GENETYKA CZŁOWIEK
Choroby genetyczne - Stanowią one różnorodną grupę zaburzeń spowodowanych przez mutacje punktowe i nieprawidłowości chromosomowe. Występują trzy kategorie zaburzeń:
(1) defekty pojedynczych genów spowodowane przez mutacje, których rezultatem jest synteza uszkodzonych białek. Mutacje mogą być dziedziczone lub powstawać de novo
w rodzicielskich komórkach rozrodczych;
(2) zaburzenia chromosomowe polegające na utracie lub zyskaniu chromosomów, albo na zmianach w ich strukturze. Większość zaburzeń chromosomowych powstaje de novo w rodzicielskich komórkach rozrodczych;
(3) zaburzenia wieloczynnikowe, spowodowane przez kompleks interakcji genów
i czynników środowiskowych, obejmują wiele powszechnych chorób i większość wrodzonych nieprawidłowości.
Dziedziczenie - Istnieją trzy wzory dziedziczenia:
(1) w schorzeniach autosomalnych dominujących, dziedziczenie pojedynczego zmutowanego allelu powoduje wystąpienie choroby. Osobniki chore są heterozygotami,
a ich potomstwo ma 50% prawdopodobieństwa, że zostanie dotknięte chorobą;
(2) w zaburzeniach autosomalnych recesywnych, aby wystąpiła choroba, muszą być zmutowane obydwa allele. Osobniki heterozygotyczne, posiadające jeden zmutowany allel są nosicielami. U rodziców nosicieli jeden z czterech potomków jest dotknięty chorobą, jeden z czterech jest zdrowych, a dwoje z czterech jest nosicielami;
(3) w zaburzeniach sprzężonych z chromosomem X mężczyźni chorują, a kobiety są nosicielami. Połowa (50%) męskiego potomstwa kobiet nosicieli będzie dotknięta chorobą, a 50% żeńskiego potomstwa będzie nosicielami.
Mutacje pojedynczych genów - Istnieją rozmaite mutacje, które powodują zaburzenia pojedynczego genu. Występuje kilka typów mutacji punktowych. Mutacje sensu zmieniają kodowany aminokwas,
z różnym skutkiem dla funkcji białka. Mutacje nonsensowne wytwarzają kodony stop, powodujące przedwczesną terminację translacji, zwykle z poważnym efektem funkcji białka. Mutacje fazy odczytu są rezultatem insercji lub delecji zasad, co zmienia ramkę odczytu, znów z poważnym skutkiem dla funkcji białka. Mutacje miejsc splicingowych zmieniają sygnalną sekwencję na granicach intron-ekson,( intron - fragment DNA nie ulegający składaniu do dojrzałego mRNA, ekson - fragment genu ulegający składaniu do dojrzałego mRNA) powodując nieprawidłowy splicing. Mutacje promotorów wpływają na transkrypcję genu. Duże mutacje obejmują delecje( utrata materiału genetycznego, insercje( wstawienie dodatkowej pary nukleotydów w ciag sekwencji DNA) i rearanżacje genu ( zmiana pozycji segmentów sekwencji DNA wewnątrz lub poza genem np. mutacja odwrócenia fragmentu DNA po uprzednim wycięciu).
Defekty jednogenowe - Są to rozmaite grupy schorzeń o zróżnicowanych przejawach u cierpiących na nie osób.
Mukowiscydoza jest defektem autosomalnym recesywnym, w większości stwierdzonym w populacjach zachodnioeuropejskich. Wadliwy gen CFTR koduje białko kanału chlorkowego. Gęste śluzowe wydzieliny kumulują się w płucach osób cierpiących na mukowiscydozę, powodując chroniczne schorzenia płuc. Znanych jest ponad 800 mutacji genu CFTR. Mutację 508 stwierdza się u około 75% pacjentów.
Choroba Huntingtona to zaburzenie autosomalne dominujące, które powoduje postępującą degenerację w ośrodkowym układzie nerwowym. Symptomy pojawiają się w późnym wieku, stopniowo narastając, czego skutkiem jest śmierć 15 lat później z powodu demencji. Wadliwy gen zawiera trójkę powtórzonych sekwencji, która występuje powszechnie u pacjentów z chorobą Huntingtona.
Dystrofia mięśniowa Duchenne'a (DMD) jest zaburzeniem sprzężonym z chromosomem X,
w której chorzy mężczyźni są unieruchomieni przez postępujący zanik mięśni powodujący ostatecznie śmierć w wieku 20 lat. Wadliwy gen DMD koduje białko dystrofinę, która pełni strukturalną rolę w komórkach mięśni.
Hemofilia to choroba recesywna sprzężona z chromosomem X która obejmuje system krzepnięcia krwi. Dotknięci nią mężczyźni cierpią z powodu długotrwałego krwawienia towarzyszącego skaleczeniom. Występują dwie postacie znane jako hemofilia A i B, które wynikają z defektów genu czynnika VIII i czynnika IX. Zidentyfikowano wiele różnych mutacji. U wielu pacjentów z ostrą hemofilią A stwierdza się powtarzającą się mutację spowodowaną rekombinacją pomiędzy sekwencją w intronie 22 genu czynnika VIII i homologiczną sekwencją znajdująca się na zewnątrz genu.
Nerwiako-włókniakowatość jest chorobą autosomalną dominującą spowodować przez mutację w genach NF1 i NF2. U osób z tym defektem rozwija się łagodny nowotwór skóry nazywany nerwiakowłókniakiem. Uszkodzone geny NF1 i NF2 kodują unieczynnione białka supresorowe nowotworu.
Hemoglobinopatie to grupa schorzeń spowodowany przez wady w strukturze i syntezie hemoglobiny.
Anemię sierpowatą (niedokrwistość sierpowatokrwinkową) wywołuje mutacja sensu
w genie beta-globiny, której efektem jest podstawienie glutaminy waliną w kodonie 6. Nieprawidłowa hemoglobina HbS powoduje sierpowatość krwinek czerwonych, prowadząc do anemii i niedokrwienia tkanek.
Talasemie (niedokrwistości śródziemnomorskie) to grupa schorzeń w których wadliwa jest synteza łańcucha globiny. a-talasemia spowodowana jest przez delecję genów a-globiny, beta-talasemię powodują mutacje genu beta-globiny, które przerywają syntezę mRNA beta-globiny.
Wrodzone zaburzenia metabolizmu to grupa schorzeń spowodowanych przez niedobory enzymów zaangażowanych w szlaki metaboliczne. Dotyczy to wielu takich szlaków.
GENETYCZNE BADANIA PRZESIEWOWE - pozwalają na identyfikowanie zdrowych nosicieli chorób genetycznych autosomalnych recesywnych i sprzężonych z chromosomem X. Umożliwiają również przewidywanie rozwoju choroby w zaburzeniach autosomalnych dominujących, które objawiają się w późnym wieku.
Markery biochemiczne - Markerami biochemicznymi są białka lub metabolity, których poziom w osoczu pozwala na zidentyfikowanie nosicieli recesywnych chorób genetycznych. Obecność jednego prawidłowego i jednego zmutowanego allelu u nosiciela powoduje, że poziom markera powinien wynosić 50% naturalnego poziomu. Użyteczność markerów biochemicznych jest ograniczona przez nieprzewidywalne zmiany ich poziomu spowodowane przez wpływy niegenetyczne.
Sprzężenie genów - W sprzężeniu genów wykorzystuje się naturalnie występującą zmienność sekwencji DNA (RFLP - zmiana sekwencji DNA, VNTR - polimorfizm ilości tandemowych) - jako markerów do identyfikowania nosicieli chorób genetycznych. Markery są używane do identyfikowania zmutowanego allelu i śledzenia wzoru jego dziedziczenia wśród członków rodziny. Użyteczność sprzężenia genów jest ograniczona przez oddzielenie markerów od genów sprzężonych z nimi w wyniku rekombinacji, braku informatywności i niedostępności prób.
Bezpośrednia analiza mutacji - Nosicieli chorób genetycznych można identyfikować dzięki obecności w stanie heterozygotycznym mutacji występującej u dotkniętego chorobą krewnego. Nie występują tu ograniczenia związane z analizą sprzężeń genów, lecz wstępna identyfikacja mutacji powodującej chorobę może być pracochłonna.
Diagnostyka prenatalna - Diagnostykę prenatalną wykorzystuje się do oznaczania wad genetycznych u nie narodzonych dzieci. Komórki płodu do analizy genetycznej można otrzymać z płynu owodniowego (amniocenteza w 16 tygodniu lub przez pobranie prób z kosmków kosmówki w 12 tygodniu. Obydwie procedury niosą jednak ze sobą znaczące ryzyko poronienia. Diagnostyka genetyczna przedimplantacyjna jest nową techniką analizy genetycznej DNA z komórek zarodka w stadium ośmiu komórek.
Zagadnienia etyczne - Przesiewowe badania genetyczne pociągają za sobą zagadnienia etyczne dotyczące korzyści osiąganych przez pacjentów. Identyfikacja chorób recesywnych dostarcza oczywistych korzyści. Badanie przesiewowe genetycznych chorób autosomalnych dominujących może być korzystne w zależności od dostępności leczenia. Pozostałe kwestie dotyczą zgody na informację o badanych osobach i badania dzieci.
GENY I RAK
Nowotwór jako choroba genetyczna - Powstawanie nowotworu (raka) zależy od funkcjonowania genów, na co wskazuje kilka grup dowodów. Komórki nowotworowe znane są z tego, że mają zmienioną liczbę chromosomów, a chromosomy często podlegają rearanżacji. Niektóre translokacje są specyficzne dla pewnych form nowotworu. Mutageny są silnymi czynnikami powstawania nowotworów. W rzadkich przypadkach predyspozycje do nowotworu dziedziczone są rodzinnie.
Onkogeny - Wywodzą się one z protoonkogenów, genów, które normalnie odgrywają ważną rolę
w przekazywaniu sygnału lub w apoptozie. Protoonkogeny są aktywowane przez mutacje lub nadekspresję, tworząc onkogeny. Po raz pierwszy zidentyfikowano je u onkogennych retrowirusów, lecz można je wykryć w niewywoływanych przez wirusy nowotworach poprzez transfekcję komórek 3T3 myszy. Czasami onkogeny namnażają się w komórkach guza.
Translokacje chromosomowe specyficzne dla nowotworu - Niektóre nowotwory charakteryzują się specyficznymi translokacjami, których efektem może być wzrost transkrypcji onkogenów; stwierdzono to w chłoniaku Burkitta. Połączenie dwóch protoonkogenów może utworzyć nowy gen o właściwościach onkogennych, co obserwuje się w przewlekłej białaczce szpikowej.
Geny supresorowe nowotworu - Zanim rozwinie się nowotwór, inaktywacji muszą ulec obie kopie genu supresorowego nowotworu. Zwykle jest to osiągane w wyniku mutacji jednego allelu i delecji drugiego. Najlepiej zbadanym genem supresorowym nowotworu jest p53, który jest zmutowany
w około 40% ludzkich nowotworów. Pełni on kilka funkcji zarówno w regulowaniu cyklu komórkowego, jak i w apoptozie. Inaktywacja genów supresorowych może polegać na metylacji DNA.
Nowotwory dziedziczne - Przyczyną nowotworów dziedzicznych jest przekazywanie zmutowanych alleli genów supresorowych nowotworu. Model ich dziedziczenia jest taki, jak dominujących genów autosomalnych. Dziedziczną skłonność do nowotworu mogą również powodować zmutowane allele genów naprawczych DNA.
TERAPIA GENOWA
Zaburzenia genetyczne można obecnie leczyć przez wprowadzenie do komórek czynnych kopii genu odpowiedzialnego za te zaburzenia. Na razie jest to ograniczone do leczenia komórek somatycznych. Podstawowym problemem w rozwoju terapii genowej jest znalezienie optymalnego wektora przenoszącego gen terapeutyczny do odbierającej go komórki. Terapię genową można przeprowadzić na całym organizmie pacjenta (terapia in vivo) lub na komórkach, które były pobrane od pacjenta, a następnie zwrócone mu po dodaniu odpowiedniego genu (terapia ex vivo).
W niektórych zaburzeniach gen terapeutyczny jest adresowany do określonego typu komórek, podczas gdy w innych zespołach chorobowych odpowiednim dla niego celem może być kilka tkanek.
Wektory - Jako wektory do terapii genowej największe możliwości oferują wirusy. Aby zapobiec replikacji wirusów u pacjenta, większość genów wirusowych jest z takich wektorów usuwana. Retrowirusy infekują wiele typów komórek, lecz tylko w fazie podziałów, co ogranicza ich zastosowanie w terapii ex vivo. Bardziej przydatne mogą się okazać lentiwirusy. Można także zastosować adenowirusy, lecz ich DNA nie integruje z chromosomami w komórce docelowej i działanie ich jest przejściowe. Alternatywę stosowanych wektorów wirusowych stanowi DNA opłaszczony w liposomach. Nie powoduje on efektów ubocznych, lecz jest znacznie mniej skuteczny w przenoszeniu DNA do komórek docelowych.
Brak deaminazy adenozyny - Gen deaminazy adenozyny można wprowadzić do limfocytów T pacjentów stosując wektor retrowirusowy. Komórki te są jednak po pewnym czasie usuwane z krwi i postępowanie musi być powtórzone. Możliwe jest również wprowadzenie genu do komórek prekursorowych krwi w szpiku kostnym, co powoduje trwałe zmiany.
Zwłóknienie torbielowate - W przypadku tej choroby terapię genową trzeba przeprowadzić in vivo, ponieważ tkanką docelową jest tkanka wyścielająca płuc. Zastosowano wektor adenowirusowy, ale efekty uboczne ograniczają jego stosowanie. Alternatywny sposób może polegać na użyciu liposomów.
Rak - Aktualnie jest to główny obszar medycyny, w którym wykorzystuje się terapię genową. Istnieje kilka możliwych strategii terapii. Obejmują one wprowadzanie genów zabijających komórki nowotworowe lub powodujących stymulację odpowiedzi odpornościowej gospodarza. Jedna z potencjalnie przydatnych metod wykorzystuje gen kinazy tymidynowej wirusa opryszczki do zwiększenia wrażliwości komórki nowotworowej na stosowane leki.
Genetyka semestr VI