Genetyka człowieka II

72  Download (0)

Full text

(1)

Genetyka człowieka II

Dziedziczenie wieloczynnikowe.

Zmiany somatyczne - nowotwory

(2)

Dziedziczenie

Mendlowskie - jeden gen = jedna cecha

np. allele jednego genu decydują o chorobie Huntingtona

Bardziej złożone - interakcje kilku genów

np. pigmentacja

Wieloczynnikowe - interakcje wielu genów i środowiska

(3)

System wielogenowy - pigmentacja

System HIrisPlex

24 loci

przewidywanie koloru oczu, włosów i pigmentacji skóry

>86% dokładność

najwyższa dla włosów rudych, najniższa dla jasnych

Genetyczny rysopis

można też przewidywać:

skłonność do łysienia

wiek (na pods. metylacji DNA)

Branicki & Keyser, 2015

(4)

Cechy wieczoczynnikowe a mendlowskie

Mendlowskie Wieloczynnikowe

Proste dziedziczenie, allele pojedynczych genów, wysoka penetracja

Złożone dziedziczenie: wiele czynników

(genetycznych i środowiskowych), każdy z nich osobno ma niską penetrację

Mutacja powoduje chorobę Polimorfizmy genów wpływają na ryzyko (zwiększają albo zmniejszają)

Badanie: analiza sprzężeń, sekwencjonowanie

Badanie: metody statystyczne, głównie nieparametryczne

Rzadkie choroby Wiele częstych chorób i cech prawidłowych

(5)

Zmienność genetyczna człowieka

(6)

Projekt 1000 genomów

(7)

Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka

Przyczyna – szybka ekspansja populacji

Kassemann & Pääbo, 2002, J. Int. Med. 251:1-18

(8)

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 ....”?

(9)

Badanie Wellcome Trust 2005-2007

GWAS – genome-wide association studies

7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, 17 000 osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy, 9 milionów funtów

Jeden z kilku dużych projektów GWA, których wyniki

opublikowano w ostatnich latach

(10)

Wyniki badań Wellcome Trust - przykłady

Choroba afektywna dwubiegunowa

Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna

Choroba wieńcowa

Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na chr. 9 o 50%

u heterozygot i dwukrotnie u homozygot

Choroba Crohna

Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM, NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów obszar

(11)

Asocjacja - przykład

Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000

HLA-B27 - 10 9000

test statystyczny Fishera (Fisher exact test):

p≈2·10-76

Ryzyko 8%

Ryzyko 0,11%

Ryzyko dla całej populacji ~1%

HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów

(12)

Geny na...?

(13)

A w rzeczywistości...

Ryzyko u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5%

(posiadający wariant)

>95% posiadających wariant nie zachoruje

(14)

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

(15)

Interpretacje

“Ryzyko wzrasta trzykrotnie”, “ryzyko wzrasta o 200%

Z 30% do 90% - ważne

Z 0,1% do 0,3% - ????

(16)

Powtarzalność badań asocjacji

(17)

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

(18)

Genom i wzrost

Na zróżnicowanie wzrostu

człowieka wpływają warianty ponad 150 genów

GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature. 2010 467(7317):832-8.

(19)

“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

(20)

Zmiany somatyczne

(21)

Linia płciowa i somatyczna

U wielokomórkowców rozmnażających się płciowo są dwie grupy komórek

somatyczne - budują organizm, ale nie przekazują potomstwu informacji genetycznej

linii płciowej – tworzą gamety, ich genom przekazywany potomstwu

u zwierząt linia somatyczna i płciowa jest

rozdzielona już na wczesnym etapie rozwoju

August Weismann (1834-1914)

(22)

Linia płciowa i soma

U człowieka embrion płci żeńskiej oddziela komórki linii płciowej (oocyty) w 15 tygodniu od zapłodnienia (dochodzi wtedy do ostatecznej mejozy).

(23)

Nowotwory

podstawy genetyczne

(24)

Choroba nowotworowa

Niekontrolowana proliferacja

Przerzuty

proliferacja bez przerzutów – nowotwór łagodny

(25)

Nie każdy nowotwór to “rak”

Rak (carcinoma) – nowotwór złośliwy tkanki nabłonkowej

Mięsak (sarcoma) - nowotwór złośliwy tkanki nienabłonkowej (włókniakomięsak, kostniakomiesak itp.)

Chłoniak (lymphoma) - nowotwór złośliwy układu chłonnego

białaczka – z zajęciem szpiku

Potworniak (teratoma) - nowotwór złośliwy komórek zarodkowych (pluripotencjalnych)

Glejak (glioma) - nowotwór złośliwy komórek glejowych

(26)

Komórki nowotworowe Komórka

prawidłowa

Kolejne mutacje Trzecia

mutacja Druga

mutacja Pierwsza

mutacja

Nowotwory są klonalne

(27)

Etapy rozwoju nowotworu

Inicjacja – aktywacje onkogenów, zmiany ekspresji

Promocja – utrwalenie zmian genetycznych, destabilizacja genomu

Progresja – namnażanie in situ

Inwazja – angiogeneza, przełamanie błony podstawnej, infiltracja, wejście do krwiobiegu

Przerzuty – wtórne ogniska

Nowotwór jest procesem mikroewolucyjnym – komórki konkurują o zasoby organizmu

(28)

Kancerogeneza

Seria kolejnych wydarzeń

aktywacja proliferacji – onkogeny

dezaktywacja mechanizmów kontrolnych (antyonkogenów)

destabilizacja genomu – dalsze mutacje

uniknięcie senescencji związanej ze skróceniem telomerów, aktywacja telomerazy

zmiana profilu metabolicznego – zmiany w mtDNA

dalsze zmiany przy rozwoju guza, angiogeneza, przerzuty itp.

Dodatnie sprzężenie zwrotne – mutacje zaburzające kontrolę cyklu mogą

destabilizować genom, zwiększając prawdopodobieństwo kolejnych zaburzeń

Konkretna kolejność zdarzeń różna w różnych nowotworach

(29)

Stany przednowotoworowe i nowotworowe

Mutacja

Hiperplazja – zwiększenie liczby komórek np. endometrium

Dysplazja - zmiany cytologiczne oraz zaburzenia w architekturze tkanki np.

szyjki macicy, prostaty

Rak in situ (guz)

Rak przerzutowy (złośliwy)

(30)

Rozwój nowotworu

Jedna komórka zaczyna

Milion komórek rozwija

GUZ 1 mm

Miliard komórek wykrywa

GUZ 1 cm

Bilion (1012) komórek zabija.

GUZ 1 kg

(31)

nabłonek prawidłowy

Mutacje – transformacja nowotworowa

proliferacja in situ

Komórka prawidłowa

Komórka stransformowana

Inicjacja i progresja raka

(32)

Rak in situ

Dalsze mutacje

Wzrost guza

Komórka prawidłowa

Komórka

stransformowana Komórka

inwazyjna

Inwazja raka

(33)

Oporność na hipoksję Utrata cech nabłonkowych

Zdolność ruchu

Komórka prawidłowa

Komórka

stransformowana Komórka

inwazyjna Komórka przerzutująca

Rak - przerzuty

(34)

Progresja raka szyjki macicy

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

(35)

Nowotwory - genetyka

Mutacje somatyczne – zaburzenie genetyczne, ale nie dziedziczne

karcynogeny– przeważnie zwiększają częstość mutacji

Wirusy onkogenne

Genetyczne czynniki ryzyka (asocjacje)

Dziedziczone zespoły podatności na określone nowotwory

(36)

Nowotwory - geny i środowisko

W różnych nowotworach udział czynnika dziedzicznego i środowiskowego jest

różny

Przeważnie środowiskowe:

czerniak

rak płuca

rak żołądka (H. pylori)

rak szyjki macicy (HPV)

Duży udział genów:

rak piersi

rak okrężnicy

(37)

Czynniki ryzyka - przykłady

Nowotwór Czynniki ryzyka

Rak płuca Dym tytoniowy

Radon Azbest itp.

Zanieczyszczenia powietrza

Rak trzustki Palenie tytoniu

Cukrzyca

Przewlekłe zapalenie trzustki Płeć męska

Rak piersi Promieniowanie

Ryzyko odziedziczalne

Rak jelita grubego Mutacje spontanicznePolipy Dieta

Palenie tytoniu Choroba Crohna

Białaczki Promieniowanie

Chemioterapia HTLV

Zespół Downa

(38)

Zarys genetyki nowotworów

Genetyczna kontrola podziałów komórki

Czynniki regulacji dodatniej - protoonkogeny

nowotworom sprzyjają mutacje neomorficzne i hipermorficzne

np. czynniki wzrostu i ich receptory, elementy szlaków przekazywania sygnału (np. kinazy białkowe, białka G), czynniki transkrypcyjne

Czynniki regulacji ujemnej – antyonkogeny (supresory nowotworów)

nowotworom sprzyjają mutacje nullomorficzne i hipomorficzne

np. p53, Rb

Zapewnienie stabilności genomu

naprawa DNA, kontrola rekombinacji

(39)

Zaburzenia kontroli cyklu komórkowego

Komórki spoczynkowe – faza G0

Komórki dzielące się – cykl z 3 punktami kontrolnymi

Większość odróżnicowanych komórek wchodzi w G0

Komórki nowotworowe nie wchodzą w G0

Przyczyną jest często zaburzenie kaskady sygnału wzrostu (czynniki wzrostu)

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

(40)

Teoria wirusowa i teoria mutacyjna

Wirusy onkogenne (np. retrowirusy) – niosą geny zwane onkogenami

Czynniki mutagenne zwykle są karcynogenami

Mechanizm molekularny jest często ten sam

mutacje w genach kodujących czynniki regulacji zmieniają protoonkogen w onkogen

allele onkogenne mogą być przenoszone przez wirusy

(41)

Wirusy onkogenne

Retrowirusy (RNA) niosące zmutowany onkogen pochodzenia genomowego – efekt ten sam, jak przy mutacji protoonkogenu

Inne wirusy RNA i DNA (HPV, EBV, adenowirus itp.) – kodują białka interferujące z kontrolą podziałów

aktywują kaskady sygnalizacyjne (np. HBx wirusa zapalenia wątroby C)

inaktywują antyonkogeny (np. E6 i E7 wirusa HPV)

oddziałują z elementami regulacji podziałów (adenowirus)

(42)

Retrowirusy i nowotwory

Retrowirusy nie są istotnym czynnikiem nowotworzenia u człowieka

Zwierzęce retrowirusy onkogenne odegrały istotną rolę w odkryciu mechanizmów nowotworzenia

1975 Bishop & Varmus – onkogen Src jest obecny w genomie komórek (Nobel 1989)

powiązanie onkogenów z regulacją wzrostu komórek – sis/PDGF; erb- B/EGFR,

jeden z pierwszych przykładów wykorzystania porównywania sekwencji i baz danych (Waterfield et al. 1983; Downward et al. 1984)

(43)

Retrowirusy onkogenne

Onkogen w genomie wirusa - pochodzi od protoonkogenu gospodarza

Niekiedy wirus nie przenosi onkogenu, wystarcza działanie silnego promotora wirusowego na geny gospodarza

Występują u wielu zwierząt, ale praktycznie nie u człowieka

wyjątki - HTLV-1 i 2 (Human T-cell Leukemia Virus) – rzadkie formy

białaczek, bardzo długi czas od infekcji do rozwoju choroby

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

(44)

Inne wirusy onkogenne

HPV - rak szyjki macicy, raki głowy i szyi, raki prącia

HBV, HCV - rak wątroby

Wirus Epsteina-Barr - chłoniaki

(45)

HPV i nowotwory

Wirusy przenoszony drogą płciową

Najczęstsze infekcje przenoszone tą drogą - ponad 50% dorosłych

HPV typu 16 i 18 są istotnym czynnikiem ryzyka nowotworów

70% wszystkich przypadków raka szyjki macicy, 85% raka odbytu, raki jamy ustnej

Od 2006 roku dostępne szczepionki

NIH-Visuals Online

(46)

Bakteria kancerogenna - Helicobacter pylori

Czynnik sprawczy wrzodów żołądka

Karcynogen grupy I

Nature Reviews Clinical Oncology 10, 643–655 (2013)

(47)

Nobel 2005

Barry Marshall & Robin Warren

Odkrycie roli H. pylori w

patogenezie wrzodów żołądka

(48)

Mechanizmy komórkowe

Czynniki kontroli podziałów

pozytywnej -

protoonkogeny/

onkogeny

negatywnej -

supresory nowotworów (antyonkogeny)

(49)

Protoonkogeny i onkogeny

czynniki dodatniej kontroli podziałów

onkogen – allel zmutowany, protoonkogen - prawidłowy

nowotworom sprzyjają mutacje

neomorficzne i hipermorficzne powodujące aktywację

Czynnik wrostowy

Kontrola cyklu Błona komórkowa

Receptor G1 checkpoint

Białka szlaku sygnału

(50)

Protoonkogeny i onkogeny

kodują przykładowo:

czynniki wzrostu i ich receptory

elementy szlaków przekazywania sygnału (np. kinazy białkowe, białka G)

czynniki transkrypcyjne

negatywne regulatory apoptozy

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)

(51)

Co aktywuje onkogeny?

Mutacja somatyczna

Czynniki mutagenne (UV, promieniowanie jonizujące, chemiczne)

Patogen (np. HPV, H. pylori)

(52)

Antyonkogeny (supresory nowotworów)

Czynniki negatywnej kontroli podziałów

nowotworom sprzyjają mutacje

nullomorficzne i hipomorficzne - inaktywujące

np. p53, pRb

B. Lewin, Genes VII, Oxford University Press

(53)

Ile jest protoonkogenów i antyonkogenów?

Zidentyfikowano ~600 protoonkogenów ludzkich, z czego ~ 100 to najbardziej znane i często zmutowane w nowotworach

Zidentyfikowano ~700-800 supresorów nowotworów, z czego ~15 to najbardziej znane i często zmutowane w nowotworach

w tym ~80 miRNA

Źródła:

http://www.uniprot.org/uniprot/?query=keyword:KW-0656 http://bioinfo.mc.vanderbilt.edu/TSGene/

(54)

p53

gen TP53 zmutowany w większości nowotworów

Działa jako tetramer - uszkodzenie jednego allelu częściowo osłabia funkcje i destabilizuje genom

“Strażnik genomu”

aktywacja naprawy DNA

zatrzymanie cyklu (G1/S) przy uszkodzonym DNA

inicjacja apoptozy

(55)

p53 - strażnik genomu

(56)

Mutacje TP53

http://p53.curie.fr/p53%20site%20version%202.0/p53%20in%20cancer/p53_databaseANAL.html

(57)

Przykłady zaburzeń w nowotworach

Aktywacja onkogenów

Inaktywacja supresorów nowotworów

Zaburzenia naprawy DNA/

stabilności genomu

Aktywacja telomerazy

W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

(58)

Zmiany w raku piersi (ER-)

(59)

Telomery a nowotwory

W komórkach z defektywnym

szlakiem odpowiedzi na uskzodzenia DNA (np. defekty p53) komórki ze

skróconymi (lub uszkodzonymi) telomerami wciąż się dzielą

Efektem są rearanżacje

chromosomów (fuzje, translokacje)

Prowadzi to do transformacji nowotworowej

W komórkach nowotworowych

ponowna aktywacja telomerazy Denchi, DNA Repair 8 (2009) 1118–1126

(60)

Mutacje mtDNA w nowotworach

Komórki nowotworowe charakteryzują się przejściem z metabolizmu tlenowego (oddychanie) na beztlenowy (glikoliza) – efekt Warburga (1936, 1956)

W komórkach nowotworowych często obserwowane są mutacje somatyczne nie występujące w prawidłowej tkance tego samego pacjenta.

polimorfizmy

putacje upośledzające działanie mitochondriów

Przyczyna (selekcja) czy skutek uboczny (dryf)?

(61)

Dziedziczne zespoły podatności na określone nowotwory

heterozygotyczne mutacje antyonkogenów

p53 – zespół Li-Fraumeni

Rb – retinoblastoma (siatkówczak)

Mutacje genów związanych z naprawą DNA i rekombinacją

BRCA1, BRCA2 w raku piersi (~10% przypadków)

HNPCC

Mutacje zmieniające profil metaboliczny

np. SDH (dehydrogenaza bursztynianowa)

(62)

HNPCC

Dziedziczny rak jelita grubego niezwiązany z polipowatością (HNPCC), zespół Lyncha

5% wszystkich raków jelita grubego

Mutacje utraty funkcji różnych genów (6) związanych z

naprawą DNA, najczęściej

systemem MMR W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005

(63)

Zespół Li-Fraumeni

Rzadki (~60 rodzin w USA, ok.

400 osób)

Dziedziczony jako cecha dominująca

Liczne nowotwory w wieku dziecięcym

Mutacje p53 (heterozygota 85-90% ryzyko nowotworu)

http://p53.free.fr/Database/p53_cancer/p53_germline.html

(64)

Retinoblastoma (siatkówczak)

Rzadki (1/15 000) nowotwór siatkówki u dzieci

Łatwy w leczeniu (95% przeżycia) pod warunkiem wczesnej diagnozy

Postać sporadyczna (55%) i dziedziczna (45%)

Postać dziedziczna – mutacje genu Rb

białko pRb – antyonkogen, kontrola cyklu komórkowego

W dzielących się komórkach hamuje przejście G1/

S przy uszkodzonym DNA i aktywuje apoptozę

W komórkach spoczynkowych blokuje wyjście z G0, ale nie aktywuje apoptozy

(65)

pRb w regulacji cyklu

Hamuje cykl komórkowy wiążąc czynniki transkrypcyjne E2F

aktywujące fazę S

Fosforylacja pRb (kinazy CDK) odblokowuje wejście w fazę S

(66)

Rak piersi

Większość przypadków to przypadki pojedyncze,

niezwiązane z dziedziczeniem mutacji

Ok. 10-20% przypadków - formy rodzinne

(67)

Rodzinny rak piersi

Mutacje genów BRCA1 i BRCA2

Produkty zaangażowane w naprawę uszkodzeń DNA

(68)

Mutacje BRCA a ryzyko

Jeżeli w rodzinie występuje choroba wskazany test

Test genetyczny nie zastąpi innych badań (>80%

przypadków bez rodzinnych mutacji BRCA)

Am J Hum Genet 721117–30

(69)

Genetyka nowotworów dziedzicznych

Z reguły mutacje antyonkogenów lub systemów naprawy DNA

Mutacje utraty funkcji – recesywne na poziomie komórki

oba allele nieaktywne w komórkach nowotworowych

Ale dziedziczą się (wzór rodowodu) jak cechy dominujące

(70)

Teoria dwóch uderzeń

Knudson (1971) –badania nad siatkówczakiem

Do rozwoju nowotworu potrzebna inaktywacja obu alleli supresora nowotworów

Odziedziczenie 1 zmutowanego allelu silnie zwiększa prawdopodobieństwo, że w ciągu życia chory utraci oba

funkcjonalne allele

(71)

Oba allele prawidłowe

Jeden allel unieczynniony Duże ryzyko

Oba allele nieczynne Katastrofa

Inaktywacja supresorów

(72)

Genetyka nowotworów - podsumowanie

Onkogeny Supresory

nowotworów Geny naprawy DNA Liczba zmutowanych

alleli w komórce 1 (dominujące) 2 (recesywne) 2 (recesywne)

Typ mutacji neomorfy, hipermorfy nullomorfy, hipomorfy nullomorfy, hipomorfy

Pochodzenie mutacji Najczęściej somatyczne

Somatyczne lub odziedziczone

Somatyczne lub odziedziczone Mechanizm działania Szlaki aktywacji

podziału komórki

Hamowanie

podziałów, apoptoza

Utrzymywanie

stabilności genomu

Figure

Updating...

References

Related subjects :