мужчин одна X-хромосома и одна Y-хромосома . Характеристики хромосом в клетке, как они видны под световым микроскопом, называются кариотипом . [ требуется цитата ]
Во время мейоза , когда половые клетки делятся, чтобы создать сперму и яйцеклетку (гаметы), каждая половина должна иметь одинаковое количество хромосом. Но иногда вся пара хромосом оказывается в одной гамете, а другая гамета вообще не получает эту хромосому. [ необходима цитата ]
Большинство эмбрионов не могут выжить с отсутствующей или дополнительной аутосомой (пронумерованной хромосомой) и выкидышем. Наиболее частой анеуплоидией у людей является трисомия 16 , и плоды, пораженные полной версией этой хромосомной аномалии, не доживают до срока, хотя у выживших особей возможна мозаичная форма , при которой трисомия 16 присутствует в некоторых клетках, но не во всех. Наиболее распространенной анеуплоидией, с которой могут выжить младенцы, является трисомия 21, которая встречается при синдроме Дауна , поражая 1 из 800 рождений. Трисомия 18 (синдром Эдвардса) поражает 1 из 6000 рождений, а трисомия 13 (синдром Патау) поражает 1 из 10 000 рождений. 10% младенцев с трисомией 18 или 13 достигают возраста 1 года. [7]
Изменения числа хромосом не обязательно присутствуют во всех клетках человека. Когда анеуплоидия обнаруживается во фракции клеток человека, это называется хромосомным мозаицизмом . В целом, люди, которые мозаичны по хромосомной анеуплоидии, как правило, имеют менее тяжелую форму синдрома по сравнению с теми, у кого полная трисомия . Для многих аутосомных трисомий только мозаичные случаи доживают до срока. Однако митотическая анеуплоидия может быть более распространенной, чем ранее распознавалось в соматических тканях, и анеуплоидия является характеристикой многих типов опухолеобразования . [ необходима цитата ]
Анеуплоидия возникает из-за ошибок в сегрегации хромосом , которые могут происходить по-разному. [8]
Нерасхождение обычно происходит в результате ослабления митотической контрольной точки , поскольку эти контрольные точки имеют тенденцию останавливать или задерживать деление клеток до тех пор, пока все компоненты клетки не будут готовы войти в следующую фазу. Например, если контрольная точка ослаблена, клетка может не «заметить», что пара хромосом не выровнена с веретенным аппаратом . В таком случае большинство хромосом разделятся нормально (с одной хроматидой, оказавшейся в каждой клетке), в то время как другие могут вообще не разделиться. Это приведет к образованию дочерней клетки, лишенной копии, и дочерней клетки с дополнительной копией. [9]
Полностью неактивные митотические контрольные точки могут вызвать нерасхождение на нескольких хромосомах, возможно, на всех. Такой сценарий может привести к тому, что каждая дочерняя клетка будет обладать непересекающимся набором генетического материала. [ необходима цитата ]
Меротелическое присоединение происходит, когда один кинетохор прикрепляется к обоим полюсам митотического веретена . Одна дочерняя клетка будет иметь нормальный набор хромосом; у второй не будет одной. Третья дочерняя клетка может оказаться с «отсутствующей» хромосомой. [ необходима цитата ]
Многополюсные веретена : образуется более двух полюсов веретена . Такое митотическое деление приведет к образованию одной дочерней клетки для каждого полюса веретена; каждая клетка может обладать непредсказуемым набором хромосом. [ необходима цитата ]
Монополярное веретено : формируется только один полюс веретена. Это производит одну дочернюю клетку с удвоенным числом копий. [ необходима цитата ]
Тетраплоидный промежуточный продукт может быть получен в результате работы механизма монополярного веретена. В таком случае клетка имеет в два раза больше копий, чем нормальная клетка, и производит в два раза больше полюсов веретена. Это приводит к четырем дочерним клеткам с непредсказуемым набором хромосом, но с нормальным числом копий. [ необходима цитата ]
Мозаицизм для анеуплоидного содержания хромосом может быть частью конституционного строения мозга млекопитающих. [10] [11] В нормальном человеческом мозге образцы мозга шести людей в возрасте от 2 до 86 лет имели мозаицизм для анеуплоидии хромосомы 21 (в среднем 4% проанализированных нейронов). [12] Эта низкоуровневая анеуплоидия, по-видимому, возникает из-за дефектов сегрегации хромосом во время деления клеток в нейрональных клетках-предшественниках, [13] и нейроны, содержащие такое анеуплоидное содержание хромосом, как сообщается, интегрируются в нормальные цепи. [14] Однако недавние исследования с использованием секвенирования отдельных клеток поставили под сомнение эти результаты и предположили, что анеуплоидия в мозге на самом деле встречается очень редко. [15] [16]
Анеуплоидия постоянно наблюдается практически при всех видах рака. [4] [17] Немецкий биолог Теодор Бовери был первым, кто предположил причинную роль анеуплоидии в развитии рака. Однако теория Бовери была забыта, пока молекулярный биолог Петер Дюсберг не пересмотрел ее. [18] Понимание того, посредством каких механизмов она может влиять на эволюцию опухоли, является важной темой современных исследований рака. [19]
Соматический мозаицизм встречается практически во всех раковых клетках, включая трисомию 12 при хроническом лимфоцитарном лейкозе (ХЛЛ) и трисомию 8 при остром миелоидном лейкозе (ОМЛ). Однако эти формы мозаичной анеуплоидии возникают посредством механизмов, отличных от тех, которые обычно связаны с генетическими синдромами, включающими полную или мозаичную анеуплоидию, например, хромосомной нестабильностью [20] (из-за дефектов митотической сегрегации в раковых клетках). Поэтому молекулярные процессы, которые приводят к анеуплоидии, являются мишенями для разработки противораковых препаратов. Было обнаружено, что и ресвератрол , и аспирин in vivo (на мышах) избирательно разрушают тетраплоидные клетки, которые могут быть предшественниками анеуплоидных клеток, и активируют AMPK , которая может быть вовлечена в этот процесс. [21]
Изменение нормальных митотических контрольных точек также является важным онкогенным событием, и оно может напрямую привести к анеуплоидии. [22] Потеря гена-супрессора опухолей p53 часто приводит к геномной нестабильности , которая может привести к анеуплоидному генотипу. [23]
Кроме того, генетические синдромы, при которых человек предрасположен к разрыву хромосом ( синдромы хромосомной нестабильности ), часто связаны с повышенным риском различных типов рака, что подчеркивает роль соматической анеуплоидии в канцерогенезе . [24]
Способность уклоняться от иммунной системы, по-видимому, усиливается в опухолевых клетках с сильной анеуплоидией. Поэтому это предполагает, что наличие аномального числа хромосом может быть эффективным прогностическим биомаркером для ответа на точную иммунотерапию. Например, у пациентов с меланомой высокие изменения числа соматических копий связаны с менее эффективным ответом на терапию с блокадой иммунных контрольных точек анти- CTLA4 (цитотоксический Т-лимфоцит-ассоциированный белок 4). [19]
В исследовательской работе, опубликованной в 2008 году, основное внимание уделяется механизмам, вовлеченным в формирование анеуплоидии, в частности эпигенетическому происхождению анеуплоидных клеток. Эпигенетическое наследование определяется как клеточная информация, отличная от самой последовательности ДНК, которая все еще наследуется во время деления клетки. Метилирование ДНК и модификации гистонов включают две из основных эпигенетических модификаций, важных для многих физиологических и патологических состояний, включая рак. Аберрантное метилирование ДНК является наиболее распространенным молекулярным повреждением в раковых клетках, даже более частым, чем мутации генов. Предполагается, что подавление гена-супрессора опухоли гиперметилированием промотора CpG-островка является наиболее частой эпигенетической модификацией в раковых клетках. Эпигенетические характеристики клеток могут быть изменены несколькими факторами, включая воздействие окружающей среды, дефицит определенных питательных веществ, радиацию и т. д. Некоторые из изменений были связаны с образованием анеуплоидных клеток in vivo. В этом исследовании на основе растущего количества доказательств предполагается, что не только генетика, но и эпигенетика способствуют образованию анеуплоидных клеток. [25]
Термины «частичная моносомия» и «частичная трисомия» используются для описания дисбаланса генетического материала, вызванного потерей или приобретением части хромосомы. В частности, эти термины будут использоваться в ситуации несбалансированной транслокации , когда индивидуум несет производную хромосому, образованную путем разрыва и слияния двух разных хромосом. В этой ситуации индивидуум будет иметь три копии части одной хромосомы (две нормальные копии и часть, которая существует на производной хромосоме) и только одну копию части другой хромосомы, вовлеченной в производную хромосому. Робертсоновские транслокации , например, составляют очень небольшое меньшинство случаев синдрома Дауна (<5%). Образование одной изохромосомы приводит к частичной трисомии генов, присутствующих в изохромосоме, и частичной моносомии генов в утраченном плече. [ необходима цитата ]
Агенты, способные вызывать анеуплоидию, называются анеугенами. Многие мутагенные канцерогены являются анеугенами. Рентгеновские лучи , например, могут вызывать анеуплоидию, фрагментируя хромосому; они также могут поражать веретенообразный аппарат. [26] Другие химические вещества, такие как колхицин, также могут вызывать анеуплоидию, влияя на полимеризацию микротрубочек .
Воздействие на мужчин факторов образа жизни, окружающей среды и/или профессиональных опасностей может увеличить риск анеуплоидии сперматозоидов . [27] Табачный дым содержит химические вещества, которые вызывают повреждение ДНК. [28] Курение также может вызывать анеуплоидию. Например, курение увеличивает дисомию хромосомы 13 в сперматозоидах в 3 раза, [29] а дисомию YY в 2 раза. [30]
Профессиональное воздействие бензола связано с 2,8-кратным увеличением дисомии XX и 2,6-кратным увеличением дисомии YY в сперматозоидах. [31]
Пестициды выбрасываются в окружающую среду в достаточно больших количествах, что большинство людей подвергаются определенной степени их воздействия. Сообщалось, что инсектициды фенвалерат и карбарил увеличивают анеуплоидию сперматозоидов. Профессиональное воздействие фенвалерата на рабочих фабрик по производству пестицидов связано с увеличением повреждения ДНК сперматозоидов. [32] Воздействие фенвалерата увеличило дисомию половых хромосом в 1,9 раза и дисомию хромосомы 18 в 2,6 раза. [33] Воздействие карбарила на рабочих-мужчин увеличило фрагментацию ДНК в сперматозоидах, а также увеличило дисомию половых хромосом в 1,7 раза и дисомию хромосомы 18 в 2,2 раза. [34]
Люди подвергаются воздействию перфторированных соединений (ПФС) во многих коммерческих продуктах. [35] У мужчин, цельная кровь или семенная плазма которых загрязнены ПФС, сперматозоиды имеют повышенный уровень фрагментации ДНК и хромосомные анеуплоидии. [35]
Анеуплоидия зародышевой линии обычно обнаруживается посредством кариотипирования , процесса, в котором образец клеток фиксируется и окрашивается для создания типичного светлого и темного рисунка хромосомных полос, и анализируется изображение хромосом . Другие методы включают флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH), количественную ПЦР коротких тандемных повторов , количественную флуоресцентную ПЦР (QF-PCR), количественный анализ дозировки ПЦР , количественную масс-спектрометрию полиморфизмов отдельных нуклеотидов и сравнительную геномную гибридизацию (CGH). [ необходима цитата ]
Эти тесты также могут быть выполнены пренатально для выявления анеуплоидии во время беременности с помощью амниоцентеза или биопсии ворсин хориона . Беременным женщинам в возрасте 35 лет и старше предлагается пренатальное тестирование , поскольку вероятность хромосомной анеуплоидии увеличивается с возрастом матери.
Недавние достижения позволили использовать менее инвазивные методы тестирования, основанные на наличии генетического материала плода в крови матери. См. Тройной тест и Бесклеточная ДНК плода .
цвет | значение |
---|---|
смертельный | |
типичный мужской фенотип | |
Синдром Клайнфельтера (нетипичный мужчина) | |
полисомия X и/или Y (нетипичный мужчина) | |
типичный женский фенотип | |
Синдром Тернера (нетипичная женщина) | |
полисомия X (нетипичная женщина) |
0 | Х | ХХ | XXX | ХХХХ | ХХХХХ | |
---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0 | Х | ХХ | XXX | ХХХХ | ХХХХХ |
И | И | ИКСИ | ХХУ | XXXY | XXXXXXY | XXXXXXY |
ГГ | ГГ | КСИИ | XXYY | XXXYY | XXXXYY | XXXXXXXYY |
ГГГ | ГГГ | XYYY | XXYYY | XXXYYYY | XXXXYYY | XXXXXXXYYY |
ГГГГ | ГГГГ | КСГГГ | XXYYYY | XXXYYYY | XXXXYYYY | XXXXXXXYYYY |
ГГГГГ | ГГГГГ | КСГГГГ | XXYYYYY | XXXYYYYYY | XXXXYYYYYY | XXXXXXXYYYYY |
цвет | значение |
---|---|
случай, когда полная немозаичная трисомия никогда не может дожить до срока | |
случай, когда полная немозаичная трисомия редко (за исключением других осложнений) может дожить до срока | |
случай, когда полная немозаичная трисомия часто [36] (за исключением других осложнений) может выжить до срока |
# | моносомия | трисомия |
---|---|---|
1 | синдром делеции 1p36 синдром делеции 1q21.1 | Трисомия 1 |
2 | синдром делеции 2q37 | Трисомия 2 |
3 | Трисомия 3 | |
4 | Синдром Вольфа–Хиршхорна | Трисомия 4 |
5 | Синдром делеции 5q Cri du Chat | Трисомия 5 |
6 | Трисомия 6 | |
7 | синдром Вильямса | Трисомия 7 |
8 | Моносомия 8p Моносомия 8q | Трисомия 8 |
9 | Синдром Альфи Синдром Клифстры | Трисомия 9 |
10 | Моносомия 10p Моносомия 10q | Трисомия 10 |
11 | синдром Якобсена | Трисомия 11 |
12 | Трисомия 12 | |
13 | Синдром Патау | |
14 | Трисомия 14 | |
15 | Синдром Ангельмана Синдром Прадера–Вилли | Трисомия 15 |
16 | Трисомия 16 | |
17 | Синдром Миллера–Дикера Синдром Смита–Магениса | Трисомия 17 |
18 | Дистальный 18q- Проксимальный 18q- | синдром Эдвардса |
19 | Трисомия 19 | |
20 | Трисомия 20 | |
21 | синдром Дауна | |
22 | Синдром ДиДжорджи Синдром Фелана–МакДермида Синдром дистальной делеции 22q11.2 | Синдром кошачьего глаза Трисомия 22 |
В строгом смысле, набор хромосом, имеющий число хромосом, отличное от 46 (у человека), считается гетероплоидным, тогда как набор, кратный гаплоидному набору хромосом, считается эуплоидным .
Число хромосом | Имя | Описание |
---|---|---|
1 | Моносомия | Моносомия относится к отсутствию одной хромосомы нормального набора. Частичная моносомия может возникнуть при несбалансированных транслокациях или делециях, при которых только часть хромосомы присутствует в единственной копии (см. делеция (генетика) ). Моносомия половых хромосом (45,X) вызывает синдром Тернера . |
2 | Дисомия | Дисомия — это наличие двух копий хромосомы. Для таких организмов, как люди, которые имеют две копии каждой хромосомы (те, которые являются диплоидными ), это нормальное состояние. Для организмов, которые обычно имеют три или более копий каждой хромосомы (те, которые являются триплоидными или выше), дисомия — это анеуплоидный хромосомный комплемент. При однородительской дисомии обе копии хромосомы происходят от одного родителя (без вклада другого родителя). |
3 | трисомия | Трисомия относится к наличию трех копий, вместо обычных двух, определенной хромосомы . Наличие дополнительной хромосомы 21 , которая обнаруживается при синдроме Дауна , называется трисомией 21. Трисомия 18 и трисомия 13 , известные как синдром Эдвардса и синдром Патау , соответственно, являются двумя другими аутосомными трисомиями, распознаваемыми у живорожденных людей. Также возможна трисомия половых хромосом, например (47,XXX) , (47,XXY) и (47,XYY) . |
4/5 | тетрасомия/пентасомия | Тетрасомия и пентасомия — это наличие четырех или пяти копий хромосомы соответственно. Хотя это редко встречается у аутосом, тетрасомия и пентасомия половых хромосом были зарегистрированы у людей, включая XXXX , XXXY , XXYY , XXXXX , XXXXY и XYYYY . [37] |