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.