Upload
allen-hays
View
92
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
16.2.2009. Genetika v zubním lékařství- 1. Genetika, genomika. genetika specializovaný biologický obor zabývající se variab i litou a dědičností klinická genetika zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (nejen u pacienta ale celé rodiny!) genetické poradenství - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
Genetika v zubním lékařství- 1
16.2.2009
2
Genetika, genomika genetika
– specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností
– klinická genetika zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (nejen u
pacienta ale celé rodiny!) genetické poradenství
– lidská genetika studuje variabilitu a dědičnost u člověka
– cytogenetika studium chromozomů
– molekulární genetika studium struktury a funkce jednotlivých genů
– populační genetika studium proměnlivosti populací
– komparativní a evoluční genetika mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů
genomika– studuje strukturu a funkci genomů pomocí genetického mapování,
sekvenování a funkční analýzy genů– snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých
organizmů strukturní genomika = pochopení struktury genomu
konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů
reprezentovala zejména iniciální fázi analýzy genomů; konečným cílem byla kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt)
funkční genomika = studium funkce genů a ostatních částí genomu využívá poznatků strukturní genomiky a snaží se o poznání funkce genů;
velmi často k tomu využívá modelové organizmy (myš, kvasinka, nematoda, Drosofila aj.) jako časově a finančně výhodnou alternativu vyšších živočichů (zejm. pro možnost studovat mnoho generací v relativně krátkém čase
3
Lidský genom Human Genome Project (HUGO) hustota genů na jednotlivých
chromosomech dost heterogenní– pouze ~10% kódující sekvence– ~75% se skládá z jedinečné
(neopakující se) sekvence– zbytek repetitivní sekvence
nejasná funkce, zřejmě udržují strukturu chromozomů, možná jsou “evoluční”rezervou
typy repetic tandemové
» mikrosatelity» minisatelity
Alu-repetice L1-repetice
mitochondriální DNA– několik desítek genů kódujících
proteiny zapojené v mitochondriálních procesech
– přenos pouze od matky!
4
Povaha informace v DNA
Některé geny nekódují protein. Funkce transkribované RNA v tomto případě je:
processing mRNA (malé nukleární RNA čili snRNA)
translace mRNA do proteinu (transfer RNA-tRNA, ribosomální RNA-rRNA. tRNA a rRNA kóduje 3D strukturu ve výsledných produktech RNA, které umožňují jejich funkci.
5
Syntéza DNA ve zvířecích buňkách
DNA je ve zvířecích buňkách ve formě chromosomů (1-10cm celkové délky). Každý chromosom má 2000 začátků (origins) replikace. Od každého tohoto místa probíhá obousměrně syntéza DNA. Až se jednotlivé kousky syntetizované z míst začátku replikace setkají, vzniká dceřinné vlákno DNA. Začátky jsou od sebe vzdáleny cca 30-100 m.
časová synchronizace syntézy 50000-60000 replikonů v každém genomu.
6
Genom ve zdraví a nemoci
Genetická výbava jedince (souhrn všech genů=genom) je sice osudově zadána v okamžiku zplození, ale není pro další život konečná, protože v průběhu života se může měnit jak pod vlivem četných faktorů epigenetických (vlivy prostředí), tak pod vlivem dalších faktorů genetických (např. mutacemi somatických buněk v průběhu maligní transformace).
7
Genomika
je obor genetiky, který se snaží stanovit úplnou genetickou informaci organismu a interpretovat ji v termínech životních pochodů. Někdy se genomika rozděluje na tzv. strukturní genomiku, spočívající ve stanovení sledu nukleotidů genomu organismu, na bioinformatiku, jež počítačovými metodami a prací v databázích interpretuje přečtenou dědičnou informaci a na funkční genomiku, kde se experimentem, například vyřazením nějakého genu z činnosti (zvířecí modely typu knock out), snažíme přiřadit funkci neznámým genům, případně funkci genů studovat.
8
Struktura DNA
Cukry-N-glykosidické vazby bazí mezi C1 deoxyribózy (DNA) a ribózy (RNA) a N1 pyrimidinových bazí a N9 purinových bazí.
Báze A, T (- vazby), G, C (= vazby) Fosfáty jsou esterifikovány na C5
´deoxyribózy a vytvářejí dNMP dNMP+P=dNDP+P=dNTP
9
Nukleosid nukleotid báze DNA
10
DNA - dvojšroubovice
DNA kostra – polynukleotidový řetězec– zbytky deoxyribózy a
kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou
DNA dvojšroubovice– 2 polynukleotidové
řetězce v opačné orientaci
– vodíkové vazby mezi páry bází (AT, GC)
11
12
13
5´
3´
3´
5´
5´ 3´
Promotor Exon 1 Intron 1 E2 I 2 E 3 I 3 Exon 4DNA
RNAtranskript
Zralá mRNA
Protein NH2 COOH1 2 3 4
Lidský gen
RNA
Transkripce
Processing (capping, adice poly A, splicing)
Translace
3´
Cap AAAAAn
5´UTR 3´UTR
5´UTR 3´UTR
1 I 2 I 3 I 4
1 2 3 4
14
Povaha informace skladované v DNA
Některé geny kódují protein. Jejich transkribovaná RNA se nazývá heterogenní nukleární RNA (hnRNA). Ta se upravuje (processing) na mRNA.
Messenger RNA (mRNA) je lineární kód, který je možno převést (translace) do sekvence AK polypeptidu pomocí kodonů a antikodonů (o 3 znacích) pro každou AK.
15
Lidské chromosomy
• morfologicky barvitelné pouze v průběhu mitózy nebo meiózy, kdy dochází ke kondenzaci
• v diploidní buňce 23 párů homologních chromosomů (22 párů autosomů a 2 pohlavní chromosomy)
16
Karyotyp podle Denverské klasifikace
17
Karyotyp člověka každý biologický druh má svou
charakteristickou chrom. výbavu (počet a morfologii) = karyotyp– u člověka mají diploidní bb. 46
chromozomů 22 párů homologních autozomů,
1 pár gomozomů (44XX nebo 44XY)
– zárodečné (vajíčko, spermie) 23 – haploidní
struktura chromozomu– centromera– telomery (raménka)
dlouhé - q krátké – p
– barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne charakteristického pruhování a tím rozlišení jednotlivých chromozomů
18
Genová exprese - transkripce a translace DNA
19
Dělení buněk mitóza
– 2 dceřinné buňky s diploidním počtem chromozomů
– 1 cyklus DNA replikace následuje rozdělení chromozomů a jádra (profáze prometafáze metafáze anafáze telofáze) a násl. celé buňky (cytokineze)
meióza– 1 cyklus replikace následován 2 cykly
segregace chromozomů a buněčného dělení
1. meiotické (redukční) dělení – rozdělení homologních chromozomů
významné – odehrává se zde meiotický crossing-over (rekombinace) – žádná z gamet není identická!
poruchy rozestupu – např. trisomie 2. meiotické dělení – rozestup
sesterských chromatid– 2 dceřinné buňky s haploidním počtem
chromozomů vznik pohlavních buněk (spermie,
vajíčko) dodatečné promíchání genetického
materiálu crossing-overem
20
Základní terminologie
Gen Lokus Alela Genotyp (homozygot,
heterozygot) Genom
21
Gen alela genotyp fenotyp gen – základní jednotka dědičnosti
– segment molekuly DNA, který obsahuje kód pro aminokyseliny přísl. polypeptidu a nezbytné regulační sekvence pro regulaci své exprese
exony introny promotor (5’-konec)
vazebná místa pro transkripční faktory 3’ nepřepisovaná oblast (UTR)
genové rodiny– sekvenčně podobné geny, které
vznikly zřejmě duplikací během evoluce
např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny, …
pseudogeny– podobné konkrétním genům ale
nefunkční
fenotyp – vnější projev (vyjádření) genotypu
22
Chromozomální podstata dědičnosti DNA
– nese potřebnou informaci potřebnou pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a reprodukce
– složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze)– molekulárně-biologické dogma
DNA RNA protein organizována v chromozomech
– chromatin+ chromozomální proteiny (histony) základní jednotky informace jsou geny
– lidský genom obsahuje cca 30 000 genů– každý le umístěn na konkrétním místě konkrétního
chromozomu = lokus genetický kód – určuje pořadí
aminokyselin v proteinu– univerzální
podobný princip u většiny živých organizmů
– tripletový trojkombinace 4 nukleotidů (A, C, G, T)
– degenerovaný 43 = 64, ale aminokyselin jen 21
23
Chromosomové a genové aberace
Chromosomové aberaceStrukturníNumerické
Genové mutaceVzácné alelyPolymorfismy
24
Chromozomální poruchy aneuploidie (změna počtu chromosomů
v sadě) porucha rozdělení sesterských
chromozomů [meiotická non-disjunkce] později během rýhování somatická
mozaika – monosomie
gonozomální Turnerův sy. (45, X0)
– trisomie autozomální
Downův sy. (47, XX/XY + 21) Edwardsův sy. (47, XX/XY +18) Patauův sy. (47, XX/XY +13)
gonozomální Klinefelterův sy. (47, XXY)
polyploidie (porucha rozdělení celých sad nebo oplození 2 spermiemi [dispermie])– u člověka neslučitelné se životem
těhotenství je potraceno molla hydatidosa (a pak těhotenství nutno
ukončit potratem) porod novorozence s triploidií – velmi časná
letalita
25
Chromatin chromozom
v nedělící se buňce je chromatin rozprostřen volně v jádře
u dělící se organizuje do viditelných chromozomů
26
Genové mutace Z hlediska patogeneze nemocí je důležité, zda se
jedná o mutace v somatických buňkách, které vznikají v průběhu života, většinou jsou buněčně nebo tkáňově specifické a nepřenášejí se na potomstvo, nebo zda jde o tzv. zárodečné mutace, které vznikají v zárodečných buňkách (vajíčko nebo spermie), stávají se součástí vrozené genetické predispozice, jsou obsaženy ve všech buňkách a přenášejí se na potomstvo.
Mutací vzniklé alely jsou v populaci z různých důvodů vzácné (např. jsou výrazně patologické a tudíž jsou z populace odstraňovány selekcí, nebo vznikly nedávno a nestačily se v populaci rozšířit) a časté (polymorfismy).
27
Typy mutací
Genové Chromosomové aberace
28
Germinativní vs. somatické mutace
Germinativní mutace přítomny ve všech buňkách. V průběhu života se nemění (genetická predispozice?)
Somatické mutace vznikají v somatických buňkách v průběhu života (maligní transformace).
29
Genové mutace
Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGU
G
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „missense“
DNA ATGCAGCTGACCTCAGTG TACGTCGACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGCUGACCUCAGUG
PROTEIN Met-Gln-Leu-Thr-Ser-Val
Příklady-hemoglobin S u srpkovité anemie
30
Genové mutace
Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGU
G
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „nonsense“
DNA ATGCAGGTGACCTGAGTG TACGTCCACTGGACTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUGAGUG
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Stop
Příklady: 0 thalasemie
31
Genové mutace
Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu trinukleotidové expanze
DNA ATG(CAGCAGCAG)20CAGGTGACCTCAGTG
TAC(GTCGTCGTC)20GTCCACTGGAGTCAC
RNA AUG (CAGCAGCAG)20CAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN Met-(Gln-Gln-Gln)20Gln-Val-Thr-Ser-Val
Příklady: Huntingtonova nemoc
32
Genové mutace
Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „frameshift“ (=posun čtecího rámce)
DNA ATGCAGGTGAACCTCAGTG TACGTCCACTTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGAACCUCAGUG
PROTEIN Met-Gln-Val-Asn-Leu-Ser
Příklady:
Duchennova muskulární dystrofie, 0 thalasemie, Tay-Sachsova
choroba
33
Typy mutací Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGU
G
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „inserce“ DNA ATGCAGGTG-3000 bp-ACCTCAGTG TACGTCCAC-3000 bp-TGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUG-3000 bp- ACCUCAGUG
PROTEIN Met-Gln-Val----------------?
Příklady: velké: Hemofilie A
34
Typy mutací Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA AUGCAGGUGACCUCAGU
G
PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „delece“ DNA ATGCAGGTG TACGTCCAC
RNA AUGCAGGUG
PROTEIN Met-Gln-Val
Příklady: malé-cystická fibróza velké: Duchennova
muskulární dystrofie
35
Monogenní nemoci
Rozvoj molekulárně biologických metod umožnil detailní analýzu genetického podkladu mnoha mendelisticky děděných, tzv. monogenních nemocí.
U těchto chorob se dědičný podklad uplatňuje jako velký faktor, tj. je přítomen prakticky u všech nemocných a jedná se prokazatelně o faktor příčinný (např. defekty v dystrofinovém genu u muskulárních dystrofií), k němuž se přidávají jen jako přídatné další faktory genetické i faktory zevního prostředí. Příčinou těchto nemocí bývají především tzv. vzácné alely
36
Čtyři základní typy dědičnosti
dominantní recesivní
autosomální
autosomálně dominantní (AD)
autosomálně recesivní (AR)
X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR)
37
Monogenní choroba
Monogenní choroba je determinována alelami v jednom lokusu.
Variantní alela, která vznikla mutací někdy v nedávné nebo vzdálené minulosti a je většinou relativně málo častá, nahrazuje původní „divokou“ alelu na jednom nebo obou chromosomech.
Má-li jedinec pár identických alel, říkáme, že je homozygot, pokud jsou alely rozdílné, jedinec je heterozygot.
Monogenní choroby mají charakteristický způsob přenosu v rodinách.
38
Monogenní nemoci
Monogenní choroby jsou primárně, i když ne výlučně, chorobami dětského věku.
Méně než 10% z nich se manifestuje po pubertě a pouhé 1% se objeví po skončení reprodukčního věku. I
V populační studii na 1 milionu živě narozených dětí byla incidence vážných monogenních chorob odhadnuta na 0,36%, u 6-8% hospitalizovaných dětí se uvažuje o monogenních chorobách.
39
Monogenní nemoci onemocnění je důsledkem mutace v jediném lokusu (= jednolokusové) přenos mutace (a fenotypu) odpovídá Mendelovým zákonům (= mendelistické
nemoci)– konstrukce rodokmenů
typy přenosu– autozomální
geny na obou autozomech aktivní– gonozomální (X-chromozom vázané)
muži hemizygotní u žen 1 X-chromozom inaktivován!!
– jiné imprinting, mozaicizmus, …
podle projevu genotypu ve fenotypu– recesivní
nemoc jen u mutovaného homozygota– dominantní
nemoc stejná u heterozygota a mutovaného homozygota– neúplně dominantní
odstupňovaná tíže nemoci u heterozygota a mutovaného homozygota– kodominantní
jak normální tak patologická alela jsou vyjádřeny ve fenotypu doposud známé shrnuje OMIM (On-line Mendelian Inheritance in Man)
– ~6000 klinicky významných fenotypů typické znaky
– časná manifestace (dětství)– malá frekvence v populaci– většinou výrazně patologické
40
Autozomální monogenní nemoci (1) recesivní = u heterozygotů s
1 mutovanou alelou stačí produkt normální k udržení normální funkce
– manifestní onemocnění u heterozygota je důsledkem:
haploinsuficience pro normální funkci je potřeba
>50% aktivního genového produktu
dominantě negativního efektu syntéza abnormálního proteinu,
který “soutěží” s normálním a ovlivňuje fenotyp (např. osteogenesis imperfecta)
zesílení funkce (“gain-of-function”) mutací je posílena přirozená
vlastnost proteinu (např. Huntingtonova chorea)
ztráty heterozygozity (loss-of-heterozigosity, LOH) v somatické buňce
např. familiární predispozice k nádorůmv důsledku mutací v supresorových genech (např. retinoblastom)
(2) pokud nestačí produkt k udržení normální funkce dominantní
nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově
autozomálně recesivní (AR)– velmi často enzymové defekty– postižen je mutovaný homozygot (popř.
sourozenci), heterozygotní rodiče jsou přenašeči (asymptomatičtí)
riziko 0.50 0.50 = 0.25– muži a ženy většinou postiženi stejně– frekvence přenašečů nemoci v populaci
>>> frekvence nemocných– nejčastější AR nemocí u bělochů je
cystická fibróza f nemocných 1/2000, f přenašečů 1/22 !!!
– konsanguinita (příbuzní rodiče) a imbreeding významně zvyšuje riziko AR (přenašeči v rodinách)
domluvené sňatky (např. bratranec / sestřenice)
geneticky izolované populace (např. Aškenazi židé – Tay-Sachsova choroba )
autozomálně dominantní (AD)– nemoc se projevuje v každé generaci -
postižený jedinec má postiženého rodiče (a prarodiče) a to matku nebo otce
riziko pro potomka 0.50 (pokud by byli oba rodiče postižení pak 0.75, ale to je vzácné)
– příklady nejčastějších AD familiární hypercholesterolemie (1/500), myotonická dystrofie (1/1000) Huntingtonova chorea (1/3000)
41
X-vázané monogenní nemoci ženy 3 genotypy, muži pouze 2 X-vázané nemoci se manifestují u
všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen– ale výjimky viz dále
příklady– hemofilie A– Duchenneova muskulární dystrofie– Wiskott-Aldrichův syndrom
(imunodeficience) inaktivace X-chromozomu u žen
– kompenzace dávky a exprese X-vázaných genů
– hypotéza Lyonové (“lyonizace”) v somatických bb. je 1 X inaktivovaný
a v interfázi se zobrazuje jako “Barrovo” tělísko (viz sporné identifikace pohlaví)
proces je náhodný, může se týkat jak otcovského tak mateřského X
– důsledkem je variabilní exprese X-vázaných genů u heterozygotek (“manifestující přenašečka”)
funkční mozaicismus
42
Mitochondriální dědičnost Z hlediska genetiky je zásadní fakt, že mtDNA je
předávána další generaci výhradně matkou (matroklinní dědičnost), když po oplodnění jsou zachovány pouze mitochondrie lidského vajíčka. To patrně není pouhým důsledkem nepoměru počtu mitochondrií lidského oocytu (cca 100 000) a spermie (50-70), ale předpokládá se aktivní proces, který po oplození zlikviduje mitochondrie paternálního původu. Tomu odpovídá i typický maternální přenos chorob způsobených mutacemi mtDNA v rodokmenu (viz obrázek). Pokud je heteroplazmická mutace zděděna nebo k ní dojde v časných fázích embryogeneze, normální i mutovaná varianta jsou náhodně předávány při buněčném dělení dceřinným buňkám (mitotická i meiotická segregace). Distribuce a zastoupení mutované mtDNA v jednotlivých orgánech jsou proto patrně závislé na čase a vzniku mutace a rovněž na typu postižené buňky.
43
Rodokmen pro mitochondriální dědičnost
44
Polymorfismy v DNA Jako polymorfismy v DNA se označují přirozeně se
objevující změny v sekvenci DNA s více než jednou variantou-alelou, s populační frekvencí více než 1 %. Objevují se v průměru jednou na každých 1000 párů bází genomové DNA.
Asi 90 % z nich jsou polymorfismy se záměnou jednoho nukleotidu (single nucleotide polymorphisms - SNP), jejichž podstatou je substituce jedné báze.
Většina těchto polymorfismů leží v nekódujících (intronových) sekvencích, na jejichž funkční význam existují odlišné názory.
45
Polymorfismy v DNA
Kromě SNP se vyskytují také minisatelitní a mikrosatelitní polymorfismy, které vznikají v důsledku variace v tzv. tandemových repetitivních sekvencích. Minisatelitní polymorfismy jsou obvykle dlouhé 0,1-20 kilobází, zatímco mikrosatelitní často méně než 100 párů bazí.
Většina mikrosatelitních polymorfismů jsou dinukleotidové opakovací (repeat) sekvence, jako je např. opakování motivu CA. SNP jsou obvykle bialelické (existují jen dvě alely), mikrosatelitní polymorfismy multialelické (existuje více než dvě alely). Ačkoliv většina polymorfismů je zřejmě funkčně neutrální, část z nich zřejmě má alelicky specifické účinky na regulaci genové exprese nebo funkce kódovaného proteinu, což determinuje interindividuální variabilitu v biologických znacích i vnímavost vůči nemoci.
46
Polymorfismy v DNA
Ačkoliv většina polymorfismů je zřejmě funkčně neutrální, část z nich zřejmě má alelicky specifické účinky na regulaci genové exprese nebo funkce kódovaného proteinu, což determinuje interindividuální variabilitu v biologických znacích i vnímavost vůči nemoci.
47
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
Za genetickou predispozici mnoha biologických procesů, evolučních adaptací a tedy také tzv. komplexních nemocí zřejmě odpovídají kombinace určitých genů a určitých faktorů zevního prostředí. Interakční efekty a vliv vnějších faktorů však nutně musíme očekávat i v případě mendelisticky děděných nemocí, což se koneckonců projevuje ve všeobecně známé lékařské zkušenosti se širším klinickým spektrem příznaků stejného onemocnění.
48
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
Na odhalení nejobecnějších principů genetiky multifaktoriálních nemocí se na rozdíl od genetiky nemocí mendelistických v současné době stále ještě čeká. Také z tohoto důvodu zatím v klinické praxi často kolísá názor na výsledky genetických studií, které se snaží odhalit genetický podklad komplexních nemocí, od neodůvodněného očekávání nad nalezenými geny velkého účinku až po velkou skepsi vzhledem k existenci genetického podkladu v populaci četných nemocí ( nad 1%), jako je v kardiologii např. esenciální hypertenze. Jisté je, že pokud choroba má prokazatelně familiární výskyt, musíme očekávat podíl genetického podkladu na její manifestaci, a to i v tom případě, že není dosud dobře definován nebo dosavadní znalost nepovažujeme za přesvědčivou.
49
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
Jinak řečeno, v 21. století již musíme počítat s tím, že fakticky každá choroba má nějaké genetické pozadí, jehož podíl na manifestaci dané choroby je různý.
Své genetické pozadí mají i tak relativně vzdálené proximální fenotypy, jako je např. kvalita života u nemocných s chronickým kardiovaskulárním onemocněním.
50
Komplexní choroby choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex“
genetických, epigenetických a vnějších faktorů– fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či
recesivní dědičnost jako důsledek změn v jediném lokusu (tzv. jednolokusových)
predisponující “geny” zvyšují pravděpodobnost onemocnění, ale nedeterminuje jednoznačně jeho přítomnost
– je nutné spolupůsobení negenetických faktorů (prostředí) dieta, fyzická aktivita, kouření, ….
– a interakcí genů mezi sebou komplexní onemocnění jsou charakterizována:
– neúplnou penetrancí patologického fenotypu u určité části osob, přestože zdědí nevýhodný genotyp (zde ve
smyslu souboru vícero genů) se patologický fenotyp nerozvine – existencí fenokopií
patologický fenotyp může být přítomen u lidí, kteří nejsou nosiči zmíněného genotypu
– genetickou heterogenitou (lokusovou a alelickou) klinický obraz není specifický, ale může se rozvinout v
důsledku záměn v genech ležících na různých lokusech (= lokusová heterogenita), v jednotlivých genech může být přitom vícero mutací či polymorfizmů (= alelická heterogenita)
– polygenní dědičností predispozice k rozvoji patologického fenotypu se zvyšuje pouze
při simultánním výskytu určitého souboru alel – vysokou populační frekvencí alel zodpovědných za rozvoj
patologického fenotypu každá jednotlivá predisponující alela pravděpodobně není
sama o sobě výrazně patogenní – spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu
mitochondriální dědičnost, imprinting nejčastější komplexní nemoci
– diabetes (1. i 2. typu)– dyslipidemie– esenciální hypertenze– alergie
51
J EDNOLOKUSOVÉ NEMOCI KOMPLEXNÍ NEMOCI Závažnost nemoci, manifestace
Narušují homeostázu zásadním způsobem a porucha se objevuje brzy v průběhu života. Závažnost je pro konkrétního nositele je značná. Z hlediska populační morbidity a mortality jsou však nevýznamné!
Rovněž zásadně narušují homeostázu, ovšem efekt nastupuje postupně a efekt kulminuje v pozdějším období života. Hlavní faktor ovlivňující morbiditu a mortalitu v populaci, zejm. v rozvinutých zemích!
Interakce s prostředím
Některé se vyvinou bez ohledu na prostředí, u jiných je nutný specifický etiologický činitel (např. u fenylketonurie přítomnost fenylalaninu v dietě) nebo několik činitelů (např. oxidační stres u hemolytické anemie při G6PD deficitu).
Manifestace je pravidelně výsledkem spolupůsobení komplexu genů interagujících s prostředím během vývoje, dospívání a zejm. stárnutí.
Variabilita fenotypu
Modifikující geny, někdy pohlaví (např. heredit. hemochromatóza) a efekt prostředí činí fenotyp do jisté míry variabilní, ale ne tak jako u komplexních onemocnění; efekt hlavního patologického genu vždy dominuje a kvalitativně jsou značně homogenní.
Fenotyp je výsledkem interakce efektů jednotlivých genů, přičemž charakter interakce může být heterogenní, aditivní či multiplikativní.
Penetrance Obecně vysoká. Typicky nekompletní (avšak pojem penetrance úzce souvisí s definicí fenotypu, což je u komplexních onemocnění svébytný problém).
Populační frekvence genetických variant
Obecně velmi nízká jako důsledek vysokého selekčního tlaku; výjimku z pravidla představují nemoci, které přináší určitou selekční výhodu (např. hereditární hemoglobinopatie v malarických oblastech).
Frekvence minoritních alel jsou vyšší, často se jedná o tzv. běžné polymorfizmy. Varianty genů jsou pravděpodobně evolučně starší; evoluční konzervace je součástí lidského vývoje.
Genetická architektura
Poměrně velmi velká lokusová homogenita (tj. stejný gen), ale jsou výjimky (např. retinitis pigmentosa, Ehlers-Danlosův syndrom aj.). Typicky extrémně vysoká alelická heterogenita (tj. různé mutace) jako důsledek očišťující selekce (např. ~160 mutací u hemofilie B, ~270 mutací u cystické fibrózy, ~700 u familiární hypercholesterolemie).
J e předmětem intenzivního výzkumu. Lokusová heterogenita bude zřejmě vyšší, alelická už by nemusela být, protože zodpovědné varianty nejsou předmětem tak silné selekce (běžné polymorfizmy).
52
Během G1 fáze buněčného cyklu vnímá buňka signály z prostředí (hormony, vitaminy, látky poškozující DNA), které jí „sdělují“, zda vstoupit či nevstoupit do fáze syntézy DNA, replikace DNA a rozdělení buňky na dvě dceřinné. Jakmile se jednou buňka rozhodne replikovat DNA, následuje vždy její rozdělení. Pro buněčný růst a dělení je tedy rozhodujícím mechanismem začátek replikace DNA.
Ztráta kontroly nad syntézou DNA u rakoviny
53
Ztráta kontroly nad syntézou DNA u rakoviny Buněčný cyklus je u zdravého jedince
regulován tak, že každý buněčný typ v daném orgánu „ví“, kdy přestat s růstem. U dospělého jedince jsou téměř všechny tkáně kontinuálně regenerovány a buňky opět „vědí“, kdy přestat s dělením.
U rakoviny buňka selhává ve schopnosti přijmout nebo interpretovat signály prostředí.
54
Hypotéza typu „thrifty genotype“
V současné populaci jsou selektovány alely, které favorizují přírůstek váhy a skladování tuků, aby byl zajištěn dostatek živin pro častá období nedostatku potravy.
Při konstantně vysoké nabídce potravy a poklsu fyzické aktivity tato predispozice vede k pandemii obezity v rozvinutých zemích.
55
Genetické studie Základní debata nad genetickým podkladem nemocí
logicky začíná od strategie výběru tzv. kandidátních genů. Tato otázka je podstatně jednodušší u mendelisticky děděných nemocí, kde se změněná funkce jednoho genu snadněji identifikuje.
Dalším významným momentem je výběr statistické metodologie, která zhodnotí sílu asociace genů s chorobami. Možnosti jsou v zásadě dvě: linkage (vazebná) analýza a asociační studie. K detekci specifických genetických oblastí a genů, které se účastní v transmisi nemoci, je v principu možné použít obě metody.
56
Genetické studie
Linkage (vazebná) analýza testuje kosegregaci genového markeru a fenotypu nemoci v rodině. Čili marker a nemoc se v dané rodině mají vždy vyskytovat spolu.
57
Genetické studie
Asociační studie vyšetřují souvýskyt markeru a nemoci na populační úrovni, tj. u nepříbuzných jedinců, obvykle srovnáním frekvencí markerů u nepříbuzných nemocných a kontrolních subjektů (studie case-control). Statistickou sílu asociace je možno dále zvýšit obohacením o další kritéria, jako jsou klinické subtypy nemoci (studie case-case), závažnost nemoci, časný začátek nemoci, rizikové faktory pro nemoc včetně pohlaví a vhodné biologické znaky (např. plasmatické hladiny cytokinů při asociaci genetických polymorfismů v cytokinových genech; studie genotyp-fenotyp).
58
Model terapie hypertenze (podle Lindpaintnera, březen 2003)
A=fyziologický stav: tři molekulární mechanismy (M1, M2, M3) se podílejí na determinaci znaku (TK), B=hypertenze D1: selhání M1 (příčina/účast)C=hypertenze D1: kauzální terapie T1 (cílená na M1), D= hypertenze D3: selhání M3 (příčina účast), E=hypertenze D3, léčení T1: terapie není kauzální, F=hypertenze D1, paliativní terapie T2, cílená na M2, G=hypertenze D1, terapie T2, refrakterní varianta na T2 v M2, H= fyziologický stav: odlišný podíl M1 a M2 na normálním znaku, I = varianta hypertenze D1: selhání M1 J =varianta hypertenze D1: terapie T2
59
Děkuji vám za pozornostDěkuji vám za pozornost
?