Podstawowe pojęcia:
gen, allel, homozygota, heterozygota, ekspresja genu, alternatywne składanie genów (splicing)
Sekwencje wielokrotnie powtórzone w genomie człowieka:
1. rozproszone (IRS):
krótkie SINES np. Alu, (ok. 280 pz.)
długie LINES np. L1, (6 tys. pz.)
2. tandemowe (seryjne)
minisatelity 7-100 pz.
mikrosatelity1-6 pz.
Sekwencje tandemowe:
powtórzenia seryjne (kopie sekwencji powtarzalnej w danym locus leżą jedna za drugą)
występują w tysiącach loci w całym genomie, na różnych chromosomach
nie kodują białek
duża zmienność w populacji (różna liczba powtórzeń danego motywu w danym locus)
wykorzystywane w diagnostyce i medycynie sądowej
mikrosatelity
jednostka powt. się ma długość 1-6 p.z.
powtarza się w 1 locus od 5 do 100 razy
ok. 100 tys. loci w genomie
(CA)n
(A)n
(AAAT)n n= 5 - 100
minisatelity
jednostka powt. się ma długość 7-100 pz
powtarza się w 1 locus od 2 do kilkuset razy
Telomery:
>1000 x 5'- TTAGGG -3'
Telomeraza: białko (odwrotna transkryptaza)
+ RNA (matryca)
telomery nie kodują białek,
zapobiegają sklejaniu się chromosomów,
zapewniają właściwe umiejscowienie chromosomów w jądrze komórkowym,
chronią przed skracaniem się informacji kodującej w chromosomach w kolejnych podziałach komórki.
Modyfikacje potranslacyjne:
Fałdowanie białka
Proteolityczne usuwanie peptydów
Przyłączanie:
- małej grupy chemicznej (acetylacja, metylacja, fosforylacja)
- łańcucha cukrowego (glikozylacja)
- łańcucha lipidowego (acylacja)
Regulacja ekspresji genu
sekwencje regulatorowe: promotor, wzmacniacze, wyciszacze
czynniki transkrypcyjne
Epigenetyczne wyciszanie genów = długotrwała zmiana w ekspresji genów wynikająca z modyfikacji struktury chromatyny bez zmian w sekwencji DNA.
Mechanizm oparty na metylacji DNA.
MUTACJE
1. POJEDYNCZY NUKLEOTYD (punktowe)
delecja, addycja, zamiana nukleotydu na inny
2. FRAGMENT DNA (odcinkowe)
delecja, insercja, duplikacja, inwersja odcinka DNA w obrębie jednego genu
mutacje dynamiczne (zwielokrotnienie liczby kopii) niestabilnych powtórzeń trójnukleotydowych
3. ABERRACJE CHROMOSOMOWE
nieprawidłowa liczba chromosomów - aberracje liczbowe
aberracje strukturalne (duże delecje, złamanie i nieprawidłowe połączenie fragmentów chromosomów)
Translokacje
Inwersje
Delecje fragmentów chromosomów
Duplikacje fragmentów chromosomów
Izochromosomy, chromosomy pierścieniowe
EFEKTY MUTACJI PUNKTOWYCH
· mutacja „cicha” - nie wywołuje zmiany aminokwasu w białku
· zmiana sensu (missens) - zamiana kodonu prawidłowego na kodon innego aminokwasu
· nonsens - powstanie kodonu „stop” - przedwczesne zatrzymanie translacji
· ominięcie kodonu „stop” - zamiana kodonu „stop” na kodon jakiegoś aminokwasu - wydłużenie białka
WPŁYW MUTACJI NA EKSPRESJĘ GENU
brak białka
mniejsza ilość białka
nadmierna produkcja białka
białko skrócone
białko o zaburzonej funkcji
Przykład delecji fragmentu genu: dystrofia mięśniowa Duchenne'a i Beckera
przewlekła zwyrodnieniowa choroba mięśni szkieletowych
delecja niektórych eksonów w genie dystrofiny
dystrofina "uszczelnia" błonę komórkową, dzięki czemu zachowuje ona selektywną przepuszczalność
dystrofina, która zawiera mutacje jest niestabilna - następują zmiany w budowie błony komórkowej, enzymy przechodzą na zewnątrz, a do komórki wnikają jony wapnia -- martwica i degeneracja tkanki mięśniowej.
Mutacje dynamiczne
Zwielokrotnienie liczby powtórzeń trójnukleotydowego motywu w DNA
W części kodującej genu - np. choroba Huntingtona
zwielokrotnienie liczby powtórzeń CAG kodujących glutaminę w genie huntingtyny -- białko nabiera szkodliwej funkcji
u osoby zdrowej 10-30 x CAG
u chorych 38-120 x CAG
W części niekodującej - np. zespół łamliwego chromosomu X (FRAXA)
powtórki niekodującego tripletu CGG w genie FMR1 na chromosomie X
u osoby zdrowej do 54 powtórzeń CGG
u bezobjawowego nosiciela do 200 powtórzeń (premutacja)
u chorego - powyżej 200 do kilku tysięcy powtórzeń (pełna mutacja)
białko FMR1 - konieczne do rozwoju synaps
Powtórzenia CGG ulokowane są w promotorze genu - powyżej 200 powt. „wyłącza” gen -- brak białka -- upośledzenie umysłowe
Zjawisko antycypacji
W kolejnych pokoleniach choroba ujawnia się coraz wcześniej i ma coraz cięższy przebieg
Im więcej kopii powtórzonych tripletów - tym cięższe objawy
Translokacje w nowotworach
POLIMORFIZM
Występowanie w populacji różnych form allelicznych danego genu / sekwencji.
Zmienność występująca u co najmniej 1% populacji.
Może dotyczyć:
pojedynczego nukleotydu (SNP, single nucleotide polymorphism)
fragmentu DNA (np. liczby powtórzeń sekwencji satelitarnych w danym locus)
Choroby autosomalne dominujące
Pojedynczy zmutowany allel (u heterozygoty) wystarcza do ujawnienia się choroby; przekazywany jest („pionowo”) z pokolenia na pokolenie
Choroba występuje z jednakową częstością u obu płci
Ryzyko wystąpienia choroby u potomstwa osoby chorej wynosi 50% (1:2)
Penetracja mutacji:
Pełna penetracja - osoba, która ma zmutowany gen, zawsze ma objawy choroby
Niepełna penetracja - w niektórych przypadkach objawy nie występują mimo obecności zmutowanego genu (ujawnienie się objawów może zależeć np. od wieku chorego)
Zmienna ekspresja - u nosicieli zmutowanego genu stopień wady może być różny, nawet u członków tej samej rodziny
Choroby autosomalne recesywne
Obecność jednego prawidłowego allelu wystarcza aby nie doszło do wystąpienia patologicznych objawów
Osoba chora jest homozygotą (oba allele zmutowane)
Rodzice są zwykle bezobjawowymi nosicielami (heterozygotami) tego samego zmutowanego genu
Choroba występuje z jednakową częstością u obu płci
Szczególny czynnik ryzyka - spokrewnienie rodziców
Ryzyko posiadania chorego potomstwa:
dla dwojga rodziców nosicieli (heterozygot) 25% (1:4) w każdej ciąży
osoba chora z nosicielem - ryzyko 50%
Dziedziczenie związane z chromosomem X
Mężczyźni posiadają tylko jeden chromosom X.
Kobiety posiadają dwa chromosomy X, ale w komórkach somatycznych tylko jeden z nich jest aktywny (lionizacja).
Chorują tylko mężczyźni
Kobiety są zdrowymi nosicielkami choroby (wyjątkowo mogą mieć objawy choroby, jeżeli inaktywacji podlegają głównie chromosomy X z prawidłowym genem)
Jeżeli kobieta jest nosicielką zmutowanego genu na chromosomie X, istnieje ryzyko 50% (1:2) dla wszystkich jej synów, że będą dotknięci chorobą i 50% dla jej córek, że będą (jak jej matka) nosicielkami
Chory mężczyzna ma zdrowe dzieci, ale wszystkie jego córki są nosicielkami choroby
Uproszczona analiza rodowodu
Pytanie |
Autosom. domin. |
Autosom. reces. |
Sprzęż. z X reces. |
|
mężczyźni |
mężczyźni |
zwykle tylko mężczyźni |
|
po chorym rodzicu |
zwykle po zdrowych rodzicach (nosicielach) |
po zdrowej matce (nosicielce) |
|
w 50% chore, niezależnie |
zwykle zdrowe |
zdrowe |
Genom człowieka
Sekwencje wielokrotnie powtórzone
20-30%
Sekwencje unikatowe lub w małej liczbie kopii
70-80%
Sekwencje niekodujące
>90%
Sekwencje kodujące
<10%
Pozagenowy DNA
70-80%
Geny
20-30%
Translokacja chromosomalna
Gen pobudzający proliferację komórek
Gen pobudzający proliferację komórek
Region regulatorowy aktywowany w razie potrzeby
Region regulatorowy zawsze aktywny
Gen kontrolujący wzrost komórek
Region regulatorowy zawsze aktywny