13.2 Litningagrunnur arfgengra sjúkdóma

Markmið náms

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Lýst hvernig litningakort er búið til
• Útskýrt hvernig aðskilnaðarleysi leiðir til frávika í litningafjölda
• Borið saman sjúkdóma sem mislitnun veldur
• Lýst hvernig gallar í byggingu litninga verða til vegna umhverfa og yfirfærslna

Arfgengir sjúkdómar geta komið fram þegar litningar hegða sér óeðlilega við meiósu. Litningasjúkdómum má skipta í tvo flokka: frávik í litningafjölda og byggingarlegar endurraðanir litninga. Þar sem jafnvel litlir litningabútar geta náð yfir mörg gen eru litningasjúkdómar jafnan alvarlegir og oft banvænir.

Greining litninga

Einangrun litninga og smásjárskoðun eru grunnurinn að frumuerfðafræði og ein helsta aðferðin sem læknar nota til að greina litningafrávik hjá mönnum. Litningagerð er fjöldi og útlit litninga, þar á meðal lengd þeirra, rákamynstur og staðsetning þráðhafts. Til að fá mynd af litningagerð einstaklings taka frumufræðingar myndir af litningunum og raða síðan hverjum litningi á litningakort. Slíkt kort er einnig kallað ídeógram (Mynd 13.5).

Í tiltekinni tegund má greina litninga eftir fjölda þeirra, stærð, staðsetningu þráðhafts og rákamynstri. Í litningagerð manna er A-litningum eða líkamslitningum, það er öllum litningum nema kynlitningum, almennt raðað eftir áætlaðri stærð frá þeim stærsta (litningi 1) til þess minnsta (litnings 22). X- og Y-litningarnir eru ekki A-litningar. Litningur 21 er þó í raun styttri en litningur 22. Vísindamenn uppgötvuðu þetta eftir að Downs-heilkenni hafði verið nefnt þrístæða 21, þar sem sjúkdómurinn stafar af einu aukaeintaki af litningi 21, samtals þremur eintökum. Þar sem þeir vildu ekki breyta heiti þessa mikilvæga sjúkdóms héldu vísindamenn númeri litnings 21, þótt hann væri síðar talinn minni. Litningaarmana sem ganga út frá hvorum enda þráðhaftsins má nefna stuttan arm og langan arm eftir hlutfallslegri lengd þeirra. Stutti armurinn er táknaður með p (fyrir petite) og langi armurinn með q, þar sem q kemur á eftir p í stafrófinu. Tölustafir skipta hvorum armi síðan nánar niður. Með þessu nafnakerfi má lýsa staðsetningum á litningum á samræmdan hátt í vísindaritum.

Tengsl við starfsvettvang

Erfðafræðingar nota litningakort til að greina litningagalla

Þótt Mendel sé oft kallaður faðir nútímaerfðafræði framkvæmdi hann tilraunir sínar án þeirra verkfæra sem erfðafræðingar nútímans nota dags daglega. Ein slík öflug frumufræðileg aðferð er greining litningagerðar, þar sem erfðafræðingar geta greint einkenni sem tengjast litningafrávikum út frá einni frumu. Til að skoða litningagerð einstaklings safnar erfðafræðingur fyrst frumum viðkomandi, til dæmis hvítum blóðkornum, úr blóðsýni eða öðrum vef. Á rannsóknarstofunni örvar erfðafræðingurinn einangruðu frumurnar til að skipta sér. Síðan er efnið kolkisín sett á frumurnar til að stöðva þétta litninga í miðfasa. Því næst eru frumurnar látnar þenjast út með undirþrýstinni lausn svo litningarnir dreifist í sundur. Að lokum er sýnið varðveitt í festiefni og sett á smásjárgler.

Erfðafræðingurinn litar síðan litningana með einu af nokkrum litarefnum til að sjá betur greinileg og endurtakanleg rákamynstur hvers litningapars. Eftir litun eru litningarnir skoðaðir í bjartsviðssmásjá. Algeng litun er Giemsa-litun. Giemsa-litun sýnir um það bil 400-800 rákir, úr þéttvöfðu DNA og þéttum próteinum, sem raðast eftir öllum 23 litningapörunum. Reyndur erfðafræðingur getur greint hverja rák. Auk rákamynstranna greina erfðafræðingar litninga eftir stærð og staðsetningu þráðhafts. Til að fá hina klassísku mynd af litningagerðinni, þar sem samstæð litningapör raðast í númeraröð frá lengsta til stysta, tekur erfðafræðingurinn stafræna mynd, greinir hvern litning og raðar litningunum handvirkt í þetta mynstur (Mynd 13.5).

Í sinni einföldustu mynd getur litningakortið sýnt erfðafrávik þar sem einstaklingur hefur of marga eða of fáa litninga í hverri frumu. Dæmi eru Downs-heilkenni, sem greinist af þriðja eintaki litnings 21, og Turner-heilkenni, sem einkennist af aðeins einum X-litningi hjá konum í stað tveggja. Erfðafræðingar geta einnig greint stórar úrfellingar eða innskot í DNA. Til dæmis má greina Jacobsen-heilkenni, sem felur í sér sérkennileg andlitseinkenni ásamt hjarta- og blæðingargöllum, með úrfellingu á litningi 11. Að lokum getur litningagerð sýnt yfirfærslur, sem verða þegar hluti erfðaefnis brotnar af einum litningi og festist við annan litning eða annan stað á sama litningi. Yfirfærslur tengjast ákveðnum krabbameinum, þar á meðal langvinnu mergfrumuhvítblæði.

Á líftíma Mendels voru erfðir óhlutbundið hugtak sem aðeins var hægt að álykta um með víxlunum og athugun á einkennum afkvæma. Með því að skoða litningakort geta erfðafræðingar nútímans séð litningasamsetningu einstaklings og þannig staðfest eða spáð fyrir um erfðafrávik hjá afkvæmum, jafnvel fyrir fæðingu.

Sjúkdómar tengdir litningafjölda

Af öllum litningasjúkdómum eru frávik í litningafjölda augljósust á litningakorti. Sjúkdómar tengdir litningafjölda fela í sér tvöföldun eða tap á heilum litningum, sem og breytingar á fjölda heilla litningasetta. Þeir orsakast af aðskilnaðarleysi, sem á sér stað þegar samstæð litningapör eða systurlitningsþræðir aðskiljast ekki við meiósu. Röng eða ófullkomin litningapörun, eða truflun á spólukerfinu sem flytur litninga, getur valdið aðskilnaðarleysi. Hættan á aðskilnaðarleysi eykst með aldri foreldra.

Aðskilnaðarleysi getur átt sér stað annaðhvort í meiósu I eða meiósu II, með mismunandi afleiðingum (Mynd 13.6). Ef samstæðir litningar aðskiljast ekki í meiósu I verða til tvær kynfrumur sem vantar þann tiltekna litning og tvær kynfrumur með tvö eintök af honum. Ef systurlitningsþræðir aðskiljast ekki í meiósu II verður til ein kynfruma sem vantar litninginn, tvær eðlilegar kynfrumur með eitt eintak af litningnum og ein kynfruma með tvö eintök af litningnum.

Sjónræn tenging

Hver eftirfarandi fullyrðinga um aðskilnaðarleysi er sönn?

1. Aðskilnaðarleysi leiðir eingöngu til kynfrumna með n + 1 eða n - 1 litninga.
2. Aðskilnaðarleysi í meiósu II leiðir til þess að 50 prósent kynfrumna eru eðlilegar.
3. Aðskilnaðarleysi í meiósu I leiðir til þess að 50 prósent kynfrumna eru eðlilegar.
4. Aðskilnaðarleysi leiðir alltaf til fjögurra mismunandi tegunda kynfrumna.

Mislitnun

Vísindamenn kalla einstakling með réttan fjölda litninga fyrir sína tegund jafnlitna. Hjá mönnum samsvarar jafnlitnun 22 pörum af A-litningum og einu pari kynlitninga. Einstaklingur með villu í litningafjölda er mislitna; hugtakið nær yfir einstæðu, þar sem einn litning vantar, og þrístæðu, þar sem aukalitningur er til staðar. Einstæðar okfrumur manna sem vantar annað eintak af einhverjum A-litningi ná undantekningarlaust ekki að þroskast til fæðingar vegna þess að þær vantar lífsnauðsynleg gen. Þetta undirstrikar mikilvægi genaskammts hjá mönnum. Flestar þrístæður á A-litningum ná heldur ekki að þroskast til fæðingar; tvöföldun á sumum minni litningum, til dæmis 13, 15, 18, 21 eða 22, getur þó leitt til afkvæma sem lifa í nokkrar vikur til margra ára. Þrístæðir einstaklingar búa við annars konar erfðaójafnvægi: of mikinn genaskammt. Einstaklingar með aukalitning geta myndað of mikið af þeim genaafurðum sem litningurinn kóðar fyrir. Þessi aukaskammtur, 150 prósent, af tilteknum genum getur leitt til fjölda starfrænna vandamála og kemur oft í veg fyrir þroska. Algengasta þrístæðan meðal lifandi fæddra barna er þrístæða 21, sem samsvarar Downs-heilkenni. Lágur vöxtur, stuttir fingur, andlitseinkenni á borð við breiða höfuðkúpu og stóra tungu, og verulegar þroskahamlanir einkenna einstaklinga með þennan arfgenga sjúkdóm. Tíðni Downs-heilkennis tengist aldri móður. Með hækkandi aldri móður aukast líkur á fóstri með þrístæðu 21 (Mynd 13.7).

Skoðaðu í þessari myndbandshermun hvernig aukalitningur leiðir til Downs-heilkennis.

Fjöllitnun

Einstaklingur með fleiri en réttan fjölda litningasetta, tvö hjá tvílitna tegundum, kallast fjöllitna. Til dæmis myndi frjóvgun óeðlilegrar tvílitna eggfrumu með eðlilegri einlitna sáðfrumu mynda þrílitna okfrumu. Fjöllitna dýr eru afar sjaldgæf; aðeins fá dæmi finnast meðal flatorma, krabbadýra, froskdýra, fiska og eðla. Fjöllitna dýr eru ófrjó vegna þess að meiósa getur ekki gengið eðlilega fyrir sig og myndar í staðinn aðallega mislitna dótturfrumur sem geta ekki orðið að lífvænlegum okfrumum. Í sjaldgæfum tilvikum geta fjöllitna dýr fjölgað sér kynlaust með einlitna-tvílitnun, þar sem ófrjóvgað egg skiptir sér með mítósu og myndar afkvæmi. Aftur á móti er fjöllitnun mjög algeng í plönturíkinu og fjöllitna plöntur hafa tilhneigingu til að vera stærri og þróttmeiri en jafnlitna plöntur sömu tegundar (Mynd 13.8).

Sjúkdómar tengdir kynlitningum hjá mönnum

Hjá mönnum hafa þrístæður og einstæður á A-litningum alvarleg skaðleg áhrif. Því kann að virðast þversagnakennt að konur og karlar geti starfað eðlilega þrátt fyrir að bera mismunandi fjölda X-litninga. Breytingar á fjölda kynlitninga hafa tiltölulega væg áhrif, ólíkt viðbót eða tapi á A-litningum. Að hluta til stafar þetta af sameindaferli sem kallast óvirkjun X-litnings. Snemma í þroska, þegar fósturvísar kvenkyns spendýra samanstanda af aðeins nokkur þúsund frumum, samanborið við billjónir frumna í nýbura, óvirkjast einn X-litningur í hverri frumu með því að þéttast í óvirka, þétta byggingu sem kallast Barr-korn. Það er tilviljun háð hvort X-litningur frá móður eða föður óvirkjast í hverri frumu, en þegar það hefur gerst hafa allar frumur sem verða til af þeirri frumu sama óvirka X-litninginn eða Barr-kornið. Með þessu ferli bæta konur upp tvöfaldan erfðaskammt sinn af X-litningi. Í svokölluðum skjaldbökuköttum má sjá óvirkjun X-litnings á fósturstigi sem litafjölbreytni í feldi (Mynd 13.9). Kvenkyns kettir sem eru arfblendnir um gen á X-litningi sem stýrir feldlit tjá annan af tveimur mismunandi feldlitum á mismunandi svæðum líkamans, eftir því hvor X-litningurinn óvirkjaðist í forverafrumu svæðisins á fósturstigi.

Einstaklingur sem ber óeðlilegan fjölda X-litninga óvirkjar alla nema einn X-litning í hverri frumu. Hins vegar halda jafnvel óvirkjaðir X-litningar áfram að tjá nokkur gen, og X-litningar verða að endurvirkjast fyrir eðlilegan þroska eggjastokka. Þar af leiðandi fylgja frávikum á X-litningum yfirleitt vægar vitsmunalegar og líkamlegar raskanir eða fötlun, ásamt ófrjósemi. Ef X-litning vantar alveg þroskast einstaklingurinn ekki í móðurkviði.

Vísindamenn hafa greint og lýst nokkrum villum í fjölda kynlitninga. Einstaklingar með þrjá X-litninga, þrí-X, eru svipfarslega kvenkyns en sýna þroskaseinkun og minnkaða frjósemi. XXY-arfgerðin, sem samsvarar einni gerð Klinefelter-heilkennis, birtist sem svipfarslega karlkyns einstaklingur með lítil eistu, stækkuð brjóst og minnkaðan líkamshárvöxt. Til eru flóknari gerðir Klinefelter-heilkennis þar sem einstaklingurinn hefur allt að fimm X-litninga. Í öllum gerðum gangast allir X-litningar nema einn undir óvirkjun til að bæta upp umfram genaskammt. Þetta sést sem nokkur Barr-korn í hverjum frumukjarna. Turner-heilkenni, sem einkennist af X0-arfgerð, það er aðeins einum kynlitningi, birtist sem svipfarslega kvenkyns einstaklingur með lágvöxt, húðfellingar á hálsi, heyrnar- og hjartagalla og ófrjósemi.

Tvöfaldanir og úrfellingar

Auk þess að heilum litningi sé tapað eða bætt við getur litningabútur tvöfaldast eða tapast. Tvöfaldanir og úrfellingar leiða oft af sér afkvæmi sem lifa af en sýna frávik. Tvöfaldaðir litningabútar geta runnið saman við núverandi litninga eða verið lausir í kjarnanum. Cri-du-chat, úr frönsku fyrir kattargrátur, er heilkenni með frávikum í taugakerfi og auðkennanlegum líkamlegum einkennum sem stafa af úrfellingu á mestöllum 5p, stutta armi litnings 5 (Mynd 13.10). Ungbörn með þessa arfgerð gefa frá sér einkennandi hvellan grát sem nafn röskunarinnar er dregið af.

Byggingarlegar endurraðanir litninga

Frumufræðingar hafa lýst fjölmörgum byggingarlegum endurröðunum í litningum, en litningaumhverfur og yfirfærslur eru algengastar. Hvoru tveggja má greina við meiósu þegar endurraðaðir litningar parast aðlagað við fyrri samstæður sínar til að viðhalda réttri genaröð. Ef genin á tveimur samstæðum litningum snúa ekki rétt getur litningavíxl leitt til taps á genum frá einum litningi og viðbótar gena á hinn. Þetta myndar mislitna kynfrumur.

Litningaumhverfur

Litningaumhverfa er losun, 180° snúningur og endurinnsetning hluta af litningi. Umhverfur geta átt sér stað í náttúrunni vegna vélræns álags eða vegna virkni stökkla, sérstakra DNA-raða sem geta auðveldað endurröðun litningabúta með hjálp ensíma sem klippa og líma DNA-raðir. Nema þær raski genaröð breyta umhverfur aðeins stefnu gena og eru líklegri til að hafa vægari áhrif en mislitnunarvillur. Breytt genastefna getur þó leitt til starfrænna breytinga því stjórnþættir genatjáningar geta færst úr stað miðað við markgen sín og valdið óeðlilegu magni genaafurða.

Umhverfa getur verið um þráðhaft og innihaldið þráðhaftið, eða utan þráðhafts og átt sér stað utan þráðhaftsins (Mynd 13.11). Umhverfa um þráðhaft sem er ósamhverf miðað við þráðhaftið getur breytt hlutfallslegri lengd litningaarmanna og þannig gert slíkar umhverfur auðþekkjanlegar.

Þegar annar samstæði litningurinn gengst undir umhverfu en hinn ekki er einstaklingurinn umhverfuarfblendinn. Til að viðhalda samsvarandi pörun við meiósu verður annar samstæði litningurinn að mynda lykkju og hinn samstæði litningurinn að móta sig í kringum hana. Þótt þessi staðfræði geti tryggt að genin raðist rétt saman neyðir hún einnig samstæðu litningana til að teygjast og getur valdið ónákvæmri litningapörun á sumum svæðum (Mynd 13.12).

Þróunartengsl

Umhverfa á litningi 18

Ekki allar byggingarlegar endurraðanir litninga leiða til ólífvænlegra, skertra eða ófrjórra einstaklinga. Í sjaldgæfum tilvikum getur slík breyting leitt til þróunar nýrra tegunda. Umhverfa um þráðhaft á litningi 18 virðist til dæmis hafa stuðlað að þróun mannsins. Þessi umhverfa er ekki til staðar hjá nánustu erfðafræðilegu ættingjum okkar, simpönsum. Menn og simpansar eru frumuerfðafræðilega ólíkir vegna umhverfa um þráðhaft á nokkrum litningum og vegna samruna tveggja aðskilinna litninga hjá simpönsum sem samsvara litningi 2 hjá mönnum.

Vísindamenn telja að umhverfan um þráðhaft á litningi 18 hafi átt sér stað hjá frummönnum eftir að þeir skildu sig frá sameiginlegum forföður manna og simpansa fyrir um fimm milljónum ára. Rannsakendur sem hafa lýst þessari umhverfu hafa bent á að um það bil 19.000 núkleótíðabasapör hafi tvöfaldast á 18p og að tvöfaldaða svæðið hafi snúist við og endurinnsetst á litning 18 hjá forföður manna.

Samanburður á genum manna og simpansa á svæði þessarar umhverfu bendir til þess að tvö gen, ROCK1 og USP14, sem liggja hlið við hlið á litningi 17 hjá simpönsum, sem samsvarar litningi 18 hjá mönnum, séu staðsett fjær hvort öðru á litningi 18 hjá mönnum. Þetta bendir til þess að annar brotstaður umhverfunnar hafi legið milli þessara tveggja gena. Athyglisvert er að menn og simpansar tjá USP14 í mismiklu magni í tilteknum frumugerðum, þar á meðal í barkarfrumum og trefjakímfrumum. Hugsanlega færði umhverfan á litningi 18 hjá forföður manna til tiltekin gen og endurstillti tjáningarstig þeirra á gagnlegan hátt. Þar sem bæði ROCK1 og USP14 kóða fyrir frumuensím gæti breyting á tjáningu þeirra breytt starfsemi frumna. Við vitum ekki hvernig þessi umhverfa stuðlaði að þróun mannættar, en hún virðist vera mikilvægur þáttur í aðskilnaði manna frá öðrum prímötum.

Yfirfærslur

Yfirfærsla á sér stað þegar litningabútur losnar og festist við annan, ósamstæðan litning. Yfirfærslur geta verið skaðlausar eða haft alvarlegar afleiðingar eftir því hvernig staðsetning gena breytist miðað við stjórnraðir. Athyglisvert er að tilteknar yfirfærslur hafa komið fram í tengslum við ýmis krabbamein og geðklofa. Gagnkvæmar yfirfærslur verða til við skipti á litningabútum milli tveggja ósamstæðra litninga þannig að hvorki tap né viðbót verður á erfðaupplýsingum (Mynd 13.13).