MUNI MED Genetická podmíněnost nemocí • Podstata dědičnosti •Genetická variabilita (mutace x polymorfizmus) • Monogenní x komplexní nemoci Klasifikace geneticky podmíněných nemocí prakticky každá nemoc (ti. její vznik a progrese) je u daného jedinej modifikována genetickou výbavou, avšak s různým podílem na finá ním fenotypu • snad s výjimkou úrazů, závažných intoxikací a vysoce virulentních infekcí, kde individuální genetická konstituce nehraje prakticky žádnou roli • monogenní nemoci • jedna kritická "chyba" (tj. alela) konkrétního genu je^sama o sobě nejDO v homozygotní kombinaci téměř výhradne zodpovedný za rozvoj nemoci (fenotypu) nebo prenašečství a tedy zvýšenému riziku pro potomky • chromozomální poruchy • nejedná se o konkrétní chybu ale o nadbytek/nedostatek genu obsažených v celých chromozomech nebo jejich segmentech (gene dosage" efekt) • komplexní (poly-, multigenní) nemoci • genetická dispozice podmíněná kombinací alel několika genů je výrazně manifestovaná prostředím a komorbiditami Monogenní nemoci • Rozvoj molekulárně biologických metod umožnil detailní analýzu genetického podkladu mnoha mendelisticky děděných, tzv. monogenních nemocí. • U těchto chorob se dědičný podklad uplatňuje jako velký faktor, tj. je přítomen prakticky u všech nemocných a jedná se prokazatelně o faktor příčinný (např. defekty v dystrofinovém genu u muskulárních dystrofií), k němuž se přidávají jen jako přídatné další faktory genetické i faktory zevního prostředí. Příčinou těchto nemocí bývají především tzv. vzácné alely. • je determinována alelami v jednom lokusu • variantní alela, která vznikla mutací někdy v nedávné nebo vzdálené minulosti a je většinou relativně málo častá, nahrazuje původní „divokou" alelu na jednom nebo obou chromozomech • mají charakteristický způsob přenosu v rodinách 3 Monogenní nemoci • choroby dětského věku • méně než 10% z nich se manifestuje po pubertě a pouhé 1% se objeví po skončení reprodukčního věku často výrazně patologické • V populační studii na 1 milionu živě narozených dětí byla incidence vážných monogenních chorob odhadnuta na 0,36%, u 6-8% hospitalizovaných dětí se uvažuje o monogenních chorobách. • doposud známé shrnuje OMIM (On-line Mendelian Inheritance in Man) ~6000 klinicky významných fenotypu čtyři základní typy dědičnosti: dominantní recesivní autosomál ní autosomálně dominantní (AD) autosomálně recesivní (AR) X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR) 4 Monogenní nemoci typy přenosu • autozomální • geny na obou autozomech aktivní • gonozomální (X-chromozom vázané) • muži hemizygotní • u žen 1 X-chromozom inaktivován!! Pedigree 0T0 jine ô ô imprinting, mozaicizmus, Kry I I male ^ alfected male J/j^ deceased male O female % aifeeted leinalejjj'deceased leinale 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 Monogenní nemoci - AD nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově 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) familiární hypercholesterolemie (1/500), myotonická svalová dystrofie (1/1000) Huntingtonova chorea (1/3000) Monogenní nemoci - X-vázané ženy 3 genotypy, muži pouze 2 X-vázané nemoci se manifestují u všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen hemofílie 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 xVÍ j^PjjľtlJ Early Divisions (Tk (T?) (ľ?) (x^ľľiosc Inactivation &Q ©O hyii WW* activation passes to all cell's esce n d ants Producing a MOSAIC Komplexní nemoci • multifaktoriální, multigenní • roli hrají kombinace určitých genů a určitých faktoru zevního prostředí • Na odhalení nejobecnějších principů genetiky multifaktoriálních nemocí se na rozdíl od genetiky nemocí mendelistických v současné době stále ještě čeká. • v klinické praxi často kolísá názor na výsledky genetických studií, které se snaží odhalit genetický podklad komplexních nemocí, od neodůvodněného očekávání nad nalezenými geny velkého účinku až po velkou skepsi vzhledem k existenci genetického podkladu v populaci četných nemocí ( nad 1%), jako je v kardiológii např. esenciální hypertenze. • pokud choroba má prokazatelně familiární výskyt, musíme očekávat podíl genetického podkladu na její manifestaci, a to i v tom případě, že není dosud dobře definován nebo dosavadní znalost nepovažujeme za přesvědčivou. • Své genetické pozadí mají i tak relativně vzdálené proximální fenotypy, jako je např. kvalita života u nemocných s chronickým kardiovaskulárním onemocněním. Každá choroba má nějaké genetické pozadí, jehož podíl na manifestaci dané choroby je různý. 8 Komplexní choroby choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex" genetických, epigenetických a vnějších faktoru • 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, .... • a interakcí genů mezi sebou nejčastější komplexní nemoci • diabetes (1. i 2. typu) • dyslipidemie • esenciální hypertenze • alergie in O c ■U o c in a c ■U v >u fyziologické populační variabilita riziko polygenní nebo monogenrí porucha glukóza (mmol/l) fyziologická populační variabilita optimum ^ /^V riziko ,-polygenní porucha / normotenze J\i y p e r te n z e^^^^^^_ krevní tlak (mmHg) fyziologická populační variabilita riziko hypec hole sterole mie polygenní porucha monogenní porucha cholesterol (mmol/l) Komplexní nemoci komplexní onemocnění jsou charakterizována: • neúplnou penetrancí patologického fenotypu • u určité části osob, přestože zdědí nevýhodný genotyp (zde ve smyslu souboru vícero genů) 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 polymorfizmu (= 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 Komplexní nemoci Obezita - Hypotéza typu „thrifty genotype" • V současné populaci jsou selektovány alely, které favorizují přírůstek váhy a skladování tuků, aby byl zajištěn dostatek živin pro častá období nedostatku potravy. • Při konstantně vysoké nabídce potravy a poklesu fyzické aktivity tato predispozice vede k pandemii obezity v rozvinutých zemích. Jednolokusové nemoci Komplexní nemoci Závažnost Genetické studie • Základní debata nad genetickým podkladem nemocí logicky začíná od strategie výběru tzv. kandidátních genů. Tato otázka je podstatně jednodušší u mendelisticky děděných nemocí, kde se změněná funkce jednoho genu snadněji identifikuje. • Celogenomové asociační studie (GWAS=Genome-Wide Association Study) vyhledávají polymorfismus jednotlivých nukleotidů nebo běžné genové variace, které se typicky chovají jako ukazatelé genových oblastí s malým efektem u stoupajícího rizika nemocí. • Dalším významným momentem je výběr statistické metodologie, která zhodnotí sílu asociace genů s chorobami. Možnosti jsou v zásadě dvě: linkage (vazebná) analýza a asociační studie. K detekci specifických genetických oblastí a genů, které se účastní v transmisi nemoci, je v principu možné použít obě metody. 13 Genetické studie • s intermediálním fenotypem • s klinickou manifestací nemoci • s klinickou závažností nemoci • s odpovídavostí nemoci na léčbu Linkage (vazebná) analýza • testuje kosegregaci genového markem a fenotypu nemoci v rodině. Čili marker a nemoc se v dané rodině mají vždy vyskytovat spolu. Asociační studie • vyšetřují souvýskyt markem a nemoci na populační úrovni, tj. u nepříbuzných jedinců, obvykle srovnáním frekvencí markem u nepříbuzných nemocných a kontrolních subjektů (studie case-control). Statistickou sílu asociace je možno dále zvýšit obohacením o další kritéria, jako jsou klinické subtypy nemoci (studie case-case), závažnost nemoci, časný začátek nemoci, rizikové faktory pro nemoc včetně pohlaví a vhodné biologické znaky (např. plasmatické hladiny cytokinů při asociaci genetických polymorfismů v cytokinovýcn genech; studie genotyp-fenotyp). 14 Klinická genetika zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí genetické poradenství vrozené vady - poruchy utváření orgánu, které vznikly v období nitroděložního života, i poruchy funkční (např. duševní opoždění) a poruchy na úrovni biochemické a molekulární (např. vrozené vady metabolismu). Skupina Příčina chromozomální Primárně (geneticky) aberace monogenní Sekundárně (prostředí) Neznámé (multifaktoriální) dědičnost léky, infekce, záření porodní poranění infekce po narození 7 % geny + prostředí 46 % Zastoupení 10 % 20 % 5 % 12 % 15 Klinická genetika Prenatální diagnostika •zahrnuje vyšetřovací vyhledávání statisticky struktuře nebo funkci, fenotypové variability •umožňuje v závažných případech ukončení gravidity, u dalších je možno v předstihu plánovat optimální perinatální péči. postupy směřující k významné odchylky ve která přesahuje hranice Rizikové faktory: •věk matky v době porodu je vyšší jak 35 let •pozitivní biochemický screening z krve matky •ultrazvukový nález, který zvyšuje riziko přítomnosti chromozomální aberace (nahromadění tekutiny v podkoží, nepřítomnost nosní kůstky, srdeční vada plodu aj.) •přítomnost chromozomální aberace v rodině 16 Klinická genetika Vyšetření karyotypu plodu •invazivní metody - amniocentéza, biopsie choriových klků, kordocentéza •genetické vyšetření, přesněji vyšetření cytogenetické (neboť se vyšetřují chromozomy), ovšem nejedná se o test DNA •FISH - fluoresceční hybridizace in situ •vazba denaturované sDNA se specifickou sondou •AmnioPCR je moderní metoda sloužící ke genetickému vyšetření plodu. •porovnání DNA markem matky i plodu —> stanovení početu jednotlivých chromozomů u plodu. •výsledek je následně potvrzen klasickým cytogenetickým vyšetřením •K dispozici je v současné době vyšetření 21. chromozomu - amnioPCR, nebo sada vyšetřující chromozomy 13,18, 21, X a Y- tzv. multiamnioPCR. ;(11 )í ti 113 4 5 \l 1| \l l! \r \y x, )\ ii /( )» f\ )S I! }( 11 H H K íí 11 1* 1« !• 1T 1* 1 ' - H M tí íb( )) nu ii hiiu ii» 'l n u ji ii u n ••...... k % —r v-—V í! a /in n ii ii ii n >i n ' u /i ;i Klinická genetika Stanovení pohlaví plodu •volné fetální DNA kolující v krvi matky •neinvazivní s přesností ~98 % •od 10. týdne těhotenství •DNA plodu z venózní krve matky •z klinického hlediska je určení pohlaví plodu důležité v případě rizika nějaké genetické choroby vázané na určité pohlaví (např. hemofílie). Preimplantační diagnostika •metodu časné prenatální diagnostiky, která je vázána na techniky umělého oplodnění. Za účelem minimalizace chyby genetického vyšetření je třeba k oplozování vajíček použít metody intracytoplazmatické injekce spermie •buňky pro genetické vyšetření jsou odebírány z embrya nejčastěji ve stadiu 8 buněk nebo blastocysty Postnatální diagnostika •např. trombofilie , cystická fibróza... 18 Klinická genetika Trombofilie •vrozený sklon ke zvýšenému srážení krve •může být v některých případech pro své nositele výhodná (omezení ztrát krve při poranění) •i příčinou různých komplikací v těhotenství, při dlouhodobém znehybnení nebo při užívání některých léků může způsobit hlubokou trombózu či plieni embólii •genetické vyšetření u: gravidních, před začátkem užívání hormonální antikoncepce, před chirurgickým zákrokem •Leidenská mutace - mutace genu pro inhibitor koagulace faktor V trombembolie ~30 %, genová mutace rs6025 G1691A, R506Q (arg^gln), AD riziko •Hyperhomocysteinemie - mutace enzymu konvertujícího kyselinu listovou -metyltetrahydrofolátreduktáza (MTHFR) - projeví při nedostatku vitaminů B6, B12 a kyseliny listové, genová mutace rsl801133 C677T, AR •Defekt antitrombinu (FII) - mutace koagulačního faktoru II zvyšujícího hladinu protrombinu - riziko trombembolie ~70 - 90 %, genová mutace rsl799963 G20210A 19 Klinická genetika Cystická fibróza •více než 30 mutací, které způsobují toto onemocnění důvody k vyšetření jsou: •podezření na klinické onemocnění •příbuzenský vztah rodičů •opakované potraty •léčená neplodnost 20 DMA REPAIR re lucky nobody was injured. Your base pairs are out of alignment and that has your reading frames all messed up."