Podstawowe pojęcia:

gen, allel, homozygota, heterozygota, ekspresja genu, alternatywne składanie genów (splicing)

Sekwencje wielokrotnie powtórzone w genomie człowieka:

1. rozproszone (IRS):

• krótkie SINES np. Alu, (ok. 280 pz.)

• długie LINES np. L1, (6 tys. pz.)

2. tandemowe (seryjne)

• minisatelity 7-100 pz.

• mikrosatelity1-6 pz.

Sekwencje tandemowe:

• powtórzenia seryjne (kopie sekwencji powtarzalnej w danym locus leżą jedna za drugą)

• występują w tysiącach loci w całym genomie, na różnych chromosomach

• nie kodują białek

• duża zmienność w populacji (różna liczba powtórzeń danego motywu w danym locus)

• wykorzystywane w diagnostyce i medycynie sądowej

mikrosatelity

• jednostka powt. się ma długość 1-6 p.z.

• powtarza się w 1 locus od 5 do 100 razy

• ok. 100 tys. loci w genomie

(CA)n

(A)n

(AAAT)n n= 5 - 100

minisatelity

• jednostka powt. się ma długość 7-100 pz

• powtarza się w 1 locus od 2 do kilkuset razy

Telomery:

>1000 x 5'- TTAGGG -3'

Telomeraza: białko (odwrotna transkryptaza)

+ RNA (matryca)

• telomery nie kodują białek,

• zapobiegają sklejaniu się chromosomów,

• zapewniają właściwe umiejscowienie chromosomów w jądrze komórkowym,

• chronią przed skracaniem się informacji kodującej w chromosomach w kolejnych podziałach komórki.

Modyfikacje potranslacyjne:

• Fałdowanie białka

• Proteolityczne usuwanie peptydów

• Przyłączanie:

- małej grupy chemicznej (acetylacja, metylacja, fosforylacja)

- łańcucha cukrowego (glikozylacja)

- łańcucha lipidowego (acylacja)

Regulacja ekspresji genu

• sekwencje regulatorowe: promotor, wzmacniacze, wyciszacze

• czynniki transkrypcyjne

Epigenetyczne wyciszanie genów = długotrwała zmiana w ekspresji genów wynikająca z modyfikacji struktury chromatyny bez zmian w sekwencji DNA.

Mechanizm oparty na metylacji DNA.

MUTACJE

 1. POJEDYNCZY NUKLEOTYD (punktowe)

• delecja, addycja, zamiana nukleotydu na inny

2. FRAGMENT DNA (odcinkowe)

• delecja, insercja, duplikacja, inwersja odcinka DNA w obrębie jednego genu

• mutacje dynamiczne (zwielokrotnienie liczby kopii) niestabilnych powtórzeń trójnukleotydowych

3. ABERRACJE CHROMOSOMOWE

• nieprawidłowa liczba chromosomów - aberracje liczbowe

• aberracje strukturalne (duże delecje, złamanie i nieprawidłowe połączenie fragmentów chromosomów)

• Translokacje

• Inwersje

• Delecje fragmentów chromosomów

• Duplikacje fragmentów chromosomów

• Izochromosomy, chromosomy pierścieniowe

EFEKTY MUTACJI PUNKTOWYCH

 ·       mutacja „cicha” - nie wywołuje zmiany aminokwasu w białku

·       zmiana sensu (missens) - zamiana kodonu prawidłowego na kodon innego aminokwasu

·       nonsens - powstanie kodonu „stop” - przedwczesne zatrzymanie translacji

·       ominięcie kodonu „stop” - zamiana kodonu „stop” na kodon jakiegoś aminokwasu - wydłużenie białka

WPŁYW MUTACJI NA EKSPRESJĘ GENU

• brak białka

• mniejsza ilość białka

• nadmierna produkcja białka

• białko skrócone

• białko o zaburzonej funkcji

Przykład delecji fragmentu genu: dystrofia mięśniowa Duchenne'a i Beckera

• przewlekła zwyrodnieniowa choroba mięśni szkieletowych

• delecja niektórych eksonów w genie dystrofiny

• dystrofina "uszczelnia" błonę komórkową, dzięki czemu zachowuje ona selektywną przepuszczalność

• dystrofina, która zawiera mutacje jest niestabilna - następują zmiany w budowie błony komórkowej, enzymy przechodzą na zewnątrz, a do komórki wnikają jony wapnia -- martwica i degeneracja tkanki mięśniowej.

Mutacje dynamiczne

• Zwielokrotnienie liczby powtórzeń trójnukleotydowego motywu w DNA

• W części kodującej genu - np. choroba Huntingtona

• zwielokrotnienie liczby powtórzeń CAG kodujących glutaminę w genie huntingtyny -- białko nabiera szkodliwej funkcji

• u osoby zdrowej 10-30 x CAG

• u chorych 38-120 x CAG

• W części niekodującej - np. zespół łamliwego chromosomu X (FRAXA)

• powtórki niekodującego tripletu CGG w genie FMR1 na chromosomie X

• u osoby zdrowej do 54 powtórzeń CGG

• u bezobjawowego nosiciela do 200 powtórzeń (premutacja)

• u chorego - powyżej 200 do kilku tysięcy powtórzeń (pełna mutacja)

• białko FMR1 - konieczne do rozwoju synaps

• Powtórzenia CGG ulokowane są w promotorze genu - powyżej 200 powt. „wyłącza” gen -- brak białka -- upośledzenie umysłowe

Zjawisko antycypacji

• W kolejnych pokoleniach choroba ujawnia się coraz wcześniej i ma coraz cięższy przebieg

• Im więcej kopii powtórzonych tripletów - tym cięższe objawy

Translokacje w nowotworach

POLIMORFIZM

Występowanie w populacji różnych form allelicznych danego genu / sekwencji.  

Zmienność występująca u co najmniej 1% populacji.

Może dotyczyć:

• pojedynczego nukleotydu (SNP, single nucleotide polymorphism)

• fragmentu DNA (np. liczby powtórzeń sekwencji satelitarnych w danym locus)

Choroby autosomalne dominujące

• Pojedynczy zmutowany allel (u heterozygoty) wystarcza do ujawnienia się choroby; przekazywany jest („pionowo”) z pokolenia na pokolenie

• Choroba występuje z jednakową częstością u obu płci

• Ryzyko wystąpienia choroby u potomstwa osoby chorej wynosi 50% (1:2)

• Penetracja mutacji:

Pełna penetracja - osoba, która ma zmutowany gen, zawsze ma objawy choroby

Niepełna penetracja - w niektórych przypadkach objawy nie występują mimo obecności zmutowanego genu (ujawnienie się objawów może zależeć np. od wieku chorego)

Zmienna ekspresja - u nosicieli zmutowanego genu stopień wady może być różny, nawet u członków tej samej rodziny

Choroby autosomalne recesywne

• Obecność jednego prawidłowego allelu wystarcza aby nie doszło do wystąpienia patologicznych objawów

• Osoba chora jest homozygotą (oba allele zmutowane)

• Rodzice są zwykle bezobjawowymi nosicielami (heterozygotami) tego samego zmutowanego genu

• Choroba występuje z jednakową częstością u obu płci

• Szczególny czynnik ryzyka - spokrewnienie rodziców

• Ryzyko posiadania chorego potomstwa:

• dla dwojga rodziców nosicieli (heterozygot) 25% (1:4) w każdej ciąży

• osoba chora z nosicielem - ryzyko 50%

Dziedziczenie związane z chromosomem X

• Mężczyźni posiadają tylko jeden chromosom X.

• Kobiety posiadają dwa chromosomy X, ale w komórkach somatycznych tylko jeden z nich jest aktywny (lionizacja).

• Chorują tylko mężczyźni

• Kobiety są zdrowymi nosicielkami choroby (wyjątkowo mogą mieć objawy choroby, jeżeli inaktywacji podlegają głównie chromosomy X z prawidłowym genem)

• Jeżeli kobieta jest nosicielką zmutowanego genu na chromosomie X, istnieje ryzyko 50% (1:2) dla wszystkich jej synów, że będą dotknięci chorobą i 50% dla jej córek, że będą (jak jej matka) nosicielkami

• Chory mężczyzna ma zdrowe dzieci, ale wszystkie jego córki są nosicielkami choroby

Uproszczona analiza rodowodu

Pytanie	Autosom. domin.	Autosom. reces.	Sprzęż. z X reces.
Osoby jakiej płci chorują?	mężczyźni i kobiety (bez różnic)	mężczyźni i kobiety (bez różnic)	zwykle tylko mężczyźni
Po kim chorzy dziedziczą chorobę?	po chorym rodzicu	zwykle po zdrowych rodzicach (nosicielach)	po zdrowej matce (nosicielce)
Jakie potomstwo mają chorzy mężczyźni?	w 50% chore, niezależnie od płci	zwykle zdrowe	zdrowe (wszystkie córki są nosicielkami)

Genom człowieka

Sekwencje wielokrotnie powtórzone

20-30%

Sekwencje unikatowe lub w małej liczbie kopii

70-80%

Sekwencje niekodujące

>90%

Sekwencje kodujące

<10%

Pozagenowy DNA

70-80%

Geny

20-30%

Translokacja chromosomalna

Gen pobudzający proliferację komórek

Gen pobudzający proliferację komórek

Region regulatorowy aktywowany w razie potrzeby

Region regulatorowy zawsze aktywny

Gen kontrolujący wzrost komórek

Region regulatorowy zawsze aktywny