Мозаицизм или генетический мозаицизм — состояние, при котором многоклеточный организм обладает более чем одной генетической линией в результате генетической мутации . [1] [2] Это означает, что различные генетические линии произошли из одной оплодотворенной яйцеклетки . Мозаицизм — одна из нескольких возможных причин химеризма , при котором один организм состоит из клеток с более чем одним отличным генотипом .
Генетический мозаицизм может быть результатом многих различных механизмов, включая нерасхождение хромосом , задержку анафазы и эндорепликацию . [3] Отставание анафазы является наиболее распространенным способом возникновения мозаицизма у предимплантационного эмбриона. [3] Мозаицизм также может возникнуть в результате мутации в одной клетке во время развития , и в этом случае мутация будет передаваться только ее дочерним клеткам (и будет присутствовать только в определенных взрослых клетках). [4] Соматический мозаицизм обычно не передается по наследству, поскольку он обычно не затрагивает половые клетки. [2]
В 1929 году Альфред Стертевант изучал мозаицизм у дрозофилы , рода плодовых мух. [5] Мюллер в 1930 г. показал, что мозаицизм у дрозофилы всегда связан с хромосомными перестройками, а Шульц в 1936 г. показал, что во всех изученных случаях эти перестройки были связаны с гетерохроматическими инертными участками, было предложено несколько гипотез о природе такого мозаицизма. Одна гипотеза предполагала, что мозаицизм возникает в результате разрыва и потери сегментов хромосом. Курт Штерн в 1935 году предположил, что структурные изменения хромосом происходят в результате соматического скрещивания , в результате которого происходят мутации или небольшие хромосомные перестройки в соматических клетках. Таким образом, инертная область вызывает увеличение частоты мутаций или небольшие хромосомные перестройки в активных сегментах, прилегающих к инертным областям. [6]
В 1930-х годах Штерн продемонстрировал, что генетическая рекомбинация , нормальная при мейозе , может происходить и при митозе . [7] [8] Когда это происходит, это приводит к соматической (телесной) мозаике. Эти организмы содержат два или более генетически различных типа тканей. [9] Термин « соматический мозаицизм» был использован К.В. Коттерманом в 1956 году в его основополагающей статье об антигенных вариациях . [10]
В 1944 году Бельговский предположил, что мозаицизм не может объяснять определенные мозаичные проявления, вызванные хромосомными перестройками с участием гетерохроматических инертных областей. 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, но остальные являются нормальными. [11] [12] Причиной обычно является мутация, произошедшая в ранней стволовой клетке, давшей начало всем или части гамет.
Соматический мозаицизм (также известный как клональный мозаицизм) возникает, когда соматические клетки организма имеют более одного генотипа. В более распространенных мозаиках разные генотипы возникают из одной оплодотворенной яйцеклетки из-за митотических ошибок при первом или поздних дроблениях.
Соматическая мутация, приводящая к мозаицизму, распространена на начальных и конечных этапах жизни человека. [10] Соматическая мозаика часто встречается в эмбриогенезе из-за ретротранспозиции длинных вкраплений ядерного элемента-1 (LINE-1 или L1) и мобильных элементов Alu . [10] На ранних стадиях развития ДНК недифференцированных типов клеток может быть более восприимчивой к инвазии мобильных элементов из-за длинных неметилированных участков генома. [10] Кроме того, накопление ошибок копирования ДНК и повреждение в течение жизни приводят к более частому возникновению 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 являются причиной большинства лейкозов , лимфом и солидных опухолей. [13]
Наиболее распространенной формой мозаицизма, обнаруживаемой при пренатальной диагностике, являются трисомии . Хотя большинство форм трисомии возникают из-за проблем в мейозе и затрагивают все клетки организма, в некоторых случаях трисомия возникает только в некоторых клетках. Это может быть вызвано событием нерасхождения в раннем митозе, приводящим к потере хромосомы в некоторых трисомных клетках. [14] Как правило, это приводит к более легкому фенотипу , чем у немозаичных пациентов с тем же расстройством.
В редких случаях интерсексуальные состояния могут быть вызваны мозаицизмом, когда некоторые клетки организма имеют хромосомы XX , а другие XY ( 46, XX/XY ). [15] [16] У плодовой мухи Drosophila melanogaster , где муха, обладающая двумя Х-хромосомами, является самкой, а муха, обладающая одной Х-хромосомой, является стерильным самцом, потеря Х-хромосомы на ранних стадиях эмбрионального развития может привести к половому созреванию. мозаики, или гинандроморфы . [5] [17] Аналогично, потеря Y-хромосомы может привести к появлению мозаики XY/X у мужчин. [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, что клетки XY имеют нормальное количество хромосом — 46, а клетки XXY — 47 хромосом.
Также моносомии могут проявляться в той или иной форме мозаицизма. Единственная несмертельная 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 мозаика не обязательно должна быть вредной. Ревертантный соматический мозаицизм — редкое явление рекомбинации со спонтанной коррекцией мутантного патогенного аллеля. [19] При ревертантном мозаицизме здоровая ткань, образованная в результате митотической рекомбинации, может превзойти исходные, окружающие мутантные клетки в таких тканях, как кровь и эпителий , которые часто регенерируют. [19] При ихтиозе кожи с конфетти нормальные пятна на коже появляются в раннем возрасте и со временем увеличиваются в количестве и размерах. [19]
Другие эндогенные факторы также могут привести 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 дрозофилы с помощью рентгеновского лечения, а использование облучения для индукции соматических мутаций оказалось полезным методом в изучении генетики. [20]
Истинный мозаицизм не следует путать с явлением Х-инактивации , когда все клетки организма имеют один и тот же генотип, но в разных клетках экспрессируется разная копия Х-хромосомы. Последнее имеет место у нормальных (XX) самок млекопитающих, хотя оно не всегда заметно по фенотипу (как у ситцевых кошек ). Однако все многоклеточные организмы, вероятно, в той или иной степени представляют собой соматическую мозаику. [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 обычно не передается по наследству, поскольку обычно не поражает половые клетки. В случае гоносомного мозаицизма организмы могут передать генетическое изменение, в том числе потенциальному потомству, поскольку измененный аллель присутствует как в соматических, так и в зародышевых клетках. [22]
Частым типом нейронального геномного мозаицизма является изменение числа копий . Возможными источниками таких изменений были предложены неправильная репарация повреждений ДНК и соматическая рекомбинация . [23]
Одним из основных механизмов образования мозаичной ткани является митотическая рекомбинация или соматический кроссинговер . Впервые он был обнаружен Куртом Стерном у дрозофилы в 1936 году. Количество мозаичной ткани зависит от того, в каком месте дерева клеточного деления происходит обмен. Фенотипический признак, называемый «двойное пятно», наблюдаемый у дрозофилы , является результатом митотической рекомбинации. Однако это также зависит от аллельного статуса генов, подвергающихся рекомбинации. Двойное пятно возникает только в том случае, если гетерозиготные гены связаны в результате отталкивания, то есть в транс-фазе. Рекомбинация должна произойти между центромерами соседнего гена. Это приводит к появлению желтых пятен на фоне дикого типа у дрозофилы . Другим примером митотической рекомбинации является синдром Блума, который возникает из-за мутации гена blm . Полученный белок BLM дефектен. Дефект хеликазы RecQ способствует дефектному раскручиванию ДНК во время репликации, что связано с возникновением этого заболевания. [24] [25]
Генетическая мозаика является особенно мощным инструментом при использовании на широко изучаемых плодовых мушках , у которых специально отобранные штаммы часто теряют Х-хромосому [17] или Y [18] -хромосому в одном из первых делений эмбриональных клеток. Эти мозаики затем можно использовать для анализа таких вещей, как поведение во время ухаживания [17] и женское сексуальное влечение. [26]
Совсем недавно использование трансгена, включенного в геном дрозофилы , сделало систему гораздо более гибкой. Флип -рекомбиназа (или FLP ) представляет собой ген из широко изучаемых дрожжей Saccharomyces cerevisiae , который распознает сайты «мишени флип-рекомбиназы» (FRT), которые представляют собой короткие последовательности ДНК, и индуцирует рекомбинацию между ними. Сайты FRT были вставлены трансгенно рядом с центромерами каждого плеча хромосомы D. melanogaster . Затем ген FLP можно селективно индуцировать, обычно используя либо промотор теплового шока, либо систему GAL4/UAS . Полученные клоны можно идентифицировать как отрицательно, так и положительно.
В отрицательно маркированных клонах муха является трансгетерозиготной по гену, кодирующему видимый маркер (обычно зеленый флуоресцентный белок ) и аллель изучаемого гена (оба на хромосомах, несущих сайты FRT). После индукции экспрессии FLP клетки, подвергшиеся рекомбинации, будут иметь потомство, гомозиготное либо по изучаемому маркеру, либо по изучаемому аллелю. Следовательно, клетки, не несущие маркера (темные), можно идентифицировать как несущие мутацию.
Использование отрицательно меченных клонов иногда неудобно, особенно при создании очень маленьких участков клеток, где увидеть темное пятно на ярком фоне труднее, чем яркое пятно на темном фоне. Создание положительно меченных клонов возможно с использованием так называемой системы MARCM («мозаичный анализ с репрессируемым клеточным маркером», разработанной Лицюном Луо , профессором Стэнфордского университета , и его постдокторантом Цумином Ли, который сейчас возглавляет группу на ферме Джанелия ). Исследовательский кампус . Эта система основана на системе GAL4/UAS, которая используется для экспрессии GFP в конкретных клетках. Однако глобально экспрессируемый ген GAL80 используется для подавления действия GAL4, предотвращая экспрессию GFP. Вместо использования GFP для пометьте хромосому дикого типа, как указано выше, для этой цели служит GAL80, так что, когда она удаляется в результате митотической рекомбинации , GAL4 получает возможность функционировать, и включается GFP. Это приводит к тому, что интересующие клетки выделяются ярко на темном фоне. [27]
