Введение
Инверсия – это перестройка хромосомы, при которой участок хромосомы оказывается перевернутым. Инверсия возникает, когда в хромосоме происходит два разрыва в плече хромосомы, и участок между этими разрывами вставляется в обратном направлении в то же плечо хромосомы. Точки разрыва при инверсиях часто возникают в областях с повторяющимися нуклеотидами, и эти области могут использоваться повторно в других инверсиях. Участки хромосом в инверсиях могут быть размером от 1 килобазы до 100 мегабаз. Количество генов, вовлеченных в инверсию, может варьироваться от нескольких до сотен. Инверсии могут возникать либо в результате эктопической рекомбинации между повторяющимися последовательностями, либо в результате хромосомного разрыва с последующим нехомологичным соединением концов. Инверсии бывают двух типов: парацентрические и перицентрические. Парацентрические инверсии не включают центромеру, и оба разрыва происходят в одном плече хромосомы. Перицентрические инверсии охватывают центромеру, и разрыв происходит в каждом плече. Инверсии обычно не вызывают каких-либо отклонений у носителей, если перестройка сбалансирована и не сопровождается потерей или приобретением ДНК. Однако у людей, гетерозиготных по инверсии, наблюдается повышенная продукция аномальных хроматид (это происходит при кроссинговере в пределах инверсии). Это приводит к снижению фертильности из-за образования несбалансированных гамет. Инверсии не связаны с потерей или приобретением генетической информации; они лишь перестраивают линейную последовательность ДНК.
An inversion is a chromosome rearrangement in which a segment of a chromosome becomes inverted within its original position. An inversion occurs when a chromosome undergoes a two breaks within the chromosomal arm, and the segment between the two breaks inserts itself in the opposite direction in the same chromosome arm. The breakpoints of inversions often happen in regions of repetitive nucleotides, and the regions may be reused in other inversions. Chromosomal segments in inversions can be as small as 1 kilobases or as large as 100 megabases. The number of genes captured by an inversion can range from a handful of genes to hundreds of genes. Inversions can happen either through ectopic recombination between repetitive sequences, or through chromosomal breakage followed by non homologous end joining. Inversions are of two types: paracentric and pericentric. Paracentric inversions do not include the centromere, and both breakpoints occur in one arm of the chromosome. Pericentric inversions span the centromere, and there is a breakpoint in each arm. Inversions usually do not cause any abnormalities in carriers, as long as the rearrangement is balanced, with no extra or missing DNA. However, in individuals which are heterozygous for an inversion, there is an increased production of abnormal chromatids (this occurs when crossing over occurs within the span of the inversion). This leads to lowered fertility, due to production of unbalanced gametes. Inversions do not involve either loss or gain of genetic information; they simply rearrange the linear DNA sequence.
Обнаружение
Цитогенетические методы могут выявлять инверсии, или наличие инверсий может быть установлено на основании генетического анализа. Однако, у большинства видов небольшие инверсии остаются необнаруженными. В последнее время сравнительная геномика стала использоваться для выявления хромосомных инверсий путем картирования генома. Популяционная геномика также может применяться для обнаружения инверсий, используя области высокой сцепленности как индикаторы возможных участков инверсии. Семьям, в которых могут быть носители инверсий, может быть предложено генетическое консультирование и генетическое тестирование.
История
Первые свидетельства хромосомной инверсии были обнаружены в 1921 году Альфредом Стёртевантом у *Drosophila melanogaster*. С тех пор инверсии были обнаружены у всех эукариот. Одна из новейших моделей инверсий – модель Киркпатрика и Бартона (2006), согласно которой инверсии обладают селективным преимуществом, связывая вместе адаптивные аллели. Физически объединяя коадаптированные варианты в нескольких генах в различные версии (гаплотипы) инверсии, отбор должен более эффективно увеличивать частоту этих вариантов в популяции. Это отличается от неинвертированных участков, которые могут допускать распространение как адаптивных, так и неадаптивных аллелей.
Влияние на рекомбинацию
Когда инверсионная хромосома спаривается с неинвертированной гомологичной хромосомой (инверсионные гетерозиготы) во время мейоза, они не способны к правильной синапсии, и формируются инверсионные петли. Кроссинговер внутри петли может приводить к образованию несбалансированных гамет. При парацентрической инверсии рекомбинация приводит к образованию одной дицентрической и одной акентрической хроматиды. Во время анафазы оба рекомбинанта сталкиваются с проблемами. Ацентрическая хроматида направляется к одному из полюсов, а дицентрическая рекомбинантная хроматида образует дицентрические мостики, когда её тянут в двух направлениях. При перицентрической инверсии образуются аналогичные несбалансированные хромосомы. Рекомбинантные хромосомы, полученные в результате этих кроссинговеров, содержат делеции и дупликации. Потомство, произведенное такими гаметами, в основном нежизнеспособно, поэтому рекомбинация в инвертированных участках подавляется косвенно. Хромосомные инверсии привлекли значительное внимание в эволюционных исследованиях благодаря их потенциальной роли в локальной адаптации и видообразовании. Поскольку не рекомбинирующие инверсионные гаплотипы могут содержать несколько коадаптированных вариантов генов, считается, что инверсии способствуют локальной адаптации к различным условиям среды, поскольку естественный отбор более эффективно повышает частоту таких связанных адаптивных вариантов в популяции. Однако эмпирическое подтверждение наличия связанных, коадаптированных вариантов генов в инверсиях затруднено, поскольку инверсионные гаплотипы не рекомбинируют. Более того, этот потенциальный положительный эффект хромосомных инверсий для адаптации к различным условиям среды основан на предположении, что адаптивные варианты генов, связанные с различными инверсионными гаплотипами, действительно коадаптированы. Однако это предположение, вероятно, нарушается в популяциях, испытывающих пространственно или временно изменчивый отбор. Из-за флюктуирующего отбора на варианты, связанные с инверсией, отсутствие рекомбинации между инверсионными гаплотипами, несущими различные варианты генов, может скорее ограничивать, чем способствовать адаптации к различным условиям среды. Таким образом, важность хромосомных инверсий в адаптации к различным условиям среды остается открытой эмпирической проблемой в эволюционной генетике. Инверсионный полиморфизм может устанавливаться двумя путями. Генетический дрейф или отбор могут приводить к фиксации инверсии в локальной популяции. Инверсионный полиморфизм может возникать в результате потока генов между этой популяцией и популяцией, не содержащей инверсию. Балансирующий отбор также может приводить к инверсионному полиморфизму за счет частотной зависимости или сверхдоминирования. Инверсии сыграли важную роль в эволюции половых хромосом. У млекопитающих Y-хромосома не способна к рекомбинации с X-хромосомой почти на всей своей длине. Этот не рекомбинирующий участок является результатом серии перекрывающихся инверсий. Снижение скорости рекомбинации между локусами, определяющими пол, и генами, вызывающими половой антагонизм, благоприятно с точки зрения отбора. Это приводит к неравновесию сцепления между локусом, определяющим пол, и аллелем в другом локусе, который полезен для самцов. Это может происходить посредством инверсий, приводящих к не рекомбинирующему блоку, включающему оба локуса, как это происходит в случае Y-хромосомы млекопитающих. Инверсии могут участвовать в видообразовании различными способами. Поскольку инверсии гетерозигот могут вызывать поддоминирование, они могут приводить к снижению гибридной приспособленности, что приводит к постзиготной изоляции. Они также могут накапливать отобранные различия между видами, вызывая как презиготную, так и постзиготную изоляцию.
Номенклатура
Международная система номенклатуры цитогеномики человека (ISCN) — это международный стандарт для номенклатуры человеческих хромосом, включающий названия участков, символы и сокращения, используемые при описании хромосом человека и хромосомных аномалий. К сокращениям относится inv для обозначения инверсий.
Примечательные случаи
Бренден Адамс: бывший обладатель мирового рекорда Гиннеса как самый высокий подросток. Его рост вызван инверсией 12-й хромосомы. Пример хромосомной инверсии в организмах демонстрируется на примере насекомого Coelopa frigida. У этого конкретного вида Coelopa существует вариация хромосомных инверсий, позволяющая виду проявлять ряд физических различий. Крупные особи C. frigida не подвергаются хромосомной инверсии, в то время как мелкие особи подвергаются ей.