17.02.2004r.

Badania Grzegorza Mendla (czeski zakonnik):

• uważane są za podstawowe dla rozwoju genetyki jako odrębnego działu biologii;

• przedstawione w 1885 roku na wykładzie w Brnie, a opublikowane w 1886 roku w artykule „Badania nad mieszańcami roślin” uznane zostały dopiero po ich ponownym potwierdzeniu przez uczonych niezależnych badaczy w 1900 roku;

• prowadzone były nad dziedziczeniem jednej, dwóch i więcej par różniących się cech grochu zwyczajnego (roślina diploidalna, rozmnażająca się płciowo), każda badana cecha determinowana była przez pojedynczą parę genów;

• dotyczyły: losów genów w czasie wytwarzania gamet; łączenie się gamet w zygoty w procesie zapłodnienia, śledzenia segregacji genów w kolejnych pokoleniach mieszańców.

I prawo Mendla - prawo czystości gamet (dotyczyły genów (alleli) - w tym samym locus danej pary chromosomów homologicznych)

• podczas podziału mejotycznego komórki następuje rozdział odpowiadającej sobie pary genów (alleli) do każdej gamety przechodzi tylko jeden allel danej pary (heterozygoty nie wytwarzają gamet z allelami mieszańcowymi - gamety zawierają jedynie pojedyncze allele i w tym sensie są „czyste”).

G. Mendel krzyżował rośliny (groch) różniące się tylko jedną parą kontrastujących cech:

• barwa kwiatów (białe, czerwone);

• barwa nasion (żółte, zielone);

• powierzchnia nasion (gładka, pomarszczona).

Dziedziczenie każdej badanej pary cech grochu uwarunkowane jest odrębną parą genów (alleli).

para rodzicielska P (łac. `parentes')

pierwsze pokolenie F (łac. `fillius' i `fillia')

Mieszańce F miały cechy tylko jednego z rodziców, cecha drugiego rodzica była stłumiona.

Cecha ujawniająca się w pokoleniu F₁ została nazwana dominującą.

Cecha ukryta w pokoleniu F₁ została nazwana recesywną.

kwiaty kwiaty

• Dominujący allel - przejawia się fenotypowo.

• Rzeczywisty allel - nie przejawia się w obecności allela dominującego.

17.02.2004

Uzupełnienia i modyfikacje reguł dziedziczenia ustalonych przez Mendla.

Stosunki dominowania między allelami jednego genu

• pełna dominacja - jeden z dwóch alleli w heterozygocie maskuje obecność drugiego allelu (heterozygota Aa posiada fenotyp jak homozygota dominująca AA)

• niepełna dominacja - jeden allel w heterozygocie nie maskuje całkowicie obecności drugiego allela (heterozygota Aa posiada fenotyp pośredni pomiędzy homozygotą AA i aa)

Przykład: Po skrzyżowaniu osobników rodzaju wyzuna (Antirhinum) o kwiatach białych z osobnikami o kwiatach czerwonych mieszańce F₁ wytwarzają kwiaty o barwie pośredniej - różowej. W pokoleniu F₂ takiej krzyżówki rośliny o kwiatach białych, różowych i czerwonych występują w stosunku 1:2:1 zgodnie z prawem Mendla.

Rośliny o kwiatach białych nie wytwarzają czerwonego barwnika (antocjan) recesywny allel wytwarza nieaktywny enzym, który jest konieczny do syntezy czerwonego barwnika.

• homozygota AA posiada dwa niezmutowane geny i wytwarza aktywny enzym do syntezy barwnika;

• homozygota aa posiada oba geny zmutowane i nie wytwarza w ogóle aktywnego enzymu koniecznego do syntezy barwnika;

• heterozygota Aa posiada jeden gen kodujący aktywny enzym, a drugi koduje nieaktywny enzym.

Jeśli obecność aktywnego enzymu kodowanego przez allel dominujący A w heterozygocie Aa będzie powodowała wytwarzanie barwnika w ilościach wywołujących takie same zabarwienie jak w homozygocie AA - pełna dominacja allela A nad recesywnym allelem a.

Jeśli obecność tylko jednego allela A w heterozygocie Aa spowoduje wytwarzanie mniejszej ilości barwnika dominacja będzie niezupełna, a kwiaty będą różowe.

Kodominacja alleli - allele współdominujące

• produkty obu alleli są wytwarzane jednocześnie i niezależnie, każdy z nich znajduje odbicie w fenotypie (heterozygota posiada jednocześnie obie właściwości homozygot rodzicielskich)

Np.: Układ grupy MN u człowieka allele MMⁿ

Genotyp: MM fenotyp: MM

MⁿMⁿ NN

MMⁿ MN

Allele wielokrotne

• jeden gen może mieć wiele alleli (gen polimorficzny)

[jeden osobnik diploidalny ma dwa allele]

[haploidalna gameta ma jeden allel]

Przykład: układ grupowy PGP (fosfataza fosfoglikolanowa), allele PGP¹, PGP², PGP³

Genotyp: PGP¹PGP¹ Fenotyp: PGP 1-117.02.2004

II prawo Mendla (dotyczy genów w obrębie loci w różnych parach chromosomów geny nie są sprzężone ze sobą)

• cecha uwarunkowana jedną parą alleli (genów) dziedziczy się niezależnie od cechy uwarunkowanej drugą parą alleli (genów) (segregacja jednej pary genów nie ma wpływu na segregację innych par genów);

G. Mendel prowadził badania nad krzyżowaniem form rodzicielskich różniących się jednocześnie dwiema cechami, np.:

• jedna para genów allelicznych wyznaczała barwę nasion: żółta i zielona;

• druga para genów allelicznych wyznaczała kształt nasion: gładka i pomarszczona.

Chromosomowa teoria dziedziczenia

• w latach 1909 - 1914 T. Morgan ze współpracownikami wykazał doświadczalnie, że geny zlokalizowane są w chromosomach;

• badano cechy muszki owocowej Drosophila melanogaster - garnitur chromosomów 2n=8 (6 autosomów oraz 2 chromosomy płciowe X, Y) (n - liczba heterozygotycznych par alleli);

• udowodniono, że gen determinujący barwę oczu muszki owocowej zlokalizowany jest na chromosomie X.

Podstawowe tezy chromosomowej teorii dziedziczenia

• geny zlokalizowane są w chromosomach liniowo w określonej kolejności;

• geny alleliczne znajdują się w tych samych loci chromosomów homologicznych;

• poszczególne chromosomy zawierają różną liczbę genów; zestaw ich jest charakterystyczny dla danego chromosomu;

• geny zlokalizowane w obrębie każdej pary chromosomów homologicznych są ze sobą sprzężone;

• częstość występowania crossing over między zależy od odległości między genami;

• częstość crossing over między genami w obrębie tej samej pary chromosomów jest stała dla danego gatunku;

17.02.2004

• organizmy powstałe z rekombinacji po crossing over noszą nazwę rekombinantów.

Crossing over - wymiana odpowiadających sobie odcinków chromosomów homologicznych, mogących powodować zerwanie sprzężeń pomiędzy genami - możliwe są nowe kombinacje sprzężeń genów.

Sprzężenie loci - występowanie dwóch lub więcej loci genowych w tak bliskiej odległości fizycznej w chromosomie, że bardziej prawdopodobne jest przekazanie (segregacja) ich razem niż oddzielnie podczas mejozy.

• sprzężenie loci występuje, gdy położone są one w niewielkiej odległości od siebie i crossing over zachodzi między nimi rzadko.

Jednostka stosowana do określania bliskości sprzężeń dwóch genów: centymorgan (cM) lub % rekombinacji.

• loci segregowane podczas crossing over w 1% gamet są odległe o 1 cM;

• loci, które są tak blisko, że prawie nigdy nie ulegają segregacji w czasie crossing over są sprzężone w odległości genetycznej równej 0 cM;

• loci nie sprzężone ze sobą są oddalone na odległość równą 50 cM - dany allel w określonym locus ma 50% szanse na przekazanie z którymkolwiek z alleli niesprzężonego locus.

24.02.2004r.

Genom człowieka - całkowity DNA komórki, obejmujące wszystkie geny oraz odcinki między genowe.

Informacja genetyczna człowieka zapisana jest w genomie:

• jądrowym:

• ponad 3 miliardy par zasad DNA

• 24 liniowe cząsteczki DNA o różnej długości (od 55 do 250 Mb) i każda zawarta w odrębnym chromosomie (22 pary autosomów i 2 chromosomy płci);

• mitochondrialnym:

• dwuniciowa kolista cząsteczka DNA;

• 16569 pz (ok. 0,0005% genomu jądrowego).

Struktura genomu (3000 Mb)

• sekwencje genomu i sekwencje związane z genami (900 Mb)

• sekwencje kodujące białka (geny 90 Mb)

• sekwencje niekodujące (810 Mb) pseudogeny, fragmenty genów, intron

• sekwencje pozagenowe (2100 Mb)

• sekwencje pojedyncze o małej liczbie kopii (1680 Mb)

• sekwencje powtarzające się rozproszone w genomie (420 Mb).

Geny (niewielka część sekwencji unikatowych) - 10% całego genomu.

• podstawowe jednostki dziedziczenia zawarte w chromosomach i zbudowane z DNA lub RNA (u niektórych wirusów), w których zapisana jest informacja o kodowanym produkcie;

• geny i związane z nimi sekwencje regulacyjne stanowią około 75% genomu;

• w całym genomie jest około 50000 genów;

• gen strukturalny (w wyniku jego ekspresji powstaje białko) występuje w postaci pojedynczej kopii w haploidalnym genomie

(komórki somatyczne - diploidalne 22 pary autosomów i 1 para chromosomów płci; gamety - haploidalne: 23 chromosomy);

• około 20% genów (geny metabolizmu podstawowego - housekeeping genes) podlega ekspresji we wszystkich tkankach, geny konstytutywne funkcjonujące przez cały okres życia komórki;

• około 80% genów podlega ekspresji jedynie w określonym czasie i miejscach, np. ekspresja genu insuliny w komórkach β wysp trzustkowych.

Intronowo-eksonowa struktura genów (geny nieciągłe) - charakterystyczne dla większości organizmów eukariotycznych.

W strukturze genu mogą być zawarte:

• fragmenty kodujące - eksony;

• elementy niekodujące - introny, fragmenty regionu flankującego 5', fragmenty regionu flankującego 3'.

Eksony - sekwencje reprezentowane w dojrzałym mRNA

• funkcjonalne części genów, których sekwencje kodują białka;

• sekwencja eksonu może występować w zbliżonej formie w jednym lub kilku innych genach, tzw. rodziny genów (gr. gena) o identycznej lub podobnej sekwencji (np. geny RNA rybosomowego).

Introny - sekwencje wycinane z pierwotnego transkryptu mRNA zanim dojrzała forma mRNA opuści jądro komórkowe

• niekodujące sekwencje DNA, które przerywają sekwencje kodujące;

• stanowią znaczną część większości genów eukariotycznych;

• funkcja nierozstrzygnięta (nie wiadomo, czy istnieje):

• wspieranie procesu mieszania genów podczas crossing over;

• modyfikacja czasu niezbędnego dla replikacji i transkrypcji DNA;

• różnią się długością, powodując zmienną długość genów: u eukariotów introny są dłuższe od eksonów;

• nie wykazują pokrewieństwa z innymi sekwencjami w genomie pomimo, że zawierają większość rozproszonych wielokrotnie powtórzonych sekwencji.

Granice pomiędzy eksonami i intronami nie są przypadkowymi sekwencjami zasad - przeważnie pierwsze duże zasady intronu od końca 5' to GT, a ostatnie od końca 3' to AG.

Region flankujący 5' - obecne sekwencje niezbędne do prawidłowego przebiegu transkrypcji

• najbliżej końca 5' znajdują się dowolne regiony z sekwencjami regulatorowymi;

• region promotorowy (sekwencje bezpośrednio przylegające do sekwencji eksonu), z którym wiąże się polimeraza RNA II w celu zapoczątkowania transkrypcji.

Region flankujący 3' - sekwencje terminacyjne

• sekwencje rozpoznawcze dla odcięcia transkryptu pierwotnego mRNA;

sekwencje poliadenylacji (od końca 3' łańcucha mRNA

• dodane zostaje 100 - 200 zasad adeninowych, tworzy się tzw. ogon poly A).

Geny nie podlegające regulacji - pseudogeny:

• niefunkcjonalne sekwencje nie podlegające transkrypcji, translacji, a będąc zmiennymi elementami rodzin genowych;

• typ 1 - pseudogeny zwykłe, pochodzące z genów funkcjonalnych, które zostały unieczynnione z powodu wielu szkodliwych mutacji (zachowują strukturę eksonów i intronów);

• typ 2 - retropseudogeny, które zostały utworzone przez wprowadzenie do genomu retrotranskryptu, tj. odwrotnego transkryptu mRNA genów funkcjonalnych - cDNA (nie posiadają promotora oraz intronów)

Wstawianie retropseudogenów następuje w miejscach losowych.

Sekwencje powtarzalne - powtórzenia rozproszone w całym genomie

• sekwencje długie LINE (long interspersed nuclear elements) do 7000 pz

• sekwencje krótkie SINE (short interspersed nuclear elements) 90 - 500 pz

• LTR (long terminal repeats)

• transpozony DNA

• sekwencje powtórzone tandemowe

• sekwencje satelitarne (10% sekwencji powtórzonych) - tandemowe powtórzenia krótkiej sekwencji, zblokowane w określonych miejscach chromosomu, głównie w centromerach i na końcach chromosomów

(nazwa pochodzi od właściwości DNA w czasie wirowania w gradiencie gęstości chlorku cezu, jako „satelita” pojawia się DNA, które jest oddzielone od innych form DNA w gradiencie)

• sekwencje minisatelitarne - bloki wielokrotnych kopii motywu zawierającego od 10 do 100 pz (całkowita długość powtórzeń około kilka tysięcy par zasad)

• sekwencje mikrosatelitarne - bloki wielokrotnych kopii motywu zawierającego od 1 do 6 pz (całkowita długość powtórzeń do kilkuset pz)

Sekwencje ruchome (transpozony) - fragmenty DNA zdolne do przemieszczania się w obrębie genomu, ulegają insercji w inne lokalizacje chromosomów.

transpozony - sekwencje DNA ulegające bezpośredniej

• transpozycji w obrębie tego samego chromosomu za pośrednictwem mechanizmu „wytnij i wklej”, bez przepisywania na mRNA (transpozycje konserwatywne);

• retrotranspozony - fragmenty DNA, które mogą ulegać transpozycji na drodze DNA-RNA-DNA, zawierają pełną informację genetyczną, kodującą białka enzymatyczne niezbędne do retrotranspozycji wewnątrzkomórkowej, są to przekształcone pseudogeny, wywodzące się z genów kodujących krótkie cytoplazmatyczne RNA (transpozycja replikacyjna).

Mechanizm przemieszczania się transpozonów.

Przedstawione na rysunku donorowe i docelowe odcinki DNA mogą być fragmentem tej samej cząsteczki DNA (np. genomu bakteryjnego) lub znajdować się w różnych cząsteczkach DNA (np. w chromosomie bakteryjnym i w plazmidzie).

Przemieszczanie się eukariotycznych retrotranspozonów.

Transpozony przemieszczają się ulegając najpierw przepisaniu na RNA, na podstawie którego następnie tworzona jest kopia dwuniciowego DNA. Kopia DNA ulega insercji w docelowym miejscu cząsteczki DNA. (A) Podczas niereplikacyjnej transpozycji typu „wytnij i wklej”, transpozon jest wycinany z donorowego DNA i integrowany z docelowym DNA, pozostawiając opuszczone miejsce w postaci rozciętego DNA donorowego. (Donorowy DNA może być naprawiony różnymi sposobami, ale czasem powstają w nim delecje lub dochodzi do rearanżacji.)

Miejsce docelowe może znajdować się na tej samej cząsteczce DNA, która zawiera sekwencję donorową lub na innej. Ze względu na podobieństwo tego mechanizmu do replikacji wirusów znanych jako retrowirusy, transpozony tego typu są nazywane retrotranspozonami.

Genom mitochondrialny:

• mitochondria - organella wewnątrzkomórkowe, dziedziczące się prawie wyłącznie po matce

• w plemniku ok. 20 mitochondriów;

• w komórce jajowej dziesiątki tysięcy;

• w komórce somatycznej średnio około 1000 - najwięcej w tkance mięśniowej poprzecznie prążkowanej, mięśniu sercowym, nerce i ośrodkowym układzie nerwowym.

mtDNA:

• dwuniciowa kolista cząsteczka DNA o 16569 pz (ok. 1% całkowitego DNA w komórce)

• nić lekka L - zapisana informacja o sekwencji 1 białka i 8 tRNA

• nić ciężka H (zawiera większość genów)

• 22 geny kodujące tRNA;

• 2 geny kodujące rRNA;

• 13 genów kodujących białka;

• pętla D - region między genami, w którym zachodzi inicjacja transkrypcji DNA (87 pz);

• nie zawiera intronów;

• nie ulega rekombinacji;

• niewiele możliwości naprawy DNA;

• liczba mutacji ok. 10 razy wyższa niż w DNA jądrowym (w mitochondriach zachodzi proces tlenowego oddychania wewnątrzkomórkowego - ok. 3% tlenu ulega przemianie w wolne rodniki tlenowe o właściwościach mutagennych);

mutacje mtDNA kodującego białka mogą powodować choroby, które przekazywane są przez komórkę jajową od chorej matki - do wszystkich jej dzieci, niezależnie od płci, np. atrofia nerwów wzrokowych Lebera; dalszym pokoleniom cechę tę przekazują tylko córki (dziedziczenie niemendlowskie)

2.03.2004r.

ABBERACJE CHROMOSOMOWE

Kariotyp - zestaw chromosomów, charakterystyczny dla danej komórki człowieka, ssaka, gatunku.

46 chromosomów, XX - kobieta

46 chromosomów, XY - mężczyzna

Kariotyp konstytucyjny (wrodzony): kariotyp, jaki określamy, to z czym się rodzimy, to co badamy przy zaburzeniach.

Mogą działać czynniki mutagenne:

• złamania chromosomów;

• przeniesienie chromosomów;

• prowadzi to do wzrostu nowotworowego i utrwalenie kariotypu.

np. 46 XX, t (9:22) - białaczka szpikowa.

Kariotyp konstytucyjny był prawidłowy, ale uległ zmianie na skutek namnażania się komórek nowotworowych - jest to kariotyp „nabyty”. Może się różnić od kariotypu konstytucyjnego.

Badamy komórki z tej linii.

Kariotyp konstytucyjny oznaczamy na podstawie limfocytów krwi obwodowej.

Abberacja = nieprawidłowość

Większość powstaje spontanicznie, np. podczas zaburzenia podziałów komórek rozrodczych, liczba chromosomów.

Większość abberacji jest letalna, komórki nie przeżywają (zygota obumiera we wczesnym stadium rozwoju).

Czynniki mutagenne:

• promieniowanie X (tomografia komputerowa);

• substancje organiczne (leki cytostatyczne - leczące nowotwory, leki hormonalne);

• infekcje wirusowe (sprzyjają zmianom chromosomów, np. złamania chromosomów).

Abberacje chromosomowe - przyczyny powstawania:

Abberacje wrodzone i nabyte (nabyte nie są przekazywane potomstwu - w komórkach somatycznych, ale w komórkach rozrodczych są przekazywane potomstwu).

Abberacje: zrównoważone i niezrównoważone ilościowo.

• zrównoważone: nie prowadzą do zmian ilości chromosomów, przesunięcia w komórkach, bez utraty materiału genetycznego, można z nią żyć. O nosicielstwie można się dowiedzieć przy poronieniu.

• niezrównoważone: przesunięcie lub utrata materiału genetycznego.

Abberacje: liczbowe abberacje:

- zrównoważone fenotypowo monosomie i trisomie

- niezrównoważone

Skutki prawidłowego lub nie fenotypu

(np. translokacje)

• translokacje robertsonowskie

Chromosomy akrocentryczne

• abberacja niezrównoważona kariotypowo (ilościowo)

• abberacja zrównoważona fenotypowo (brak skutków fenotypowych)

Abberacje liczbowe i strukturalne

Strukturalne mogą być:

• zrównoważone;

• niezrównoważone.

Liczbowe:

• niezrównoważone (ubytek lub nadmiar)

Abberacja liczbowa:

Euploidia (prawidłowa liczba chromosomów)

komórki somatyczne: diploidalne 46 XX

haploidalne 23 X

Wielokrotność liczby haploidalnej:

• triploidia 69 chromosomów

• tetraploidia 92 chromosomy

Euploidia 46 XX, 46 XY

Poliploidia 69, 92 chromosomy - komórki wątroby, układu nerwowego - szpik

meriakariocyty - dwie komórki krwiotwórcze i komórki nowotworowe

Poliploidia w komórkach somatycznych - jest to cecha letalna, umiera przed urodzeniem, duże wady, niedorozwój. Zależy od kogo pochodzi - jak od matki 2, od ojca 1 haploidalne, dziecko jest mniejsze, większe powikłania (chroni matkę, bierze od niej mniej), gdy 2 pochodzą (poliploidia) od ojca to dziecko jest większe, ale ma te same powikłania.

Aneuploidia:

• niewielkie odchylenie od liczby chromosomów 46;

• monosomie (1 chromosom jest obecny);

• disomie - normalnie 1 od ojca, 1 od matki;

• tetrasomie

Błędy genetyczne 60% płodów mają abberacje chromosomów.

• trisomia chromosomów

• 21 (zespół Downa) Są to jedynie trisomie pozwalające na przeżycie,

• 18 (zespół Edwardsa) nawet, gdy jest we wszystkich komórkach,

13 (zespół Patau)powoduje też

• śmiertelność noworodków

Monosomie chromosomów - są letalne, pojedyncze przypadki opisane, które przeżyły.

Trisomia chromosomu X:

• 47 XXX - mogą być poronienia, inaktywacja chromosomu X, nie widać zmian, chromosomy X nie są aktywne, nie ma żadnych zaburzeń, co 1000 kobiet;

• 47 XXY (zespół Klinefeltera) - mogą być zaburzenia w sferze rozwoju płciowego, nie ogólnego - narządów wewnętrznych, są bezpłodne, zmiany w rozwoju narządów płciowych;

• 47 XYY - wysoki wzrost, nasilenie cech charakteru, wady fenotypowe;

• monosomia 45 Y - letalne we wczesnym okresie płodowym;

• monosomia 45 X (zespół Turnera) - obumieranie płodów, życie w części jest możliwe, dożywają starości, wady serca, nerek, narządów płciowych;

• monosomie autosomalne - letalne.

Abberacje strukturalne:

podłoże: złamanie chromosomu, punkty złamania

• niezrównoważone (utrata, nadmiar materiału genetycznego)

• delecja (del)

• delecja terminalna (końcowa): cały kawałek odpada, odłamanie jest w jednym miejscu

• interstycjalna

• duplikacja (dup) - podwojenie chromosomu

- niedorozwój umysłowy + zmiany w narządach wewnętrznych

• chromosom pierścieniowaty (r)

Są to dwie delecje, powodują zmiany fenotypowe, jest niezrównoważona.

• izochromosom (i)

• izochromosom ramion długich X

i (X g) - u kobiet, gdy występują one przeżywają

46 X (i X g) to wtedy jest to zespół Turnera

• niezrównoważone translokacje (t)

- addycje (add) - dodatek, naddatek (nie wiemy z jakiego chromosomu pochodzi, nie

pochodzi z innego chromosomu, jest dodatkowym materiałem genetycznym)

- markery (mar) - niezidentyfikowany, struktura chromosomowa (z centromerem) -

fragmencik chromosomu

47, XX t mar - 46 chromosomów XX + dodatkowy chromosom niezidentyfikowany

• zrównoważone

• translokacje zrównoważone (t) - przeniesienie materiału bez utraty

• (wbudowania) insercja zrównoważona (ins)

• inwersje (zrównoważone) (inv) - brak zmian fenotypowych, ta same ilość materiału

• pośrednie [translokacje robertsonowskie (t rob)]

9.03.2004r.

Mutacje i rekombinacje - podstawowe procesy ewolucji genomów.

Genomy są strukturami dynamicznymi, które ewoluują w czasie na skutek skumulowanych efektów zmian sekwencji DNA.

Zmienność dziedziczna organizmów jest kształtowana w procesach:

• rekombinacji - wymiana między nićmi DNA lub fragmentami chromosomów w procesach podziału komórek, prowadzi do powstania różnych kombinacji genów oraz ich alleli;

• mutacji - odpowiedzialne za tworzenie się nowych alleli danego genu, czy też nowych genów.

Wszystkie rekombinacje i mutacje, które nie są letalne dla komórki mogą potencjalnie przyczynić się do ewolucji genomu.

Dziedziczenie zmian w genomie:

• u organizmów jednokomórkowych (bakterie, drożdże) wszystkie zmiany w genomie, które nie są letalne lub odwracalne są dziedziczone przez komórki potomne i stają się niezmiennymi cechami linii potomnej, wywodzącej się od komórki, w której zaszła zmiana;

• u organizmów wielokomórkowych jedynie zmiany w genomach komórek linii płciowej są dziedziczone i mają znaczenie w ewolucji genomu;

• zmiany w genomach komórek somatycznych nie są dziedziczone, nie są istotne z punktu widzenia ewolucji, mają jednak znaczenie biolo9giczne, jeśli powodowany przez nie fenotyp jest szkodliwy dla zdrowia organizmu.

Mutacja - zmiana sekwencji nukleotydowej genomu, spowodowana błędem w replikacji lub działaniem mutagenu.

Przyczyny mutacji:

• mutacje spontaniczne - błędy niedopasowania nukleotydów - błędy w replikacji, które wymykają się spod kontroli mechanizmów korekcyjnych polimeraz DNA, syntetyzujących nowe łańcuchy polinukleotydowe.

Jeśli brak komplementarności utrzyma się w potomnej podwójnej helisie wówczas jedne z cząsteczek drugiego pokolenia potomnego będzie zawierać w obu niciach wersję mutacji wprowadzoną na stałe.

• mutacje indukowane - powstałe na skutek działania mutagenu na DNA rodzicielskie, wywołującego zmianę struktury, która wpływa na właściwości komplementarnego wiązania zmienionego nukleotydu. Zmiana ta dotyczy jednej nici w rodzicielskiej helisie - tylko jedna cząsteczka potomna niesie mutacje, natomiast w 2 pokoleniach potomnych znajdzie się ona w 2 spośród utworzonych cząsteczek.

Błędy w replikacji jako źródło mutacji:

• mutacje punktowe - wbudowanie „niewłaściwego” nukleotydu

• tranzycja - puryna na purynę A↔G

- pirymidyna na pirymidynę T↔C

• transwersja - puryna na pirymidynę lub odwrotnie G↔C, A↔T, A↔C, G↔T

• mutacje typu insercji - wstawienie kilku dodatkowych nukleotydów do syntetyzowanego łańcucha polinukleotydowego

• mutacje typu delecji - pominięcie niektórych nukleotydów matrycy podczas kopiowania

Insercje i delecje nazywa się często zmianą fazy (frameshift mutation) - ich wystąpienie w obszarze kodującym może doprowadzić do przesunięcia fazy odczytu przy translacji białka kodowanego przez gen.

Insercje i delecje mogą też wystąpić w rejonach niekodujących.

Nie wszystkie insercje czy delecje w obszarach kodujących powodują przesunięcie fazy odczytu - insercje czy delecje trzech lub wielokrotności trzech nukleotydów jedynie dodaje lub usuwa jeden lub kilka kodonów - nie wpływa na fazę odczytu.

Insercje i delecje zdarzają się szczególnie często, gdy matryca DNA zawiera krótkie powtórzone sekwencje (np. mikrosatelitarne) - sekwencje powtórzone mogą wywołać poślizg replikacji.

• nić matrycowa i jej kopia przesuwają się względem siebie i część matrycy jest powielana dwukrotnie lub opuszczona;

• nowy łańcuch polinukleotydowy zawiera odpowiednio większą lub mniejszą liczbę motywu powtórzonego;

• jest to główna przyczyna dużej zmienności sekwencji mikrosatelitarnych, każdy nowy wariant wzbogaca zestaw alleli znajdujących się w populacji;

Poślizg replikacji prawdopodobnie odpowiada za powstanie chorób

trójnukleotydowych u ludzi (mutacje dynamiczne).

zwiększenie powtórzeń

(CAG)_{(36 - 121)} - choroba Huntingtona

(CGG)_{(60 - 1000)} - zespół kruchego X

Mutageny chemiczne i fizyczne

Sposoby wywoływania mutacji przez mutageny:

• działają jako analogi zasad - są mylnie wykorzystywane jako substraty podczas syntezy nowego DNA w widełkach replikacyjnych;

• reagują bezpośrednio z DNA, wywołując zmiany strukturalne, które prowadzą do błędnego kopiowania nici matrycowej podczas replikacji DNA;

• działają na DNA pośrednio - nie wpływają na strukturę DNA, lecz powodują wytwarzanie w komórce związków chemicznych takich, jak nadtlenki, które mają bezpośrednio działanie mutagenne.

Mutageny chemiczne

Analogi zasad (mutacje punktowe)

• zasady purynowe i pirymidynowe podobne do prawidłowych są włączane do nukleotydów podczas ich syntezy w komórce, np. 5-bromouracyl, analog tyminy (forma enol-5-bU tworzy parę z G zamiast A); 2-aminopuryna: analog adeniny (forma iminowa tworzy pary z C zamiast T).

Czynniki deaminujące (mutacje punktowe)

• np. kwas azotawy - deaminacja adeniny, cytozyny, guaniny;

• dwusiarczyn sodowy - deaminacja cytozyny

• deaminacja adeniny - powstaje hipoksantyna, która tworzy pary z C zamiast T;

• deaminacja cytozyny - powstaje uracyl, który tworzy pary z A zamiast G;

• deaminacja guaniny nie jest mutagenna - powstaje ksantyna, która blokuje replikację, gdy wystąpi w matrycy;

• tymina nie zawiera grupy aminowej - nie podlega deaminacji.

Czynniki alkilujące (mutacje punktowe):

• związki dodające grupy alkilowe do nukleotydów cząsteczkowych DNA - powstają zmodyfikowane nukleotydy o zmienionych zdolnościach tworzenia wiązań komplementarnych; blokują replikację, tworząc połączenie pomiędzy dwiema nićmi DNA lub dodając duże grupy alkilowe uniemożliwiające postęp kompleksu replikacyjnego.

Czynniki interkalujące (mutacje typu insercji)

np. bromek etydyny - płaskie cząsteczki, które mogą się wsunąć między pary zasad w podwójnej helisie, powodując niewielkie rozwinięcie się helisy i przez to zwiększenie odległości między sąsiednimi parami zasad, co wywołuje poślizg polimerazy DNA w czasie replikacji.

Mutageny fizyczne

Promieniowanie nadfioletowe (UV) (promieniowanie niejonizujące)

• UV o długości fali 260 nm indukuje np. dimeryzację (tworzą się wiązania kowalencyjne) sąsiadujących zasad pirymidynowych - zwykle powoduje to delecję podczas kopiowania zmodyfikowanej nici.

Promieniowanie jonizujące (np. X, γ powstaje podczas rozpadu pierwiastków radioaktywnych):

• powoduje mutacje punktowe, delecje, insercje, a także uszkodzenia DNA uniemożliwiające replikację genomu;

• może oddziaływać bezpośrednio na DNA lub wpływać pośrednio poprzez stymulację powstania w komórce aktywnych cząsteczek, takich jak nadtlenki.

Skutki mutacji

Efekt mutacji na poziomie genu:

• mutacje ciche - zmiany sekwencji nukleotydowej, które nie mają żadnego wpływu na funkcjonowanie genomu; wszystkie zmiany zachodzące w DNA pozagenowym oraz w niekodujących elementach genu i sekwencjach związanych z genami.

(ok. 97% ludzkiego genomu może ulec mutacji bez znaczącego efektu)

• mutacje punktowe zmieniające sekwencje trójnukleotydowego kodonu

• zmiana synonimiczna - nowy kodon odpowiada temu samemu aminokwasowi, co

kodon niezmutowany (mutacja cicha).

• zmiana niesynonimiczna - mutacja zmienia kodon tak, odpowiada on innemu

aminokwasowi; białko kodowane przez zmutowany gen będzie zawierało jeden

zmutowany aminokwas, co często nie ma znaczącego wpływu na aktywność biologiczną białka, lecz w niektórych przypadkach może mieć poważniejsze skutki (mutacja zmiany sensu - missense mutation)

• mutacja zmieniająca kodon kodujący aminokwas w kodon terminacyjny (mutacja nonsens - nonsense mutation) - w rezultacie powstaje skrócone białko; aktywność białka zależy od tego, jak duża część polipeptydu jest utracona - najczęściej białko nie jest zdolne do pełnienia swej funkcji.

• mutacja zmieniająca kodon terminacyjny na taki, który odpowiada jakiemuś aminokwasowi - powoduje to ominięcie kodonu terminacyjnego, a białko jest wydłużone; większość białek toleruje nieznaczne przedłużenie bez szkody dla funkcji, znaczniejsze wydłużenie może spowodować osłabienie aktywności białka.

• mutacje typu delecji i insercji

• jeśli liczba usuniętych lub wstawionych nukleotydów wynosi trzy albo wielokrotność trzech - dochodzi do usunięcia lub wstawienia jednego lub więcej kodonów - białko traci albo zyskuje aminokwasy, co może również wpływać na jego funkcje]

• jeśli liczba usuniętych lub wstawionych nukleotydów nie jest równa trzy lub wielokrotności trzech - dochodzi do przesunięcia ramki odczytu (frameshift mutation); wszystkie kodony poniżej mutacji będą odczytywane w innej fazie niż w genie niezmutowanym, część polipeptydu będzie miała zupełnie inną sekwencję niż prawidłowa, co będzie miało znaczący wpływ na funkcje białka.

Skutki mutacji zachodzących poza obszarami kodującymi genom:

• mutacje w obrębie promotora - zmiana powinowactwa polimerazy RNA do miejsca promotorowego, co może powodować zmniejszenie wytwarzania mRNA sekwencji regulatorowych;

• unieczynnienie miejsc startu replikacji;

• mutacje miejsca cięcia na styku ekson - intron - zmieniają sygnał niezbędny dla prawidłowego wycinania intronów - zaburzenia w wycinaniu intronu: np. wycięcie części eksonu, włączenie intronów do dojrzałego mRNA.

Większość mutacji nie zmienia w sposób znaczący fenotypu organizmu.

Niektóre mutacje wywierają skutek fenotypowy:

• utrata funkcji - zmniejszenie lub zniesienie aktywności białka; większość takich mutacji jest recesywna - w heterozygocie druga kopia chromosomu niesie niezmutowaną wersję genu, kodującą w pełni funkcjonalne białko, którego obecność może kompensować skutek mutacji;

• w niektórych przypadkach mutacja utraty funkcji jest dominująca, np. efekt ilościowy - organizm nie toleruje zmniejszenia aktywności białka o ok. 50% - pojawiają się choroby genetyczne (np. zespół Marfana - mutacja w genie kodującym białko tkanki łącznej);

• mutacja nabycia funkcji (rzadsze) - nadanie białku nietypowej aktywności: jeden lub kilka genów może ulegać ekspresji w niewłaściwych tkankach - tkanki uzyskują funkcje zwykle w nich nie występujące, nadekspresja genu lub genów zaangażowanych w regulację cyklu komórkowego - nie kontrolowane podziały komórki, prowadzące do rozwoju nowotworów. Mutacje nabycia funkcji są zwykle dominujące (np. choroba Huntingtona).

Nowe mutacja nie musi ujawniać się zawsze w momencie powstania, efekty działania mutacji uwidaczniają się, gdy zaistnieją warunki fenotypowej ekspresji zmutowanego genu (opóźnione działanie).

Niektóre mutacje wykazują brak penetracji - nie ujawniają się u niektórych osobników.

9.03.2004r.

Regulacja ekspresji genów.

• Spośród wielu tysięcy genów komórkowych wyróżnia się ten, który ma ulec ekspresji.

• Zakres różnic w ekspresji genów między różnymi typami komórek można oszacować przez porównanie składu białek w różnych tkankach.

• białka wspólne dla wszystkich komórek organizmów wielokomórkowych - uniwersalne, niezbędne do utrzymania metabolizmu komórkowego (geny kodujące to białko: housekeeping genes), np.:

- białka strukturalne cytoszkieletu i chromosomów;

- białka niezbędne do budowy retikulum, aparatu Golgiego, białka rybosomowe;

- enzymy podstawowych procesów metabolicznych;

• białka specyficzne, odpowiedzialne za wyróżniające cechy komórki np. u ssaków hemoglobina powstaje tylko retikulujących komórkach rozwijających się komórkach czerwonych i nie można jej wykryć w innych typach komórek, szacuje się że typowe różnicowanie komórki ssaka może syntetyzować ok.10 tys. różniących białka z kolekcji 50 tys. genów.

• ekspresja różnego typu genów powoduje

Każda komórka może regulować wytworzeniu białek poprzez:

• kontrolowanie każdej; jak często dany gen ulega transkrypcji (najważniejsza kontrola ekspresji większości genów)

• kontrolowanie procesów składania (splicing), dojrzewania (processing) pierwotnego transkryptu RNAi i selekcjonowaniu mRNA i decydowanie, który z nich ma ulegać translacji na rybosomach, wybiórcza aktywacja lub inaktywacja białek po ich wytworzeniu.

kontrola transkrypcji, dojrzewanie RNA- jądro; kontrola translacji, aktywność białka-cytozol

Kontrola transkrypcji (na etapie inicjacji)

Najważniejsza kontrola większości genów, kontrola na tym poziomie zapobiega syntezie zbytecznych produktów pośrednich:

• promotory genów bakteryjnych i eukariotycznych zawierają miejsce inicjacji, w którym rozpoczyna się właściwa transkrypcja oraz sekwencja około 10 nukleotydów powyżej miejsca inicjacji, w której znajduje się miejsce potrzebne polimerazie RNA, aby mogła przyłączyć się do promotora

• geny oprócz promotora mają regulatorowe sekwencje DNA potrzebne do ich uporządkowanego włączenia i wyłączenia

• to czy gen ulega ekspresji, czy też nie, zależy od różnych czynników:

typu komórki, jej otoczenia, wieku i sygnału poza komórkowego.

Rozpoznawanie sekwencji regulatorowych DNA przez białka regulatorowe genów wiążące się z DNA:

• u bakterii krótkie sekwencje regulatorowe DNA, ok. 10 p.z. i działają jak puste przełączniki genu, odpowiedź jak pojedynczy sygnał.

• kombinacje sekwencji DNA i białka jak swoiste przełączniki kontrolujące transkrypcję.

• sekwencje regulatorowe DNA aby mogły działać muszą być rozpatrywane przez białko regulatorowe genów, wiążące się z DNA

• kombinacja sekwencji DNA i białka działa jak swoisty przełącznik kontrolujący transkrypcję

• u eukariotów sekwencje regulatorowe DNA długie, ponad 10 tys. P.z.

• odpowiadają na wiele sygnałów, które w sumie stanowią instrukcje określającą szybkość inicjacji transkrypcji.

Białka regulatorowe:

• rozpoznają specyficzne sekwencje DNA

• powinowactwo tych białek dopasowuje się do powinowactwa dsDNA w regionach regulatorowych (nie w eksonach)

• białka wnikają do większego rowka i tam kontaktują się z zasadami

• białko tworzy wiązania:

• hydrofobowe - wodorowe - z atomami eksponowanymi na krawędzi zasad bez zrywania wiązań wodorowych, które utrzymują zasady w porach. Nie są zrywane inne wiązania, które utrzymują zasady w porach.

• jonowe

• każde pojedyncze wiązania tego typu są słabe

• wiązania między DNA a białkiem są najsilniejsze w biologii i są specyficzne

• każdy przykład rozpoznawania cząsteczki DNA przez białko jest jedyny w swoim rodzaju, ale wiele białek zawiera jeden lub kilka stałych motywów pofałdowania cząsteczki, które dopasowują się do większego rowka

• najpierw białka tworzą dimery (parują się), dopiero później się łączą z helisą, dlatego są dwa razy mocniejsze

• pewien segment białka (domeny), które bezpośrednio łączą się z DNA jest to ....... podział białek

Białka regulatorowe DOMENY:

• helisa - zwrot - helisa

• palec cynkowy

• suwak leucynowy

• helisa - pętla - helisa

• helisa - skręt - helisa

Domena typu helisa - skręt - helisa:

• zbudowana jest z dwóch helis α oddzielonych skrętem w łańcuchu białkowym - I helisa α ze skrętem β

• umiejscawiają drugą helisę α na powierzchni β w taki sposób, że pasuje ona do większego rowka DNA

• struktura skrętu ma specyficzna konformację, zwaną skrętem β, składającym się z 4 aminokwasów

• II helisa α

Domena - palec cynkowy:

• poznano 6 różnych wersji - aminokwasy tworzą dwie struktury - spiralę β i następnie po niej helisę α, z których powstaje palec wystający z powierzchni białka

• niektóre białka mają 2 - 4 palce Zn

• palec cynkowy skład się z ok. 12 aminokwasów, 2 cystein i 2 histydyn

• aminokwasy tworzą strukturę harmonijki β (spinka β)

• helisa α jest tą częścią domen, które oddziałują w większym rowku DNA

Wstęga - helisa - wstęga:

• 2 nie rozpoznające, specyficzne oddziaływania DNA

• z większym rowkiem łączy się harmonijka β

• występują w bakteryjnych białkach regulatorowych

Oddziaływania między DNA i białkami:

• białka wiążą się z DNA wiązaniami niekowalencyjnymi

• w większym rowku DNA, zasady azotowe i grupy R aminokwasów

• struktury rozpoznające białka łączą się za pomocą wiązań wodorowych, w niektórych przypadkach tworzy się bezpośrednio z większym rowkiem lub przez wodę

• tworzą dimery, mają domeny HTH oraz z palcmi cynkowymi

• wiele białek, oprócz domeny wiążącej DNA, ma również charakterystyczne domeny łączące białko - białko i powstaje dimer - domena suwak leucynowy

• z jednej strony na powierzchni helisy α znajdują się reszty leucynowe, które łączą się z resztami leucynowymi drugiej cząsteczki białka tworząc dimer

Główne cechy regulacji genów eukariotycznych:

• 3 rodzaje polimeraz RNA

• polimerazy RNA I i III dokonuje transkrypcji genów kodujących rybosomowe, transportujące i małe RNA, które w komórkach odgrywają rolę strukturalną

• polimeraza RNA II transkrybuje ogromną większość genów eukariotycznych, w tym wszystkie geny kodujące białka

• eukariot. Polimerazy do rozpoczęcia transkrypcji potrzebują współdziałania dużej grupy białek, zwanych ogólnymi czynnikami transkrypcyjnymi, które przed rozpoczęciem transkrypcji muszą w miejscu promotorowym utworzyć kompleks z polimerazą

• białka regulatorowe genów mogą wpływać na inicjację transkrypcji, nawet gdy są związane z DNA, leżącym w odległości 1000 p.z. od promotora

- pojedynczy promotor może być kontrolowany nieograniczoną liczbą sekwencji regulatorowych rozrzuconych wzdłuż nici DNA

• inicjacja transkrypcji musi uwzględnić nawinięcia DNA na nukleosom (zwarte formy struktury chromatyny)

Czynniki transkrypcyjne dla polimeraz RNA (Eucaryota):

• białka aktywujące inicjację transkrypcji przez polimerazę RNA II i III

• białka te tworzą kompleksy na wszystkich promotorach transkrybowanych przez RNA II

• białka specyficzne wiążące się do konkretnych sekwencji DNA, mające za zadanie:

• usytuowania polimerazy RNA II na promotora

• wspomaganie rozdzielania 2 nici DNA, aby umożliwić rozpoczęcie transkrypcji

• uwolnienie polimerazy DNA z promotora, kiedy transkrypcja się rozpoczyna.

Składanie się ogólnych czynności transkrypcyjnych na promotora:

• związanie czynnika transkrypcyjnego TF II D do krótkirj dwuniciowej helisy DNA o sekwencji złożonej gł. Z nukleotydów T i A (sekwencja TATA jest kluczowym składnikiem wszystkich promotorów wykorzystywanych przez polimerazą RNA II)

• podczas wiązania do DNA TF II D powoduje silne wygięcie DNA, które staje się punktem orientacyjnym.

Eukariotyczne białka regulatorowe mogą kontrolować ekspresję oddzielonych genów:

• niemalże wszystkie promotory eukariot. Potrzebują białek regulatorowych, aby wspomóc proces łączenia się czynników transkrypcyjnych polimerazy RNA

• miejsca DNA, do których przyłączają się aktywatory genów eukariot., to sekwencje wzmacniające, ich obecność zwiększa (wzmacnia) tempo transkrypcji

• białka aktywatorowe mogą wiązać się sekwencjami oddalonymi tysiące p.z. od promotora

• aktywatory eukariot. Mogą wpływać na transkrypcję, geny wiążąc się do sekwencji położonej przed i za genem

• model działania na odległość: między sekwencjami wzmacniającymi a promotorem tworzy się pętla, która pozwala białka aktywatorowe związać z sekwencją wzmacniającą, kontaktować się z polimerazą RNA lub z jednym z czynników transkrypcyjnych, które zwiążą się z promotorem

• u eukariotów białka regulatorowe wiążą się z odległymi sekwencjami regulatorowymi, mogą zmniejszać i zwiększać aktywność polimerazy RNA przyłączanej do promotora

Upakowanie DNA a chromatyna (chromatyna - kompleks DNA i białek chromosomowych):

• od stopnia upakowania chromatyny w danym fragmencie chromosomu zależy, czy geny znajdujące się w tym regionie będą ulegać ekspresji, czy DNA jest dostępny dla białek regulatorowych, czynności transkrypcyjnych i polimerazy RNA

• wydaje się, że geny ulegające ekspresji występują w chromatynie rozproszonej, jednak DNA nadal nawinięty jest na nukleosomy

• nukleosomy mogą hamować inicjację transkrypcji, jeśli zajmują pozycję przed promotorem, prawdopodobnie uniemożliwiają wiązanie się ogólnych czynników transkrypcyjnych lub polimerazę RNA

• Eucaryota rozwinęły kilka mechanizmów, które umożliwiają transkrypcję DNA nawiniętego na nukleosomy (we wczesnym etapie poznania)

Geny eukariotyczne są regulowane przez kombinacje białek:

• Białka regulatorowe działają w zespołach

• Są niezbędne do zapoczątkowania ekspresji genów i decydują, czy ekspresja zachodzi we właściwej komórce, w odpowiednim czasie i na wymaganym poziomie

• Sekwencje kontrolujące ekspresję genów mogą rozciągać się wzdłuż długich obszarów DNA

• Kontrola kombinatoryczna - sposób współpracy grupy białek w ustaleniach ekspresji pojedynczego genu na zainicjonowanie transkrycji u eukariota ma wpływ wiele różnych białek wiążących się z sekwencją regulatorową

• Większość genów ma kontrolę regionu DNA, zawierającego liczne miejsca rozpoznawane przez białka aktywujące i hamujące ekspresję

Jedno białko może koordynować ekspresję różnych genów:

• Komórka eukariotyczna może szybko i rozstrzygająco włączać całe grupy genów poprzez uzupełnienia kombinacji niazbędnej do aktywacji lub represji genu pojedynczym białkiem regulatorowym (jak dodanie ostatniego numeru w zamku cyfrowym)

• To samo białko może uzupełnić kombinacje zespołu białek dla kilku różnych genów.

9.03.2004r.

Translokacja naprzemienna

Następstwa fenotypowe

• Poronienia samoistne

• Dzieci z wadami

• U mężczyzn: stałe lub okresowa niepłodność, nieprawidłowa spermatogonia.

Segregacja chromosomów z translokacji wzajemnej w czasie I poziomu mejotycznego

Trisomia 1-szego chromosomu - zawsze letalna

Najczęstsze trisomie chromosomowe: 18, 21

Segregacje: 2:1; 3:1; 4:0

Chromosom 7- bardzo ważny dla cyklu komórkowego

Zespół Downa- cytogenetyka- 1:600, 1:1000 żywych urodzeń

1. Klasyczna homogenna trisomia 21: 47,XX,+21

2. Mozaikowatość

• 47,XX,+21[95]/46,XX[5]

• 46,XX[95]/47,XX,+21[5]- prawidłowy

( w nawiasach liczba komórek z trisomią; /-mozaikowatość)

3. Trisomia translokacyjna

1. DE NOVO- dzieckoma jako pierwsze w rodzinie

2. Nosicielstwo zrównoważonej translokacji chromosomu 21 na inny chromosom (najczęściej akocentryczny 14) przez rodzica

Ad.1,2

Występowanie: krzywa biomodalna

Po 35 r.ż - zwiększa się ryzyko rodzenia dzieci z wadami, z trisomiamii

Ryzyko urodzenia dziecka z trisomią

I dziecko II dziecko

<35r.ż 1/700 1/50

Jeżeli urodzi 1 dziecko z trisomią, to ryzyko urodzenia dziecka następnego z trisomią zwiększa się do 1/50.

<35r.ż - skłonność do non-dysjunkcji

- ukryta mozaika

- mozaika gonadalna- zdrowa, ale w gonadach dodatkowy chromosom 21

Mężczyźni z zespołem Downa- bezpłodni.

I dziecko II dziecko

≥35r.ż 1/50 1/50

W tym wieku ryzyko urodzenia 1 czy 10 dziecka jest 1/50

- akumulacja błędów genetycznych w „starej” komórce jajowej

- zmniejszona zdolność odrzucania zarodków z +21

• ryzyko dla krewnych II i III stopnia- nie większe niż populacyjne.

Trisomia translokacyjna

• jeśli występuje genowo to nie ma ryzyka

Translokacja robertsonowska (14, 21)

• Ryzyko teoretyczne urodzenia dziecka z zespołem Downa: 1/3

• Ryzyko empiryczne( praktyczne) 15% - matka nosicielka; 5-10%- ojciec nosiciel

• Kariotyp

Rodzica: 45,XX lub XY, -14, -21, +t rob (14;21)

Dziecko: 46, XX lub XY,-14, +t rob (14; 21)

Translokacja robertsonowska t rob (21; 21)

Ryzyko: 100% jeśli dziecko urodzi się, to na pewno z zespołem Downa

• Ryzyko trisomii translokacyjnej przy nosicielstwie translokacji zrównoważonej chromosomu 21- niezależnie od wieku zrównoważenie mamy przez całe życie

• Ryzyko dla krewnych II i III stopnia rodzinne nosicielstwo translokacji

Cechy zespołu Downa

• Progeria- przyspieszone starzenie się

• szybsze skracanie telomerów, po każdym podziale telomery mniejsze

• naprawa DNA - upośledzenie

• niska odporność nieswoista

• aktywność dysmutazy nadtlenkowej (sod)- większa podatność na infekcje

• białko S100β - wiązanie cynku - niska aktywność grasicy

• upośledzenie aktywności limfocytu T- niska chemotaksja neutrofili

• zwiększona podatność na nowotwory (białaczki ostre: M7 - 400 razy większe) na chromosomie 21 znajduje się onkogen stymulujący ten typ białaczki

• zmniejszona podatność na nowotwory narządowe

• ogólne zaburzenia metaboliczne

Wykrywanie zespołu Downa

• fenotyp (+), kariotyp ( limfocyty T) (+) rozpoznanie

• analiza większej liczby komórek (100) (+) rozpoznanie

• kariotyp innego listka zarodkowego (np.fibroblastów) (+) rozpoznanie

• badanie molekularne, sondy swoiste dla regionu 21q22.2 - 21q22.3 (niepeLne trisomie, duplikacje prążków)

(

Metody molekularne: PCR, F.I.S.H.

6.04.2004r.

Piętnowanie rodzicielskie (genomowe)

• fizjologiczny mechanizm występujący u wyższych Eucaryota

• gł. mechanizm regulatorowy: modyfikacja ekspresji genow (gł. zmniejszenie ekspresji genów); mechanizm: metylacja genów

epigenetyczne = postgenetyczne

• miejsce i czas: późna gametogeneza bardzo wczesny okres rozwoju zarodkowego

metylacja genów = zmniejszanie ich w ekspresji

• inny wzór piętnowania w gametogenezie żeńskiej, inny w męskiej tzn. inne geny tłumione u mężczyzn, inne u kobiet (wszystkie kobiety te same geny jednakowe w obrębie gatunku)

• w komórkach somatycznych dziecka - stały wzór napiętnowania genów, zależny od ich pochodzenia: od ojca albo matki (cecha stała, zależna wyłącznie od płci rodzica, niezależna od płci dziecka)

• we wszystkich chromosomach - regiony piętnowania (np. 15q11 - q13 - jeden z najbardziej niestabilnych regionów)

jeden allel czynny, drugi nieczynny - tak funkcjonuje ok. 15% organizmów

• w gametogenezie dziecka - zmazanie piętna rodzicielskiego, narzucenie nowego piętna, zależnego od płci dziecka

- impriting działa pionowo

• mechanizm ........

• znaczenie biologiczne .......

• ochrona przed partenogenezą

• ochrona przed „podwójną dawką” genów, których dwualleliczna ekspresja mogłaby być szkodliwa dla organizmu

• wplyw na ujawnianie się niektórych zespołów (z. Pradera-Williego, z. Angelmana), chorób monogenowych, nowotworów (np. guz Wilmsa)

Disomia uniparentalna (jednorodzicielska) (UPD)

• patologia

• 2 chromosomy w parze, ale od 1 rodzica

HETERODISOMIA

- dwa różne chromosomy (homologiczne) nondysjunkcja w mejozie

- „niemendlowskie” ujawnianie się cech recesywnych, np. przekaz hemofilii z ojca na syna

15q11 - q13 (region krytyczny PWS, AS)

HOMODISOMIA

- dwa te same geny mechanizm postzygotyczny

„niemendlowskie” ujawnianie się cech recesywnych

niezależnie od mechanizmu - możliwość nieprawidłowej funkcji genów zależna od impritingu genomowego

Przykłady zaburzeń

Zespół Pradera-Williego (PWS)

• 1/25000 żywych urodzeń

• podłoże genetyczne: del 15q11 - q13 w chromosomie ojcowskim - 70-75%

• matczyna disomia uniparentalna - 25% przypadków

• zaburzenia imprintingu, brak wzorca ojca, tylko matczyne

Ogólnie: brak czynnego materiału ojcowskiego 15q11 - q13, matczyny wzorzec imprintingu, który prawdopodobnie przytłumia ekspresję genu PWS (2-4 gen)

Geny: np. SNRPN/SNURF GABRB3 - receptor neuroprzekaźnika GABA

Diagnostyka:

1. badanie metylacji locus SNRPN (piętnowany przez matkę)

pobiera się krew od ojca, matki, dziecka; dziecko ma krew jak matka (metylacja)

interpretacja wyniku: metylacja (+) obecny tylko aktywny materiał matczyny, brak aktywnego materiału ojcowskiego, delecja, UPD, zaburzenie imprintingu

2. FISH z sondą dla regionu krytycznego:

interpretacja wyniku: brak sygnału na jednym z chromosomów delecja

3. Badanie imprintingu

! W zespole Angelmana zaczynamy od FISH

Poradnictwo genetyczne w PWS

Bardzo niskie jeśli delecja; wyższe matczyna UPD lub zaburzenia imprintingu

Objawy:

Fenotyp PWS:

• 3 fenotypy:

I + II - obecne niezależnie od mechanizmu - delecja

III - wyłącznie UPD 15 mat.

• ograniczone ruchy plodu

• dystrofia wewnątrzmaciczna

• noworodkowa hipotomia - brak napięcia mięśni

• nie chce ssać

• obniżona ruchliwość

2. drugi rok życia

• hiperfagia nadmierne spożywanie pokarmów otyłość od drugiego r.ż.

• niedorozwój umysłowy (IQ 60)

• małe dłonie i stopy

• niski wzrost

• wąski wymiar międzyskroniowy

• hypogonadyzm, wnętrostwo - niedorozwój płciowy

3. we wczesnym okresie doroslym:

• zaburzenia psychiczne: choroba afektywna jedno- i dwubiegunowa

• autyzm

Zespół Angelmana

Podłoże genetyczne:

• del 15q11 - q13 - w chromosomie matczynym - 70%

• disomia uniparentalna ojcowska - od 2-3%

• zaburzenia imprintingu

• ojcowski wzorzec imprintingu przytłumiający ekspresję genu AS

• monogenowe A, D > 20%, modyfikowane przez imprinting

Gen: ligazy ubikwityny 3A, UBE 3A

brak połączenia ubikwityna - białko

zaburzenia funkcji rozwijającego się móżdżku

Fenotyp:

• symetryczne ataktyczne ruchy

• zaburzenia poruszania się

• duże usta

• zaczerwienione policzki

• stały uśmiech, częsty śmiech

• „zespół śmiejącej kukiełki”

Omówione zespoły należą do mikroabberacyjnych

Mikroabberacje - zespoły genów sąsiadujących (przyległych)

• delecje, duplikacje kilku genów, których loci leżą w pobliżu

• patologia różnych oddalonych od siebie narządów i układów.

20.04.2004r.

Choroby monogenowe „gen choroby”, „gen chorobowy”.

Gen fenyloketonurii- zmutowany gen PAH\

\-zmutowany

• Homozygota- osoba, która ma dwa takie same allele

• Heterozygota- osoba która ma różne allele tego samego genu

• Hemizygota- ma tylko jeden allel

Choroby autosomalne dominujące(A,B)

A'a aa

A'a A'a aa aa ryzyko teoretyczne50%

1.Penetracja genu- stosunek.

-u danej populacji

2.Ekspresja genu -indywidualne (u danego osobnika) ujawnienie się aktywności genu w postaci transkryptu (mRNA) lub produktu (- białko).

Penetracja- suma ekspresji genu w danej populacji.

3.Nowe mutacje

≤ 1/3 przypadków danej choroby

często jeśli to nowa mutacja to choroba ma cięższy przebieg i zmniejsza się zdolność reprodukcji.

4. Ujawnianie się zależne od płci:

• specyfika funkcjonowania organizmu zależna od płci (np. hipercholesterolemia rodzinna, hemochromatoza A,R)

LDL- Lipoproteina o niskiej gęstości

Estrogeny chronią przed odkładaniem się LDL w ścianach naczyń. ( na 10-ciu mężczyzn choruje jedna kobieta- stosunek utrzymujący się do menopauzy).

-imprinting ( podwyższona pląsawica Huntingtona ojciec chory; podwyższona dystrofia miotomiczna matka chora)

dystrofia ma ciężkie objawy i wcześniej się ujawnia, gdy dziedziczona jest od matki, podobnie pląsawica ma ciężkie objawy gdy dziedziczona jest od ojca.

5.Imprinting genomowy (pięttnowanie rodzicielskie)

6. Choroby o późnym początku.

-w momencie urodzenia dziecko nie ma żadnych objawów choroby, np. pląsawica ujawnia się w wieku 30-40 lat, gdy jest już przekazany potomstwu.

7.Antycypacja (głównie w chorobach, których podłożem są mutacje dynamiczne)

-występowanie w kolejnych pokoleniach choroby genetycznej wcześniej, o cięższym przebiegu.

8.Heterogenność genetyczna Pierwsze sekwencje genu to geny promotorowe i wzmacniające. Odgrywają bardzo ważną rolę. Mutacje w części promotorowej są bardzo ciężkie- w końcowej objawy są słabsze.

Mutacja w tym samym miejscu genu przebiega częściej niż gdyby miała przebiegać w innym miejscu danego genomu.

Choroba -nerwniakowłókniak

Gen NF1- gen supresji nowotworów

Objawy:

-plamy koloru kawy z mlekiem

-występowanie łagodnych nowotworów jakimi są nerwniakowłókniaki

-guzy o ...............homortoma- pierwotne guzy łagodne, które mogą być złośliwe miejscowo.

Jeżeli w jakiejś komórce dojdzie do mutacji dwóch alleli genu NF1 to powstanie nowotwór złośliwy.

Mutacje w różnych egzonach tego samego genu różny efekt

Mutacje w różnych loci (genach)podobny efekt

9.Fenokopie

Przykłady:

1.Pląsawica Huntingtona

2.Dystrofiamiotomiczna

3.Hipercholesterolemia rodzinna

4.Torbielowatość nerek typu dorosłych

5.Nerwniakowłókniowatość

6.Polipowatość okrężnicy

7.Sferocytoza wrodzona

8.Achondroplazja.

Mutacje dynamiczne

• znaczne zwiększenie się liczby powtórzeń trójnukleotydowych ( np. CAG, CGG) - ekspresja trójnukleotydowa „ślizganie się” polimerazy DNA

• z pokolenia na pokolenie liczba powtórzeń może wzrastać antycypacja

• geny zlokalizowane na autosomach, na X

• choroba

niewielka liczba powtórzeń w sekwencji kodującej

znaczna liczba powtórzeń w końcu 3,5'

• permutacja mutacja ( są już objawy kliniczne)

duża liczba powtórzeń, ale brak jeszcze objawów klinicznych

Przykłady:

1. Pląsawica Huntingtona CAG4p16

2. Dystrofia miotomiczna CTG19q13.3

3. Ataksja (...........................) rdzeniowo-móżdżkowa

4. Rdzeniowo-opunkowy zanik mięśni (SBMA)

5. Zespół Krunchego XCGGXq27

Pląsawica Huntingtona

-częstość występowania 1/10000 w Europie

• historia:

1872: George Huntington opublikował w prasie artykuł o pląsawicy

1986: testy „predukcyjne” przy pomocy anakizy sprzężeń (RFLP)

1993: identyfikacja geni IT15 oraz charakterystyka mutacjitesty bezpośrednie

Testy predykcyjne: testy przewidujące, jakie jest prawdopodobieństwo zachorowania na daną chorobę

• Podłoże molekularne:

- gen IT15- locus: 4p16.2 mutacja Huntingtona

Mutacja dynamiczna- ekspresja trójnukleotydu ( mikrosatelity CAG)

(CAG )n

n: 9-27- nie patogenne

27-35- nie patogenne, pośrednie, podatność na mutacje

36-39- obniżona penetracja (podwyższone ryzyko choroby)

≥40 - patogenne

40-50- postać dorosła- najczęstsze (początek choroby, 30-40 r.ż)

• Warianty kliniczne:

>50- postać młodzieńcza < 20 r.ż ( 10% ), w tym 2% < 10 r.ż.

antycypacja dziedziczona głównie od chorego ojca

< 40- postać starsza - 50 r.ż, czasami brak historii rodzinnej

• Objawy:

• zmiany psychiczne ( zaburzenia nastroju, zapominanie, czasami agresja, nieumiejętność planowania, osądu, oceny sytuacji)

• ruchy pląsawicze, zaburzenia okulomotoryczne, zaburzenia mowy

27.04.2004r.

Choroby autosomalne - recesywne

Aa' Aa'

AA Aa' a'A a'a'

Ryzyko choroby 25%

Ryzyko nosicielstwa 50%

Na ten typ dziedziczenia może wpływać:

• disomia uniparentalna

• imprintig genomowy

• nowe mutacje

- nie maja takiego znaczenia jak w chorobach autosomalnych dominujących

• ujawnianie się zależne od płci

choroba - hemochromatoza - zaburzony transport Fe(2+); ceruloplazmoza [Cu(2+)], zależne od transferyny

• zniszczona wątroba, śledziona, trzustka narządy miąższowe złogi żelaza

• na 10 mężczyzn choruje 1 kobieta (dzięki co miesięcznym upuście krwi)

• w leczeniu stosuje się substancje wiążące żelazo i ułatwiające jego wydalanie

• mutacje „silne” i „słabe”

• mutacje silne tak duże, że gen nie ulega transkrypcji; w sekwencjach promotorowych i wzmacniajacych

• mutacje słabe doprowadzają np. do stałego zmniejszenia produkcji białka, że nie zmieniają znacząco odczytu genu, np. telomerowe

• nosicielstwo genetyczne

Przykłady chorób:

1. Bloki metaboliczne, np. fenyloketonuria

2. Mukowiscydoza

3. Anemia sierpowato-krwinkowa

4. Zespoły nadnerczowo-płciowe

Anemia sierpowato-krwinkowa

• nieprawidłowy rodzaj hemoglobiny HbS

• skręcenie hemoglobiny jest nieprawidłowe i źle przyłącza tlen, krwinki kształtu sierpu

• częsta w regionach Morza Śródziemnego

• jeśli choroba występuje często, tzn., że w danym regionie jest ona korzystna

• niedokrwistość hemolityczna, zatory naczyń, nagły rozpad wielu krwinek.

Zespoły nadnerczowo-płciowe

• bloki w przemianie hormonów sterydowych układów nadnerczowych

• za dużo, za mało hormonów androgenów nadnerczy

• zaburzenia gospodarki wodno-elektrolitowej

Poradnictwo genetyczne:

• ryzyko teoretycne, rodowód, badania biochemiczne

• identyfikacja nosicieli - badania molekularne; 1/chory, 2/nosiciel

• profilaktyka

• badania biochemiczne

Leczenie - w zależności od choroby.

Mukowiscydoza

• częstość choroby w Polsce 1/25000

• 1/20 nosicieli konieczność badań przesiewowych w kierunku nosicielstwa

• wysoka częstośc mutacji

pozytywna selekcja środowiskowa heterozygot (nosicieli) przez infekcje E. Coli: u nosicieli niski wpływ chlorków z wodą

odporność na biegunki i odwodnienie wywołane E. coli

• gen CFTR - cystic fibrosis transmembrane regulator - mutacja tego genu jest przyczyną mukowiscydozy kanał chlorkowy w komórkach nabłonków dróg oddechowych i gruczołów wydzielnia zewnętrznego

> 500 różnych mutacji CFTR - najczęściej punktowe mutacje

* silne (zmiana lokalizacji kanału chlorkowego, produktu - zmiana białka)

* słabe (regulacja, zmniejszenie aktywności, zmiana specyficzności działania kanału chlorkowego niewielkie zmiany, np. zapalenia oskrzeli w późniejszym wieku)

• silna mutacja - mutacja ΔF508 - trójnukleotydowa delecja CTT x Phe z pozcji 508 - najczęstsza w Polsce

• białko nie ma zdolności osiągania odpowiedniej dla niego lokalizacji w komórce - silna, najczęstsza (70%)

• fenotyp: objawy płucne - nawracajace zapalenie płuc i oskrzeli

objawy brzuszne - zwłóknienie torbielowate trzustki, wydzielanie gęstego śluzu, bo kanał nieprawidłowy zatyka przewody trzustkowe i niemożl;iwe jest wydostanie się enzymów trzustki na zewnątrz, enzymy te trawią miąższ trzustki

• postać lżejsza choroby:

• niedrożność ślinianek

• niedrożność, atrofia nasieniowodów - bezplodność

wrodzony brak nasieniowodów (odrębna jednostka chorobowa), u 60& mężczyzn: mutacja ΔF508 lub rzadziej 2,5% ogólnej puli niepłodnych meżczyzn odpowiada mutacja ΔF508

Leczenie:

• dieta wysokoenergetyczna, preparaty trzustkowe, leki przeciwproteolityczne, α1-antytrypsyna, drenaż oskrzeli, mukoliza, antybiotyki infekcje; inhalacja Dnazy, amyloid - blokada wydzielania Na do śluzu

• terapia genowa - od 1993

• cDNA (DNA bez intronów) - bezpośrednio do tkanek nabłonka dróg oddechowych

• inhalacje

• adenowirusy - powinowactwo do nabłonka dróg oddechowych

• liposomy

Poradnictwo genetyczne - identyfikacja nosicieli

Diagnostyka prenatalna

Fenyloketonuria (PKU)

• 1/5000, częstośc nosicielstwa 1/50 (2%)

• im fenyloalaniny jest mniej, tym tryptofanu więcej w komórkach układu nerwowego

• fenotyp - nietolerancja pokarmów mlecznych

• narastające upośledzenie umysłowe (fenyloalanina w mleku matki jest toksyczna dla centralnego ukladu nerwowego)

• wzrost Phe, fenylopirogronianu, kwasica, spadek tryptofanu, NA, A, jasna cera, włosy - niedobór melanin)

• gen PAH - mutacje silne i słabe, geny innych enzymów szlaku metabolicznego

• testy przesiewowe: test Guthriego badanie wzrostu bakterii, których wzrost powoduje wzrost poziomu Phe; jeśli test (+) - to dziecko chore, badanie robi się dziecku na 3, 4 dzień po urodzeniu.

• Gdy test Guthriego (+) dieta uboga w Phe stężenie Phe w surowicy: 300μmol/l przy prawidłowym wzroście i rozwoju, dieta taka do okresu dojrzewania

• Całkowity brak Phe w diecie nie można, bo są to aminokwasy egzogenne. Pomimo leczenia < IQ, trudności w uczeniu się.

U chłopców można przerwać dietę w okresie dojrzewania, u dziewczynek nie. Podczas ciąży dieta musi być, jeśli nie, to dziecko urodzi się z małogłowiem i upośledzeniem umysłowym (100%).

Choroby sprzężone z chromosomem Y

• z ojca na syna

• niepłodność

• zaburzenia spermatogenezy

• niedorozwój jąder

Choroby recesywne sprzężone z chromosomem X (X, R)

XX' XY XX X'Y

X'X X'Y XX XY XX' XY XX' XY

- wszystkie córki chorego ojca są nosicielkami

• mężczyźni - hemizygotyczni pod względem genów chromosomu X

• odstępstwa od reguł mendlowskich

• nowe mutacje

• disomia uniparentalna (ojcowska z ojca na syna; matczyna córka chora)

• czy kobieta może chorować na chorobę X, R .....

• homozygoty: niska reprodukcja, cecha letalna

• mutacja dynamiczna

• zespół kruchego chromosomu X (fra(x))

• hemofili A i B

• dystrofia mięśniowa: Ducheme (DMD); Becker (BMD)

• niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu (G-6-P-D)

Choroby dominujące sprzężone z chromosomem X

X'X XY

X'X X'Y XX XY

• choroba z reguły letalna dla płodów męskich

• zespół Retta

• krzywica oporna na witaminę D

• rzekoma niedoczynność przytarczyc

1

---