Aberracje chromosomowe i mutacje ABERRACJE CHROMOSOMOWE

Transkrypt

1 Aberracje chromosomowe i mutacje Magdalena Mayer Katedra i Zakład genetyki Medycznej UM w Poznaniu ABERRACJE CHROMOSOMOWE Aberracje chromosomowe - zmiany materiału genetycznego, które są widoczne pod mikroskopem w badaniu kariotypu. 0,6% noworodków ma aberrację chromosomową o znaczeniu klinicznym Podział aberracji chromosomowych: Aberracje liczby chromosomów struktury chromosomów Aberracje mogą dotyczyć zarówno chromosomów płci, jak i autosomów Aberracje są wynikiem mutacji chromosomowej powstałej w komórkach rozrodczych rodziców lub bardziej odległego przodka Prawidłowa liczba chromosomów: 46 (23 pary) w komórkach somatycznych diploidia 23 - w gametach - haploidia Aberracje liczby chromosomów: Poliploidia liczba chromosomów stanowi wielokrotność liczby diploidalnej i jest większa niż diploidalna Triploidia - 69 chromosomów Tetraploidia - 92 chromosomy Trisomia dodatkowy chromosom w danej parze Monosomia brak jednego chromosomu w danej parze Aberracje struktury chromosomów: Zrównoważone Translokacje zrównoważone - przemieszczenie się materiału genetycznego pomiędzy chromosomami a.) translokacje wzajemne - fragmenty chromosomów oderywają się i zamieniają miejscami b.) translokacje robertsonowskie - dotycza chromosomów akrocentrycznych - dwa chromosomy akrocentryczne tracą ramiona krótkie i łączą się ze sobą powstaje jeden chromosom. Utrata ramion krótkich chromosomów akrocentrycznych nie powoduje utraty genów c.) translokacje inercyjne d.) Inwersje - Chromosom ulega złamaniu w 2 miejscach, a fragment pomiędzy złamaniami ulega odwróceniu o 180 stopni a.) Inwersja paracentryczna oba złamania są w obrębie jednego ramienia i odwrócony fragment nie zawiera centromeru b.) Inwersja pericentryczna złamania nastąpiły w obydwu ramionach chromosomu i odwrócony fragment zawiera centromer Niezrównoważone Duplikacje - podwojenie części chromosomu Delecje - utrata części chromosomu

2 Chromosomy pierścieniowe - chromosom pęka w obu ramionach, dystalne części chromosomów ulegają utracie, a pozostała część chromosomu tworzy pierścień Izochromosom - Nieprawidłowy chromosom, który ma delecję jednego, a duplikację drugiego ramienia. Może powstać wskutek poprzecznego podziału centromeru Fragmenty centryczne Kliniczne skutki aberracji chromosomowych: Niezrównoważonych U zarodka - obumarcie U dzieci żywo urodzonych - Zespoły wad wrodzonych z upośledzeniem umysłowym - Upośledzenie umysłowe z cechami dysmorfii - Zaburzenia cielesno-płciowe Zrównoważonych nosiciel aberracji jest zdrowy, ale może mieć niepowodzenia rozrodu (brak ciąży, poronienia samoistne, porody martwe, dzieci z zespołem wad i upośledzeniem umysłowym Zasady zapisu kariotypu: Na podstawowy zapis kariotypu składa się: 1) Liczba określająca całkowitą ilość chromosomów w komórce 2) Po przecinku wymienione chromosomy płciowe 3) Po przecinku ewentualny opis aberracji Wykaz niektórych skrótów, używanych przy zapisie kariotypu: p-ramię krótkie q- ramię długie del- delecja dup- duplikacja ins-insercja inv- inwersja mar-marker t-translokacja der chromosomom pochodny s-satelity Wskazania do określenia kariotypu: dic-chromosom dicentryczny Zespół wad wrodzonych współistniejący z opóźnieniem rozwoju / upośledzeniem umysłowym Upośledzenie umysłowe Zaburzenia różnicowania płci Niepowodzenia rozrodu Badanie kariotypu: Można użyć każdej rosnącej tkanki Najczęściej badanie wykonuje się na limfocytach krwi obwodowej, czasem także na komórkach szpiku kostnego lub fibroblastach skóry W diagnostyce prenatalnej do badania kariotypu pobiera się komórki płynu owodniowego lub kosmówki Należy pobrać jałowo do probówki z heparyną ok. 2-5 ml krwi żylnej (od noworodka 1 ml) i przesłać do laboratorium cytogenetycznego. Jeśli transport krwi jest następnego dnia, probówkę z krwią należy przechowywać w lodówce (+4 stopnie C). Można też probówkę z krwią przesyłać szybką pocztą Uwaga: u noworodka z wadami wrodzonymi, który zmarł zanim zdążono pobrać krew na badanie kariotypu, można jeszcze jak najwcześniej (ew. nawet do jednej godziny po zgonie) pobrać krew bezpośrednio z serca

3 Wskazania do badania kariotypu na podstawie fibroblastów skóry: Kariotyp mozaikowy w badaniu limfocytów Brak aberracji chromosomowej w badaniu standardowym (limfocyty) przy fenotypie wskazującym na aberrację Fenotyp zespołu Pallister-Killian Fenotyp osoby z niezrównoważoną aberracją chromosomową w zakresie autosomów: Często dystrofia wewnątrzmaciczna Często nieprawidłowy przebieg ciąży (krwawienie z dróg rodnych, nieprawidłowa ilość płynu owodniowego, wady płodu w badaniu USG) Wady wrodzone, w tym wady narządów wewnętrznych, często wada serca Dysmorfia twarzy, dysplastyczne małżowiny uszne Upośledzenie umysłowe zawsze, nawet przy słabo wyrażonych pozostałych w.w. objawach ZESPÓŁ DOWNA: 47,XX,+21 lub 47,XY,+21 1/700 żywych urodzeń Częstość występowania wzrasta z wiekiem matki Cechy fenotypowe: Czaszka krótka z nieprawidłowo uformowanymi, nisko osadzonymi uszami Mały nos Skośno-górne ustawienie szpar powiekowych Zmarszczka nakątna Płaski profil Płaska potylica Na dłoniach bruzda poprzeczna (pojedyncza bruzda zgięciowa) Plamki Brushfielda na tęczówkach Duży język Charakterystyczny jest nadmiar skóry na karku U noworodków występuje obniżone napięcie mięśniowe Wady narządowe: Wady serca!!! Zarośnięcie przewodu pokarmowego Przepuklina pępkowa Wnętrostwo Problemy kliniczne: UPOŚLEDZENIE UMYSŁOWE 100% Zaćma-2% Padaczka-10% Niedoczynność tarczycy-3% Ostra białaczka-1% ZESPÓŁ PATAU 47,XX,+13 lub 47,XY,+13 1/5000 żywych urodzeń Ryzyko wystąpienia rośnie z wiekiem matki 90% dzieci umiera przed ukończeniem pierwszego roku życia Cechy fenotypowe Hipoteloryzm Małoocze Rozszczep wargi i podniebienia Nieprawidłowe małżowiny uszne Wystające pięty Wady skóry w obrębie części owłosionej głowy Nadmiar skóry na karku Wady narządowe: Małogłowie Wady serca Wnętrostwo Spodziectwo Przerost łechtaczki Podwójna pochwa

4 Polidaktylia Bruzda poprzeczna Dłonie zaciśnięte w pięści ZESPÓŁ EDWARDSA 47,XX,+18 lub 47,XY,+18 1/3000 żywych urodzeń Ryzyko wystąpienia rośnie z wiekiem matki 90% dzieci umiera przed ukończeniem pierwszego roku życia Cechy fenotypowe Mała bródka Wypukła potylica Nisko osadzone i zniekształcone małżowiny uszne Podeszwy stóp wygięte łukowato Bruzdy poprzeczne na dłoniach Dłonie zaciśnięte w pięści z palcem 2. i 5. zachodzącymi na 3. i 4. Czasem polidaktylia ZESPÓŁ TURNERA 45,X 99% płodów ulega poronieniu samoistnemu W życiu płodowym uogólniony obrzęk płodu Wady narządowe Małogłowie Wady nerek Wady serca Wady przewodu pokarmowego Wady układu moczowego Przerost łechtaczki Cechy fenotypowe Niedobór wzrostu (wzrost ostateczny w przypadku braku terapii wynosi 145 cm). Szeroka klatka piersiowa Brodawki sutkowe szeroko rozstawione Niska linia owłosienia na karku Płetwista szyja Skrócenie kości śródręcza Hipoplazja płytek paznokciowych Liczne znamiona barwnikowe na skórze Intelekt i długość życia są prawidłowe! Wady narządowe wrodzona wada serca-20% wady nerek Rozwój cech płciowych Jajniki rozwijają się prawidłowo do 15 tygodnia ciąży, po tym okresie komórki jajowe degenerują i zanikają Z jajników pozostają łącznotkankowe pasma Pierwotny brak miesiączki w ok. 90% i wtórnych cech płciowych ZESPOŁY MIKRODELECJI Delecje chromosomów są bardzo małe, na granicy rozdzielczości metod klasycznej cytogenetyki, a nawet submikroskopowe Diagnostyka: analiza chromosomów prometafazowych (HRBT) i FISH Fenotyp: dysmorfia, wady rozwojowe i upośledzenie umysłowe Przykłady zespołów mikrodelecji: Z. Prader-Williego 15q11-12 Z. Angelmana 15q11-12 Z. Langer-Giedion 8q24 Z. Miller-Dieker 17q13

5 TECHNIKA FLUORESCENCYJNEJ HYBRYDYZACJI IN SITU (FISH) Zastosowanie FISH w genetyce klinicznej: diagnostyka submikroskopowych aberracji chromosomowych identyfikacja złożonych aberracji struktury chromosomów identyfikacja dodatkowego materiału chromosomowego identyfikacja chromosomów markerowych szybka diagnostyka aneuploidii chromosomowych

6 MUTACJE GENOWE - Zmiany normalnej sekwencji DNA organizmu spowodowane błędami w replikacji DNA (mutacje spontaniczne), lub działaniem czynników chemicznych i fizycznych (mutacje indukowane). - Zachodzą w zygocie, płodzie, komórkach somatycznych i rozrodczych osoby dorosłej. - Istnieją systemy naprawy DNA. - Niekiedy mutacje są utrwalane w replikacji i przekazywane komórkom potomnym. - Mutacje w komórkach somatycznych (wszystkie komórki poza rozrodczymi) odgrywają dużą rolę w rozwoju nowotworów u ludzi. Nie są przekazywane potomstwu - Mutacje w komórkach rozrodczych mogą być odziedziczone lub powstać de novo w procesie oogenezy lub spermatogenezy (tzw. nowe mutacje) Mutacje w komórkach rozrodczych mogą być przekazane potomstwu. Mutacje indukowane - wprowadzenie analogu zasady w nici DNA - bezpośrednia zmiana struktury DNA - pośrednia zmiana struktury DNA Mutageny chemiczne: - wprowadzenie analogu zasady w miejscu występowania prawidłowej zasady w DNA (np. 5- bromouracyl, 2-aminopuryna) - czynniki deaminujące zasady w helisie DNA (np. kwas azotawy, dwusiarczyn sodowy) - czynniki alkilujące wprowadzają dodatkowe grupy alkilowe lub arylowe w nukleotydach (np. metanosulfonian etylowy (EMS), dimetylonitrozoamina, halogenki metylu, produkty metabolizmu azotynów) - czynniki interkalujące płaskie cząsteczki wnikające pomiędzy pary zasad w podwójnej helisie; najczęściej mutacje typu inercji (np. bromek etydyny) Mutageny fizyczne: - promieniowanie jonizujące - promieniowanie ultrafioletowe (UV) - ciepło Systemy naprawy DNA - naprawa bezpośrednia - naprawa z wycinaniem zasad - naprawa z wycinaniem nukleotydów - naprawa niedopasowanych nukleotydów - naprawa rekombinacyjna Niesprawny system naprawy DNA może skutkować występowaniem chorób genetycznych, np. Xeroderma pigmentosum (inaczej: Skóra pergaminowata i barwnikowa; częstość 1/ urodzeń; upośledzona naprawa DNA po uszkodzeniu promieniowaniem UV, występują liczne nowotwory skóry i bliznowacenie rogówki) Skutki mutacji - utrata funkcji zmniejsza lub znosi aktywność białka; większość mutacji tego typu jest recesywna, ale zdarzają się sytuację, w których mutacja ma charakter dominujący - nabycie funkcji mutacja nadaje białku nietypowa aktywność; mutacje tego typu występują znacznie rzadziej i mają najczęściej charakter dominujący

7 Mutacje typu GOF (ang. gain of function nabycie funkcji) czy LOF (ang. loss of function utrata funkcji) w tym samym genie mogą mieć wpływ na powstanie różnych chorób genetycznych: Gen PAX3 LOF Zespół Waardenburga typ I - Upośledzenie słuchu, głuchota - Zmiany pigmentacji tęczówki - Zmiany pigmentacji skóry - Biały kosmyk włosów GOF Rozwój nowotworu u dzieci -alveolar rhabdomyosarcoma Nowotwór złośliwy występujący w mięśniach kończyn lub tułowia. Rodzaje mutacji A. Duże rearanżacje genowe 1. Delecje - utrata części sekwencji DNA (alfa-talasemia, niedobór hormonu wzrostu, rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa Duchenne`a) 2. Duplikacje - powielenie sekwencji DNA (rodzinna hipercholesterolemia, dystrofia mięśniowa Duchenne`a) 3. Insercje - wbudowanie dodatkowej sekwencji DNA (hemofilia, neurofibromatoza) Dystrofia mięśniowa Duchenne`a (DMD): Objawy:: Początek w wieku 3-8 lat Utrata siły mięśniowej Pseudo-hipertrofia mięśni łydek (łydki gnoma) Hiperlordoza lędźwiowa Objaw Gowera- problem ze zmianą pozycji siedzącej na stojącą Gen dystrofiny: Zlokalizowany na krótkim ramieniu chromosomu X 79 egzonów!!! Trankrypt długości około 14 kpz Mutacje: W 60% delecja zmieniająca ramkę odczytu - brak białka o prawidłowej funkcji W 5% duplikacja jednego lub kilku egzonów Mutacje punktowe B. Mutacje punktowe Najczęstsza przyczyna mutacji w ludzkim genomie! Typy (mechanizm): Insercje, delecje, tranzycje (zastąpienie zasady purynowej inną zasadą purynową lub pirymidynowej - inną pirymidynową), transwersje (puryna <-> pirymidyna) Typy (efekt): Zmiany sensu (missens) Neutralne (ciche) Przykłady: mukowiscydoza, fenyloketonuria

8 Mutacja zmiany sensu efektem jest zmiana kodowanego aminokwasu. Dotyczą pierwszej lub drugiej zasady w kodonie. Mutacja neutralna (cicha mutacja) nie powoduje zmiany aminokwasu. Dotyczy zwykle trzeciej zasady kodonu. C. Mutacje transkrypcyjne Występują w obszarze od końca 5` do początku kodonu inicjacyjnego w sekwencji DNA (np.sekwencja TATA). Jest to miejsce krytyczne dla inicjacji transkrypcji. Efekt: spadek efektywności transkrypcji->spadek produkcji białka. D. Mutacje RNA Proces składania RNA (usunięcie intronów i połączenie egzonów) jest krytyczny dla prawidłowej ekspresji genu. Mutacje: zmieniają prawidłowe miejsca łączące w regionie połączenia intronu i egzonu tworzą nowe miejsca łączenia wewnątrz intronów lub egzonów Efekt: powstanie niestabilnego, szybko degradującego się RNA E. Mutacje translacyjne Zaburzają syntezę białka 2 typy: Mutacje nonsensowne (stop) - powstaje przedwczesny kodon terminacyjny -> zaburzenie struktury białka -> wzrost niestabilności białka -> degradacja produktu Mutacje zmiany ramki odczytu - delecja lub insercja w rejonie kodującym genu zmienia triplet kodu dla wszystkich kodonów następujących po nim -> kompletna zmiana sekwencji aminokwasów lub zakończenie syntezy białka

9 Mutacja nonsensowna zmienia kodon aminokwasowy na terminujący. Dochodzi do przedwczesnego zakończenia translacji mrna Mutacja zmiany ramki odczytu insercja lub delecja zasad, których liczba nie jest wielokrotnością trzech, ramka odczytu przesuwa się w czasie translacji. F. Mutacje dynamiczne - Wzrost liczby trójnukleotydowych sekwencji powtarzalnych w genie lub obszarze nie ulegającym translacji ( koniec 3` lub 5` genu) - Korelacja między ciężkością choroby oraz wiekiem pojawienia się objawów a ilością powtórzeń - Ilość powtórzeń może wzrastać w kolejnych pokoleniach - Objawy mogą nasilać się lub występować wcześniej w kolejnych pokoleniach (ANTYCYPACJA) - Pierwszą mutację dynamiczną odkryto w 1991 roku. - Mutacje dynamiczne stwierdzono tylko u człowieka. - Mutacje dynamiczne wykazują dużą zmienność populacyjną. Mutacje dynamiczne stanowią podłoże molekularne 14 jednostek chorobowych i można je podzielić na dwie grupy: - Typ I choroby neurodegradacyjne: ch. Huntingtona, rdzeniowo-opuszkowy zanik mięśni, ataksje móżdżkowo-rdzeniowe - Typ II dystrofia miotoniczna, zespół kruchego chromosomu X, upośledzenie umysłowe związane z kruchym miejscem FRAXE, ataksja Friedreicha. Inkluzje neuronalne struktury widoczne pod mikroskopem świetlnym, powstałe w wyniku tworzenia makroagregatów białkowych. Skutki tworzenia inkluzji białkowych: - blokowanie transportu aksonalnego, - zaburzenie funkcji mitochondriów - zaburzenia transkrypcji - zaburzenia apoptozy

10 Przykłady chorób związanych z ekspansją powtórek trójnukleotydowych: Choroba Huntingtona Sekwencja prawidłowa - (CAG)10-35 Sekwencja zmutowana - (CAG) Zespół łamliwego chromosomu X (FraX) prawidłowa premutacja pełna mutacja G. Negatywne mutacje dominujące - Zmutowany gen wytwarza produkt, który interferuje z funkcją produktu prawidłowego allelu- efekt dominujący - Geny kodujące białka strukturalne - Przykłady: osteogenesis imperfecta, zespół Marfana