Χρωμοσωμική αναστροφή

Χρωμοσωμική αναστροφή (chromosomal inversion) είναι μια αναδιάταξη χρωμοσώματος κατά την οποία ένα τμήμα ενός χρωμοσώματος αντιστρέφεται εντός της αρχικής του θέσης. Μια αναστροφή συμβαίνει όταν ένα χρωμόσωμα υφίσταται δύο θραύσεις εντός του ίδιου χρωμοσωμικού βραχίονα και το τμήμα μεταξύ των δύο θραυσμάτων εισάγεται προς την αντίθετη κατεύθυνση στον ίδιο χρωμοσωμικό βραχίονα. Τα σημεία θραύσης των αναστροφών συμβαίνουν συχνά σε περιοχές επαναλαμβανόμενων νουκλεοτιδίων και οι περιοχές μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν σε άλλες αναστροφές. Τα χρωμοσωμικά τμήματα στις αναστροφές μπορεί να είναι τόσο μικρά όσο 1 kb ή τόσο μεγάλα όσο 100 Mb. Ο αριθμός των γονιδίων που συλλαμβάνονται από μια αναστροφή μπορεί να κυμαίνεται από μια χούφτα γονιδίων έως εκατοντάδες γονίδια. Οι αναστροφές μπορούν να συμβούν είτε μέσω έκτοπου ανασυνδυασμού μεταξύ επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών, είτε μέσω χρωμοσωμικής θραύσης ακολουθούμενης από μη ομόλογη ένωση άκρων.

Οι αναστροφές είναι δύο τύπων: παρακεντρική και περικεντρική. Οι παρακεντρικές αναστροφές δεν περιλαμβάνουν το κεντρομερές και και τα δύο σημεία θραύσης εμφανίζονται στον έναν βραχίονα του χρωμοσώματος. Οι περικεντρικές αναστροφές εκτείνονται στο κεντρομερές και υπάρχει ένα σημείο θραύσης σε κάθε βραχίονα..

Οι αναστροφές δεν προκαλούν συνήθως ανωμαλίες στους φορείς, εφόσον η αναδιάταξη είναι ισορροπημένη, χωρίς επιπλέον ή ελλείπον DNA. Ωστόσο, σε άτομα που είναι ετερόζυγα για μια αναστροφή, υπάρχει αυξημένη παραγωγή μη φυσιολογικών χρωματίδων (αυτό συμβαίνει όταν η διασταύρωση λαμβάνει χώρα εντός του εύρους της αναστροφής). Αυτό οδηγεί σε μειωμένη γονιμότητα, λόγω της παραγωγής μη ισορροπημένων γαμετών. Οι αναστροφές δεν συνεπάγονται ούτε απώλεια ούτε απόκτηση γενετικών πληροφοριών. Απλώς αναδιατάσσουν την γραμμική αλληλουχία DNA.

 Ανίχνευση 
Οι κυτταρογενετικές τεχνικές μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αναστροφές ή οι αναστροφές μπορούν να συναχθούν από γενετική ανάλυση. Παρ' όλα αυτά, στα περισσότερα είδη, οι μικρές αναστροφές δεν ανιχνεύονται. Πιο πρόσφατα, η συγκριτική γονιδιωματική έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χρωμοσωμικών αναστροφών, χαρτογραφώντας το γονιδίωμα. Η γονιδιωματική του πληθυσμού μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αναστροφών, χρησιμοποιώντας περιοχές με υψηλή ανισορροπία σύνδεσης (linkage disequilibrium) ως δείκτες για πιθανές θέσεις αναστροφής. Σε ανθρώπινες οικογένειες που μπορεί να είναι φορείς αναστροφών μπορεί να προσφερθεί γενετική συμβουλευτική και γενετικός έλεγχος.

 Ιστορικό 
Η πρώτη ένδειξη χρωμοσωμικής αναστροφής βρέθηκε το 1921 από τον Alfred Sturtevant στη Drosophila melanogaster. Έκτοτε, έχουν εντοπιστεί αναστροφές σε όλους τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Όταν ανακαλύφθηκαν από τον Sturtevant, οι αναστροφές θεωρήθηκαν ως περιοχές καταστολής ανασυνδυασμού.

Αρχικά, αυτές οι αναστροφές παρατηρήθηκαν σε πολυταινικά χρωμοσώματα εντός των σιελογόνων αδένων των ετερόζυγων προνυμφών Drosophila melanogaster. Το 1970, ο Theodosius Dobzhansky σημείωσε ότι τα γονίδια εντός μιας αναστροφής είχαν υψηλότερη καταλληλότητα από εκείνα που βρίσκονται εκτός των αναστροφών, αν και αυτός είναι ένας τομέας που χρειάζεται περαιτέρω μελέτη.

Ένα από τα πιο πρόσφατα πρότυπα αναστροφών είναι το πρότυπο Kirkpatrick και Barton (2006), το οποίο δηλώνει ότι οι αναστροφές είναι επιλεκτικά πλεονεκτικές συνδέοντας προσαρμοστικά αλληλόμορφα. Συνδέοντας φυσικά συν-προσαρμοσμένες παραλλαγές σε πολλαπλά γονίδια σε διακριτές εκδοχές (απλότυπους) μιας αναστροφής, η επιλογή θα πρέπει να είναι πιο αποτελεσματική στην οδήγηση αυτών των παραλλαγών σε υψηλή συχνότητα σε έναν πληθυσμό. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις μη ανεστραμμένες περιοχές, οι οποίες μπορεί να επιτρέπουν τη μεταφορά προσαρμοστικών και δυσπροσαρμοστικών αλληλόμορφων.

 Επιδράσεις στον ανασυνδυασμό 
Όταν ένα χρωμόσωμα που φέρει αναστροφή ζευγαρώνεται με ένα μη ανεστραμμένο ομόλογο χρωμόσωμα (ετεροζυγώτες αναστροφής) κατά τη διάρκεια της μείωσης, δεν συνάπτονται σωστά και σχηματίζονται βρόχοι αναστροφής. ένας επιχιασμός εντός της θηλιάς μπορεί να παράγει μη ισορροπημένους γαμέτες. Σε μια παρακεντρική αναστροφή, ο ανασυνδυασμός έχει ως αποτέλεσμα μία δικεντρική χρωματίδα και μία ακεντρική χρωματίδα. Κατά τη διάρκεια της ανάφασης, και τα δύο ανασυνδυάσματα αντιμετωπίζουν προβλήματα. Η άκεντρη χρωματίδα έλκεται προς τον έναν ή τον άλλο πόλο και το δικεντρικό ανασυνδύασμα δημιουργεί δικεντρικές γέφυρες καθώς έλκεται προς δύο κατευθύνσεις.

Σε μια περικεντρική αναστροφή, παράγονται παρόμοια ανισορροπημένα χρωμοσώματα. Τα ανασυνδυασμένα χρωμοσώματα που προκύπτουν από αυτές τις διασταυρώσεις περιλαμβάνουν διαγραφές και διπλασιασμούς. Οι απόγονοι που παράγονται από τέτοιους γαμέτες είναι ως επί το πλείστον μη βιώσιμοι και, ως εκ τούτου, ο ανασυνδυασμός καταστέλλεται έμμεσα εντός των ανεστραμμένων περιοχών.

 Εξελικτικές συνέπειες 
Ο κατασταλμένος ανασυνδυασμός μεταξύ των ετεροζυγωτών αναστροφής παρέχει την ευκαιρία για την ανεξάρτητη εξέλιξη των προγονικών και ανεστραμμένων διατάξεων. Στην αρχή, η ανεστραμμένη διάταξη στερείται ποικιλομορφίας, ενώ η προγονική όχι. Εάν ο ανεστραμμένος απλότυπος δεν χαθεί (π.χ. λόγω παρέκκλισης), η ποικιλομορφία στην ανεστραμμένη διάταξη μπορεί να αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου και ο ρυθμός ανασυνδυασμού στην ανεστραμμένη περιοχή αποκαθίσταται κάπως καθώς εισάγονται περισσότεροι ομοζυγώτες. 

Οι χρωμοσωμικές αναστροφές έχουν τραβήξει την προσοχή στην εξελικτική έρευνα λόγω του πιθανού ρόλου τους στην τοπική προσαρμογή και την ειδογένεση. Επειδή οι μη ανασυνδυασμένοι απλότυποι αναστροφής μπορεί να φιλοξενούν πολλαπλές συνπροσαρμοσμένες γονιδιακές παραλλαγές, θεωρείται ότι οι αναστροφές διευκολύνουν την τοπική προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα, επειδή η φυσική επιλογή είναι πιο αποτελεσματική στην οδήγηση τέτοιων συνδεδεμένων προσαρμοστικών παραλλαγών σε υψηλή συχνότητα μέσα σε έναν πληθυσμό.Rieseberg, L.H. (2001). Chromosomal rearrangements and speciation. Trends in Ecology & Evolution, 16, 351-358. Ωστόσο, η εμπειρική απόδειξη της παρουσίας συνδεδεμένων, συνπροσαρμοσμένων γονιδιακών παραλλαγών εντός των αναστροφών είναι δύσκολη, επειδή οι απλότυποι αναστροφής δεν ανασυνδυάζονται. Επιπλέον, αυτή η πιθανή θετική επίδραση των χρωμοσωμικών αναστροφών για την προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα βασίζεται στην υπόθεση ότι οι προσαρμοστικές γονιδιακές παραλλαγές που συνδέονται σε διακριτούς απλοτύπους αναστροφής είναι πράγματι συνπροσαρμοσμένες. Αυτή η ιδέα, ωστόσο, πιθανότατα παραβιάζεται σε καταστάσεις όπου οι πληθυσμοί βιώνουν χωρικά ή χρονικά μεταβαλλόμενη επιλογή. Λόγω της κυμαινόμενης επιλογής σε παραλλαγές που συνδέονται με αναστροφή, η απουσία ανασυνδυασμού μεταξύ απλοτύπων αναστροφής που φιλοξενούν διακριτές γονιδιακές παραλλαγές μπορεί στη συνέχεια να περιορίσει αντί να βοηθήσει την προσαρμογή σε διακριτά περιβάλλοντα. Roesti, M., Gilbert, K. J., & Samuk, K. (2022). Chromosomal inversions can limit adaptation to new environments. Molecular Ecology, 31, 4435–4439. https://doi.org/10.1111/mec.16609  Η σημασία των χρωμοσωμικών αναστροφών στην προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα παραμένει επομένως ένα ανοιχτό εμπειρικό πρόβλημα στην εξελικτική γενετική.

Ο πολυμορφισμός αντιστροφής μπορεί να διαπιστωθεί με δύο τρόπους. Η γενετική παρέκκλιση ή επιλογή μπορεί να οδηγήσει σε σταθεροποίηση μιας αντιστροφής σε έναν τοπικό πληθυσμό. Ο πολυμορφισμός αντιστροφής μπορεί να προκύψει από ροή γονιδίων μεταξύ αυτού του πληθυσμού και ενός πληθυσμού χωρίς την αναστροφή. Η επιλογή εξισορρόπησης μπορεί επίσης να οδηγήσει σε πολυμορφισμό αντιστροφής μέσω εξάρτησης από τη συχνότητα ή υπερεπικράτηση. Οι διαφορές αρμοστικότητας μεταξύ του ανεστραμμένου και του προγονικού χρωμοσώματος μπορούν είτε να προκαλέσουν έναν σταθερό πολυμορφισμό, είτε να οδηγήσουν στη σταθεροποίηση του ενός ή του άλλου χρωμοσώματος.

Οι αναστροφές ήταν απαραίτητες για την εξέλιξη του φυλετικού χρωμοσώματος. Στα θηλαστικά, το χρωμόσωμα Υ δεν είναι σε θέση να ανασυνδυαστεί με το χρωμόσωμα Χ, σχεδόν σε όλο το μήκος του. Αυτό το μη ανασυνδυασμένο τμήμα προκύπτει από μια σειρά αναστροφών που επικαλύπτονται. Η μειωμένη ταχύτητα ανασυνδυασμού μεταξύ των γονιδίων που καθορίζουν το φύλο τόπων και των γονιδίων που αναστέλλουν το φύλο ευνοείται από την επιλογή. Αυτό προκαλεί ανισορροπία σύνδεσης μεταξύ του τόπου που καθορίζει το αρσενικό και ενός αλληλόμορφου σε έναν άλλο τόπο που είναι ευεργετικός για τα αρσενικά. Αυτό μπορεί να συμβεί μέσω αναστροφών που έχουν ως αποτέλεσμα μια μη ανασυνδυασμένη ομάδα που περιλαμβάνει και τους δύο τόπους, όπως συμβαίνει στο χρωμόσωμα Υ των θηλαστικών.

Οι αναστροφές μπορούν επίσης να είναι απαραίτητες για την εμφάνιση νέων φυλετικών χρωμοσωμάτων. Μπορούν να προκαλέσουν ανισορροπία σύνδεσης μεταξύ μιας μετάλλαξης που καθορίζει το φύλο και τόπων που ανταγωνίζονται το φύλο και να δημιουργήσουν ένα νέο φυλετικό χρωμόσωμα από ένα αυτοσωμικό χρωμόσωμα.

Οι αναστροφές μπορούν να εμπλέκονται στην ειδογένεση με πολλούς τρόπους. Δεδομένου ότι οι αναστροφές των ετεροζυγωτών μπορεί να είναι υποεπικρατείς (underdominants), μπορούν να προκαλέσουν απώλεια υβριδικής αρμοστικότητας (καταλληλότητας), με αποτέλεσμα την μεταζυγωτική απομόνωση. Μπορούν επίσης να συσσωρεύσουν επιλεγμένες διαφορές μεταξύ των ειδών, προκαλώντας τόσο προ- όσο και μεταζυγωτική απομόνωση.

Οι αναστροφές σχηματίζουν συχνά γεωγραφικές κλινές σε συχνότητα, γεγονός που μπορεί να υποδηλώνει τον ρόλο τους στην τοπική προσαρμογή. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας τέτοιας κλίμακας είναι η αναστροφή 3RP στο είδος Drosophila melanogaster, η οποία μπορεί να παρατηρηθεί σε τρεις διαφορετικές ηπείρους. Όταν μια αναστροφή περιέχει δύο ή περισσότερα τοπικά προσαρμοστικά αλληλόμορφα, μπορεί να επιλεγεί και να εξαπλωθεί. Παραδείγματος χάρη, στην πεταλούδα Heliconius numata, 18 γονίδια που ελέγχουν τα χρώματα συνδέονται μεταξύ τους μέσω αναστροφών, καθώς μαζί προσδίδουν υψηλότερη αρμοστικότητα (καταλληλότητα).

Ονοματολογία
Το Διεθνές Σύστημα για την Ονοματολογία του Ανθρώπινου Κυτταρογονιδιώματος (ISCN) είναι ένα διεθνές πρότυπο για την ονοματολογία του ανθρωπίνου χρωμοσώματος, το οποίο περιλαμβάνει ονόματα ζωνών, σύμβολα και συντομογραφίες που χρησιμοποιούνται στην περιγραφή των ανθρώπινων χρωμοσωμάτων και των χρωμοσωμικών ανωμαλιών. Οι συντομογραφίες περιλαμβάνουν το inv για τις αναστροφές.

 Αξιοσημείωτες περιπτώσεις 
 Μπρέντεν Άνταμς: πρώην κάτοχος του Παγκοσμίου Ρεκόρ Γκίνες για τον ψηλότερο έφηβο. Το ύψος του οφείλεται σε αναστροφή του χρωμοσώματος 12.
 Ένα παράδειγμα χρωμοσωμικής αναστροφής σε οργανισμούς παρουσιάζεται στο έντομο Coelopa frigida. Αυτό το συγκεκριμένο είδος Coelopa έχει μια ποικιλία χρωμοσωμικών αναστροφών που επιτρέπει στο είδος να δημιουργήσει μια σειρά από φυσικές διαφορές. Τα άτομα C. frigida που είναι μεγαλύτερα δεν υφίστανται χρωμοσωμική αναστροφή, ενώ τα άτομα που είναι μικρότερα υφίστανται χρωμοσωμική αναστροφή.

 Παραπομπές 

 Παραπέρα μελέτη 



Κατηγορία:Χρωμοσώματα
Κατηγορία:Χρωμοσωμικές ανωμαλίες
Κατηγορία:Τροποποίηση των γενετικών πληροφοριών