Анеуплоидия | |
---|---|
![]() | |
Хромосомы при синдроме Дауна , одном из наиболее распространенных человеческих состояний, вызванных анеуплоидией. Есть три хромосомы 21 (в последнем ряду). | |
Специальность | Медицинская генетика |
Анеуплоидия — это наличие аномального числа хромосом в клетке , например, соматическая клетка человека, имеющая 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.
По мере того, как женщины стареют, в ооцитах развиваются дефекты в структуре и функции митохондрий , а также нарушается регуляция мейотического веретена : это увеличивает частоту анеуплоидии и выкидышей. [6] Частота анеуплоидии у женщин, использующих ЭКО, увеличивается с 30% в возрасте около 31 года до 36% (в возрасте 36 лет), с последующим быстрым ростом на 7% каждый год, достигая 89% вероятности анеуплоидии в возрасте около 45 лет. [7]
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.) [8]
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 выкидыши. 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. [9]
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 признавалось 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. [10]
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. [11]
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. [12] [13] 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). [14] Эта низкоуровневая анеуплоидия, по-видимому, возникает из-за дефектов сегрегации хромосом во время деления клеток в нейрональных клетках-предшественниках, [15] и нейроны, содержащие такое анеуплоидное содержание хромосом, как сообщается, интегрируются в нормальные цепи. [16] 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. [17] [18]
Анеуплоидия постоянно наблюдается практически при всех видах рака. [4] [19] 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. [20] Понимание того, посредством каких механизмов она может влиять на эволюцию опухоли, является важной темой современных исследований рака. [21]
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 [22] (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. [23]
Изменение нормальных митотических контрольных точек также является важным онкогенным событием, и оно может напрямую привести к анеуплоидии. [24] Потеря гена-супрессора опухолей p53 часто приводит к геномной нестабильности , которая может привести к анеуплоидному генотипу. [25]
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 . [26]
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). [21]
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 составляют 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. [27]
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 воздействовать на веретенообразный аппарат. [28] 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 . [29] Табачный дым содержит химические вещества, которые вызывают повреждение ДНК. [30] Курение также может вызывать анеуплоидию. Например, курение увеличивает дисомию хромосомы 13 в сперматозоидах в 3 раза, [31] а дисомию YY в 2 раза. [32]
Профессиональное воздействие бензола связано с 2,8-кратным увеличением дисомии XX и 2,6-кратным увеличением дисомии YY в сперматозоидах. [33]
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. [34] Воздействие фенвалерата увеличило дисомию половых хромосом в 1,9 раза и дисомию хромосомы 18 в 2,6 раза. [35] 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. [36]
Люди подвергаются воздействию перфторированных соединений (ПФС) во многих коммерческих продуктах. [37] У мужчин, у которых в цельной крови или семенной плазме были обнаружены ПФС, сперматозоиды имеют повышенный уровень фрагментации ДНК и хромосомные анеуплоидии. [37]
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 |
---|---|
[ красные ссылки нечитаемы ] | 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 |
---|---|
[ красные ссылки нечитаемы ] | 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 [38] (за исключением других осложнений) может выжить до срока |
# | моносомия | трисомия |
---|---|---|
1 | синдром делеции 1p36 | Трисомия 1 |
2 | синдром делеции 2q37 | Трисомия 2 |
3 | Трисомия 3 | |
4 | Синдром Вольфа–Хиршхорна | Трисомия 4 |
5 | Кричи чат | Трисомия 5 |
6 | Трисомия 6 | |
7 | синдром Вильямса | Трисомия 7 |
8 | Моносомия 8p Моносомия 8q | Трисомия 8 |
9 | синдром Альфи | 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 | Трисомия 15 |
16 | Трисомия 16 | |
17 | Синдром Миллера–Дикера | Трисомия 17 |
18 | Дистальный 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 |
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, у которых есть две копии каждой хромосомы (диплоидных ) , это нормальное состояние. Для организмов, у которых обычно есть три или более копий каждой хромосомы (триплоидных и выше), дисомия — это анеуплоидный хромосомный набор. При однородительской дисомии обе копии хромосомы происходят от одного родителя (без участия 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 . [39] |