Мозаицизм или генетический мозаицизм — это состояние, при котором многоклеточный организм обладает более чем одной генетической линией в результате генетической мутации . [1] [2] Это означает, что различные генетические линии произошли от одной оплодотворенной яйцеклетки . Мозаицизм — одна из нескольких возможных причин химеризма , при котором один организм состоит из клеток с более чем одним различным генотипом .
Генетический мозаицизм может быть результатом многих различных механизмов, включая нерасхождение хромосом , задержку анафазы и эндорепликацию . [3] Задержка анафазы является наиболее распространенным способом возникновения мозаицизма в предимплантационном эмбрионе. [3] Мозаицизм также может быть результатом мутации в одной клетке во время развития , в этом случае мутация будет передана только ее дочерним клеткам (и будет присутствовать только в определенных взрослых клетках). [4] Соматический мозаицизм, как правило, не наследуется, поскольку он, как правило, не влияет на зародышевые клетки. [2]
В 1929 году Альфред Стертевант изучал мозаицизм у дрозофилы , рода плодовых мушек. [5] HJ Muller в 1930 году продемонстрировал, что мозаицизм у дрозофилы всегда связан с хромосомными перестройками , а Schultz в 1936 году показал, что во всех изученных случаях эти перестройки были связаны с гетерохроматическими инертными областями. Было предложено несколько гипотез о природе такого мозаицизма. Одна из гипотез предполагала, что мозаицизм возникает в результате разрыва и потери сегментов хромосом. Curt Stern в 1935 году предположил, что структурные изменения в хромосомах произошли в результате соматического скрещивания , в результате которого в соматических клетках возникают мутации или небольшие хромосомные перестройки. Таким образом, инертная область вызывает увеличение частоты мутаций или небольшие хромосомные перестройки в активных сегментах, прилегающих к инертным областям. [6]
В 1930-х годах Стерн продемонстрировал, что генетическая рекомбинация , нормальная для мейоза , может также происходить в митозе . [7] [8] Когда это происходит, это приводит к соматическим (телесным) мозаикам. Эти организмы содержат два или более генетически различных типов тканей. [9] Термин соматический мозаицизм был использован CW Cotterman в 1956 году в его основополагающей статье об антигенной изменчивости . [10]
В 1944 году М. Л. Бельговский предположил, что мозаицизм не может объяснить некоторые мозаичные проявления, вызванные хромосомными перестройками, включающими гетерохроматиновые инертные области. Связанное с этим ослабление биохимической активности привело к тому, что он назвал генетической химерой . [6]
Зародышевый или гонадный мозаицизм — это особая форма мозаицизма, при которой некоторые гаметы (то есть сперматозоиды или ооциты) несут мутацию, а остальные являются нормальными. [11] [12] Причиной обычно является мутация, произошедшая в ранней стволовой клетке, которая дала начало всем или части гамет.
Соматический мозаицизм (также известный как клональный мозаицизм) возникает, когда соматические клетки организма имеют более одного генотипа. При более распространенных мозаиках разные генотипы возникают из одной оплодотворенной яйцеклетки из-за митотических ошибок при первом или последующих делениях.
Соматическая мутация, приводящая к мозаицизму, распространена на начальных и конечных стадиях жизни человека. [10] Соматическая мозаика распространена в эмбриогенезе из-за ретротранспозиции длинных вкрапленных ядерных элементов-1 (LINE-1 или L1) и Alu -транспозируемых элементов . [10] На раннем этапе развития ДНК из недифференцированных типов клеток может быть более восприимчива к вторжению мобильных элементов из-за длинных неметилированных областей в геноме. [10] Кроме того, накопление ошибок копирования ДНК и повреждений в течение жизни приводит к большему количеству случаев мозаичных тканей у стареющих людей. Поскольку продолжительность жизни резко возросла за последнее столетие, человеческий геном, возможно, не успел адаптироваться к кумулятивным эффектам мутагенеза . [10] Таким образом, исследования рака показали, что соматические мутации все чаще присутствуют на протяжении всей жизни и ответственны за большинство лейкемии , лимфом и солидных опухолей. [13]
Наиболее распространенная форма мозаицизма, обнаруженная при пренатальной диагностике, включает трисомии . Хотя большинство форм трисомии обусловлены проблемами мейоза и затрагивают все клетки организма, в некоторых случаях трисомия происходит только в некоторых клетках. Это может быть вызвано событием нерасхождения в раннем митозе, что приводит к потере хромосомы из некоторых трисомных клеток. [14] Как правило, это приводит к более мягкому фенотипу , чем у немозаичных пациентов с тем же расстройством.
В редких случаях интерсексуальные состояния могут быть вызваны мозаицизмом, когда некоторые клетки в организме имеют XX , а другие XY хромосомы ( 46, XX/XY ). [15] [16] У плодовой мушки Drosophila melanogaster , где муха, обладающая двумя X-хромосомами, является самкой, а муха, обладающая одной X-хромосомой, является стерильным самцом, потеря X-хромосомы на ранней стадии эмбрионального развития может привести к половой мозаике или гинандроморфизму . [5] [17] Аналогичным образом, потеря Y-хромосомы может привести к появлению мозаичных самцов XY/X. [18]
Примером этого является одна из более легких форм синдрома Клайнфельтера , называемая мозаикой 46,XY/47,XXY, при которой некоторые клетки пациента содержат хромосомы XY, а некоторые — хромосомы XXY. Аннотация 46/47 указывает на то, что клетки XY имеют нормальное количество хромосом — 46, а клетки XXY имеют в общей сложности 47 хромосом.
Также моносомии могут проявляться некоторой формой мозаицизма. Единственная нелетальная полная моносомия, встречающаяся у людей, — это та, которая вызывает синдром Тернера . Около 30% случаев синдрома Тернера демонстрируют мозаицизм, тогда как полная моносомия (45, X) встречается примерно в 50–60% случаев.
Однако мозаицизм не обязательно должен быть вредным. Ревертантный соматический мозаицизм — это редкое событие рекомбинации со спонтанной коррекцией мутантного патогенного аллеля. [19] При ревертантном мозаицизме здоровая ткань, образованная митотической рекомбинацией, может вытеснять исходные окружающие мутантные клетки в таких тканях, как кровь и эпителий , которые часто регенерируют. [19] При кожном заболевании ихтиоз с конфетти нормальные пятна на коже появляются в раннем возрасте и со временем увеличиваются в количестве и размере. [19]
Другие эндогенные факторы также могут приводить к мозаицизму, включая мобильные элементы , проскальзывание ДНК-полимеразы и несбалансированную сегрегацию хромосом . [10] Экзогенные факторы включают никотин и УФ-излучение . [10] Соматические мозаики были созданы у Drosophila с использованием рентгеновского лечения, а использование облучения для индукции соматической мутации стало полезным методом в изучении генетики. [20]
Истинный мозаицизм не следует путать с явлением X-инактивации , когда все клетки организма имеют один и тот же генотип, но в разных клетках экспрессируется разная копия X-хромосомы. Последнее имеет место у нормальных (XX) самок млекопитающих, хотя это не всегда видно по фенотипу (как у трехцветных кошек ). Однако все многоклеточные организмы, вероятно, в некоторой степени являются соматическими мозаиками. [21]
Гоносомный мозаицизм — это тип соматического мозаицизма, который возникает на очень ранних стадиях развития организма и, таким образом, присутствует как в зародышевых, так и в соматических клетках. [1] [22] Соматический мозаицизм, как правило, не наследуется, поскольку он обычно не влияет на зародышевые клетки. В случае гоносомного мозаицизма организмы имеют потенциальную возможность передавать генетическое изменение, в том числе потенциальному потомству, поскольку измененный аллель присутствует как в соматических, так и в зародышевых клетках. [22]
Частым типом нейронного геномного мозаицизма является вариация числа копий . Возможными источниками такой вариации были предложены неправильные исправления повреждений ДНК и соматическая рекомбинация . [23]
Одним из основных механизмов, который может производить мозаичную ткань, является митотическая рекомбинация или соматический кроссинговер . Впервые он был обнаружен Куртом Стерном у Drosophila в 1936 году. Количество ткани, которая является мозаичной, зависит от того, где в дереве деления клеток происходит обмен. Фенотипический признак, называемый «двойное пятно», наблюдаемый у Drosophila, является результатом митотической рекомбинации. Однако он также зависит от аллельного статуса генов, подвергающихся рекомбинации. Двойное пятно возникает только в том случае, если гетерозиготные гены связаны в отталкивании, т. е. в трансфазе. Рекомбинация должна происходить между центромерами соседнего гена. Это дает вид желтых пятен на фоне дикого типа у Drosophila . Другим примером митотической рекомбинации является синдром Блума, который возникает из-за мутации в гене blm . Полученный белок BLM является дефектным. Дефект в RecQ, геликазе, способствует неправильному раскручиванию ДНК во время репликации, поэтому он связан с возникновением этого заболевания. [24] [25]
Генетические мозаики являются особенно мощным инструментом при использовании в обычно изучаемой плодовой мушке , где специально отобранные штаммы часто теряют хромосому X [17] или Y [18] в одном из первых эмбриональных клеточных делений. Эти мозаики затем могут быть использованы для анализа таких вещей, как поведение ухаживания, [17] и сексуальное влечение самок. [26]
Совсем недавно использование трансгена, встроенного в геном Drosophila, сделало систему гораздо более гибкой. Флип-рекомбиназа (или FLP ) — это ген из широко изучаемых дрожжей Saccharomyces cerevisiae , который распознает сайты «цели флип-рекомбиназы» (FRT), представляющие собой короткие последовательности ДНК, и индуцирует рекомбинацию между ними. Сайты FRT были трансгенно вставлены вблизи центромеры каждого плеча хромосомы D. melanogaster . Затем ген FLP можно индуцировать выборочно, обычно используя либо промотор теплового шока, либо систему GAL4/UAS . Полученные клоны можно идентифицировать либо отрицательно, либо положительно.
В отрицательно маркированных клонах муха является трансгетерозиготной по гену, кодирующему видимый маркер (обычно зеленый флуоресцентный белок ), и аллелю изучаемого гена (оба на хромосомах, несущих сайты FRT). После индукции экспрессии FLP клетки, которые подвергаются рекомбинации, будут иметь потомство, гомозиготное либо по маркеру, либо по изучаемому аллелю. Таким образом, клетки, не несущие маркер (темные), можно идентифицировать как несущие мутацию.
Использование отрицательно маркированных клонов иногда неудобно, особенно при создании очень маленьких участков клеток, где увидеть темное пятно на ярком фоне сложнее, чем светлое пятно на темном фоне. Создание положительно маркированных клонов возможно с использованием так называемой системы MARCM («мозаичный анализ с репрессируемым клеточным маркером»), разработанной Лицюнем Ло , профессором Стэнфордского университета , и его аспирантом Цумином Ли, который сейчас возглавляет группу в исследовательском кампусе Janelia Farm . Эта система основана на системе GAL4/UAS, которая используется для экспрессии GFP в определенных клетках. Однако глобально экспрессируемый ген GAL80 используется для подавления действия GAL4, предотвращая экспрессию GFP. Вместо использования GFP для маркировки хромосомы дикого типа, как указано выше, этой цели служит GAL80, так что когда он удаляется путем митотической рекомбинации , GAL4 разрешается функционировать, а GFP включается. Это приводит к тому, что интересующие клетки ярко маркируются на темном фоне. [27]