Genom jądrowy

Genom jądrowy. Typy mutacji DNA

Genom to całkowity DNA komórki lub organizmu, obejmujący zarówno wszystkie geny, jak
i odcinki międzygenowe.
Genom człowieka zawiera około 25 000 genów, ale odcinki kodujące stanowią tylko
ok. 1-3% całego genomu.
Około 30% stanowią sekwencje ulegające transkrypcji oraz sekwencje związane z genami.
Pozostała część genomu to pozagenowy DNA który stanowi 70-80%.

Budowa fizyczna genomu człowieka

Genom jądrowy

  zbudowany z około 3 Gb (3000 Mb)
  złożony z 24 rożnych liniowych cząsteczek – chromosomów
  zakres wielkości cząsteczek (chromosomów) od 55 Mb do 250 Mb
  wśród chromosomów wyróżniamy autosomy i heterosomy

Genom mitochondrialny

  zbudowany z około 16 kb
  kolista cząsteczka DNA
  występuje w komórce  w wielu kopiach
  obecny we wszystkich mitochondriach
  wykazuje wyższą częstość mutacji niż DNA jądrowy

Geny i sekwencje związane z genami

  eksony
  introny
  pseudogeny
  fragmenty genów
  sekwencje regulatorowe
  sekwencje początkowe i końcowe genów

Dwa przykłady niezwykłej organizacji genów:

Geny nakładające się

W  niektórych  regionach  chromosomów,  w  których  zagęszczenie  genów  jest  duże,  a
sekwencja  jest  bogata  w  pary  GC  mamy  do  czynienia  ze  zjawiskiem  nakładania  się  genów
(ang. overlapping genes).  Zwykle sekwencje aminokwasowe białek kodowanych przez kilka
genów zachodzących na siebie nie są podobne. Przykładem mogą być geny kompleksu HLA
w chromosomie pary 16 (lokalizacja 16p21.3).

Geny wewnątrz genów

Jeden  gen  znajduje  się  wewnątrz  intronu  innego  genu  –  stosunkowo  powszechna  cecha
genomów  jądrowych.  Gen  NF1  (neurofibromina  1)  zawiera  w  obrębie  swojej  sekwencji
intronowej  trzy  inne,  mniejsze  geny:  OGMP,  EVI2B  i  EVI2A.  Geny  te  ulegają  transkrypcji
w kierunku przeciwnym niż gen NF1.

Gęstość genów
Średnia gęstość występowania : 1 na 450 pz w genomie mitochondrialnym
                                                    1na 40-45 kpz w genomie jądrowym

Klasyczne rodziny genów
Geny należące do klasycznych rodzin genów wykazują wysoki stopień homologii sekwencji
nukleotydowych. Geny te kodują białka zawierające wysoce konserwatywne domeny lub
motywy.

Rodzina genów

Liczba genów

Motywy/domeny konserwatywne

Geny homeobox

Homeodomena składająca się z 60 aminokwasów

Geny PAX

Domena składająca się ze 128 aminokwasów

Geny SOX

Domena składająca się z 69 aminokwasów

Superrodziny genów
Geny należące do superrodzin kodują produkty o podobnym znaczeniu funkcjonalnym
i wykazują jedynie niewielki stopień homologii sekwencji nukleotydowych. Przykłady
superodzin genów to: superrodzina immunoglobulin i superrodzina globin.

Pozagenowy DNA

■

sekwencje unikatowe

■

sekwencje powtórzone (repetytywne): rozproszone i tandemowe (zwarte)

Sekwencje powtórzone tandemowe (zwarte)
Satelitarne – większość powtórzeń występuje w regionach centromerowych chromosomu,
odgrywając tam prawdopodobnie funkcję strukturalną; powtórzenia dochodzą do setek
tysięcy par zasad:

- minisatelitarne – fragmenty długości sięgającej 20 kb, z powtarzająca się

jednostką długości około 10-100 bp; występują najczęściej w telomerach
lub w pobliżu końców chromosomu; funkcja nieznana

- mikrosatelitarne – powtórzenia krótkie, zwykle poniżej 150 bp, a jednostka

powtórzona to najczęściej 2 - 4 bp; funkcja nieznana, ale powtórzenia tego
typu znalazły zastosowanie jako marker molekularny (np. ustalanie profilu
genetycznego – kryminalistyka).

Sekwencje powtórzone rozproszone (transpozony i retrotranspozony)

-  Długie  LINE  (ang.  long  interspersed    nuclear  element)  -  długie  rozproszone
sekwencje  jądrowe;  sekwencje  o  długości  około  6  kb.    Najbardziej  znana  to
sekwencja LINE-1 powtórzona ok. 800 tys. razy, zajmująca 21% ludzkiego DNA.
-  Krótkie SINE (ang. short interspersed nuclear element) - krótkie rozproszone

sekwencje jądrowe o długości około 100-400 bp. Najbardziej znana to sekwencja
Alu o wielkości 300 bp, która powtarza się ok. miliona razy i tworzy 10%
ludzkiego DNA.

Mapowanie genomu
Mapowanie polega na opracowaniu szczegółowych map chromosomów, które
odzwierciedlają położenie znanych genów, jak również sekwencji DNA o nieznanej funkcji
w genomie. Mapowanie genomu opiera się na dwóch metodach:

- mapowaniu fizycznym
- mapowaniu genetycznym

Mapowanie fizyczne:
Mapy fizyczne tworzy się za pomocą sklonowanych odcinków DNA, których funkcja
w organizmie nie musi być znana i w odróżnieniu od map genetycznych uwzględniają takie
szczegóły molekularne, jak: eksony, introny, sekwencje regulatorowe itp.
Jednostką mapowania fizycznego jest para zasad (ang. base pair) – bp.

Mapowanie genetyczne:
Opiera się na stosowaniu technik genetycznych do konstruowania map pokazujących
względne położenie genów i innych charakterystycznych sekwencji w genomie na podstawie
częstości rekombinacji. Mapowanie genetyczne wykorzystuje zjawisko sprzężenia, czyli
tendencję genów do wspólnego dziedziczenia. Jeżeli geny lub sekwencje leżą blisko siebie,
to będą przekazywane razem, czyli będą ze sobą sprzężone.
Jednostką mapowania genetycznego jest centymorgan 1cM=1% rekombinacji
(1 crossing-over na 100 mejoz)

Sekwencjonowanie genomu człowieka

Cele programu poznania genomu człowieka (ang. HGP – Human Genome Project):

skonstruowanie szczegółowych map fizycznych i genetycznych całego genomu
człowieka,

zlokalizowanie wszystkich genów w obrębie genomu człowieka,

wypracowanie metod przechowywania i udostępniania uzyskanych danych; ulepszenie
metod sekwencjonowania,

uzyskanie wiedzy na temat skutków społecznych, ideologicznych i etycznych nowych
technologii genetycznych.

Fakty:

  2003 – kompletna sekwencja genomu człowieka
  2007 – opublikowano sekwencję genomu Craiga Ventera
  2007 - James Watson - pierwszy „osobisty” genom (1 milion dolarów, 2 miesiące,

sekwencja opublikowana: http://jimwatsonsequence.cshl.edu/cgi-
perl/gbrowse/jwsequence/, za wyjątkiem genu ApoE)

 2008 – pierwszy zsekwencjonowany genom osoby pochodzącej z Europy oraz

pierwszy genom kobiety, Holenderki dr Marjolein Kriek (40.000 Euro, 6 miesięcy)

 2008 – opublikowano sekwencje genomu Azjaty (Chińczyka Han) oraz Nigeryjczyka

(plemię Yoruba)

  11 marca 2009 - Personal Genome Project – „Osobiste Genomy”
- cel - zsekwencjonowanie genomów 100 000 ochotników
„PG-10” – pierwszych 10 ochotników, których dane są ogólnie dostępne
http://www.personalgenomes.org/mission.html

Sekwencjonowanie genomu - przyszłość
  The Personal Genome Sequencing Service
  10 czerwca 2009 - Illumina - amerykańska firma  z obszaru life-science, zajmująca się

sekwenjonowaniem, genotypowaniem i ekspresją genów, zaoferowała możliwość
komercyjnego sekwencjonowania genomu za kwotę mniejszą niż 50 000 dolarów
(dane zawierałyby informacje o polimorfizmach typu SNP oraz CNV)

 Dr Jay Flatley (President of Illumina) - przewiduje, że w 2019 roku

sekwencjonowanie genomu będzie rutynową techniką wykonywaną tuż po urodzeniu
dziecka, a cena sekwencjonowania genomu spadnie poniżej 1000 dolarów

Mutacje

Mutacją nazywamy utrwaloną zmianę w materiale dziedzicznym. Zmiany w DNA mogą być
różnego typu (w zależności, jakiej części genomu dotyczy).

Typy chorób genetycznych (w zależności od rodzaju oraz obszaru uszkodzenia
materiału genetycznego):

1.  Spowodowane aberracjami chromosomowymi
2.  Spowodowane mutacją pojedynczego genu (choroby jednogenowe)
3.  Spowodowane mikrodelecją (zespoły mikrodelecji)
4.  Uwarunkowane wieloczynnikowo

Choroby uwarunkowane jednogenowo
Zmiany materiału genetycznego są submikroskopowe, dostępne do badania jedynie metodami
biologii molekularnej
-  Mutacje dotyczą tylko jednego genu
-  Około 1% populacji ogólnej dotkniętej jest chorobami uwarunkowanymi jednogenowo
-  Znanych jest około 16 000 różnych chorób uwarunkowanych jednogenowo

Mutacje genowe – etiologia chorób jednogenowych
Mutacje genowe - zmiany normalnej sekwencji DNA organizmu, spowodowane błędami
w replikacji DNA (mutacje spontaniczne) lub działaniem czynników chemicznych i
fizycznych (mutacje indukowane).
Zachodzą w zygocie, płodzie, komórkach somatycznych i rozrodczych w ciągu całego życia.
Mutacje  w  komórkach  somatycznych  nie  są  przekazywane  potomstwu,  w  odróżnieniu  od
mutacji  w  komórkach  rozrodczych,  które  mogą  zostać  potomstwu  przekazane.  Mutacje
somatyczne  odgrywają  dużą  rolę  w  rozwoju  nowotworów  u  ludzi.  Mutacje  w  komórkach
rozrodczych  mogą  być  odziedziczone  lub  powstają  de  novo  w  procesie  oogenezy  lub
spermatogenezy.

Mutacje spontaniczne powstają w wyniku:

•   błędów replikacyjnych
•   poślizgu replikacyjnego
•   powstawania struktur trzecio- i czwartorzędowych

Częstość mutacji jest niejednakowa dla różnych miejsc w genie (loci). Mutacje spontaniczne
mogą powstać z większą częstością w charakterystycznych miejscach genu zwanych
gorącymi miejscami (z ang. hot spots).

Mutacje indukowane:

Mutageny chemiczne
Mutageny fizyczne

Typy mutacji genowych:

-   duże zmiany genowe
-   mutacje punktowe
-   mutacje transkrypcyjne
-   mutacje splicingowe
-   mutacje dynamiczne
-   negatywne mutacje dominujące

Duże zmiany genowe:
-   delecje
-   duplikacje
-   insercje

Delecje:
Utrata części sekwencji DNA (alfa-talasemia, rdzeniowy zanik mięśni, rodzinna
hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa Duchenne’a i Beckera, mukowiscydoza, zespół
Pradera Willi’ego).

Delecja małego fragmentu eksonu 44 genu dystrofiny powoduje ciężką formę DMD,
natomiast duża delecja, która zajmuje ponad połowę całego genu, powoduje łagodniejszą
chorobę – BMD. Efekt mutacji zależy więc nie od wielkości delecji, ale od tego czy delecja ta
zaburza ramkę odczytu, czy też nie.

Duplikacje:
Powielenie sekwencji DNA (rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa Duchenne’a,
zespół Westa).

Insercje
Wbudowanie dodatkowej sekwencji DNA (np. hemofilia, mukowiscydoza).

Przykład: W obrębie wstawionego insertu może znajdować się kodon stop, co w
konsekwencji spowoduje syntezę skróconego białka, które okaże się być niefunkcjonalne.

Mutacje transkrypcyjne:
Występują w regionie genu związanym z regulacją procesu transkrypcji, czego efektem jest
spadek produkcji białka (np. polidaktylia - mutacja w rejonie regulatorowym genu SHH).

Mutacje splicingowe
Położone na złączach intron - ekson, zakłócające proces wycinania intronów (np.
fenyloketonuria, beta-talasemia, mukowiscydoza).

Mutacje punktowe
Dotyczą tylko jednego nukleotydu i są najczęstszymi mutacjami w genomie ludzkim.
Typy mutacji punktowych:

•   insercje - wbudowanie dodatkowego nukleotydu
•   delecje - wypadnięcie nukleotydu (głuchota wrodzona; 35delG, zespół Marfana)
•   tranzycje - zamiana puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę

(achondroplazja, mukowiscydoza)

• transwersje - zamiana puryny na pirymidynę lub odwrotnie (achondroplazja, anemia

sierpowata)

Przykład:
Achondroplazja - substytucje w genie FGFR3 (ang. Fibroblast Growth Factor Receptor 3) w
pozycji nukleotydu 1138:
- tranzycja – G>A u 98% pacjentów
- transwersja - G>C u 1% pacjentów

Mutacje dynamiczne:

  Pierwszą mutację dynamiczną odkryto w 1991 roku.
  Mutacje dynamiczne stwierdzono tylko u człowieka.
  Mutacje dynamiczne wykazują dużą zmienność populacyjną.
  stanowią podłoże molekularne 14 jednostek chorobowych
  mutacje polegające na wzroście liczby powtórzeń (3-, 4-, 12- nukleotydowych)

 ilość powtórzeń może wzrastać w kolejnych pokoleniach
 istnieje korelacja miedzy ciężkością choroby oraz wiekiem pojawienia się objawów,

a ilością powtórzeń

 objawy mogą nasilać się lub występować wcześniej w kolejnych pokoleniach

(antycypacja)

 premutacja – wzrost ilości powtórzeń poniżej wartości granicznej – nie powoduje

wystąpienia choroby – bezobjawowi nosiciele.

Choroby: choroba Huntingtona (CAG), zespół łamliwego chromosomu X (CGG), ataksje
módżkowo-rdzeniowe, rdzeniowo-opuszkowy zanik mięśni, dystrofia miotoniczna.

Zespół łamliwego chromosomu X (FraX)
- Mutacja dynamiczna w genie FMR1 w długim ramieniu chromosomu X
- Wzrost ilości powtórzeń sekwencji CGG powyżej 200
- Osoby zdrowe - do 54 powtórzeń, nosiciele bezobjawowi - do 200 powtórzeń
(tzw. premutacja)

Negatywne mutacje dominujące:

zmutowany allel wytwarza produkt, który interferuje z produktem allelu
niezmutowanego

geny kodujące białka strukturalne – geny kolagenu, elastyny

Choroby: osteogenesis imperfecta, zespół Marfana.

Skutki mutacji genowych:

mutacje missens (zmiany sensu) – zmiana nukleotydu w pierwszej lub drugiej

pozycji kodonu powoduje zmianę kodowanego przez triplet aminokwasu. Zmienia się
aminokwas w białku

mutacje neutralne (ciche, synonimiczne) – nie powodują zmiany kodowanego

aminokwasu, ponieważ zmiana nukleotydu następuje w trzeciej pozycji tripletu lub też
mutacja nie dotyczy sekwencji kodujących lub z nimi związanych.

mutacje nonsens (stop) – w wyniku mutacji (delecji, insercji lub substytucji

nukleotydu/ów) powstaje przedwcześnie kodon terminacyjny „stop”, czego efektem
jest białko skrócone i pozbawione funkcji

mutacje zmiany ramki odczytu - delecja lub insercja w rejonie kodującym (nie

będąca wielokrotnością trzech nukleotydów) genu zmienia wszystkie występujące za
mutacją kodony; następuje zmiana sekwencji aminokwasowej – zmienia się kodowane
białko

mutacje transkrypcyjne – występują w obszarze regulującym proces transkrypcji

czego efektem jest spadek lub wzrost produkcji białka (np. polidaktylia - mutacja w
rejonie regulatorowym genu SHH)

mutacje splicingowe – zaburzenia w składaniu RNA (np. beta-talasemia).

Skutki mutacji ze względu na funkcję białka:

Utrata funkcji – mutacja znosi lub zmniejsza aktywność białka; większość mutacji

tego typu jest recesywna, ale zdarzają się sytuacje, w których mutacja ma charakter
dominujący (np. zespół Marfana, geny supresorowe nowotworów – BRCA1).

Nabycie funkcji – mutacja nadaje białku nietypową aktywność, często niepożądaną

lub toksyczną, albo aktywność w niewłaściwej tkance czy okresie rozwoju; mutacje
tego typu występują rzadziej i mają najczęściej charakter dominujący (np.
protoonkogeny).

Mutacje znoszące
Istnieją takie mutacje, które znoszą działanie innych, wcześniejszych mutacji. Na przykład
pierwsza mutacja powoduje utratę funkcji kodowanego białka, a kolejna znosi tę pierwszą
mutację i przywraca wytwarzanie funkcjonalnego białka lub maskuje jego brak. Obie mutacje
mogą zachodzić w tym samym regionie DNA lub w zupełnie odległych od siebie miejscach.

Zespoły mikrodelecyjne (z. przyległych genów):
Cechy zespołów mikrodelecyjnych:

  Szerokie spektrum zmienności objawów
  Opóźnienie rozwoju umysłowego
  Zaburzenia wzrastania
  Dysmorfia twarzoczaszki
  Objawy jednej lub wielu chorób jednogenowych
  Ciężkie wady wrodzone uniemożliwiające prokreację, najczęściej występowanie

sporadyczne

 Przyczyną rodzinnego występowania są translokacje
 Wielkość delecji < 3 mln par zasad