Człowiek mendlowski? Genetyka człowieka w XX i XXI w.

Transkrypt

1 Człowiek mendlowski? Genetyka człowieka w XX i XXI w.

2 Informacje Kontakt: Paweł Golik Instytut Genetyki i Biotechnologii, Pawińskiego 5A pgolik@igib.uw.edu.pl Informacje, materiały:

3 Mendlowska krzyżówka jednogenowa Roślina wysoka produkuje gamety T Roślina niska produkuje gamety t Roślina F1 to heterozygota, objawia się allel dominujący T Heterozygoty produkują gamety T oraz t (po 50%) Stosunek fenotypów 3:1 Stosunek genotypów 1:2:1

4 Metoda kwadratu Punnetta Gamety ê T t T t TT Tt Tt tt

5

6 W XX wieku Ponowne odkrycie prac Mendla (Hugo de Vries, Erich von Tschermak, Carl Correns) ~ pierwsze użycie terminu genetyka (William Bateson) Teoria mutacji H. de Vries Chromosomowa teoria dziedziczności (Thomas H. Morgan)

7 Dziedziczenie Mendlowskie - jeden gen = jedna cecha np. allele jednego genu decydują o barwie kwiatów groszku Bardziej złożone - interakcje kilku genów Wieloczynnikowe - interakcje wielu genów i środowiska

8 Fenotypy badane w genetyce człowieka W większości choroby jednogenowe (Mendlowskie) wieloczynnikowe nowotwory (mutacje somatyczne) zaburzenia chromosomowe Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej) jednogenowe (rzadko) wieloczynnikowe np. inteligencja, cechy behawioralne

9 Cechy jednogenowe Prosty wzór dziedziczenia Oprócz chorób nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny, smak PTC, itp. rude włosy (80% - recesywny allel genu MC1R) markery immunologiczne (grupy krwi) układ AB0, czynnik Rh markery molekularne

10 Choroby jednogenowe Znanych jest bardzo wiele (~5800) chorób jednogenowych Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000-1/2000 urodzeń) W sumie ~4/1000 żywych urodzeń Dane wg.

11 Mukowiscydoza Najczęstsza choroba jednogenowa w Europie Północnej (w tym Polska) ~1/2000 urodzeń Cecha recesywna - rodzice to heterozygoty - nosiciele

12 Mukowiscydoza

13 Mukowiscydoza - ilu jest nosicieli? Rodzi się 1/2000 chorych Oboje rodzice muszą być nosicielami Jeżeli nosicieli jest w populacji n to par 2 nosicieli jest n 2 choruje ¼ dzieci nosicieli, zatem ¼ n 2 = 1/2000 n 1/22 Nosicieli jest o wiele więcej niż chorych!

14 Cechy sprzężone z płcią Płeć chromosomowa człowieka: kobiety XX, mężczyźni XY Na chromosomie X znajduje się wiele genów Na chromosomie Y kilkanaście genów, w tym SRY kierujący rozwojem jąder Geny leżące na chromosomie X - sprzężenie z płcią

15 Inaktywacja X Kobiety mają dwie kopie chromosomu X, mężczyźni jedną Regulacja genów człowieka jest bardzo wrażliwa na liczbę kopii np. zespół Downa - trzecia kopia chromosomu 21 U kobiet (i samic innych ssaków) jedna z dwóch kopii X jest nieaktywna losowo, w różnych komórkach różna

16 Mozaikowatość inaktywacji X Mutacja genu odpowiadającego za barwę futra (czarne lub rude) na chromosomie X U samic łaty czarne i rude zależnie od inaktywacji Samce albo czarne, albo rude

17 Choroby sprzężone z X Jeżeli matka jest nosicielką, to zachoruje średnio ½ synów (a ½ córek będzie nosicielkami)

18 Choroby sprzężone z X Jeżeli ojciec jest chory, to wszystkie córki będą nosicielkami, ale żaden syn nie zachoruje

19 Królewska hemofilia

20 Cechy dominujące Wystarczy jeden zmutowany allel, by zachorować Choruje średnio ½ dzieci chorych rodziców Np. choroba Huntingtona

21 Choroba Huntingtona Postępująca degeneracja tkanki mózgu Pierwsze objawy zwykle w wieku lat Zaburzenia behawioralne, zaburzenia ruchu (pląsawica), postępująca ciężka demencja Oczekiwany czas życia - ~20 lat od pojawienia się objawów

22 Choroby jednogenowe Znanych jest bardzo wiele (~5800) chorób jednogenowych Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000-1/2000 urodzeń) W sumie ~4/1000 żywych urodzeń Dane wg.

23 Jeden gen jedna cecha? Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów Powstają złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych

24 Cechy wieloczynnikowe

25 Odziedziczalność Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji badania bliźniąt monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ) agregacja rodzinna częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych

26 Badania bliźniąt - przykład Wikimedia Commons

27 Agregacja rodzinna Czy prawdopodobieństwo wystąpienia cechy jest znacząco wyższe u bliskich krewnych osób mających tę cechę w stosunku do całej populacji

28 Agregacja rodzinna Choroby afektywne (ostre cykliczne zaburzenia nastroju) jednobiegunowa (epizody depresyjne) dwubiegunowa (epizody maniakalne i depresyjne)

29 Agregacja rodzinna Choroba jednobiegunowa ryzyko w populacji ~3 % (mężczyźni) ~5-9% (kobiety) krewni I stopnia osoby chorej ryzyko ~10% stosunkowo mała odziedziczalność Choroba dwubiegunowa ryzyko w populacji ~1% krewni I stopnia osoby chorej ryzyko ~ 20% istotna odziedziczalność

30 Asocjacja Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...?

31 Zesztywniające zapalenie stawów

32 Asocjacja - przykład HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B HLA-B Ryzyko 8% Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p Ryzyko dla całej populacji ~1%

33 Geny na...?

34 A w rzeczywistości... Ryzyko u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5% (posiadający wariant) >95% posiadających wariant nie zachoruje

35 Dla porównania HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B Ryzyko 8% HLA-B Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera (Fisher exact test): p Ryzyko dla całej populacji ~1% OR = = 81

36 Ważne!! Asocjacja to nie jest gen na...! Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego Zależnie od częstości w populacji (dla rzadkich mniej) Może być przydatny w diagnostyce różnicowej Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne

37 Asocjacje i geny na Bardzo wiele doniesień typu odkryto gen odpowiedzialny za w rzeczywistości dotyczy asocjacji Wiele testów predyspozycji genetycznych opiera się na badaniach asocjacyjnych Ich wartość może być wątpliwa Asocjacja nie oznacza wynikania

38 Asocjacje mogą być zwodne Allel 3A4 cytochromu P450 (CYP3A) i rak prostaty (bardziej zaawansowana postać w momencie diagnozy) CYP3A może w pływać na tempo hydroksylowania testosteronu - związek przyczynowy? Nie ma wpływu allelu 3A4 na kinetykę metabolizmu testosteronu Allel 3A4 częściej występuje u ludzi pochodzenia afrykańskiego (Afroamerykanie), niż europejskiego Podobne korelacje dla raka prostaty dla innych alleli częstszych w populacji afrykańskiej Bardziej zaawansowany rak prostaty u Afroamerykanów (przyczyny społeczne)?

39 Paradoks Simpsona - przykład Prosty przykład: uniwersytet powinien faworyzować kobiety przy przyjmowaniu na studia doktoranckie: Mężczyźni Kobiety Historia 1/5 (20%) 2/8 (25%) Geografia 6/8 (75%) 4/5 (80%) Razem 7/13 (54%) 6/13 (46%)

40 O korelacji i wynikaniu

41 O korelacji i przyczynowości Populacja okolic Oldenburga, , za Richard F. Mould Introductory Medical Statistics

42 O korelacji i przyczynowości

43 O korelacji i przyczynowości

44 Luka odziedziczalności Missing heritability Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność wielu cech wieloczynnikowych Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu (np. badania asocjacji tłumaczą tylko 5% różnic wzrostu) Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych odpowiadają interakcje genetyczne wielu polimorfizmów, w tym rzadkich

45 Genom i wzrost Na zróżnicowanie wzrostu człowieka wpływają warianty ponad 150 genów GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature (7317):832-8.

46 Różnorodność genetyczna człowieka Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) Wstępne dane (2012): 38 mln. miejsc zmiennych (SNP) 1,4 mln. indeli > większych delecji Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży

47 Projekt 1000 genomów

48 Podsumowanie Większość cech zmienności prawidłowej i częstych chorób człowieka to cechy wieloczynnikowe Badanie pojedynczych genów nie pozwala na przewidywanie fenotypu takich cech Genetyka dobrze opisuje i przewiduje dziedziczenie cech jednogenowych Nie ma dobrego opisu teoretycznego pozwalającego na przewidywanie dla cech wieloczynnikowych - wyzwanie na kolejne stulecia