Naslovnica Impresum Predgovor Sadržaj Pojmovnik Literatura

 

CITOGENETIKA

Grana genetike koja povezuje kromosomske promjene s određenim osobinama organizma uključujući i različite bolesti čovjeka je citogenetika. Bavi se analizom broja i strukture kromosoma. Kromosomi s obzirom na položaj centromera mogu biti: metacentrični (p=q; p=gornji krak, q=donji krak), submetacentrični (p<q), akrocentrični (p<q sa ili bez satelita; 13.,14.,15.,21.,22. u čovjeka) i telocentrični (samo q krak; nema u kromosomskom komplementu čovjeka) (Slika 10.1.)

 

Slika 10.1. Vrste kromosoma s obzirom na položaj centromera.

 

Kromosomske anomalije predstavljaju veliku promjenu u genomu, a dijelimo ih na promjene broja kromosoma i promjene strukture kromosoma.
Poznato je da 1/400 novorođenčadi nosi neku kromosomsku anomaliju; u zdravih plodnih muškaraca 10% spermija je abnormalno zbog neke kromosomske anomalije; od 20% spontano pobačenih plodova, ½ nosi neku kromosomsku anomaliju.

PROMJENA BROJA KROMOSOMA

EUPLODIJA – promjena broja kromosoma koja zahvaća sve kromosome u setu.

ANEUPLOIDIJA – promjena broja kromosoma koja zahvaća pojedine kromosome u setu.

10.1. EUPLOIDIJA

MONOPLOIDI (HAPLOIDI) – organizmi koji imaju jedan set kromosoma. Nastaju iz neoplođene jajne stanice (npr. trutovi) ili iz peluda (kulturom antera ili kulturom peluda u uvjetima in vitro – razvijaju se haploidne biljke) (Slika 10.2.).

 

Slika 10.2. Trut (lijevo) i tetrade peluda (desno) (preuzeto s: http://www.agron.missouri.edu/mnl/72/images/27wolfef1.jpg).

 

10.2. POLIPLOIDIJA

Poliploidi imaju tri ili više setova kromosoma. Kod takvih organizama javlja se nekoliko problema:

  1. Genska neravnoteža (primjerice humani triploidni fetus ima šansu 1/106 da se potpuno razvije ali nakon rođenja brzo nastupa smrt zbog mnogobrojnih fizioloških i anatomskih defekata).
  2. Ako postoji spolno-determinirajući kromosomski mehanizam bit će narušen poliploidijom.
  3. Mejozom poliploida nastaju nebalansirane (nevijabilne) gamete (najčešće u neparnim poliploidima, dok su parni poliploidi najčešće fertilni).

OBILJEŽAVANJE BROJA KROMOSOMA
n = broj kromosoma u gameti
2n = broj kromosoma u zigoti

Poliploidni niz ako je n = 7:
3n = 21 TRIPLOID
4n = 28 TETRAPLOID
5n = 35 PENTAPLOID
6n = 42 HEKSAPLOID ......

Poliploidija je uglavnom ograničena na biljno carstvo. 30-80% svih cvjetnica su poliploidne: primjerice kultivirani krumpir, Solanum tuberosum je tetraploid, 4n = 48 (Slika 10.3.); u roda Triticum osnovni broj kromosoma x = 7, a javljaju se vrste koje su 2n, 4n i 6n; u krizantema s osnovnim brojem x = 9 javljaju se vrste koje su 2n, 4n, 6n, 8n i 10n. 95% mahovina je poliploidno, dok je u gljiva i golosjemenjača poliploidija rijetka pojava.

 

Slika 10.3. Krumpir je tetraploidna vrsta.

 

10.3. POLIPLOIDI S OBZIROM NA PORIJEKLO:

AUTOPOLIPLOIDI – poliploidi sa više od dva seta kromosoma koji se javljaju unutar iste vrste. Nastaju spontanim udvostručavanjem kromosoma, najčešće zbog nefunkcije diobenog vretena u mejozi zbog čega nastaju nereducirane gamete (Slika 10.4.). Mogu nastati i somatskim udvostručavanjem kromosoma (Slika 10.5.) nakon oplodnje; to se događa spontano ili može biti inducirano temperaturnim ili fizičkim šokom te raznim kemikalijama (primjerice citostatici: kolhicin). Problem nastaje pri spolnom razmnožavanju poliploida tj. pri parenju kromosoma u profazi (Slika 10.6.a-g) te njihovom odvajanju u AI pri čemu mogu nastati nevijabilne gamete.

 

Slika 10.4. Nereducirane gamete nastaju kao rezultat greške u AI (a) ili AII (b).

 

 

 

Slika 10.5. Somatsko udvostručavanje kromosoma – događa se nakon oplodnje.

 

 

 

Slika 10.6.a. Parenje kromosoma u mejozi autopoliploida i gamete koje nastaju nakon segregacije.

 

 


 

Slika 10.6.b-d. Bivalenti, trivalenti i kvadrivalenti (http://www.arabidopsis.org/ais/images/vol16/vol16-pg31-fig1.gif) u mejozi autopoliploida.

 

 

 

10.6.e. Pahitensko parenje kod triploida. Parenjem mogu nastati bivalenti i trivalenti što ovisi o položaju hijazmi tj. o mjestu c.o.

 

 

 

10.6.f. Četiri moguća tipa orjentacije trivalenata u metafazi I triploda (3n=9). Samo (A) daje vijabilne gamete.

 

 

10.6.g. Pahitensko parenje kod tetraploida. Različite strukture sparenih kromosoma nastaju u ovisnosti o položaju terminalnih hijazmi.

 

Primjeri za autopoliploide u prirodi (Slike 10.7.a-c):

Žabnjak, Ranunculus ficaria, 4n = 32; 5n = 40; 6n = 48; http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/Ranunculus_ficaria_Flowers_closeup_02.jpg
Zumbul, Hyacinthus orientalis, 3n = 24; 4n = 32 http://www.about-garden.com/images_data/3512-hyacinthus-orientalis-hyacint-vychodni-1.jpg
Jabuka, Malus pumila, 3n = 51

ALOPOLIPLOIDI – poliploidi porijeklom iz više vrsta. Najčešće nastaju hibridizacijom, križanjem srodnih diploidnih ili poliploidnih vrsta (Slika 10.8.). Primjerice duhan, Nicotiana tabacum, 4n = 48, nastao je križanjem dviju vrsta: N. sylvestris i N. tomentosiformis (Slika 10.9.a.); jaglac Primula kewensis, 4n = 36, nastao je križanjem dviju vrsta: P. floribunda i P. verticillata (Slika 10.9.b.); pšenica, Triticum aestivum, 6n = 42, nastala je križanjem triju vrsta (Slika 10.9.c.).

 

Slika 10.8. Alopoliploidi nastaju križanjem srodnih diploidnih i poliploidnih vrsta.

 

 

 

Slika 10.10. Porijeklo kultivirane aloheksaploidne pšenice.

SOMATSKA HIBRIDIZACIJA U BILJAKA

Fertilni hibridi između različitih biljnih vrsta mogu nastati fuzijom somatskih stanica u uvjetima in vitro i na taj se način može preskočiti normalni spolni ciklus. Primjerice fuzijom protoplasta dviju divljih vrsta duhana u kulturi (Slika 10.11.) nastaju hibridne stanice, iz kojih se mogu razviti hibridne biljčice s izdankom i listovima, ali bez korijena. Korijen se može naknadno razviti (primjerice nacijepiti), pa se razvijaju kompletne hibridne biljke koje su fertilne (razvijaju sjemenke).
Takav način razmnožavanja je somatska hibridizacija. Ovakva hibridizacija omogućava kombiniranje genetičkog materijala različitih vrsta koje se prirodno ne križaju zbog reproduktivnih barijera. Na taj način nastaju nove vrste s najpovoljnijim karakteristikama oba roditelja: otpornost na bolesti, povećani prinos itd.

 

Slika 10.11. Somatska hibridizacija u duhana.

 

 

ZNAČENJE POLIPLOIDIJE

Poliploidni organizmi vrlo su važni u prirodi jer utječu na fiziologiju i razvoj, genetičku varijabilnost, mejozu i razmnožavanje. Zbog svojih su svojstava u mogućnosti naseljavati nova i različita staništa. Poliploidi imaju veći habitus: veće jezgre i stanice; sporije rastu (dulje generacijsko vrijeme), drukčije reagiraju na faktore okoliša (bolja i brža prilagodba na nove uvjete okoliša). Zbog toga je poliploidija pozitivna evolucijska strategija u biljnom carstvu.

POSLJEDICE POLIPLOIDIJE:

Problemi u parenju i segregaciji kromosoma tijekom mejoze. Gamete su često nebalansirane (nevijabilne) pa se te vrste razmnožavaju nespolno. Kod alopoliploida koji nastaju križanjem različitih vrsta genomi nisu homologni pa je F1 generacija uvijek sterilna; tek nakon udvostručavanja kromosoma moguće je normalno parenje i segregacija kromosoma. Ruski genetičar Karpechenko je 1928. prvi pokazao na koji se način iz sterilnog hibrida može dobiti fertilni alopoliploid (Slika 10.12.). To se događa spontano, a udvostručavanje broja kromosoma moguće je potaknut i tretiranjem klijanaca sa citostatikom kolhicinom.

PRIMJENA

Poliploidija se koristi u poljoprivredi za proizvodnju varijeteta bez sjemenki (npr. triploidne lubenice bez sjemenke) i varijeteta s jumbo plodovima (npr. jumbo Mcintosh jabuke su tetraploidne).

 

10.4. POLIPLOIDIJA U ŽIVOTINJA

Iako se javlja u nekih vrsta guštera, riba pa i nekih beskralješnjaka, ipak je poliploidija uspješna evolucijska strategija samo u biljnom carstvu. Razlozi za to su sljedeći:

  1. Većina životinja ima spolno determinirajuće kromosomske mehanizme koje poliploidija jako remeti,
  2. Biljke se mogu razmnožavati i vegetativno što im ostavlja dovoljno vremena za spontano udvostručavanje kromosoma u tjelesnim stanicama, te tako nastaju fertilni amfidiploidi,
  3. Mnoge biljke oprašuju kukci ili vjetar, pa stoga imaju veću šansu za hibridizaciju što je kod životinja ograničeno zbog različitih mehanizama (ponašanje, parenje, prezigotne i postzigotne barijere).

U ljudi je poliploidija letalna. Oko 4% spontano pobačenih plodova su triploidni (Slika 10.13.) što kazuje da je triploidija najčešća kromosomska anomalija (uz trisomiju) koja uzrokuje pobačaj. Tetraploidni embriji se najčešće ne mogu razviti do fetusa.
Poznati su slučajevi nekoliko triploidnih fetusa koji su nakon rođenja živjeli svega nekoliko sati, a poznato je i par triploidnih slučajeva koji su preživjeli nekoliko godina, no kasnije je otkriveno da se radilo o mozaicizmu.
Poliploidne životinjske vrste mogu se dobiti eksperimentalno, npr. vinska mušica, dudov svilac.

 

Slika 10.13. Triploidni kariotip.

 

10.5. ANEUPLOIDIJA

Promjena koja zahvaća pojedine kromosome u setu: stanica može imati višak ili manjak jednog i više kromosoma.

FORMULE ZA RAZLIČITE VRSTE TRISOMIJE:

2n + 1 TRISOMIK; višak jednog kromosoma
2n + 2 TETRASOMIK; višak jednog para kromosoma
2n – 1 MONOSOMIK; manjak jednog kromosoma
2n – 2 NULISOMIK; manjak jednog para kromosoma

10.6. PORIJEKLO ANEUPLOIDIJE

Aneuploidija nastaje NERAZDVAJANJEM (“nondisjunction”) kromosoma (AI) ili kromatida (AII ili anafaza mitoze) zbog greške u funkciji diobenog vretena (Slika 10.14.).
Nerazdvajanje je najčešći način nastanka aneuploidije u ljudi.
Aneuploidija može nastati i nepravilnom segregacijom kromosoma u mejozi poliploida, posebno u vrsta s neparnim brojem kromosoma.

 

Slika 10.14. Aneuploidija nastaje nerazdvajanjem u AI ili AII.


POSLJEDICE ANEUPLOIDIJE

Aneuploidija uzrokuje neravnotežu u kromosomskom komplementu što najčešće rezultira abnormalnim fenotipom. Stupanj abnormalnosti ovisi o tome koji je kromosom u višku ili u manjku. Manjak kromosoma je štetniji od viška.

10.7. ANEUPLOIDIJA SPOLNIH KROMOSOMA

Aneuploidija u ljudi često zahvaća spolne kromosome; takva neravnoteža rezultira različitim abnormalnostima u razvoju koje u pravilu nisu letalne:

  1. Turnerov sindrom, 45, XO – jedina monosomija koja u čovjeka preživljava; spolno nezrele i sterilne ženske osobe, normalne inteligencije, nerazvijenih jajnika, niskog rasta (Slika 9.1.). Simptomi su pripisani jednostrukoj dozi gena koji su u zdravih žena zastupljeni dvostruko (geni na oba kromosoma X u pseudoautosomalnoj regiji koji se ne inaktiviraju: ZFX i RPS4Y – gen za jedan od ribosomskih proteina).
    Postoji razlika u kompenzaciji doze između ljudi i miševa koji imaju iste gene; u miševa su geni ZFX i RPS4Y inaktivirani u ženke, te imaju ograničenu aktivnost na Y kromosomu; stoga je pretpostavka da će kariotip X0 u miša biti bez negativnog učinka.
    U ljudi je prenatalni mortalitet Turnerovog sindroma 99%, dok kod miševa to nije slučaj što govori o različitim mehanizmima kompenzacije doze specifičnih gena. 1938. Endokrinolog Henry Turner otkrio je sindrom 45, X0. To je jedini aneuploidni sindrom koji nije povezan sa starošću majke.
  2. Klinefelterov sindrom, 47, XXY (Slike 9.2. i 9.3.)
  3. Sindrom 47, XYY (1965. Jacobsov sindrom – otkrila Patricia Jacobs) – fertilni muškarci normalnog fenotipa koji pokazuju devijantnost u ponašanju i asocijalni su.
  4. Sindrom 48, XXXY – trisomija X kromosoma
  5. Sindrom 49, XXXXY – tetrasomija X kromosoma – oba kariotipa imaju iste abnormalnosti kao i Klinefelterov sindrom; mogućnost toleriranja viška X kromosoma vjerojatno je posljedica inaktivacije X kromosoma.

10. 8. ANEUPLOIDIJA AUTOSOMA

U ljudi je najčešća trisomija 21. kromosoma ili Downov sindrom (javlja se 1/700 živih poroda) (Slika 10.15. http://www.biology.arizona.edu/human_bio/problem_sets/human_genetics/graphics/07ds.gif; http://news.bbc.co.uk/olmedia/1655000/images/_1658110_downsgirl150.jpg). To su mentalno retardirane osobe s određenim fizičkim osobinama (niski rast, široka i kratka lubanja, mongoloidno postavljene oči, nabor kože u stražnjem dijelu vrata); imaju kongenitalnu bolest srca i visoki rizik od akutne leukemije. 1866. Dr. John Langdon Down je prvi opisao taj sindrom. To je ujedno i prvi ljudski sindrom povezan s kromosomskim poremećajem (dr. Jerome Lejeunne, 1959., Pariz).

Oko 93% Downovog sindroma nastaje zbog nerazdvajanja u mejozi. Kromosom 21 zapravo je najmanji kromosom čovjeka (1,5% ukupnog genskog materijala čovjeka) što objašnjava zašto je upravo trisomija tog kromosoma najčešća u novorođenčadi.
Novija molekularna istraživanja dovela su do otkrića regije na kromosomu 21 koja je odgovorna za Downov sindrom što daje nadu da bi se u budućnosti ovaj sindrom mogao liječiti ili čak izbjeći. Sindrom najčešće nastaje zbog nerazdvajanja u oogenezi na što utječe starost majke (Slike 10.16. i 10.17.). Naime oocite ženkog novorođenčeta su po porodu u profazi I. Budući da prva mejotska dioba ne završava dok folikul ne sazrije, to znači da neka oocita može čekati godinama prije nego što završi mejozu. Prema tome što su oocite duže u profazi I podložnije su nerazdvajanju kromosoma i različitim greškama u mejozi.

S druge strane, spermatogonije su stalni izvor spermatocita koje ulaze u mejozu. No, najnovija istraživanja pokazuju da do nerazdvajanja može doći i tijekom spermatogeneze, a na to utječe starost oca i životne navike.
Nerazdvajanje 21. kromosoma može se dogoditi i u mitozi (postzigotno); ako se dogodi tijekom prve mitotske diobe zigote nastat će dvije aneuploidne stanice: jedna će biti trisomik, a druga monosomik za 21. kromosom. Budući da stanica bez jednog kromosoma ne može preživjeti, sve se stanice i organizam razvijaju iz stanice koja je trisomik pa nastaje Downov sindrom. Ako do nerazdvajanja dođe kasnije, u organizmu će biti i diploidnih stanica i trisomičnih stanica što daje mozaik. Oko 1-2% Downovog sindroma su mozaici kod kojih jačina simptoma ovisi o tome kada je tijekom razvoja došlo do nerazdvajanja, te koje je tkivo zahvaćeno.
Trisomija 21. se javlja i u čimpanzi, a simptomi su isti kao u ljudi.

 

Slika 10.16. Starost majke i učestalost poroda s D.s.

 

 

 


Slika 10.17. Kariogram Downovog sindroma.

 

U ljudi su osim Down-ovog sindroma česte i:

Trisomija 22. - uzrokuje mentalnu retardaciju, zastoj u rastu, rascijepljeno nepce; stupanj preživljavanja je relativno visok.
Trisomije 8., 9., 13. i 18. kromosoma prate različite abnormalnosti kostura i mozga te drugi poremećaji; mortalitet je visok u ranom djetinjstvu; većina trisomija je letalna za embrij ili fetus.
Trisomija 18. ili Edwardov sindrom (učestalost javljanja 1/1.000) – većinom zahvaća ženski spol, mortalitet 80-90% do druge godine života, izgledaju poput patuljaka s malim nosom i ustima te abnormalnim uškama, mentalno su retardirani (Slika 10.18.).
Trisomija 13. ili Patauov sindrom (učestalost javljanja 1/20.000) – visoki mortalitet u prvoj godini života, rascjep usne i nepca, kongenitalna bolest srca, polidaktilija i jaka mentalna retardacija (Slika 10.19.).
Što je kromosom zahvaćen trisomijom veći teža je klinička slika, jer se radi o većoj genskoj neravnoteži koja onemogućava normalni razvitak.

 

Slika 10.19. Patauov sindrom i kariogram trisomije 13. kromosoma (preuzeto s: http://medgen.genetics.utah.edu/photographs/diseases/high/69a.jpg; http://medgen.genetics.utah.edu/photographs/diseases/high/peri008.jpg).

 

 

PRENATALNA DIJAGNOSTIKA (Slika 10.20.)

Da bi se izbjegli neki teži oblici kromosomskih poremećaja danas su na raspolaganju različite metode prenatalne dijagnostike:
AMNIOCENTEZA - citogenetička analiza stanica fetusa iz plodove vode oko 15-16. tjedna gestacije (1966. prvi puta uspješno napravljena); kultura stanica fetusa; kariotipizacija 20 stanica; biokemijska analiza amnionske tekućine (proteini, enzimi); otkrije se oko 400 od više od 5000 poznatih kromosomskih i biokemijskih defekata.
TEST KORIONSKIH RESICA (cvs) – stanice korionskih resica uzimaju se oko 10. tjedna gestacije i odmah analiziraju; nije tako precizna metoda.
SORTIRANJE FETALNIH STANICA IZ MAJČINE CIRKULACIJE – od 1957. se zna da fetalne stanice ulaze u majčinu cirkulaciju; te se fetalne stanice mogu izolirati specijalnom metodom te analizirati.

 

Slika 10.20. Prenatalna dijagnostika – načini.

Danas su dostupne i nove, molekularne metode dijagnostike koje u vrlo kratkom roku daju rezultate (primjerice u dijagnostici Down-ovog sindroma).

10.9. SAŽETAK