1
Wykład 9
Choroby uwarunkowane
genetycznie
Choroby genetyczne
Choroby genetyczne
– stanowią szeroką gamę
zaburzeń powodowanych przez mutacje punktowe i
nieprawidłowości chromosomowe.
• defekty pojedynczych genów spowodowane przez
mutacje, mogą być dziedziczone lub powstawać de
novo.
• zaburzenia chromosomowe (zmiany ilości lub
struktury), na ogół powstają de novo.
• zaburzenia wieloczynnikowe, wynikają z interakcji
genów i czynników środowiskowych. Obejmują
większość wrodzonych nieprawidłowości i wiele
powszechnych chorób.
Defekty jednogenowe
Defekty jednogenowe:
• zaburzenia mendlowskie
• zaburzenia monogeniczne
• zaburzenia pojedynczego locus
Defekty jednogenowe powodują wstrzymanie
produkcji danego białka lub produkcję białka
uszkodzonego. Za symptomy choroby
odpowiedzialny jest właśnie brak białka.
Wzory dziedziczenia
1
Autosomalne dominujące
– zmutowany allel jest
dominujący a więc wystarczy obecność jednego takiego
allelu aby dany osobnik był dotknięty chorobą.
Potomkowie osobnika chorego mają 50%
prawdopodobieństwo zachorowania na tą chorobę
A, a - allele normalne
A* a
a
A
A* a
a
A
A* A
aa
A* -
dominujący
zmutowany allel
Wzory dziedziczenia
2
Autosomalne recesywne
– zmutowany allel jest
recesywny, choroba wystąpi jedynie u osobników
homozygotycznych posiadających oba allele
zmutowane. Osobnicy posiadający jeden zmutowany
allel są nosicielami choroby.
Potomkowie obydwu rodziców będących nosicielami
mają 25% prawdopodobieństwo zachorowania na tą
chorobę.
A - allel normalny
A
a* -
recesywny
zmutowany allel
a*
Aa*
AA
a*a*
Aa*
Aa*
Wzory dziedziczenia
3
Sprzężone z chromosomem X
– zmutowany gen występuje na
chromosomie X. U mężczyzn odziedziczenie zmutowanego X
wystarcza by wystąpiła choroba (hemizygoty). Przeważająca liczba
kobiet pozostaje zdrowa bowiem większość zaburzeń sprzężonych
z chromosomem X jest recesywna. Jeśli kobieta jest nosicielem
choroby to 50% jej męskiego potomstwa będzie chora a 50%
potomstwa żeńskiego będzie nosicielkami choroby.
A - allel normalny
A
a* -
recesywny
zmutowanyallel
a*
A -
AA
XY
XX
XY
XY
XX
XX
A -
a*-
Aa*
2
Schorzenia jednogenowe
Mutacje punktowe:
• mutacje sensu (zmiana kodowanego aminokwasu)
• mutacje nonsensowne (kodon STOP)
• mutacja ramki odczytu (inna sekwencja białka)
• mutacje miejsc splicingowych
• mutacje promotora (rzadkie, obniżają lub eliminują
ekspresję genu)
Ponad 7000 chorób monogenowych.
Mimo rzadkiego występowania poszczególnych chorób
łącznie 1:200 urodzeń obarczonych jest chorobą
monogenową.
Mukowiscydoza
1
Mukowiscydoza (cystic fibrosis)
Choroba dziedziczna (autosomalnie recesywnie),
postępujące schorzenie układu oddechowego i
pokarmowego.
Gromadząca się gęsta wydzielina blokuje drogi
oddechowe powodując wtórne zakażenia i zwłóknienia w
płucach.
U 85% pacjentów funkcje trzustki są zaburzone przez
zablokowanie przewodu trzustki gęstą wydzieliną.
Mukowiscydoza występuje głównie w populacjach
wywodzących się z Europy zachodniej. Częstość
występowania wynosi od 1:2 000 do 1:3 000. W innych
populacjach CF występuje rzadko – 1:15 000 u populacji
afrykańskich i 1:31 000 u populacji azjatyckich.
Mukowiscydoza
2
Choroba wywoływana jest przez mutacje w genie
kodującym białko będące kanałem jonowym
przewodzącym jony chlorkowe (CFTR).
Locus genu CFTR: 7q31.3
Częstość heterozygot w populacji 1:25.
Znanych jest ponad 800 mutacji CFTR ale u 66%
chorych występuje ta sama delecja fenyloalaniny w
pozycji 508 (
D
F508).
NH
2
NBD1
NBD2
R
D
F508
COOH
Zespół wydłużonego QT
1
Wrodzony zespół wydłużonego QT:
Zwiększenie odstępu QT elektrokardiogramu do ponad 460 ms
(norma 300 ms). Choroba dziedziczna (autosomalna dominująca).
Napadowe omdlenia na tle wypadania pojedynczych pobudzeń,
komorowy częstoskurcz wielokształtny (torsade de pointes), u
dzieci i młodzieży zwiększone ryzyko nagłej śmierci w następstwie
migotania komór.
P
Q
R
S
T
QT interval
Zespół wydłużonego QT
2
Choroba wywoływana jest przez mutacje w genach
kodujących białka kanałów jonowych związanych z
przebiegiem potencjału czynnościowego komórek
mięśnia serca.
po
te
nc
ja
ł b
ło
no
w
y
100
200
300
400
ms
Typ
Locus
Gen
LQT1
11p15.5
KCNQ1 (KVLQT1)
LQT2
7q35-36
HERG
LQT3
3p21-24
SCNA5
LQT4
4q25-27
nieznany
LQT5
21q22.1
KCNE1
LQT6
21q21.1
KCNE2
Choroba Huntingtona
1
Choroba Huntingtona (pląsawica, taniec św. Wita):
Choroba dziedziczna (autosomalna dominująca).
Atakuje układ centralny układ nerwowy (płaty czołowe kory
mózgowej)
Postępujące objawy pojawiają się po około 40 roku życia.
Częstość występowania 1:10 000
Objawy:
Mimowolne ruchy (drżenie kończyn, twarzy), niewyraźna mowa.
W dalszym przebiegu utrata zdolności intelektualnych, demencja i
śmierć po ok. 15 latach od wystąpienia pierwszych objawów.
3
Choroba Huntingtona
2
Choroba wywoływana jest przez mutacje w genie znajdującym się
na dystalnym odcinku krótkiego ramienia chromosomu 4 (4p16.3).
Mutacja jest przykładem zwiększenia liczby powtórzeń
trójnukleotydowych. U ludzi zdrowych gen ten (210 kpz, kodujący
białko huntingtynę) ma na 5’ końcu około 10-34 powtórzeń CAG
(cytozyna, adenina, guanina). U chorych liczba powtórzeń
zwiększa się do 42-100.
Większa liczba powtórzeń wydłuża długość łańcucha
poliglutaminowego i tym samym zwiększa zdolność huntingtyny do
agregacji.
Dystrofia mięśniowa Duchenne’a
1
Dystrofia mięśniowa Duchenne’a (DMD):
Najczęściej występująca spośród 10 różnych
(genetycznie i klinicznie) dystrofii. Jest to
schorzenie albo recesywne związane z
chromosomem X albo wynikające z mutacji
genu DMD (Xp21.2) de novo
. Częstość
występowania 1:3500 (chłopcy).
Chorzy mężczyźni cierpią na zanik mięśni.
Pierwsze objawy pojawiają się pomiędzy 3 i
5 rokiem życia, większość chorych umiera
przed 20 rokiem życia.
Łagodniejsza (alleliczna) forma dystrofii nosi
nazwę dystrofii mięśniowej Beckera (BMD).
Dystrofia mięśniowa Duchenne’a
2
Gen dystrofiny:
• największy z genów w ludzkim genomie (2 300 kpz)
• dystrofina jest białkiem strukturalnym
• locus genu Xp21
• większość znanych mutacji to delecje (40%), mutacje
punktowe (30%). Duplikacje stanowią 5% mutacji.
aktyna
dimer
dystrofiny
błona
Hemofilia
1
Hemofilia:
• obniżenie zdolności krzepnięcia krwi.
• choroba dziedziczona recesywne w sprzężeniu z chromosomem
X albo wynikająca z mutacji de novo (30%).
• hemofilia A spowodowana niedoborem czynnika VIII krzepnięcia
krwi (częstość występowania 1:5 000)
• hemofilia B spowodowana niedoborem czynnika IX (częstość
występowania 1:40 000).
• niedobory czynników krzepnięcia krwi są przyczyną częstego
występowania wylewów.
Zmiany w stawie łokciowym
spowodowane krwawieniem
wewnętrznym
Hemofilia
2
• hemofilia A spowodowana jest mutacjami w genie
kodującym czynnik VIII (locus Xq28)
• delecje stanowią ok. 5% mutacji
• około 50% przypadków spowodowanych jest
inwersjami
• spotykane są też zmiany ramki odczytu, mutacje typu
nonsense lub missence (TCGA na T
TGA
).
• ogólnie znanych jest ponad 600 mutacji genu czynnika
VIII.
• hemofilia B spowodowana jest mutacjami genu
czynnika IX (w większości mutacje punktowe)
• znanych jest ponad 400 mutacji tego genu
Hemofilia – królewski problem
4
Hemoglobina
1
Hemoglobina:
białko związane z transportem
tlenu u kręgowców.
Cząsteczka hemoglobiny zbudowana jest z
czterech łańcuchów polipeptydowych typu
a
i
b
(d,g)
. Skład cząsteczki hemoglobiny zależy od
etapu rozwoju organizmu.
Etap rozwoju
Hemoglobina Struktura
Embrionalny
Gower I
z
2
e
2
Gower II
a
2
e
2
Portland I
z
2
g
2
Płodowy
F
a
2
g
2
Dorosły
A
a
2
b
2
A
2
a
2
d
2
Hemoglobina
2
• geny dla globin
b
znajdują się
na chromosomie 11 (11p15.5).
• dwa geny dla globin
a
znajdują
się na chromosomie 16
(16p13.11 i 16p13.33).
•
b
-
globina (146 aminokwasów)
jest nieco większa od
a
-globiny
(141 aminokwasów).
a
A
a b
2 2
b
g
d
A2
a d
2 2
F
a g
2 2
Hemoglobinopatie
Hemoglobinopatie:
Grupa schorzeń spowodowanych przez dziedziczenie
nieprawidłowości w budowie hemoglobiny.
Dwa typy hemoglobinopatii:
• nieprawidłowa hemoglobina (anemia sierpowata)
• talasemie (nieprawidłowości w syntezie globin
a
lub
b
).
Anemia sierpowata
1
Sierpowatość krwinek (anemia sierpowata):
Schorzenie dziedziczone autosomalnie
recesywnie, szczególnie często występujące
w Afryce i wśród czarnych mieszkańców
Ameryki Północnej. Częstość występowania
1:500.
Sierpowatość krwinek powodowana jest
przez pojedyncze podstawienie zasady w
genie
b
-globiny (6 kodon: GAG na GTG).
Obecność waliny zamiast kwasu
glutaminowego zmniejsza rozpuszczalność
hemoglobiny i wpływa na zmianę kształtu
erytrocytów.
Heterozygoty HbS/HbA są relatywnie
odporne na malarię, co może być przyczyną
występowania anemii sierpowatej w
obszarach występowania malarii.
Tłumaczenie z http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/Sca/SCA
Anemia sierpowata
2
Plejotropowe skutki mutacji genu kodującego
b
-globiny.
zmutowany
gen
błędna
-globina
b
zła
rozpuszczalność
HbS
sierpowatość
niszczenie
komórek
sierpowatych
zwiększona
lepkość,
zlepianie
komórek
niedokrwienie
tromboza
łamliwość
anemia
jelita
śledziona
mózg
nerki
płuca
serce
Talasemie
1
Talasemie:
Grupa schorzeń (dziedziczonych autosomalnie dominująco)
spowodowanych nierówną produkcją
a
- lub
b
-globin. Wolne,
nadmiarowe, nierozpuszczalne globiny tworzą precypitaty, które
uszkadzają komórki, co prowadzi do anemii.
Talasemie występują najliczniej w basenie morza śródziemnego,
na Środkwym Wschodzie, subkontynencie indyjskim i w
południowo-wschodniej Azji.
Heterozygoty względem mutacji wywołujących talasemię są
relatywnie odporne na malarię, co może być przyczyną
występowania tego schorzenia w obszarach występowania malarii.
Ze względu na różnorodność genotypową i fenotypową wyróżnia
się szereg talasemii typu
a
,
b
oraz
db
.
5
Talasemie
2
Talasemie typu
a
dzieli się w zależności od tego ile loci genu
a
-globiny
(ulokowanych na chromosomie 16) podlega mutacji (delecji). Jeśli dwie
delecje ulokowane są na tym samym chromosomie to mówimy o talasemii
a
typu pierwszego (thal-
1), gdy delecje występują na dwóch
homologiczych chromosomach mówi się o typie 2 (thal-2).
Genotyp
Fenotyp
aa
aa
prawidłowy
a-
aa
„cichy nosiciel” prawidłowy
--
aa (
thal
-1)
talasemia
a-
a- (
thal
-2)
talasemia
a-
--
hemoglobinopatia HbH (
b
4
)
--
--
obrzęk płodu
Talasemie
3
W talasemii typu
b
wyróżnia się dwie postacie: związaną z całkowitym
brakiem syntezy
b
-globiny (
b
0
), oraz z niedoborem
b
-globin (
b
+
).
Ujawnienie się fenotypu talasemi
b
może być wynikiem wystąpienia całego
szeregu mutacji w obrębie zarówno samego genu
b
-
globiny jak i regionów
niekodujących. Zaburzenia te prowadzą do zmniejszonej transkrypcji DNA,
defektów modyfikacji DNA, zmian ramki odczytu lub utraty sensowności,
zaburzeń poliadenylacji.
Genotyp
Fenotyp
+
-
Heterozygota
b
0
+ (+)
Heterozygota
b
+
Thalassemia minor
bezobjawowa
(+) (+)
Homozygota
b
+
+
-
Heterozygota
b
0
Thalassemia intermedia
(niezależna od transfuzji)
- -
Homozygota
b
0
(+)
-
Heterozygota
b
+
/b
0
Thalassemia major
(zależna od transfuzji)
Zaburzenia metabolizmu
Wrodzone zaburzenia metabolizmu
– najlepiej poznana, szeroka
grupa schorzeń spowodowanych brakiem ekspresji enzymów
zaangażowanych w szlaki metaboliczne. Większość tych schorzeń
dziedziczy się autosomalnie recesywnie albo w sprzężeniu z
chromosomem X.
• zaburzenia syntezy aminokwasów (fenyloketonuria)
• zaburzenia cyklu mocznikowego
• zaburzenia metabolizmu węglowodanów (nagromadzenie
glikogenu)
• zaburzenia metabolizmu steroidów (rozrost nadnerczy)
• zaburzenia metabolizmu tłuszczów (rodzinna
hipercholesterolemia)
• lizosomalne choroby spichrzeniowe (mukopolisacharydoza)
Fenyloketonuria
1
Hydroksylaza fenyloalaninowa: katalizuje
przemianę L-fenyloalaniny w L-tyrozynę.
COO-
NH
3
+
fenyloalanina
COO-
NH
3
+
O
H
tyrozyna
DOPA
melanina
O
COOH
kwas fenylopirogronowy
Fenyloketonuria
2
Objawy: u dzieci nie poddanych leczeniu występuje silny niedorozwój
umysłowy, niedorozwój motoryczny, drgawki (napady padaczkowe).
Dość często dzieci mają jasne włosy i niebieskie oczy.
Epidemiologia: przeciętnie 1:15 000 urodzeń, częstość występowania
silnie zależy od populacji.
Dzieci kobiet chorych na PKU (leczonych dietą) mają zwiększone
prawdopodobieństwo wystąpienia niedorozwoju umysłowego.
Patogeneza: mutacja genu PAH
, położonego na 12 chromosomie
(locus 12q22-
q24.1). Obecnie znanych jest ponad 450 różnych
mutacji tego genu.
Mukopolisacharydoza
1
Mukopolisacharydozy:
grupa 7 chorób
związanych z deficytem enzymów
katabolizujących kaskadową degradację
glikozoaminoglikanów (GAG,
mukopolisacharydów) w lizosomach.
Gromadzenie się GAG w komórkach, krwi
oraz tkance łącznej prowadzi do
postępujących zmian wyglądu, sprawności
fizycznej, funkcjonowania narządów
wewnętrznych oraz możliwości
umysłowych.
Mała częstość występowania – 1:100 000
www.maroteaux-lamy.com/.../HCP/Patients.jpg
6
Mukopolisacharydoza
2
Typ
Nazwa
Enzym
Objawy
MPS I
z. Hurlera
a
-L-iduronidaza
upośledzenie umysłowe,
hipoplazja żuchwy
MPS II
z. Huntera
sulfataza iduronowa
upośledzenie umysłowe
MPS III
z. Sanfilippo
sulfoamidaza
heparanowa,
N-acetyloglukozo-
aminidaza
opóźnienie rozwoju,
nadmierna aktywność,
dysfunkcja motoryczna
MPS IV
z. Morquio
b
-galaktozydaza
dysplazja, niski wzrost
MPS VI
z. Maroteaux-
Lamy
sulfataza N-acetylo-
galaktozaminy
dysplazja, niski wzrost,
dysfunkcja motoryczna
MPS VII
z. Sly
b
-glukuronidaza
hepatomegalia, niski
wzrost, dysfunkcja
motoryczna
MPS IX
z. Natowicz
hialuronidaza
niski wzrost, bóle
Geny a nowotwory
Istnieje szereg dowodów wiążących procesy tworzenia zmian
nowotworowych z uszkodzeniem genów.
• mitoza w komórkach nowotworowych jest nieprecyzyjna i prowadzi do
heteroploidii
(różnej ilości chromosomów w komórkach tego samego
guza).
• większość mutagenów jest jednocześnie
karcynogenami
• predyspozycje do nowotworów są dziedziczone.
• w niektórych nowotworach wykrywa się specyficzne rearanżacje
chromosomów.
Zidentyfikowano trzy klasy genów uczestniczących w procesie
nowotworzenia:
• onkogeny
• geny supresorowe nowotworów
• geny naprawcze DNA (ich złe działanie może być przyczyną raka)
Wirusy – schemat namnażania
wnikan ie
(fuzja lub endocytoza)
replikacja
transkry pcja
tran slacja
składanie
i uwalnia nie
mRNA
DNA lub RNA
białka
Retrowirusy
Retrowirusy
– wirusy RNA, których cykl rozwojowy polega na
odwrotnej transkrypcji genomowego RNA do podwójnej nici DNA,
która następnie integruje z DNA gospodarza i w tej postaci ulega
dalszej replikacji, transkrypcji i translacji. DNA wirusa zintegrowane
–
prowirus
. Zwykle prowirus pozostaje w genomie komórki
gospodarza nie niszcząc jej, wyjątkiem jest wirus AIDS.
wirion
odwrotna
transkrypcja
integracja
replikac ja
transkrypcja
translac ja
Onkogeny
1
Onkogeny
zidentyfikowano po raz pierwszy jako dodatkowe geny obecne
w genomie wirusów onkogennych (retrowirusów).
Sekwencje DNA blisko spokrewnione (homologiczne) z wirusowymi
onkogenami stwierdzono również w genomach zwierząt. Kopie komórkowe
onkogenów nazywa się
protoonkogenami
.
Rekombinacja pomiędzy nieonkogenną odmianą wirusa i genami
gospodarza może dawać w wyniku pojawienie się mutacji lub nadekspresji
onkogenów, czyli ich aktywację.
U ludzi guzy wywoływane są przez wirusa brodawczaka (rak szyjki macicy)
i wirus zapalenia wątroby (rak wątroby wywołany wtórnie).
LTR
g ag
pol
en v
LTR
LTR
g ag
pol
en v
LTR
LTR
g ag
pol
en v
LTR
LTR
g ag
pol
en v
LTR
LTR
g ag
pol
en v
LTR
normalny retro wirus
rekomb ina nty niefunkcjon alne
reko mbinant z protoonkogenem
(po cho dny wi rus onko gen ny)
Onkogeny
2
Onkogeny wirusowe oznaczane są jako v-onc, onkogeny aktywowane bez
udziału wirusów oznaczane są jako c-onc.
Białka produkowane przez onkogeny biorą udział przede wszystkim w
szlakach przekazywania sygnałów dotyczących wzrostu i proliferacji
komórek.
Zaburzenie szlaków przekazywania sygnałów może dotyczyć również
regulacji procesu
apoptozy
.
Wikipedia: apoptosis pathways overview
7
Translokacje aktywujące onkogeny
Nieomal w każdym rodzaju nowotworu stwierdza się
specyficzne translokacje chromosomów.
Przeniesienie genu do regionu w którym wzmocniona
jest ekspresja genów może spowodować gwałtowny
wzrost ekspresji tego (onko)genu.
Przykład: w przypadku chłoniaka Burkitta obserwuje się
translokację 8 chromosomu z chromosomem 14, 2 lub
22. Translokacja t(8;14)(q24:q32) sprowadza
protoonkogen myc
w bliskie sąsiedztwo grupy genów
ciężkiego łańcucha immunoglobulin, których ekspresja
jest wzmacniana. Szybsze tempo transkrypcji myc
stymuluje podziały komórki.
Na skutek translokacji mogą się też połączyć końce 5’ i
3’ różnych genów tworząc w ten sposób nowy
(onko)gen.
Geny supresorowe nowotworu
Gen supresorowy (antyonkogen)
– gen hamujący
procesy proliferacji komórkowej (bramkowy) lub
utrzymujący stabilność genetyczną komórki
(opiekuńczy).
Aby nastąpiło powstawanie nowotworu obydwa allele
danego antyonkogenu muszą być inaktywowane.
Mutacje tego typu są recesywne. Najczęściej jeden z
alleli zmieniany jest przez mutację punktową a drugi
przez delecję.
Utrata ekspresji przez geny supresorowe może też
zajść na skutek zjawisk epigenetycznych (metylacja
DNA, modyfikacja chromatyny).
p53
Gen p53 (locus 17p13) koduje
białko działające jako czynnik
transkrypcyjny kontrolujący
przejście z fazy G1 do fazy S.
p53 reguluje również odpowiedź
komórki na uszkodzenie DNA:
• poziom p53 wzrasta po
uszkodzeniu DNA
• białko p53 jest zaangażowane
w szlak przekazywania sygnału
związanego z apoptozą
Aktywacja p53 następuje po
fosforylacji N-
końca.
Mutacja genu p53 obserwowana
jest w ponad 40% nowotworów
człowieka.
uszkodzenie DNA
zakłócenie cyklu komórkowego
niedotlenienie (hipoksja)
p53
mdm2
p53
zatrzymanie cyklu komórkowego
naprawa DNA
restart cyklu komórkowego
apoptoza
eliminacja
uszkodzonej komórki
Nerwiakowłókniakowatość
Nerwiakowłóniakowatość:
Wyróżnia się dwa typy NF1 i NF2 powodowane przez różne uszkodzenia
genu. Częstość występowania NF1 (1:3000), NF2 (1:35 000). W obu
przypadkach jest to schorzenie dziedziczone autosomalnie dominująco.
U chorych pojawiają się małe pigmentacyjne zmiany koloru kawy z
mlekiem, małe mięsiste narośla (nerwiakowłókniaki) oraz guzki Lischa na
tęczówce. Nerwiakowłókniaki są nowotworami łagodnymi ale w niektórych
przypadkach mogą rozwinąć komplikacje jako nowotwór mózgu lub
epilepsja.
Gen NF1 (17q11.2) koduje białko nazywane neurofibraminą. Mutacje w
locus genu NF1 (delecje, insercje, mutacje splicingowe, zamiana zasad)
przerywają szlak sygnałowy dla genów ras (neurofibramina działa jako
białko supresorowe nowotworu).
Gen NF2 zlokalizowany na chromosomie 22 koduje merlinę, działającą
również jako supresor nowotworu.
Xeroderma pigmentosum
Xeroderma pigmnetosum
– heterogenna grupa chorób
skóry uwarunkowanych występowaniem defektów
systemu naprawy DNA. Dziedziczenie autosomalne
recesywne.
Skóra wykazuje nadwrażliwość na promieniowanie UV.
Przebarwienia, suchość skóry i zmiany nowotworowe
występują w miejscach narażonych na działanie
promieniowania.