- Bakterie zawierają „czynnik transformujący, zdolny do przekazania informacji z żywych bakterii do martwych
- Czynnikiem transformującym jest DNA
- Materiałem genetycznym są kwasy nukleinowe; Materiałem genetycznym organizmów komórkowych jest kwas deoksyrybonukleinowy (DNA)
- Na podstawie sekwencji jednej nici można jednoznacznie odtworzyć sekwencję nici komplementarnej - DNA zbudowany jest z nukleotydów (podwójna helisa DNA)
- W DNA zapisane kolejne aminokwasy w białku; na DNA powstaje RNA; na RNA białko; zmiany w DNA – mutacje - przenoszą się z pokolenia na pokolenie
Cechy jednogenowe - Prosty wzór dziedziczenia
- Bardzo wysoka odziedziczalność (często ~100%)
- Oprócz chorób – nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym
- zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny, smak PTC, itp. – markery immunologiczne (grupy krwi)
- układ AB0, czynnik Rh – markery molekularne
- Znanych jest bardzo wiele chorób jednogenowych – ~ 4500, z tego dla ~1700 nieznany gen; większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000 - 1/2000 urodzeń), problem “chorób sierocych” (orphan diseases); w sumie ~4/1000 żywych urodzeń
• Autosomalne – ~4100 chorób, z tego ~1600 nieznany gen
• Sprzężone z X – ~ 360 chorób, z tego ~140 nieznany gen
• Sprzężone z Y – 9 chorób, z tego 5 nieznany gen
• Mitochondrialne
Dziedziczenie autosomalne recesywne
- Często nie ma innych chorych w rodzinie; chorują obie płcie; rodzice zdrowi Przykłady: Mukowiscydoza, Fenyloketonuria, Galaktozemia
- „Chów wsobny” – związki między bliskimi krewnymi zwiększają szansę na wystąpienie AR Przykłady: Xeroderma pigmentosum; ponad 20%przypadków z małżeństw krewniaczych
Mukowiscydoza
• Najczęstsza choroba autosomalna recesywna w populacjach Europy północnej – ~1/2000 urodzeń
• Mutacje utraty funkcji genu CFTR
– 70% delecja jednego aminokwasu, zaburzenia transportu białka do błony – 15% - mutacje częste (kilkanaście) – 15% - mutacje rzadkie
Choroba Tay-Sachsa
• Silna zależność populacyjna
– u Żydów aszkenazyjskich 1 osoba na 30 jest nosicielem, w innych grupach 1 na 300
– podobnie wysoka częstość u Kanadyjczyków pochodzenia francuskiego (inna mutacja niż u Aszkenazyjczyków) i Cajunów w USA
• Defekt enzymu (heksozaminidaza A)
– akumulacja gangliozydów (związki lipidowe) w neuronach – neurodegeneracja
– śmierć ok. 4 r. ż.
Jednogenowe autosomalne choroby krwi Talasemie
– mutacje null i hipomorficzne w genach globin (np. defekty splicingu)
– najczęstsze choroby Jednogenowe: występują głównie w populacjach śródziemnomorskich (do 10% w niektórych populacjach) i u Arabów, także w Azji
• Anemia sierpowata – 1/500 urodzeń u Afroamerykanów
• Wysoka częstość w populacjach z obszarów malarycznych – oporność na malarię heterozygot Przyczyny wysokiej częstości allelu recesywnego w populacji
• Efekt założycielski – Izolowane populacje wywodzące się z małych grup
• Przewaga heterozygot
– Talasemie, anemia sierpowata - malaria
– Mukowiscydoza: większa oporność na enterotoksyny bakteryjne (np. cholera) – Choroba Tay-Sachsa: wyższa inteligencja heterozygot?? – kontrowersyjna teoria
• Kompensacja rodzicielska – Rodzice, którzy utracili dziecko chętniej decydują się na kolejne Dziedziczenie autosomalne dominujące
- Chory ma chorego rodzica; u obu płci; około 50% potomstwa osoby chorej będzie chora
Przykłady: Choroba Huntingtona, Rodzinne formy choroby Alzheimera; dziedziczne nowotwory BRCA1, BRCA2
Dlaczego mutacje są dominujące?
• Często dotyczą białek tworzących kompleksy
• Kompleks powstaje ale nie jest aktywny – dominujące negatywne (p53)
• Mutacja może zmienić właściwości białka (gain-of-function) – wiele mutacji dynamicznych
Achondroplazja. Krótkie ręce (słaby wzrost długich kości) i wyraźne czoło; Zazwyczaj mutacje FGFR3. Większość mutacje de novo (wiek ojca!) - 85 % nowych mutacji; wiek ojca
– 1/10000
– 100% penetracji – 4p16.3
– G → A 1138 mRNA (G → R aminokwas 380, G380R) receptora 3 czynnika wzrostu fibroblastów Rodzinna hipercholesterolemia
• Dominacja przez haploinsuficjencję
• Mutacje w genach LDLR (receptor LDL – low density lipoprotein) i ApoB (apolipoproteina B – część kompleksu LDL odpowiedzialna za oddziaływanie z receptorem)
• Heterozygoty: podwyższony poziom LDL we krwi, miażdżyca, choroby serca ok. 40 r. życia – leczenie: statyny, dieta
• Homozygoty: ciężkie schorzenia serca i naczyń już w dzieciństwie – leczenie: trudne, wysokie dawki statyn, przeszczep wątroby
Penetracja
• Prawdopodobieństwo wystąpienia objawów choroby u osoby z danym genotypem (np. zmutowany allel)
• 100% - typowy wzór dziedziczenia dominującego
• <100% - tzw. niepełna penetracja
• Trudna do wyznaczenia – Wpływ środowiska, wieku, tła genetycznego
• Efekty epigenetyczne – Piętno genomowe wpływa na penetrację w sposób zależny od płci rodzicielskiej
Ekspresyjność
• Ten sam odziedziczony allel może dawać różne efekty fenotypowe u różnych osób – Penetracja – czy będzie jakikolwiek fenotyp
– Ekspresyjność – jaki będzie fenotyp
• Podłoże – Wpływ środowiska, wieku, tła genetycznego Zespół Marfana
- Dominująca mutacja w genie FBN1 kodującym fibrylinę – białko tkanki łącznej - Zmutowane białko blokuje polimeryzację białka prawidłowego
- Defekty tkanki łącznej, aorty i zastawek serca, wysoki wzrost, arachnodaktylia - Ok. 1:5 000 osób
Wygląd: wysoki wzrost, bardzo długie kończyny i palce (arachnodaktylia), skrzywienia kręgosłupa, luźne stawy, wysoki łuk podniebienia; Oczy: zaburzenia umiejscowienia soczewki, niebieska twardówka
- Sercowo-naczyniowe: zaburzenia
- 15 - 25 % nowych mutacji; wiek ojca może mieć znaczenie - 1/20000
- Gen fibryliny I na 15q21.1 – 23 mutacje
- Fibrylna – 350000 Daltonów – Tworzy mikrofibryle zewnątrzkomórkowe – Forma zmutowana blokuje ich tworzenie
Ekspresyjność w zespole Marfina: 4 grupy objawów: serce, aorta (rozwarstwienie – przyczyna, śmierci), oko, szkielet
Sprzężone z X recesywne
- Zazwyczaj chorują tylko mężczyźni, nie ma przekazu ojciec – syn, wszystkie córki chorego mężczyzny są nosicielkami
Przykłady: Hemofilia, Dystrofia mięśniowa Duchenne’a i Beckera, Ślepota na barwy czerwona zielona Mozaikowatość inaktywacji X (koty)
• Mutacja genu odpowiadające go za barwę futra (czarne lub rude) na chromosomie X
• U samic łaty czarne i rude zależnie od inaktywacji
• Samce czarne albo rude Dystrofie mięśniowe
• Mutacje w genie dystrofiny – białka kompleksu łączącego cytoszkielet, poprzez błonę, z macierzą zewnątrzkomórkową, błoną podstawną
• Dystrofia Duchenne’a (DMD) – ciężka, mutacje nullomorficzne
• Dystrofia Beckera (BMD) – lżejsza, mutacje hipomorficzne Duchenne vs. Becker
• Wiele mutacji w DMD to mutacje nonsens
• Delecja nawet całych pojedynczych eksonów daje allel hipomorficzny (BMD) – repetytywna struktura białka
• 1/ 4000 noworodków płci męskiej
• Duchenne : start ok. 6 lat; śmierć przed 20 r. życia
• Becker: start 20 - 30 lat; normalna lub prawie normalna długość życia
• Do 2.5% kobiet heterozygotycznych ma objawy Dominujące autosomalne
• Jeden zły allel wystarcza
• Chory ma zazwyczaj chorego rodzica (tzn. chorzy w każdym pokoleniu)
• 50% ryzyko, że dziecko chorej osoby będzie chore Dziedziczenie autosomalne dominujące
• W każdym pokoleniu – Ale mogą być nowe mutacje – oraz: Penetracja, Ekspresyjność
• Obie płcie
• Przenoszone z ojca na syna Dominujące sprzężone z płcią
• Brak przekazu z ojca na syna
• Chorują i kobiety i mężczyźni, ale kobiet więcej
• Dziecko chorej kobiety ma 50% ryzyko na bycie chorym niezależnie od płci
• Wszystkie córki ale żaden z synów chorego mężczyzny będą chore
• Objawy u kobiet na ogół łagodniejsze (inaktywacja X/mozaika)
mtDNA człowieka
• 16 568 par zasad
• koduje - 13 białek łańcucha oddechowego (z 84), 2 rRNA (16 S i 12 S), 22 tRNA
• Zwarty - brak intronów, brak lub niewielkie obszary niekodujące między genami, czasem brak pełnego kodonu STOP (wprowadzany poprzez poliadenylację)
• Dziedziczenie od matki (mitochondria plemnika niszczone przez mechanizm zależny od ubikwitynacji)
Dziedziczenie mitochondrialne
• Charakterystyczny wzór rodowodu (dziedziczenie matczyne)
• Najczęściej neuropatologie (w tym zaburzenia wzroku i słuchu), miopatologie, zaburzenia metaboliczne (kwasica mleczanowa, cukrzyca)
• Mutacje punktowe, rozległe delecje lub deplecja mtDNA
• Przy ciężkich mutacjach najczęściej heteroplazmia, stąd duże zróżnicowanie objawów u różnych osób w rodzinie (efekty progowe)
• Złożone relacje genotyp/fenotyp – dana mutacja może powodować różne objawy, a podobne objawy mogą być wywołane różnymi mutacjami
Przykłady: częste – 1:5000 – 1:7000; głównie nerwowy i mięśniowy MERFF - myoclonic epilepsy with ragged red files
MELAS -mitochondrial myopathy, encephalopathy & stroke - like episodes LHON – zespół Lebera
• Wyłącznie od matki
• Homoplazmia – wszystkie cząsteczki mtDNA w komórce takie same
• Heteroplazmia – różne allele mtDNA w tej samej komórce – wiele kopii – efekty ilościowe, progowe
• Heterogenność: różne mutacje, podobny fenotyp
• Plejotropia
Wyjątki i utrudnienia
• Allele letalne • Niepełna dominacja • Kodominacja • Allele nieme • epistaza • Plejotropia
• Heterogenność genetyczna • Zmienna ekspresyjność • Niepełna penetracja
• Antycypacja (3x) • Mozaikowatość komórek linii płciowej • fenokopie • Disomia jednorodzicielska
• Piętno genomowe Telomery i telomeraza
- Końce chromosomów posiadają serię powtórzonych fragmentów – telomerów - Telomeraza może wydłużać telomery wykorzystując fragment RNA
- Skracanie telomerów ogranicza liczbę podziałów niektórych komórek
- Aktywacja telomerazy związana jest z unieśmiertelnianiem komórek nowotworowych Telomery
- Końce chromosomów
- Sekwencje powtórzone (TTAGGG)
- Skracają się przy każdym podziale komórki
- W niektórych komórkach mogą jednak być odtwarzane Telomery a starzenie
- Komórki somatyczne mają ograniczoną liczbę możliwych podziałów – granica Hayflicka - Komórki linii płciowej dzielą się bez ograniczeń
- Granica Hayflicka związana jest ze skracaniem się telomerów
Aktywacja telomerazy wystarcza do unieśmiertelnienia i umożliwienia nieograniczonych podziałów
Limitująca jest ekspresja białkowej podjednostki telomerazy (hTERT), składnik RNA wyrażany konstytutywnie
U drożdży defekt telomerazy – ustanie podziałów po kilku pokoleniach
U roślin, bezkręgowców i myszy – podobnie (defekt po kilku pokoleniach)
U człowieka – nawet częściowa utrata telomerazy (heterozygota) powoduje poważne defekty:
niedokrwistość, defekty układu odpornościowego, zwłóknienie płuc
Związek z wydłużeniem życia?
Wieczna młodość?
- Starzenie się komórek somatycznych, nie dzielących się (np. układ nerwowy) – nie zależy od telomerów
- Telomery odgrywają rolę w starzeniu się komórek macierzystych i komórek układu odpornościowego - Skracanie telomerów jest ważnym mechanizmem przeciwnowotworowym
+ Z drugiej strony dostarcza silnej selekcji na komórki z defektami naprawy DNA, niestabilność chromosomów
- Systemy podtrzymujące stabilność DNA komórek somatycznych nie są lepsze, niż jest to absolutnie niezbędne (“disposable soma”)
Los komórki, która utraciła telomery
Aktywacja szlaków odpowiedzi na uszkodzenia DNA
Sygnał uszkodzeń genomowych – zastopowanie cyklu komórkowego (tzw. kryzys replikacyjny)
Ograniczenie zdolności podziałowej jest ważnym mechanizmem ochronnym - Zapobieganie nowotworom
- Utrzymywanie zróżnicowania klonalnego populacji komórek macierzystych Telomery a nowotwory
- W komórkach z defektywnym szlakiem odpowiedzi na uszkodzenia 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 Dwa oblicza telomerów
- Telomery chronią przed uszkodzeniami DNA i zaburzeniami chromosomów, które mogą prowadzić do nowotworzenia, ale...
- Aktywność telomerazy unieśmiertelnia komórki (aktywna w 90% nowotworów) Skąd wiadomo, że choroba/cecha jest genetyczna ?
• Proste typy dziedziczenia • Agregacja rodzinna • Badania bliźniąt • Badania adopcji Choroby genetyczne
• Częste – 1-10%
– Wiele późno; ale też wiele u dzieci – jednogenowe
– wieloczynnikowe • Wiele genów i środowisko Fenotypy badane w genetyce człowieka
• W większości choroby: jednogenowe (Mendlowskie), wieloczynnikowe, nowotwory (mutacje somatyczne), zaburzenia chromosomowe
• Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej): jednogenowe (rzadko), markery molekularne, wieloczynnikowe np. inteligencja, cechy behawioralne
• Badania obserwacyjne, nie eksperymentalne – zasada największej wiarygodności Zależność wystąpienia objawów od wieku
• Zaburzenia chromosomowe – ciąża i tuż po urodzeniu
• Monogenowe – ciąża i dzieciństwo
• Wieloczynnikowe – często też w późniejszym wieku (wpływ środowiska, stylu życia) Odziedziczalność
• Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem
• Odziedziczalność: proporcja zmienności genotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji – badania bliźniąt
• Monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ) – badania adopcji; agregacja rodzinna częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych
Pułapki analizy rodowodów
• Niepełna penetracja • Plejotropia i zmienna ekspresyjność • Heterogenność (różne mutacje dają ten sam obraz kliniczny) • Antycypacja – przy ekspansjach trójkowych • Piętno genomowi • Fenokopie (np.
cukrzyca)
Zaburzenia autosomów
• Trisomia 21 – zespół Downa
– ~1/800 urodzeń, zależnie od wieku matki – Częste poronienia samoistne (75%)
– Zaburzenia rozwojowe, opóźnienie umysłowe – Choroby serca, otyłość, cukrzyca, Alzheimer
• Trisomia 13 – zespół Patau – ~1/8000 – 1/120000 urodzeń
– Wady rozwojowe (przepukliny, serce, czaszka i mózg)
– Średnia przeżywalność: 2 dni, mniej niż 6 miesięcy, bardzo rzadko kilkanaście lat
• Trisomia 18 – zespół Edwardsa – 1/3000 – 1/8000 urodzeń
– Liczne wady rozwojowe, niedorozwój, mikrocefalia, wady serca – 5% szans na przeżycie 1 r. ż.
Wiek matki a zespół Downa - W ok. 85% nondysfunkcja w oogenezie Zespół Downa
• Trisomia 21, ale nie musi być cały; USA 1:800; 1,15:1 chłopcy:dziewczynki • Wiek matki – 20 lat - 1/750 kosmówka (1/1500 narodzin) • Wiek matki – 35 lat - 1/240 kosmówka (1/400 narodzin) (1/385) • 40 – 1/106 • Wiek matki – 45 lat - 1/30 kosmówka (1/13 narodzin) (? 1/30) • Ojciec – ok. 15%
przypadków • 75% zapłodnionych zarodków obumiera • 50% noworodków żyje ponad 50 lat • 4%
zrównoważona translokacja u jednego z rodziców • Wiele układów – charakterystyczny wygląd • Region 21q22.1-q22.3 – odp. za wady serca • Zwiększona częstość chorób autoimmunizacyjnych • Cukrzyca, choroba Alzheimera • Niski wzrost, otyłość • Przedwczesne starzenie
Zespół Patau – trisomia 13
• Przepukliny • Wady serca u 80% • Zaburzenia czaszki i mózgu • 1/8000 – 1/120000 • Średnia – 2 dni;
w zasadzie do 6 miesięcy; b. rzadko do kilkunastu lat; nie ma dorosłych • Niski wynik Agar
• Rozszczep wargi i podniebienia • Polidaktylia • mikrocefalia Zespół Edwardsa – trisomia 18
• 1/6000 – 1/8000 • 80% płci żeńskiej • Wady serca u 80% • Mikrocefalia, małe oczy i szczęka • 100%
niedorozwój umysłowy • 5% szans na przeżycie 1 r. życia • Opóźnienie wzrostu Monosomie 18
• Różne (p, q, części) i różne objawy • 10-15% poważne zaburzenia CNS • Cyclopia (może być) • Płaski nos • Duże uszy itp. Itd.
Zaburzenia chromosomów płci - cięższe
• X0 – zespół Turnera – ~1/2500 dziewczynek
– Cukrzyca 2 x częściej, nadciśnienie, osteoporoza, niedoczynność tarczycy – Normalna długość życia
– IQ na ogół normalne
• XXY – zespół Klinefeltera – ~1/1000 chłopców
– Długie ręce i nogi
– 70% drobne problemy rozwojowe i z uczeniem – Piersi, żeńskie owłosienie, bezpłodność – androginia Zespół Turnera XO
• 1:2000 dziewczynek • Niski wzrost (do 11 r.ż. może być normalny) • 95% bezpłodna brak 2rz. cech płciowych • Krótka szeroka szyja • Obrzęki • Jeśli mozaiki z Y mogą być nowotwory złośliwe
• Cukrzyca 2 x częściej • Normalna długość życia • Nadciśnienie • Osteoporoza – estrogen zapobiega
• Niedoczynność tarczycy u 1/3 • IQ na ogół normalne ale mogą być problemy koordynacji wzrokowo przestrzennej i matematycznej
Zespół Klinefeltera
• 1:500 – 1:1000, większość XXY, im więcej X tym gorzej • Długie ręce i nogi • 70% drobne problemy rozwojowe i z uczeniem • Piersi, żeńskie owłosienie, bezpłodność
Zaburzenia chromosomów płci - lekkie
• XXX
– Lekkie objawy ze względu na inaktywację X, zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów – Niekiedy zaburzenia cyklu menstrualnego i umiarkowane problemy rozwoju intelektualnego, wysoki wzrost
– ~1/1000 dziewczynek
– bardzo rzadko XXXX i XXXXX (kilkaset przypadków w historii, cięższe objawy)
• XYY
– Zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów, >90% nie wie, że ma ten kariotyp – ~1/1000 chłopców
– Nieco zwiększone ryzyko opóźnień w nauce, wysoki wzrost, normalny poziom testosteronu – Wcześniejsze doniesienia o korelacji z zachowaniem agresywnym – fałszywe
Zespół potrójnego X
• EJHG 18(2010)265-271 • 1/1000 urodzeń • Może nie być żadnych objawów • IQ niższe • Wyższy wzrost, niższa waga
Zasady dziedziczenia
• W DNA zapisane kolejne aminokwasy w białku
• Na DNA powstaje RNA
• Na RNA białko
• Zmiany w DNA – mutacje - przenoszą się z pokolenia na pokolenie Progeria
Choroby – modele starzenia czy zwykłe choroby:
• Choroba z objawami przedwczesnego starzenia
• Zespół Hutchinsona-Gilforda – najwcześniejsza i najostrzejsza
Progerie: Czy są naprawdę podobne do procesów starzenia? Nie każda choroba, która zaburza funkcjonowanie organizmu daje starzenie- większość tego nie robi
• Jest wiele chorób genetycznych, w których pewna część objawów przypomina proces starzenia
• ŻADNA Z NICH NIE JEST W 100% ODZWIERCIEDLENIEM FIZJOLOGICZNEGO PROCESU STARZENIA
Syndromy przedwczesnego starzenia 1. Hutchinsona-Gilforda
2. Wernera
Progeria Hutchinsona-Gilforda
• Opisana po raz pierwszy przez Hutchinsona (1886) i niezależnie od niego przez Gilforda (1904)
• Do tej pory odnotowano około 100 przypadków, choć nie każde rozpoznanie jest wiarygodne
• Częstość 1 na 4-8 mln urodzeń, wg niektórych źródeł 1 na 10 mln
• Cecha autosomalna, dominująca
• Objawy rozwijają się w ciągu pierwszego roku życia
• Średnia długość życia: 13 lat
• Brak ponadprzeciętnej zachorowalności na nowotwory
Winowajca • Gen LAMNA położony na długim ramieniu chromosomu 1
• Koduje laminy A i C
• Tworzą one siateczkowatą strukturę związaną z wewnętrzną stroną błony jądrowej
• Odpowiedzialne m.in. za właściwości mechaniczne otoczki jądrowej i organizację chromatyny
• Nie wszystkie funkcje komórkowe zostały poznane
HGPS: symptomy
• Zanik podskórnej tkanki tłuszczowej
• Łysienie
• Wydatne oczy i nos
• Nieproporcjonalnie mała żuchwa
• Opóźnione ząbkowanie
• Gruszkowaty tułów
• Cienkie kończyny z wydatnymi stawami
• Niski wzrost i waga
• Problemy z układem krążenia i oddechowym
• Osteoporoza
MODEL STARZENIA?
Różnice:
• U pacjentów płci męskiej nie ma problemów z prostatą
• Nie ma zwiększonej częstości nowotworów czy zaćmy.
• Rzadko występuje wysokie ciśnienie.
• Cukrzyca też.
• Nie ma Alzheimera ani problemów z degeneracją mózgu.
• Ale jest brak tkanki tłuszczowej, choroby układu krążenia Lamina A
Nie jest wyrażana we wszystkich rodzajach komórek:
• Nabłonki tak
• Limfoblasty T nie.
• Różne komórki wyrażają różne laminy lub różne kombinacje 3 lamin (A/B/C) Mutacje Laminy A
• Skrócone białko lub missens – zespół Hutchinsona-Gilforda.
• Inne mutacje w tym genie: dystrofia mięśniowa, kardiomiopatia rozstrzeniowa, lipodystrofia Efekty mutacji Laminy A na poziomie komórki
• Zaburzona otoczka jądrowa i budowa jądra.
• Modyfikacje histonów w heterochromatynie
• Zmiany w transkrypcji Zespół Wernera
• Opisany przez Otto Wernera (1904)
• Najbliższa fizjologicznemu procesowi starzenia
• Cecha autosomalna recesywna
• Pierwsze objawy występują w okresie dojrzewania płciowego
• Średnia długość życia: ok. 45-50 lat
• Wysoka zapadalność na nowotwory
• 1 / 1 000 000
• W Japonii między 1 / 20000 i 1/ 40000.
WS: symptomy
• Niski wzrost • Siwienie i wypadanie włosów • Katarakta • Cienkie nogi i ramiona
• Akumulacja tkanki tłuszczowej na brzuchu • Arterioskleroza • Cukrzyca typu II • Osteoporoza
• Zaburzenia płodności • Wrzody w okolicach stawów Mutacje
• Ogółem zidentyfikowano ponad 40 mutacji w genie WRN
• Najczęstsze z nich to mutacje typu frameshift oraz delecje, najrzadsze natomiast są mutacje typu nonsens
• Skutkiem tych mutacji jest produkcja skróconego białka pozbawionego sekwencji importu jądrowego znajdującej się w pobliżu C-końca i w konsekwencji brak białka w docelowym miejscu działania
WS a nowotwory
• Brak WRN skutkuje zaburzeniami w replikacji, nieefektywnością systemu naprawy DNA i wzmożonym poziomem rekombinacji
• Stan ten doprowadza do destabilizacji genomu i wysokiego ryzyka rozwoju nowotworu
• Częstość niektórych nowotworów u pacjentów z WS odbiega wyraźnie od reszty populacji
• Pewne typy nowotworów rozwijają się w miejscach dla siebie nietypowych Winowajca
• Gen WRN leżący na krótkim ramieniu chromosomu 8
• Koduje on białko WRN o aktywnościach helikazy i egzonukleazy
• Białko należy do rodziny helikaz RecQ
• Białko to bierze udział m.in. w procesach rekombinacji, replikacji i naprawy DNA, a także w usuwaniu nieprawidłowości w rejonach telomerów
Zespół Wernera na poziomie komórki
• Normalne ludzkie fibroblasty – limit Hayflicka 60
• Komórki pacjentów z WS około 20 podziałów
• Wrażliwe ma niektóre czynniki uszkadzające DNA (ale nie wszystkie):
• Normalna reakcja na UV i promieniowanie jonizujące (??)
• Wrazliwe na 4-NQO i związki powodujące połączenia między nićmi.
• Podwyższone tempo mutacji somatycznych i zaburzeń chromosomalnych - translokacje, inwersje, utrata chromosomów.
MODEL STARZENIA?
Nie występują:
• Problemy z prostatą (są inne nowotwory)
• Wysokie ciśnienie
• Udary
• Alzheimer i inne neurodegeneracje.
Ale wiele cech starzenia:
• Wczesne siwienie
• Wczesne choroby układu krążenia
• Wiele nowotworów (choć nie raki a mięsaki i nietypowe lokalizacje)
• Cukrzyca
CUKRZYCA ma też cechy progerii:
• Zaćma
• Miażdżyca
• Zawały
• Udary
Zespól Downa – progeria - Trisomia 21. 1 / 700.
• Wczesne siwienie/łysienie
• Wczesne choroby układu krążenia
• Wczesna choroba Alzheimera: wszyscy do ok 35-40 lat.
• Nie ma nowotworów piersi czy prostaty, nadciśnienia, zmarszczek, osteoporozy, zaćmy.
Test Genetyczny?
- Analiza ludzkiego DNA, RNA, chromosomów, białek lub metabolitów w celu wykrycia zaburzeń związanych z chorobą dziedziczną
- Chodzi o to by ją wcześnie wykryć
Przed DNA testowano fenotypy i/lub metabolity a także oglądano chromosomy.
1. Słony pot/skóra -mukowiscydoza 2. Czarny mocz - alkaptonuria
3. Zielony pierścień wokół źrenicy – nagromadzanie miedzi, choroba Wilsona 4. Test wysokiego poziomu fenyloalaniny w krwi
5. Chromosomy – zespół Downa, trisomie chr. 13 i 18; XO, XXY)
10/30/071,464 testów genetycznych (www.genetests.org) Obecnie 2039 plus 265
1. Testy biochemiczne – oznaczenie enzymów lub metabolitów
2. Testy cytogenetyczne – nie tylko liczba chromosomów, także drobne zmiany 3. Testy DNA/RNA – czy są obecne mutacje
Oznaczanie aktywności enzymów
• galaktozemia
• Fenyloketonuria
• Metabolizm puryn
• Gromadzenie żelaza
• Metabolizm lipidów I wiele wiele innych Badania cytogenetyczne
Coraz mniejsze rzeczy można wykrywać
• Delecje
• Inwersje
• Translokacje
Zmiana liczby chromosomów
• Zespół Downa
Bezpośrednie testy genetyczne - Szukanie mutacji w DNA (lub RNA)
Na ogół namnożenie techniką reakcji łańcuchowej polimerazy i sekwencjonowanie Typy testów:
1. Predykcyjne 2. Diagnostyczne 3. Nosicielstwo 4. Prenatalne 5. Preimplantacyjne 6. Skrining noworodków Choroba Huntingtona - Ruchy
- Psychiatryczne zaburzenia - Zaburzenia poznawcze
- Różny początek; średnio ok. 40 lat - Forma młodzieńcza <21 lat - 5-10%
- Późny początek >60 lat - 10%
Gen Huntingtyny - CAG (Gln) – kodon powtórzony, ponad 36 choroba
Diagnostyczne - Służy potwierdzeniu diagnozy u osoby z objawami choroby
• Czasem tylko wiedza, jeśli choroby nie można leczyć; czasem dopasowane leczenie, choć czasem dość archaiczne (hemochromatoza)
• Wykrycie mutacji u osoby może mieć konsekwencje dla całej rodziny Co warto badać ?
• Czy wiemy jaki jest efekt mutacji?
• Czy istnieje terapia?
• Czy wskazanie na jakąś interwencję terapeutyczną?
Czy test jest odpowiedni?
• Czy wykryta mutacja jest już znana?
– W tej chorobie?
– W tej rodzinie?
• Czy test jest odpowiedni?
• Czy ktoś go robi?
• NIE MA TESTÓW „NA WSZYSTKO”
Choroby dla których istnieje terapia/nie istnieje terapia: diagnoza zawsze ma sens u chorego
• Choroba Huntingtona
• Rak piersi
Testy predykcyjne - Osoby bez objawów, ale obciążający wywiad rodzinny Dwa typy
- Przedobjawowe – rozwój choroby jest pewny jeśli jest obecna mutacja (HD)
- Predyspozycji – rozwój choroby jest możliwy (różne prawdopodobieństwa) (rak piersi, TP53, HNPCC)
Parę problemów:
• nieletni – HD, rak piersi, rak tarczycy
• może wpływać na wiele rzeczy
• może być bardzo trudne do zniesienia (psycholog itp.) HD – testy przedobjawowe
• Test czuły i specyficzny
• Pełna penetracja
• Dość podobny przebieg (choć…)
Badanie nosicielstwa - Choroby o recesywnym sposobie dziedziczenia – 1 mutacja nie daje efektu ale może być przekazywana potomstwu
- Proponuje się osobom, z rodzin w których wystąpiła taka choroba
- Jeśli testuje się oboje przyszłych rodziców – można określić ryzyko urodzenia chorego dziecka (lub jeśli badana osoba nie jest nosicielem – wykluczyć)
WYMAGA PORADNICTWA GENETYCZNEGO BY WYNIK BYŁ ZROZUMIANY
Prenatalne - Kobiety powyżej pewnego wieku (na ogół 35 lat); osoby z rodzin z obciążonym wywiadem; czasem po badaniu przesiewowym (genetyczne USG, testy potrójne itp.)
- Płyn owodniowy lub kosmki
Preimplantacyjne - 1-2 blastomery, podobne wskazania - Trudne i drogie; w Polsce podobno jeden ośrodek
Badania przesiewowe noworodków - Wczesne wykrywanie potencjalnych problemów
• Kropla krwi z pięty niemowlaka
• Rodzice informowani tylko przy wyniku dodatnim
• Dodatni wynik nie przesądza, że dziecko chore; wymagane dalsze testy Od kilku do kilkudziesięciu chorób
Podatność genetyczna
• Pewne badania dają tylko ryzyko względne – jeśli się dowiesz że masz 2 x większe ryzyko cukrzycy to co zrobisz?
• Zmiana diety?
• Ćwiczenia/ruch?
• Nic?
Czułość i specyficzność
• Czułość (sensitivity) – jaka część chorych wychodzi jako chorzy w teście
• Specyficzność– jaka część zdrowych wychodzi jako zdrowi w teście
• Jeśli jedno i drugie 99% powinno być bosko. Ale jak jest naprawdę – zależy od CZĘSTOŚCI CHOROBY
Naprawdę ważne są wartości predykcyjne
• Pozytywna wartość predykcyjna – prawdopodobieństwo, że ktoś jest chory jeśli test jest dodatni
• Negatywna wartość predykcyjna - prawdopodobieństwo, że ktoś jest zdrowy jeśli test jest ujemny
DEFINICJA BADAŃ PRZESIEWOWYCH
“PRZYPUSZCZALNE WYKRYCIE choroby za pomocą testów, badania czy innych procedur, które można stosować SZYBKO by oddzielić (przypuszczalnie) chorych od (przypuszczalnie) zdrowych Co potrzebne: choroba/zaburzenie/itp
test populacja Co Badać
-Choroba/zaburzenie powinno być istotne Wysoka częstość
Poważne
-Możliwe wczesne wykrywanie u osób bezobjawowych
-Wczesne wykrycie może wpłynąć na przebieg choroby (dyskusje o CFTR) Parametry testu
- Czułość: Idealnie 100% - ile procent przypadków osób chorych jest wykrywanych - Specyficzność: Idealnie 100% -- czy test wyklucza osoby zdrowe
Terapia genowa
• Choroba ciężka, brak skutecznej terapii
• Znane podłoże genetyczne
• Albo dostępne komórki
• Albo wektor, który sam trafia
• Dostępność komórek jest problemem – najłatwiej krew; ale to nie jest trwałe – ale najlepiej komórki macierzyste
• Najlepiej do organizmu (in vivo)
• Łatwiej poza nim (ex vivo)
• Wprowadzenie brakującego genu (mukowiscydoza)
• Unieszkodliwienie/wyłączenie szkodliwego genu/produktu genu (nowotwory, choroba Alzheimera, Huntingtona itp)
Fazy badań klinicznych
• I – ocena bezpieczeństwa i dawki u ludzi; ok. 1 rok; 20-80 zdrowych ochotników
• II –efekty uboczne, ocena skuteczności leku – 2 lata, 200-300 pacjentów-ochotników
• III – sprawdzenie skuteczności leku, badania efektów długiego stosowania leku – 3 lata; 1000-3000 pacjentów-ochotników
Wektory wirusowe
• Retrowirusy ssRNA
– Lentiwirusy (HIV) trwała integracja w genom komórek dzielących i nie dzielących się.
– MSCV (murine stem cell virus) – brak integracji do komórek nie dzielących się – (Mo-MLV=Murine Leukemia Virus)
• AAV (adeno-associated virus) ssDNA wirus, zrekombinowany może dostarczać siRNA do dzielących się i nie dzielących komórek
• Adenowirusy dsDNA niestabilna integracja do genomu gospodarza
• Lentiwirusy – RNA -stałe wbudowanie, namnaża się w większości komórek, problem jak z retrowirusami – aktywacja np. onkogenów
• AAV – ssDNA, <5 kb, 10% integruje w chrom. 19, niepatogenny, mała pojemność
• HSV-1 dsDNA , 40/150kb, przenika przez barierę krew-mózg; może wywoływać zapalenia Wektory nie będące wirusami
• Elektroporacja
• Mikropociski
• Mikroiniekcja
• Otoczki (lipidy kationowe, peptydy, polietylenoiminy)
• Dodatkowe białka (np. by mogły wyjść z endosomów); coraz więcej wirusowych białek ale bez wirusów
SCID – sukcesy?
• 11 chłopców z formą SCID sprzężoną z płcią
• Terapia genowa komórek macierzystych krwi
• U 2 białaczki; 3-ci z podobnie wstawionym wirusem jest zdrowy
• Cd.????
• 10 dzieci SCID ADA
• Po 4 latach wszyscy żywi
• U 5 nie podawana ADA dożylnie
• SUKCES – komentarza NEJM
Drugi sukces – choroba Lebera (inna nie mitochondrialna)
• Typ 2 – brak białka kodującego izomerohydrolazę nabłonka barwnikowego siatkówki (gen RPE65 – 1 z 13 genów; 6,5% przypadków
• AAV; 1 podanie; 12 osób 8-44 lata; poprawa przynajmniej 2 log Trzeci sukces – choroba Christmasa
• Rzadszy typ hemofilii
• Brak czynnika krzepliwości
• AAV
• 3% ekspresji już pomaga Efekty po wielu latach
• Wiele zdrowych myszy
• Trochę zdrowych ludzi
• Ale jest jeszcze kilka wątków pochodnych – siRNA; przeciwciała monoklonalne; i specyficzne inhibitory
RNA interference
Proces wyciszania genu spowodowany wprowadzeniem do komórki dsRNA homologicznego do fragmentów mRNA genu, który chcemy wyciszyć.
Trwają badania oparte o RNA i nad terapią:
• chorób nowotworowych • AIDS • Wirusowe zapalenie wątroby typu C • Cukrzycy • alergii • astmy
• choroby Huntingtona • chorób neurodegeneracyjnych:Alzheimer, Parkinson • Reumatoidalne zapalenie stawów
Terapia nowotworów, przykłady:
• Philadelphia t(9;22)(q34;q11) translokacja powoduje usunięcie jednego z egzonów genu bcr i powstanie fuzji bcr-abl
• ostra białaczka limfoblastyczna
• Produkty prawidłowych genów są kinazami serynowo-treoninowymi
• siRNA skierowane w bcr-abl, powoduje zahamowanie proliferacji komórek nowotworowych jednocześnie nie wpływa na poziom mRNA bcr i abl (jeszcze nie stosowane u ludzi)
Problemy...
• Niedoskonałość dotychczas opracowanych metod dostarczania siRNA in vivo
• Nie do końca wyjaśniony mechanizm biochemiczny
• Nadmiar siRNA powoduje aktywację szeregu genów związanych z odpowiedzią na stres
Dane o raku piersi
• 1 na 8 kobiet zachoruje na raka piersi, w większości przypadków przed 70 r.ż. (najwięcej między 45 a 64 r.ż.)
• 230 480 diagnozowanych osób w tym 2000 mężczyzn (ocz. 2011) w USA, 14 695 diagnozowanych osób w tym 119 mężczyzn (2008r.) w Polsce
• Ponad 39 520 zgonów w 2011 w USA, 5398 zgonów w 2008 r. w Polsce
• Od 1990 r. śmiertelność spada 2% rocznie (do 2007 dane)
• Przyczyna – głównie wczesne wykrywanie i nowe terapie Czynniki do przewidywania postępu choroby i terapii
• Węzły chłonne
• Wiek
• Wielkość guza
• Jego charakter
• Receptory estrogenu i progesteronu
• Obecność Her
Genomika pomaga w ocenie danych dla konkretnego pacjenta Genomika
– Badanie jak oddziałują geny i jak są wyrażane te narzędzia pozwalają na określenie – Jak agresywny jest nowotwór (prognoza)
– Przypuszczalne korzyści z terapii (predykcja)
• Oncotype DX® Breast Cancer Assay
• ocenia poziomy ekspresji genów w tkance nowotworu. Czy będzie wznowa przewiduje korzyści z terapii
16 genów rakowych i 5 referencyjnych
Wyliczenie ryzyka wznowy Współczynnik x poziom ekspresji Kategoria RS (0-100)
niskie RS <18
pośrednie RS ≥18 i <31 wysokie RS ≥31
Perspektywy
• Wczesne wykrywanie – biobanki?
• Inni antagoniści HER2 i innych białek
• Kolejne testy typu Mammaprint/Oncotype Zachowanie
- Może być przekazywane przez rodziców dzieciom.
- Jaka część jest efektem działania genów?
- Co jest wynikiem „środowiska” nature vs nurtuje Cechy/zachowania w rodzinach
• Choroba Alzheimera
• Depresja
• Choroba Huntingtona
• Schizofrenia
• Inteligencja
• Studia na AM (80x większe ryzyko dla krewnych 1. stopnia) Zaburzenia samopoczucia
Serotonina wpływa na samopoczucie, emocje, apetyt, spanie
- Wiele leków przeciw depresji hamuje wychwyt serotoniny m.in. Prozac, Paxil i Zoloft Schizofrenia – 1 % ludzi chorych
Przed 1966, schizofrenia – efekt środowiska i matki
W 1966 - dzieci matek ze schizofrenią oddane do adopcji miały taką samą częstość schizofrenii jak dzieci wychowywane przez matkę chorą na schizofrenię
Schizofrenia
• Zaburzenie postrzegana i myślenia – prowadzi do odrzucenia świata rzeczywistego
• Postęp choroby – kłopoty ze skupieniem się; problemy z pamięcią i uczeniem się, psychoza, deluzje i halucynacje
• Ok.. 50% osób w szpitalach psychiatrycznych cierpi na schizofrenię Odziedziczalność znana, ale geny na ogółnie
Schizofrenia i choroba dwubiegunowa :Dziesiątki miejsc na chromosomach przez analizę sprzężeń ALE mało się powtarza, a żadne nie powtarza się we wszystkich badaniach (różne geny, niejednorodne grupy??) Nie znaleziono GENÓW.
Neurotycyzm i poszukiwanie nowości: Są geny ale odpowiadają za niewielką część znanej zmienności.
Dwa modele
1. Genetyka pierwotna środowisko drugorzędowe
2.Środowisko pierwotne i genetyka drugorzędowa - Jest podłoże genetyczne, ale coś w środowisku jest potrzebne by choroba wystąpiła
Ryzyko schizofrenii - Niedożywienie matki - Zakażenie wirusem Borna - Niedotlenienie płodu - Komplikacje przy porodzie - Uszkodzenie mózgu
- Zakażenie wirusem opryszczki przy porodzie Depresja
- Jednobiegunowa – tylko depresja
- Dwubiegunowa - depresja i hiperaktywność na zmianę - 8-9% populacji
- Depresja jednobiegunowa najczęstsza - kobiety:mężczyźni (2:1)
- start często 40-50 lat
- chudnięcie, bezsenność, kłopoty z koncentracją, drażliwość, niepokój i brak zainteresowania otoczeniem
Choroba dwubiegunowa - 1% populacji USA - początek – nastolatki czasem, najczęściej 20+ - 30+
- Mężczyźni i kobiety - Wiele osób wybitnych – ADHD i ADD
Attention deficit disorder (ADD)
Attention deficit/Hyperactivity disorder (ADHD)
• 3-5x większe ryzyko zachorowania u rodzeństwa
• Bliźnięta ~ 80% odziedziczalność
• ? Szlaki związane z dopaminą (badanie sprzężeń)
Pojedyncze geny mogą wpływać na zachowanie ale to niewiele mówi o mechanizmach zachowania PKU - fenyloketonuria
- nieleczona (dieta) daje poważną niepełnosprawność intelektualną - jeden gen – poważny efekt
Zespół Lescha-Nyhana
- choroba recesywna sprzężona z płcią - 1 na 100000 noworodków-chłopców - wrodzona wada metabolizmu
- brak enzymu fosforybozylotransferazy hipoksantyna guanina - wysoki poziom kwasu moczowego w krwi i moczu
- silne skłonności do samookaleczeń - pełne objawy do ok 2-4 lat - na ogół 20 lat
Zaburzenia odżywiania
Anorexia nervosa -zaburzona percepcja własnego ciała, śmiertelność 10-20%; głodzenie - U.S. kobiety - 5%
- Śmiertelność 15-21%.
- 10% przypadków to mężczyźni.
- Odziedziczalność 0.5 - 0.8 np 9/16 MZ zgodnych i 1/14 DZ - Genów jeszcze nie ma
Bulimia -inna metoda trzymania linii na ogół później Dystrofia mięśniowa - anaboliki aby rozbudować mięśnie Uzależnienie od używek
- Odziedziczalność 0.4-0.6
- Badania bliźniąt i adopcji też wskazują na rolę genów w uzależnieniach U zwierząt jeden gen – różnica między wiernością a jej przeciwieństwem Myszy – samce dość rozwiązły tryb życia
Nornica – wierna
Jeden gen – receptor wazopresyny Badanie zachowania
Modele zwierzęce
- naturalne (myszy/nornice) - selekcja na zachowania
- wsobne szczepy myszy - Drosophila
U muszki tłumy genów– mają ludzkie odpowiedniki ale my jednak jesteśmy bardziej skomplikowani Bada się
LUDZI – rodziny; bliźnięta: mono-/dizygotyczne, wychowywane razem lub osobno ZWIERZĘTA – gryzonie, muszki, ryby, nicienie
- normalne - Wsobne
- Zmienione genetycznie (gen namnożont; nokaut genu; gen zmutowany; knock-in genu) Geny i zachowanie
- Zazwyczaj nie pojedyncze geny Cechy wieloczynnikowe
- Trudno zdefiniować fenotyp to nie jest proste zdrowy/chory Norma od super nieśmiałego do super przebojowego
Społeczeństwo określa normy Genetyczna kontrola zachowania - badania rodzin
- badania bliźniąt i adopcji - szukanie genów
Zachowanie złożone wiele genów; Cechy trudne do mierzenia Mitochondrialny DNA w komórce i organizmie
• Heteroplazmia
• Rozdział mtDNA w czasie podziału komórki
• Dystrybucja tkankowa
• Mitochondria w komórkach linii płciowej żeńskiej, zjawisko wąskiego gardła Budowa mitochondrialnego DNA człowieka
• Obszary niekodujące: Pętla D (ang. D-loop) – obszar regulacyjny, którego budowę poznamy przy okazji omawiania replikacji i transkrypcji.
• Pozostałe są mikroskopijnych rozmiarów
