Molecular Cytogenetics and Cytogenomics of Brain Diseases

Molecular cytogenetics is a promising field of biomedical research that has recently revolutionized our thinking on genome structure and behavior. This is in part due to discoveries of human genomic variations and their contribution to biodiversity and disease. Since these studies were primarily targeted at variation of the genome structure, it appears apposite to cover them by molecular cytogenomics. Human brain diseases, which encompass pathogenic conditions from severe neurodegenerative diseases and major psychiatric disorders to brain tumors, are a heavy burden for the patients and their relatives. It has been suggested that most of them, if not all, are of genetic nature and several recent studies have supported the hypothesis assuming them to be associated with genomic instabilities (i.e. single-gene mutations, gross and subtle chromosome imbalances, aneuploidy). The present review is focused on the intriguing relationship between genomic instability and human brain diseases. Looking through the data, we were able to conclude that both interindividual and intercellular genomic variations could be pathogenic representing, therefore, a possible mechanism for human brain malfunctioning. Nevertheless, there are still numerous gaps in our knowledge concerning the link between genomic variations and brain diseases, which, hopefully, will be filled by forthcoming studies. In this light, the present review considers perspectives of this dynamically developing field of neurogenetics and genomics

Fluorescence intensity profiles of in situ hybridization signals depict genome architecture within human interphase nuclei

An approach towards construction of two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) profiles of interphase chromatin architecture by quantification of fluorescence in situ hybridization (FISH) signal intensity is proposed. The technique was applied for analysis of signal intensity and distribution within interphase nuclei of somatic cells in different human tissues. Whole genomic DNA, fraction of repeated DNA sequences (Cot1) and cloned satellite DNA were used as probes for FISH. The 2D and 3D fluorescence intensity profiles were able to depict FISH signal associations and somatic chromosome pairing. Furthermore, it allowed the detection of replicating signal patterns, the assessment of hybridization efficiency, and comparative analysis of DNA content variation of specific heterochromatic chromosomal regions. The 3D fluorescence intensity profiles allowed the analysis of intensity gradient within the signal volume. An approach was found applicable for determination of assembly of different types of DNA sequences, including classical satellite and alphoid DNA, gene-rich (G-negative bands) and gene-poor (G-positive bands) chromosomal regions as well as for assessment of chromatin architecture and targeted DNA sequence distribution within interphase nuclei. We conclude the approach to be a powerful additional tool for analysis of interphase genome architecture and chromosome behavior in the nucleus of human somatic cells.Представлено метод побудови двомірних (2D) та тримірних (3D) профілів інтенсивності сигналів флуоресцентної гібридизації in situ (FISH), що заснований на кількісній FISH. Наведена методика була використана для аналізу розташування та розподілу сигналів в інтерфазних ядрах клітин різних соматичних тканин людини. Використання 2D профілів інтенсивності продемонструвало можливість визначення локалізації FISH-сигналів. Більш того, даний підхід дозволив ідентифікувати репліковані сигнали, дати оцінку ефективності гібридизації та провести порівняльний аналіз варіації вмісту ДНК специфічних ділянок хромосом. Побудова 3D профілів показала розподіл інтенсивності у межах площі сигналу. Використання цієї методики дозволило визначити зосередження різних типів послідовностей ДНК: класична сателітна та альфоїдна ДНК; генонасичені (G-позитивні полоси) і геноненасичені (G-негативні полоси) ділянки хромосом. Крім цього, методика надала можливість оцінити розташування хроматина в інтерфазних ядрах як культивованих, так і некультивованих клітин. Зроблено висновок, що наведений підхід є ефективною додатковою методикою для вивчення ядерної організації, специфіки варіації та розташування послідовностей ДНК в інтерфазних ядрах, а також поведінки ядер при приготуванні хромосомних препаратів соматичних клітин людини.Представлен метод построения двухмерных (2D) и трехмерных (3D) профилей интенсивности сигналов флюоресцентной гибридизации in situ (FISH), основанный на количественной FISH. Настоящая методика была использована для анализа расположения и распределения сигналов в интерфазных ядрах клеток различных соматических тканей человека. Использование 2D профилей интенсивности продемонстрировало возможность определения колокализации FISH-сигналов. Более того, предложенный подход позволил идентифицировать реплицированные сигналы, дать оценку эффективности гибридизации и сравнительный анализ вариации содержания ДНК специфических участков хромосом. Построение 3D профилей показало распределение интенсивности в пределах площади сигнала. Применение этой методики позволило определить сосредоточение различных типов последовательностей ДНК: классическая сателлитная и альфоидная ДНК; геннонасыщенные (G-положительные полосы) и генноненасыщенные (G-отрицательные полосы) участки хромосом. Кроме того, методика дала возможность оценить расположение хроматина в интерфазных ядрах как культивированных, так и некультивированных клеток. В результате исследования был сделан вывод о том, что предлагаемый подход является эффективной дополнительной методикой для изучения ядерной организации, специфики вариации и расположения последовательностей ДНК в интерфазных ядрах, а также поведе- ния ядер при приготовлении хромосомных препаратов соматических клеток человека

НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ГЕНОМА ГОЛОВНОГО МОЗГА: ЭТИОЛОГИЯ, ПАТОГЕНЕЗ И НОВЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ ПСИХИЧЕСКИХ БОЛЕЗНЕЙ

The latest advances in molecular medicine, medical genetics and neurobiology have provided for a new look at processes occurring in cells of the brain and have allowed to discover previously unknown phenomena associated with mental traits and to propose new biomedical direction which include genomics, psychiatry and neurobiology ― brain genomics. The application of modern molecular and cellular technologies of genome analysis in the brain in common psychiatric disorders (autism, schizophrenia and Alzheimer’s disease) has shown that genomic instability is a phathogenetic mechanism of central nervous system abnormalities and plays a role in the brain development. Genomic disbalance alters neural homeostasis leads to cell death and is an important biological marker of psychiatric disorders which determine genomic pathways. These alterations lead to synaptic disfunction and neurodegeneration. In the present review, the main advances of brain genomics and potential application in diagnostic, clinical and therapeutic practice. Последние достижения в области молекулярной медицины, медицинской генетики и нейробиологии позволили по-новому оценить процессы, происходящие в клетках головного мозга, а также обнаружить ранее не известные феномены, связанные с различными особенностями психики человека, и создать новое направление, возникшее на стыке геномики, психиатрии и нейробиологии, ― геномику мозга. Использование современных молекулярных и клеточных технологий анализа генома в клетках головного мозга при широко распространенных и социально значимых психических заболеваниях (аутизм, шизофрения и болезнь Альцгеймера) показали, что геномная нестабильность представляет собой патогенетический механизм нарушения центральной нервной системы, а также играет роль в развитии головного мозга человека. Генный (геномный) дисбаланс не только нарушает гомеостаз нервной клетки, приводя к ее гибели, но и является значимым биологическим маркером психических заболеваний, позволяющим определять геномные сети, изменения в которых приводят к дисфункции синапсов или нейродегенерации. В настоящем обзоре представлены основные достижения геномики мозга и возможные пути их использования в диагностической, клинической и терапевтической практике.

INTEGRATED CLINICAL AND GENETIC APPROACH FOR DIAGNOSIS OF RETT SYNDROME IN CHILDREN

Rett syndrome represents one of the most important neuropsychiatric genetic diseases. It affects generally girls with the incidence 1:10000–1:15000. Mutations in clinked gene mecp2 are considered as the main cause of the disease. The particular patterns of chromosome x replication (type C) are observed in affected females allowing the cytogenetic technique application for the diagnosis. Cytogenetic and molecular genetic studies carried out in the present work allowed us to propose an integrated approach for the diagnosis of this disease. A clinical description, cytogenetic analyses (assessment of an abnormal chromosome X replication type in affected females as well as chromosome complement abnormalities in affected males), molecular cytogenetic assays using DNA probes specific for mecp2 gene region, studying mecp2 mutations, and x chromosome inactivation pattern studies were combined in order to provide the efficient clinical and genetic diagnosis of RTT as well as counseling of family with affected children. The data obtained have shown to increase significantly the efficiency of the diagnosis as well as genetic counseling of families with Rett syndrome affected children.Key words: Rett syndrome, x-chromosome inactivation, mecp2 mutations, replication of chromosome x, children

Pericentric inversion inv(7)(p11q21.1): report on two cases and genotype-phenotype correlations

We report on two unrelated cases of pericentric inversion 46,XY,inv(7)(p11q21.1) associated with distinct pattern of malformation including mental retardation, development delay, ectrodactyly, facial dismorphism, high arched palate. Additionally, one case was found to be characterized by mesodermal dysplasia. Cytogenetic analysis of the families indicated that one case was a paternally inherited inversion whereas another case was a maternally inherited one. Molecular cytogenetic studies have shown paternal inversion to have a breakpoint within centromeric heterochromatin being the cause of alphoid DNA loss. Maternal inversion was also associated with a breakpoint within centromeric heterochromatin as well as inverted euchromatic chromosome region flanked by two disrupted alphoid DNA blocks.Описаны два неродственных случая перицентрической инверсии 46,XY,inv(7)(p11q21.1), связанной с умственной отсталостью, задержкой развития, эктродактилией, аномалиями лица, готическим небом. Помимо этого, в одном случае наблюдали мезодермальную дисплазию. Цитогенетический анализ семей показал, что в одном случае инверсия имела отцовское происхождение, в другом – материнское. С помощью молекулярно-цитогенетических исследований было определено, что точка разрыва инверсии отцовского происхождения локализована в центромерном гетерохроматине и связана с потерей альфоидной ДНК. При анализе инверсии материнского происхождения было показано, что точки разрыва также локализованы в центромерном гетерохроматине и эухроматине участка 7q21–q22, а также ивертированный эухроматиновый участок расположен между двумя перестроенными блоками альфоидной ДНК

Chimerism and multiple numerical chromosome imbalances in a spontaneously aborted fetus

We report on a case of chimerism and multiple abnormalities of chromosomes 21, X and Y in spontaneous abortion specimen. To the best our knowledge the present case is the first documented chimera in a spontaneously aborted fetus. The application of interphase fluorescence in situ hybridization (FISH) using chromosome enumeration and site-specific DNA probes showed trisomy X in 92 nuclei (23 %), tetrasomy X in 100 nuclei (25 %), pentasomy of chromosome X in 40 nuclei (10 %), XXY in 36 nuclei (9 %), XXXXXXYY in 12 nuclei (3 %), XXXXXYYYYY in 8 nuclei (2 %), trisomy 21 and female chromosome complement in 40 nuclei (10 %), normal female chromosome complement in 72 nuclei (18 %) out of 400 nuclei scored. Our experience indicates that the frequency of chimerism coupled with multiple chromosome abnormalities should be no less than 1 : 400 among spontaneous abortions. The difficulties of chimerism identification in fetal tissues are discussed

Non-disjunction of chromosome 21, alphoid DNA variation, and sociogenetic features of Down syndrome

The analysis of non-disjunction of chromosome 21 and alphoid DNA variation by using cytogenetic and molecular cytogenetic techniques (quantitative fluorescence in situ hybridization) in 74 nuclear families was performed. The establishment of possible correlation between alphoid DNA variation, parental age, environmental effects, and non-disjunction of chromosome 21 was made. The efficiency of techniques applied was found to be 92 % (68 from 74 cases). Maternal non-disjunction was found in 58 cases (86 %) and paternal non-disjunction — in 7 cases (10 %). Post-zygotic mitotic non-disjunction was determined in 2 cases (3 %) and one case was associated with Robertsonian translocation 46,XX,der(21;21)(q10;q10),+21. Maternal meiosis I errors were found in 43 cases (64 %) and maternal meiosis II errors — in 15 cases (22 %). Paternal meiosis I errors occurred in 2 cases (3 %) and paternal meiosis I errors — in 5 cases (7 %). The lack of the correlation between alphoid DNA variation and non-disjunction of chromosome 21 was established. Sociogenetic analysis revealed the association of intensive drug therapy of infectious diseases during the periconceptual period and maternal meiotic non-disjunction of chromosome 21. The correlation between non-disjunction of chromosome 21 and increased parental age as well as exposure to irradiation, alcohol, tobacco, mutagenic substances was not found. The possible relevance of data obtained to the subsequent studies of chromosome 21 non-disjunction is discussed.Проведен анализ нерасхождения хромосомы 21 и вариации альфоидной ДНК в 74 ядерных семьях с детьми, страдающими синдромом Дауна, с помощью цитогенетических и молекулярно-цитогенетических (количественная флюоресцентная гибидизация in situ) методов. Помимо этого, был также проведен анализ корреляции между вариацией альфоидной ДНК, возрастом родителей, факторами окружающей среды и нерасхождением хромосомы 21. Эффективность использованных методов составила 92 % (68 из 74 случаев). Материнское нерасхождение было обнаружено в 58 случаях (86 %), отцовское — в 7 случаях (10 %). Постзиготическое митотическое нерасхождение было определено в 2 случаях (3 %) и в одном случае — робертсоновская транслокация 46,XX,der(21;21)(q10;q10),+21. Ошибки в материнском мейозе I были обнаружены в 43 случаях (64 %), в материнском мейозе II — в 15 случаях (22 %). Ошибки в отцовском мейозе I были определены в 2 случаях (2 %), в отцовском мейозе II — в 5 случаях (7 %). Было установлено отсутствие корреляции между вариацией альфоидной ДНК и нерасхождением хромосомы 21. Социогенетический анализ показал наличие корреляции между интенсивной лекарственной терапией инфекционных заболеваний в периконцепционном периоде и нерасхождением хромосомы 21 в материнском мейозе. Показано также, что нерасхождение хромосомы 21 нельзя определить достоверно связанным с большим возрастом родителей, воздействием радиации, употреблением алкоголя, курением табака, а также воздействием химических соединений с мутагенным эффектом. Обсуждается значимость полученных результатов для последующих исследований нерасхождения хромосомы 21

Factors Influencing the Success Of Autism Spectrum Disorders Overcoming

No more than 10—20% of children with autism, as becoming adults can adapt to a relatively independent life. Despite many publications dedicated to autism, relatively little work has examined the output characteristics and pathomorphosis of psychic and cognitive disorders in people with autism spectrum disorders (ASD). Only few longitudinal studies allow us to represent what happens in later life with people who have ASD. For conducting effective correctional interventions overcomingwith children with ASD there is need to identify predictors of successful overcome of disorders. The basis for the study, conducted by a team of psychologists and neuroscientists, was the assumption that the information about the features of violations of basic neurobiological mechanisms in people with autism spectrum disorders should determine the tactics of assistance. Genetic, neurophysiological and psychological factors, causing more successful overcoming of these disorders in children are revealed

Complex cytogenetic and molecular-genetic analysis of males with spermatogenesis failure

The chromosomal anomalies, microdeletions of AZF region of Y-chromosome and CFTR gene mutations have been studied among 80 infertile men with idiopathic spermatogenetic failure: 36 (45 %) patients with aspermia, 19 (24 %) patients with azoospermia and 25 (31 %) patients with severe oligoasthenoteratozoospermia. In total 30 % males with spermatogenetic failure genetic factor of infertility was observed. Karyotype anomalies were observed in 17.5 % of infertile men, within 16.2 % numerical and structural gonosomal anomalies and in 1.3 % – Robertsonian translocation were revealed. In 11 % males with spermatogenetic failure, Y-chromosome AZF region microdeletions were detected. The frequency of CFTR major mutation F508del among infertile men was 6.25 %. 5T allele of polymorphic locus IVS8polyT was detected in 7.5 % of examined men. The results obtained indicate the high complexity of cytogenetic and moleculargenetic studies of male infertility.Изучали аномалии хромосом, микроделеции AZF региона Y-хромосомы и мутации гена ТРБМ у 80 мужчин с идиопатическими нарушениями сперматогенеза, а именно: у 36 (45 %) пациентов с аспермией, 19 (24 %) пациентов с азооспермией и 25 (31 %) пациентов с олигоастенотератозооспермией IV степени. В общем у 30 % мужчин с нарушениями сперматогенеза установлены генетические факторы бесплодия. Нарушения кариотипа наблюдали у 17.5 % бесплодных мужчин, среди них у 16.2 % – количественные и структурные аномалии хромосом и у 1.3 % – робертсоновскую транслокацию. У 11 % мужчин с нарушениями сперматогенеза выявили микроделеции AZF региона Y хромосомы. Частота мажорной мутации F508del гена ТРБМ среди бесплодных мужчин составила 6.25 %. 5T аллель полиморфного локуса IVS8polyT выявили у 7.5 % обследованных мужчин. Полученные результаты свидетельствуют о высокой информативности комплексного цитогенетического и молекулярно-генетического исследования при мужском бесплодии