1
•Podstata dědičnosti
•Genetická variabilita
(mutace  polymorfizmus)
•Monogenní  komplexní
nemoci
Genetika, epigenetika a stárnutí
2
• Historie genetiky, hlavní pojmy, struktura DNA
• Genetická variabilita
• Epigenetika
• Genové mutace vs polymorfismus
• Monogenní vs polygenní nemoci
• Stárnutí
Obsah
Historie
• brněnský kněz a středoškolský profesor Johann Gregor Mendel
se zabýval křížením různobarevných odrůd hrachu
• Genotypové zákony:
o Zákon o samostatnosti alel
Genotyp je soubor samostatných genů určujících znaky.
Každý znak je určen dvojicí samostatných alel.
o Zákon o segregaci alel
Dvojice samostatných alel se při zrání rozcházejí a
do každé gamety přechází jedna z obou alel.
o Zákon o nezávislé kombinaci alel
• Fenotypové zákony
o Zákon o uniformitě hybridů
Křížíme-li dominantního homozygota s homozygotem recesivním, jsou jejich potomci F1 generace v sledovaném znaku
všichni stejní. Reciproká křížení u jakýchkoliv jedinců F1 generace dávají shodné výsledky.
o Zákon o štěpení v potomstvu hybridů
Při křížení heterozygotů lze genotypy a fenotypy vzniklých jedinců vyjádřit poměrem malých celých čísel. Vzniká genotypový
a fenotypový štěpný poměr.
4
Historie
Genetika
• specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností
o klinická genetika
• zabývá se genetikou patologických stavů
• zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí
(u celé rodiny!)
• genetické poradenství
o lidská genetika
• studuje variabilitu a dědičnost u člověka
o cytogenetika
• studium chromozomů
o molekulární genetika
• studium struktury a funkce jednotlivých genů
o populační genetika
• studium proměnlivosti populací
o komparativní a evoluční genetika
• mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů
Genomika
• studuje strukturu a funkci genomů pomocí genetického mapování, sekvenování a funkční analýzy genů
• snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých organizmů
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 bioinformatika = shromažďování, analýza a vizualizace biologických souborů dat
• využívá metod výpočetní techniky, tvorba databází a softwarů
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)
Chromozomální podstata dědičnosti
• DNA, RNA, proteiny
DNA: nese potřebnou informaci potřebnou
pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a
reprodukce
• složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze [A,
G, C, T])
• DNA kostra – polynukleotidový řetězec
• zbytky deoxyribózy a kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou
vazbou
• DNA dvojšroubovice - 2 polynukleotidové řetězce v opačné orientaci
• jedno vlákno v 5’ → 3’ směru, druhé opačně
• vodíkové vazby mezi páry bází (A=T, GC)
RNA: transport informace z jádra do
cytoplazmy
proteiny: základní stavební kameny
Centrální dogma molekulární biologie
+ epigenetické faktory
DNA
• molekula DNA jako taková byla objevena v roce 1869, kdy se švýcarskému
lékaři Friedrich Miescherovi podařilo vyizolovat DNA z bílých krvinek
• 1962 obdrželi společně Francis Crick, James Watson a Maurice
Wilkins Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství. Rosalyn Franklin se pro
tragické úmrtí této ceny nedočkala.
Základní genetické pojmy
• gen, alela, genom, chromozom
• lokus
• alely
- dominantní
- recesivní
• homozygot
• heterozygot
• genotyp
• fenotyp
Gen
základní jednotka dedičnosti
konkrétní úsek molekuly DNA nesoucí informaci pro tvorbu proteinu nebo NA
(rRNA, tRNA…)
• geny strukturní
• geny pro RNA
• geny regulační (promotory)
• exony = funkční úseky genu, které jsou přepisovány do mRNA a dále translatovány
při proteosyntéze
• introny = úseky genu, jejichž funkce dosud nebyla zcela objasněna a které nejsou
využívány pro translaci
Dle jejich obsahu geny dělíme na:
• jednoduché - obsahují pouze exony
• složené - obsahují i introny
• genové rodiny = sekvenčně podobné geny,
které vznikly zřejmě duplikací během evoluce,
např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny...
Struktura genu
Struktura genu
Např. HIF, NF-κB,…
Karyotyp člověka
• každý biologický druh má svou
charakteristickou chrom. výbavu (počet a
morfologii) = karyotyp
• u člověka mají somatické diploidní - 46
chromozomů
• 22 párů homologních autozomů
• 1 pár gonozomů (44XX nebo 44XY)
• gamety (vajíčko, spermie) 23 – haploidní
• standardní klasifikace číslováním podle
velikosti
• zpracování vzorku buněk pro karyotyp
• nejlépe hodnotitelné jsou kondenzované
chromozomy v metafázi nebo prometafázi mitózy
• lymfocyty perif. krve nutno uvést do mitózy mitogenem a zastavit
v metafázi např. colchicinem
• barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne
charakteristického pruhování a tím rozlišení
jednotlivých chromozomů
• hodnocení karyotypu
• manuální – obarvený chromozomový
“rozptyl” (nejč. mitotické lymfocyty) se po
obarvení vyfotí, vystřihnou a seřadí do párů
• automatizované (mikroskop + software)
15
Lidský genom
• Human Genome Project (HUGO) – James D. Watson
v r. 2001 zveřejnění prvních výsledků
(The first complete human genome was only decoded in 2007)
haploidní genom obsahuje cca 3.3109 bp
• gen = konkrétní úsek molekuly DNA nesoucí informaci
pro tvorbu proteinu nebo NA (rRNA, tRNA…).
~ 21 tisíc genů (2011) + alternativní splicing
• pseudogen = sekvence DNA, která je podobná genu,
ale nedochází k jejímu přepisování v RNA (transkripci)
~ 20 tisíc pseudogenů
• genom = soubor všech genů v jedné buňce,
genom jaderný a mitochondriální (mtDNA)
několik desítek genů kódujících proteiny zapojené v mitochondriálních procesech
přenos pouze od matky!
v jádru diploidní lidské buňky 22 párů chromozomů (autozomy)
a pár pohlavních chromozomů X/Y (gonozomy) = karyotyp
• hustota genů na jednotlivých chromozomech heterogenní
• pouze ~ 10 % kódující sekvence, ~ 2 % kóduje proteiny
• ~ 75 % se skládá z jedinečné (neopakující se) sekvence
• zbytek repetitivní sekvence
nejasná funkce, zřejmě udržují strukturu chromozomů,
možná jsou “evoluční”rezervou
16
Jak velký genom sdílí člověk s banánem?
• 50% - 60%
• Most DNA is involved in production of proteins, enzymes for creating
or breaking down sugars, for building cellular structures and
processes, etc. etc.
• Structure of the hemoglobin pigment (a protein) has a lot of
common code with the structure of the chlorophyll pigment.
the same basic molecule structure was basically readapted for two
very different functions
• lot of DNA has no function called "junk DNA."
• It's this junk DNA that's really a tell-tale sign of common ancestry.
Why else would there be common sequences of base-pairs in the
DNA, that are present in both species, but serves no function in
either species?
• 90% identita savců, 99,9% identita mezi lidmi
17
Mimojaderná DNA
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
• kóduje 37 genů
o 24 genů pro různou nekódující RNA
o 13 genů kóduje vlastní mitochondriální polypeptidy zapojené v mitochondriálních
procesech (využívány během oxidativní fosforylace)
• maternální dědičnost
• genetické analýzy: na základě mtDNA určena migrace lidstva - „mitochondriální Eva“,
která žila ~ před 140 000 lety v místech dnesšní Etiopie, Keni nebo Tanzanie
Genetická variabilita (~0.1%)
• 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
19
Vliv prostředí na lidský genom
• 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).
• Biologické mutageny:
onkogenní viry: adenoviry, herpes viry, virus
Epsteina-Barrové, Rousův sarkomální virus a
Rauscherův virus leukémie
• 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.)
20
Epigenetické faktory
21
Epigenetické faktory
Proč nejsou dvojčata stejná?
John Gurdon (1958, Filadelfie) – klonování žab -> Dolly
Shinya Yamanaka (~2000) klonování myší
Odstranění epigenetických značek za pomocí proteinů a
RNA přítomných ve vajíčku (použil 4 geny, c-myc)
22
Genetická proměnlivost
• je zdrojem individuální variability (vytváří se nové kombinace alel):
• segregace alel při vzniku gamet
• rekombinace při crossing-overu
• vznik náhodných kombinací alel při oplození
• procesy, při kterých se mění počet alel (mění se kvalita a kvantita genů)
• mutageneze = proces vzniku mutací
• mutace = náhodné změny genotypu, změna genetické informace,
poměrně vzácné
Typy mutací (indukované nebo spontánní, ty mají četnost ~10-7, oprava
polymerázou a proteinem p53):
• Genové mutace
• Chromozomové mutace = aberace
• Genomové mutace
Mutace
23
Vzácné mutace a polymorfismus
• 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 %
• polymorfismus – nukleotidová záměna, jsou základem interindividuální variability
jedinců, v jediném genu je často mnoho polymorfizmů, jejich kombinace tvoří
haplotypy, vyskytuje se v populaci více než v 1 %. Představují 90% veškeré
variability mezi jedinci.
- SNP = jednonukleotidový polymorfismus - bialelické
- minisatelitní a mikrosatelitní polymorfismy - multialelické
• germinativní mutace - přenášeny na potomstvo (často příčinou zániku plodu), u
potomka přítomny ve všech buňkách, mají vliv na vývoj druhu, „úspěšnost“
germinativní mutace 1:100000
• somatické mutace - vznikají v somatických buňkách v průběhu života (maligní
transformace x žádný fyziologický vliv)
Germinativní a somatická mutace
24
Genové mutace
• mění jednotlivé geny (alely), většinou jsou indukované
• podstata je molekulární, mění se struktura DNA, ale nenarušuje se celistvost stavby
chromozomu
• v somatických nebo v pohlavních buňkách
• mutace v regulačních genech pro množení a diferenciaci→nádorového onemocnění
• bodové mutace - substituce = záměna páru nukleotidu za jiný (→změna AA
sekvence, změna v regulaci, ovlivnění transkripce a translace… nebo tvorba STOP
kodonu)
• delece/inzerce = ztráta/zařazení nukleotidů (→možný posun čtecího rámce), spíše v
intronech
25
Genové mutace
Srpkovitá anemie
• missense mutace genu pro hemoglobin na
6. pozici v ß-řetězci (hydrofóbní valin
místo hydrofilní glutamové kyseliny,
tvorba shluků Hb a tím změna tvaru ery) → HbS
• autosomálně recesivní
• 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.
ancestral mutant
DNA -CTC- -CACmRNA
-GAG- -GUGAA
-glu- -val-
26
Genové mutace
Hemofilie A
= nedostatek srážecího faktoru VIII
• inzerce 3000 bp – snížení tvorby proteinu
• gonozomálně recesivní – vazba na X chromozom
• žena je přenašečka
27
Chromozomové mutace - aberace
• nemění strukturu samotných genů, ale mění strukturu chromozomů.
• dají se 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.
Strukturní chromozomové aberace
• následkem chromozomových zlomů, na které navazuje určitá přestavba. Primární je tedy porucha
struktury, přičemž původní množství genetického materiálu může - ale nemusí - být zachováno.
Dělíme je na balancované (kdy je zachováno původní množství genetického materiálu)
a 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
• inverze = převrácení části chromozomu o 180°
• translokace = přesun části chromozomu na jiný chromozom, může vést k vytvoření nového znaku
• fragmentace = rozpad na malé části
28
29
Chromozomové mutace
Numerické chromozomové aberace
• způsobeny abnormálním počtem chromozomů v karyotypu
• struktura chromozomů je neporušená, patologicky se uplatňuje nestandardní
množství genů
• vznikají díky chybě při rozchodu chromozomů do dceřiných buněk během buněčného
dělení (nondisjunkce) nebo abnormalitami fertilizace či časné embryogeneze
• aneuplodie - numerická odchylka se týká pouze určitého chromozomu nebo
chromozomů, ne však celé sady. Konkrétní chromozom může být buď znásoben trisomie
(3x - tři kopie chromozomu), tetrasomie (4x - čtyři kopie chromozomu),
nebo naopak ztracen - monosomie (1x - jedna kopie chromozomu), nulisomie (0x
- žádná kopie chromozomu)
• polyploidie - znásobena je celá chromozomová 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
30
Aneuploidie
Aneuploidie (změna počtu
chromozomů v sadě)
o monosomie
• gonozomální
• Turnerův sy. (45, X0)
o trisomie
• autozomální
• Downův sy. (47,
XX/XY + 21)
• Edwardsův sy. (47,
XX/XY +18)
• Patauův sy. (47, XX/XY
+13)
• gonozomální
• Klinefelterův sy. (47,
XXY
• XXX sy.
• XYY sy.
31
Klasifikace geneticky podmíněných nemocí
• prakticky každá nemoc (tj. její vznik a progrese)
je u daného jedince modifikována genetickou
výbavou, avšak s různým podílem na finálním
fenotypu
• snad s výjimkou úrazů, závažných intoxikací a vysoce
virulentních infekcí, kde individuální genetická konstituce
nehraje prakticky žádnou roli
• 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
32
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
33
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 fenotypů
• čtyři základní typy dědičnosti:
dominantní recesivní
autosomální autosomálně dominantní
(AD)
autosomálně recesivní (AR)
X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR)
34
Monogenní nemoci
• typy přenosu
• autozomální
• geny na obou autozomech aktivní
• gonozomální (X-chromozom vázané)
• muži hemizygotní
• u žen 1 X-chromozom inaktivován!!
• jiné
• imprinting, mozaicizmus, …
• podle projevu genotypu ve fenotypu
• recesivní
• nemoc jen u mutovaného homozygota
• dominantní
• nemoc stejná u heterozygota a mutovaného homozygota
• neúplně dominantní
• odstupňovaná tíže nemoci u heterozygota a mutovaného homozygota
• kodominantní
• jak normální tak patologická alela jsou vyjádřeny ve fenotypu
35
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)
36
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
• hemofilie A
• Duchenneova muskulární dystrofie
• Wiskott-Aldrichův syndrom (imunodeficience)
• inaktivace X-chromozomu u žen
• kompenzace dávky a exprese X-vázaných
genů
• hypotéza Lyonové (“lyonizace”)
• v somatických bb. je 1 X
inaktivovaný a v interfázi se
zobrazuje jako “Barrovo” tělísko (viz
sporné identifikace pohlaví)
• proces je náhodný, může se týkat
jak otcovského tak mateřského X
• důsledkem je variabilní exprese Xvázaných
genů u heterozygotek
(“manifestující přenašečka”)
• funkční mozaicismus
37
Komplexní nemoci
• multifaktoriální, multigenní, polygenní
• roli hrají kombinace určitých genů a určitých faktorů 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 kardiologii 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.
38
Komplexní choroby
• choroby, na jejichž vzniku a progresi se
podílí „komplex“ genetických,
epigenetických a vnějších faktorů
• fenotyp nevykazuje klasickou
mendelistickou dominantní či recesivní
dědičnost jako důsledek změn
v jediném lokusu (tzv.
jednolokusových)
• predisponující “geny” zvyšují
pravděpodobnost onemocnění, ale
nedeterminuje jednoznačně jeho
přítomnost
• je nutné spolupůsobení negenetických
faktorů (prostředí)
• dieta, fyzická aktivita, kouření, ….
• a interakcí genů mezi sebou
• nejčastější komplexní nemoci
• diabetes (1. i 2. typu)
• dyslipidemie
• esenciální hypertenze
• alergie
39
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 Zastoupení
Primárně (geneticky)
chromozomální
aberace
10 %
monogenní
dědičnost
20 %
Sekundárně
(prostředí)
léky, infekce,
záření
5 %
porodní poranění 12 %
infekce po narození 7 %
Neznámé
(multifaktoriální)
geny + prostředí 46 %
40
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
41
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. hemofilie).
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…
42
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 znehybnění nebo
při užívání některých léků může způsobit hlubokou trombózu či plicní embolii
•genetické vyšetření u: gravidních, před začátkem užívání hormonální antikoncepce, před
chirurgickým zákrokem
•Leidenská mutace – mutace genu pro inhibitor koagulace faktor V - riziko
trombembolie ~30 %, genová mutace rs6025 G1691A, R506Q (arg→gln), AD
•Hyperhomocysteinemie - mutace enzymu konvertujícího kyselinu listovou –
metyltetrahydrofolátreduktáza (MTHFR) - projeví při nedostatku vitaminů B6, B12 a
kyseliny listové, genová mutace rs1801133 C677T, AR
•Defekt antitrombinu (FII) - mutace koagulačního faktoru II zvyšujícího hladinu
protrombinu – riziko trombembolie ~70 – 90 %, genová mutace rs1799963 G20210A
43
• stárnutí
• přirozený celoživotní
proces
• změny postihující
• tělesné funkce
• fyzickou výkonnost
• kognitivní funkce
• gerontologie
• obor zabývající se
stárnutím
• gerontos = starý člověk
• logos = nauka
• studium změn a
patologických projevů
spojených se stárnutím
• geriatrie
• stárnutí ≠ nemoc
• starší jedinec je schopen
vykonávat většinu funkcí
• může trvat déle
• větší motivace/úsilí
• méně „precise“
• k udržení
funkce/schopnosti je
nutné její používání
• starší populace
• > 65 let
• arbitrární
• 1935 – Social Security Act
– první penzijní systém v
USA
• „young old“: 65 – 74
• „middle-old“: 75 – 84
• „old-old“: > 85
Stárnutí
44
Stárnutí
Jeanne
Calment
122 let
Bristlecone
pine
5000 let
Sladká kukuřice
Životní cyklus 4
měsíce
Jepice
dny
45
Gerentologie
46
Stárnutí
• Stochastické (náhodné jevy)
• poškození životně
důležitých molekul
• akumulace poškození
• teorie somatické mutace
• stárnutí vyvoláno mutacemi
DNA nebo deficitem
reparačních enzymů
• teorie radikálová
• oxidativní metabolizmus,
radikály
• nestochastické
• Hayflickův limit
• limitovaná replikace
kultivovaných fibroblastů
• předtím zpomalení dělení,
morfologické změny jako u
starých buněk
• telomeráza
• při každém dělení se zkracují
telomery
• změny genové exprese
• inhibice replikace buňky
• nádorové buňky
• telomeráza udržuje délku
telomer
47
Známky stárnutí
Každá známka by měla splňovat tato kritéria:
přítomnost v průběhu stárnutí
experimentální zesílení zrychluje stárnutí
zeslabení stárnutí zpomaluje
48
Genomová nestabilita
• akumulace genetického
poškození
• integrita a stabilita DNA je
trvale ohrožována
• replikační chyby
• kyslíkové radikály
• poškození somatických i
kmenových buněk
• mtDNA
• oxidativní mikroprostředí
• chybí histony
• méně účinná reparace
• indukce buněčného
stárnutí/apoptózy 48
Genomová nestabilita
49
Zkracování telomer
• omezená reparační schopnost
• konce DNA nejsou replikovány
pomocí DNA polymerázy
• enzym telomeráza
• chybí většině somatických buněk
• omezená proliferační kapacita
• experimenty na zvířatech
• aktivace telomer zpomaluje
stárnutí
• humánní studie
• vztah mezi délkou telomer a
rizikem smrti, zvláště u mladších
lidí
49
Zkracování telomer
50
Epigenetické změny
• epigenetika
• dědičné změny ve funkci genu,
které nastávají bez ohledu na
změny v sekvenci jaderné DNA
• strukturní i chemické
modifikace chromatinu,
především DNA a histonů
• reverzibilní
• enzymy
• DNA metyltransferázy
• acetylázy a deacetylázy
• metylázy a demetylázy
• příklad: sirtuin 6 (SIRT6)
• H3K9 deacetylace - regulace
• genomové stability
• NF-KB signalizace
• glukózové homeostázy
50
Epigenetické změny
51
Ztráta proteostázy
• proteostáza
• proteinová homeostáza
• kontrolní mechanizmy
udržující stabilitu a funkčnost
proteinů
• heat-shock proteiny (HSP)
• mechanizmy degradace
proteinů
• proteazom
• lyzozom
• stárnutí
• změny v proteostáze
• uplatňují u některých nemocí
spojených se stářím
• Alzheimerova a Parkinsonova
choroba
• proteiny teplotního šoku
(HSP)
• udržení prostorového uspořádání
bílkovin
• jejich aktivace je odpověď na
stres
• významný homeostatický
mechanizmus
• umožňuje přežít poškození
vyvolané faktory zevního i
vnitřního prostředí
• označení podle molekulové
hmotnosti
• HSP90, HSP70 a HSP60
51
Ztráta proteostázy
52
Dysregulace detekce živin
• somatotropní osa
• adenohypofýza – růstový hormon
• IGF1
• produkován hl. hepatocyty
• intracelulární signalizace
• experimentální zeslabení této osy
vede k prodloužení života
• kalorická restrikce
• aktivita osy paradoxně klesá při
stárnutí
• možná i reakce na poškození
• záleží na intenzitě potlačení
• polymorfizmy spojené se sníženou
aktivitou
• dlouhověkost
• stejně tak genetická manipulace u
bezobratlých a u myši
52
Dysregulace detekce živin
53
Mitochondrie
• důležitá organela živočišné buňky
• velikost mitochondrií
• je variabilní a souvisí s typem buňky
a s funkcí, kterou buňka vykonává
• délka 0,5 - 20 µm a šířka 0,1 - 5 µm
• počet mitochondrií v buňce
• variabilní
• záleží na
• v hepatocytu 1000 – 2000
• mají vlastní molekulu DNA
• 37 genů, 13 proteinů
• v mitochondrii cca. 1000 proteinů
53
Mitochondrie
54
Buněčné stárnutí
• zástava buněčného cyklu
spojená s fenotypovými
změnami
• odpověď na poškození
• je-li vyčerpána
regenerativní kapacita
tkáně, stává se škodlivou a
zrychluje stárnutí
• nejedná se o
generalizovaný proces
54
Buněčné stárnutí
55
Vyčerpání kmenových buněk
• snížení regeneračního
potenciálu tkáně
• pokles hematopoézy,
• ↓ produkce imunitních
buněk
• ↑ incidence anemie a
myeloidních malignit
55
Vyčerpání kmenových buněk
56
Intervence k prodloužení života
56
Itervence k prodloužení života
57
Příběhy vědy: rakovina
Bi0001
Příběhy vědy: gen
Bi0002
https://www.ceskateleviz
e.cz/porady/1044129465
3-hyde-park-
civilizace/220411058090
919/
Doporučená literatura