Διερεύνηση γενετικών παθήσεων και συνδρόμων με ανωμαλίες στο χρωμόσωμα Χ

Abstract

In order to elucidate the mechanisms of i(Xq) formation, and determine whether architectural elements of the genome cause region-specific instability which predisposes to isochromosome formation, we collected a large cohort of patients bearing abnormal X chromosomes. By analyzing these cases using high resolution methodologies such as high resolution whole genome aCGH, custom targeted aCGH and sequencing, we were able to characterize the cytogenetically monocentric i(Xq) in great detail and derive valuable insights about their breakpoint distribution and potential mechanisms of formation. We were also able to elucidate the mechanisms of cytogenetically dicentric i(Xq) formation and identify specific genomic architectural elements which catalyze, or induce the formation of these rearrangements. We show that not all dicentric i(Xq) are the same in relation to their breakpoint morphology and distribution. In our cohort of 68 patients, we identified 34 i(Xq) cases. Out of these 34 i(Xq), 15 are cytogenetically monocentric having breakpoints in centromeric heterochromatin. Further analysis revealed that the majority of these cases are structurally dicentric and probably form by unequal recombination between inverted centromeric repeats. The remaining 19 i(Xq) of the total 34 i(Xq) were dicentric isochromosomes having breakpoints in euchromatic sequences within a 7-Mb common breakpoint interval in proximal Xp. Targeted ultra-high resolution aCGH and sequencing revealed that 9 of these 19 i(Xq) have breakpoints which coincide precisely with the junctions of large and highly homologous palindromic LCRs, while another four of the 19 i(Xq) have the same breakpoint which coincides with a single highly homologous LINE, L1 palindrome. Based on these findings, we conclude that these 13 i(Xq) arise by NAHR involving LCR palindromes and a single LINE, L1 palindrome. The remaining 6 i(Xq) out of the 19 i(Xq) have breakpoints in regions of no significant homology, and at the breakpoint junctions of three of them inverted microhomologies of 2-5 bp, and perfect joining of opposite strands from two different sites were identified. These results are more consistent with a replication-based mechanism such as FoSTeS/MMBIR. This is to our knowledge the first report of the involvement of replication based mechanisms in the formation of isochromosomes, or other gross chromosomal rearrangements leading to the deletion or duplication of entire chromosome arms. These findings also indicate that genomic rearrangements such as the i(Xq) which have been in the past considered to arise exclusively during meiosis, can also arise mitotically.

Το ισοχρωμόσωμα του μακρέος βραχίονα [i(Xq)] είναι μια κοινή χρωμοσωμική ανωμαλία του Χ χρωμοσώματος και ευθύνεται για ?15% των περιστατικών που φέρουν σύνδρομο Turner, καθιστώντας την έτσι την πιο κοινή δομική χρωμοσωμική ανωμαλία στο σύνδρομο αυτό. Προκειμένου να ανακαλύψουμε τους μοριακούς μηχανισμούς δημιουργίας των i(Xq) χρωμοσωμάτων, συλλέξαμε 68 περιστατικά στα οποία χαρακτηρίσαμε αρχικά τις χρωμοσωμικες ανωμαλίες χρησιμοποιώντας υψηλής ευκρίνειας μικροσυστοιχίες συγκριτικού γονιδιωµατικού υβριδισμού. Εντοπίσαμε 34 ισοχρωμοσώματα του μακρέος βραχίονα του Χ χρωμοσώματος εκ των οποίων 13 είναι δικεντρικά και 15 είναι μονοκεντρικά. Ο εντοπισμός μιας κοινής περιοχής εντός της οποίας χαρτογραφήσαμε τα σημεία θραύσης και των 19 κυτταρογενετικά δικεντρικών i(Xq) και η ύπαρξη πληθώρας αντίστροφων τμηματικών διπλασιασμών (παλίνδρομων αλληλουχιών) εντός ή περιμετρικά των σημείων θραύσης αρκετών περιστατικών μας ώθησε στην περαιτέρω διερεύνηση των περιστατικών αυτών. Προκειμένου να διερευνήσουμε την πιθανή εμπλοκή συγκεκριμένων αντίστροφων τμηματικών διπλασιασμών στη γένεση των δικεντρικών i(Xq) και να ανακαλύψουμε τους μηχανισμούς δημιουργίας τους, προχωρήσαμε στο σχεδιασμό και κατασκευή δύο εξειδικευμένων μικροσυστοιχειών συγκριτικού γονιδιωµατικού υβριδισμού εξαιρετικά υψηλής ευκρίνειας. Η ανάλυση με τη χρήση των εξειδικευμένων αυτών μικροσυστοιχιών κατέδειξε πως τα σημεία θραύσης εννέα δικεντρικών i(Xq) συμπίπτουν επακριβώς με τη θέση και τα όρια μεγάλων αντίστροφων τμηματικών διπλασιασμών υψηλής ομολογίας. Επίσης τα σημεία θραύσης ακόμη τεσσάρων δικεντρικών i(Xq) χαρτογραφήθηκαν στα όρια μιας παλίνδρομης αλληλουχίας που αποτελείται από δύο αντίστροφα ρετρομεταθετά στοιχεία τύπου LINE, L1 τα οποία διαχωρίζονται από μια πολύ μικρή αλληλουχία τριάντα περίπου βάσεων και των οποίων οι βραχίονες (arms) είναι εξαιρετικά όμοιοι. Με βάση τα πιο πάνω δεδομένα, είμαστε σε θέση να προτείνουμε πως τα δικεντρικά i(Xq) των οποίων τα σημεία θραύσης συμπίπτουν με τα όρια παλίνδρομων αλληλουχιών δημιουργούνται από ομόλογο ανασυνδυασμό μη αλληλόμορφων αλληλουχιών (NAHR), ο οποίος προϋποθέτει ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ αντίστροφων βραχίονων παλίνδρομων στοιχείων που βρίσκονται σε αδελφές χρωματίδες. Τα σημεία θραύσης των υπολοίπων έξι δικεντρικών i(Xq) χαρτογραφηθήκαν σε περιοχές στις οποίες δεν εντοπίζονται αντίστροφοι τμηματικοί διπλασιασμοί. Σε τρία από αυτά τα περιστατικά απομονώσαμε τα σημεία θραύσης με τη χρήση αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης και τα αλληλουχίσαμε. Μικρο-ομολογίες 2-5 βάσεων παρατηρήθηκαν στα σημεία θραύσης και των τριών περιστατικών. Οι βάσεις που παρουσιάζουν μικρο-ομολογία βρίσκονται σε αντίστροφη διάταξη σε αντίθετες DNA αλυσίδες διαφορετικών γενετικών τόπων. Τα πιο πάνω δεδομένα καταδεικνύουν πως αυτά τα περιστατικά δημιουργούνται κατά την αντιγραφή του DNA από το μηχανισμό FoSTeS/ MMBIR.