Ústav patologické fyziologie LF MU1 Lidský genom a jeho struktura Základy jaderné a mimojaderné dědičnosti Mgr. Jana Fialová Kučerová, Ph. D. Franks et al. Diabetes Care 2013 Osnova přednášky  Základy genomiky  Mendelovy zákony dědičnosti  Odchylky od Mendelových zákonů  Mimojaderná dědičnost Genová determinace biologických znaků 100 % prostředí 100 % genetika Historie  Různé teorie přenosu znaků z generace na generaci již od starověku – křížení vhodných jedinců  19. století – koncept pangeneze  Charles Darwin – blending inheritance – děti jsou průměrem znaků rodičů  J. G. Mendel (1822–1884)  1866 - Pokusy s rostlinnými hybridy  1900 - C. Correns, E.v. Tschermak, H.d. Vries – znovuobjevení Mendelovy práce  1910 - T.H. Morgan – lokalizace genů na chromozomy  1953 – J.D. Watson, F.H. Crick, R. Franklinová, M. Wilkins – struktura DNA  1956 – A. Levan A.J. Tjio – správné spočítání lidských chromozomů  1990-2000(2003) – Projekt lidského genomu Buňka Prokaryota Eukaryota Karyotyp člověka • 1956, Joe Hin Tjio a Albert Levan • Diploidní lidská buňka obsahuje 46 chromozomů – 22 párů autozomů a jeden pár pohlavních chromozomů 11 nm „korálky na niti“ 30 nm interfázní chromatin Chromatin Složení nukleových kyselin  Nukleotid  Kyselina fosforečná  Pentóza  ribóza  deoxyribóza  Organické báze  purinové báze  adenin  guanin  pyrimidinové báze  cytozin  tymin  uracil Struktura DNA  Společná osa  Komplementarita řetězců - vnitřní část tvoří báze AT a GC (planární charakter bází)  Cukrfosfátová páteř – osa = 1 nm  Chargaffovo pravidlo (A+G)/(T+C) = 1  Menší a větší žlábek = místa pro vazbu proteinů k DNA (vodíkové vazby)  Nejčastější pravotočivé vinutí Ústřední dogma molekulární biologie 1958 – Francis Crick Videa  Replikace DNA https://www.youtube.com/watch?v=TNKWgcFPHqw  Transcripce a translace https://www.youtube.com/watch?v=gG7uCskUOrA Genom  Genetická informace živé soustavy (DNA, u virů i RNA), která se vyznačuje replikací a dědí se na potomstvo (soubor veškeré genetické informace konkrétního organismu)  1990 - 2003 Human Genom Project (HUGO) cca 92 % obsahu genomu  2022 Telomere-to-Telomere Genome (T2T) kompletní genom „bez mezer“ Completing the Human Genome Sequence (Again) Lidský genom 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 o strukturní genomika = pochopení struktury genomu  konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů  reprezentovala zejména iniciální fázi analýzy genomů; konečným cílem byla kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt) o 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 (Saccharomyces cerefisiae, nematoda, Drosophila melanogaster, Mus musculus, Rattus norvegicus, Mesocricetus auratus aj.) jako časově a finančně výhodnou alternativu vyšších živočichů (zejm. pro možnost studovat mnoho generací v relativně krátkém čase) o bioinformatika = shromažďování, analýza a vizualizace biologických souborů dat  využívá metod výpočetní techniky, tvorba databází a softwarů Genetika  Věda, která zkoumá DNA  Věda o heritabilitě (dědivosti) a variabilitě  Věda, zabývající se dědičností i proměnlivostí organismů a jejími příčinami  1866 - Johann Gregor Mendel  Pokusy s rostlinnými hybridy (základní principy dědičnosti)  1900 - Hugo de Vries, Carl Correns a Eric von Tschermak-Seysenegg  znovuobjevení Mendelových objevů  1906 - William Bateson  termín genetika (z řeckého genesis = zrození) Od genotypu k fenotypu  Gen – dědičná jednotka (úsek DNA) se specifickou biologickou funkcí, lokalizovaná na určitém místě na chromozomu  strukturní geny  jednoduché  složené  geny pro funkční typy RNA (tRNA, rRNA, snRNA, …)  Alely – různé formy téhož genu (líše se navzájem v sekvenci DNA)  Dominantní x recesivní; standardní x mutantní; polymorfní (více standardních alel pro jeden gen)  Genetický kód – systém pravidel, podle kterých je genetická informace uložená v DNA překládána do pořadí AMK v proteinu  Homozygot - jedinec, který obsahuje stejné alely genu  Heterozygot - jedinec, který obsahuje odlišné alely genu (-> tvoří odlišné gamety)  Genotyp – genetická sestava organismu reprezentovaná souborem alel a sekvencí jeho genomu  Fenotyp – pozorovatelné znaky organismu (soubor znaků a vlastností, kterými se organismus projevuje v daném prostředí, vyjádření genotypu) Gregor Johann Mendel  1822 Hynčice – 1884 Brno  Mnich a později opat augustiánského kláštera na Starém Brně  1854-1863 – pokusy s hrachem (Pisum sativum)  27 225 rostlin  7 párových znaků  zavedl pojmy dominantní a recesivní  1865 – přednesl výsledky na zasedání Přírodovědeckého spolku  1866 – publikoval práci “Pokusy s rostlinnými hybridy“ Mendelovy principy dědičnosti  Jednotky dědičnosti (geny) se nemísí  Jednotky dědičnosti jsou materiální povahy (gen je součást DNA s určitou funkcí)  Dědičné jednotky jsou párové a jsou dvojího charakteru (dominantní a recesivní)  Dědičné jednotky se přenáší do další generace prostřednictvím pohlavních buněk Zákony dědičnosti odvozené z Mendelových principů 1. Zákon o uniformitě hybridů  Křížíme-li dominantního homozygota s homozygotem recesivním, jsou jejich potomci F1 generace v sledovaném znaku všichni stejní 2. Princip dominance  U heterozygota může jedna alela překrýt přítomnost druhé 3. Princip segregace  Dvojice samostatných alel se v průběhu tvorby gamet rozcházejí a do každé gamety přechází jedna z obou alel. 4. Zákon o nezávislé kombinaci alel  Alely různých genů se kombinují (segregují) nezávisle na sobě Geneticky podmíněné znaky Monogenní dědičnost (AD, AR, znaky vázané na pohlavní chromozomy) Chromozomové aberace Multifaktoriální dědičnost Genetické změny somatických buněk (nádorová onemocnění) Mitochondriální dědičnost Autozomově dominantní dědičnost  Dominantní alela leží na autozomu  Vertikální typ dědičnosti  Často stejně postižený rodič  Stejná četnost u obou pohlaví  Znak se projeví i u heterozygotů  50% šance přenosu pro potomky a sourozence jedince se sledovaným znakem  Př. vlnité vlasy, vlasová linie do špičky, rolování jazyka, achondroplazie (zakrslost), Marfanův syndrom Autozomově recesivní dědičnost  Recesivní alela na autozomu  Horizontální typ dědičnosti  Stejná četnost u obou pohlaví  Postižení jsou pouze homozygoti  Šance přenosu 25 %  Častější u příbuzenských sňatků  Př. Albinismus (chybění pigmentu), alkaptonurie a fenylketonurie (porucha metabolismu aminokyselin), cystická fibróza (porucha dýchání), galaktosemie (porucha metabolismu sacharidů), srpkovitá anemie (porucha v hemoglobinu) Vázané na pohlavní chromozomy  Pohlavní chromozomy: XX ženy, XY muži  Postižení jsou nejčastěji synové a dcery jsou přenašečky  Vzácný X-vázaných onemocnění u žen  Př. Hemofilie, Duchennova svalová dystrofie Interakce alel  Neúplná dominance  Kodominance  Mnohonásobný alelismus / alelové série  Letální alely  Penetrance  Expresivita  Genové interakce Neúplná dominance  Fenotyp heterozygota je někde mezi fenotypem obou homozygotů  Př. Familiární hypercholestorolemie (mutace genu pro LDLR)  Homozygoti jsou bez receptoru  Heterozygoti mají v jaterních buňkách poloviční počet receptorů pro vychytávání LDL cholesterolu Kodominance  Heterozygot vykazuje fenotypové znaky obou homozygotů  Alely fungují nezávisle  Krevně skupinový systém AB0 (ABh), MN Krevní skupina Genotyp A IAIA nebo IAi B IBIB nebo IBi AB IAIB 0 ii Alelové série  Geny s více alelami  Př. Barva srsti králiků  c+ > cch > ch > c  c+ plně funkční (standardní)  cch, ch částečně funkční (hypomorfní)  c nefunkční (nulová) Letální alely  Recesivní letalita – recesivní homozygoti umírají  Dominantní letalita – dominantní homozygoti i heterozygoti umírají  Recesivní letalita dominantní alely  Př. Tay Sachsova choroba – recesivně letální Penetrance a expresivita  Neúplná penetrance znak se u jedinců neprojeví, i když mají odpovídající genotyp  Variabilní expresivita znak se manifestuje různě silně u všech jedinců, kteří jej nesou Úplná penetrance a expresivita Variabilní penetrance Variabilní expresivita Variabilní penetrance a expresivita Genové interakce  Spolupůsobení dvou nebo více genů z různých alelických párů  Různé kombinace alel dvou různých genů způsobují různé fenotypy  Produkty genů spolu interagují, na sebe navazují, ve fenotypu se překrývají apod.  Interakce většího množství genů - plynulá proměnlivost – přechod od kvalitativních znaků ke kvantitativním Genetická variabilita  Mutace – dědičné změny genetického materiálu  Poskytují nové genetické varianty, které umožňují evoluci organismů  Obvykle náhodný neadaptivní proces, při kterém jsou podmínkami vnějšího prostředí selektováni jedinci s dříve náhodně vzniklými mutacemi  Cílená mutageneze – výhradně pro vědecké účely  Mutant – organismus se změnou v genotypu v důsledku mutace  Mutace – nové alely s frekvencí nižší jak 1 %  Polymorfismus – stav, kdy v populaci existují minimálně 2 genetické varianty (alely) s frekvencí vyšší jak 1 % Mitochondriální dědičnost  Mitochondrie jsou ohraničený dvojitou membránou  Významná úloha v energetickém metabolismů  Evolučně endosymbióza prokaryotických buněk – vlastní genom  mtDNA – kružnicová molekula  Využívají produkty vlastních genů, ale i proteiny, kódované jadernými geny, které jsou do mitochondrií přeneseny z cytosolu  Lidská mtDNA  16 571 bp  37 genů  2 pro rRNA, 22 pro tRNA, 13 polypeptidy podílející se na enzymatické výbavě mitochondrií Mutace mitochondriálních genů  Vedou poruchám oxidativní fosforylace  Mutace v mtDNA vznikají častěji než v jaderné DNA  Důsledkem pravděpodobně vyššího výskytu mutagenních volných radikálů, jiná DNA polymeráza, méně reparačních mechanismů  Míra postižení  Homoplazmie – mutace ve všech molekulách mtDNA v buňce  Heteroplazmie – jen část postižených molekul - hladina heteroplazmie nesmí překročit určitou hodnotu – může se v buňkách lišit (svalová, srdeční a nervová tkáň mají malý replikační potenciál, a je v nich proto vysoká heteroplazmie) Genetická klasifikace mitochondriálních chorob  Defekty v jaderné DNA  defekty v transportu a využití substrátu  defekty v importu proteinů  defekty v Krebsově cyklu  defekty v oxidačně-fosforylačních krocích  defekty v respiračním řetězci  defekty v mtDNA  velká přeuspořádání mtDNA – delece velkých úseků  bodové mutace mtDNA  Defekty v komunikaci mezi mtDNA a jadernou DNA  Získané defekty mtDNA – vlivem toxinů, léčiv, stárnutí Vzácné mitochondriální choroby  Nejčastější neurologické příznaky  obrna okohybných svalů, poškození zrakového nervu, mozková mrtvice, křeče, svalová poškození, únava a neschopnost fyzické zátěže, ataxie, demence, periferní neuropatie  Projevy poškození orgánů v důsledku poruch v mtDNA  poruchy vedení srdečního vzruchu, kardiomyopatie, diabetes mellitus, šedý zákal, laktázová acidóza, poškození ledvinných glomerulů, poškození sluchu, poškození jater, poškození slinivky břišní, intersticiální pseudoobstrukce, epizodické zvracení, pancytopenie, deprese  Chronická externí oftalmoplegie (CPEO)  bodová mutace v tRNA7  napřed paralýza okohybných svalů, později paralýza svalů dolních končetin  Kearns-Sayrův syndrom (KSS)  delece v různých částech mtDNA  příznaky: od 20. roku věku (ztráta vidění, sluchu, srdeční choroby, demence, ataxie, malý vzrůst) Vzácné mitochondriální choroby  Leberova dědičná oční neuropatie (LHON)  většinou homoplazmické mutace v genech pro podjednotku NADH dehydrogenázy (MT-ND1, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND6)  postižení očního nervu a náhlá ztráta zraku (jedno nebo obě oči) průměrně ve věku 27 let, také srdeční dysrytmie  incidence 1:50 000, diagnostikováno častěji u mužů – je zde předpokládán určitý druh interakce genů vázaných na X-chromozom s mtDNA Dítě tří rodičů ?