R o z d z i a ł 1 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. 1
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. 2
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 3
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, 4
Podstawy genetyki Rycina 1.2. Replikacja cząsteczki DNA 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. 5
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 6
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 7
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, 8
Podstawy genetyki Rycina 1.5. Przepływ informacji genetycznej od genu do białka 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 9
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 4 3 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 10
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. 11
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 12
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 13
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 14
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 15
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. Piśmiennictwo 1. Charon K.M., Świtoński M. Genetyka zwierząt. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000. 2. Friedman J.M., Dill F.J., Hayden M.R. Natura materiału genetycznego. W: Friedman J.M., Dill F.J., Hayden M.R., McGillivray B.C. (red.), Limon J. (red. pol.) Genetyka. Urban & Partner, Wrocław 1997: 1 32. 3. Friedman J.M., McGillivray B.C. Polimorfizm genetyczny. W: Friedman J.M., Dill F.J., Hayden M.R., McGillivray B.C. (red.), Limon J. (red. pol.) Genetyka. Urban & Partner, Wrocław 1997: 81 89. 4. Gruchała M., Ciećwierz D., Rynkiewicz A. Znaczenie wariantów polimorficznych wybranych genów w chorobie wieńcowej serca. Część 1. Wprowadzenie i metodyka badań. Pol. Przegl. Kardiol. 2000; 2: 1 5. 5. Leiden J.M. Principles of cardiovascular molecular biology and genetics. W: Braunwald E., Zipes D.P., Libby P. (red.). Heart disease: a textbook of cardiovascular medicine. W.B. Saunders Company, New York 2001: 1977 2018. 6. Lewin B. Genes VII. Oxford University Press, Oxford 1999. 7. Molecular basis of cardiovascular disease. Chien K.R. (red.). Saunders Company, Philadelphia 1999. 8. Narkiewicz K., Pawłowski R., Bigda J., Krupa-Wojciechowska B. Genetyczne podłoże chorób układu krążenia. Wprowadzenie do tematu. Kardiol. Pol. 1997; 46: 245 241. 9. Rynkiewicz A., Gruchała M. Short story of the insertion/deletion polymorphism of the angiotensin-converting enzyme gene in cardiology. Nadciśnienie Tętnicze 2001; 5 (supl. A): 28 33. 10. Sanak M. Ogólne podstawy genetyki. W: Ciechanowicz A., Januszewicz A., Januszewicz W., Rużyłło W. (red.). Genetyka chorób układu krążenia. Medycyna Praktyczna, Kraków 2002: 13 21. 16
Podstawy genetyki 11. Stankiewicz P., Brozek I., Helias-Rodzewicz Z., Wierzba J., Pilch J., Bocian E., Balcerska A., Wozniak A., Kardas I., Wirth J., Mazurczak T., Limon J. Clinical and molecular-cytogenetic studies in seven patients with ring chromosome 18. Am. J. Med. Genet. 2001; 101: 226 239. 12. Stracham T., Read A.P. Human molecular genetics. BIOS Scientific Publishers, Oxford 1996. 13. Węgleński P. (red.). Genetyka Molekularna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998. 14. Winter P.C., Hickey G.I., Fletcher H.L. Genetyka. Krótkie wykłady. Augustyniak J., Prus- -Głowacki W. (red. pol.). Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000. 17