Podstawy genetyki, fizjoterapia, biologia medyczna


Podstawy genetyki

Genetyka w medycynie

W ostatnich dziesięcioleciach dokonał się znaczny postęp w zrozumieniu, jaką

rolę odgrywają czynniki dziedziczne w procesach patologii człowieka. Poznano

choroby uwarunkowane genetycznie oraz schorzenia, w których wrodzona predyspozycja

wraz z czynnikami środowiskowymi odgrywa istotną rolę w ich ujawnieniu

i przebiegu. Dzięki poznaniu molekularnych podstaw wielu chorób coraz

częściej można zidentyfikować osoby zagrożone jeszcze przed ujawnieniem się

patologii i, o ile jest to możliwe, zaproponować wczesne postępowanie lecznicze

lub prewencję.

Genetyka to dział biologii, analizujący problemy związane z dziedziczeniem cech

i zmiennością organizmów.

Genetyka medyczna jest gałęzią medycyny zajmującą się dziedziczeniem, rozpoznawaniem

i leczeniem chorób uwarunkowanych zmianami w materiale genetycznym

człowieka. Ważną działalnością genetyki klinicznej jest poradnictwo

genetyczne dotyczące problemów pacjentów z chorobami uwarunkowanymi

genetycznie i ich rodzin.

Genetyka molekularna zajmuje się badaniem struktury i funkcji materiału genetycznego

na poziomie cząsteczkowym.

Medycyna molekularna bada możliwości kliniczne zastosowania genetyki i biologii

molekularnej w diagnostyce i leczeniu chorób.

Choroby uwarunkowane genetycznie

Choroby genetyczne to schorzenia, które przekazywane są jako cecha dziedziczna

z pokolenia na pokolenie lub powstają de novo na skutek zmian w materiale

genetycznym lub zaburzeń w mechanizmach przekazywania cech dziedzicznych.

Zmiany w materiale genetycznym powstałe de novo mogą być przekazywane

potomstwu jako cecha (choroba) dziedziczna.

Tradycyjny podział chorób genetycznych oparty jest na podstawowych prawach

dziedziczenia.

2

Podstawy genetyki w kardiologii

1. Choroby jednogenowe powstają w rezultacie nieprawidłowego działania pojedynczego

genu. Są one przekazywane potomstwu w prosty sposób, zgodnie

z zasadami opisanymi przez Grzegorza Mendla w 1865 roku, stąd czasem

bywają określane zaburzeniami mendlowskimi. W zależności od typu

dziedziczenia choroby te dzieli się na:

autosomalne dominujące, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby

zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym (innym niż chromosomy

płciowe X i Y) i gdy tylko jedna kopia (allel) zmienionego patologicznie

genu wystarczy dla ujawnienia się choroby,

autosomalne recesywne, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby

zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym i dla ujawnienia

się choroby konieczne jest występowanie dwóch patologicznie zmienionych

kopii danego genu (alleli),

sprzężone z płcią, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby

zlokalizowany jest na chromosomie płciowym X.

2. Choroby wieloczynnikowe uwarunkowane są współdziałaniem wielu genów,

występujących w różnych lokalizacjach chromosomalnych z czynnikami środowiskowymi.

Nie są one przekazywane potomstwu w sposób prosty, zgodny

z zasadami Mendla.

3. Aberracje chromosomowe są schorzeniami uwarunkowanymi zaburzeniami

liczby i struktury chromosomów.

Struktura i organizacja materiału genetycznego człowieka

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA)

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA, deoxyribonucleic acid) dość długo nie był

kojarzony z procesami dziedziczenia. Dopiero doświadczenia Avery'ego z lat 40.

XX wieku zasugerowały, iż nośnikiem informacji genetycznej może być właśnie

DNA. W eksperymencie tym wykazano, iż odbiałczony wyciąg ze zjadliwego szczepu

dwoinki zapalenia płuc jest zdolny trwale zmienić właściwości szczepu niezjadliwego,

powodując jego transformację w szczep chorobotwórczy. Natomiast

wyciąg tracił swoje właściwości transformowania bakterii po degradacji DNA za

pomocą deoksyrybonukleazy, enzymu rozkładającego kwasy nukleinowe.

Opublikowanie w 1953 roku opisu struktury cząsteczki DNA przez JamesaWastona,

Francisa Cricka i Maurice'a Wilkinsona było przełomem w poznaniu podstawowych

zasad przechowywania i powielania informacji genetycznej i stało

się podwaliną rozwoju genetyki molekularnej.

3

Podstawy genetyki

Podstawową jednostką strukturalną DNA jest nukleotyd, składający się z cukru

deoksyrybozy, reszty kwasu fosforowego i pojedynczej zasady purynowej (adenina,

guanina) lub pirymidynowej (cytozyna, tymina) (ryc. 1.1). Atomy węgla

w cząsteczce deoksyrybozy są oznaczone numerami od 1 do 5, z dodatkowym

Rycina 1.1. Struktura cząsteczki DNA. A. Podwójny heliks DNA. B. Zasada komplementarności,

wiązania wodorowe między zasadami. C. Nukleotyd pirymidynowy (cytozyna, tymina). D. Nukleotyd

purynowy (adenina, guanina). R — deoksyryboza, P — reszta kwasu fosforowego,

Z — zasada azotowa

4

Podstawy genetyki w kardiologii

znakiem prim, odróżniającym je od numerów w cząsteczce zasady. Numeracja

atomów węgla jest ważna, ponieważ wskazuje miejsce przyłączenia pozostałych

składników nukleotydu do cukru. Wiele nukleotydydów połączonych ze sobą

liniowo, przy czym fosforan 5' jednego nukleotydu tworzy wiązanie 3'-5'-fosfodiestrowe

z węglem 3' następnego nukleotydu, formuje pojedynczą nić DNA.

Łańcuch polinukleotydowy pojedynczej nici DNA na końcu określanym jako

koniec 5' ma wolny 5'-trifosforan, a na drugim końcu — określanym jako koniec

3' — wolną grupę 3'-hydroksylową. Różnica końców nadaje nici DNA

polarność, można więc powiedzieć, że cząsteczka DNA biegnie w kierunku 5'-3'

lub 3'-5'. Dwie równoległe nici DNA biegnące w przeciwstawnych kierunkach

(antyrównolegle) — jedna 5'-3' i druga 3'-5' — oplatające się wzajemnie i skręcone

wokół własnej osi, tworzą charakterystyczny kształt cząsteczki DNA w formie

prawoskrętnej podwójnej spirali (helisy). Część cukrowo-fosforanowa tworzy

szkielet i jest usytuowana na zewnątrz cząsteczki. Zasady są skierowane do

wnętrza helisy i układają się jedna nad drugą. Dwunicowa helisa DNA jest absolutnie

regularna, ma średnicę 2 nm, na jej jeden obrót przypada zawsze 10 par

zasad, a jej skok wynosi 3,4 nm. Nici DNA splatają się w ten sposób, że wzdłuż

helisy biegną zawsze dwa regularne rowki — mały i duży. Odległość między

obiema antyrównoległymi nićmi helisy DNA jest taka, że aby zachować symetrię

cząsteczki dwupierścieniowe puryny mogą oddziaływać tylko z jednopierścieniowymi

pirymidynami. Dlatego zasady obu nici łączą się ze sobą zawsze

zgodnie z regułą komplementarności, co oznacza, iż tymina (T) zawsze tworzy

parę z adeniną (A), a cytozyna (C) z guaniną (G), czyli puryna zawsze łączy się

z pirymidyną. Między A i T powstają dwa wiązania wodorowe, a między G i C

trzy. Konsekwencją takiej budowy jest możliwość odtworzenia cząsteczki DNA

na podstawie sekwencji tylko pojedynczej nici. Stanowi to podstawowy mechanizm

zachowania informacji i jej przekazywania komórkom potomnym.

Replikacja DNA

Proces kopiowania cząsteczek DNA w komórkach nazywa się replikacją. Zapewnia

on przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do

komórek potomnych w sposób niemal idealnie zapewniający zachowanie niezmienionej

budowy własnego DNA. Do powielania DNA dochodzi najczęściej

przed podziałem komórki, tak by obie potomne komórki mogły otrzymać taką

samą ilość pełnowartościowej informacji genetycznej. Podwójna helisa DNA ulega

rozpleceniu i każda z dwóch pojedynczych nici stanowi matrycę, na której układane

są nukleotydy nowo syntetyzowanej nici zgodnie z zasadą komplementarności.

Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy DNA tworzą strukturę

„widełek replikacyjnych” (ryc. 1.2). Polimeraza DNA, główny enzym odpowiedzialny

za proces replikacji, może prowadzić syntezę nowej nici DNA tylko w jednym

kierunku — od końca 5' do końca 3'. Ponieważ obie nici matrycowe,

5

Podstawy genetyki

zorientowane względem siebie w przeciwnych kierunkach, są kopiowane w obrębie

„widełek replikacyjnych” jednocześnie, tylko jedna z powstających nowych

nici może być wydłużana w sposób ciągły — od końca 5' do 3', zgodnie

z kierunkiem przesuwania się widełek. Druga nić, syntetyzowana w kierunku

przeciwnym do ruchu widełek, by zachować zasadę syntezy od końca 5' do 3',

musi powstawać w formie krótkich fragmentów łączonych następnie w jedną

ciągła nić. Dlatego „widełki replikacyjne” mają strukturę asymetryczną. Nić syntetyzowana

w sposób ciągły nosi nazwę nici prowadzącej, zaś nić powstająca

w sposób nieciągły określana jest mianem nici opóźnionej. W efekcie końcowym

powstają dwie nowe cząsteczki dwuniciowego DNA, identyczne z cząsteczką

rodzicielską, z których każda zawiera jedną nić nowo zsyntetyzowaną

i jedną rodzicielską.

W proces replikacji DNA zaangażowane są nie tylko mechanizmy syntezy, ale

i bardzo precyzyjne systemy wykrywania i naprawy wszelkiego typu błędów

i uszkodzeń powstałych podczas syntezy DNA. Głównie dzięki tym systemom

błędy powodujące powstawanie mutacji zdarzają się stosunkowo rzadko, biorąc

pod uwagę liczbę dzielących się komórek, w których zachodzi proces replikacji

DNA.

Organizacja i lokalizacja materiału genetycznego

Wszystkie komórki organizmu człowieka, poza gametami, zawierają pełną informację

genetyczną w postaci DNA zlokalizowanego w jądrze komórkowym.

Rycina 1.2. Replikacja cząsteczki DNA

6

Podstawy genetyki w kardiologii

Cząsteczki DNA są bardzo gęsto upakowane w jądrze komórkowym dzięki wielokrotnej

spiralizacji i kompleksom z zasadowymi białkami — histonami. Tworzą

one 23 pary homologicznych chromosomów, z których jeden w każdej parze

pochodzi od matki, a drugi — od ojca. Całość informacji genetycznej zawartej

w chromosomach jądra komórkowego określana jest genomem. Pojedyncze chromosomy

mogą być obserwowane w mikroskopie świetlnym tylko podczas metafazy

podziału komórki, kiedy ulegają kondensacji. Zwykle można wyróżnić ramiona

długie (q) i ramiona krótkie (p) chromosomu, połączone ze sobą w punkcie

określanym mianem centrosomu. Obraz chromosomów metafazalnych służy

w diagnostyce chorób związanych z aberracjami chromosomowymi do sporządzania

uszeregowanych według pewnych zasad morfologicznych zestawów

wszystkich 46 chromosomów. Obraz taki nosi nazwę kariotypu (ryc. 1.3).

Niewielkie ilości materiału genetycznego znajdują się poza jądrem komórkowym

w mitochondriach; DNA znajduje się w mitochondriach w formie kolistej

cząsteczki, przypominającej swoją strukturą materiał genetyczny bakterii. Genom

mitochondrialny koduje przede wszystkim białkowe składniki mitochondrialnego

łańcucha oddechowego i systemu fosforylacji oksydatywnej oraz kilka

rodzajów cząsteczek RNA. Mitochondrialny DNA jest całkowicie dziedziczony

od matki.

Rycina 1.3. Prawidłowy kariotyp człowieka, mężczyzna 46XY. Za uprzejmością

Prof. J. Limona, Katedra i Zakład Biologii i Genetyki AM

w Gdańsku

7

Podstawy genetyki

Gen

Gen jest to funkcjonalna jednostka materiału genetycznego. Jest to odcinek

DNA kodujący i regulujący syntezę kompletnego polipeptydu. Szacuje się, iż

genom człowieka zawiera około 32 tysiące genów. Średnia wielkość genu określana

jest na kilkanaście tysięcy par zasad z dużymi różnicami między poszczególnymi

genami, których rozmiar może wahać się od kilkuset do kilku milionów

par zasad. Struktura genu jest nieciągła, składa się z odcinków DNA kodującego

sekwencję aminokwasów (egzony), rozdzielonych odcinkami DNA

niekodującego (introny). Dodatkowo, część kodująca genu poprzedzona jest

sekwencją promotorową, której funkcja polega na uaktywnianiu transkrypcji

genu w wyniku wiązania białek określanych czynnikami transkrypcyjnymi

(ryc. 1.4).

Miejsce danego genu na chromosomie określane jest jako jego locus. Ponieważ

ludzkie chromosomy są parzyste — jeden chromosom z danej pary pochodzi od

matki, a drugi od ojca — każda osoba posiada w swoim genomie dwie wersje

— matczyną i ojcowską danego genu w danym locus. Zasada ta nie dotyczy genów

zlokalizowanych na chromosomach płciowych u mężczyzn (X i Y). Alternatywne

formy genu w danym locus, różniące się sekwencją nukleotydów DNA,

nazywane są allelami. Jeśli oba allele, matczyny i ojcowski w danym locus są identyczne,

osoba o takim układzie alleli określana jest osobą homozygotyczną w odniesieniu

do danego genu. W przypadku, gdy występują dwa różne allele w danym

locus, to osoba taka określana jest jako osoba heterozygotyczna. Opis układu

alleli w danym locus nazywany jest genotypem. Natomiast obraz danej cechy lub

określonego obrazu klinicznego wynikający z ekspresji danego genu lub grupy

genów przy współudziale czynników środowiska określany jest jako fenotyp.

Niektóre geny są zorganizowane w postaci rodzin wielogenowych utworzonych

przez identyczne lub podobne geny, które nie podlegają wspólnej regulacji. Proste

rodziny wielogenowe zawierają identyczne geny, których produkty są wyma-

Rycina 1.4. Schematyczna struktura nieciągłego genu człowieka

8

Podstawy genetyki w kardiologii

gane w dużych ilościach. Przykładem mogą być tu geny rybosomowego 5S RNA.

W genomie człowieka istnieje około 2000 kopii tego genu, co odzwierciedla

duże zapotrzebowanie komórek na jego produkt. Z kolei złożone rodziny wielogenowe

obejmują bardzo podobne geny, kodujące białka o podobnych funkcjach.

Przykładem może być rodzina genów globinowych, kodujących serię polipeptydów

globiny (a, b, g, e, z), które różnią się między sobą zaledwie kilkoma

aminokwasami. Polipeptydy globiny po przyłączeniu hemu tworzą dojrzałe i embrionalne

formy hemoglobiny.

Od genu do białka — funkcja genów

Podstawową funkcją genów jest kodowanie sekwencji aminokwasów tworzących

polipeptydy. Proces prowadzący do pojawienia się produktu danego genu

w komórce przebiega wieloetapowo i nazywany jest ekspresją. Prawidłowa ekspresja

genów zapewnia syntezę produktów białkowych w odpowiednim miejscu

i w odpowiednim czasie.

Transkrypcja

Na skutek działania specyficznych czynników transkrypcyjnych w rejonie promotorowym

dochodzi do aktywacji danego genu, czyli do miejscowego rozluźnienia

ściśle upakowanej cząsteczki DNA oraz zainicjowania procesu przepisania

sekwencji DNA na sekwencję nukleotydów kwasu rybonukleinowego (RNA).

Kwas RNA różni się od DNA przede wszystkim jednonicową strukturą cząsteczki

oraz tym, że zawiera zamiast deoksyrybozy inny cukier — rybozę, a zamiast

tyminy zawiera inną zasadę pirymidynową — uracyl. Przepisywanie informacji

genetycznej, zawartej w sekwencji nukleotydów DNA, na sekwencję nukleotydów

RNA odbywa się zgodnie z zasadą komplementarności (A-U, C-G).

Proces ten, nazywany transkrypcją, odbywa się dzięki aktywności enzymu polimerazy

RNA. Polimeraza RNA przyłącza się w rejonie promotorowym genu do

sekwencji określanej jako kaseta TATA, której funkcja polega na ulokowaniu

polimerazy RNA w pozycji właściwej do rozpoczęcia transkrypcji. Podczas procesu

elongacji polimeraza RNA przemieszcza się wzdłuż cząsteczki DNA i rozplata

podwójny heliks. Enzym dołącza kolejne nukleotydy do końca 3' rosnącego

łańcucha RNA w kolejności dyktowanej przez ułożenie zasad na matrycowej

nici DNA. Syntetyzowana cząsteczka RNA, nazywana transkryptem, zgodnie

z zasadą komplementarności ma sekwencję niematrycowej nici DNA. Dlatego

określenie „sekwencja genu” odnosi się zwykle do zapisu zasad na nici niematrycowej

DNA, określanej również jako nić sensowna lub kodująca. Produktem

transkrypcji jest cząsteczka RNA, która po przejściu procesów dojrzewania (splicingu),

polegających między innymi na usunięciu fragmentów niekodujących,

9

Podstawy genetyki

nosi miano informacyjnego RNA (mRNA, messenger RNA) i jest eksportowana

z jądra komórkowego do cytoplazmy (ryc 1.5).

Regulacja aktywności transkrypcyjnej genów odbywa się również dzięki dodatkowym

sekwencjom zlokalizowanym poza promotorem, a często nawet w znacznej

odległości od samego genu. Mają one zwykle długość 100-200 pz oraz zdolność

wiązania czynników transkrypcyjnych. Spotykane są dwa rodzaje tego typu

sekwencji o właściwościach: aktywujących transkrypcję — sekwencje wzmacniające,

oraz hamujące transkrypcję — sekwencje wyciszające.

Translacja

Translacja jest procesem, który zachodzi na rybosomach w cytoplazmie i polega

na przełożeniu sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów, tworzących

dany polipeptyd (ryc. 1.5). Informacja na temat sekwencji aminokwasów

zapisana jest w strukturze mRNA za pomocą kodu opartego na trójkach

nukleotydów (kodony). System ten określany jest mianem kodu genetycznego.

Zgodnie z jego zasadami każdej kombinacji trzech nukleotydów przypisany jest

Rycina 1.5. Przepływ informacji genetycznej „od genu do białka”

10

Podstawy genetyki w kardiologii

konkretny aminokwas lub informacja o zakończeniu translacji (kodon terminacji

lub stop kodon). Cztery zasady w DNA lub RNA mogą utworzyć łącznie 43

kombinacje trójek nukleotydów, stanowiące 64 kodony, które określają 20 aminokwasów

występujących w białkach. Przykładowo, trójka nukleotydów o sekwencji

UAC zawiera informację o włączeniu do łańcucha polipeptydowego

aminokwasu tyrozyny, UAU — cystyny, zaś sekwencja UAA jest jednym z trzech

kodonów terminacyjnych i zawiera informację o zakończeniu syntezy polipeptydu

(tabl. 1.1). Ponieważ liczba kodonów jest większa od liczby białkowych

aminokwasów, wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, są

kodowane przez więcej niż jeden kodon. Zjawisko to jest określane jako degeneracja

lub nadmiarowość kodu genetycznego. Kodony odpowiadające za wprowadzenie

do polipeptydu tych samych aminokwasów są podobne, i dlatego określane

są jako synonimy. Na przykład CUU, CUC, CUA i CUG kodują leucynę.

Synonimy najczęściej różnią się tylko zasadą zajmującą trzecią pozycję w kodonie,

określaną jako pozycja tolerancji. Degeneracja kodu genetycznego minimalizuje

efekty mutacji, gdyż nie każda zmiana w sekwencji genu musi pociągać za

sobą zmianę aminokwasu w kodowanym białku. Cząsteczka mRNA przesuwa

Tablica 1.1

Kod genetyczny

I zasada II zasada III zasada

U C A G

U Phe UUU Ser UCU Tyr UAU Cys UGU U

Phe UUC Ser UCC Tyr UAC Cys UGC C

Leu UUA Ser UCA STOP UAA STOP UGA A

Leu UUG Ser UCG STOP UAG Trp UGG G

C Leu CUU Pro CCU His CAU Arg CGU U

Leu CUC Pro CCC His CAC Arg CGC C

Leu CUA Pro CCA Gln CAA Arg CGA A

Leu CUG Pro CCG Gln CAG Arg CGG G

A Ile AUU Thr ACU Asn AAU Ser AGU U

Ile AUC Thr ACC Asn AAC Ser AGC C

Ile AUA Thr ACA Lys AAA Arg AGA A

Met AUG Thr ACG Lys AAG Arg AGG G

G Val GUU Ala GCU Asp GAU Gly GGU U

Val GUC Ala GCC Asp GAC Gly GGC C

Val GUA Ala GCA Glu GAA Gly GGA A

Val GUG Ala GCG Glu GAG Gly GGG G

Skróty aminokwasów: Ala — alanina, Arg — arginina, Asn — asparagina, Asp — kwas asparaginowy,

Cys — cysteina, Gln — glutamina, Glu — kwas glutaminowy, Gly — glicyna, His — histydyna, Ile — izoleucyna,

Leu — leucyna, Lys — lizyna, Met — metionina, Phe — fenyloalanina, Pro — prolina, Ser — seryna,

Thr — treonina, Trp — tryptofan, Tyr — tyrozyna, Val — walina

11

Podstawy genetyki

się po powierzchni rybosomu, eksponując kolejne kodony, które zostają rozpoznane

na zasadzie komplementarności przez cząsteczki transportowego RNA

(tRNA). Translacja rozpoczyna się zawsze od kodonu inicjującego AUG, który

koduje metioninę. Dlatego wszystkie polipeptydy rozpoczynają się od metioniny,

chociaż aminokwas ten może zostać później usunięty. Kompleksy aminokwas-

tRNA uszeregowują się względem kodonów mRNA i kolejne aminokwasy

są łączone między sobą wiązaniem peptydowym. Następnie cząsteczka tRNA

zostaje uwolniona, a mRNA przesuwa się na rybosomie o kolejny kodon aż do

kodonu terminacji (AUG, UGA, UAA), kończącego proces translacji.

Regulacja ekspresji genów przez hormony i cytokiny

Hormony i cytokiny są związkami syntetyzowanymi przez określone komórki

organizmu, wpływają na właściwości i funkcję innych komórek organizmu poprzez

aktywację transkrypcji specyficznych genów. Hormony, takie jak estrogeny

i glukokortykoidy, mają budowę steroidową lub polipeptydową, jak np. insulina.

Hormony steroidowe są rozpuszczalne w tłuszczach i mogą przechodzić

przez błonę komórkową do cytoplazmy, gdzie wiążą się z czynnikiem transkrypcyjnym,

określanym jako receptor hormonów steroidowych. Związanie hormonu

przez receptor uwalnia ten ostatni z kompleksu z białkiem blokującym jego

aktywność. Receptor dimeryzuje i jest transportowany do jądra komórkowego,

gdzie aktywuje ekspresję specyficznych genów, wiążąc się z ich sekwencjami promotorowymi.

Hormony peptydowe i cytokiny działają w sposób odmienny. Wiążą

się one z receptorami na powierzchni komórek docelowych i aktywują proces

transdukcji sygnału. Polega on na aktywacji kaskady białek poprzez ich fosforylację,

ostatecznie doprowadzając do stymulacji transkrypcji genów docelowych

poprzez wiązanie aktywowanych czynników transkrypcyjnych do regionów promotorowych

genów.

Zmienność materiału genetycznego

Mutacje

Mutacja jest to jakościowa lub ilościowa zmiana materiału genetycznego komórki.

W genomie ludzkim obserwuje się wiele różnych typów mutacji. Mogą

one dotyczyć liczby i struktury chromosomów, pojedynczych genów lub ich fragmentów,

lub mogą być ograniczone do zmiany pojedynczej zasady w sekwencji

DNA. Mutacje mogą zaburzać procesy transkrypcji i translacji, prowadząc do

zmiany poziomu ekspresji lub funkcji produktu białkowego danego genu. Niektóre

mutacje mogą prowadzić do śmierci komórki lub całego organizmu. Zdarzają

się również mutacje, które są nieme czynnościowo.

12

Podstawy genetyki w kardiologii

Typy i mechanizmy mutacji

1. Aberracje chromosomowe — zaburzenia liczby lub struktury chromosomów.

Zaburzenia liczby chromosomów dzielą się na:

— poliploidalność, czyli zwiększenie się lub zmniejszenie liczby chromosomów

o wielokrotność całkowitej haploidalnej liczby chromosomów,

— aneuploidalność, czyli niewielkie odchylenia od podstawowej liczby chromosomów.

Przykładem może być nullisomia, gdy brak w komórce jakiejkolwiek

kopii danego chromosomu, monosomia to obecność jednej

kopii chromosomu, disomia — dwóch, a trisomia — trzech itd.

2. Duże rearanżacje genowe:

— delecje, polegające na braku genu lub jego fragmentu,

— duplikacje, polegające na powieleniu fragmentu DNA w obrębie genu,

— insercje, polegające na wstawieniu do genu sekwencji zwykle pochodzących

spoza jego obszaru.

3. Mutacje punktowe, polegające na zmianie pojedynczego nukleotydu:

— insercja, polegająca na wstawieniu pojedynczego nukleotydu do sekwencji

genu,

— delecja, polegająca na braku pojedynczego nukleotydu w sekwencji genu,

— substytucja, polegająca na zastąpieniu jednego nukleotydu innym,

• transwersja — zamiana puryny na pirymidynę i odwrotnie,

• tranzycja — zamiana puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę.

Następstwa mutacji

1. Mutacje zmiany sensu (missensowne) zachodzą zwykle, gdy w obrębie kodonu

dojdzie do zmiany pojedynczego nukleotydu, która przekłada się na

zmianę pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka. W efekcie funkcja

takiego białka może być nieprawidłowa (ryc. 1.6B).

2. Mutacje nonsensowne powstają na skutek zmian nukleotydów prowadzących

do przedwczesnego pojawienia się kodonu terminacyjnego translacji.

W efekcie powstaje niepełny polipeptyd o nieprawidłowej strukturze i funkcji

(ryc. 1.6C).

3. Mutacje ciche zachodzą zwykle, gdy dojdzie do zmiany trzeciej zasady kodonu

i z powodu degeneracji (nadmiarowości) kodu genetycznego nie następuje

zmiana aminokwasu w polipeptydzie.

4. Mutacje zmiany ramki odczytu powstają na skutek insercji lub delecji w regionie

kodującym genu, prowadzących do zmiany kroku odczytu mRNA

13

Podstawy genetyki

Rycina 1.6. Przykładowe następstwa mutacji punktowych. A. Gen bez mutacji. B. Mutacja zmiany

sensu. Zamiana adeniny na uracyl w kodonie 4 spowodowała syntezę polipeptydu, w którym

zamiast metioniny występuje leucyna. C. Mutacja nonsensowna. Zamiana adeniny na uracyl w kodonie

6 doprowadziła do przedwczesnego pojawienia się kodonu terminacyjnego UAG i syntezy

krótszego o jeden aminokwas polipeptydu. D. Mutacja zmiany ramki odczytu. Insercja jednego

dodatkowego nukleotydu w kodonie 3 spowodowała przesunięcie ramki odczytu i powstanie

dłuższego polipeptydu o zmienionej budowie aminokwasowej

14

Podstawy genetyki w kardiologii

i błędnego odczytania szeregu kodonów. Taka nieprawidłowa translacja prowadzi

do syntezy polipeptydu często o całkowicie zmienionej sekwencji aminokwasów

(ryc. 1.6D).

5. Mutacje transkrypcyjne dotyczą obszarów promotorowych i regulatorowych

genów. Ich konsekwencją może być obniżony poziom transkrypcji danego

genu i w konsekwencji niedostateczna ekspresja produktu białkowego lub

zwiększona aktywność transkrypcyjna i nadmierna ekspresja.

6. Mutacje dotyczące procesów dojrzewania mRNA prowadzą do zaburzeń

procesu cięcia i składania RNA, które są krytyczne dla powstania prawidłowego

dojrzałego mRNA. Mutacje tego typu w efekcie końcowym mogą prowadzić

do zmiany ilości syntetyzowanego białka lub do powstania białka

o nieprawidłowej funkcji.

Organizm posiadający fenotyp prawidłowy, charakterystyczny dla danego gatunku,

określany jest jako typ dziki. Natomiast organizm o fenotypie zmienionym

w wyniku mutacji nazywany jest mutantem.

Polimorfizm genetyczny

Polimorfizm genetyczny oznacza występowanie w populacji dwóch lub więcej

form danego genu alleli z częstością większą niż oczekiwana, wynikającą

z ogólnej częstości mutacji w danej populacji. Ponieważ częstość mutacji w danej

populacji jest trudna do sprecyzowania, przyjęto, że o polimorfizmie można

mówić, gdy najrzadszy wariant alleliczny w danym locus występuje z częstością

większą niż 1%. Polimorfizm, podobnie jak mutacja, jest efektem zmian sekwencji

DNA.

Najczęstsze rodzaje polimorfizmu w zależności od zmian sekwencji DNA

1. Polimorfizm powtórzeń wielokrotnych obejmuje około 10% genomu i dotyczy

fragmentów niekodujących:

— polimorfizm krótkich powtórzeń tandemowych (STRP, short tandem

repeat polymorphism) polega na występowaniu segmentów DNA o długości

do 1000 pz (zawierających różną liczbę powtórzeń krótkich sekwencji.

Do najczęstszych należy sekwencja zbudowana z cytozyny i adeniny

— (CACA)n- (ryc. 1.7),

— zmienna liczba powtórzeń tandemowych (VNTR, variable number of

tandem repeats) polega na występowaniu segmentów DNA o długości

15

Podstawy genetyki

Rycina 1.7. Polimorfizm powtórzeń wielokrotnych. Schemat identyfikacji za pomocą reakcji PCR

ze starterami komplementarnymi do sekwencji ograniczających obszar wielokrotnych powtórzeń.

Allel 1 zawiera 4 powtórzenia (-CA-), allel 2 — 7 powtórzeń i allel 3 — 10 powtórzeń. Produktem

amplifikacji jest zestaw fragmentów DNA, których wielkość jest charakterystyczna dla danej liczby

powtórzeń. Identyfikacji dokonuje się po rozdziale elektroforetycznym na żelu, gdzie fragmenty

wędrują w polu elektrycznym z prędkością zależną od ich masy. Dlatego produkt amplifikacji

allelu 1, zawierający najmniejszą liczbę powtórzeń, pokonał najdłuższą drogę w żelu, zaś produkt

amplifikacji allelu 3, o największej liczbie powtórzeń, znajduje się w najmniejszej odległości od

początku żelu

16

Podstawy genetyki w kardiologii

od 1 kpz do 30 kpz, zawierających różną liczbę powtórzeń bardziej złożonych

wielonukleotydowych sekwencji.

2. Polimorfizm pojedynczych nukleotydów, podobnie jak mutacja punktowa,

może polegać na insercji, delecji lub substytucji pojedynczych nukleotydów,

zlokalizowanych w części kodujacej lub niekodującej genu. Następstwa tej

zmienności mogą dotyczyć zmian budowy aminokwasowej białka lub poziomu

jego ekspresji.

Markery genetyczne

Geny polimorficzne mogą być wykorzystywane jako markery genetyczne:

1. dla określania prawdopodobieństwa związku genów z występowaniem chorób

w rodzinie lub w populacji ogólnej,

2. w medycynie sądowej, dla ustalania pokrewieństwa, określania pochodzenia

krwi lub innych tkanek, identyfikacji zwłok itp.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
GENETYCZNE PODSTAWY ONKOGENEZY, Fizjoterapia, biologia medyczna
genetyka, Fizjoterapia, biologia medyczna
ZMIENNOSC I MUTACJE, fizjoterapia, biologia medyczna
Tkanka Nabłonkowa, Fizjoterapia, Biologia medyczna
Cytologia, Fizjoterapia, Biologia medyczna
DZIEDZICZENIE GRUP KRWI5, Fizjoterapia, biologia medyczna
TKANKA ŁĄCZNA, Fizjoterapia, Biologia medyczna
biologia medyczna test, Fizjoterapia, Biologia medyczna
por+-wnanie prokariota i eukariota, Fizjoterapia, Biologia medyczna
BIOSYNTEZA BIAŁEK, fizjoterapia, biologia medyczna
TKANKA NABŁONKOWA, Fizjoterapia, Biologia medyczna
PRAWIDŁOWY KARIOTYP CZŁOWIEKA, Fizjoterapia, biologia medyczna
Budowa komórki, FIZJOTERAPIA, Biologia Medyczna
Regulacja ekspresji genów, fizjoterapia, biologia medyczna
Komórka, FIZJOTERAPIA, Biologia Medyczna
Biologia Medyczna W 6.12.2008, fizjoterapia, biologia medyczna
abberacje chromosomowe, fizjoterapia, biologia medyczna
Mitoza i mejoza, Fizjoterapia, Biologia Medyczna
wymagania-biologia medyczna, Fizjoterapia, Biologia medyczna

więcej podobnych podstron