Strukturella kromosomavvikelser

Strukturella kromosomavvikelser uppkommer när kromosomsegment förloras, dupliceras, inverteras eller flyttas och kan vara balanserade eller medföra kliniskt betydelsefull gendosobalans. Konsekvenserna spänner från benign variation och asymtomatiskt bärarskap till reproduktionsproblem, medfödda syndrom och klonalt driven cancersjukdom. Fenotypen avgörs inte bara av förändringens storlek utan även av brottpunkter, geninnehåll, doskänslighet, imprinting, mosaicism och vävnadsdistribution.

Definition, avgränsning och huvudklassifikation

En strukturell kromosomavvikelse är ett rearrangemang som uppkommer efter ett eller flera DNA- eller kromosombrott, felaktig replikation eller dysfunktionella kromosomändar. Segment kan gå förlorade, kopieras, vändas eller flyttas inom samma kromosom eller mellan olika kromosomer. Kromosomantalet kan förbli 46, men kan också förändras, exempelvis till 45 hos en bärare av en Robertsonsk translokation eller till 47 vid en supernumerär markörkromosom.

Strukturella avvikelser ska skiljas från helkromosomal aneuploidi, där en hel kromosom saknas eller förekommer i extra kopia, och från polyploidi, där kompletta kromosomuppsättningar har tillkommit. Partiell monosomi och partiell trisomi är däremot vanliga följder av strukturella rearrangemang: endast ett kromosomsegment finns då i en respektive tre kopior.

En till synes enkel avvikelse på karyotypnivå kan vara molekylärt komplex, med små deletioner, insertioner eller flera lokala brottpunkter. Omvänt kan en stor inversion vara balanserad och kliniskt tyst. Klassifikationen måste därför kompletteras med metod, genomisk upplösning och klinisk kontext.

Normal kromosomarkitektur och meios

En normal diploid human cell innehåller 46 kromosomer: 22 par autosomer samt två könskromosomer, vanligen 46,XX eller 46,XY. De två kromosomerna i ett autosompar är homologer, med motsvarande loci men inte nödvändigtvis identiska alleler. Efter DNA-replikation består varje kromosom av två genetiskt nära identiska systerkromatider, förenade vid centromeren.

Centromeren delar kromosomen i en kort arm, p, och en lång arm, q. Telomererna skyddar de linjära kromosomernas ändar mot degradering och mot att uppfattas som dubbelsträngsbrott. Förlust av telomerfunktion kan därför ge ändfusioner, dicentriska kromosomer och upprepade brott. Kromosomerna 13, 14, 15, 21 och 22 är akrocentriska: centromeren ligger nära ena änden, de korta armarna är små och innehåller huvudsakligen repetitiva sekvenser och ribosomalt DNA.

Under meios I synapserar homologerna och bildar bivalenter. Programmerade dubbelsträngsbrott initierar homolog rekombination och överkorsning, vilket skapar chiasmata som tillsammans med kohesin bidrar till korrekt segregation. Homologa kromosomer separeras i meios I, medan systerkromatider normalt separeras i meios II. Felaktig synaps, abnorm rekombination eller segregation av ett strukturellt rearrangemang kan bilda obalanserade gameter.

Genomet innehåller repetitiva sekvenser, lågkopierepetitioner och segmentella duplikationer. Om två mycket lika sekvenser på olika genompositioner felaktigt riktas mot varandra kan rekombination ske mellan icke-allela loci. Sådana rekombinationskänsliga regioner förklarar återkommande mikrodeletioner och mikroduplikationer med likartade brottpunkter hos obesläktade individer.

Uppkomstmekanismer — från DNA-brott till omarrangemang

Utgångspunkten kan vara ett enkelsträngsbrott, ett dubbelsträngsbrott, en kollapsad replikationsgaffel eller en oskyddad telomer. Två samtidiga dubbelsträngsbrott kan frigöra ett segment. Om segmentet förloras uppstår en deletion; om det återinfogas i omvänd orientering uppstår en inversion; och om ändar från olika kromosomer sammanfogas bildas en translokation.

Icke-homolog ändsammanfogning, NHEJ, ligerar DNA-ändar utan krav på lång sekvenshomologi. Mekanismen är snabb men kan ge små insertioner eller deletioner vid brottpunkten. Mikrohomologimedierad ändsammanfogning använder korta överlappande sekvenser och är särskilt benägen att skapa komplexa junctioner. Homolog rekombination är vanligen mer precis, men kan ge rearrangemang om fel homolog sekvens används.

Vid FoSTeS, fork stalling and template switching, byter den replikerande DNA-strängen mall efter att replikationsgaffeln stannat. MMBIR, mikrohomologimedierad brottinducerad replikation, använder kort homologi för att återstarta syntesen. Upprepade mallbyten kan skapa alternerande deletioner, duplikationer och inverterade segment som inte förklaras av ett enda brott.

Joniserande strålning, kemiska mutagener och oxidativ stress kan öka mängden DNA-brott. Defekter i DNA-skaderespons, homolog rekombination, telomerunderhåll eller cellcykelkontroll kan ge kromosomal instabilitet och cancerpredisposition. De flesta sporadiska konstitutionella rearrangemang kan dock inte knytas till någon specifik exponering; miljöfaktorer bör därför inte anges som orsak utan stöd i anamnes och evidens.

Balanserade och obalanserade rearrangemang

Ett balanserat rearrangemang saknar med den använda metodens upplösning nettovinst eller nettoförlust av DNA. En bärare av en balanserad reciprok translokation eller inversion är därför ofta fenotypiskt frisk. Begreppet är metodberoende: en cytogenetiskt balanserad translokation kan vid sekvensering visa en liten deletion eller ett komplext brott.

Balanserade förändringar kan orsaka sjukdom om en brottpunkt avbryter en gen, skapar en fusionsgen eller separerar en gen från dess regulatoriska element. Positionseffekt kan ändra genuttrycket över betydande genomiska avstånd. Andra mekanismer är störd genomisk imprinting eller att en deletion på den ena homologen blottlägger en recessiv sjukdomsvariant på den andra.

Obalanserade rearrangemang ger partiell monosomi eller trisomi. Svårighetsgraden bestäms av vilka gener och regulatoriska sekvenser som omfattas, deras haploinsufficiens eller triplosensitivitet och förändringens vävnadsdistribution. Antalet megabaser är därför ett otillräckligt mått: en liten doskänslig deletion kan vara mer patogen än en större variant i genfattigt DNA.

Kopietalsvariation förekommer också hos friska personer. En avvikelse kan vara benign, ha ofullständig penetrans eller ge variabel expressivitet. Föräldrafynd hos en till synes frisk person minskar inte automatiskt den kliniska betydelsen, eftersom ålder, kön, genetisk bakgrund och subtil fenotyp måste beaktas.

Deletioner

En terminal deletion innebär förlust från en brottpunkt till telomeren. En interstitiell deletion kräver vanligen två brott, varefter det mellanliggande segmentet förloras och de kvarvarande ändarna förenas. Deletioner kan också uppstå genom icke-allel homolog rekombination, replikationsfel eller i samband med ringkromosombildning.

Den centrala mekanismen är haploinsufficiens: en fungerande genkopia ger inte tillräcklig produkt för normal funktion. Om flera närliggande gener bidrar uppstår ett contiguous-gene-syndrom. En deletion kan även ge pseudodominant manifestation av en recessiv variant på den kvarvarande homologen. I imprintade regioner avgör föräldraursprunget vilka uttryckta gener som förlorats.

Storlek och brottpunkter varierar. Klassiska syndromregioner kan ha återkommande deletioner medierade av lågkopierepetitioner, medan atypiska deletioner omfattar andra genkombinationer och ger avvikande fenotyp. Låggradig mosaicism kan mildra uttrycket men också undgå analys i blod; annan vävnad kan behöva undersökas om den kliniska misstanken kvarstår.

Duplikationer och andra kopietalsökningar

En duplikation ger en extra kopia av ett kromosomsegment. Kopian kan ligga direkt intill originalet som en tandemduplikation, vara inverterad eller ha flyttats till en annan position. Uppkomsten kan bero på ojämn överkorsning, replikationsbaserat mallbyte eller obalanserad meiotisk segregation hos en bärare av en translokation eller insertion.

Patogeniciteten kan bero på triplosensitivitet, det vill säga att tre genkopior ger skadligt ökat genuttryck. Duplikationen kan också bryta en gen, skapa en ny regulatorisk omgivning eller förändra tredimensionell kromatinorganisation. Duplikationer tolereras generellt bättre än motsvarande deletioner, men detta är ingen säker regel.

Ett tydligt exempel är duplikation av regionen som innehåller PMP22 på 17p, vilken orsakar Charcot–Marie–Tooths sjukdom typ 1A. Ökad PMP22-dos stör perifer myelinfunktion och ger långsamt progredierande distal muskelsvaghet, atrofi, sensibilitetsnedsättning och nedsatta nervledningshastigheter. Den reciproka deletion som omfattar samma gen ger hereditär tryckkänslig neuropati.

Konstitutionell duplikation ska skiljas från höggradig genamplifikation i cancer. Vid amplifikation kan en onkogen förekomma i många kopior, intrakromosomalt eller på extrakromosomalt DNA. Detta kan ge kraftigt ökat uttryck och fungera som prognostisk eller behandlingsprediktiv markör.

Inversioner

En inversion bildas när ett segment bryts ut på två ställen, vrids 180 grader och återinfogas. En paracentrisk inversion ligger helt inom en kromosomarm och omfattar inte centromeren. En pericentrisk inversion sträcker sig över centromeren och omfattar delar av både p- och q-armen.

Under meiosen måste den inverterade homologen bilda en inversionsloop för att motsvarande sekvenser ska kunna synapsera. Överkorsning inom en paracentrisk loop kan bilda en acentrisk kromatid, som saknar centromer, och en dicentrisk kromatid, som har två centromerer. Dessa produkter är vanligen instabila och leder ofta inte till en livsduglig graviditet. Överkorsning inom en pericentrisk inversion ger i stället rekombinanta kromosomer med samtidig deletion och duplikation.

Rekombination inom inversionen är funktionellt hämmad eftersom rekombinanta produkter selekteras bort. Risken påverkas av inversionens storlek och brottpunkternas läge; små inversioner ger mindre sannolikhet för överkorsning inom segmentet. Vissa pericentriska inversioner förekommer som normalvarianter, men detta får inte generaliseras till alla fynd.

Inversioner kan vara direkt sjukdomsorsakande. En återkommande inversion som stör F8 är en viktig orsak till svår hemofili A. I tumörcytogenetik ger inv(16) i akut myeloisk leukemi fusionen CBFB::MYH11, vilken definierar en genetisk sjukdomsgrupp och har diagnostisk och prognostisk betydelse.

Translokationer — reciproka och Robertsonska

En reciprok translokation innebär utbyte mellan två icke-homologa kromosomer. En balanserad bärare har vanligen två derivatkromosomer utan påvisbar nettoförlust. Om endast en obalanserad derivatkromosom överförs till ett barn uppstår kombinerad partiell monosomi för ett segment och partiell trisomi för ett annat.

En Robertsonsk translokation uppkommer mellan två akrocentriska kromosomer, det vill säga 13, 14, 15, 21 eller 22. De långa armarna förenas till en kromosom, medan de korta armarna vanligen förloras. Eftersom ribosomala DNA-sekvenser finns i flera akrocentriska kromosomer tolereras denna förlust ofta. En balanserad bärare har typiskt 45 kromosomer men är fenotypiskt frisk.

rob(14;21) har särskild reproduktiv betydelse eftersom meiotisk segregation kan ge en gamet med två kopior av kromosom 21-material. Efter fertilisering kan barnet få translokationsorsakad trisomi 21. Återupprepningsrisken beror bland annat på vilken förälder som är bärare och måste bedömas individuellt.

Translokationer är också centrala i cancer. t(9;22)(q34;q11.2) skapar BCR::ABL1, vars konstitutivt aktiva tyrosinkinas driver kronisk myeloisk leukemi och förekommer i vissa akuta leukemier. Fusionsgenen kan påvisas med karyotypering, FISH, PCR eller RNA-sekvensering och är mål för tyrosinkinashämmare.

Insertioner, ringkromosomer, isokromosomer och komplexa avvikelser

En insertion innebär att ett segment tas från en position och förs in i en annan, inom samma kromosom eller i en annan kromosom. En klassisk insertion kräver minst tre brott. En balanserad bärare kan vara frisk men har risk för gameter där det insatta segmentet saknas eller förekommer i dubbel uppsättning.

Ringkromosomer bildas genom fusion mellan kromosomändar, med eller utan terminal DNA-förlust. Ringar kan ge sjukdom både genom deletion och genom mitotisk instabilitet: systerringar kan trassla in sig, brytas eller fördelas ojämnt. Detta kan skapa dynamisk mosaicism med varierande ringstorlek och olika kopietal mellan celler.

En isokromosom innehåller två kopior av samma arm och saknar den motsatta armen. Resultatet är samtidigt monosomi för den förlorade armen och trisomi för den duplicerade armen. Dicentriska kromosomer har två centromerer och kan vara instabila, även om ett centromer ibland inaktiveras.

Små supernumerära markörkromosomer är extra strukturer vars ursprung inte alltid kan bestämmas med G-bandning. Klinisk betydelse beror på om markören innehåller euchromatiskt, genrikt DNA och om den förekommer mosaikt. FISH, mikroarray och sekvensering kan behövas för karakterisering.

Komplex tumörgenetik omfattar kromotripsis, kromoplexi och extrakromosomalt DNA. Kromotripsis innebär många lokalt klustrade brott och återfogningar i ett katastrofliknande förlopp. Kromoplexi beskriver sammanlänkade rearrangemang över flera kromosomer. Extrakromosomalt cirkulärt DNA saknar fungerande centromer, segregerar oregelbundet och kan bära onkogener i högt kopietal.

Konstitutionella, de novo, mosaika och förvärvade avvikelser

En konstitutionell avvikelse finns från tidig utveckling och återfinns vanligen i flertalet vävnader. Den kan vara nedärvd från en förälder eller ha uppstått de novo under gametogenesen eller i zygoten. Ett de novo-fynd hos barnet utesluter inte gonadal mosaicism hos en förälder och innebär därför inte alltid noll återupprepningsrisk.

Postzygotiska rearrangemang ger mosaicism. Ju tidigare förändringen uppkommer, desto fler cellinjer och vävnader kan beröras. Andelen avvikande celler i perifert blod behöver inte motsvara andelen i hjärna, hud, gonader eller andra kliniskt relevanta organ. Klonal selektion kan dessutom öka eller minska den avvikande cellinjen över tid.

Förvärvade avvikelser uppkommer i somatiska celler och är typiskt begränsade till en vävnad eller tumörklon. De kan vara drivande lesioner, sekundära förändringar vid klonal evolution eller passagerarfynd. Exempel är aktiverande fusionsgener, deletion av tumörsuppressorgener och amplification av onkogener.

Provvalet är därför avgörande. Blod är lämpligt vid många konstitutionella frågeställningar men kan vara missvisande vid vävnadsbegränsad mosaicism. Vid hematologisk malignitet analyseras ofta benmärg eller perifert blod med tumörceller, medan solida tumörer kräver tumörvävnad.

Meiotisk segregation, fertilitet och återupprepningsrisk

Hos en bärare av en reciprok translokation bildar de två normala och två derivativa kromosomerna vanligen en kvadrivalent under meiosen. Segregationsmönstret avgör gametens kromosomala balans.

Vid Robertsonsk translokation bildas en trivalent. Segregationen kan ge normal eller balanserad gamet men också gameter med överskott eller underskott av en akrocentrisk kromosoms långa arm. Homologa Robertsonska translokationer, exempelvis mellan två kromosom 21, medför en särskilt ogynnsam reproduktiv situation eftersom balanserade normala gameter inte bildas på vanligt sätt.

Inversionsbärares risk beror på sannolikheten för överkorsning inom inversionen och på de rekombinanta segmentens livsduglighet. Stora inversioner ger större område för rekombination, medan mycket stora obalanser ofta leder till preklinisk förlust eller missfall snarare än levande fött barn.

Kliniska följder är subfertilitet, upprepade missfall, intrauterin fosterdöd eller barn med partiell mono- och trisomi. Risken kan inte beräknas som en generell 50-procentsregel. Den är kromosom-, brottpunkts-, köns- och familjespecifik och påverkas dessutom av selektion under gametbildning, implantation och fosterutveckling.

Fenotypiska och kliniska konsekvenser

Gendosobalans är den vanligaste mekanismen vid konstitutionella obalanser. Förlust av en doskänslig gen ger haploinsufficiens, medan en extra kopia av en triplosensitiv gen ger överuttryck. Genbrott kan inaktivera en gen, och sammanfogning av delar från två gener kan skapa ett fusionstranskript med ny eller konstitutiv funktion.

Positionseffekt uppstår när en strukturell förändring separerar en gen från dess enhancer eller placerar den i en annan kromatinmiljö. Efter så kallad trisomi- eller monosomi-rescue kan kromosomantalet normaliseras men båda homologerna härröra från samma förälder, vilket ger uniparental disomi. Detta kan orsaka imprintingsjukdom eller homozygoti för en recessiv variant.

Vanliga kliniska presentationsmönster är:

• multipla medfödda missbildningar, särskilt i flera organsystem,
• prenatal eller postnatal tillväxtavvikelse,
• utvecklingsförsening, intellektuell funktionsnedsättning eller autismspektrumproblematik,
• epilepsi, mikrocefali eller avvikande neurologiskt status,
• pubertetsstörning, infertilitet eller upprepade graviditetsförluster,
• avvikande blodstatus, organomegali eller annan misstanke om hematologisk malignitet.

Mitotisk instabilitet hos ringar, dicentriska kromosomer och tumörrelaterade rearrangemang skapar cell-till-cell-variation. Fenotypen påverkas därför av mosaicismens nivå och distribution, genetisk bakgrund, kön, ålder och miljö. Två personer med samma nominella deletion kan ha påtagligt olika symtombild om brottpunkter eller modifierande faktorer skiljer sig.

Diagnostik — metodval, upplösning och felkällor

Metoden ska väljas efter frågeställningen: helhetsbild av kromosomerna, riktad analys, kopietal, exakt brottpunkt eller funktionellt fusionstranskript. Ingen enskild metod påvisar alla typer av rearrangemang.

Karyotypering ger en viktig översiktsbild och kan visa om en extra kopia ligger på en derivatkromosom, något som mikroarray inte alltid kan avgöra. Mikroarray är däremot betydligt känsligare för submikroskopiska kopietalsavvikelser. SNP-baserad array kan dessutom visa långa homozygotiregioner eller möjlig uniparental disomi, men behöver kompletteras beroende på frågeställningen.

Falskt negativa eller missvisande fynd kan orsakas av låggradig mosaicism, otillräckligt cellantal, fel provvävnad och selektion under cellodling. Prenatalt måste maternell cellkontamination och begränsad placentamosaik beaktas. Ett normalt blodprov utesluter inte vävnadsbegränsad mosaicism, och en normal mikroarray utesluter inte balanserad translokation eller inversion.

Cellfritt DNA i maternellt blod är prenatal screening, inte definitiv diagnostik. DNA-fragmenten härrör huvudsakligen från placenta, och avvikande resultat kan bero på placentamosaik, maternell avvikelse eller annan biologisk faktor. Kliniskt betydelsefulla fynd ska därför bekräftas med invasiv provtagning, exempelvis korionvillibiopsi eller amniocentes, och lämplig diagnostisk metod.

ISCN-rapportering, varianttolkning och genetisk vägledning

ISCN beskriver först kromosomantal och könskromosomer, därefter rearrangemang, involverade kromosomer och brottpunkter. Cytogenetisk band anges med kromosomarm och region, exempelvis p15.2 eller q11.2.

Vid arrayanalys anges metod, referensgenom, genomiska koordinater och kopietal. En förenklad beskrivning kan exempelvis ange arr[GRCh38] 22q11.2(start_slut)x1, där koordinaterna preciserar segmentet och x1 anger en kopia i stället för normala två. Exakt notation ska följa laboratoriets aktuella ISCN-standard.

Varianter klassificeras som patogena, sannolikt patogena, av oklar signifikans, sannolikt benigna eller benigna. Bedömningen integrerar storlek och geninnehåll, doskänslighet, populationsfrekvens, publicerade fall, sjukdomsdatabaser, fenotypöverensstämmelse och segregation. Föräldraprov kan visa om fyndet är de novo eller nedärvt och kan samtidigt identifiera en balanserad bärare bakom barnets obalans.

En variant av oklar signifikans ska inte behandlas som en etablerad diagnos. Särskilt prenatalt kan prognosen vara osäker vid små eller mosaika avvikelser och vid fynd med ofullständig penetrans. Ytterligare fenotypning, riktad ultraljudsdiagnostik, föräldraprov eller annan metod kan minska men inte alltid undanröja osäkerheten.

Bärare av strukturella rearrangemang bör erbjudas individualiserad genetisk vägledning. Reproduktiva alternativ kan innefatta spontan graviditet med prenatal diagnostik, IVF med preimplantatorisk genetisk testning för strukturella rearrangemang, PGT-SR, eller användning av donerade könsceller. Vägledningen ska vara icke-direktiv, tydliggöra metodernas begränsningar och omfatta konsekvenser för biologiska släktingar, samtidigt som patientens autonomi och önskemål respekteras.

Källor

• Chromosome abnormality
• Kromosomavvikelse
• Chromosome abnormality
• Bild: File:Single Chromosome Mutations.svg — Richard Wheeler (Zephyris), vektorversion NikNaks, CC BY-SA 3.0