TEMA 3 - Alteracions cromosòmiques (2015)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 2º curso
Asignatura Mutagènesi
Año del apunte 2015
Páginas 16
Fecha de subida 08/04/2015
Descargas 12
Subido por

Vista previa del texto

MUTAGÈNESI PARCIAL 1 Tema 3 – Alteracions cromosomiques BASES MOLECULARS DE LES MUTACIONS CROMOSÒMIQUES 25/02/15 Quan la porció mutada d’un cromosoma és prou gran com per poder ser observada al microscopi òptic, es diu que s'ha produït una mutació cromosòmica. Mutacions puntuals o delecions d’una o dues bases no són considerades cromosòmiques, sinó gèniques. En aquest tema, anem a parlar d'aquestes mutacions i de les seves bases moleculars. En bastants casos, les dades sobre aberracions cromosòmiques i sobre intercanvis entre cromàtides germanes (SCE) s'han utilitzat com a predictius de carcinogenicitat – una manera de mirar-ho és amb els limfòcits presents en la sang perifèrica. En una mateixa població, els individus més joves amb més aberracions tindran més probabilitats de presentar càncer més endavant.
Les mutacions cromosòmiques s'han classificat, tradicionalment, en estructurals i numèriques, segons afectin l'estructura o al nombre dels cromosomes, respectivament.
VARIACIONS EN L’ESTRUCTURA CROMOSÒMICA Els canvis estructurals són de dos tipus: cromatídics i cromosòmics, segons es produeixin després o abans de la reproducció de les cromàtides. En el primer cas, la unitat de trencament és la cromàtide i en el segon és el cromosoma, ja que la posterior duplicació de la cromàtide afectada implicarà el cromosoma.
CANVIS ESTRUCTURALS CROMATÍDICS Les alteracions estructurals cromatídiques poden ser: delecions o ruptures senzilles, cromatídiques o isocromatídiques, segons afectin una cromàtide o a les dues alhora, en el mateix lloc.
El que és fonamental perquè un cromosoma es pugui mantenir en una cèl·lula és el centròmer i els telòmers. Si un cromosoma manca de centròmer o de telòmers no es podrà traspassar a la següent generació. Les altres alteracions tindran de forma general menys conseqüències a nivell biològic a posteriori.
Tenim l’aparició de micronuclis com a resultat dels fragments acèntrics o cromosòmics.
Els intercanvis o aberracions compostos poden ocórrer entre cromàtides del mateix cromosoma o de cromosomes diferents, de manera simètrica o asimètrica, en funció de si té lloc un intercanvi recíproc, o de si es produeixen dicèntrics i fragments acèntrics.
23 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 CANVIS ESTRUCTURALS CROMOSÒMICS Pel que fa als canvis de tipus cromosòmic, els més rellevants són: les delecions, les duplicacions, les inversions i les translocacions.
Les delecions són pèrdues d'un fragment cromosòmic i poden ser terminals o intersticials. Es detecten citològicament perquè els cromosomes afectats s'observen més petits. En homozigosi solen ser letals, mentre que en heterozigosi solen produir un efecte més o menys deleteri, depenent del contingut genètic del fragment delecionat.
02/03/15 Qualsevol canvi estructural es pot donar tant a nivell cromosòmic com cromatídic. Una anomalia estructural es pot trobar en homozigosi o en heterozigosi, tot i que en principi és més normal trobar-la en heterozigosi.
Dels 4 canvis, el que tindria conseqüències més negatives en homozigosi seria una deleció. Tot i que també tenim dones que els falta un cromosoma sencer (Turner) i viuen. Per tant la importància d’una deleció ve donada per les regions que són delecionades.
Les duplicacions han estat molt importants en l’evolució. Quan un gen es duplica, hi ha dues còpies d’aquest gen. Si una de les dues pateix un canvi que fa que ara codifiqui per un enzim amb unes noves característiques millors que les originals, tindrem aquest nou enzim i l’original. Per tant, les duplicacions són com una reserva de material que es pot mutar sense afectar negativament, ja que el gen original “es guarda” i en conseqüència no se’n perd la funció. Un exemple característic és la família de les globines. Al principi hi havia només un gen, i mitjançant duplicacions successives, han acabat sorgint molts gens diferents amb funcions lleugerament diferents, en llocs i moments diferents. Per exemple, les hemoglobines i les haptoglobines.
A llarg termini, les regions duplicades que no són actives poden incorporar alguna mutació.
Aquests gens mutats poden permetre X fenòmens que en un canvi dràstic ambiental poden proporcionar una adaptació evolutiva.
En heterozigosi trobem també conseqüències negatives, sobretot relacionades amb la reproducció. El motiu és que si un individu té el mateix canvi en els 2 cromosomes, aquests continuen sent homòlegs, i llavors en meiosi en principi els gàmetes seran funcionals. Però si un individu és heterozigot per un canvi estructural, els cromosomes en aparellar-se hauran de formar una figura anòmala per tal que l’aparellament sigui correcte, com ara els bucles asinàptics. Els intercanvis que es donen en aquestes regions poden donar lloc a gàmetes descompensats gènicament – un 50% dels gàmetes no donaran lloc a productes viables, per tant els recombinants que esperaríem per formació de quiasmes no es formarien.
Per tant, els canvis estructurals en heterozigosi, tot i no ser tant greus com en homozigosi, provoquen problemes en la reproducció (meiosis i formació de gàmetes) – no són avantatjosos evolutivament parlant.
24 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 DUPLICACIONS Les duplicacions sorgeixen quan un segment cromosòmic es replica, per error, dues vegades, o quan es produeix un entrecreuament desigual en zones que no estan perfectament aparellades. En general, les duplicacions no solen ser molt deletèries.
L’entrecreuament desigual en zones que no estan perfectament aparellades passa entre zones duplicades que tenen la seqüència igual però que es troben en alçades diferents del cromosoma. Els gens que es troben entre aquestes zones duplicades són els que es veuen duplicats en un cromosoma i delecionats en la resta.
Per tant, sempre que es produeix un entrecreuament desigual o obliquo hi ha una conseqüència doble – un cromosoma amb una duplicació i un amb una deleció. Tenim un exemple en Drosophila amb bar, ultrabar, etc.
INVERSIONS Les inversions es caracteritzen perquè un segment cromosòmic gira 180 ° respecte a la resta del cromosoma, amb la consegüent inversió de la seqüència gènica allà continguda. No hi ha evidència experimental de l'existència d'inversions terminals. Les inversions, en heterozigosi, són supressores de la recombinació. El cromosoma invertit, per poder-se aparellar amb el no invertit, ha de fer un bucle. Si en aquestes figures es donen fenòmens d’entrecreuament, les conseqüències són negatives. Quan estudiem les inversions en heterozigosi, veiem que segueixen havent entrecreuaments, però fenotípicament no s’observa recombinació.
25 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 TRANSLOCACIONS Les translocacions són canvis cromosòmics estructurals, caracteritzats pel canvi de posició dels segments cromosòmics dins del complement cromosòmic. Si bé poden produir translocacions intracromosómiques o internes, en general ens referim a les translocacions quan es donen intercanvis de segments cromosòmics entre cromosomes no homòlegs.
Si té lloc una translocació del cromosoma 4 al 2, tots els gens que abans estaven al cromosoma 2 i ara estan al 4 canvien de grup de lligament. Per tant, des del punt de vista clàssic, les translocacions canvien els grups de lligament.
A més, en les translocacions hem de tenir en compte l’efecte de posició: una regió eucromàtica amb gens que s’expressen pot ser translocada i anar a parar al costat d’una zona heterocromàtica. Si la heterocromatina s’expandeix cap a la regió translocada, ara aquesta pot passar de ser eucromatina a heterocromatina, i per tant els gens que abans s’expressaven ara ja no ho faran.
Per la seva naturalesa i conseqüències genètiques, hem de referir-nos a les translocacions recíproques, intercanvis de segments cromosòmics que poden ser asimètrics o simètrics. Els heterozigots per a una translocació recíproca poden produir gàmetes viables o inviables, depenent de l'orientació alternada o adjacent dels centròmers (l’alternada és la que produeix els gàmetes viables).
Quan els canvis són recíprocs i asimètrics, tenen menys conseqüències, ja que no hi ha ni pèrdua ni guany de material. L’aspecte conflictiu, a banda de en l’aparellament, es dóna en homozigosi i heterozigosi per l’efecte de la posició i pels canvis de grups de lligament.
Quan parlem d’un efecte o conseqüència, no només hem de pensar en la dosi, sinó també en la seva posició. Per exemple, en Drosophila, podem tenir dos parells cromosomes amb la mateixa dosi gènica però que els gens estiguin situats de forma diferent – canvia el fenotip per l’efecte de posició.
Casos especials de translocacions de braç complet són les fusions cèntriques, la dissociació i la fusió en tàndem. La fusió cèntrica implica la unió dels braços llargs dels cromosomes acrocèntrics per formar un cromosoma metacèntric. Aquesta fusió, anomenada també Robertsoniana, produeix una disminució del nombre de cromosomes sense afectar pràcticament a la quantitat de material genètic. El procés invers, pel qual un metacèntric de braços llargs pot donar lloc a dos cromosomes acrocèntrics, es denomina dissociació.
Per exemple, tenim un cromosoma metacèntric on es dóna una fusió centromèrica, de manera que obtenim dos cromosomes acrocèntrics. Aquesta espècie augmentarà el nombre de cromosomes (n), però no augmentarà la quantitat d’informació genètica.
Les fusions en tàndem es produeixen per un trencament en la proximitat del centròmer en un cromosoma, i un altre prop de l'extrem cromosòmic en el segon. Les fusions en tàndem també poden conduir a un descens del nombre de cromosomes estàndard.
26 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 D'altra banda, les fissions centromèriques poden comportar un augment del nombre de cromosomes sense que es vegi alterat el nombre fonamental, és a dir, el nombre de braços cromosòmics grans del complement.
Evolutivament, hi ha hagut espècies que han augmentat o disminuït el seu nombre de cromosomes (n) amb aquests mecanismes.
Segons Revell, totes les aberracions cromosòmiques estructurals són el resultat d'un intercanvi. Els intercanvis que fallen en el moment de reunir les cromàtides, donen lloc a delecions. Atès que les delecions també poden ser el resultat de ruptures, és difícil decantar-se per un dels dos models. El més raonable és considerar que les delecions poden ser degudes a l'acció d'ambdós mecanismes.
Els trencaments de cadena senzilla (ssb) no solen estar implicats en la producció d'aberracions cromosòmiques. Normalment són reparats als pocs minuts de la seva formació. Per contra, els trencaments que afecten ambdues cadenes (dsb) poden esdevenir aberracions cromosòmiques.
Perquè es pugui produir una aberració cromosòmica s'han d'originar dues lesions en el DNA, que es reparin més o menys al mateix temps, perquè pugui donar-se una reparació errònia.
En qualsevol cas, la producció d'aberracions implica necessàriament intercanvis de doble cadena.
REORDENACIONS CROMOSÒMIQUES Cada cromosoma és una sola molècula de DNA de doble cadena (abans de la replicació). El primer succés en la producció d’una reordenació cromosòmica és una ruptura de doble cadena en dos llocs diferents. Les ruptures de doble cadena són potencialment letals si no es reparen. Quan es reparen els talls de doble cadena es tornen a unir els extrems trencats.
Si els extrems es tornen a unir pels llocs que estaven units abans, es restaura la situació original. Si s’uneixen extrems provinents de punts de trencament diferents, es produeix una reordenació cromosòmica que fa que la situació canviï respecte l’original. Tot i això, les úniques reordenacions viables són aquelles que produeixen molècules de DNA amb un centròmer i dos telòmers.
Si es perden o es dupliquen fragments “massa grans”, se sol trencar l’equilibri gènic. Els fragments homòlegs repetits situats en un mateix cromosoma o en cromosomes diferents poden participar en entrecreuaments il·legítims.
Les reordenacions cromosòmiques poden classificar-se en dues classes: equilibrades i no equilibrades. En les equilibrades canvia l’ordre gènic, però ni s’elimina ni es duplica cap fragments de DNA.
27 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 INTERCANVIS ENTRE CROMÀTIDES GERMANES – SCE Els SCE poden ser identificats com intercanvis recíprocs de segments clars i foscos de cromosomes tenyits diferencials amb Giemsa, produïts per dues rondes de replicació amb 5brom desoxiuridina (BrdU). L'anàlisi de SCE ha estat àmpliament utilitzat com un indicador de la mutagenicitat dels agents químics, tot i que encara no es coneix exactament quin és el mecanisme subjacent a la formació de SCE.
Si tenim dues cromàtides i entre elles no es dóna cap intercanvi una serà clara i l’altra fosca.
Ara, si hi ha un intercanvi, part d’una cromàtide serà d’un color i part de l’altre color. Això, a nivell d’informació genètica, no té conseqüències, ja que s’intercanvia la informació però segueix estant allà. Però pot haver un efecte negatiu, ja que si hi ha un alt nombre d’intercanvis, és un indici que s’estan produint un alt nombre de canvis al llarg del genoma, i que per tant aquest genoma és inestable. Per tant, parlem d’un indicador de trencaments espontanis o induïts.
Parlem d’efecte clastogènic quan el DNA/cromosomes es trenquen. Un element altament clastogènic serien les radiacions ionitzants. Hi ha substàncies químiques que també són clastogèniques, i que per tant els seus efectes sobre el DNA són semblants a les radiacions ionitzants. Aquestes s’anomenen substàncies radiomimètiques (mimetitzar, copiar l’efecte de la radiació).
28 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 Sembla raonable argumentar que els SCE es deuen a errors replicatius, en part perquè la replicació és necessària, directament o indirectament, per a la formació de SCE, i perquè la presència de bases alterades halogenades en el DNA també origina SCE. És interessant assenyalar que els SCE són produïts per una replicació errònia d'un motlle alterat (que contenen, per exemple, CldU o BrdU en lloc de timidina), més que per errors causats per la incorporació d'una base alterada.
Parlar a nivell individual dins el context d’intercanvis, aberracions, micronuclis o càncer no té sentit – sempre hem de fer referència a nivell poblacional.
Hi ha 4 teories per explicar com es produeixen els SCE. Sigui quina sigui la hipòtesi sempre trobem que els SCE es produeixen durant la replicació i a nivell molecular es produeixen a la forqueta de replicació, o almenys molt a la vora. Es donen a la fase S del cicle cel·lular. Si un agent potencialment genotòxic és un agent S independent, serà un inductor molt pobre en intercanvis (la seva acció no depèn de la fase de síntesi). En canvi els agents S dependents són molt bons inductors de SCE.
Dels diferents models proposats per explicar com es produeixen els SCE, el descrit per Painter (1980) sembla ser el més convincent. Segons aquest model, un motlle de DNA alterat pot produir un bloqueig de la replicació i, en les regions bloquejades, es pot donar la recombinació entre cromàtides germanes.
Quan diem que el DNA està alterat no ens referim a un canvi de bases, sinó a la unió d’adductes a algunes bases. Un adducte és un radical estrany de mida variable que s’uneix a causa de l’acció d’un agent a una base. Quan en un DNA tenim adductes voluminosos es bloqueja la replicació i aquest bloqueig facilita que s’intercanviïn cromàtides germanes. Quant més petits són els adductes menys possibilitats hi ha de trobar SCE.
També podem tenir adductes en les proteïnes a més d’en el DNA, concretament en l’hemoglobina i en l’albúmina. Si detectem adductes en proteïnes podem estar segurs que aquella substància a arribat al DNA (dosimetria a nivell molecular indirecta).
A més, Painter també va proposar que si es produeixen retards en la síntesi de DNA d'algun grup (clúster) de replicació, llavors un grup replicatiu arribarà al punt d'intersecció abans que el grup adjacent. Aquests punts d'unió entre clústers replicats i no replicats serien més susceptibles a les ruptures per part de les topoisomerases per relaxar la tensió de la molècula de DNA sotmesa a un superenrotllament.
És a dir, a l’hora de la replicació tenim diversos grups/clústers. Si tot funciona com cal, la replicació avança a la mateixa velocitat. Però si pel motiu que sigui hi ha un grup o clúster que va més avançat, això pot crear tensions en el DNA i les topoisomerases tallaran per trencar aquestes tensions. Quan es talla, poden haver reordenacions de les cromàtides.
El fet que en una mostra hi hagi molts SCE és el reflex d’una inestabilitat cromosòmica important en l’individu, que pot acabar provocant alguna patologia. Per això, els SCE s’han fet servir d’indicadors per fer prediccions de risc de càncer.
29 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 De la mateixa manera, hi ha altres treballs que utilitzen com a indicadors de carcinogènesi els intercanvis, les aberracions cromosòmiques... Més recentment, hi ha treballs que relacionen la presència de micronuclis amb carcinogènesi. Òbviament, això no s’ha observat en només una persona, sinó que s’han estudiat poblacions molt grans, i s’ha vist com aquests casos es repetien molts cops.
Sigui quina sigui la hipòtesi i el que indiquin, els SCE sempre es produeixen durant la replicació, i més específicament, a nivell molecular es produeixen just o molt a la vora de la forquilla de replicació. És a dir, es produeixen durant la fase S (és la fase del cicle cel·lular corresponent a la síntesi del DNA).
Si un agent mutagènic és S-independent, vol dir que aquest agent té una acció sobre el DNA que no depèn de la fase de síntesi. Si un agent és S-dependent, només pot actuar en la fase S, ja que si el DNA no està replicant no el pot afectar.
Normalment, els agents S-independents són inductors pobres o molt pobres d’intercanvis. En canvi, els agents S-dependents incrementen moltíssim la freqüència d’intercanvis entre cromàtides germanes.
En suport d'aquesta hipòtesi, un estudi de Lugo et al. (1989) va demostrar que tant els SCE espontanis com els induïts per ciclofosfamida (substància antitumoral) generalment ocorren entre replicó. De tota manera, i malgrat que el model de Painter sembla apropiat no només per explicar la formació dels SCE, sinó també per explicar les aberracions cromatídics induïdes pels mutàgens químics, encara es necessiten més estudis a nivell molecular per poder determinar definitivament quin és el mecanisme realment responsable de la producció de SCE.
ALTERACIONS CROMOSÒMIQUES NUMÈRIQUES La segregació incorrecta dels cromosomes durant l'anafase mitòtica o meiòtica pot conduir a la formació de cèl·lules filles hiperploides o hipoploides, és a dir, amb cromosomes de més o de menys, en relació a la dotació normal. La segregació correcta dels cromosomes (o de les cromàtides) requereix de la interacció d'una sèrie d'estructures i processos que no anem a detallar. Ara bé, convé recordar que en els darrers anys s'ha avançat molt en la comprensió de les complexitats del control del cicle cel·lular, en particular de les divisions mitòtiques i meiòtiques.
Alguns canvis estructurals impliquen alteracions numèriques. Hi ha alteracions que poden no permetre que la divisió mitòtica o meiòtica tingui un bon repartiment dels cromosomes a les cèl·lules filles, a causa de que es produeixen males disjuncions o no-disjuncions. Per exemple, les fusions i les fissions (perdem n). Tot i això, no implica pèrdua de material genètic.
Se sap que hi ha una sèrie de gens que estan implicats en la regulació que una cèl·lula entri en divisió i que la mateixa progressi de manera ordenada. Així mateix, també se sap que el mecanisme de control és molt semblant en espècies tan allunyades com els llevats i l'home. A més de la implicació d'aquest complex procés de control, la segregació cromosòmica normal depèn de les funcions del fus, del cinetocor i, possiblement, de la matriu cromosòmica.
30 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 S'ha observat que un nivell elevat de topoisomerasa II està associat amb la matriu i que això és essencial perquè tingui lloc una segregació normal.
Així, la decisió d'alguns cromosomes en associar-se amb el fus, l'absència de cinetocor o d'un cinetocor funcional, la formació d'una topoisomerasa II mutant, o una fallada en la separació centromèrica poden conduir a la no disjunció cromosòmica.
Aquestes són algunes de les vies que poden donar lloc a l’aneuploïdia i és molt interessant poder comprendre com els agents físics i químics interfereixen en la divisió cel·lular i quines són les conseqüències d'aquestes pertorbacions. Fins al moment present ja s'han identificat alguns compostos químics que indueixen clarament aneuploïdia. En general, es tracta de compostos que interfereixen amb la formació normal del fus mitòtic (meiòtic), com ara, per exemple, la colquicina, la vinblastina i el nocodazol. Cal assenyalar que els agents clastogènics també poden induir aneuploïdia funcional com a resultat de reordenacions i subsegüents segregacions cromosòmiques.
ABERRACIONS EN ELS EMBARASSOS Aquest esquema correspon a persones. De cada milió d’embarassos, hi ha una taxa d’avortaments espontanis determinada – uns 150.000 avortaments espontanis. D’aquests, uns en uns 75.000 detectem anomalies cromosòmiques. D’aquestes, 39.000 són disomies, de les quals tenim una certa quantitat de síndromes de Down, una quantitat de Turners, triploides, tetraploides i altres. Si bé la Síndrome de Down o Turner és compatible amb la vida, molts no arriben a néixer. Dels què neixen, tenim una certa quantitat de morts perinatals. Dels que neixen i sobreviuen, uns 5.000 pateixen alteracions cromosòmiques. D’aquestes, prop de 2.000 afecten a cromosomes sexuals (més en homes que en dones), i prop de 1.000 afecten els autosomes (trisomies).
31 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 ALTRES FIGURES I ESQUEMES 32 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 Els agents radiomimètics o clastogènics trenquen el DNA. Si l’alteració es produeix en un cromosoma en particular, pot haver una deleció, pot haver una inversió, es poden produir cromosomes en anell. Aquests tenen centròmer, però no són estables. Per tant quan es linealitzi de nou, poden passar diverses coses.
Les translocacions poden ser equilibrades (recíproques) o no. Les recíproques són les més negatives. Les no recíproques a curt termini es perden.
Els cromosomes dicèntrics tampoc són estables, excepte si els dos centròmers estan molt a prop l’un de l’altre, ja que llavors un d’ells es pot inactivar. Si no, cap centròmer és més important que l’altre, i resulten en cromosomes inestables que a curt termini es perden o es trenquen.
Una fissió pot trencar un cromosoma. A vegades, però, es poden obtenir dos cromosomes metacèntrics, un amb els braços llargs i l’altre amb els braços curts. Normalment el cromosoma dels braços curts es trenca, i genera fragments que es perden.
El cromosoma metacèntric amb els dos braços iguals se l’anomena isocromosoma.
33 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 Els gaps són forats o discontinuïtat. A vegades són lesions acromàtiques d’una cromàtide (si s’observen les cromàtides amb diverses tincions, els llocs amb un gap no es veuran, mentre que la resta del cromosoma si que es veurà d’algun color). La mida d’aquestes lesions pot ser igual o inferior a l’amplada de la cromàtide.
34 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 35 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 Quan es forma un SCE sempre es forma a la mateixa altura en les dues cromàtides. Si al microscopi observem un canvi de color a diferents altures, podrem estar segurs que es tracta d’un artefacte. Usem la bromodesoxiuridina per tal de visualitzar les SCE.
- 36 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 37 MUTAGÈNESI PARCIAL 1 NOTA: Sense hàmsters el tema era soso i avorrit (més).
38 ...