Adobe Systems Zápatí prezentace 1 Genetika ve výživě, úvod Julie Dobrovolná, Ústav patologické fyziologie, MED MUNI Genetika, genomika male_fly Mouse_white humev_cartoon_cz genetika specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností u všech živých organizmů lidská genetika studuje variabilitu a dědičnost u člověka klinická genetika zabývá se genetikou patologických stavů diagnostika, genetické poradenství a prevencí genetických nemocí (nejen u pacienta ale celé rodiny!) cytogenetika studium chromozomů molekulární genetika studium struktury a funkce jednotlivých genů populační genetika studium proměnlivosti populací komparativní a evoluční genetika mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů genomika studuje strukturu a funkci genomů pomocí genetického mapování, sekvenování a funkční analýzy genů snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých organizmů strukturní genomika = pochopení struktury genomu konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů, konečným cílem je kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt) funkční genomika = studium funkce genů a ostatních částí genomu využívá poznatků strukturní genomiky a snaží se o poznání funkce genů; velmi často k tomu využívá modelové organizmy (myš, kvasinka, nematoda, Drosofila aj.) jako časově a finančně výhodnou alternativu vyšších živočichů (zejm. pro možnost studovat mnoho generací v relativně krátkém čase Chromozomální podstata dědičnosti DNA, RNA, proteiny DNA nese potřebnou informaci potřebnou pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a reprodukce složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze [A, G, C, T]) DNA kostra – polynukleotidový řetězec zbytky deoxyribózy a kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou DNA dvojšroubovice - 2 polynukleotidové řetězce v opačné orientaci jedno vlákno v 5’ ® 3’ směru, druhé opačně vodíkové vazby mezi páry bází (A=T, GºC) dvojšroubovice se rozpadá při replikaci a transkripci molekulárně-biologické dogma: DNA ® RNA ® protein 3_37 3_36 Nukleosid ´ nukleotid ´ báze ´ DNA dna pyri puri DNA replikace DNA%20replication Gen DNA obsahuje definované úseky zvané geny – základní jednotky dědičnosti gen = segment molekuly DNA, který obsahuje kód pro AK přísl. polypeptidu a nezbytné regulační sekvence pro regulaci své exprese promotor (5’-konec) vazebná místa pro transkripční faktory exony introny 3’ nepřepisovaná oblast (UTR) při transkripci vzniká RNA 1) hnRNA je komplementární celému genu (1. exon ® poly-A konec) 2) mRNA vzniká sestřihem hnRNA (intronů) translací vzniká protein transcription GEN RNA “splicing” introns Translace TranslationDetails Translace – detail tRNA / AK tRNA Genetický kód určuje pořadí AK v proteinu univerzální podobný princip u většiny živých organizmů tripletový trojkombinace z celkem 4 nukleotidů (A, C, G, T) degenerovaný 43 = 64, ale aminokyselin jen 21 Chromatin ´ chromatida ´ chromozom DNA je organizována v chromozomech chromatin + chromozomální proteiny (histony) chromozom = lineární sekvence genů přerušovaných nekódujícími úseky v nedělící se buňce je chromatin rozprostřen volně v jádře u dělící se organizuje do viditelných chromozomů struktura chromozomu centromera telomery (raménka) dlouhé - q krátké – p dvě kopie daného chromozomu po replikaci (před dělením) = sesterské chromatidy chromosome_structure chromosome(color) copy Buněčný cyklus Dělení buněk mitóza 1 cyklus DNA replikace následuje rozdělení chromozomů a jádra (profáze ® prometafáze ® metafáze ® anafáze ® telofáze) a násl. celé buňky (cytokineze) vzniknou 2 dceřinné buňky s diploidním počtem chromozomů meióza 1 cyklus replikace následován 2 cykly segregace chromozomů a buněčného dělení 1. meiotické (redukční) dělení – rozdělení homologních chromozomů významné – odehrává se zde meiotický crossing-over (rekombinace) – žádná z gamet není identická! poruchy rozestupu – např. trisomie 2. meiotické dělení – rozestup sesterských chromatid 2 dceřinné buňky s haploidním počtem chromozomů vznik pohlavních buněk (spermie, vajíčko) dodatečné promíchání genetického materiálu crossing-overem mitosis_meiosis Mitóza - detail Mitosis Karyotyp člověka každý biologický druh má svou charakteristickou chrom. výbavu (počet a morfologii) = karyotyp u člověka mají somatické diploidní bb. 46 chromozomů 22 párů homologních autozomů 1 pár gonozomů (44XX nebo 44XY) gamety (vajíčko, spermie) 23 – haploidní standardní klasifikace číslováním podle velikosti zpracování vzorku buněk pro karyotyp nejlépe hodnotitelné jsou kondenzované chromozomy v metafázi nebo prometafázi mitózy lymfocyty perif. krve nutno uvést do mitózy mitogenem a zastavit v metafázi např. colchicinem barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne charakteristického pruhování a tím rozlišení jednotlivých chromozomů hodnocení karyotypu manuální – obarvený chromozomový “rozptyl” (nejč. mitotické lymfocyty nebo bb. plodové vody) se po obarvení vyfotí, vystřihnou a seřadí do párů automatizované (mikroskop + software) chromosomes Gen ´ alela ´ genotyp ´ fenotyp gen – základní jednotka dědičnosti genové rodiny sekvenčně podobné geny, které vznikly zřejmě duplikací během evoluce např. geny pro hemoglobiny, imunoglobuliny, některé enzymy, … pseudogeny podobné konkrétním genům ale nefunkční každý gen je umístěn na konkrétním místě konkrétního chromozomu = lokus (např. 12q21.5) lokalizace genů je u všech lidí stejná, sekvence ale ne! alela – konkrétní varianta genu v populaci se pro naprostou většinu genů vyskytuje vícero variant (= alel), které mohou být různě časté = genetický polymorfizmus genotyp – kombinace alel v určitém lokusu na paternálním a maternálním chromozomu diploidního genomu haplotyp – lineární kombinace alel na jenom z homologních párů chromozomů fenotyp – vnější projev (vyjádření) genotypu znak – jednoduše měřitelná, většinou spojitá proměnná fenotyp – sobor znaků intermediární fenotyp – podobný znaku, ne vždy musí být spojitý allele Mouse_white Mouse_brown Genotyp_haplotyp Epigenetika •studuje změny v genové expresi (a tedy obvykle i ve fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA •výjimky z obecného pravidla, že dědičné fenotypické změny jsou způsobeny změnami v genech •epigenetické jevy mohou být děděny •z buňky na buňku tedy jak při mitóze •z generace na generaci, tj. při meióze •“epigenetický kód” •přenáší se při replikaci DNA a dělení buněk (tj. identický fenotyp dceřiné buňky) •chromatin •DNA •histony •nehistonové proteiny •typy epigenet. modifikací •(1) heterochromatin = modifikace histonů •(2) euchromatin = DNA metylace •5-methylcytosin se chová analogicky při replikaci ale jinak při transkripci •(3) micro-RNAs (silencing) •translace ale i DNA metylace •(4) priony •možná transmise na dceřiné buňky – ale nejasné u člověka • DNA metylace a modifikace histonů •oblasti DNA s >55% CG (lineárně) se nazývají CpG oblasti •cíle DNA-metyltransferáz = 5-methylcytosin •“maintenance” metylace •metyltransferázy •de novo metylace •velmi často v promotorových oblastech genů •ne u “housekeeping” genů •hyper- nebo hypometylace mění “assembly” transkripčního komplexu a tím intenzitu exprese •spolupracuje s ostatními enzymy podílejícími se na modifikaci histonů Kooperace DNA metylace a modifikace histonů •fyziologicky •(1) diferenciace buněk v mnohobuněčném eukaryotickém organizmu = epigenetika •totipotentní kmenová buňka •embryo: zygota ---> blastocysta •fetus: pluripotentní buňky ---> progenitorové buňky ----> diferencované buňky •regenerace diferencovaných buněk = přenos epigenetických změn •zejm. díky konformaci histonů •a setrvalé tvorbě faktorů zodpovědných za epigenetické změny •(2) inaktivace jednoho z X-chromozomů u žen •(3) evoluce ????? •patofyziologie •(1) germinativní buňka •nemoci na základě genomického imprintingu •behaviorální poruchy a mentální retardace! •Angelmanův/Prader/Williho syndrom, fragilní X syndrom, některé thalasémie, •fetální programování •(2) somatická buňka •nádory a další choromozomální instability •hypometylace protoonkogenů nebo hypermetylace supresorů (inaktivace Rb, p53, …) •mikrosatelitová instabilita •nenádorová onemocnění •diabetes, obezita, ateroskleróza • • Epigenetika ve fyziologickém a patofyziologickém kontextu Lidský genom Human Genome Project (HUGO) – 1990 - 2003 v haploidní genom obsahuje cca 3.3´109 bp z 99.9% identická sekvence pouze 3% jsou kódující sekvence popsáno cca 30 000 genů genů (20 - 25 000 proteiny) exprimovaných v libovolném čase v průběhu života organizmu ~75% se skládá z jedinečné (neopakující se) sekvence zbytek tvoří repetitivní sekvence nejasná funkce, zřejmě udržují strukturu chromozomů, možná jsou “evoluční”rezervou typy repetic tandemové mikrosatelity minisatelity Alu-repetice L1-repetice hustota genů na jednotlivých chromosomech je dost heterogenní mitochondriální DNA několik desítek genů kódujících proteiny zapojené v mitochondriálních procesech přenos pouze od matky! HapMap project 2003 – 2005 na n=269 osob 4 etnik (Yoruba, Han, Japanese, Caucasian) popisuje charakter LD a rozsah genetické variability (= 0.1%) satelity GENE_COUNT Genetická variabilita (~0.1%) bimeiosis DNA sekvence kódujících i nekódujících úseků genomu je variabilní v populaci pro daný gen vyskytuje vícero variant (= alel) s různou populační frekvencí = genetická variabilita, která je výsledkem několika procesů 1) sexuální reprodukce 2) nezávislé meiotické segregace 23 párů ch. ® 223 kombinací = 8,388,608 různých gamet 3) rekombinace (meiotický crossing-over) >> kombinací než 8 miliónů 4) mutageneze de novo chyba při DNA replikaci proof-reading DNA polymerázy ani mismatch DNA repair není 100% působení externích mutagenů 5) genetický drift 6) přirozená selekce Crossing-over a rekombinace při meióze získává každá gameta náhodně 1 z páru homologního chromozomu - paternálního (CHp) nebo maternálního (CHm) při celkovém množství 23 páru je tedy teoreticky možných 223 kombinací (= 8,388,608 různých gamet) ve skutečnosti ale gameta obsahuje směs homologního CHm a CHp chromozomu v důsledku procesů během prvního meiotického dělení = crossing-overu a rekombinace takže např. alely, které původně pocházely od různých prarodičů, mohou být na jednom chromozomu vzniká tedy mnohem vyšší počet kombinací než 8 miliónů pravděpodobnost rekombinace ale není pro každý úsek DNA stejná, ale záleží na vzdálenosti čím blíže jsou geny u sebe tím menší je pravděpodobnost rekombinace vzdálenost se může udávat i v centimorganech (1cM = 1% pravděpodobnost rekombinace) crossingover01 Haplotypové bloky existence haplotypů lineární kombinace alel (SNPs) na vícero sousedních lokusech jednoho z homologních chromozomů přenášená pohromadě (Æ rekombinace) statistická asociace mezi DNA variantami linkage disequilibrium (LD) na dané chromatidě se tedy vyskytují skupiny těsně vázaných variant = haplotypové bloky Troška historie (antropologie) •původ haplotypových bloků •rekombinační historie ancestrálních chromozomů •současná populace je potomstvem anatomicky moderního Homo sapiens (Afrika před cca 150 000 let) •migrace malých populací (¯ effective breeding pool) + selekce + drift + “bottlenecks” aj. ® většina neafrických populací je homogennějších •současná (inter-breeding) populace = určitý počet “hybridních” chromozomů MigMapWKey2 originofhaplotype Lidská populační historie [© 1999 Kenneth K Kidd, Yale University] Evoluce – selekce na kontinuálně se měnící prostředí?? Citation8_big Klasifikace geneticky podmíněných nemocí prakticky každá nemoc (tj. její vznik a progrese) je u daného jedince modifikována genetickou výbavou, avšak s různým podílem na finálním fenotypu snad s výjimkou úrazů, závažných intoxikací a vysoce virulentních infekcí, kde individuální genetická konstituce nehraje prakticky žádnou roli chromozomální poruchy nejedná se o konkrétní chybu ale o nadbytek/nedostatek genů obsažených v celých chromozomech nebo jejich segmentech (“gene dosage” efekt) monogenní nemoci jedna kritická “chyba” (tj. alela) konkrétního genu je sama o sobě nebo v homozygotní kombinaci téměř výhradně zodpovědná za rozvoj nemoci(fenotypu) nebo přenašečství a tedy zvýšenému riziku pro potomky komplexní (poly-, multigenní) nemoci (tzv. civilizační) genetická dispozice podmíněná kombinací alel několika genů je výrazně manifestována prostředím a komorbiditami Chromozomální poruchy •vznikají v důsledku změn genetické informace, ale na rozdíl od monogenních a komplexních se nedědí! •aneuploidie (změna počtu chromosomů v sadě) •porucha rozdělení sesterských chromozomů [meiotická non-disjunkce] •monosomie •gonozomální •Turnerův sy. (45, X0) •trisomie •autozomální •Downův sy. (47, XX/XY + 21) •Edwardsův sy. (47, XX/XY +18) •Patauův sy. (47, XX/XY +13) •gonozomální •Klinefelterův sy. (47, XXY) •polyploidie (porucha rozdělení celých sad nebo oplození 2 spermiemi [dispermie]) •u člověka neslučitelné se životem •těhotenství je potraceno •molla hydatidosa (a pak těhotenství nutno ukončit potratem) •porod novorozence s triploidií – velmi časná letalita • Kompletní aneuploidie vs. mozaicismus Typy DNA záměn na základě populační frekvence se tradičně rozlišují polymorfizmus a mutace polymorfizmus = existence několika (přinejmenším dvou) alel pro daný gen, z nichž nejméně častá má populační frekvenci alespoň 1% mutace = méně častá alela má populační frekvencí <1% pozor, existuje ale značná nejednotnost v terminologii – někdy se mutací myslí záměna v kódující oblasti genu a polymorfizmem záměna v nekódující, jindy např. mutací záměna vedoucí k rozvoji patologického fenotypu, polymorfizmem záměna bez patologického důsledku typy záměn 1) genomové změna počtu chromozomů (trisomie, monosomie) změny celých sad (aneuploidie, polyploidie) 2) chromozomové (aberace) výrazná změna struktury jednotlivých chromozomu (duplikace, delece, inzerce, inverze, translokace) 3) genové – podílí se na genetické variabilitě v populaci kratší změny (1 – tisíce bází) = mutace a polymorfizmy v pravém slova smyslu naprostá většina DNA záměn leží v nekódujících oblastech genomu repetitivní – mikrosatelity CTGACTTTGAGACACACACACACACATGGTCTGATGCG nerepetitivní – SNPs CTGGCTAGTCGGCTATAGC[A/G]GTCAGGAACGTCGAG Klasifikace genových mutací/polymorfizmů bodové (tranzice a transverze) nejč. bi-alelické jednonukleotidové polymorfizmy (angl. single nucleotide polymorphisms, tzv. SNP) – cca 100 000 v lidském genomu délkové repetice nejč. mikrosatelity (např. CA12) delece (1bp – MB) inzerce + duplikace inverze translokace funkční dopad substitucí – podle lokalizace v genu! v kódující oblasti (exonech) žádný (tzv. silent) substitucí vytvořen stop-kodon (tzv. nonsense) – např. thalasemie záměna aminokyseliny (tzv. missense) – např. patologické hemoglobiny změna čtecího rámce (tzv. frameshift) – např. Duchennova muskulární dystrofie, Tay-Sachs expanse trinukleotidových repeticí – např. Huntingtonova choroba delece vede ke zkrácení proteinu – např. cystická fibróza ke změně místa sestřihu výsledkem může být kvalitativní efekt (např. různá primární, sekundární a terciární struktura, aktivita proteinu, afinita, …) v nekódujících oblastech 5’ UTR (tj. promotor genu) = kvantitativní efekt (např. různá intenzita transkripce) introny - kvalitativní efekt (změna sestřihového místa) nebo kvantitativní efekt (vazba represorů nebo enhancerů) 3’ UTR - efekt na stabilitu mRNA výsledkem může být znásobení dávky genu (tzv. gene-dosage effect) důsledky gamety Þ fyziologická variabilita a geneticky podmíněné nemoci somatické bb. Þ nádory Missense a frameshift substituce mutace InsertionDeletion Mikrosatelity species_compare_vasopres_f anatomyJ1 Interindividuální variabilita fyziologická interindividuální variabilita znaků je důsledkem genetické variability pokud působí na daný znak hodně faktorů, které se vzájemně neovlivňují, blíží se populační distribuce normálnímu rozložení pokud je jeden faktor významně silnější něž ostatní, nebo pokud jsou mezi nimi interakce, je pak distribuce asymetrická, více vrcholová aj. interindividuální variabilita daného znaku je přítomna v celé populaci (tedy zdravých i nemocných) nemoc jako plynulá funkce znaku etiologie nemocí nemoc “z jedné velké příčiny” ´ nemoc multifaktoriální dominantní příčinou nebo částí z mnoha příčin můžou být faktory genetické, pak specificky hovoříme o monogenních a komplexních nemocech ist2_973479_friendly_faces Adobe Systems Zápatí prezentace 37 Z čeho lze poznat, že na vzniku určité nemoci (IM fenotypu) se podílí genetické faktory? binární fenotyp (ano/ne) familiární agregace prevalence v rodinách postižených probandů > prevalence v celk. populaci platí jak pro monogenní tak komplexní nemoci segregační analýza nalezení modelu dědičnosti daného fenotypu rodinách (tj. recesivní nebo dominantní) pouze u monogenních (pro “major” geny) spojitý fenotyp (jak moc) intra-family correlation coefficient proporce celk. variability ve fenotypu způsobená variabilitou mezi rodinami heritabilita procento variability fenotypu v důsledku variability genotypu (studie na dvojčatech MZT, DZT) Monogenní nemoci (ano / ne) onemocnění je důsledkem mutace v jediném lokusu (= jednolokusové) přenos mutace (a fenotypu) odpovídá Mendelovým zákonům (= mendelistické nemoci) konstrukce rodokmenů typy přenosu autozomální geny na obou autozomech aktivní gonozomální (X-chromozom vázané) muži hemizygotní u žen 1 X-chromozom inaktivován!! (imprinting, mozaicizmus) podle projevu genotypu ve fenotypu recesivní nemoc jen u mutovaného homozygota dominantní nemoc stejná u heterozygota a mutovaného homozygota neúplně dominantní odstupňovaná tíže nemoci u heterozygota a mutovaného homozygota kodominantní jak normální tak patologická alela jsou vyjádřeny ve fenotypu doposud známé shrnuje OMIM (On-line Mendelian Inheritance in Man) ~6000 klinicky významných fenotypů typické znaky časná manifestace (dětství) malá frekvence v populaci většinou výrazně patologické pedigree Zakladatel klasické genetiky Johan Mendel narozen 1822 v selské rodině na severu Moravy, která v té době byla součástí Rakousko-Uherské monarchie. Rakouský augustiniánský mnich (působil v Brně, kde mu bylo umožněno velkorysým nadřízeným, opatem F.C. Nappem pracovat a bádat) Gregor Mendel Od roku 1856 Mendel studoval hrách, který pěstoval v zahradě vedle opatství, kde žil (Mendelovo náměstí v Brně) Podařilo se mu prokázat, že znaky, které sledoval, se chovaly podle přesných matematických principů a vyvrátil tak teorii „míchaných znaků“. Mendelova práce byla znovuobjevena v roce 1900 třemi botaniky Carl Correns (Německo) Erich von Tschermak (Rakousko) Hugo de Vries (Holandsko) Gregor Mendel 1866 publikoval svoje dílo 1875 poprvé popsána mitóza 1890 poprvé popsána meióza 1900 znovuobjeveno Mendelovo dílo 1902 Walter Sutton, Theodore Boveri ad další popsali paralelu mezi chováním chromosomů a alel. Historické souvislosti Mendel použil pro studium genetiky hrách, protože: Byly komerčně dostupné vhodné odrůdy Hrách je jednoduché pěstovat Hrách má mnoho pozorovatelných znaků: Barva semen – zelená nebo žlutá Tvar semen – okrouhlá nebo svraštělá Barva lusku – zelená nebo žlutá Tvar lusku – hladký nebo svraštělý Barva květů – bílá nebo červená Pozice květů – Axiální nebo terminální Rozměr květiny – Vysoká nebo trpasličí Proč hrách? Květiny hrachu jsou takové konstituce, že se v typickém případě samoopylují Díky tomu lze relativně jednoduše kontrolovat křížení u této rostliny Blizna Prašníky Proč hrách? Odstraněním prašníků z jedné rostliny a umělého oplodnění za pomocí opylovacího kartáčku lze dosáhnout u hrachu snadno kontrolovaného křížení. Proč hrách? Odstraněním prašníků z jedné rostliny a umělého oplodnění za pomocí opylovacího kartáčku lze dosáhnout u hrachu snadno kontrolovaného křížení. . . . . . . . . . . . . Proč hrách? Odstraněním prašníků z jedné rostliny a umělého oplodnění za pomocí opylovacího kartáčku lze dosáhnout u hrachu snadno kontrolovaného křížení. . . . . . . . . . . . . Proč hrách? Odstraněním prašníků z jedné rostliny a umělého oplodnění za pomocí opylovacího kartáčku lze dosáhnout u hrachu snadno kontrolovaného křížení. Proč hrách? Při křížení hrachu s červenou a bílou barvou květů získal Mendel následující výsledky: : V první dceřinné generaci (F1) měly všechny rostliny červené květy Ve druhé generaci (druhá dceřinná neboli F2): 705 červených 224 bílých Poměr červených k bílým cca 3:1 Mendelovy výsledky Protože generace F1 neměla žádné světle červené květy a protože se v generaci F2 znovu objevily květy bílé, vyvrátil Mendel teorii „mísení znaků“. Mendel formuloval, že pokud dvě rodičovské rostliny hrachu mají dvě sady všech genů, mají také i dvě kopie genu pro barvu květů Každý gen má dvě varianty zvané alely V případě alel pro barvu květů hrachu je to alela pro červenou a alela pro bílou barvu. Mendelovy výsledky II CC Cc Cc cc V první dceřinné generaci, tedy F1 generaci, byla bílá alela schována za dominantní červenou alelu Ve druhé dceřinné generaci, tedy F2 generaci, 1/4 potomstva získalo dvě kopie alel pro bílou barvu, proto měly květy barvu bílou C c C c F2 Generace Cc Cc Cc Cc C C c c F1 Generace Gamety z rodičovské generace P Heterozygotní rodiče tvoří oba typy gamet, dominantní i recesivní Generace F1 je ryze heterozygotní Homozygotní rodiče tvoří alely pouze jednoho typu, buď dominantní nebo recesivní Vysvětlení Mendelových experimentů Mendelovy výsledky Znak Semena Kulaté/svraštělé Žluté/zelené Plné/svraštělé Lusky zelené/žluté axiální/terminální Květy červené/bílé Vzrůst Vysoké/trpasličí F1 Výsledky Všechny kulaté Všechny zelené Všechny plné Všechny zelené Všechny axiální Všechny červené Všechny vysoké F2 Výsledky 5,474 Kulaté 1,850 svraštělé 6,022 Žluté 2,001 zelené 882 Plné 299 svraštělé 428 Zelené 152 žluté 651 Axiální 207 terminální 705 červené 224 bílé 787 vysoké 277 trpasličí Dominantní znaky v F1 maskují fenotypicky recesivní znaky Maskované recesivní znaky se znovuobjeví v F2 Autozomální monogenní nemoci u heterozygotů s 1 mutovanou alelou stačí produkt normální k udržení normální funkce Þ recesivní pokud ne Þ dominantní onemocnění je důsledkem: haploinsuficience pro normální funkci je potřeba >50% aktivního genového produktu dominantě negativního efektu syntéza abnormálního proteinu, který “soutěží” s normálním a ovlivňuje fenotyp (např. osteogenesis imperfecta) zesílení funkce (“gain-of-function”) mutací je posílena přirozená vlastnost proteinu (např. Huntingtonova chorea) familiární predispozice k nádorům ztráta heterozygozity (loss-of-heterozigosity, LOH) u supresorových genů (např. retinoblastom) nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově autozomálně recesivní (AR) velmi často enzymové defekty postižen je mutovaný homozygot (popř. sourozenci), heterozygotní rodiče jsou přenašeči (asymptomatičtí) riziko 0.50 ´ 0.50 = 0.25 muži a ženy většinou postiženi stejně frekvence přenašečů nemoci v populaci >>> frekvence nemocných nejčastější AR nemocí u bělochů je cystická fibróza f nemocných 1/2000, f přenašečů 1/22 !!! konsanguinita (příbuzní rodiče) a imbreeding významně zvyšuje riziko AR (přenašeči v rodinách) domluvené sňatky (např. bratranec / sestřenice) geneticky izolované populace (např. Aškenazi židé – Tay-Sachsova choroba ) autozomálně dominantní (AD) nemoc se projevuje v každé generaci - postižený jedinec má postiženého rodiče (a prarodiče) a to matku nebo otce riziko pro potomka 0.50 (pokud by byli oba rodiče postižení pak 0.75, ale to je vzácné) příklady nejčastějších AD familiární hypercholesterolemie (1/500), myotonická dystrofie (1/1000) Huntingtonova chorea (1/3000) X-vázané monogenní nemoci ženy 3 genotypy, muži pouze 2 X-vázané nemoci se manifestují u všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen ale výjimky viz dále příklady hemofilie A Duchenneova muskulární dystrofie Wiskott-Aldrichův syndrom (imunodeficience) inaktivace X-chromozomu u žen kompenzace dávky a exprese X-vázaných genů hypotéza Lyonové (“lyonizace”) v somatických bb. je 1 X inaktivovaný a v interfázi se zobrazuje jako “Barrovo” tělísko (viz sporné identifikace pohlaví) proces je náhodný, může se týkat jak otcovského tak mateřského X důsledkem je variabilní exprese X-vázaných genů u heterozygotek (“manifestující přenašečka”) funkční mozaicismus mosaic1 Komplexní choroby (spojitý fenotyp) Complex Diseases Komplexní choroby choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex“ genetických, epigenetických a vnějších faktorů fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či recesivní dědičnost jako důsledek změn v jediném lokusu (tzv. jednolokusových) predisponující “geny” zvyšují pravděpodobnost onemocnění, ale nedeterminuje jednoznačně jeho přítomnost je nutné spolupůsobení negenetických faktorů (prostředí) dieta, fyzická aktivita, kouření, …. komorbidit a interakcí genů mezi sebou komplexní onemocnění jsou charakterizována: neúplnou penetrancí patologického fenotypu u určité části osob, přestože zdědí nevýhodný genotyp (tedy soubor vícero alel) se patologický fenotyp nerozvine existencí fenokopií patologický fenotyp může být přítomen u lidí, kteří nejsou nosiči zmíněného genotypu genetickou heterogenitou (lokusovou a alelickou) klinický obraz není specifický, ale může se rozvinout v důsledku záměn v genech ležících na různých lokusech (= lokusová heterogenita), v jednotlivých genech může být přitom vícero mutací či polymorfizmů (= alelická heterogenita) polygenní dědičností predispozice k rozvoji patologického fenotypu se zvyšuje pouze při simultánním výskytu určitého souboru alel vysokou populační frekvencí alel zodpovědných za rozvoj patologického fenotypu každá jednotlivá predisponující alela pravděpodobně není sama o sobě výrazně patogenní spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu mitochondriální dědičnost, imprinting nejčastější komplexní nemoci esenciální hypertenze porucha gluk. tolerance / diabetes (1. i 2. typu) dyslipidemie atopie Srovnání zákl. charakteristik Mapování kauzálních variant = genetická epidemiologie new-1 vazebná (linkage) studie sleduje přenos genetického (nejč. mikrosatelity) a fenotypového znaku mezi přímými příbuznými v postižených rodinách, popř. mezi sourozeneckými páry podle toho zda je či není stanoven model dědičnosti se dále dělí na parametrické neparametrické concordant sibling pairs (oba nemocní) discordant sibling pairs (jeden ano druhý ne) asociační studie srovnává výskyt genetického znaku (nejč. SNPs) mezi fenotypicky odlišnými skupinami nepříbuzných osob studie kontroly x případy (case x control) – retrospektivní kohorty = prospektivní “Candidate-gene” strategie vs. GWAS “candidate-gene” AA hypotéza o funkčnosti SNP jako kauzální faktor znalost patofyziologie limitujícím faktorem “indirect” AA předchozí indikace asociace na základě neparametrické linkage změna v uvažování díky poznání LD a haplotypové struktury lidského genomu SNP jako marker pokrok v designu GWAS díky HapMap ~ do r. 2005 detekční metody pro všech ~10 mil. SNPs shromáždit ~1000 případů a ~1000 kontrol genotypovat všechny DNA pro všechny SNPs tedy ~20 miliard genotypů s tehdejší cenou (~0.5 USD/genotyp = $10 billion USD pro každou komplexní nemoc) = naprosto nemyslitelné od ~2007 detekce setu ~300,000 “tagging SNPs” shromáždit ~1000 případů a ~1000 kontrol genotypovat všechny DNA pro všechny SNPs tedy ~600 milionů genotypů s dnešní cenou (~0.001 USD/genotyp = $800,000 USD pro každou komplexní nemoc) = naprosto reálné GWAS Studie GWAS je definována jako jakákoli studie genetických variací v celém lidském genomu, která je určena k identifikaci genetických asociací s pozorovatelnými rysy (jako je krevní tlak nebo váha) nebo s přítomností nebo nepřítomností onemocnění (jako je nádorové onemocnění) nebo stav. GWAS Informace o celém genomu v kombinaci s epidemiologickými, klinickými a jinými fenotypovými údaji usnadňují pochopení základních biologických procesů ovlivňujících lidské zdraví, zlepšení predikce nemoci a péče o pacienta a v konečném důsledku pro realizaci příslibu personalizované medicíny.  Kromě toho rychlý pokrok v porozumění vzorům lidských genetických variací a zrání vysoce výkonných a nákladově efektivních metod genotypizace poskytují výkonné výzkumné nástroje pro identifikaci genetických variant, které přispívají ke zdraví a nemocem. Selekce SNP pro GWAS: 1)Molekulární (Affymetrix, Illumina) 2)Analytická NUTRIENTY JAKO DIETNÍ SIGNÁLY Energetická homeostáza Absorpce nutrientů Buněčná proliferace Nutriční faktory Transkripční faktory Genová transkripce VZTAH NUTRIENTŮ KE GENOVÉ EXPRESI A)Přímý – Nutrienty jsou ligandy receptorů pro transkripční faktory. B)Nepřímý – Nutrienty jsou metabolizovány primárními nebo sekundárními metabolickými drahami, mění koncentrace substrátů nebo intermediálních metabolitů C)Nepřímý – Nutrienty alterují signální transdukci dietarychemicals KOMPLEXNÍ CHOROBY: FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ROZVOJ METABOLICKÉHO SYNDROMU MSX 1 3 Diabetes Obezita Hypertenze Zánět hyperlipidémie 2 VARIABILITA DNA * 99.9 % párů nukleotidových bází je u všech lidí totožných 0.1 % zodpovídá za fenotypické rozdíly ~ více než milion míst, kde se vyskytují rozdíly na úrovni jednoho nukleotidu (SNP) * Např. AGGCCTA na AGGCTTA * Tyto mohou vést k onemocnění a modulovat odpověď na: patogeny léky cvičení výživu * JSME IDENTIČTÍ? * Doporučení vycházejí z předpokladu, že lidé jsou kulturně etnicky socioekonomicky geneticky * identiční * TO ALE NENÍ PRAVDA * STRAVA pyramid_usda PARADIGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE * DNA * * RNA * * PROTEIN * * METABOLIT * GENOMIKA GENETIKA EPIGENETIKA TRANSKRIPTOMIKA PROTEOMIKA METABOLOMIKA METABOLICKÝ ÚČINEK VÝŽIVY img004 Worm Research To Fight Obesity GENY-ŽIVOTNÍ STYL About 40 percent overweight! A typical obese cat... 28 pounds! People get too fat when they eat too much and don't get enough exercise. VÝŽIVA A ZDRAVÍ: HISTORIE A TRENDY 1900 – Detekce-prevence selektivních nutričních deficitů, např. vit. A, železo 1970 – vyvážené diety dodávka dostatečného množství živin (polysacharidy, tuky, proteiny, mineraly, vitaminy. Nutritiční doporučení “Schijf van 5” 1990 – výhody specifických stavěných diet“ jde za vyváženou dietu”– bere v úvahu roli ne-nutrientů Nárůst specificky fungujících diet na trhu Nárůst zájmu o terapii výživou HISTORIE: POKRAČOVÁNÍ Asociace mezi výživou a chronickým onemocněním (Ignatovski –1908) První příklady prokazatelného vztahu výživy k rozvoji onemonění (disease-causing): Galaktosémie (1917) Fenylketonurie (1934) Human Genome Project and SNPs (1998) Galactosemia –accumulation of galactose in the blood results in mental retardation – diets low in lactose PKU – accumulation of phenylalanine in the blood results in neurological damage – diets low in phenylalanine Both are single gene traits and are easy to identify and treat by changes in diet site_graphic CO JE NUTRIGENOMIKA? Jezte správně pro váš genotyp, vaše genetické pozadí “Dříve byly chytré léky...” AnneHart_Cover NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomika se zabývá aplikací genomiky v nutričním výzkumu, umožňuje poznání souvislostí mezi specifickými nutrienty a genetickými faktory, např. zkoumá způsob, jakým potrava nebo složky potravy ovlivňuji genovou expresi. Nutrigenomika by měla umožnit lepší porozumení způsobu, jakým výživa ovlivňuje metabolické cesty a jakým způsobem toto souvisí s chorobami, u nichž existuje souvislost s výživou.” Chadwick R. (2004) Proceedings of the Nutrition Society 63:161-166. Nutrigenetika * “Nutrigenetika se zabývá studiem individuálních rozdílů na genetické úrovni, které ovlivňují odpověď na přijímanou stravu. Tyto individuální rozdíly jsou spíše na úrovni SNP polymorfismů než na úrovni poškození celého genu. Nutrigenomika by měla umožnit individualizované nutriční poradenství. “Chadwick R. (2004) Proceedings of the Nutrition Society 63:161-166. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomics se pokouší studovat vlivy výživy na úrovni celého genomu….(a) má za cíl identifikovat geny, které ovlivňují riziko onemocnění se vztahem k výživě na celogenomové úrovni… má za cíl porozumět mechanismům, které jsou podkladem těchto genetických predispozic.“ Muller M & Kersten S. (2003) Nature Reviews Genetics 4:315-322. Nutrigenetika * “Nutrigenetika zkoumá účinek genetických variací na interakci mezi stravou a onemocněním nebo nutričními požadavky. Genetika má zásadní úlohu pro identifikaci individuálního rizika rozvoje určitého onemocnění.“ Muller M & Kersten S. (2003) Nature Reviews Genetics 4:315-322. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomika popisuje použití prostředků funkční genomiky pro zkoumání biologického systému po vydání nutričního signálů, což umožní porozumět mechanismu, jakým molekuly z potravy ovlivňuje metabolické dráhy a kontrolu homeostázy.“ Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. * “Nutrigenomika se zaměřuje na efekt složek potravy na genom, proteom a metabolom.” Ordovas J & Mooser M. (2004) Current Opinion in Lipidology 15:101-108. * Nutrigenetika * “Nutrigenetika představuje vědu zabývající se identifikací a charakterizací genových variant souvisejících s různou odpovědí na různé nutrienty a zaměřuje se na hledání souvislostí mezi těmito variace a stavem onemocnění.” Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. * “Nutrigenetika zkoumá účinek genetických variací na interakci mezi stravou a cvičením. To zahrnuje…. genové varianty související nebo zodpovědné za diferencovanou odpověď na nutrienty ve stravě.“ Ordovas J & Mooser M. (2004) Current Opinion in Lipidology 15:101-108.. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Genomika: studie lidského genomu Geny taktéž determinují, jakým způsobem výživa ovlivňuje zdraví, event. souvisí s nemocí Komerční potenciál: Individualizované nutriční poradenství Individuálně sestavené produkty NUTRIGENOMIKA: PRINCIPY Látky obsažené v potravě (mikro- i makronutrienty) působí přímo či nepřímo na lidský genom a mění tak jeho strukturu či genovou expresi. Za určitých okolností může být dieta u některých jedinců významným rizikovým faktorem vzniku řady chorob. Některé z cílových genů látek obsažených v potravě hrají pravděpodobně roli v nástupu, incidenci, průběhu a závažnosti některých chronických chorob. Míra vlivu diety na rovnováhu mezi stavem zdraví a nemoci může záviset na konkrétní genetické výbavě jednotlivce. Nutriční intervence založená na znalosti jak konkrétního nutričního stavu a potřeb, tak genotypu (individualizovaná výživa) může být užita k prevenci, zmírnění nebo léčení chronických nemocí. NUTRIGENOMIKA: NÁSTROJE expresní profilování genů – transkriptomu, např. pomocí expresních cRNA nebo cDNA čipů, analogické postupy vyvinuty pro sledování exprese na úrovni proteinů (proteomu – především dvojrozměrná elektroforéza a různé formy hmotnostní spektrometrie) a metabolitů (metabolomu) = dietní otisky, signatury populační izoláty, u kterých je omezena genetická variabilita, umožňují detailní analýzu samotné genetické komponenty komplexních metabolických onemocnění už bez zahrnutí její interakce s prostředím (tj. dietou v případě nutriční genomiky), např. Huterité (původně tyrolská komunita, žijící nyní v oblastní Jižní Dakoty, držící se velmi striktně původní receptů a způsobů přípravy potravy Geneticky definované savčí modely: potkan, myš NUTRIGENOMIKA: NOVÁ DEFINICE Nutrigenomika zkoumá celogenomové vlivy a interakce ovlivněné výživou Z perspektivy nutrigenomiky jsou nutrienty dietní signály, jež jsou detekovány buněčnými systémy, které ovlivňují genovou a proteinovou expresi a postupně produkci specifických metabolitů Vzorce genové exprese, proteinové exprese a produkce metabolitů v odpověďi na přítomnost určitých nutrientů nebo určitých nutričních režimů se označuje jako „dietní podpis=otisk“ Nutrigenomika se pokouší tyto deitní otisky ve specifických buňkách, tkáních a organizmech studovat a pochopit, jakým způsobem výživa ovlivňuje homeostázu Nutrigenomika má za cíl identifikovat ty geny, jež ovlivňují riziko dietně závislých onemocnění v celogenomovém měřítku a pochopit mechanismy, které jsou podkladem těchto genetických predispozic Müller M, Kersten S. Nutrigenomics: Goals and Perspectives. Nature Reviews Genetics 4, 315 -322 (2003) > NUTRIGENOMIKA Studuje, jak různé složky potravy mohou interagovat s určitými geny a zvyšovat tak riziko onemocnění jako je diabetes II. Typu, obezita, kardiovaskulární choroby a některé typy nádorových onemocnění Cíl : použít personalizované diety k prevenci nebo oddálení nástupu onemocnění a optimalizaci a udržení lidského zdraví http://nutrigenomics.ucdavis.edu/pressarticles.htm VÝŽIVA A REGULACE GENOVÉ EXPRESE Přichází éra nutrigenomiky: byl popsán a charakterizován genom člověka a několika rostlin a geneticky modifikované potraviny jsou nyní hojně dostupné Nové genomické technologie umožnily výzkum nutriční modulace nejrůznějších patofyziologických drah prostřednictvím nutrientů, mikronutrientů a dalších látek NUTRIGENETIKA A NUTRIGENOMIKA – DVĚ STRANY TÉŽE MINCE Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. Nutrigenomics - 1 NUTRIGENOMIKA – NOVÁ VLNA V NUTRIČNÍM VÝZKUMU Potravinářské a farmaceutické společnosti již na celosvěové úrovni rozpoznaly komerční potenciál nutrigenomiky a začaly vyvíjet výrazné výzkumné úsilí. Components with established efficacy Research based on epidemiology 1. generace Doplňky: • vitamínové doplňky • obohacení vápníkem • vláknina • Research based on safety and efficacy assessment: ‘discovery’ of positive effects of food compounds Active component(s) identified or the efficacy confirmed may not have been 2. generace Celé potraviny: • brokolice • jogurt • zelený čaj • celozrnné produkty •Nově vytvořené funkční součásti / potraviny založené na mechanisticky prokázané účinnosti •Výzkum zaměřený na „farmaceutický“’ screening: účinek, cílený vývoj, řízená optimalizace, biologická dostupnost 3. generace „enhanced“ potraviny: • nové složení? • nové produkty? • ?? POTRAVINÁŘSKÝ PRŮMYSL SMĚŘUJE K VYTVOŘENÍ TŘETÍ GENERACE TZV. FUNKČNÍCH POTRAVIN Symptomy: zvýšený LDL v plazmě, srdeční obtíže Celý organismus Empirické poznatky screening Mechanismus je „černá skříňka“ Rozpustná vláknina Rostlinné steroly statiny ω-3 mastné kyseliny Hladina cholesterolu tělo TRADIČNÍ ZKOUMÁNÍ BIOLOGICKÝCH CEST V RÁMCI JE MNOHOSTUPŇOVÝ PROCES Funkční genomika Složení potravy RNA Regulace translace, zpracování, stability, transportu mRNA DNA Genová regulace, transkripční kontrola SNP, interakce s histony Metabolit Množství funkcí Sekvenování, genotypizace transkriptomika (“genomika”) proteomika metabolomika Protein Interakce s receptorem, genová kontrola, signální transdukce, Enzymatická regulace inhibice, mod ifikace Regulace transportu Interakce kanálů/pump ÚČINEK SLOŽEK POTRAVY NA ZDRAVOTNÍ STAV BÝVÁ NEJČASTĚJI SPOJEN SE SPECIFICKÝMI INTERAKCEMI NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI Adobe Systems NUTRI-GENOMIKA Vývoj biomarkeru Člověk in vitro hledání nových bioaktivních látek Kvalita potravy ZpracováníPotravy Výroba potravních ingrediencí Genotypizace Testování bezpečnosti Testování účinnosti 100 50 0 % Energie Nízkotučné maso Kuře Vejce Ryby Ovoce Zelenina Ořechy Med 100 50 0 % Energie Ovoce Zelenina Fazole Maso Kuře Ryby Obiloviny Mléčné výrobky Jednoduché cukry Oleje, tuky Alkohol 1.200.000 generací pod hrozbou hladomoru Paleolit 2-3 Generací v relativním nadbytku Současnost Frites j0144215 STEJNÉ GENY, RŮZNÁ STRAVA GENOMIKA – VĚDA O GENOMU NUTRIGENOMIKA targeted_ani KOMPLEXNI PROBLÉMY JEDNODUCHÉ OTÁZKY Adobe Systems „PERZONALIZOVANÉ“ STRAOVÁNÍ? NUTRIGENOMIKA Cílové geny Mechanismy Cesty Biomarkery Strava Výživa Molekulární výživa a genomika Biologie systémové výživy •identifikace výživových složek •Identifikace senzorů pro tyto složky •Identifikace cílových genů •Rekonstrukce signálních cest Malé výzkumné subjekty, malé rozpočty • •měření stresových signálů, reakcí •Identification of early biomarkers •Velká výzkumná konzorcia komplexnost STRATEGIE NUTRIGENOMIKY 80-100000 proteinů 20-25000 genů 100000 transkriptů 50000 (?) metabolitů Děkuji za pozornost DNA%20repair%20cartoon