1

R o z d z i a ł

1

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 pre-
dyspozycja wraz z czynnikami środowiskowymi odgrywa istotną rolę w ich ujaw-
nieniu 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 leczni-
cze lub prewencję.

Genetyka to dział biologii, analizujący problemy związane z dziedziczeniem cech
i zmiennością organizmów.

Genetyka medyczna jest gałęzią medycyny zajmującą się dziedziczeniem, rozpo-
znawaniem i leczeniem chorób uwarunkowanych zmianami w materiale gene-
tycznym 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 gene-
tycznego na poziomie cząsteczkowym.

Medycyna molekularna bada możliwości kliniczne zastosowania genetyki i bio-
logii molekularnej w diagnostyce i leczeniu chorób.

Choroby uwarunkowane genetycznie

Choroby genetyczne to schorzenia, które przekazywane są jako cecha dziedzicz-
na 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 po-

jedynczego genu. Są one przekazywane potomstwu w prosty sposób, zgod-
nie z zasadami opisanymi przez Grzegorza Mendla w 1865 roku, stąd cza-
sem bywają określane zaburzeniami mendlowskimi. W zależności od typu
dziedziczenia choroby te dzieli się na:
—

autosomalne dominujące, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie cho-
roby zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym (innym niż chro-
mosomy płciowe X i Y) i gdy tylko jedna kopia (allel) zmienionego pa-
tologicznie genu wystarczy dla ujawnienia się choroby,

—

autosomalne recesywne, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choro-
by zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym i dla ujawnienia
się choroby konieczne jest występowanie dwóch patologicznie zmienio-
nych 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 śro-
dowiskowymi. Nie są one przekazywane potomstwu w sposób prosty, zgod-
ny 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 szcze-
pu dwoinki zapalenia płuc jest zdolny trwale zmienić właściwości szczepu niezja-
dliwego, 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 JamesaWa-
stona, Francisa Cricka i Maurice’a Wilkinsona było przełomem w poznaniu pod-
stawowych 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 (ade-
nina, 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. Nu-
kleotyd 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’-fos-
fodiestrowe 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 ko-
niec 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 skrę-
cone wokół własnej osi, tworzą charakterystyczny kształt cząsteczki DNA w for-
mie prawoskrętnej podwójnej spirali (helisy). Część cukrowo-fosforanowa two-
rzy szkielet i jest usytuowana na zewnątrz cząsteczki. Zasady są skierowane do
wnętrza helisy i układają się jedna nad drugą. Dwunicowa helisa DNA jest abso-
lutnie 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 syme-
trię cząsteczki dwupierścieniowe puryny mogą oddziaływać tylko z jednopier-
ścieniowymi 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 mecha-
nizm zachowania informacji i jej przekazywania komórkom potomnym.

Replikacja DNA

Proces kopiowania cząsteczek DNA w komórkach nazywa się replikacją. Za-
pewnia on przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do
komórek potomnych w sposób niemal idealnie zapewniający zachowanie nie-
zmienionej 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 ukła-
dane są nukleotydy nowo syntetyzowanej nici zgodnie z zasadą komplementar-
ności. Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy DNA tworzą strukturę
„widełek replikacyjnych” (ryc. 1.2). Polimeraza DNA, główny enzym odpowie-
dzialny za proces replikacji, może prowadzić syntezę nowej nici DNA tylko w jed-
nym kierunku — od końca 5’ do końca 3’. Ponieważ obie nici matrycowe,

5

Podstawy genetyki

zorientowane względem siebie w przeciwnych kierunkach, są kopiowane w ob-
rębie „widełek replikacyjnych” jednocześnie, tylko jedna z powstających no-
wych 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 syn-
tetyzowana w sposób ciągły nosi nazwę nici prowadzącej, zaś nić powstająca
w sposób nieciągły określana jest mianem nici opóźnionej. W efekcie końco-
wym powstają dwie nowe cząsteczki dwuniciowego DNA, identyczne z czą-
steczką 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 in-
formację 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 wie-
lokrotnej 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 chro-
mosomy mogą być obserwowane w mikroskopie świetlnym tylko podczas meta-
fazy podziału komórki, kiedy ulegają kondensacji. Zwykle można wyróżnić ra-
miona długie (q) i ramiona krótkie (p) chromosomu, połączone ze sobą w punk-
cie określanym mianem centrosomu. Obraz chromosomów metafazalnych służy
w diagnostyce chorób związanych z aberracjami chromosomowymi do sporzą-
dzania 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 komórko-
wym w mitochondriach; DNA znajduje się w mitochondriach w formie kolistej
cząsteczki, przypominającej swoją strukturą materiał genetyczny bakterii. Ge-
nom mitochondrialny koduje przede wszystkim białkowe składniki mitochon-
drialnego 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 uprzej-
mością 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 okre-
ślana jest na kilkanaście tysięcy par zasad z dużymi różnicami między poszcze-
gólnymi genami, których rozmiar może wahać się od kilkuset do kilku milio-
nów par zasad. Struktura genu jest nieciągła, składa się z odcinków DNA ko-
dującego 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 ge-
nów zlokalizowanych na chromosomach płciowych u mężczyzn (X i Y). Alterna-
tywne formy genu w danym locus, różniące się sekwencją nukleotydów DNA,
nazywane są allelami. Jeśli oba allele, matczyny i ojcowski w danym locus są iden-
tyczne, osoba o takim układzie alleli określana jest osobą homozygotyczną w od-
niesieniu do danego genu. W przypadku, gdy występują dwa różne allele w da-
nym 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. Pro-
ste 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 wie-
logenowe obejmują bardzo podobne geny, kodujące białka o podobnych funk-
cjach. Przykładem może być rodzina genów globinowych, kodujących serię po-
lipeptydów globiny (a, b, g, e, z), które różnią się między sobą zaledwie kilkoma
aminokwasami. Polipeptydy globiny po przyłączeniu hemu tworzą dojrzałe i em-
brionalne formy hemoglobiny.

Od genu do białka — funkcja genów

Podstawową funkcją genów jest kodowanie sekwencji aminokwasów tworzą-
cych polipeptydy. Proces prowadzący do pojawienia się produktu danego genu
w komórce przebiega wieloetapowo i nazywany jest ekspresją. Prawidłowa eks-
presja genów zapewnia syntezę produktów białkowych w odpowiednim miej-
scu i w odpowiednim czasie.

Transkrypcja

Na skutek działania specyficznych czynników transkrypcyjnych w rejonie pro-
motorowym dochodzi do aktywacji danego genu, czyli do miejscowego rozluź-
nienia ściśle upakowanej cząsteczki DNA oraz zainicjowania procesu przepisa-
nia sekwencji DNA na sekwencję nukleotydów kwasu rybonukleinowego (RNA).
Kwas RNA różni się od DNA przede wszystkim jednonicową strukturą czą-
steczki oraz tym, że zawiera zamiast deoksyrybozy inny cukier — rybozę, a za-
miast tyminy zawiera inną zasadę pirymidynową — uracyl. Przepisywanie infor-
macji genetycznej, zawartej w sekwencji nukleotydów DNA, na sekwencję nu-
kleotydów RNA odbywa się zgodnie z zasadą komplementarności (A-U, C-G).
Proces ten, nazywany transkrypcją, odbywa się dzięki aktywności enzymu poli-
merazy 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 pro-
cesu elongacji polimeraza RNA przemieszcza się wzdłuż cząsteczki DNA i roz-
plata podwójny heliks. Enzym dołącza kolejne nukleotydy do końca 3’ rosnące-
go 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 niema-
trycowej DNA, określanej również jako nić sensowna lub kodująca. Produktem
transkrypcji jest cząsteczka RNA, która po przejściu procesów dojrzewania (spli-
cingu

), 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 dodat-
kowym sekwencjom zlokalizowanym poza promotorem, a często nawet w znacz-
nej odległości od samego genu. Mają one zwykle długość 100–200 pz oraz zdol-
ność wiązania czynników transkrypcyjnych. Spotykane są dwa rodzaje tego typu
sekwencji o właściwościach: aktywujących transkrypcję — sekwencje wzmac-
niające, 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, two-
rzących dany polipeptyd (ryc. 1.5). Informacja na temat sekwencji aminokwa-
sów 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 termina-
cji lub stop kodon). Cztery zasady w DNA lub RNA mogą utworzyć łącznie 4

3

kombinacje trójek nukleotydów, stanowiące 64 kodony, które określają 20 ami-
nokwasów występujących w białkach. Przykładowo, trójka nukleotydów o se-
kwencji 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 polipep-
tydu (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 dege-
neracja lub nadmiarowość kodu genetycznego. Kodony odpowiadające za wpro-
wadzenie do polipeptydu tych samych aminokwasów są podobne, i dlatego okre-
ślane są jako synonimy. Na przykład CUU, CUC, CUA i CUG kodują leucynę.
Synonimy najczęściej różnią się tylko zasadą zajmującą trzecią pozycję w kodo-
nie, określaną jako pozycja tolerancji. Degeneracja kodu genetycznego minima-
lizuje 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 rozpo-
znane 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 metioni-
ny, chociaż aminokwas ten może zostać później usunięty. Kompleksy amino-
kwas-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 po-
przez aktywację transkrypcji specyficznych genów. Hormony, takie jak estroge-
ny i glukokortykoidy, mają budowę steroidową lub polipeptydową, jak np. insu-
lina. Hormony steroidowe są rozpuszczalne w tłuszczach i mogą przechodzić
przez błonę komórkową do cytoplazmy, gdzie wiążą się z czynnikiem transkryp-
cyjnym, określanym jako receptor hormonów steroidowych. Związanie hormo-
nu 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 pro-
motorowymi. 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 fosfory-
lację, ostatecznie doprowadzając do stymulacji transkrypcji genów docelowych
poprzez wiązanie aktywowanych czynników transkrypcyjnych do regionów pro-
motorowych genów.

Zmienność materiału genetycznego

Mutacje

Mutacja jest to jakościowa lub ilościowa zmiana materiału genetycznego ko-
mórki. W genomie ludzkim obserwuje się wiele różnych typów mutacji. Mogą
one dotyczyć liczby i struktury chromosomów, pojedynczych genów lub ich frag-
mentów, 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. Nie-
które mutacje mogą prowadzić do śmierci komórki lub całego organizmu. Zda-
rzają 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 chromoso-
mów o wielokrotność całkowitej haploidalnej liczby chromosomów,

—

aneuploidalność, czyli niewielkie odchylenia od podstawowej liczby chro-
mosomów. Przykładem może być nullisomia, gdy brak w komórce ja-
kiejkolwiek 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 pochodzą-
cych 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 ko-

donu 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 prowadzą-

cych do przedwczesnego pojawienia się kodonu terminacyjnego translacji.
W efekcie powstaje niepełny polipeptyd o nieprawidłowej strukturze i funk-
cji (ryc. 1.6C).

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

nu i z powodu degeneracji (nadmiarowości) kodu genetycznego nie następu-
je zmiana aminokwasu w polipeptydzie.

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

gionie 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 ko-
donie 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 pro-
wadzi do syntezy polipeptydu często o całkowicie zmienionej sekwencji ami-
nokwasów (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 prawidło-
wego dojrzałego mRNA. Mutacje tego typu w efekcie końcowym mogą pro-
wadzić do zmiany ilości syntetyzowanego białka lub do powstania białka
o nieprawidłowej funkcji.

Organizm posiadający fenotyp prawidłowy, charakterystyczny dla danego ga-
tunku, określany jest jako typ dziki. Natomiast organizm o fenotypie zmienio-
nym 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 da-
nej 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 doty-

czy fragmentów niekodujących:
—

polimorfizm krótkich powtórzeń tandemowych (STRP, short tandem
repeat polymorphism) polega na występowaniu segmentów DNA o dłu-
gości do 1000 pz (zawierających różną liczbę powtórzeń krótkich se-
kwencji. Do najczęstszych należy sekwencja zbudowana z cytozyny i ade-
niny — (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 licz-
by powtórzeń. Identyfikacji dokonuje się po rozdziale elektroforetycznym na żelu, gdzie fragmen-
ty 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 zło-
żonych 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 pozio-
mu jego ekspresji.

Markery genetyczne

Geny polimorficzne mogą być wykorzystywane jako markery genetyczne:

1. dla określania prawdopodobieństwa związku genów z występowaniem cho-

rób w rodzinie lub w populacji ogólnej,

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

krwi lub innych tkanek, identyfikacji zwłok itp.

Piśmiennictwo

1. Charon K.M., Świtoński M. Genetyka zwierząt. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

2000.

2. Friedman J.M., Dill F.J., Hayden M.R. Natura materiału genetycznego. W: Friedman J.M.,

Dill F.J., Hayden M.R., McGillivray B.C. (red.), Limon J. (red. pol.) Genetyka. Urban &
Partner, Wrocław 1997: 1–32.

3. Friedman J.M., McGillivray B.C. Polimorfizm genetyczny. W: Friedman J.M., Dill F.J., Hay-

den M.R., McGillivray B.C. (red.), Limon J. (red. pol.) Genetyka. Urban & Partner, Wrocław
1997: 81–89.

4. Gruchała M., Ciećwierz D., Rynkiewicz A. Znaczenie wariantów polimorficznych wybranych

genów w chorobie wieńcowej serca. Część 1. Wprowadzenie i metodyka badań. Pol. Przegl.
Kardiol. 2000; 2: 1–5.

5. Leiden J.M. Principles of cardiovascular molecular biology and genetics. W: Braunwald E.,

Zipes D.P., Libby P. (red.). Heart disease: a textbook of cardiovascular medicine. W.B. Saun-
ders Company, New York 2001: 1977–2018.

6. Lewin B. Genes VII. Oxford University Press, Oxford 1999.
7. Molecular basis of cardiovascular disease. Chien K.R. (red.). Saunders Company, Philadel-

phia 1999.

8. Narkiewicz K., Pawłowski R., Bigda J., Krupa-Wojciechowska B. Genetyczne podłoże chorób

układu krążenia. Wprowadzenie do tematu. Kardiol. Pol. 1997; 46: 245–241.

9. Rynkiewicz A., Gruchała M. Short story of the insertion/deletion polymorphism of the angio-

tensin-converting enzyme gene in cardiology. Nadciśnienie Tętnicze 2001; 5 (supl. A): 28–33.

10. Sanak M. Ogólne podstawy genetyki. W: Ciechanowicz A., Januszewicz A., Januszewicz W.,

Rużyłło W. (red.). Genetyka chorób układu krążenia. Medycyna Praktyczna, Kraków 2002:
13–21.

17

Podstawy genetyki

11. Stankiewicz P., Brozek I., Helias-Rodzewicz Z., Wierzba J., Pilch J., Bocian E., Balcerska A.,

Wozniak A., Kardas I., Wirth J., Mazurczak T., Limon J. Clinical and molecular-cytogenetic
studies in seven patients with ring chromosome 18. Am. J. Med. Genet. 2001; 101: 226–239.

12. Stracham T., Read A.P. Human molecular genetics. BIOS Scientific Publishers, Oxford 1996.
13. Węgleński P. (red.). Genetyka Molekularna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
14. Winter P.C., Hickey G.I., Fletcher H.L. Genetyka. Krótkie wykłady. Augustyniak J., Prus-

-Głowacki W. (red. pol.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.