1.1 U ill MED Genetická podmíněnost nemocí Podstata dědičnosti Genetická variabilita (mutace x polymorfizmus) Monogenní x komplexní nemoci Mgr. Jolana Lipková, Ph.D. Johan Gregor Mendel Jednotky dědičnosti se nemísí, jsou materiální povahy, párové, předávají se z generace na generaci Při pohlavním rozmnožování se může z každého rodiče přenést na jeho potomka vždy pouze jediná alela z páru. • 1. Mendelův zákon Zákon o uniformitě Fl hybridů a identitě reciprokých křížení Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní, (ušní la lučky přisedlé fa volné F) • 2. Mendelův zákon Zákon o náhodné segregaci genů do gamet Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Při křížení heterozygotů lze genotypy a fenotypy vzniklých jedinců vyjádřit poměrem malých celých čísel. Vzniká genotypový a fenotypový štěpný poměr. • 3. Mendelův zákon Zákon o nezávislé kombinaci alel Vzájemným křížením polyhybridů (vícenásobných heterozygotních hybridů) vzniká genotypově i fenotypově nejednotné potomstvo s tolika kombinacemi genů, kolik je možných matematických kombinací mezi dvěma matematickými veličinami. Podmínky nutné pro platnost Mendelových zákonů 1. Zákony platí pro znaky kvalitativní, dědičnost jednoho znaku je řízena 1 genem, bez genové interakce 2. Geny nesmí být na pohlavních chromozomech a semiautonomních organelách 3. Mezi dvěma geny nesmí existovat genová vazba ftlí Ä Q 4. Všichni jedinci i jejich gamety musejí mít shodnou životnost Odchylky od Mendelových zákonů Letalita, snížená vitalita (vitální-subvitální-semiletální-letální) Huntintington.chorea-dom.hom-abort Snížená penetrance (polydaktylie) Odlišná expresivita Dědičnost vázaná na pohlaví Vazba genů Genové interakce epistáze - potlačují (Hh, fenotyp Bombai-hh epistatický nad AB, AB+hh-0) inhibice komplementarita (alespoň 2 dom. alely) duplicita -jeden znak -různé geny, k jeho vyjádření stačí jediná dominantní alela mnohonásobný alelismus -polymorfní geny (ABO, HLA) kodominance alel - krevní skupiny superdominance -heterozygot má vyšší fenotyp hodnotu než oba homozygoti (heteroza) pleiotropie - jeden gen více znaků (metabolické řetězce) Polygenní dědičnost Mitochondriální dědičnost (cytoplazmatická dědičnost)-maternální efekt Genový imprinting (transkripce pouze jedné alely) Dynamické mutace (amplifikace opakování tripletů) Strukturní balancované chromozomální aberace Epigenetika kb Hli O O O ooo o o Vili íiMi-|iLi:.Li..nLL- O o Variable expresi! vtty • • O mom ooo Variable pCIfcCI fotily iíld 1 11 A4 A3 Hodnoty fenotypové exprese s různým stupněm dominance AA aa S3 jplrůdíímnarirp raiplrá coir nam he? drniwe Genetika specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností společný předek o o klinická genetika • zabývá se genetikou patologických stavů • zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (u celé rodiny!) • genetické poradenství lidská genetika • studuje variabilitu a dědičnost u člověka o 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 moderní primáti o o o č lověk 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 (kvasinka, 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) • transkriptomika proteomika metabolomika toxikomika o bioinformatika = shromažďování, analýza a vizualizace biologických souborů dat • využívá metod výpočetní techniky, tvorba databází a softwarů Základní genetické pojmy gen, alela (rec/dom), lokus, homozygot, heterozygot, 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 (napr. 12q21.5)o • lokalizace genů je u všech lidí stejná, sekvence ale ne! alela - konkrétní varianta genu • v populaci seo 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 -Jineární kombinace qenů/alel na jenom z homologních párů chromozomu-které jsou ve vazbě a jsou tudíž preferenčně předávány rodiči potomkům pohromadě (výjimečně dochází k rekombinaci) fenotyp - vnější projev (vyjádření) genotypu • znak - jednoduše měřitelná, většinou spojitá proměnná • fenotyp - sobor znaků • intermediární fenotyp - podobný znaku, ne vždy musí být spojitý alela pro hnědý pigment alels pro bílý pigment GENOTYP HAPLOTYP CHm CHp CHm CHp Molekulárně biologické dogma a Reverse Transcription Biological Information Flow Nukleosid x nukleotid x báze x DNA Nukleotidy = základní stavební kameny NA A) Nukleová báze ■ Puriny - adenin (A); guanin (G) Pyrimidiny - cytosin (C); thymin (T - DNA); uracil (U - RNA) B) Nukelosid Nukleová báze + pentóza (ribóza; deoxyribóza) ■ N-glykosidická väzba C) Nukleotid ■ Fosforylovaný nukleosid ^N^>|5 H-N H — N 1 Pyrimidine ď "N' H Uracil (U) RNA only NH. ,CH3 H Thymine (T) DNA only Cytosíne (C) both DNA and RNA NH N > Další funkce Skladování a přenos energie ■ Hydrolýza fosfoanhydridové vazby ■ Většina ATP je intracelulární Signální molekuly ■ Intracelulární signalizace Např. cAMP a cGMP (second messenger) Koenzymy g ■ Např. Koenzym A l\K4 Pu fine l.X, H Adenine (A) Adenine I-'- NH2 I II > High-energy bonds /\ H H /\ / I V I V I H \| 1/ H-O-P-0-P-O-P-C -1- Adenosine monophosphate (AMP) -1- Phosphate Adenosine diphosphate (ADP) -1- Adenosine triphosphate (ATP) Guanine (G) ft HO OH{H) purine nucltnsidc HOCH2 f HO OH(H) pyrimidinc nucleoside X = OH or NH2; Y = H.OH or NH2; Z - H or CH3 Gen Co je gen? základní funkční jednotka dědičnosti - tvoří jen 2% DNA (20-25 000) konkrétní úsek molekuly DNA nesoucí informaci pro tvorbu proteinu nebo RNA (rRNA, tRNA...) • geny strukturní geny pro RNA • geny regulační (promotory) exony = funkční úseky genu, které jsou přepisovány do m RNA a dále translatovány při proteosyntéze introny = úseky genu, jejichž funkce dosud nebyla zcela objasněna a které nejsou využívány pro translaci (jen u archei a aukaryot- teorie „introns early (původně krátké geny-exony a mezi nimi vznikly introny) a „introns late" (geny původně introny neměly, invadovaly později z organel?) Proč prokaryota nemají introny? Dle jejich obsahu geny dělíme na: jednoduché - obsahují pouze exony složené - obsahují i introny Geny, pseudogeny, genové fragmenty genové rodiny = sekvenčně podobné geny, které vznikly zřejmě duplikací během evoluce, např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny. DNA Alignment 00000000000000000001111111111111111111111 88888888899999999990000000000111111111122 _12345678901234567890123456789012345678901 Taxon 1 GCCTAGCCAAAGCTCTTCCAAGGTGACTCTCAGTTCAAGCT Taxon 2 GCCTAGCCAAAGCTCTTCCAAGCTGACTCTCA------GCT Taxon 3 GCCTAGCCTAAGCTCAACCAAGGTGTCTCTCAGTTCAAGCT Taxon 4 GCCTAGCCTAAGCTCTTCCAAGGTGTCTCTCAGTTCAAGCT Taxon 5 GCCTAGCCAAAGCTCTTCCAAGCTGACTCTCA------GCT Taxon 6 CCCTAGCCAAAGCTCTTCCAAGCTGACTCTCAGTTCAAGCT Taxon 7 CCCTAGCCAAAGCTCTTCCAAGCTGACTCTCAGTTCAAGCT Taxon 8 GCCTAGCCTAAGCTCTTCCAAGCTGACTCTCAGTTCAAGCT Character Coding 1 2 3 4 5 6 2 2 2 2 2 1 1 2 4 5 4 4 5 4 4 4 Gen Genes that encode a single protein - hemoglobin gene HBA and HBB. Genes that encode many proteins "A single fruit fly gene can encode 38,000 types of different proteins. Non-protein coding genes - gene regulation Cells and Gene Expression klu □cle cell Skin cell IM«™ fir.tt GeneA Podle funkce: Gene B Housekeeping genes: code protein products for transcription, translation and replication. Inducible genes: remain inactive, expressed under the influence of extrinsic factors. Genec Developmental genes: help in the early stage of the growth and development of organisms. Tissue-specific genes: express only in some type of tissue, remains inactive in other types of tissues. Homologous genes: inherited from a common ancestor, share a common function and have sequence similarities are categorized into homologous genes. Non-homologous genes: not inherited from a common ancestor instead, it is originated due to some evolutionary forces are known as non-homologous genes. Autosomal genes: genes located on autosomal chromosomes are categorized into autosomal genes Sex-linked genes: Genes located on the X or Y chromosome (in humans) or on sex chromosomes are classified in this category. These genes are very crucial for the reproductive health of a person. Gene Expression and Cancer Normal («II rant f;r cell Gene A Gene E □ere u Gene l: Gere C™ 10 Struktura genu Místo počátku transkripce: místo kde začíná syntéza mRNA (pozice 0, -30bp od TATA boxu) . Promotor: Oblast genu (5'-konec) upstream od místa počátku transkripce sloužící jako templát pro navázání transkripční jednotky a iniciaci transkripce. Inducibilní promotor — je závislý na přítomnosti induktoru (nízkomolekulární látka). Konstitutivní promotor — nezávislý (provozní „house keeping" geny). Enhancer: Část sekvence genu která interaguje s transkripčními faktory a tak zvyšuje účinnost transkripce. Je umístěna upstream nebo downstream od kódující sekvence a může být stovky bází daleko od kódující sekvence kterou kontroluje. Silencer: Opak enhanceru. Transkripční faktory: Proteiny interagující se specifickou sekvenci DNA, většinou ovlivňující terciální strukturu DNA a tak regulují transkripční jednotku. Jsou buď aktivátory nebo represory viz výše. Koaktivátory: Proteiny interagující s transkripčními faktory (ale ne s DNA) regulující transkripci. Signální sekvence: kóduje signální peptid, který předurčuje zacílení proteinu na buněčné úrovni a následně se odštěpuje. Life originated from a common ancestor thus the chemical structure of genes is almost similar in prokaryotes and eukaryotes. However, the regulatory sequence elements, transcription and translocation machinery differ. Enhancer distal £ optional TATA-Bern AAUAAA Splice sites Signal for site of CT RAW. 3' end trim m ing AGGU R AGU .or and poly{A) ta II addition YYYYYYYYNCAG J1 END Promoter *UG Exons CCAAT-Box Start codon Distal regulatory region Intimus 3" END: Termination codon UGA.UAA, or UAG Promoter DNA replikace Lagging strand New complementary DNA Transkripce- RNA „splicing" Enhancer /silencer Promoter 5'UTR Open reading frame /silencer Nuclear-membrane hnRNA transcript ® Entire gene (both introns and exons) is transcribed to RNA by RNA polymerase enzymes. (§) Processing enzymes remove introns. /O (O) (C) Exons are spliced together, without introns, forming mRNA that can pass through the nuclear membrane into the cytoplasm and be translated. Note that although introns were transcribed, they will not be translated. Nucleus Codon Posttranskripční úpravy mRNA Postranskripční úpravy mRNA Čepička (capping), modifikovaný guanozin (m7G) je přidáván na 5'-konec většiny mRNA. Stabilita mRNA a podílí se na vazbě k ribozomu. Polyadenylace. 100-200 bp dlouhá sekvence polyadenozinu je přidávána na 3'-konec většiny eukaryotické pre-mRNA. PolyA konec není kódován v DNA. Sestřih intronů a exonů. introny jsou vyštěpeny a exony spojeny dohromady ve struktuře zvané spliceozom. sequences required for intron removal 5' 3' — — agIguragu - / — exon 1 intron ctrayy yyyyyyyyncag! g Y pyrimidinová báze e x o 11 2 The structure eta typical human protein cndlnq mRNA Including the untranslated ncq kins IUTP.5-; Cap S' UTF Suit Coding sequence (CDS) Su-p 21 UTR. Pok-A tail 5 2' Translace RNA - protein Translace (syntéza proteinů): Translace je proces přeměny informace z RNA do aminokyselinového řetězce (polypeptidu) probíhající v cytoplasmě, Zralá mRNA je transportována do cytopíasmy k ribozomUm (mnohdy vázané na endoplasmatickou retikulární síť). Ribozóm se skládá ze strukturní rRNA a 80 různých proteinu, které tvoří malou a velkou podjednotku, Iniciace: Zachycení mRNA a nalezení start kodonu AUG, který kóduje methionin. (M je odštěpen během postransíačních úprav nebo společně se signálním peptidem) Elongace: Přidávání různých AK v aktivované formě vázané na tRNA a vytváření peptidové vazby mezi amino a karboxylovou skupinou, Terminace: STOP kodón (UAA, UAG nebo UGA) Posttranslační úpravy: • Fosforylace, glykosylace, organelové cílení a odštěpení signálního peptidu: složení do aktivního stavu (vytvoření terciální a kvartérní struktury). native protein COOH 1 gen -1 protein Geny kódující více proteinů: Alternativní sestřih Různé čtecí rámce Různá místa iniciace a terminace Přeskok v čtecím rámci Epigenetika 1 protein - potřebný pro více biolog, procesů 1 biologický proces - více proteinů Translace - detail tRNA / AK Genetický kód tRNA 51_ 1. pozice U c A anticodon A Q U codon 1 1 ■ . . určuje pořadí AK v proteinu • Univerzální - podobný princip u většiny živých organizmu • Tripletový - trojkombinace z celkem 4 nukleotidů (A, C, G, T) • Degenerovaný - 43 = 64, ale aminokyselin jen 21 2. pozice 3. pozice u uuu Phe UCU Ser UAU Tyr UGU Cys U uuc Phe UCC Ser UAC Tyr UGC Cys C UUA Leu UCA Ser UAA Stop UGA Stop A UUG Leu UCG Ser UAG Stop UGG Trp G CUU Leu ecu Pro CAU His CGU Arg U cue Leu CCC Pro CAC His CGC Arg C CUA Leu CCA Pro CAA Gin CGA Arg A CUG Leu CCG Pro CAG Gin CGG Arg G AUU lie ACU Thr AAU Asn AGU Ser U AUC lie ACC Thr AAC Asn AGC Ser C AUA lie ACA Thr AAA Lys AGA Arg A AUG Met ACG Thr AAG Lys AGG Arg G GUU Val GCU Ala GAU Asp GGU Gly U GUC Val GCC Ala GAC Asp GGC Gly C GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly A GUG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly G Cytosine C Guanine JGJ o _/*""-NH Adenine J\l Uracil [U] o I I Nucleobases of RNA RNA Ribonucleic acid DNA Deoxyribonucleic acid Cytosine Guanine [g| o Adenine [Ä] H Thymine T Nucleobases of DNA Chromatin x chromatida x 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 grganizuje do viditelných chromozomu • struktura chromozomu • centromera • telomery (raménka) • dlouhé - q • krátké - p metacentrický a akrocentrický • dvě kopie daného chromozomu po replikaci (před dělením) = sesterské chromatiay • heterochromatin (konstitutivní a fakultativní) • euchromatin Submetacentrický chromozom Sesterské chromatid y Chromozom Duplikovaný chromozom v metafázi mitózy (dvouchromatidový chromozom) euchromatin heterochromatin nucleolus Short region of ONA double helix 'Beads on a string' form of chromatin 30-nm chromatin fibre of packed nucleosomes Section of chromosome in an extended form Condensed section of chromosome Entire mitotic chromosome Karyotyp člověka každý biologický druh má svou charakteristickou chrom, výbavu (počet a morfologii) = karyotyp • u člověka rnají somatické diploidní bb. 46 chromozomu • 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 chromozómový "rozptyl" (nejč. mitotické lymfocyty nebo bb. plodové vodyj se po obarvení vyfotí, vystřihnou a seřadí do páru • automatizované (mikroskop + software) 1111 \ i • i. i i - i h ; i c 5 6 B 9 10 11 12 § i 13 14 15 16 17 16 19 20 21 22 X Y tlil H • 7 ■ t 1« 11 11 Mil li t: iif» 1J 14 M 17 18 tl tl i* II 4 1 ai 22 r x Buněčný cyklus Fáze G1 (interval 1) Fáze S (syntéza DNA) Posloupnost vzájemně koordinovaných procesů od jednoho buněčného dělení k následujícímu divide or not to divide! • Rozhodování podle růstových faktorů (24h) Gl-llh;S-8h, G2-4h, M-lh (buňka střevního epitelu - 12h, jaterní b. - lrok) M fáze a interfáze (90%) Gl fáze (1. přípravná, postmitotická) růst, zdvojení buněčné hmoty, intenzivní syntetické procesy - RNA, proteiny (enzymy), opravy genomu- může přejít do G0 1. Kontrolní bod-cykliny a CdK S fáze f syntetická) replikace jaderné DNA a syntéza histonů (H2A, H2B, H3, H4 & Hl) na konci chromatidy spojeny v místě centromery G2 fáze (2. přípravná) závislá na dokončení replikace DNA v S fázi proteiny potřebné ke kondenzace chromozomů, ke tvorbě mitotického api jaderného obalu 2. kontrolní uzel buněčného cyklu -cykliny a CdK • M fáze (mitotická) jaderné dělení, kondenzace chromozomů - až 10 000x nebo meióza (zárodečné buňky) Karyokineze a cytokineze Fáze G2 (interval 2) G0 Fáze M (Mitóza) Eukaroyotic Replication Cycle (Times are for Cells Growing in Culture) 21 G0 fáze - některé buňky přecházejí po mitóza -diferencované nedělící se svalové b., b. oční čočky GO: Resting Phase G1: Growth & Metabolism S: DNA Replication G2: Growth of Structural Elements M: Mitosis Dělení buněk MEIOSIS MITOSIS PAIRING OF DUPLICATED HOMOLOGOUS CHROMOSOMES BIVALENTS LINE UPON DNA REPLICATION | DUPLICATED CHROMOSOMES LINE UP INDIVIDUALLY ON THE SPINDLE CELL DIVISION 22 DIOIOIOMJia Mitóza = 2 dceřiné buňky s diploidním počtem chromozomů, 1 cyklus DNA replikace následuje rozdělení chromozomů a jádra (profáze -> prometafáze -> metafáze -> anafáze -> telofáze) a násl. celé buňky (cytokineze) 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 Mitóza - detail Interphase: DNA is doubted in preparation for cell division Prophase: The nuclear envelope breaks down and a spindle forms between two centrioles. Prometaphase: The chromosomes attach to the spindle fibers. Metaphase: The chromosomes align at the equator of the cell. Telophase: The chromosomes reach the mitotic poles and the cell begins to pinch in Anaphase: The duplicated chromosomes (called chromatids) are separated. 23 Figure 1.3 Diagram of mitosis in animal cells. During interphase, the DNA is doubled in preparation for cell division. During prophase, the nuclear envelope breaks down and a spindle forms between the Během mitózy klesá syntéza RNA a proteinů (histony jen v S fázi) Bloomův syndrom (četnost SCE 60x vyšší) - SCE-Sister Chromatin Exchange Patří mezi syndromy chromosomální nestability, AR, vzácný zodpovědný gen (BLM, Bloom syndrome, RecQ helicase-like) -porucha reparace DNA teleangiektatický erytém (v l.roce)- senzitivita pokožky na UV - maligní transformace imunologické projevy (poruchy B-lymfocytů -nízké hladiny IgG, IgA a IgM- infekce, pleiotropní efekt genů-multisystémové poruchy Genetická variabilita (-0.1%) Meiotické dělení nucleus divides into two daughter nuclei DAUGHTERS J subdivide INTO FOUR .' (js* 5^5 I 35 gametes Chromosomes replicate Homologous chromosomes pair up Homologues swap sections of DNA Homologous pairs divide. Daughter nuclei have single chromosomes \ Chromosomes divide. Gametes have single chromosomes and a new mix of genetic material 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 24 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 (lcM = 1% pravděpodobnost rekombinace) existence haplotypů lineární kombinace alel (SNPs) na vícero sousedních lokusech jednoho z homologních chromozomů přenášená pohromadě (0 rekombinace) statistická asociace mezi DNA variantami na dané Chromatide se tedy vyskytují skupiny těsně vázaných variant = haplotypové bloky 25 Lidský génom Human Genome Project (HUGO) - James D. Watson 1990, (The first complete human genome was only decoded in 2021) haploidní genom obsahuje 3-3.3xl09 bp (3 054 815 472 base pairs, when the X chromosome is included, 2 963 015 935 base pairs when the Y chromosome) gen = konkrétní úsek molekuly DNA nesoucí informaci pro tvorbu proteinu nebo NA (rRNA, tRNA...) 20-25 tisíc pseudogen = sekvence DNA, která je podobná genu, ale nedochází k jejímu přepisování v RNA (transkripci) ~ 20 tisíc pseudogenů geny tvoří jen 2% DNA 5-8 % virová DNA až 70% repetitivně sekvence 90% identita savců 99,9% identita mezi lidmi Species Escherichia coli Gallus gallus Homo sapiens Daphnia pulex Oryza sativa Number of Genes -4,200 -17,000 -21.000 -31.000 -38,000 Common Name \ ľ. f í < Bacteria Chicken Human Water flea Rice Species T2 phage Escherichia coli Drosophila melanogaster Homo sapiens Paris japonica Genome Size 170,000 bp 4.6 million bp 130 million bp 3.2 billion bp 150 billion bp Common Name Virus \ Bacteria Fruit fly í Human I Canopy Plant 26 50% - 60% Většina DNA se podílí na produkci enzymů pro tvorbu nebo štěpení cukrů či stavbu buněčných struktur np. struktura hemoglobinového pigmentu x strukturou pigmentu chlorofylu Repetitivní sekvence Repetitivní sekvence = DNA s vysokým množstvím kopií • podílí se na formování vyšších nukleoproteinových struktur, jako jsou telomery nebo centromery • při chromozómových přestavbách • mají vliv na regulaci genové exprese - RNA interference • zajišťují ochranu konců lineárních chromozomů • řídí správný průběh mitotického i meiotického dělení buňky • zřejmě udržují strukturu chromozomů, možná jsou "evoluční" rezervou rozptýlené -mohou se pohybovat • DNA transpozony (př. „Sleeping Beauty" - genová terapie) • retrotranspozony -schopnost kopírovat se díky reverzní transkriptáze • endogenní retrovity = LTR • autonomní - LINE - Ll-repetice • neautomní - SINE - Alu-repetice • tandemové -za sebou jdoucí identické repetice, VNTR • makrosatelity - centromery • minisatelity - 5-30bp, které se více vyskytují v subtelomerických oblastech chromozomů, podkladem polymorfismů • mikrosatelity - opakování 1- 5 bp • telomerické sekvence •27genetické markery- forenzní vědy Mitotické hodiny - Telomery Vysoce konzervované nukleoproteinové komplexy - ochrana pro konce chromozomů • repetice TTAGGG (3000x) • posledních 100-200bp- přesah G-bohaté ss vlákno + proteiny-T-smyčka (telozom) • Hayflickův limit pro každou buňku (replikativní senescence) - během každého cyklu se 5 konec zkracuje (odstranění primery z okazakiho fragmentu) -ztráta 5-200 bp - 40 -60 dělení - diferencované buňky-kratší telomery telomeráza -prodlužuje nejkratší telomery v buňkách! -v zárodečných buňkách - v nádorových buňkách (90%) Homeostáza systému telomery - telomeráza je komplexní a svázána s genetickými a environmentálními faktory O-loop Nature Reviews | Cancer TELOMERE AND TELOMERASES It prevents the telomere ends from being recognized as break points by the DNA repair system. Leading strand 3' 5' t|t|a|g|g|q| 1 TT T Noncoding Hexameric Sequence Snížení aktivity telomerázy - volné radikály, diferenciační činidla, epigallocatechin gallate z čaje, tamoxifen, antineoplastické látky - cisplatina, doxorubicin, protein fosfatáza 2, MAPK, androgeny, inhibitory reverzní transkriptázy Zvýšení aktivity telomerázy - chemické karcinogény, mutace telomerických sekvencí, gamma záření, PKC, EGF, estrogeny 28 Telomerázová terapie Nesmrtelnost ve zkumavce? Španělští vědci prodloužili myšíživot o 12% Autoi Lukáš Kaklt | rj 23,2019 Dokážeme v budoucnosti manipulovat s délkou našich životů? Tuto otázku si položil tým vědců ve španělském Národním výzkumném středisku pro rakovinu. Kultivací embryonálních buněk se týmu podařilo prodloužit život laboratorních myší o více než 12% jeho průměrné délky. Cíle: • immortalizace b. bez maligního zvrhnutí • omlazení dárcovské tkáně, nebo své vlastní • genová terapie (imunoterapie) Nature Communications,2019: • kmenové buňky - prodloužení telomer • myší chiméry- o 12,74% delší života, než medián • bez fyziologických rozdílů schopnost nadále prodlužovat si stávající telomery • o 20% méně náchylné k vývoji nádorů, souvisejících s věkem 29 Repetitvní sekvence - dynamické mutace • 15 nemocí, výlučně u člověka (nerv. tkáně) 1. dědičné (founder effect) 2. gen. nestabilita nádorů 3. gen. nestabilita v somatických buňkách-stárnutí Expanze CAG-polyglutaminový trakt • Expanze v nekodujícíh oblastech (SyFraX,myotonická dystrofie, Friedreichova ataxie) Hutchinson-Gilford Progeria Syndrom (HGPS) -velmi vzácné onemocnění (mutace v genu LMNA) u něhož se stařecký fenotyp začíná rozvíjet do 2 let věku s mediánem dožití 13 let. Nemocní mají typický vzhled: malý vzrůst, ptačí obličej s vystouplýma očima, atrofickou pokožku s vychudlým podkožím a tenké končetiny s nápadnými klouby, rozvoj aterosklerózy (infarkt myokardu, mozková mrtvice) Průměrná délka telomer fibroblastů HGPS pacientů kratší než „age-matched" kontroly. • Kratší telomery jsou symptom né příčina nemoci! 30 Repetitivní sekvence - patologie myotonické dytrofie • AD, svalová dystrofie se svalovou slabostí provázenou paradoxně zvýšeným svalovým tonem • patologická expanze trinukleotidu CTG v 3' nepřekládané oblasti genu DMPK (dystrophia myotonica protein kinase). Mutantní mRNA má sama o sobě patogenní potenciál ANTICIPACE - závažnost nemoci se stupňuje (nebo klesá věk nástupu) v následujících generacích Huntingtonova chorea • AD, fatální neurologické onemocnění s nástupem v dospělosti (incidenci 4-10 na 100 000) projevuje se jako demence s extrapyramidovou poruchou motoriky v genu pro huntingtin je repetitivní sekvence (CAG)n (9-35x) -kóduje úsek bílkoviny tvořený zbytky glutaminu (polyglutaminový úsek), t i ' nad 40 tripletů, protein nepracuje správně s výsledným progresivním odumíráním neuronů v nucleus caudatus. (Neúplná dominance - u dominantního homozygota-abort) Huntington's Disease Chromosome 4 Non-mutated Non-mutated HTTgene Htt protein Healthy neurons Normal brain section Huntington's disease Juvenilní forma -rychlejší progrese 31 Healthy brain Chromosome 4 Mutated Mutated HTT gene hHtt protein Atrophy of basal ganglia, enlargement of lateral ventricles Vliv prostředí na lidský genom „Nature versus n u rtu re" Genetická výbava jedince je sice osudově zadána v okamžiku zplození, ale není pro další život konečná, protože v průběhu života se může měnit jak pod vlivem četných faktorů epigenetických (vlivy prostředí), tak pod vlivem dalších faktorů genetických (např. mutacemi somatických buněk v průběhu maligní transformace). Genetická proměnlivost (zdroj individuální variability -vytváří se nové kombinace alel): segregace alel při vzniku gamet rekombinace při crossing-overu vznik náhodných kombinací alel při oplození Mutace náhodné změny genotypu, změna genetické informace mutace jako evoluční nástroj patogenů (prokatryota), dlouhodobě evolučně prospěšné 32 Nature Nurture Genes and Hereditary Factors physical appearance personality characteristics Environmental Variables childhood experiences how we were raised social relationships surrounding culture very Mutace Biologické mutageny: onkogenní viry: adenoviry, herpes viry, virus Epsteina-Barrové, Rousův sarkomální virus a Rauscherův virus leukémie, bakterie, transpozony Fyzikální mutageny: záření (rentgenové, gama, UV - tvorba thymidinových dimerů) Chemické mutageny: organické, alkylační činidla (ATB), anorganické látky, alkaloidy, kationty těžkých kovů, peroxidy, dusitany, aromatické chlorované deriváty, volné radikály (O) Physical Mutagens Chemical Typy mutací (klasifikace) • Dle okolností jejich vzniku: spontánní a indukované (četnost ~10-7, oprava polymerázou a proteinem p53) • Dle zasažené buňky: somatické (de novo, prenatálně, aborty, vvv) germinativní (přenášeny na potomstvo -často příčinou zániku plodu), u potomka přítomny ve všech buňkách, mají vliv na vývoj druhu, „úspěšnost" germinativní mutace 1:100 000 a. snížená plodnost/neplodnost b. embryonální mortalita c. abort d. dědičná onemocnění a VVV • Dle úrovně, na kterou působí: genomové, chromozómové a genové • Dle evoluce: výhodné, nevýhodné a neutrální • Dle alelických interakcí: úplná dominance, neúplná dominace, kodominace a recesivita • Dle sekvencí v DNA: kódující a nekódující sekvence 33 Vzácné mutace a polymorfismus mutace = výsledek mutageneze- nově vzniklá změna v DNA 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 vzácné mutace - jsou výrazně patologické a tudíž jsou z populace odstraňovány selekcí, nebo vznikly nedávno a nestačily se v populaci rozšířit, vyskytuje se v populaci méně než v 1 % polymorfizmus = existence několika (přinejmenším dvou) alel pro daný gen, z nichž nejméně častá má populační frekvenci alespoň 1% - bodový (SNP) - jednonukleotidový polymorfismus-substituce mutací v DNA-bialelické - variabilní počet tandemových repetic- repetitivni- multialelické minisatelitní (VNTR) a mikrosatelitní (STR) polymorfismy - přítomnost/nepřítomnost spec. sekvence na spec. místě (np.Alu, indel) nik mutací- pravděpodobně genetickým driftem (selekce) Genové mutace mění jednotlivé geny (alely), většinou jsou indukované v kódujících i nekódujících oblastech podstata je molekulární, mění se struktura DNA, ale nenarušuje se celistvost stavby chromozomu v somatických nebo v pohlavních buňkách Podle mechanizmu vzniku: Substituce = záměna nukleotidů (bazí) Tranzice (purin-purin: A-G; pyrimidin-pyrimidin: C-T) Transverze (purin-pyrimidin; A-C, A-T, G-C, G-T...) Adice (inzerce) = Zařazení l/více nadbytečných nukleotidů. < 3 nt = posun čtecího rámce (frameshift mutation) = odlišný polypeptid = 3 nt (nerušující ORF) = prodloužení polypetidu Delece = ztrátu l/více nukleotidů původní sekvence (zkracování polypeptidového řetězce) Inverze = převrácení pořadí nukleotidů Normál a.Mutace neměnící smysl (silent, synonymous) Po mutaci zařazena stejná AMK Způsobeny substitucemi na třetí pozici tripletu. a. Mutace měnící smysl (missense, non-synonymous) Po mutaci zařazena odlišná AMK Konzervativní = záměna za chemicky podobnou AMK Nekonzervativní = záměna za AMK s odlišnými vlastnostmi (vliv na funkci polypeptidu) b. Nesmyslné mutace (nonsense, damaging) vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA c. Mutace měnící čtecí rámec (frameshift) vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA Substitution Insertion Deletion Inversion Typ dědičnosti- monogenní onemocnění 35 BEAST FEAST BREAST f BEATS Genové mutace Srpkovitá anemie • missense mutace genu pro hemoglobin na 6. pozici v Í3-řetězci (hydrofóbní valin místo hydrofilní glutamové kyseliny, tvorba shluků Hb a tím změna tvaru ery) —► HbS • autosomálně recesivní ancestral mutant DNA -CTC- -CAC- mRNA -GAG- -GUG- AA -glu- -val- Srpkovité červené krvinky mnohem hůř přenášejí kyslík. Lidé se srpkovitou anémií mají proto ve srovnání s obyčejnými lidmi červených krvinek víc. To jim dává proti malárii velkou výhodu, díky níž mají lepší šanci přežít. ^ ^ Red blood coils Infected mosquito bites person who becomes infected Mosquito bites infected person, becoming infected Infected red blood calls 36 Genové mutace ß° thalasemie • nonsense mutace pro Hb - chybná syntéza řetězců globinu • autozomálně recesivní ancestral mutant DNA -AGT- -ACT- mRNA -UCA- -UGA- AA -ser- -STOP Huntingtonova choroba • trinukleotidová expanze Thalassemia Normal Red Blood Cell % Ä a. Q While Blood Cell |^ ' — Platelet ancestral mutant DNA ...TAC-GTC-... ...TAC-(( 2Q-GTC-... mRNA ...-AUG-CAG-... ...-AUG-(CAG-CAG-CAG)20-CAG-... 3^ ...-met-gln-... ...-met-(gln-gln-gln)20-gln-... Thalassemia Malformed red blood cell White Blood Cell Platelet Genové mutace Hemofílie A = nedostatek srážecího faktoru VIII • inverze části genu F8C-nejčastější (45%) • inzerce (LINE1) do genu F8-snížení tvorby proteinu • Monogenní onemocněn -gonozomálně recesivní X vázané • žena je přenašečka Members of the Royal Family with Hemophilia and Carriers of Hemophilia Princess Irene of Hesse and by Rhine 7/11/16«-11111/195) Age 87 ■ Prince Friedrich of Hess 10711870 • 5/29/1673 Age 2 1/2 Princess Alexandra 6*1872 ■ 7/17/1918 Age 46 Prince Waldemar of Prussia 3/20/1889 . 5/2/1940 Age 56 Prince Heinrich of Prussia 1/9JI900- 2/2611904 Age 4 rtartvscl Nikolacvich Alexci 12/12/1904.7117/1916 Age 13 With Hemophilia Queen Victoria 5/4/1819- 1/22/1901 Age 81 Carriers of Hemophilia Prince Leopold, Duke of Albany 4/7J1853 - 3/28/1884 Age 31 Princess Alice, Counless Ol Athlono 2/25J1883 • 1/3*1981 Age 97 Prince Rupert of Tec* 4/24/1907-5/15J1928 Age 20 Princes* Beatrice of Battenberg *14.'1857.10,:2&'1M4 Age 87 Prince Leopold Prince Maurice Prince** Victoria Mounibattcn of Bitten berg Eugenia of Batten ber; 5/21/1889- «23/1922 10O/1891 • 10/27/1914 10/24/1887 - 4.15/19« Age 32 Age 23 Age 81 É Alf onto. Prince of Aituria* b 10 1907 »«.'1938 Age 31 Infante Gomalo of Spain 10.-24/1914-3/13/1934 Age 19 38 Genová mutace Cystická fibróza • deleční mutací genu produkujícího protein CFTR (chloridový ABC transportér na buň. membráně) —► nefunkční protein • delta F508-delece 3 bp v pozici 1652 až 1655 v exonu 10 (delece phe v kodonu 508) • vice než 1200 mutací - selekce ve prospěch heterozygotů?(cholera, tyfus?) • autozomálně recesivní ancestral mutant DNA -TAG-AAA-CCA- -TA A-CCA- mRNA -AUC-UUU-GGU- -AUU-GGU- >tM- -ile- e-gly- -ile-gly- Healthy airway Cystic fibrosis Airflow O MAYO FOUNOATlON FOR MEDICAL EDUCATION AHO RESEARCH ALL RIOHTS RESERVED Outside cell Mucus Mutant CFTR Channel Normal CFTR Channel ° ~ ° ° ° o o o O o o Chloride ions o 0 Genová mutace Duchennova svalová dystrofie • „frameshift" mutace = posun čtecího rámce v genu pro protein dystrofin • Chybí dystrofin - dystrofinopatie • gonozomálně recesivní - vazba na X chromozom ancestral mutant DNA -CAC-TGT -CAC-TTG-T..- mRNA -GUG-ACA- -GUG-AAC-U..- AA -val-thr- -ile-gly- Minimal or no sympioms Severe crippling Weakness, especially of deformities and contractures pelvic girdle muscles Extracellular matrix Dystrophin-associated 3Vglycoprotein complex 40 Linking proteins Actin filaments Chromozómové mutace - aberace • nemění strukturu samotných genů, ale mění strukturu chromozomů • dají pozorovat ve světelném mikroskopu • mohou být překážkou normálního průběhu meiózy a jimi postižené gamety mohou být sterilní nebo mohou po splynutí vznikat neživota schopné zygoty. • Dělíme na: strukturní x numerické (genomové mutace) balancované x nebalanované autosomální x gonosomální Strukturní chromozómové aberace balancované (je zachováno původní množství genetického materiálu) • inzerce-část chromozomu vyštěpena z původního chromozomu a připojena k jinému chromozomu • inverze = převrácení části chromozomu o 180° • translokace = přesun části chromozomu na jiný chromozom, může vést k vytvoření nového znaku (přímé x reciproké) Robertsonské: fúze dvou akrocentrických chromozomů 20 Single chromosome mutations Deletion Duplication Inversion [ Insertion Chromosome 20 Chromosomc4 C h romosome nebalancované (kdy část genetického materiálu chybí či přebývá) deficience = ztráta koncové části chromozomu, oddělený kousek se rozpadne v cytoplazmě, dochází ke ztrátě genů, ztráta důležitých genů vede ke smrti delece = ztráta vnitřní části chromozomu. duplikace = zdvojení některých částí chromozomů fragmentace = rozpad na malé části (buňka se nedělí) ring chromozom = spojení konců chromozomu (po deleci telomer). izochromozom = chromozom, který má pouze dlouhá, či naopak pouze krátká raménka. Chromosome 41 Robertsonské translokace Translocation Diriialha Chromosome 20 chromosome 20 Chromo5omE4 Dtri'.Bli'.í chrono5omc4 Genomové mutace Numerické chromozómové aberace - aneuploidie způsobeny abnormálním počtem chromozomů v karyotypu struktura chromozomů je neporušená, patologie-nestandardní množství genů vznikají díky chybě při rozchodu chromozomů do dceřiných buněk během buněčného dělení (nondisjunkce) nebo abnormalitami fertilizace či časná embryogenéze atd. aneuplodie - numerická odchylka se týká pouze určitého chromozomu nebo chromozomů, ne však celé sady. Konkrétní chromozom může být bud' znásoben -trisomie (3x - tři kopie chromozomu), tetrasomie (4x - čtyři kopie chromozomu), nebo naopak ztracen - monosomie (lx - jedna kopie chromozomu), nulisomie (Ox -žádná kopie chromozomu) (nádory) Diagnostikované vrozené chromozómové aberace v ČR v roce 2015 Celkem ■ Downův syndrom O Edwardsův syndrom □ Patauův syndrom □ jiné auloiomovr aberace ■ gonoíomove aberace Ukoníeno Aneuplodie pohlavních chromozómu (Gonozomy) Turnérův syndrom (žena: 45, X0) 1: 2500 Klinefelterův syndrom (muž: 47, XXY) 1:1000 XXX syndrom (žena: 47, XXX) - „Superfemale" 1:1000 XYY syndrom (muž: 47, XYY) - „Supemale" 1:1000 Aneuplodie somatických chromozómů (Autozomy) Downův syndrom (žena/muž: 47, + 21) 1:2500 Edwardsův syndrom (žena/muž: 47, + 18) 1:6000 Patauův syndrom (žena/muž: 47, + 18)1:5000 42 na 10 000 živě narozených ■ prenatální diagnostika in to r- co ai A CT) Ol CD O") CJ) (J> Cíl 0> <7i r-irjENCNicNCNrslcvicNrgrjcsic^Moirvj rok http://www,vrozene-vady. cz Genomové mutace Numerické chromozómové aberace-polvploidie Polyploidie - znásobena je celá chromozómová sada - porucha rozdělení celých sad nebo oplození spermiemi (dispermie), u člověka přichází v úvahu zejména triploidie (3n = 69 chromozomů) a tetraploidie (4n = 92 chromozomů), většinou ale: těhotenství je potraceno molla hydatidosa (a pak těhotenství nutno ukončit potratem) porod novorozence s triploidií - velmi časná letalita Polyploidie lidských buněk (vznik endoreplikací-endomitózou, fůzi b., cytokiny...) 1. vývoj tkáně (játra, svaly, srdce, placenta, mozek, kostní dřeň) 2. patologické procesy-hyperthyroidóza (thyroidní b.), hypertenze (VSMC), nádory Common polyploid plants HHÜTriploid HXHH Tetraploid Seedless watermelon XKXXXXHexaploid XXXXXXXXo-p'oi" W Crop Science Complete cytokinesis Nuliploidie - erytrocyt Tetraploidie, oktaploidie - jaterní b. (vícejaderné) jádro může být 2n nebo polyploidní + aneuploidie Endopolyploidie-megakaryocyty (8-16ploidie)-128 sad chrom. Embryonický trofoblast - tertraploidní 2n Diploid liqiiiltii \ U", in newborn liver 4n 43 Cytokinesis failure t Insulin signal, E2F8/E2F1, miR-122. etc. Klasifikace geneticky podmíněných nemocí praktickyokaždá 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 1. Z hlediska etioloqie nemoci - Monofaktoriální (gen.x negen. charakter) x multifaktoriální 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 chromozomální poruchy nejedná se o konkrétní chybu ale o nadbytek/nedostatek genů obsažených v celých chromozomech nebo jejich segmentech ("gene dosage" efekt) komplexní (poly-, multigenní) nemoci genetická dispozice podmíněná kombinací alel několika genů je výrazně manifestována prostředím a komorbiditami 2. Podle typu dědičnosti - mendelistické - dom/rec- monogenní, autozomální (nezávislá segregace, volná kombinovatelnost) nemendelistické - multifaktoriální, mitochondriální, imprinting, expanze trin. repetic (HD, fraX) 3. Podle charakteru mutace - genové, chromozomální, genomové 44 Monogenní nemoci mendelistická dědičnost (charakteristický způsob přenosu v rodinách) dědičný podklad se uplatňuje jako velký faktor, tj. je přítomen prakticky u všech nemocných a jedná se prokazatelně o faktor příčinný + přídatné faktory genetické i faktory zevního prostředí. • příčinou těchto nemocí bývají především tzv. vzácné alely -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 • determinována alelami v jednom lokusu • choroby dětského věku (méně než 10% -po pubertě, 1% 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) Monogenní nemoci 46 Dělíme podle typy přenosu • autozomální • geny na obou autozomech aktivní • gonozomální (X-chromozom vázané) • muži hemizygotní • u žen 1 X-chromozom inaktivován!! • jiné • imprinting, mozaicizmus, ... Pedigree mí ■0 0- -0 O Ó Kay I I male J alfected male [/^ deceased male Q female 0 affected ferriale^2f *ceased terriale 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 PLEIOTROPIE- fenylketonurie - rec. alela ovlivňuje víc znaků Monogenní nemoci - AR • Nemoc jen u mutovaného homozygota, u heterozygotu s 1 mutovanou alelou stačí produkt k udržení normální funkce • manifestní onemocnění u heterozygota 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 • ztráty heterozygozity (loss-of-heterozigosity, LOH) v somatické buňce - např. familiární predispozice k nádorůmv důsledku mutací v supresorových genech (např. retinoblastom) • velmi často enzymové defekty postižen je mutovaný homozygot (popř. sourozenci), heterozygotní rodiče jsou přenašeči (asymptomatičtí) - riziko 0.50 x 0.50 = 0.25, • frekvence přenašečů nemoci v populaci >>> frekvence nemocných a c77> o Cystická fibróza - nejčastéjší AR nemocí u bélochu je (f nemocných 1/2000, f pŕenašeču 1/22) • Enzymopatie - fenylketonurie, galaktosemie, Tay-Sachsova choroba • Spinální muskulární dystrofie, srpkovitá anémie, Thalasémie • Imunideficience: hyper-IgE syndróm (Jobuv syndróm), WHIM syndróm, DiGeorguv syndróm. 47 Monogenní nemoci - AD • Dominantní alela je na autozomu Nemoc se projevuje v každé generaci - postižený jedinec má postiženého jednoho rodiče (a prarodiče) • Nemocní jsou i heterozygoti Riziko opakování pro potomky a sourozence postiženého je 50% • nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově riziko pro potomka 0.50 (pokud by byli oba rodiče postižení pak 0.75, ale to je vzácné) • Familiární hypercholesterolemie (1/500) -nejčastější dědičné metabolické onemocnění (1/200 - 500) Homozygoti pro mutovanou alelu jsou obzvláště těžce postiženi (neúplná dominance) Myotonická svalová dystrofie (1/1000), Huntingtonova chorea (1/3000) • Marfanův syndrom • Neurofibromatóza • Achondroplasie Brachydaktylie, Syndaktylie Osteogenesis imperfekta • těžké kombinované imunodeficity (SCID), chronická granulomatózní choroba, deficity adenosindeaminázy • MHC II deficit, deficit adhezivity leukocytu • Leidenská mutace: (Faktor V Leiden) -Heterozygoti mají riziko žilní trombózy 5-lOx vyšší, homozygoti 80-100x vyšší!!! (neúplná dominance) 48 Monogenní nemoci - X-vázané Nemendelistická dědičnost- není identita reciprokých křížení ženy 3 genotypy, muži pouze 2 X-vázané nemoci se manifestují u všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen inaktivace X-chromozomu u žen (16 dní po oplození) kompenzace dávky a exprese X-vázaných genů má počátek inaktivace (blízko centromery), nepodléhá 20 genů hypotéza Lyonové ("lyonizace") -v somatických bb. je 1 X inaktivovaný a v interfázi se zobrazuje jako " Ba r rovo" 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 Geny na gonozomech 1. dědičnost jako autozomy (c-o) 2. vázané na pohlaví-dědičnost křížem 3. přímá dědičnost-holandrická-mužská linie XD - XR - Hypertrychoza Parciální barvoslepost Deficience GGPH Ichtyosis Lesh-Nhyanův syndrom Hemofilie A Duchenneova muskulární dystrofie Wiskott-Aldrichův syndrom Imunodeficience l i ©p y^y^\ Early Divisions dom chromosome ctivation ^í^-/ N--i* Inac l i >**^>. ""V Inactivation Ĺ x1) fx° j mrsif S Descendant! 49 Producing a MOSAIC Dědičnost přímá a křížem nehůmologní úseky I hdmolrjgní úseky sU Komplexní nemoci • multifaktoriální, multigenní • kombinace genů a faktorů zevního prostředí (genotyp-genotyp+genotyp-prostředí) • 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. • choroba má prokazatelně familiární výskyt- musíme očekávat podíl genetického podkladu na její manifestaci • Své genetické pozadí mají i tak relativně vzdálené proximální fenotypy, jako je např. kvalita života u nemocných s chronickým kardiovaskulárním onemocněním. • Hledání genetické determinace: - zvýšený výskyt v rodinách -familiární agregace- příbuzní sdílejí větší podíl genů navzájem než s nepříbuznými - zvýšená incidence u dvojčat MZ vetší než DZ (stupeň fenotypové shody, konkordance, odhad heritability) - dědičnost intermediálních fenotypu - heritabilita - relativní podíl variability podmíněné geneticky na celkové variabilitě znaku Až 80% populace onemocní do konce života komplexní nemocí 50 Komplexní choroby 51 fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či recesivní dědičnost jako důsledek změn v jediném lokusu (tzv. jednolokusových) genová složka není homogenní, vztah genů není aditivní - multiplikativní model 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 schizofrenie alergie, nádory in O c o c in a c V >u fyziologické populační variabilita riziko polygennl nebo monogenní porucha glukóza (mmol/l) fyziologická populační variabilita optimum ^ /^V riziko ,-pqlygenní porucha / normotenze J\i y p e r te n z 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 (somatická mutace, teratogen) • existencí genokopií • genotyp determinující velmi podobný fenotyp determinovaný odlišným genotypem • genetickou heterogenitou (lokusovou a alelickou) • klinický obraz není specifický, ale může se rozvinout v důsledku záměn v genech ležících na různých lokusech (= lokusová heterogenita) hluchota, v jednotlivých genech může být přitom vícero mutací či polymorfizmu (= alelická heterogenita) CF, p53 • 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 • alely příznivé, nepříznivé a neutrální • pleiotropie • mnohočetné fenotypové efekty jednoho genu nebo páru genů 52* spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu -mitochondriální dědičnost, imprinting (patern./matern.) Jednolokusové nemoci Komplexní nemoci Závažnost Genetické studie • Hledání markeru/kandidátních genu (jednodušší u mendelisticky děděných nemocí) • s klinickou manifestací nemoci • s klinickou závažností nemoci • s intermediálním fenotypem • s odpovídavostí nemoci na léčbu • Markery-neexprimované a exprimované (vázané) • Systematické hledání genů (sekvenace) nebo komplexní analýza (chipy) • 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 (u komplexních nemocí) Genome-wide association studies have identified various strong associations between genetic polymorphisms and susceptibility to common infectious disease phenotypes, such as HIV-1, hepatitis B and C viruses, dengue, malaria, tuberculosis, leprosy, meningococcal disease and prion disease • 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. 54 Genetické studie Linkaae (vazebném analýza vztah mezi lokusy Testuje kosegregaci genového markem a fenotypu nemoci v rodině. Čili marker a nemoc se v dané rodině mají vždy vyskytovat spolu. Asociační studie Společný výskyt alel či fenotypu (vztah mezi alelami/fenotypy) 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 cytokinových genech; stabih genotyp-fenotyp). ABO-r-Q(CC) WP EG AlQ-T-D(GG) ■ Property of mapping approach Linkage analysis Association analysis Data type studied Relatives Unrelated or related individuals Relevant parameter Recombination fraction Association statistic Range of effect detected (linkage or association) Long (<5 Mb) Short (£100 kb) Number of markers required for genome-wide coverage Moderate (500-1.000) Large (> 100.000) Statistics used Cumbersome (requires tailor-made likelihood methods) Elegant: can use the range of classica statistical tools Dealing with correlated markers Pose problems in presence of ungenotyped individuals Can be handled efficiently Biological basis of approach Observe (or infer) recombination in pedigree data Exploit unobserved recombination events in past generations Dealing with allelic heterogeneity Not a problem Reduces power Detecting genotyping errors Potentially detected as Mendelian inconsistencies Potentially detected only in family data, but not in case-control data Most suitable application Rare, dominant traits Common traits Nature Reviews I Genetics Klinická genetika zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí genetické poradenství vrozené vady - poruchy utváření orgánů, 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 % 56 Klinická genetika Prenatální diagnostika • zahrnuje vyšetřovací postupy směřující k vyhledávání statisticky významné odchylky ve struktuře nebo funkci, která přesahuje hranice fenotypové variability • umožňuje v závažných případech ukončení gravidity, u dalších je možno v předstihu plánovat optimální perinatální péči. 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 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 Prenatální diagnostika • Ultrazvuk, MRI • Vyšetření karyotypu - cytogenetické vyšetření •FISH - fluoresceční hybridizace in situ- vazba denaturované sDNA se specifickou sondou •AmnioPCR (Quantitative fluorescent PCR (QF-PCR) je moderní metoda sloužící ke genetickému vyšetření plodu-porovnání DNA markerů 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. 'invazivní metody - amniocentéza, biopsie choriových klků, kordocentéza •NIPT- Neinvazivní prenatální testování- vyšetření volné dna plodu, která koluje v krvi matky- Cell-free fetal DNA (cffDNA) - nejcitlivější dostupný test pro stanovení rizika Downova, Edwardsova a Patauova syndromu, stanovení pohlaví, RH krevní skupiny nebo vyloučení de novo nebo dědičných monogenních chorob 58 PRENATAL TESTING Non-invasive and invasive tests used during pregnancy for the identification of 01 and other birth anomalies Non-invasive prenatal testing (NIPT) NIPT uses fetal DNA from the mother's bloodstream for prenatal testing of 01 Used from 7th-10th weeks of gestation Ultrasound Allows to discover severe 01 cases from 20th weeks of gestation non-invasively. Chorionic villus sampling (CVS) An Invasive sampling of the placental tissue for further genetic analysis of 01. Used from lDth-12th weeks of gestation Cordocentesis An invasive sampling of umbilical cord blood for further 01 genetic analysis. Used on 22nd-24th weeks of gestation Amniocentesis An invasive sampling of amniotic fluid for further 01 genetic analysis. Used from 15trv-20th weeks of gestation Klinická genetika Postnatální diagnostika- • trombofilie - příčinou různých komplikací v těhotenství, genetické • vyšetření u: gravidních, před začátkem užívání hormonální antikoncepce, • před chirurgickým zákrokem • Leidenská mutace - mutace genu pro inhibitor koagulace faktor V - riziko trombembolie ~30 %,AD (5-10% výskyt) • Hyperhomocysteinemie - mutace enzymu konvertujícího kyselinu • listovou - projeví při nedostatku vitaminů B6, B12 a kyseliny listové, AR • Defekt antitrombinu (FII) - mutace koagulačního faktoru II • - riziko trombembolie ~70 - 90 % 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 59 Jaderná a mimojaderná dědičnost There are two kinds of genetics - nuclear and unclear" (Boris Ephrussi (1901 -1979) Organelová dědičnost -cytoplazmatická dědičnost- nemendelistická segregace, rozdíl v reciprokém křížení a vystepování v průběhu ontogeneze 60 3 200 000 000 pb 16 569 pb Mitochondriální DNA původ: alfaproteobakterie pohlcena eukaryotickou buňkou mnoho genů během evoluce bylo z mtDNA horizontálně přeneseno do buněčného jádra (geny v jádře kódující různé mitochondriální proteiny silně připomínají bakteriální proteiny) ~ 16,5 tisíce bp, H a L vlákno, nemá histony, nemá introny, 93% kódující DNA, nemá repetitivně sekvence, kóduje 37 genů o 24 genů pro různou nekódující RNA o 13 genů kóduje vlastní mitochondriální polypeptidy zapojené v mitochondriálních procesech (využívány během oxidatívni fosforylace) maternální dědičnost genetické analýzy: na základě mtDNA určena migrace lidstva - „mitochondriální Eva" (bez rekombinace-přenos „en bloď - haplotypy, haploskupiny, vysoká mutabilita) 61 frÔ řřĎ 1-rO i T S + 9 e t t ItO ďb 1£S rRNA NADH Dehydrogenase "'<1»-nils NAD H Dehydrggenas-g 3Ubuni[3 NADH □shydroganass subunits Cytochrome Ox idase suhunita Cytochrome Q-ticlase lubunits Mitochondriální nemoci počet mitochondrií v buňce - variabilní až 2000 8-10 DNA v každé mitochondrií, množí se autonomně, náhodné rozdělení do různých tkání Mutační rychlost lOx vyšší než jádro (delece a bodové mutace) Mutace homoplazmické- ve všech molekulách mt -recesivní Mutace heteroplazmické - častější-v některých mt Děti jedné matky tak mohou mít odlišné fenotypy v závislosti na množstvímutantnímtDNA v jednotlivých tkáních -A Hladina Heteroplazmie-pro každou buňku jiná m.8993T>G v genu MT-ATP6 při hladině heteroplazmie více než asi 90 % diagnostikován Leighův syndrom (LS) naopak u pacientů s hladinou heteroplazmie 70 až 90 % se projeví neuropatie, ataxie a retinitis pigmentosa (NARP) Porucha oxidatívni fosforylace Variabilita - stejná mutace se jinak manifestuje Neurometabolická onemocnění,myopatie 0% 30 0/0 50 % 70 o/o 100 o/o 1--r J dysfunkcia respiračného reťazca Leberova hereditární optická neuropatie (LHON), Leighův syndrom, NARP, MELAS, MERRF Maternálně dědičný diabetes a hluchota (MIDD), Pearsonův syndrom, Syndrom Kearns-Sayre „Common deletion" cca 500bp - cancerogeneze 62 Epigenetika Genetická výbava každé buňky jedince je identická, profil proteinů nikoliv Zabývá se studiem reverzibilních dědičných změn ve funkci genu (změny v genové expresi), které nejsou způsobeny změnami v nukleotidové sekvenci DNA. Dědičnost infekčních částic Infekční dědičnost - symbiotické nebo parazitické asociace mikroorganizmu s eukaryotní buňkou (zahrnuje vloženou cizorodou genetickou informaci různých patogenů, virů, bakteriofágů či baktérií do genomu eukaryotní buňky. Infekční dědičnost je forma nemendelistické dědičnosti, infekční částice v buňce hostitele může způsobit změny ve fenotypu hostitelského organismu a poté přenést změněný fenotyp na své potomky. „The latent human herpesvirus-6A genome specifically integrates in telomeres of human chromosomes in vivo and in vitro" „it specifically and efficiently integrates into telomeres of chromosomes during latency rather than forming episomes, and the integrated viral genome is capable of producing virions." „Reverse-transcribed SARS-Cov-2 RNA can inegrate into genome of cultured human cells and can be expressed as chimeric transcripts in patient-derived tissues" 64 Host DNA methylation Historie modification Noncoding RNAs Epigenetic modifications in pathogens during infection Host-pathogen interactions Epigenetic modifications in the host induced by pathogens if* Pathogen DNA methylation Histone modification Noncoding RNAs Mikrobiom - druhý lidský génom lOkrát více bakterií, plísní a jiných mikroorganismů než lidských buněk 2011 - Human Microbiome Project, viz http://commonfund.ih.aov/hmp/^ střevní mikrobiom - individuální - střevní skupiny" neboli enterotypy střevo má po mozku nejvíce nervových buněk - „druhý mozek" střevní mikroorganismy přímo interagují s enterickým NS a ovlivňují naše chování (psychotika) In utero Birth Infancy Childhood Factors • Placenta • Amniotic fluid Dominant microbes • Proteobacteria Factors • Gestational age • Mode of delivery Dominant microbes • Proteobacteria Factors • Feeding mode • Family life style • Geographical location Dominant microbes • Actinobacteria • Host genetics • Use of antibiotics • Proteobacteria The Importance of the MICROBIOME By the Numbers %^ 10-100 trillion M Number of symbiotic microbial cells ^ harbored by each person, primarily bacteria in the gut, that make up the human microbiota >10,000 • Number of different microbe species researchers have identified Irving m the human body 100 to 1 The genes in our microbiome outnumber the genes in our genome by about 100 to 1 22,000 Approximate number genes in the human gene catalog 99.9% rich placental microbiome in normal term pregnancies likely providing important metabolic and immune contributions to the growing fetus; altered microbial composition during pregnancy mi? produce aberrant metabolites impairing fetal brain development and life-long neurological outcomes (dysbiosis) Percentage individual humans are identical to one another in terms of host genome 90% O Up to 90% of all disease can be reached in some way back to the gut and health of microbiome 10X There are 10 times as many outside organisms as there are human cells in the human body 3.3 million Number of non-redundant genes in the human gut microbiome 1 80%- 90% Percentage individual humans are different from another in terms of the microbiome Mikrobiom - patologie dysbalance mikrobiomu- antibiotika, potrava (typ a doba), stres složení a vlastnosti střevního mikrobiomu se liší u jedinců s obezitou složení střevního mikrobiomu - vliv na metabolické děje - „low grade inflammation" (chronický subklinický zánět) -spojen s funkcí mikrobiomu- u lidí se sklonem k obezitě tzv. fekální transplantace (infekce Clostridium dificile, 80% úspěšnost, první léčba fekální bakterioterapií v ČR- FN Brno,2009) Genetics environment Diet Lifestyle 1 Hormones Industry NOSE * mucus production • antimicrobial chemicals MOUTH • assist digestion • ward off pathogens LUNGS ♦ lubricate pulmonary tissues STOMACH ♦ prevents gastric complications COLON • digestion of complex carbohydrates SEXUAL ORGANS • maintain pH and H202 production to kill microbes SKIN • fortify immune system • scent production Ca"cer \-***™"*N^ A,ler5»¥ Dysbiosis Whcrosclcrosls Multiple Alzheimer Sclerosis Sugar disrupts microbiome, eliminates protection against obesity and diabetes Genome-microbiome interplay provides insight into the determinants of the human blood Metabolome 66 Orální mikrobiomu-oralom • druhý největší po střevním - mezidruhové interakce (bacteria, archaea, fungi, viruses, and protozoa) Periodontitis • microbiome, mykobiome a virom-1000 • Human Oral Microbiome Database (HOMD) • Dysbióza asociovaná s vyšším rizikem výskytu Onemocnění parodontu Zubního kazu Rakoviny head and neck squamous cell cancer pancreatic cancer colorectal cancer Systémových nemocí rheumatoid arthritis SLE Kardiovaskulárních nemocí hypertension ateroskleróza Neurologických nemocí Alzheimer's disease Porphyromonas gingivalis Tannerella forsythia Treponema denticola AggtegatibactB actinomycetemcomitans Dental caries • Streptococcus mutans • Lactobacillus • Streptococcus sobrinus Oral liehen planus • Capnocytophaga sputigena • Eikenella corrodens • Prevotella intermedia Oral Cancer • Porphyromonas gingivalis • Streptococcus gordonii Autoimmune diseases 1. Rheumatoid arthritis • Rheumatoid arthritis 2. Sjogren syndrome • Firmicutes / Proteobacteria ratio 3. Systemic lupus erythematosus • Actinomyces • Prevotella oulorum • Pseudomonas spp. Cardiovascular diseases • Porphyromonas gingivalis • Streptococcus sanguinis Diabetes • Porphyromonas gingivalis • Tannerella forsythia Systemic malignancies 1. Gastrointestinal cancer • Porphyromonas gingivalis • Tannerella forsythia • Neisseria elongata • Streptococcus mitis ' Hisobacterium nucleatum • Lactobacillus 2. Lung cancer • Capnocytophaga • Veillonella - one study confirmed that the composition and structure of supragingival plaque is mainly related to caries, whereas subgingival plaque is mainly related to periodontal disease - ^tf/ary microbiome of obese patients differs from that of normal-weight hosts Subgingival dental plaque Palate Throat Tonsil Buccal mucosa Tongue soft tissues Saliva Supragingival dental plaque Keratinized gingiva Viruses Balanced microecosystem i Fungi f-~ Bacteria CPR i Epithelial tissue Microbial dysbiosis r*--------♦ Epithelial tissue Caries Periodontal disease Pulpitis Periapical periodontitis Various oral diseases Interactions exist and have been confirmed. •*•----+ Interactions must be verified. Fenotyp Genetická predispozice Genové interakce Vývoj zubů - amelogeneze, (vývojové vady zubů) Zubní kaz Parodontitida - dědičné formy -70%heritabilita (GWAS - 38 genů, kratší délka telomer u chronické formy) Gingivitida • Imunitní systém • Metabolismus a příjem cukrů (alkoholu) • Potravní chování (chuť - taster x non-taster) • Sliny (množství, složení) 69 Faktory prostředí Epigenetické změny Mikrobiom Host DNA methylation Histone modification Noncoding RNAs Epigenetic modifications in pathogens during infection Host-pathogen interactions Epigenetic modifications in the host induced by pathogens Pathogen DNA methylation Histone modification Noncoding RNAs Genetika zubního kazu complex, chronic, multifactorial disease studie na dvojčatech: • higher concordance and heritability between MZ twins in dental caries occurrence and severity • significant heritability for oral microorganisms including Streptococci, salivary flow rate, salivary pH and salivary amylase activity. vazebna/asociacni analvza • dental caries is strongly familial based with probable genetic and sex-linked associations. • parents and siblings -who were highly resistant to dental caries • individual's resistance to caries despite being on a highly cariogenic diet Genes Microorganism „Tooth genes" amelogenin, enamelin, ameloblastin, tuftelin, dentine sialophosphoprotein Defekty mineralizace „Taste genes" 70 Taste Immunity Surface Dentition Host/Tooth Caries Substrate/Diet Time Saliva Tasters (sweet dislikers) - Lower dmfs Non-tasters (sweet likers) - Higher dmfs Taste genes influence diet pattern -caries susceptibility, Human leukocyte antigen & Defensins, Mannose Binding lectin associated with inhibition/colonization of microorganism hence the resistance/ susceptibility of an individual varies based on the genotype of immune elements. THE END STEJNÝ VÝSLEDEK? TO NEMUZE BÝT NÁHODA... 71