Podstawy genetyki
Genetyka w medycynie
W ostatnich dziesięcioleciach dokonał się znaczny postęp w zrozumieniu, jaką
rolę odgrywają czynniki dziedziczne w procesach patologii człowieka. Poznano
choroby uwarunkowane genetycznie oraz schorzenia, w których wrodzona predyspozycja
wraz z czynnikami środowiskowymi odgrywa istotną rolę w ich ujawnieniu
i przebiegu. Dzięki poznaniu molekularnych podstaw wielu chorób coraz
częściej można zidentyfikować osoby zagrożone jeszcze przed ujawnieniem się
patologii i, o ile jest to możliwe, zaproponować wczesne postępowanie lecznicze
lub prewencję.
Genetyka to dział biologii, analizujący problemy związane z dziedziczeniem cech
i zmiennością organizmów.
Genetyka medyczna jest gałęzią medycyny zajmującą się dziedziczeniem, rozpoznawaniem
i leczeniem chorób uwarunkowanych zmianami w materiale genetycznym
człowieka. Ważną działalnością genetyki klinicznej jest poradnictwo
genetyczne dotyczące problemów pacjentów z chorobami uwarunkowanymi
genetycznie i ich rodzin.
Genetyka molekularna zajmuje się badaniem struktury i funkcji materiału genetycznego
na poziomie cząsteczkowym.
Medycyna molekularna bada możliwości kliniczne zastosowania genetyki i biologii
molekularnej w diagnostyce i leczeniu chorób.
Choroby uwarunkowane genetycznie
Choroby genetyczne to schorzenia, które przekazywane są jako cecha dziedziczna
z pokolenia na pokolenie lub powstają de novo na skutek zmian w materiale
genetycznym lub zaburzeń w mechanizmach przekazywania cech dziedzicznych.
Zmiany w materiale genetycznym powstałe de novo mogą być przekazywane
potomstwu jako cecha (choroba) dziedziczna.
Tradycyjny podział chorób genetycznych oparty jest na podstawowych prawach
dziedziczenia.
2
Podstawy genetyki w kardiologii
1. Choroby jednogenowe powstają w rezultacie nieprawidłowego działania pojedynczego
genu. Są one przekazywane potomstwu w prosty sposób, zgodnie
z zasadami opisanymi przez Grzegorza Mendla w 1865 roku, stąd czasem
bywają określane zaburzeniami mendlowskimi. W zależności od typu
dziedziczenia choroby te dzieli się na:
— autosomalne dominujące, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby
zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym (innym niż chromosomy
płciowe X i Y) i gdy tylko jedna kopia (allel) zmienionego patologicznie
genu wystarczy dla ujawnienia się choroby,
— autosomalne recesywne, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby
zlokalizowany jest na chromosomie autosomalnym i dla ujawnienia
się choroby konieczne jest występowanie dwóch patologicznie zmienionych
kopii danego genu (alleli),
— sprzężone z płcią, gdy gen odpowiedzialny za wystąpienie choroby
zlokalizowany jest na chromosomie płciowym X.
2. Choroby wieloczynnikowe uwarunkowane są współdziałaniem wielu genów,
występujących w różnych lokalizacjach chromosomalnych z czynnikami środowiskowymi.
Nie są one przekazywane potomstwu w sposób prosty, zgodny
z zasadami Mendla.
3. Aberracje chromosomowe są schorzeniami uwarunkowanymi zaburzeniami
liczby i struktury chromosomów.
Struktura i organizacja materiału genetycznego człowieka
Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA)
Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA, deoxyribonucleic acid) dość długo nie był
kojarzony z procesami dziedziczenia. Dopiero doświadczenia Avery'ego z lat 40.
XX wieku zasugerowały, iż nośnikiem informacji genetycznej może być właśnie
DNA. W eksperymencie tym wykazano, iż odbiałczony wyciąg ze zjadliwego szczepu
dwoinki zapalenia płuc jest zdolny trwale zmienić właściwości szczepu niezjadliwego,
powodując jego transformację w szczep chorobotwórczy. Natomiast
wyciąg tracił swoje właściwości transformowania bakterii po degradacji DNA za
pomocą deoksyrybonukleazy, enzymu rozkładającego kwasy nukleinowe.
Opublikowanie w 1953 roku opisu struktury cząsteczki DNA przez JamesaWastona,
Francisa Cricka i Maurice'a Wilkinsona było przełomem w poznaniu podstawowych
zasad przechowywania i powielania informacji genetycznej i stało
się podwaliną rozwoju genetyki molekularnej.
3
Podstawy genetyki
Podstawową jednostką strukturalną DNA jest nukleotyd, składający się z cukru
deoksyrybozy, reszty kwasu fosforowego i pojedynczej zasady purynowej (adenina,
guanina) lub pirymidynowej (cytozyna, tymina) (ryc. 1.1). Atomy węgla
w cząsteczce deoksyrybozy są oznaczone numerami od 1 do 5, z dodatkowym
Rycina 1.1. Struktura cząsteczki DNA. A. Podwójny heliks DNA. B. Zasada komplementarności,
wiązania wodorowe między zasadami. C. Nukleotyd pirymidynowy (cytozyna, tymina). D. Nukleotyd
purynowy (adenina, guanina). R — deoksyryboza, P — reszta kwasu fosforowego,
Z — zasada azotowa
4
Podstawy genetyki w kardiologii
znakiem prim, odróżniającym je od numerów w cząsteczce zasady. Numeracja
atomów węgla jest ważna, ponieważ wskazuje miejsce przyłączenia pozostałych
składników nukleotydu do cukru. Wiele nukleotydydów połączonych ze sobą
liniowo, przy czym fosforan 5' jednego nukleotydu tworzy wiązanie 3'-5'-fosfodiestrowe
z węglem 3' następnego nukleotydu, formuje pojedynczą nić DNA.
Łańcuch polinukleotydowy pojedynczej nici DNA na końcu określanym jako
koniec 5' ma wolny 5'-trifosforan, a na drugim końcu — określanym jako koniec
3' — wolną grupę 3'-hydroksylową. Różnica końców nadaje nici DNA
polarność, można więc powiedzieć, że cząsteczka DNA biegnie w kierunku 5'-3'
lub 3'-5'. Dwie równoległe nici DNA biegnące w przeciwstawnych kierunkach
(antyrównolegle) — jedna 5'-3' i druga 3'-5' — oplatające się wzajemnie i skręcone
wokół własnej osi, tworzą charakterystyczny kształt cząsteczki DNA w formie
prawoskrętnej podwójnej spirali (helisy). Część cukrowo-fosforanowa tworzy
szkielet i jest usytuowana na zewnątrz cząsteczki. Zasady są skierowane do
wnętrza helisy i układają się jedna nad drugą. Dwunicowa helisa DNA jest absolutnie
regularna, ma średnicę 2 nm, na jej jeden obrót przypada zawsze 10 par
zasad, a jej skok wynosi 3,4 nm. Nici DNA splatają się w ten sposób, że wzdłuż
helisy biegną zawsze dwa regularne rowki — mały i duży. Odległość między
obiema antyrównoległymi nićmi helisy DNA jest taka, że aby zachować symetrię
cząsteczki dwupierścieniowe puryny mogą oddziaływać tylko z jednopierścieniowymi
pirymidynami. Dlatego zasady obu nici łączą się ze sobą zawsze
zgodnie z regułą komplementarności, co oznacza, iż tymina (T) zawsze tworzy
parę z adeniną (A), a cytozyna (C) z guaniną (G), czyli puryna zawsze łączy się
z pirymidyną. Między A i T powstają dwa wiązania wodorowe, a między G i C
— trzy. Konsekwencją takiej budowy jest możliwość odtworzenia cząsteczki DNA
na podstawie sekwencji tylko pojedynczej nici. Stanowi to podstawowy mechanizm
zachowania informacji i jej przekazywania komórkom potomnym.
Replikacja DNA
Proces kopiowania cząsteczek DNA w komórkach nazywa się replikacją. Zapewnia
on przekazywanie informacji genetycznej z komórek rodzicielskich do
komórek potomnych w sposób niemal idealnie zapewniający zachowanie niezmienionej
budowy własnego DNA. Do powielania DNA dochodzi najczęściej
przed podziałem komórki, tak by obie potomne komórki mogły otrzymać taką
samą ilość pełnowartościowej informacji genetycznej. Podwójna helisa DNA ulega
rozpleceniu i każda z dwóch pojedynczych nici stanowi matrycę, na której układane
są nukleotydy nowo syntetyzowanej nici zgodnie z zasadą komplementarności.
Rozdzielające się w miejscu syntezy łańcuchy DNA tworzą strukturę
„widełek replikacyjnych” (ryc. 1.2). Polimeraza DNA, główny enzym odpowiedzialny
za proces replikacji, może prowadzić syntezę nowej nici DNA tylko w jednym
kierunku — od końca 5' do końca 3'. Ponieważ obie nici matrycowe,
5
Podstawy genetyki
zorientowane względem siebie w przeciwnych kierunkach, są kopiowane w obrębie
„widełek replikacyjnych” jednocześnie, tylko jedna z powstających nowych
nici może być wydłużana w sposób ciągły — od końca 5' do 3', zgodnie
z kierunkiem przesuwania się widełek. Druga nić, syntetyzowana w kierunku
przeciwnym do ruchu widełek, by zachować zasadę syntezy od końca 5' do 3',
musi powstawać w formie krótkich fragmentów łączonych następnie w jedną
ciągła nić. Dlatego „widełki replikacyjne” mają strukturę asymetryczną. Nić syntetyzowana
w sposób ciągły nosi nazwę nici prowadzącej, zaś nić powstająca
w sposób nieciągły określana jest mianem nici opóźnionej. W efekcie końcowym
powstają dwie nowe cząsteczki dwuniciowego DNA, identyczne z cząsteczką
rodzicielską, z których każda zawiera jedną nić nowo zsyntetyzowaną
i jedną rodzicielską.
W proces replikacji DNA zaangażowane są nie tylko mechanizmy syntezy, ale
i bardzo precyzyjne systemy wykrywania i naprawy wszelkiego typu błędów
i uszkodzeń powstałych podczas syntezy DNA. Głównie dzięki tym systemom
błędy powodujące powstawanie mutacji zdarzają się stosunkowo rzadko, biorąc
pod uwagę liczbę dzielących się komórek, w których zachodzi proces replikacji
DNA.
Organizacja i lokalizacja materiału genetycznego
Wszystkie komórki organizmu człowieka, poza gametami, zawierają pełną informację
genetyczną w postaci DNA zlokalizowanego w jądrze komórkowym.
Rycina 1.2. Replikacja cząsteczki DNA
6
Podstawy genetyki w kardiologii
Cząsteczki DNA są bardzo gęsto upakowane w jądrze komórkowym dzięki wielokrotnej
spiralizacji i kompleksom z zasadowymi białkami — histonami. Tworzą
one 23 pary homologicznych chromosomów, z których jeden w każdej parze
pochodzi od matki, a drugi — od ojca. Całość informacji genetycznej zawartej
w chromosomach jądra komórkowego określana jest genomem. Pojedyncze chromosomy
mogą być obserwowane w mikroskopie świetlnym tylko podczas metafazy
podziału komórki, kiedy ulegają kondensacji. Zwykle można wyróżnić ramiona
długie (q) i ramiona krótkie (p) chromosomu, połączone ze sobą w punkcie
określanym mianem centrosomu. Obraz chromosomów metafazalnych służy
w diagnostyce chorób związanych z aberracjami chromosomowymi do sporządzania
uszeregowanych według pewnych zasad morfologicznych zestawów
wszystkich 46 chromosomów. Obraz taki nosi nazwę kariotypu (ryc. 1.3).
Niewielkie ilości materiału genetycznego znajdują się poza jądrem komórkowym
w mitochondriach; DNA znajduje się w mitochondriach w formie kolistej
cząsteczki, przypominającej swoją strukturą materiał genetyczny bakterii. Genom
mitochondrialny koduje przede wszystkim białkowe składniki mitochondrialnego
łańcucha oddechowego i systemu fosforylacji oksydatywnej oraz kilka
rodzajów cząsteczek RNA. Mitochondrialny DNA jest całkowicie dziedziczony
od matki.
Rycina 1.3. Prawidłowy kariotyp człowieka, mężczyzna 46XY. Za uprzejmością
Prof. J. Limona, Katedra i Zakład Biologii i Genetyki AM
w Gdańsku
7
Podstawy genetyki
Gen
Gen jest to funkcjonalna jednostka materiału genetycznego. Jest to odcinek
DNA kodujący i regulujący syntezę kompletnego polipeptydu. Szacuje się, iż
genom człowieka zawiera około 32 tysiące genów. Średnia wielkość genu określana
jest na kilkanaście tysięcy par zasad z dużymi różnicami między poszczególnymi
genami, których rozmiar może wahać się od kilkuset do kilku milionów
par zasad. Struktura genu jest nieciągła, składa się z odcinków DNA kodującego
sekwencję aminokwasów (egzony), rozdzielonych odcinkami DNA
niekodującego (introny). Dodatkowo, część kodująca genu poprzedzona jest
sekwencją promotorową, której funkcja polega na uaktywnianiu transkrypcji
genu w wyniku wiązania białek określanych czynnikami transkrypcyjnymi
(ryc. 1.4).
Miejsce danego genu na chromosomie określane jest jako jego locus. Ponieważ
ludzkie chromosomy są parzyste — jeden chromosom z danej pary pochodzi od
matki, a drugi od ojca — każda osoba posiada w swoim genomie dwie wersje
— matczyną i ojcowską danego genu w danym locus. Zasada ta nie dotyczy genów
zlokalizowanych na chromosomach płciowych u mężczyzn (X i Y). Alternatywne
formy genu w danym locus, różniące się sekwencją nukleotydów DNA,
nazywane są allelami. Jeśli oba allele, matczyny i ojcowski w danym locus są identyczne,
osoba o takim układzie alleli określana jest osobą homozygotyczną w odniesieniu
do danego genu. W przypadku, gdy występują dwa różne allele w danym
locus, to osoba taka określana jest jako osoba heterozygotyczna. Opis układu
alleli w danym locus nazywany jest genotypem. Natomiast obraz danej cechy lub
określonego obrazu klinicznego wynikający z ekspresji danego genu lub grupy
genów przy współudziale czynników środowiska określany jest jako fenotyp.
Niektóre geny są zorganizowane w postaci rodzin wielogenowych utworzonych
przez identyczne lub podobne geny, które nie podlegają wspólnej regulacji. Proste
rodziny wielogenowe zawierają identyczne geny, których produkty są wyma-
Rycina 1.4. Schematyczna struktura nieciągłego genu człowieka
8
Podstawy genetyki w kardiologii
gane w dużych ilościach. Przykładem mogą być tu geny rybosomowego 5S RNA.
W genomie człowieka istnieje około 2000 kopii tego genu, co odzwierciedla
duże zapotrzebowanie komórek na jego produkt. Z kolei złożone rodziny wielogenowe
obejmują bardzo podobne geny, kodujące białka o podobnych funkcjach.
Przykładem może być rodzina genów globinowych, kodujących serię polipeptydów
globiny (a, b, g, e, z), które różnią się między sobą zaledwie kilkoma
aminokwasami. Polipeptydy globiny po przyłączeniu hemu tworzą dojrzałe i embrionalne
formy hemoglobiny.
Od genu do białka — funkcja genów
Podstawową funkcją genów jest kodowanie sekwencji aminokwasów tworzących
polipeptydy. Proces prowadzący do pojawienia się produktu danego genu
w komórce przebiega wieloetapowo i nazywany jest ekspresją. Prawidłowa ekspresja
genów zapewnia syntezę produktów białkowych w odpowiednim miejscu
i w odpowiednim czasie.
Transkrypcja
Na skutek działania specyficznych czynników transkrypcyjnych w rejonie promotorowym
dochodzi do aktywacji danego genu, czyli do miejscowego rozluźnienia
ściśle upakowanej cząsteczki DNA oraz zainicjowania procesu przepisania
sekwencji DNA na sekwencję nukleotydów kwasu rybonukleinowego (RNA).
Kwas RNA różni się od DNA przede wszystkim jednonicową strukturą cząsteczki
oraz tym, że zawiera zamiast deoksyrybozy inny cukier — rybozę, a zamiast
tyminy zawiera inną zasadę pirymidynową — uracyl. Przepisywanie informacji
genetycznej, zawartej w sekwencji nukleotydów DNA, na sekwencję nukleotydów
RNA odbywa się zgodnie z zasadą komplementarności (A-U, C-G).
Proces ten, nazywany transkrypcją, odbywa się dzięki aktywności enzymu polimerazy
RNA. Polimeraza RNA przyłącza się w rejonie promotorowym genu do
sekwencji określanej jako kaseta TATA, której funkcja polega na ulokowaniu
polimerazy RNA w pozycji właściwej do rozpoczęcia transkrypcji. Podczas procesu
elongacji polimeraza RNA przemieszcza się wzdłuż cząsteczki DNA i rozplata
podwójny heliks. Enzym dołącza kolejne nukleotydy do końca 3' rosnącego
łańcucha RNA w kolejności dyktowanej przez ułożenie zasad na matrycowej
nici DNA. Syntetyzowana cząsteczka RNA, nazywana transkryptem, zgodnie
z zasadą komplementarności ma sekwencję niematrycowej nici DNA. Dlatego
określenie „sekwencja genu” odnosi się zwykle do zapisu zasad na nici niematrycowej
DNA, określanej również jako nić sensowna lub kodująca. Produktem
transkrypcji jest cząsteczka RNA, która po przejściu procesów dojrzewania (splicingu),
polegających między innymi na usunięciu fragmentów niekodujących,
9
Podstawy genetyki
nosi miano informacyjnego RNA (mRNA, messenger RNA) i jest eksportowana
z jądra komórkowego do cytoplazmy (ryc 1.5).
Regulacja aktywności transkrypcyjnej genów odbywa się również dzięki dodatkowym
sekwencjom zlokalizowanym poza promotorem, a często nawet w znacznej
odległości od samego genu. Mają one zwykle długość 100-200 pz oraz zdolność
wiązania czynników transkrypcyjnych. Spotykane są dwa rodzaje tego typu
sekwencji o właściwościach: aktywujących transkrypcję — sekwencje wzmacniające,
oraz hamujące transkrypcję — sekwencje wyciszające.
Translacja
Translacja jest procesem, który zachodzi na rybosomach w cytoplazmie i polega
na przełożeniu sekwencji nukleotydów mRNA na sekwencję aminokwasów, tworzących
dany polipeptyd (ryc. 1.5). Informacja na temat sekwencji aminokwasów
zapisana jest w strukturze mRNA za pomocą kodu opartego na trójkach
nukleotydów (kodony). System ten określany jest mianem kodu genetycznego.
Zgodnie z jego zasadami każdej kombinacji trzech nukleotydów przypisany jest
Rycina 1.5. Przepływ informacji genetycznej „od genu do białka”
10
Podstawy genetyki w kardiologii
konkretny aminokwas lub informacja o zakończeniu translacji (kodon terminacji
lub stop kodon). Cztery zasady w DNA lub RNA mogą utworzyć łącznie 43
kombinacje trójek nukleotydów, stanowiące 64 kodony, które określają 20 aminokwasów
występujących w białkach. Przykładowo, trójka nukleotydów o sekwencji
UAC zawiera informację o włączeniu do łańcucha polipeptydowego
aminokwasu tyrozyny, UAU — cystyny, zaś sekwencja UAA jest jednym z trzech
kodonów terminacyjnych i zawiera informację o zakończeniu syntezy polipeptydu
(tabl. 1.1). Ponieważ liczba kodonów jest większa od liczby białkowych
aminokwasów, wszystkie aminokwasy, z wyjątkiem metioniny i tryptofanu, są
kodowane przez więcej niż jeden kodon. Zjawisko to jest określane jako degeneracja
lub nadmiarowość kodu genetycznego. Kodony odpowiadające za wprowadzenie
do polipeptydu tych samych aminokwasów są podobne, i dlatego określane
są jako synonimy. Na przykład CUU, CUC, CUA i CUG kodują leucynę.
Synonimy najczęściej różnią się tylko zasadą zajmującą trzecią pozycję w kodonie,
określaną jako pozycja tolerancji. Degeneracja kodu genetycznego minimalizuje
efekty mutacji, gdyż nie każda zmiana w sekwencji genu musi pociągać za
sobą zmianę aminokwasu w kodowanym białku. Cząsteczka mRNA przesuwa
Tablica 1.1
Kod genetyczny
I zasada II zasada III zasada
U C A G
U Phe UUU Ser UCU Tyr UAU Cys UGU U
Phe UUC Ser UCC Tyr UAC Cys UGC C
Leu UUA Ser UCA STOP UAA STOP UGA A
Leu UUG Ser UCG STOP UAG Trp UGG G
C Leu CUU Pro CCU His CAU Arg CGU U
Leu CUC Pro CCC His CAC Arg CGC C
Leu CUA Pro CCA Gln CAA Arg CGA A
Leu CUG Pro CCG Gln CAG Arg CGG G
A Ile AUU Thr ACU Asn AAU Ser AGU U
Ile AUC Thr ACC Asn AAC Ser AGC C
Ile AUA Thr ACA Lys AAA Arg AGA A
Met AUG Thr ACG Lys AAG Arg AGG G
G Val GUU Ala GCU Asp GAU Gly GGU U
Val GUC Ala GCC Asp GAC Gly GGC C
Val GUA Ala GCA Glu GAA Gly GGA A
Val GUG Ala GCG Glu GAG Gly GGG G
Skróty aminokwasów: Ala — alanina, Arg — arginina, Asn — asparagina, Asp — kwas asparaginowy,
Cys — cysteina, Gln — glutamina, Glu — kwas glutaminowy, Gly — glicyna, His — histydyna, Ile — izoleucyna,
Leu — leucyna, Lys — lizyna, Met — metionina, Phe — fenyloalanina, Pro — prolina, Ser — seryna,
Thr — treonina, Trp — tryptofan, Tyr — tyrozyna, Val — walina
11
Podstawy genetyki
się po powierzchni rybosomu, eksponując kolejne kodony, które zostają rozpoznane
na zasadzie komplementarności przez cząsteczki transportowego RNA
(tRNA). Translacja rozpoczyna się zawsze od kodonu inicjującego AUG, który
koduje metioninę. Dlatego wszystkie polipeptydy rozpoczynają się od metioniny,
chociaż aminokwas ten może zostać później usunięty. Kompleksy aminokwas-
tRNA uszeregowują się względem kodonów mRNA i kolejne aminokwasy
są łączone między sobą wiązaniem peptydowym. Następnie cząsteczka tRNA
zostaje uwolniona, a mRNA przesuwa się na rybosomie o kolejny kodon aż do
kodonu terminacji (AUG, UGA, UAA), kończącego proces translacji.
Regulacja ekspresji genów przez hormony i cytokiny
Hormony i cytokiny są związkami syntetyzowanymi przez określone komórki
organizmu, wpływają na właściwości i funkcję innych komórek organizmu poprzez
aktywację transkrypcji specyficznych genów. Hormony, takie jak estrogeny
i glukokortykoidy, mają budowę steroidową lub polipeptydową, jak np. insulina.
Hormony steroidowe są rozpuszczalne w tłuszczach i mogą przechodzić
przez błonę komórkową do cytoplazmy, gdzie wiążą się z czynnikiem transkrypcyjnym,
określanym jako receptor hormonów steroidowych. Związanie hormonu
przez receptor uwalnia ten ostatni z kompleksu z białkiem blokującym jego
aktywność. Receptor dimeryzuje i jest transportowany do jądra komórkowego,
gdzie aktywuje ekspresję specyficznych genów, wiążąc się z ich sekwencjami promotorowymi.
Hormony peptydowe i cytokiny działają w sposób odmienny. Wiążą
się one z receptorami na powierzchni komórek docelowych i aktywują proces
transdukcji sygnału. Polega on na aktywacji kaskady białek poprzez ich fosforylację,
ostatecznie doprowadzając do stymulacji transkrypcji genów docelowych
poprzez wiązanie aktywowanych czynników transkrypcyjnych do regionów promotorowych
genów.
Zmienność materiału genetycznego
Mutacje
Mutacja jest to jakościowa lub ilościowa zmiana materiału genetycznego komórki.
W genomie ludzkim obserwuje się wiele różnych typów mutacji. Mogą
one dotyczyć liczby i struktury chromosomów, pojedynczych genów lub ich fragmentów,
lub mogą być ograniczone do zmiany pojedynczej zasady w sekwencji
DNA. Mutacje mogą zaburzać procesy transkrypcji i translacji, prowadząc do
zmiany poziomu ekspresji lub funkcji produktu białkowego danego genu. Niektóre
mutacje mogą prowadzić do śmierci komórki lub całego organizmu. Zdarzają
się również mutacje, które są nieme czynnościowo.
12
Podstawy genetyki w kardiologii
Typy i mechanizmy mutacji
1. Aberracje chromosomowe — zaburzenia liczby lub struktury chromosomów.
Zaburzenia liczby chromosomów dzielą się na:
— poliploidalność, czyli zwiększenie się lub zmniejszenie liczby chromosomów
o wielokrotność całkowitej haploidalnej liczby chromosomów,
— aneuploidalność, czyli niewielkie odchylenia od podstawowej liczby chromosomów.
Przykładem może być nullisomia, gdy brak w komórce jakiejkolwiek
kopii danego chromosomu, monosomia to obecność jednej
kopii chromosomu, disomia — dwóch, a trisomia — trzech itd.
2. Duże rearanżacje genowe:
— delecje, polegające na braku genu lub jego fragmentu,
— duplikacje, polegające na powieleniu fragmentu DNA w obrębie genu,
— insercje, polegające na wstawieniu do genu sekwencji zwykle pochodzących
spoza jego obszaru.
3. Mutacje punktowe, polegające na zmianie pojedynczego nukleotydu:
— insercja, polegająca na wstawieniu pojedynczego nukleotydu do sekwencji
genu,
— delecja, polegająca na braku pojedynczego nukleotydu w sekwencji genu,
— substytucja, polegająca na zastąpieniu jednego nukleotydu innym,
• transwersja — zamiana puryny na pirymidynę i odwrotnie,
• tranzycja — zamiana puryny na purynę lub pirymidyny na pirymidynę.
Następstwa mutacji
1. Mutacje zmiany sensu (missensowne) zachodzą zwykle, gdy w obrębie kodonu
dojdzie do zmiany pojedynczego nukleotydu, która przekłada się na
zmianę pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka. W efekcie funkcja
takiego białka może być nieprawidłowa (ryc. 1.6B).
2. Mutacje nonsensowne powstają na skutek zmian nukleotydów prowadzących
do przedwczesnego pojawienia się kodonu terminacyjnego translacji.
W efekcie powstaje niepełny polipeptyd o nieprawidłowej strukturze i funkcji
(ryc. 1.6C).
3. Mutacje ciche zachodzą zwykle, gdy dojdzie do zmiany trzeciej zasady kodonu
i z powodu degeneracji (nadmiarowości) kodu genetycznego nie następuje
zmiana aminokwasu w polipeptydzie.
4. Mutacje zmiany ramki odczytu powstają na skutek insercji lub delecji w regionie
kodującym genu, prowadzących do zmiany kroku odczytu mRNA
13
Podstawy genetyki
Rycina 1.6. Przykładowe następstwa mutacji punktowych. A. Gen bez mutacji. B. Mutacja zmiany
sensu. Zamiana adeniny na uracyl w kodonie 4 spowodowała syntezę polipeptydu, w którym
zamiast metioniny występuje leucyna. C. Mutacja nonsensowna. Zamiana adeniny na uracyl w kodonie
6 doprowadziła do przedwczesnego pojawienia się kodonu terminacyjnego UAG i syntezy
krótszego o jeden aminokwas polipeptydu. D. Mutacja zmiany ramki odczytu. Insercja jednego
dodatkowego nukleotydu w kodonie 3 spowodowała przesunięcie ramki odczytu i powstanie
dłuższego polipeptydu o zmienionej budowie aminokwasowej
14
Podstawy genetyki w kardiologii
i błędnego odczytania szeregu kodonów. Taka nieprawidłowa translacja prowadzi
do syntezy polipeptydu często o całkowicie zmienionej sekwencji aminokwasów
(ryc. 1.6D).
5. Mutacje transkrypcyjne dotyczą obszarów promotorowych i regulatorowych
genów. Ich konsekwencją może być obniżony poziom transkrypcji danego
genu i w konsekwencji niedostateczna ekspresja produktu białkowego lub
zwiększona aktywność transkrypcyjna i nadmierna ekspresja.
6. Mutacje dotyczące procesów dojrzewania mRNA prowadzą do zaburzeń
procesu cięcia i składania RNA, które są krytyczne dla powstania prawidłowego
dojrzałego mRNA. Mutacje tego typu w efekcie końcowym mogą prowadzić
do zmiany ilości syntetyzowanego białka lub do powstania białka
o nieprawidłowej funkcji.
Organizm posiadający fenotyp prawidłowy, charakterystyczny dla danego gatunku,
określany jest jako typ dziki. Natomiast organizm o fenotypie zmienionym
w wyniku mutacji nazywany jest mutantem.
Polimorfizm genetyczny
Polimorfizm genetyczny oznacza występowanie w populacji dwóch lub więcej
form danego genu — alleli z częstością większą niż oczekiwana, wynikającą
z ogólnej częstości mutacji w danej populacji. Ponieważ częstość mutacji w danej
populacji jest trudna do sprecyzowania, przyjęto, że o polimorfizmie można
mówić, gdy najrzadszy wariant alleliczny w danym locus występuje z częstością
większą niż 1%. Polimorfizm, podobnie jak mutacja, jest efektem zmian sekwencji
DNA.
Najczęstsze rodzaje polimorfizmu w zależności od zmian sekwencji DNA
1. Polimorfizm powtórzeń wielokrotnych obejmuje około 10% genomu i dotyczy
fragmentów niekodujących:
— polimorfizm krótkich powtórzeń tandemowych (STRP, short tandem
repeat polymorphism) polega na występowaniu segmentów DNA o długości
do 1000 pz (zawierających różną liczbę powtórzeń krótkich sekwencji.
Do najczęstszych należy sekwencja zbudowana z cytozyny i adeniny
— (CACA)n- (ryc. 1.7),
— zmienna liczba powtórzeń tandemowych (VNTR, variable number of
tandem repeats) polega na występowaniu segmentów DNA o długości
15
Podstawy genetyki
Rycina 1.7. Polimorfizm powtórzeń wielokrotnych. Schemat identyfikacji za pomocą reakcji PCR
ze starterami komplementarnymi do sekwencji ograniczających obszar wielokrotnych powtórzeń.
Allel 1 zawiera 4 powtórzenia (-CA-), allel 2 — 7 powtórzeń i allel 3 — 10 powtórzeń. Produktem
amplifikacji jest zestaw fragmentów DNA, których wielkość jest charakterystyczna dla danej liczby
powtórzeń. Identyfikacji dokonuje się po rozdziale elektroforetycznym na żelu, gdzie fragmenty
wędrują w polu elektrycznym z prędkością zależną od ich masy. Dlatego produkt amplifikacji
allelu 1, zawierający najmniejszą liczbę powtórzeń, pokonał najdłuższą drogę w żelu, zaś produkt
amplifikacji allelu 3, o największej liczbie powtórzeń, znajduje się w najmniejszej odległości od
początku żelu
16
Podstawy genetyki w kardiologii
od 1 kpz do 30 kpz, zawierających różną liczbę powtórzeń bardziej złożonych
wielonukleotydowych sekwencji.
2. Polimorfizm pojedynczych nukleotydów, podobnie jak mutacja punktowa,
może polegać na insercji, delecji lub substytucji pojedynczych nukleotydów,
zlokalizowanych w części kodujacej lub niekodującej genu. Następstwa tej
zmienności mogą dotyczyć zmian budowy aminokwasowej białka lub poziomu
jego ekspresji.
Markery genetyczne
Geny polimorficzne mogą być wykorzystywane jako markery genetyczne:
1. dla określania prawdopodobieństwa związku genów z występowaniem chorób
w rodzinie lub w populacji ogólnej,
2. w medycynie sądowej, dla ustalania pokrewieństwa, określania pochodzenia
krwi lub innych tkanek, identyfikacji zwłok itp.