Częstość występowania chorób genetycznych (cech) różni się między grupami etnicznymi. Mukowiscydoza pojawia się 1/2000 urodzin u Amerykanów, których

Transkrypt

1 genetyka człowieka choroby genetyczne człowieka: * jednogenowe * wielogenowe * spowodowane aberracjami chromosomowymi * mitochondrialne * spowodowane zaburzeniami piętnowania genów (zespół Pradera-Williego zdarza się raz na urodzeń) * o nieznanej etiologii, ale rodzinnym występowaniu

2 Częstość występowania chorób genetycznych (cech) różni się między grupami etnicznymi. Mukowiscydoza pojawia się 1/2000 urodzin u Amerykanów, których przodkowie byli rasy kaukaskiej i pochodzili z Europy Wschodniej, jest dużo rzadsza u potomków zachodnich Afrykańczyków, u których z kolei częstość anemii sierpowatej (rzadkiej u rasy kauskaskiej) wynosi 1/600 urodzin. W porównaniu z innymi grupami etnicznymi potomkowie Greków i Włochów znad Morza Śródziemnego mają wysoką częstość thalassemii, Żydzi z Europy Wsch. - choroby Tay-Sachsa, francuscy Kanadyjczycy z Quebeku tyrozynemii. Szacuje się, że każdy z nas jest nosicielem 1-8 recesywnych mutacji. Większość mendlowsko dziedziczonych chorób pojawia się 1/ / urodzeń, sumarycznie dając 1% częstość.

3 Wśród losowo wybranych poczęć w USA ok. 800 będzie z zaburzeniami chromosomowymi: 140 przypadków 45, X (139 spontanicznych poronień, 1 żywo urodzony z zespołem Turnera) 110 z trisomią chr. 16 (100% poronień) 20 z trisomią chr. 18 (19 poronień, krótki okres przeżycia jedynego żywo urodzonego) 40 z trisomią chr. 21 (³25 poronień, 10 urodzeń z zespołem Downa) liczne inne zaburzenia (poronienia wszystkich płodów z dodatkowymi innymi autosomami, 15 urodzeń z dodatkowym chr. X lub Y, 20 urodzeń z różnymi rearanżacjami chromosomowymi wśród nich co najmniej 4 z zesp. Downa) Ogółem 750 spontanicznych poronień.

4 Np. zapis 6p22 oznacza: numer chromosomu ramię chromosomu numer prążka numer regionu

5 Kariogram - zestaw chromosomów jednej komórki, sfotografowany i uszeregowany według określonych zasad chromosomy homologiczne ułożone w pary zgodnie z wielkością i położeniem centromeru. 08/human-chromosomes-and-karyotype/ Kariotyp - zapis zgodnie z przyjętą nomenklaturą cytogenetyczną (liczba chromosomów, płeć, zapis nieprawidłowości np. 46,XX; 46,XY; 47,XX,+21-trisomia; 45,X-monosomia) Rozróżniamy pojęcia kariogram i kariotyp ze względu na mozaicyzm. Mozaicyzm polega na tym, że badana osoba może mieć dwie lub więcej linie komórkowe o różnym składzie chromosomowym np. część komórek prawidłowych i część z dodatkowym lub zmienionym chromosomem/ami (np. 47,XX,+i(21)(q10)/46XX). Idiogram schematyczny rysunek charakterystycznego wzoru prążków na chromosomach. Każde ramię chromosomu podzielone jest na regiony numerowane od 1 do 4, począwszy od centromeru do telomeru. Prążki w każdym regionie są kolejno numerowane zaczynając również od centromeru.

6 Chromosomowa lokalizacja genów otyłości. Ideogram of human karyotype with human monogenic mutations indicated in green, human loci identifed by genome-wide linkage scans indicated in blue, and the potential location of one or more mouse QTLs (based on conserved homology) indicated in red. Barsh GS, Farooqi IS, O'Rahilly S 2000 Genetics of body-weight regulation Nature 404:

7 genetyka człowieka a analiza rodowodów dość rzadkich ludzkich chorób jest spowodowanych mutacjami pojedynczych genów jądrowych analiza rodowodów wykazuje, że dziedziczą się jako: choroby autosomalne recesywne choroby autosomalne dominujące choroby sprzężone z płcią recesywne choroby sprzężone z płcią dominujące

8 choroby autosomalne recesywne dominujące

9 choroby sprzężone z płcią recesywne dominujące

10 choroby spowodowane mutacjami genomu mitochondrialnego

11 Spośród znanych 4458 cech dominujących autosomalnych: częstość na 1000 urodzeń dziedziczny rak okrężnicy 5 dziedziczny rak sutka 5 otoskleroza dominująca 3 rodzinna hipercholesterolemia 2 choroba von Willebranda 1 torbielowatość nerek u dorosłych 1 mnogie wyrośla kostne 0.5 choroba Huntingtona 0.5 nerwiakowłókniatowatość 0.4 dystrofia miotoniczna 0.2 sferocytoza wrodzona 0.2 stwardnienie guzowate 0.1 polipowatość okrężnicy 0.1 ślepota dominująca 0.1 wrodzona głuchota dominująca 0.1 inne 0.8 ogółem 20/1000

12 spośród znanych 1730 cech recesywnych autosomalnych: mukowiscydoza 0.5 upośledzenie umysłowe recesywne 0.5 głuchota wrodzona 0.2 fenyloketonuria 0.1 rdzeniowy zanik mięśni 0.1 ślepota recesywna 0.1 zespół nadnerczowo-płciowy 0.1 mukopolisacharydozy 0.1 inne 0.3 ogółem 2/1000 urodzeń cechy kodominujące autosomalne: grupy krwi - ABO, Kell, MNS, Rh enzymy erytrocytarne - kwaśna fosfataza, kinaza adenylowa białka osocza haptoglobina antygeny powierzchniowe komórek układ HLA polimorfizm autosomalnego DNA

13 dziedziczenie sprzężone z chromosomem Y dziedziczenie TDF cechy recesywne sprzężone z chromosomem X, znanych 412 częstość w Wlk. Bryt./ mężczyzn ślepota na barwę czerwoną i zieloną 800 zespół łamliwego chromosomu X 5 niespecyficzne upośledzenie umysłowe sprzężone z chromosomem X 5 dystrofia mięśniowa Duchenne a 3 dystrofia mięśniowa Beckera 0.5 hemofilia A (czynnik VIII) 2 hemofilia B (czynnik IX) 0.3 rybia łuska sprzężona z chromosomem X 2 agammaglobulinemia sprzężona z chr. X 0.1 cechy dominujące sprzężone z chromosomem X grupa krwi Xg krzywica oporna na witaminę D wariant dziedzicznej neuropatii ruchowej i czuciowej incontinentia pigmenti * zespół Retta * * letalne u hemizygotycznych mężczyzn dziedziczenie kodominujące sprzężone z chromosomem X polimorfizmy DNA sprzężone z chromosomem X

14 przykłady ilościowych cech wieloczynnikowych u człowieka wzrost masa ciała inteligencja całkowita liczba listewek na opuszkach palców wielkość krwinek czerwonych ciśnienie krwi barwa skóry jakościowe cechy wieloczynnikowe u człowieka wady wrodzone rozszczep wargi i podniebienia wrodzona wada serca wada cewy nerwowej zwężenie odźwiernika częste choroby u dorosłych gościec przewlekły postępujący padaczka schizofrenia choroba afektywna dwubiegunowa stwardnienie rozsiane cukrzyca przedwczesna miażdżyca naczyń nadczynność tarczycy wady/choroby uwarunkowane wieloczynnikowo nierówna proporcja płci proporcja płci (męska/żeńska) zwężenie odźwiernika 5 do 1 choroba Hirschsprunga 3 do 1 wrodzone zwichnięcie stawów biodrowych 1 do 6 stopa końsko-szpotawa 2 do 1 gościec przewlekły postępujący 1 do 3

15 Dom Dom Dom Dom Dom rec rec Dom u rec u Dom Dom

16 utrzymywanie się w populacji szkodliwych alleli dominujących wynika z : (i) zmiennej ekspresywności np. zespół Marfana (ii) późnego ujawnienia fenotypowego (np. pląsawica Huntingtona ujawnia się średnio w roku życia) (iii) wysokiej częstości nowych mutacji (np. 85% przypadków karłowatości achondroplastycznej, gen tej karłowatości mutuje 10-krotnie częściej niż wynosi średnie tempo mutacji u człowieka) (iv) niekompletnej penetracji

17 Zespół kruchego chromosomu X najczęstsza przyczyna dziedzicznego upośledzenie umysłowego - średnio nasilonego u dotkniętych chłopców, delikatnego u dziewcząt związany ze wzrastającą (>200) liczbą powtórzeń CGG w 5 regionie genu FMR1 na chr.x, średni zakres liczby powtórzeń (41-60) jest normalnie stabilny, ale może wzrosnąć 10-30%, gdy jest przenoszony przez matkę; allel w zakresie permutacyjnym (61-200) przenoszony przez matkę zawsze zmienia wielkość (zwykle ekspansja), dziedziczone w sposób sprzężony z płcią dominujący, przypadków/ chłopców chłopcy z zesp. kruchego X zwykle mają nienormalne (wydłużone) twarze, duże uszy, wydatną szczękę, przerost jąder

18 Jin i in Nature Cell Biology 6: Model funkcjonowania białka FMRP (ang. fragile X mental retardation protein) w neuronach. FMRP dimeryzuje w cytoplazmie, po czym wkracza do jądra neuronu dzięki NLS (ang. nuclear localization signal). FMRP tworzy kompleks z mrnp poprzez oddziaływanie ze specyficznymi mrna (hairpin structure) i białkami. FMRP mrnp jest transportowany z jądra dzięki NES (ang. nuclear export signal) białka FMRP. W cytoplazmie FMRP mrnp albo bezpośrednio wiąże się z rybosomami albo oddziałuje z RISC (ang. RNA-induced silencing complex) przed asocjacją z rybosomem. Oba typy kompleksów FMRP mrnp regulują syntezę białek. Alternatywnie oba typy kompleksów mogą być transportowane do dendrytów by regulować lokalną syntezę białek ze specyficznych mrna w odpowiedzi na sygnały stymulacji synaptycznej takie jak aktywacja metabotropowego receptora glutaminianu (mglur ).

19 Napierała i in Nucl. Acids Res. 33: Model zależnej od RNAi metylacji zwiększonej liczby powtórzeń CGG u osób z zespołem kruchego X. W 5' UTRze zmutowanego genu (FMR1) CGG może występować w 1000 kopii. Choroba ujawnia się przy > 200 powtórzeniach. Wcześnie w rozwoju transkrypty zmienionego genu tworzą struktury hairpin cięte przez nukleazę Dicer na 20-nt sirna, które wchodzą w skład RITS i odszukują homologiczne sekwencje DNA. W miejscu związania RITS gromadzą się metylotransferazy DNA i/lub metylotransferazy histonów i inicjują lokalną metylację 5 UTRu FMR1 prowadzi to do heterochromatynizacji i transkrypcyjnego wyciszenia locus FMR1. Jin i in Nature Cell Biology 6:

20 Krótkie regulatorowe niekodujące RNA mogą też być kodowane w genomie poprzez geny mirna. Aktualnie znanych jest ~1000 ssaczych mirna - mają sekwencje homologiczne do ok ludzkich genów. Geny mirna stanowią ok. 1-4% ludzkich genów i regulują produkcję białek kodowanych przez ³10% wszystkich ludzkich genów, pojedynczy mirna może regulować do 200 mrna. mirna wykazują specyficzność rozwojową, tkankową bądź komórkową. U nicieni szacuje się, że średnio komórka zawiera ok cząstek mirna, ale w niektórych typach komórek jest ich >

21 Mapowanie ludzkich genów z użyciem markerów molekularnych (gdy choroby są rzadkie nie można znaleźć rodzin z więcej niż jedną chorobą i badać ich segregacji) Markery molekularne sekwencje DNA, które są: * polimorficzne mają co najmniej dwa allele często występujące w populacji ludzkiej, im więcej alleli tym lepiej * łatwe do zbadania (poprawnego rozróżnienia alleli)

22 powszechnie używane typy markerów: 1. single nucleotide polymorphisms (SNP) W ludzkiej populacji różnica pojedynczych nukleotydów pomiędzy dwoma osobami pojawia się z częstością raz na ok pz. Wzorzec dziedziczenia SNP ustala się na podstawie sekwencjonowania niewielkiego regionu DNA członków rodziny dotkniętej schorzeniem. 2. restriction fragment length polymorphisms (RFLP) Enzymy restrykcyjne tną DNA w specyficznych palindromowych sekwencjach. Mutacja punktowa w miejscu restrykcyjnym uniemożliwia jego cięcie oba sąsiadujące po lewej i prawej stronie miejsca restrykcyjne pozostaną nie rozdzielone w wyniku trawienia restryktazą, co prowadzi do polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych. 3. simple sequence length polymorphisms (SSLP) dotyczy dwu typów powtórzeń: minisatelitów (zwanych też variable number of tandem repeats, VNTR) o długości jednostki powtórzonej rzędu kilkudziesięciu nukleotydów mikrosatelitów (inaczej simple tandem repeats, STR), których powtórzenia są długości 2-4 nukleotydów.

23 wykrywanie rekombinantów przy użyciu markerów DNA przykład RFLP Po wyizolowaniu DNA, strawieniu go enzymem restrykcyjnym i rozdzieleniu elektroforetycznym fragmentów różniących się wielkością można określić czy badany osobnik jest homo- czy heterozygotą pod względem fragmentów restrykcyjnych o dł. 3 i 5 kpz. Analiza rodowodu wykaże, że allel A segreguje z fragmentem 5 kpz, a allel a z 3 kpz. W dużych wielopokoleniowych rodzinach możemy wykryć rekombinantów A z 3 kpz i a z 5 kpz - ich częstość pozwala obliczyć odległość miejsca RFLP od locus A/a.

24 Etapy klonowania pozycyjnego Pierwsza mapa ludzkiego genomu (1987) była oparta o ~400 RFLPów odległych średnio o >10 cm. Mapa z 1994 zawierała ~6 000 markerów o średniej odl. 0,7 cm.

25 Genetyczne mapowanie ludzkich genów za pomocą markerów DNA mapa męskiego genomu ma dł. ~2500 cm, żeńskiego ~4500 cm u mężczyzn 1cM = 1,1 Mb, u kobiet 1 cm = 0,7 Mb; średnio ~0,9 Mb/cM (ludzki genom zawiera ~3 000 Mb, gdzie 1 Mb = 10 6 pz) w teorii dla wykrycia sprzężenia loci odległych o 40 cm wystarcza 10 mejoz, gdy częstość rekombinacji wynosi 35% potrzeba 85 mejoz, z ludzkich rodowodów trudno otrzymać dane z więcej niż 50 mejoz więc markery nie mogą być bardziej odległe niż 20 cm w całym genomie stąd dla wykrycia sprzężenia genu choroby potrzeba min. 200 markerów DNA, a lepiej użyć markerów

26 od choroby do genu określ sposób dziedziczenia na podstawie analizy rodowodów zbierz próbki DNA od możliwie największej liczby rodzin dotkniętych badaną chorobą i genotypuj każda próbę markerami DNA markerami rozłożonymi w całym genomie zidentyfikuj region kandydata z genem choroby poprzez komputerową analizę otrzymanych danych jeśli jest dostępnych więcej markerów przeszukaj nimi wskazany region by znaleźć marker najbliżej sprzężony przeszukując bazę danych ludzkiego genomu regionu kandydata wskaż geny kandydatów porównaj sekwencje genów kandydatów u osób dotkniętych chorobą i zdrowych by zidentyfikować mutacje powodującą chorobę W wielu przypadkach możliwe jest ograniczenie regionu kandydata do ~1 cm (~1 Mb), co średnio odpowiada 11 genom. Gdy jeden z genów kandydatów ma mutację związaną z chorobą, potwierdzenie, że powoduje ona chorobę wymaga in. metod (uzyskania transgenicznej myszy ze zmutowanym genem). Identyfikacja genu pozwala na przedobjawowe testowanie członków rodziny z ryzykiem zachorowania, biochemiczną analizę produktu genu w celu określenia jego funkcji, rozwój nowych terapii.

27 Do klasycznych wskazań do diagnostyki przedurodzeniowej należą: wiek matki powyżej 35 (38) roku życia wiek ojca powyżej 55 (60) roku życia nosicielstwo zrównoważonych translokacji chromosomowych, fuzji centrycznych, wybranych markerów chromosomowych itp. przez jedno lub oboje rodziców posiadanie dziecka z aberracją chromosomową (wskazania niekiedy natury psychologicznej, gdy ryzyko powtórzenia się aberracji u kolejnych dzieci szacuje się jako małe; możliwe nieinwazyjne badania przesiewowe) ryzyko wystąpienia chorób monogenowych dziedziczących się autosomalnie dominująco lub recesywnie (w przypadkach chorób, w których diagnostyka jest możliwa) ryzyko wystąpienia chorób sprzężonych z chr. X (w przypadkach chorób, w których diagnostyka jest możliwa; o wykluczeniu ryzyka może decydować też samo kryterium płci płodu) ryzyko wystąpienia lub powtórzenia się wad rozwojowych CUN (w przypadku wad, w których diagnostyka jest możliwa; możliwe nieinwazyjne badania przesiewowe) ryzyko wystąpienia lub powtórzenia się u kolejnego dziecka wybranych typów wad rozwojowych (wskazania niekiedy natury psychologicznej, gdy ryzyko powtórzenia się wady u kolejnych dzieci szacuje się jako małe; w części typów wad możliwe nieinwazyjne badania przesiewowe)

28 Zaniechanie informacji o diagnostyce przedurodzeniowej w przypadku zaistnienia powyższych wskazań jest błędem w sztuce lekarskiej. Jest natomiast prawem rodziców rezygnacja z badań, np. ze względu na światopogląd. rodzaje i częstość występowania chorób genetycznych zaburzenia chromosomowe zaburzenia jednogenowe (autosomalne dominujące, autosomalne recesywne i związane z płcią) skumulowane zaburzenia genetyczne (nowotwory) zaburzenia częściowo uwarunkowane genetycznie (wrodzone wady rozwojowe, choroby przewlekłe u osób dorosłych) % populacji 0,7 1, Dominujące choroby autosomalne są zazwyczaj związane z mutacjami genów białek strukturalnych albo nośnikowych, a nie enzymatycznych. Kiedy zmutowane geny kodują syntezę enzymów (np. w ostrej napadowej porfirii), albo syntezę białek receptorowych (np. gdy występuje niska gęstość receptorów lipoproteinowych w rodzinnej hipercholesterolemii), obniżenie o 50% aktywności enzymatycznej lub ilości receptorów przekracza margines bezpieczeństwa i wywołuje objawy choroby.