Хромосомные мутации: делеция, дупликация, инверсия

Хромосомные мутации возникают, когда нарушается не отдельный нуклеотид, а целый участок хромосомы: он теряется, удваивается, разворачивается или переходит на другую хромосому. Именно эти изменения лежат в основе большинства синдромов, связанных с аномалиями кариотипа, и объясняют, почему у внешне здоровых родителей может родиться ребёнок с тяжёлой патологией. Чтобы сразу почувствовать, как каждый тип мутации меняет длину хромосомы, поставьте нужный тип в калькуляторе ниже и подвигайте ползунок затронутого участка.

Что такое хромосомные мутации и как они возникают

Хромосомные мутации, или хромосомные перестройки, изменяют структуру одной или нескольких хромосом, не меняя их числа (в отличие от анеуплоидий и полиплоидий, которые относятся к геномным мутациям). По масштабу они занимают промежуточное положение между генными и геномными: затрагивают от нескольких тысяч до нескольких миллионов пар оснований.

Механизм возникновения связан с разрывами двойной спирали ДНК, которые не репарируются или репарируются некорректно. Разрывы случаются при воздействии ионизирующего излучения, химических мутагенов (алкилирующие агенты, топоизомеразные яды), а также спонтанно при репликации. Если разрывы происходят в двух местах одновременно, образовавшийся фрагмент может:

• выпасть и деградировать (делеция),
• встроиться в другое место той же хромосомы в перевёрнутом виде (инверсия),
• удвоиться рядом с исходным участком (дупликация),
• перейти на негомологичную хромосому (транслокация).

Рассчитать для своей задачи

Классификацию перестроек проводят по двум осям: по числу задействованных хромосом (внутрихромосомные и межхромосомные) и по тому, сохраняется ли суммарный объём генетического материала (сбалансированные и несбалансированные).

Делеция: утрата участка хромосомы

Делеция (от лат. deletio - уничтожение) - это потеря хромосомного участка. Различают:

• терминальную - потеря конца хромосомного плеча (одна точка разрыва);
• интерстициальную - выпадение внутреннего участка (два разрыва, концы сшиваются).

При делеции генетический материал утрачивается безвозвратно, поэтому все гены утраченного сегмента перестают работать. Если эти гены кодируют важные ростовые факторы или структурные белки, последствия тяжелы уже в гетерозиготном состоянии - достаточно потерять одну копию.

Примеры у человека. Синдром кошачьего крика (cri-du-chat) возникает при делеции короткого плеча хромосомы 5 (del 5p): ребёнок издаёт характерный высокий плач из-за аномального развития гортани, наблюдаются задержка развития и микроцефалия. Синдром Вольфа-Хиршхорна - делеция del 4p16.3 - проявляется характерным «греческим шлемом» на лице (широкая переносица), умственной отсталостью и задержкой роста.

$$\text{Делеция: } n \xrightarrow{-d} n - d \text{ сегментов}$$

Чем больше утраченный участок, тем тяжелее фенотипические последствия, но даже небольшие делеции (1-2 Мб) могут уносить несколько генов-регуляторов развития.

Дупликация: удвоение участка

Дупликация - это появление лишней копии хромосомного участка. Дополнительный фрагмент может:

• встраиваться рядом с исходным местом (тандемная дупликация),
• вставляться в обратной ориентации (инвертированная дупликация),
• переходить на другую хромосому в виде вставки.

Тандемные дупликации возникают при неравном кроссинговере, когда гомологичные хромосомы смещаются относительно друг друга и обмениваются неэквивалентными участками.

Последствия дупликации обусловлены дозным эффектом: если ген работает пропорционально числу копий, удвоение участка приводит к избыточному количеству белка. Это нарушает тонко настроенные регуляторные сети. При этом дупликации в целом менее летальны, чем делеции, поскольку клетка получает лишнее, а не теряет необходимое.

Примеры. Дупликация 15q11-13 в зависимости от родительского происхождения вызывает либо синдром Ангельмана, либо синдром Прадера-Вилли (это пример геномного импринтинга). Дупликация гена PMP22 (17p11.2) лежит в основе болезни Шарко-Мари-Тута типа 1A - наиболее распространённой наследственной нейропатии.

Рассчитать для своей задачи

Инверсия: разворот участка на 180 градусов

Инверсия возникает при двух разрывах одной хромосомы: образовавшийся фрагмент переворачивается и вставляется обратно. Суммарное количество генетического материала при этом не изменяется, поэтому инверсии считаются сбалансированными перестройками. Однако порядок генов нарушается, что меняет регуляцию их работы: гены, оказавшиеся рядом с новыми регуляторными элементами, могут «включиться» или «выключиться».

Классификация:

• перицентрическая - точки разрыва по разные стороны от центромеры; ориентация плеч меняется, что видно при кариотипировании;
• парацентрическая - оба разрыва в одном плече; центромера не вовлечена, длина плеч не меняется.

Носители сбалансированных инверсий обычно фенотипически нормальны, но при мейозе образуются инверсионные петли. Кроссинговер внутри такой петли даёт гаметы с несбалансированным набором, что повышает риск выкидышей и рождения детей с хромосомными аномалиями.

Пример. Парацентрическая инверсия хромосомы 9 inv(9)(p11q13) - одна из наиболее распространённых хромосомных вариантов у человека (около 1-2% популяции), нередко расценивается как полиморфизм, хотя её связь с бесплодием дискутируется.

Транслокация: перенос участка между хромосомами

Транслокация - это перенос хромосомного сегмента на негомологичную хромосому. Различают:

• Реципрокная транслокация: обмен участками между двумя хромосомами. Оба партнёра изменяются, но суммарный объём материала сохраняется (сбалансированная). Носители фенотипически норма, но с высоким риском несбалансированного потомства.
• Робертсоновская транслокация: слияние двух акроцентрических хромосом (13, 14, 15, 21, 22) по центромере. Коротких плеч почти нет, поэтому их потеря не сказывается фенотипически. Число хромосом уменьшается до 45, но набор генов фактически полный. Носитель rob(14;21) имеет повышенный риск рождения ребёнка с трисомией 21 (синдром Дауна) вследствие транслокации.
• Вставочная транслокация: сегмент из одной хромосомы вставляется в другую без взаимного обмена.

Хромосома Филадельфии - классический пример онкогенной транслокации: t(9;22)(q34;q11.2) переносит ген ABL1 с хромосомы 9 на хромосому 22 рядом с геном BCR. Образующийся слитный ген BCR-ABL1 кодирует конститутивно активную тирозинкиназу, которая стимулирует бесконтрольное деление миелоидных предшественников и вызывает хронический миелоидный лейкоз (ХМЛ). Именно против этой киназы направлен иматиниб - первый таргетный онкологический препарат.

Методы выявления хромосомных мутаций

Стандартный кариотип (G-окрашивание) позволяет увидеть перестройки размером от 5-10 Мб: крупные делеции, дупликации, инверсии с изменёнными плечами, транслокации. Для более мелких изменений применяют:

• FISH (fluorescence in situ hybridization) - зонды к конкретному локусу светятся в нужном месте; выявляет делеции 1-2 Мб, числовые аномалии;
• CGH-array и SNP-array - сравнительная геномная гибридизация на микрочипах; покрывает весь геном, находит CNV от 50 кб;
• Секвенирование нового поколения (WGS, WES) - находит точки разрывов на уровне отдельных нуклеотидов.

Частые ошибки

• Путаница хромосомных и генных мутаций. Хромосомные перестройки - это изменения структуры хромосом, затрагивающие сразу много генов. Генные (точечные) мутации - изменения одного нуклеотида или нескольких подряд в пределах одного гена.
• Считать инверсию несбалансированной. Инверсия не изменяет количество ДНК; она переставляет участок. Несбалансированными называют мутации с реальной потерей или приобретением материала (делеция, дупликация, несбалансированная транслокация).
• Игнорировать родительское происхождение при дупликации. Одна и та же дупликация 15q11-13, унаследованная от матери, даёт синдром Ангельмана, а от отца - синдром Прадера-Вилли. Это геномный импринтинг, и результат зависит от того, чья копия активна.
• Думать, что носитель транслокации здоров «без исключений». Сбалансированная транслокация не даёт фенотипа, но при мейозе увеличивает вероятность несбалансированных гамет. Носителя нужно направить на медико-генетическое консультирование.
• Путать перицентрическую и парацентрическую инверсию. Перицентрическая захватывает оба плеча (через центромеру); парацентрическая - только одно плечо. Первая видна по изменению соотношения длин плеч на кариотипе, вторая - нет.

FAQ

Чем хромосомная мутация отличается от геномной? Хромосомные мутации изменяют структуру отдельных хромосом (делеция, дупликация, инверсия, транслокация), не меняя их числа. Геномные мутации меняют число хромосом в кариотипе: полиплоидия (3n, 4n), анеуплоидия (трисомия, моносомия). Принципиальное отличие - хромосомные перестройки работают внутри диплоидного набора, а геномные меняют сам набор.

Могут ли хромосомные мутации передаваться по наследству? Да, если перестройка сбалансированная (инверсия, реципрокная транслокация) и носитель фертилен. Такой носитель сам здоров (или имеет минимальные проявления), но с повышенной вероятностью передаёт потомству несбалансированный набор хромосом. Несбалансированные перестройки (делеция, дупликация) в большинстве случаев возникают de novo и наследуются реже из-за снижения фертильности носителей.

Как транслокация связана с онкологическими заболеваниями? Транслокации могут объединять два гена в слитный онкоген, ставить протоонкоген под контроль активного промотора или разрушать ген-супрессор опухоли. Хромосома Филадельфии t(9;22) при ХМЛ - самый известный пример. Транслокация t(14;18) при фолликулярной лимфоме переносит ген BCL2 под иммуноглобулиновый промотор, отключая апоптоз. Изучение онкогенных транслокаций открыло путь к таргетной терапии.

Коротко

Хромосомные мутации делятся на четыре основных типа: делеция (утрата участка) и дупликация (его удвоение) изменяют количество генетического материала и нарушают дозу генов; инверсия (разворот участка) и транслокация (перенос между хромосомами) могут быть сбалансированными - тогда носитель фенотипически нормален, но с повышенным риском патологии у потомства. Клинические примеры - от синдромов кошачьего крика и Дауна (транслокационная форма) до хромосомы Филадельфии при лейкозе - показывают, что механизм мутации напрямую определяет тактику диагностики и лечения.