Genetyka człowieka

Podstawy

1

Wyjątkowość człowieka?

2

}  Człowiek jest typowym organizmem diploidalnym, pod względem mechanizmów genetycznych nie odróżnia się od innych, ale

}  Jako obiekt badań genetycznych jest szczególny: }  istotne są różnice między osobnikami (w przeciwieństwie do

jednorodnych genetycznie organizmów modelowych) }  istotne są różnice środowiska (w przeciwieństwie do

kontrolowanych warunków laboratoryjnych) }  istnieją ograniczenia etyczne i praktyczne dopuszczalnych

metod badawczych

Fenotypy badane w genetyce człowieka

3

}  W większości choroby }  jednogenowe (Mendlowskie) }  wieloczynnikowe }  nowotwory (mutacje somatyczne) }  zaburzenia chromosomowe

}  Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej) }  jednogenowe (rzadko) }  markery molekularne }  wieloczynnikowe

}  np. inteligencja, cechy behawioralne

}  Badania obserwacyjne, nie eksperymentalne }  zasada największej wiarygodności

CZYNNIKI GENETYCZNE

CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE POLIGENOWE

DZIEDZICZENIE MENDLOWSKIE

NIEPEŁNA PENETRACJA GENU

DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE Z DOMINACJĄ POJEDYNCZEGO LOCUS

DZIEDZICZENIE WIELOCZYNNIKOWE

MONOGENOWE

4

Zależność wystąpienia objawów od wieku

5

}  Zaburzenia chromosomowe – ciąża i tuż po urodzeniu }  Monogenowe – ciąża i dzieciństwo }  Wieloczynnikowe – często też w późniejszym wieku (wpływ środowiska,

stylu życia)

Gelehrter, Collins, Ginsburg: Principles of Medical Genetics, Williams & Wilkins, Baltimore 1998

Odziedziczalność

6

}  Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem

}  Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji }  badania bliźniąt

}  Monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ) }  badania adopcji }  agregacja rodzinna

}  częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych

Badania bliźniąt - statystyka

7

}  Model ACE: trzy składowe: }  A (additive genetics) – suma czynników genetycznych }  C (common environment) – wspólne środowisko }  E (unique environment) – różnice środowiska

}  Bliźnięta monozygotyczne: wspólne geny (A) i środowisko (C) – korelacja (rMZ) szacuje A+C; E = 1 - rMZ

}  Bliźnięta dizygotyczne: wspólne 50% genów i środowisko – korelacja (rMZ) szacuje ½A + C

}  Stąd:

€

rMZ = A +C

rDZ =12A +C

A = 2(rMZ − rDZ )

Badania bliźniąt

8

}  Przykład

Wikimedia Commons

Agregacja rodzinna

9

}  Choroby afektywne (ostre cykliczne zaburzenia nastroju) }  jednobiegunowa (epizody depresyjne) }  dwubiegunowa (epizody maniakalne i depresyjne)

}  Choroba jednobiegunowa }  ryzyko w populacji ~3 % (mężczyźni) ~5-9% (kobiety) }  krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~10% }  stosunkowo mała odziedziczalność

}  Choroba dwubiegunowa }  ryzyko w populacji ~1% }  krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~ 20% }  istotna odziedziczalność

Cechy jednogenowe

10

}  Prosty wzór dziedziczenia }  Bardzo wysoka odziedziczalność (często ~100%) }  Oprócz chorób

}  nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym }  zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny,

smak PTC, itp. }  markery immunologiczne (grupy krwi)

}  układ AB0, czynnik Rh }  markery molekularne

Choroby jednogenowe

11

}  Znanych jest bardzo wiele chorób jednogenowych }  ~4500, z tego dla ~1700 nieznany gen }  Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000 - 1/2000

urodzeń) }  problem “chorób sierocych” (orphan diseases)

}  W sumie ~4/1000 żywych urodzeń }  Autosomalne

}  ~4100 chorób, z tego ~1600 nieznany gen }  Sprzężone z X

}  ~ 360 chorób, z tego ~140 nieznany gen }  Sprzężone z Y

}  9 chorób, z tego 5 nieznany gen }  Mitochondrialne

Analiza rodowodów

12

Autosomalne, recesywne

13

}  Chorzy najczęściej mają zdrowych rodziców (heterozygotyczni nosiciele)

}  Często pojedyncze przypadki w rodzinach }  Ryzyko rośnie w przypadku związków krewniaczych

http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/

Jednogenowe autosomalne choroby krwi

14

}  Talasemie }  mutacje null i hipomorficzne w genach globin (np. defekty

splicingu) }  najczęstsze choroby jednogenowe

}  występują głównie w populacjach śródziemnomorskich (do 10% w niektórych populacjach) i u Arabów, także w Azji

}  Anemia sierpowata }  1/500 urodzeń u Afroamerykanów

}  Wysoka częstość w populacjach z obszarów malarycznych – oporność na malarię heterozygot

Choroby jednogenowe krwi na świecie

15 World Health Organization

(572) UCUUUCAG GGCAAUAAUGAUACAAUGUAUCAUGCCUCUUUGCACCAUUCUAAAGAAUAACAG (629)

(630) UGAUAAUUUCUGGGUUAAG GCAAUAGCAAUAUUUCUGCAUAUAAAUAUUUCUGCAUAUAAAU (695)

3'ss

β-654: C -> U tworzy nowe miejsce styku 5’

579 654 850 1

3’ ss 5’ ss Exon 2 Exon 3 β654 Exon 1

Exon 1 Exon 2 Exon 3

β-talasemia – defekt składania

Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill 16

Exon 1 Exon 2 Exon 3

Exon 1 Exon 2 Exon 3

Splicing

Translacja

Białko

Β-globin

β-talasemia – defekt składania

Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill 17

Terapia składania?

18

Mukowiscydoza

19

}  Najczęstsza choroba }  Najczęstsza choroba autosomalna Europy recesywna w

populacjach Europy północnej }  ~1/2000 urodzeń

}  Znana od średniowiecza: }  “Nieszczęsne dziecko, które pocałowane w czoło zostawia na ustach słony smak. Jest nawiedzone przez złe duchy

i

Mukowiscydoza

20

}  Mutacje utraty funkcji genu CFTR }  70% delecja jednego aminokwasu, zaburzenia transportu białka do błony }  15% - mutacje częste (kilkanaście) }  15% - mutacje rzadkie

}  CFTR koduje białko transportujące jony Cl- przez błonę

Wikimedia Commons

Choroba Tay-Sachsa

21

}  Silna zależność populacyjna }  u Żydów aszkenazyjskich 1 osoba na 30 jest nosicielem, w innych grupach 1

na 300 }  podobnie wysoka częstość u Kanadyjczyków pochodzenia francuskiego (inna

mutacja niż u Aszkenazyjczyków) i Cajunów w USA }  Defekt enzymu (heksozaminidaza A)

}  akumulacja gangliozydów (związki lipidowe) w neuronach }  neurodegeneracja }  śmierć ok. 4 r. ż.

Przyczyny wysokiej częstości allelu recesywnego w populacji

22

}  Efekt założyciela }  Izolowane populacje wywodzące się z małych grup

}  Przewaga heterozygot }  Talasemie, anemia sierpowata - malaria }  Mukowiscydoza: większa oporność na enterotoksyny

bakteryjne (np. cholera) }  Choroba Tay-Sachsa: wyższa inteligencja heterozygot?? –

kontrowersyjna teoria }  Kompensacja rodzicielska

}  Rodzice, którzy utracili dziecko chętniej decydowali się na kolejne

Autosomalne, dominujące

23

}  Występują w każdym pokoleniu }  Fenotyp homozygot często cięższy niż heterozygot }  Duży udział mutacji de novo }  Czynniki zmieniające wzór dziedziczenia

}  zmienna penetracja }  zmienna ekspresyjność

http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/

Rodzinna hipercholesterolemia

24

}  Dominacja przez haploinsuficjencję }  Mutacje w genach LDLR (receptor LDL – low density

lipoprotein) i ApoB (apolipoproteina B – część kompleksu LDL odpowiedzialna za oddziaływanie z receptorem)

}  Heterozygoty: podwyższony poziom LDL we krwi, miażdżyca, choroby serca ok. 40 r. życia }  leczenie: statyny, dieta

}  Homozygoty: ciężkie schorzenia serca i naczyń już w dzieciństwie }  leczenie: trudne, wysokie dawki statyn, przeszczep wątroby

Penetracja

25

}  Prawdopodobieństwo wystąpienia objawów choroby u osoby z danym genotypem (np. zmutowany allel)

}  100% - typowy wzór dziedziczenia dominującego

}  <100% - tzw. niepełna penetracja }  Trudna do wyznaczenia

}  Wpływ środowiska, wieku, tła genetycznego

}  Efekty epigenetyczne }  Piętno genomowe wpływa na penetrację w

sposób zależny od płci rodzicielskiej

Ekspresyjność

26

}  Ten sam odziedziczony allel może dawać różne efekty fenotypowe u różnych osób }  Penetracja – czy będzie jakikolwiek fenotyp }  Ekspresyjność – jaki będzie fenotyp

}  Podłoże }  Wpływ środowiska, wieku, tła genetycznego

Zespół Marfana

27

}  Dominująca mutacja w genie FBN1 kodującym fibrylinę – białko tkanki łącznej

}  Zmutowane białko blokuje polimeryzację białka prawidłowego

}  Defekty tkanki łącznej, aorty i zastawek serca, wysoki wzrost, arachnodaktylia

}  Ok. 1:5 000 osób

Ekspresyjność w zespole Marfana

28

4 grupy objawów: }  serce }  aorta (rozwarstwienie - przyczyna śmierci) }  oko }  szkielet

Sprzężenie z płcią

29

}  Chromosom X }  Nigdy nie ma przekazywania ojciec – syn }  Zawsze przekazywany od ojca do córki

}  Jeżeli cecha recesywna, to chorują przeważnie mężczyźni, kobiety są nosicielkami

}  Mozaikowatość heterozygotycznych kobiet

http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/

Mozaikowatość inaktywacji X

30

}  Mutacja genu odpowiadającego za barwę futra (czarne lub rude) na chromosomie X

}  U samic łaty czarne i rude zależnie od inaktywacji

}  Samce albo czarne, albo rude

Królewska hemofilia

31

Wikimedia Commons

Dystrofie mięśniowe

32

}  Mutacje w genie dystrofiny – białka kompleksu łączącego cytoszkielet, poprzez błonę, z macierzą zewnątrzkomórkową, błoną podstawną

}  Dystrofia Duchenne’a (DMD) – ciężka, mutacje nullomorficzne

}  Dystrofia Beckera (BMD) – lżejsza, mutacje hipomorficzne

Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill

Duchenne vs. Becker

33

}  Wiele mutacji w DMD to mutacje nonsens }  Delecja nawet całych pojedynczych eksonów daje allel hipomorficzny

(BMD) – repetytywna struktura białka

ABD

Duchenne muscular dystrophy

ABD

Becker muscular dystrophy

ABD C-ter

Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill

Terapia modyfikująca składanie

34

Faza I/IIa – wstępne badania kliniczne

35

Dziedziczenie mitochondrialne

36

}  Charakterystyczny wzór rodowodu (dziedziczenie matczyne) }  Najczęściej neuropatologie (w tym zaburzenia wzroku i

słuchu), miopatologie, zaburzenia metaboliczne (kwasica mleczanowa, cukrzyca)

}  Mutacje punktowe, rozległe delecje lub deplecja mtDNA }  Przy ciężkich mutacjach najczęściej heteroplazmia, stąd

duże zróżnicowanie objawów u różnych osób w rodzinie (efekty progowe)

}  Złożone relacje genotyp/fenotyp – dana mutacja może powodować różne objawy, a podobne objawy mogą być wywołane różnymi mutacjami

mtDNA człowieka }  16 568 par zasad }  koduje - 13 białek łańcucha

oddechowego (z 84), 2 rRNA (16 S i 12 S), 22 tRNA

}  Zwarty - brak intronów, brak lub niewielkie obszary niekodujące między genami, czasem brak pełnego kodonu STOP (wprowadzany poprzez poliadenylację)

}  Dziedziczenie od matki (mitochondria plemnika niszczone przez mechanizm zależny od ubikwitynacji

37

Dziedziczenie mitochondrialne

38

}  Wyłącznie od matki }  Homoplazmia – wszystkie cząsteczki mtDNA w komórce takie same }  Heteroplazmia – różne allele mtDNA w tej samej komórce

}  wiele kopii – efekty ilościowe, progowe }  Heterogenność: różne mutacje, podobny fenotyp }  Plejotropia

Zaburzenia chromosomowe

39

}  W przypadku autosomów ciężki i plejotropowy fenotyp }  przeważnie letalny – tylko 3 wyjątki

}  Główna przyczyna spontanicznych poronień (często nie dochodzi do zagnieżdżenia zarodka)

}  W przypadku chromosomów płci (X,Y) fenotyp może być łagodniejszy

Zaburzenia autosomów

40

}  Trisomia 21 – zespół Downa }  ~1/800 urodzeń, zależnie od wieku matki }  Częste poronienia samoistne (75%) }  Zaburzenia rozwojowe, opóźnienie umysłowe }  Choroby serca, otyłość, cukrzyca, Alzheimer

}  Trisomia 13 – zespół Patau }  ~1/8000 – 1/120000 urodzeń }  Wady rozwojowe (przepukliny, serce, czaszka i mózg) }  Średnia przeżywalność: 2 dni, mniej niż 6 miesięcy, bardzo rzadko dłużej

}  Trisomia 18 – zespół Edwardsa }  1/3000 – 1/8000 urodzeń }  Liczne wady rozwojowe, niedorozwój, mikrocefalia, wady serca }  5% szans na przeżycie 1 r. ż.

Wiek matki a zespół Downa

41

}  W ok. 85% nondysjunkcja w oogenezie

Wikimedia Commons

Zaburzenia chromosomów płci - cięższe

42

}  X0 – zespół Turnera }  ~1/2500 dziewczynek }  Cukrzyca 2 x częściej, nadciśnienie,

osteoporoza, niedoczynność tarczycy

}  Normalna długość życia }  IQ na ogół normalne

Zaburzenia chromosomów płci - cięższe

43

}  XXY – zespół Klinefeltera }  ~1/1000 chłopców }  Długie ręce i nogi }  70% drobne problemy rozwojowe i z

uczeniem }  Piersi, żeńskie owłosienie, bezpłodność

Zaburzenia chromosomów płci - lekkie

44

}  XXX }  Lekkie objawy ze względu na inaktywację X, zwykle brak ewidentnych

zewnętrznych objawów }  Niekiedy zaburzenia cyklu menstrualnego i umiarkowane problemy rozwoju

intelektualnego, wysoki wzrost }  ~1/1000 dziewczynek }  bardzo rzadko XXXX i XXXXX (kilkaset przypadków w historii, cięższe

objawy) }  XYY

}  Zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów, >90% nie wie, że ma ten kariotyp

}  ~1/1000 chłopców }  Nieco zwiększone ryzyko opóźnień w nauce, wysoki wzrost, normalny poziom

testosteronu }  Wcześniejsze doniesienia o korelacji z zachowaniem agresywnym - fałszywe