Prof. dr hab. n. med.
Władysław Grzeszczak
Śląski Uniwersytet Medyczny
Wykład wprowadzający
Podstawowe pojęcia
Prof. dr hab. n. med.
Władysław Grzeszczak
Śląski Uniwersytet Medyczny
Wykład wprowadzający
Podstawowe pojęcia
Podstawowe określenia
Gen
– to podstawowa jednostka dziedziczenia, która w
interakcji z czynnikiem środowiskowym determinuje
wystąpienie danej cechy
Locus
- to miejsce zajmowane przez gen w chromosomie
Allele
– to alternatywne formy genu w danym locus
- ludzkie chromosomy są parzyste dlatego
każda osoba
ma dwa allele
w każdym loci (
wyjątkiem
są geny
zlokalizowane na chromosomie
Y i X u mężczyzn
)
- istnieją liczne prawidłowe i nieprawidłowe allele
określonego genu
Podstawowe określenia
Genotyp
–
to materiał genetyczny
danej osoby
uporządkowany w charakterystyczny układ alleli
Fenotyp
– to końcowy
efekt działania czynników
genetycznych i środowiskowych
, ujawniający się w
postaci określonego obrazu klinicznego lub
obserwowanej ekspresji genu.
Badania korelacji genotypowo-fenotypowej służą do
oceny i powiązania obrazu klinicznego choroby ze
specyficzną mutacją genu.
Podstawowe określenia
Jeżeli
allele w tym samym locus są identyczne
, to osobę
z takim układem nazywa się
homozygotą.
Oba allele mogą być prawidłowe lub nieprawidłowe
Jeżeli
allele w tym samym locus są różne
to osobę z
takim układem nazywa się
heterozygotą.
Określenie to odnosi się zazwyczaj do sytuacji
posiadania
jednego prawidłowego i jednego
nieprawidłowego (zmutowanego) allelu
.
Takie heterozygotyczne osoby nazywane są
nosicielami
Podstawowe określenia
Pojęcie: „
autosomalny
´ odnosi się do chromosomów
(autosomów) nie będących chromosomami płciowymi.
O cechach dziedziczonych autosomalnie mówi się, gdy są
one uwarunkowane genami zlokalizowanymi w autosomach.
Pojęcie: „
sprzężenie z chromosomami X i Y
” odnosi się do
genów mających loci na chromosomie X lub Y.
Z allelami sprzężonymi z chromosomami X związane jest
dziedziczenie dominujące lub recesywne.
Określenie „
sprzężenie z płcią
” jest synonimem używanym
do przedstawienia dziedziczenia sprzężonego
z
chromosomem X
.
Podstawowe określenia
Cechy uwarunkowane dominująco
występują zarówno u
heterozygot, jak i u homozygot. Oznacza to, że obecność
pojedynczego allelu danego genu wystarcza do ujawnienia
się cechy.
Cechy uwarunkowane recesywnie
występują
tylko u
homozygot
, co oznacza, że do ich wystąpienia konieczna jest
obecność alleli recesywnych w obu chromosomach.
Pojęcia dominacji i recesywności dotyczą obrazu klinicznego,
a
nie samych genów
Dziedziczenie
Ponad połowa
opisanych dotychczas cech jest
dziedziczona
dominująco
,
około
1/3
recesywnie
,
1/10
jako
cechy sprzężone z chromosomem X
.
Dziedziczenie mitochondrialne
Ludzkie komórki mają setki mitochondriów w
cytoplazmie
Określone tkanki mają różną liczbę mitochondriów.
Każde mitochondrium zawiera pewną liczbę kopii
kolistych cząstek DNA= kolistego genomu.
Dziedziczenie mitochondrialne
Niemal cały mitochondrialny DNA jest dziedziczony
od
matki
Mutacje mitochondrialne DNA są odpowiedzialne za
niewielką liczbę schorzeń genetycznych.
Duże rearanżacje genowe
Delecje
są łatwo wykrywane dzięki technologii
rekombinacji DNA przez stwierdzenie nieobecności lub
zmianę wielkości fragmentu DNA.
Delecje genowe, z wyjątkiem kilku zespołów, są
rzadkimi przyczynami mutacji w ludzkim genomie.
Duże rearanżacje genowe
Duplikacje sekwencji DNA
są powszechne w procesie
ewolucji i mogą być spowodowane nieprawidłowym
procesem koniugacji homologicznych sekwencji DNA
położonych blisko siebie, z duplikacją materiału
genetycznego, który jest zawarty wewnątrz genu.
Duplikacje mogą zmieniać ramkę odczytu.
Rodzinna hipercholesterolemia i DMD
są przykładami
chorób genetycznych, które mogą być spowodowane
duplikacjami.
Duże rearanżacje genowe
Insercje
są rzadkimi przyczynami mutacji w ludzkim
genomie.
Transpozycja DNA
jest zjawiskiem powszechnym w
ludzkim genomie, lecz zwykle nie obejmuje sekwencji
kodujących. Transpozycja może niekiedy przerwać
ciągłość genu i być przyczyną nieprawidłowej ekspresji
uszkodzonego genu.
Duże rearanżacje genowe
Mutacje punktowe
= zastąpienie pojedynczego nukleotydu
jest najczęstszą przyczyną mutacji w ludzkim genomie.
Jeśli w kodonie dojedzie do zmiany pojedynczego
nukleotydu, to powstałe punktowe mutacje nazywa się
mutacjami zmiany sensu
.
Zaburzenia, które są skutkiem różnych mutacji
punktowych, to
np.
beta-talasemia, mukowiscydoza,
fenyloketonuria
Mutacje transkrypcyjne
Mutacje transkrypcyjne
Mogą wystąpić w obszarze od 5’ końca do początku kodonu
inicjującego w sekwencji DNA.
Miejsce to jest krytyczne dla regulacji transkrypcji.
Przykładem mogą być różne mutacje znalezione w sekwencji TATA,
regionie zlokalizowanym około 30 nukleotydów w kierunku końca
5’ od kodonu inicjującego.
Ważną rolę w regulacji transkrypcji odgrywają także reszty na 3’
końcu genu beta-globiny. Mutacje w tych dystalnych elementach
promotora mogą być przyczyną obniżenia aktywności
transkrypcyjnej i
spadku produkcji białka beta-globiny.
Mutacje translacyjne
Mutacje translacyjne
- mutacje nonsensowne
- mutacje zmiany ramki odczytu
Mutacje uszkadzające translację obserwowane są
czasem w
talasemii
. Opisane zostały także w innych
chorobach takich jak
fenyloketonuria.
Mutacje RNA
Mutacje RNA
mutacje procesu cięcia RNA i jego stabilności
mogą
spowodować nieodpowiednie cięcie wytwarzanego RNA
w sekwencjach w kierunku do końca 3’.
Wynikiem tego jest powstanie RNA, który jest
„nienormalnie duży”, niestabilny i szybko ulega
degradacji.
mutacje procesu składania RNA
Mutacje dynamiczne
Mutacje dynamiczne
mechanizm powstawania mutacji u ludzi, spowodowany
wzrostem liczby trójnukleotydowych sekwencji
powtarzalnych w genie.
trójnukleotydy te mogą znajdować się w nie ulegającym
translacji regionie 5’ genu, w regionie kodującym genu
lub w nie ulegającym translacji regionie 3’ genu.
Negatywne mutacje dominujące
mutacja jednego z alleli w danym locus może dać efekt
dominujący, jeśli obecność tylko jednego funkcjonalnie
prawidłowego allelu jest niewystarczająca do
wytworzenia odpowiedniej ilości produktu tego genu.
chorobą będącą przykładem takiej mutacji jest
hipercholesterolemia rodzinna
Polimorfizm i markery genetyczne
definicje
Polimorfizm genetyczny
– oznacza występowanie w
populacji
dwóch lub więcej alleli w danym locus
z
częstością większa niż wynikająca z ogólnej częstości
mutacji.
Polimorfizm to zróżnicowanie genetyczne
warunkujące
zmienność wewnątrz gatunku
.
Polimorfizm i markery genetyczne
definicje
Polimorfizm
Wszystkie odmiany polimorfizmu są efektem zmian
zachodzących w sekwencji DNA, które mogą być
wykryte metodami biologii molekularnej.
Polimorfizm można również wykazać w badaniach białek
o zmienionej funkcji, enzymów lub antygenów oraz
nieprawidłowych cech fizycznych organizmu.
Polimorfizm może być zatem klasyfikowany zależnie od
metody jego wykrycia.
Polimorfizm i markery genetyczne
definicje
Polimorfizm
może być klasyfikowany
zależnie od metody jego
wykrycia:
polimorfizm DNA
– jest identyfikowany poprzez bezpośrednie
wykrycie zmienionych sekwencji DNA
polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP)
polimorfizm krótkich tandemowych powtórzeń (STRP)
polimorfizm pojedynczych nukleotydów (SNP)
(…)
Znaczenie kliniczne polimorfizmów
Znaczenie kliniczne polimorfizmu
:
Większość rodzajów polimorfizmu nie wpływa na cechy
kliniczne fenotypu.
Bez względu na ich efekt fenotypowy są one
użytecznymi markerami genetycznymi.
Markery genetyczne
Markery genetyczne
mogą być wykorzystane do określenia
prawdopodobieństwa asocjacji genów choroby w
rodzinie lub u pojedynczych chorych,
a także do ustalenia pokrewieństwa oraz genetycznej
zgodności krwi, nasienia czy tkanki.
Markery genetyczne
Bliźnięta
z genetycznego punktu widzenia istnieją dwa rodzaje
bliźniąt:
jednojajowe
(MZ)=
identyczne
bliźniętą
,
mają wszystkie geny
takie same
. Pochodzą z jednej zygoty, która dzieli się na dwa
embriony.
dwujajowe
(DZ)=
braterskie
bliźnięta
,
mają około połowy
genów takich samych
. Rozwijają się z dwóch oddzielnych
zygot i są tak
samo genetycznie spokrewnione, jak z pozostałym
rodzeństwem.
Markery genetyczne
Ustalenie ojcostwa
Ustalenie ojcostwa wymaga pobrania próbek od dziecka,
matki i domniemanego ojca.
Badania z zastosowaniem markerów genetycznych
mogą wykluczyć,
ale
nie udowodnić
ojcostwo.
Markery genetyczne
Ustalenie ojcostwa
Są dwie możliwości wykluczenia ojcostwa
.
- ojcostwo jest wykluczone, jeśli żaden z dwóch alleli
danego locus u domniemanego ojca nie występuje u
dziecka.
- ojcostwo jest wykluczone, jeśli u domniemanego ojca
brakuje allelu, który jest obecny u dziecka, a nie ma go u
matki.
Markery genetyczne
Im więcej markerów zostanie przebadanych i mniej
wspólnych alleli ustalonych, tym bardziej prawdopodobne,
że ojcostwo danego mężczyzny będzie wykluczone.
Prawdopodobieństwo ojcostwa może być obliczone na
podstawie liczby przebadanych markerów oraz częstości
alleli, dla których dziecko jest informacyjne.
Za pomocą techniki DNA fingerprinting, pozwalającej badać
szczególnie polimorficzne markery, można zazwyczaj
uzyskać bardzo duże prawdopodobieństwo ojcostwa
Markery genetyczne
Zastosowanie markerów genetycznych w sądownictwie
obejmuje ponadto:
określenie pochodzenia krwi, nasienia lub próbek tkanek
uzyskanych na miejscu przestępstwa. Nnawet małe ilości
DNA mogą być użyte do określenia markerów genetycznych
charakterystycznych dla ofiary lub podejrzanego
identyfikacja zaginionych osób
. W celu ustalenia
rzeczywistego pokrewieństwa biologicznego markery
genetyczne osoby zaginionej można pobrać z markeru jej
rodziców i innych członków rodziny.
Sprzężenie loci
Sprzeżenie loci
to występowanie dwóch lub więcej loci
genowych w tak bliskiej odległości fizycznej w
chromosomie, że bardziej prawdopodobne jest
przekazanie ich razem niż oddzielnie podczas mejozy.
Mapowanie genów
Mapowanie genów
Jest przyporządkowaniem genów od określonego miejsca w
chromosomie.
Ponad 6000 loci genetycznych zostało zmapowanych w
poszczególnych chromosomach człowieka.
Większość z tych loci to polimorfizmy krótkich tandemowych
powtórzeń, które są idealnymi markerami genetycznymi ze
względu na ich olbrzymi polimorfizm i łatwość w badaniach za
pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR).
Powyższe badanie obejmuje ponad 450 genów.
Wiele kolejnych loci mapuje się na bieżąco w ramach Projektu
Badania Genomu Człowieka.
Mapowanie genów
Znanych jest kilka metod mapowania genów.
- badania rodzinne
Istnieje wiele rodzajów map genetycznych zawierających
różne, ale uzupełniające się informacje. Przybliżona ich
kolejność w skali wzrastającej dokładności jest następująca:
- mapa cytogenetyczna
- mapa sprzężeń
- mapa fizyczna
- sekwencja DNA
Korelacja genotyp-fenotyp
Korelacja genotyp-fenotyp
to związek specyficznych zmian w
genomie z charakterystycznymi objawami klinicznymi choroby
genetycznej.
Wiele chorób genetycznych wykazuje
istotną różnorodność
w
ekspresji czy niekompletnej penetracji.
Różnice te zależą od rodzaju choroby
Występuje także zróżnicowane międzyosobnicze.
Korelacja genotyp-fenotyp
Prawdopodobne
przyczyny tej klinicznej zmienności objawów
to:
- heterogenność locus
- heterogenność alleli
- somatyczne zmiany zmutowanego allelu
- efekty epistatyczne
Epistaza – zjawisko współdziałania genów, charakteryzujace siię zależnością obecności jednego
genu
( rozumianego jako para allel)i od ekspresji innej pary alleli. Kilka różnych par alleli może wówczas
oddziaływać na pojedynczą cechę lub też jedna para alleli może zmieniać właściwości lub
hamować efekt
innej pary.
- efekty epigeniczne
- czynniki pozagenetyczne.