genetyka człowieka

choroby genetyczne człowieka:

* jednogenowe

* wielogenowe

* spowodowane aberracjami chromosomowymi

* mitochondrialne

* spowodowane zaburzeniami piętnowania genów (zespół

Pradera-Williego zdarza się raz na 10 000-30 000

urodzeń)

* o nieznanej etiologii, ale rodzinnym występowaniu

Częstość występowania chorób genetycznych (cech) różni

się między grupami etnicznymi.

Mukowiscydoza pojawia się 1/2000 urodzin u Amerykanów,

których przodkowie byli rasy kaukaskiej i pochodzili

z Europy Wschodniej, jest dużo rzadsza u potomków

zachodnich Afrykańczyków, u których z kolei częstość

anemii sierpowatej (rzadkiej u rasy kauskaskiej) wynosi

1/600 urodzin.

W porównaniu z innymi grupami etnicznymi potomkowie

Greków i Włochów znad Morza Śródziemnego mają

wysoką częstość thalassemii, Żydzi z Europy Wsch. -

choroby Tay-Sachsa, francuscy Kanadyjczycy z

Quebeku – tyrozynemii.

Szacuje się, że każdy z nas jest nosicielem 1-8

recesywnych mutacji.

Większość mendlowsko dziedziczonych chorób pojawia się

1/10 000 - 1/100 000 urodzeń, sumarycznie dając 1%

częstość.

Wśród losowo wybranych 10 000 poczęć w USA ok. 800

będzie z zaburzeniami chromosomowymi:

140 przypadków 45, X

(139 spontanicznych poronień, 1 żywo

urodzony z zespołem Turnera)

110 z trisomią chr. 16

(100% poronień)

20 z trisomią chr. 18

(19 poronień, krótki okres przeżycia

jedynego żywo urodzonego)

40 z trisomią chr. 21

(≥25 poronień, 10 urodzeń z zespołem

Downa)

liczne inne zaburzenia

(poronienia wszystkich płodów z doda-

tkowymi innymi autosomami, 15 urodzeń z dodatkowym chr.

X lub Y, 20 urodzeń z różnymi rearanżacjami

chromosomowymi – wśród nich co najmniej 4 z zesp.

Downa)

Ogółem 750 spontanicznych poronień.

Kariogram - zestaw chromosomów

jednej komórki, sfotografowany i

uszeregowany według określonych

zasad – chromosomy homologiczne

ułożone w pary zgodnie z wielkością i

położeniem centromeru.

Kariotyp - kariogram typowy i

reprezentatywny dla danego osobnika.

Rozróżniamy pojęcia kariogram i

kariotyp ze względu na mozaicyzm.

Mozaicyzm polega na tym, że badana

osoba może mieć dwie lub więcej linie

komórkowe o różnym składzie

chromosomowym np. część komórek

prawidłowych i część z dodatkowym

lub zmienionym chromosomem/ami.

Idiogram – schematyczny rysunek

charakterystycznego wzoru prążków

na chromosomach. Każde ramię

chromosomu podzielone jest na

regiony numerowane od 1 do 4,

począwszy od centromeru do

telomeru. Prążki w każdym regionie są

kolejno numerowane zaczynając

również od centromeru.

Np. zapis

6

p

2

2

oznacza:

numer

numer

chromosomu

prążka

ramię

numer

chromosomu

regionu

genetyka człowieka a analiza rodowodów

5 000 dość rzadkich ludzkich chorób jest spowodowanych

mutacjami pojedynczych genów jądrowych

analiza rodowodów wykazuje, że dziedziczą się jako:
• choroby autosomalne recesywne
• choroby autosomalne dominujące
• choroby sprzężone z płcią recesywne
• choroby sprzężone z płcią dominujące

choroby autosomalne recesywne

choroby autosomalne dominujące

choroby sprzężone z płcią recesywne

choroby sprzężone z płcią dominujące

choroby spowodowane mutacjami genomu

mitochondrialnego

Dom

Dom

Dom

rec

rec

Dom

Dom

Dom

Dom

Dom

u ♂

rec

u ♀

utrzymywanie się w populacji szkodliwych alleli

dominujących wynika z :

(i) zmiennej ekspresywności np. zespół Marfana

(ii) późnego ujawnienia fenotypowego (np. pląsawica

Huntingtona ujawnia się średnio w 35-45 roku

życia)

(iii) wysokiej częstości nowych mutacji (np. 85%

przypadków karłowatości achondroplastycznej,

gen tej karłowatości mutuje 10-krotnie częściej

niż wynosi normalne tempo mutacji u człowieka)

(iv) niekompletnej penetracji

Zespół kruchego chromosomu X

• najczęstsza przyczyna dziedzicznego upośledzenie umysłowego -

średnio nasilonego u dotkniętych chłopców, delikatnego u

dziewcząt

• związany ze wzrastającą (>200) liczbą powtórzeń CGG w genie

FMR1 na chr.X, średni zakres liczby powtórzeń (41-60) jest

normalnie stabilny, ale może wzrosnąć 10-30%, gdy jest

przenoszony przez matkę; allel w zakresie permutacyjnym (61-

200) przenoszony przez matkę zawsze zmienia wielkość (zwykle

ekspansja),

• dziedziczone w sposób sprzężony z płcią dominujący, 16-25

przypadków/10 000 chłopców

• chłopcy z zesp. kruchego X zwykle mają nienormalne (wydłużone)

twarze, duże uszy, wydatna szczękę, przerost jąder

Model funkcjonowania białka FMRP (ang. fragile X mental retardation protein) w

neuronach. FMRP dimeryzuje w cytoplazmie po czym wkracza do jądra neuronu dzięki

NLS (ang. nuclear localization signal). FMRP tworzy kompleks z mRNP poprzez

oddziaływanie ze specyficznymi mRNA (hairpin structure) i białkami. FMRP−mRNP jest

transportowany z jądra dzięki NES białka FMRP. W cytoplazmie FMRP−mRNP albo

bezpośrednio wiąże się z rybosomami lub oddziałuje z RISC (ang. RNA-induced silencing

complex; ) przed asocjacją z rybosomem. Oba typy kompleksów FMRP−mRNP regulują

syntezę białek. Alternatywnie oba typy kompleksów mogą być transportowane do

dendrytów by regulować lokalną syntezę białek specyficznych mRNAs w odpowiedzi na

sygnały stymulacji synaptycznej takie jak aktywacja metabotropowego receptora

glutaminianu (mGluR; ).

Jin i in. 2004 Nature Cell
Biology 6: 1048 -1053

Model zależnej od RNAi

metylacji zwiększonej liczy

powtórzeń CGG u osób z

zespołem kruchego X.

W 5' UTRze zmutowanego genu

(

FMR1

) CGG może występować w

1000 kopii. Choroba ujawnia się

przy > 200 powtórzeniach.

Wcześnie w rozwoju transkrypty

zmienionego genu tworzą

struktury hairpin cięte przez

nukleazę Dicer na 20-nt siRNA,

które wchodzą w skład RITS i

odszukują homologiczne

sekwencje DNA. W miejscu

związania RITS gromadzą się

metylotransferazy DNA i/lub

metylotransferazy histonów

i inicjują lokalną metylację 5’

UTRu

FMR1

– prowadzi to do

heterochromatynizacji

i transkrypcyjnego wyciszenia

locus

FMR1

.

Jin i in. 2004 Nature Cell
Biology 6: 1048 -1053

Aktualnie znanych jest 218 ssaczych miRNA - mają

sekwencje homologiczne do ok. 2 000 ludzkich genów

konserwowanych u ssaków (w tym 250 genów

konserwowanych jako geny docelowe u ssaków i ryb).

Geny miRNA stanowią ok. 1% ludzkich genów i regulują

produkcję białek kodowanych przez ≥10% wszystkich

ludzkich genów.

miRNA wykazują specyficzność rozwojową, tkankową bądź

komórkową. U nicieni szacuje się, że średnio komórka

zawiera ok. 1000 cząstek miRNA, ale w niektórych typach

komórek jest ich > 50 000.

Mapowanie ludzkich genów z użyciem

markerów

molekularnych

(gdy choroby są rzadkie nie można znaleźć

rodzin z więcej niż jedną chorobą i badać ich segregacji)

Markery molekularne – sekwencje DNA, które są:

* polimorficzne – mają co najmniej dwa allele często występujące

w populacji ludzkiej, im więcej alleli tym lepiej

* łatwe do zbadania (poprawnego rozróżnienia alleli)

powszechnie używane typy markerów:

1.

single nucleotide polymorphisms (SNP)

W ludzkiej populacji różnica pojedynczych nukleotydów pomiędzy

dwoma osobami pojawia się z częstością raz na ok. 1 000 pz.

Wzorzec dziedziczenia SNP ustala się na podstawie

sekwencjonowania niewielkiego regionu DNA członków rodziny

dotkniętej schorzeniem.

2.

restriction fragment length polymorphisms (RFLP)

Enzymy restrykcyjne tną DNA w specyficznych palindromowych

sekwencjach. Mutacja punktowa w miejscu restrykcyjnym

uniemożliwia jego cięcie – oba sąsiadujące po lewej i prawej

stronie miejsca restrykcyjne pozostaną nie rozdzielone w wyniku

trawienia restryktazą, co prowadzi do polimorfizmu długości

fragmentów restrykcyjnych.

3.

simple sequence length polymorphisms (SSLP)

dotyczy dwu

typów powtórzeń:

•

minisatelitów

(zwany też variable number of tandem repeats,

VNTR

) o długości jednostki powtórzonej rzędu kilkudziesięciu

nukleotydów

•

microsatelitów

(inaczej simple tandem repeats,

STR

), których

powtórzenia są długości 2-4 nukleotydów.

wykrywanie rekombinantów przy użyciu markerów DNA

przykład RFLP

Po wyizolowaniu DNA, potrawieniu enzymem restrykcyjnym i rozdzieleniu

elektroforetycznym fragmentów różniących się wielkością można określić

czy badany osobnik jest homo- czy heterozygotą pod względem

fragmentów restrykcyjnych o dł. 3 i 5 kpz. Analiza rodowodu wykaże, że

allel

A

segreguje z fragmentem 5 kpz, a allel

a

z 3 kpz. W dużych

wielopokoleniowych rodzinach możemy wykryć rekombinantów „A z 3 kpz”

i „a z 5 kpz” - ich częstość pozwala obliczyć odległość miejsca RFLP od

locus A/a.

Etapy klonowania pozycyjnego

Pierwsza mapa ludzkiego genomu (1987) była oparta o ~400 RFLPów

odległych średnio o >10 cM. Mapa z 1994 zawierała ~6 000 markerów

o średniej odl. 0,7 cM.

Genetyczne mapowanie ludzkich genów za pomocą markerów DNA

mapa męskiego genomu ma dł. ~2500 cM, żeńskiego ~4500 cM

u mężczyzn 1cM = 1,1 Mb, u kobiet 1 cM = 0,7 Mb; średnio ~0,9

Mb/cM (ludzki genom zawiera ~3 000 Mb, gdzie 1 Mb = 10

6

pz)

w teorii dla wykrycia sprzężenia loci odległych o 40 cM wystarcza

10 mejoz, gdy częstość rekombinacji wynosi 35% potrzeba 85

mejoz…, z ludzkich rodowodów trudno otrzymać dane z więcej

niż 50 mejoz – więc markery nie mogą być bardziej odległe niż

20 cM w całym genomie

stąd dla wykrycia sprzężenia genu choroby potrzeba min. 200

markerów DNA, a lepiej użyć 400-500 markerów

od choroby do genu

• określ sposób dziedziczena na podstawie analizy rodowodów

• zbierz próbki DNA od możliwie największej liczby rodzin dotkniętych

badaną chorobą i genotypuj każda próbę 400-500 markerami DNA

markerami rozłożonymi w całym genomie

• zidentyfikuj region „kandydata” z genem choroby poprzez

komputerową analizę otrzymanych danych

• jeśli jest dostępnych więcej markerów przeszukaj nimi wskazany

region by znaleźć marker najbliżej sprzężony

• przeszukując bazę danych ludzkiego genomu regionu „kandydata”

wskaż geny “kandydatów”

• porównaj sekwencje genów „kandydatów” u osób dotkniętych chorobą

i zdrowych by zidentyfikować mutacje powodującą chorobę

W wielu przypadkach możliwe jest ograniczenie regionu “kandydata” do

~1 cM (~1 Mb), co średnio odpowiada 11 genom. Gdy jeden z genów

‘kandydatów” ma mutację związaną z chorobą, potwierdzenie, że

powoduje ona chorobę wymaga in. metod (uzyskania transgenicznej

myszy ze zmutowanym genem). Identyfikacja genu pozwala na

przedobjawowe testowanie członków rodziny z ryzykiem zachorowania,

biochemiczną analizę produktu genu w celu określenia jego funkcji,

rozwój nowych terapii.

Do klasycznych wskazań do diagnostyki przedurodzeniowej należą:

- wiek matki powyżej 35 (38) roku życia

- wiek ojca powyżej 55 (60) roku życia

- nosicielstwo zrównoważonych translokacji chromosomowych, fuzji

centrycznych, wybranych markerów chromosomowych itp. przez

jedno lub oboje rodziców

- posiadanie dziecka z aberracją chromosomową (wskazania niekiedy

natury psychologicznej, gdy ryzyko powtórzenia się aberracji

u kolejnych dzieci szacuje się jako małe; możliwe nieinwazyjne

badania przesiewowe)

- ryzyko wystąpienia chorób monogenowych dziedziczących się

autosomalnie dominująco lub recesywnie (w przypadkach chorób,

w których diagnostyka jest możliwa)

- ryzyko wystąpienia chorób sprzężonych z chr.X (w przypadkach

chorób, w których diagnostyka jest możliwa; o wykluczeniu ryzyka

może decydować też samo kryterium płci płodu)

- ryzyko wystąpienia lub powtórzenia się wad rozwojowych CUN

(w przypadkach wad, w których diagnostyka jest możliwa; możliwe

nieinwazyjne badania przesiewowe)

- ryzyko wystąpienia lub powtórzenia się u kolejnego dziecka

wybranych typów wad rozwojowych (wskazania niekiedy natury

psychologicznej, gdy ryzyko powtórzenia się wady u kolejnych

dzieci szacuje się jako małe; w części typów wad możliwe

nieinwazyjne badania przesiewowe)

Zaniechanie informacji o diagnostyce przedurodzeniowej

w przypadkach zaistnienia powyższych wskazań jest błędem

w sztuce lekarskiej. Jest natomiast prawem rodziców rezygnacja

z badań, np. ze względów światopoglądowych.

rodzaje i częstość występowania chorób genetycznych

% populacji

zaburzenia chromosomowe

0,7

zaburzenia jednogenowe (autosomalne dominujące, autosomalne

recesywne i związane z płcią)

1,0

skumulowane zaburzenia genetyczne (nowotwory)

30

zaburzenia częściowo uwarunkowane genetycznie (wrodzone

wady rozwojowe, choroby przewlekłe u osób dorosłych)

60

Dominujące choroby autosomalne są zazwyczaj związane z produkcją białek

strukturalnych albo nośnikowych, a nie enzymatycznych. Kiedy zmutowane geny

kodują syntezę enzymów (np. w ostrej napadowej porfirii), albo syntezę białek

receptorowych (np. gdy występuje niska gęstość receptorów lipoproteinowych w

rodzinnej hipercholesterolemii), obniżenie o 50% aktywności enzymatycznej lub

ilości receptorów przekracza margines bezpieczeństwa i wywołuje objawy choroby.