GENETICKÁ PODMÍNĚNOST NEMOCÍ •Posluchač •Co ovlivňuje paměť? 1.The degree of attention, vigilance, awakening and concentration 2.Interest, motivation, need or necessity 3.The emotional state and emotional value attributed to the material to be memorized. 4.The environment in which the memorization takes place (location, lighting, noise, odours, etc.), recorded simultaneously with the data to be stored. 5.Breathing (information is better stored if, when you read the information to be memorized, you inspire through your nose) • •Genetika a epigenetika •Cvičení •Energie – jídlo a pití •Spánek (Chronotyp) •Stres, medikace •Čmárání si „Doodling“ •Tréning pozornosti •Každých 30 min se ozvěte •Poznámky „Sketchnoting“ – kreslené poznámky • POZORNOST A PAMĚŤ •Přednášející •Podle (Confession of public speaker) • •Něco, co by nás mohlo zabít •Věci, ve kterých jsme dobří •Témata, které nás fascinují a zajímají •Lidé, kteří nám přijdou atraktivní •Hádanky, které chceme řešit •Krásné věci •Věci, které explodují • JOHAN GREGOR MENDEL •1. Mendelův zákon •Zákon o uniformitě F1 hybridů a identitě reciprokých křížení •Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. • •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 fenotypově i fenotypově nejednotné potomstvo s •tolika kombinacemi genů, kolik je možných matematických •kombinací mezi dvěma matematickými veličinami. http://www.artexpertswebsite.com/pages/portraits_identification/scientists/scientists_images/mendel 1.jpg Základní zákony genetiky – WikiSkripta •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. Mendel používal matematickou analýzu, 1.znak-1.vlastnost, Prinsip segregace a kombinace, 34 různých odrůd hrachu, 7 párových znaků (10let pokusů na hrachu), zemřel v brně na chronickou nefritidu. Z jeho vlasu (z knihy porovnali s mendlovy ostatky z hrobky-cínová rakev)- 70% mendlovy DNA – nosil protézu-paradentoza 1.Zákony platí pro znaky kvalitativní, dědičnost jednoho znaku je řízena 1 genem, bez genové interakce 2. 2. Geny nesmí být na pohlavních chromozomech a semiautonomních organelách 3. Mezi dvěma geny nesmí existovat genová vazba 4. Všichni jedinci i jejich gamety musejí mít shodnou životnost MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST • • •letalita, snížená vitalita (vitální-subvitální-semiletální-letální) Huntintington. chorea – dom. hom - abort •snížená penetrance (polydaktylie) a 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, Fenylketonurie) •polygenní dědičnost •mitochondriální dědičnost (cytoplazmatická dědičnost) – maternální efekt •genový imprinting (transkripce pouze jedné alely) •dynamické mutace (amplifikace opakování tripletů) •strukturní balancované chromozomální aberace •epigenetika • ODCHYLKY OD MENDELOVÝCH ZÁKONŮ Dulicitní interakce-duplicitní geny, mají stejnou funkci a evoluční původ, Pleiotopie nepravá-fenylketonurie, hromadící se produkt je toxický plus změna zbarvení vlasů Lidská onemocnění nevykazují uplnou dominanci(homozygot horší než heterozygot), polydaktylie-genotyp se neprojeví • studium variability a dědičnosti • oklinická genetika •zabývá se genetikou patologických stavů •zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (u celé rodiny!) •genetické poradenství olidská genetika •studuje variabilitu a dědičnost u člověka ocytogenetika •studium chromozomů •onkocytogenetika omolekulární genetika •studium struktury a funkce jednotlivých genů opopulační genetika •studium proměnlivosti populací okomparativní a evoluční genetika •mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů • adoption of white baby by black NBA star / Grace Photography • studium struktury a funkci genomů • •využívá metod genetického mapování, sekvenování a funkční analýzy genů •snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých organizmů • ostrukturní genomika = pochopení struktury genomu •konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů •konečným cílem -kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt) ofunkční genomika = studium funkce genů a ostatních částí genomu •využívá modelové organizmy (kvasinka, nematoda, Drosophila melanogaster, Mus musculus, Rattus norvegicus, Mesocricetus auratus aj.) transkriptomika; proteomika; metabolomika; toxikomika obioinformatika = shromažďování, analýza a vizualizace biologických souborů dat •využívá metod výpočetní techniky, tvorba databází a softwarů • • GENETIKA GENOMIKA male_fly Mouse_white Organelles in a cell. MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE INTRACELULÁRNÍ •DNA - jádro, mitochondrie, „exclusome“ •RNA a ncRNA (miRNA, siRNA) Liquid biopsy EXTRACELULÁRNÍ •cirkulující cell-free DNA •ncRNA •extracelulární vezikuly – exozomy, mikrovezikuly, apoptická tělíska – nesou gDNA, mtDNA, RNA, proteiny, lipidy CTC- cirkulatin tumor cells, Cf Dna - fragments of nucleic acids present in many fluids of the human body, releas from autophagy an lysis – in plasma, CSF, urine, saliva, pleural fluid- most of is from hematopoietic system in healthy individuals,, exosome- plasmid , NETosis is a process that induces the neutrophil’s death after its contact with exogenous agents NETosis in COVID-19 and MIS-C Cell-free DNA NETóza •uvolnění pastí (NETs, neutrophil extracellular traps) po kontaktu s patogenem, protilátkou, cytokinem, nádorovou b., (hyperglykémie, alkohol) •dekondenzovaný chromatin, histony + proteiny z granul (myeloperoxidáza–MPO, neutrofil elastáza-NE) •aktivní zdroj cfDNA •cirkulating cell-free DNA – cfDNA •NK přítomny v tělních tekutinách - volné fragmenty - vazba na proteiny - v extracelulárních vezikulách • oendogenous nuclear DNA (gDNA) omitochondrial DNA (mtDNA) obacteria (bDNA) oviral (vDNA) • •zdroj - apoptóza, nekróza, NETóza •vliv - pohlaví, dieta, infekce, oxidační stres a těhotenství •fyziologická koncentrace cfDNA v plazmě pod 10 ng/ml •zvýšená - úraz, zánět, nádorové a systémové n, n. srdce •běžně používaný biomarker - prenatální analýza, onkologie NET-mediated thrombosis, inflammation, tissue damage, or autoimmune responses •NETs function as scaffolds for platelets and adhesion factors, NETs mechanistically activate platelets •NETs activates macrophages, dendritic cells, and T cells – cytokines •NETs can trigger autoimmunity - revealing phospholipids and autoantigens to the immune system. B cells are stimulated by NET components to produce autoantibodies against the exposed autoantigen •RA, SLE, antiphospholipid.syndr.,kawasaki d., dm1 neutrofily - fagocytóza, degranulace a NETóza-Exogenní agens- patogen or immune components such as antibodies and cytokines. aktivvace netozy hyperglykemii!!! Neutrofily are most abundant leukocytes – serving as a first line defense, uvolnění pastí (NETs, neutrophil extracellular traps- tvořenými histony a DNA , sticky webs made of long nucleosome strings that trap and immobilize, During NETosis, nuclear membranes are destructed, histones are modified, and chromatin is decondensated • • The emerging roles of neutrophil extracellular traps in wound healing | Cell Death & Disease Histones trigger cytokines and platelets aggregation - leads to inflammation Histones could be inflammatory biomarkers 1.recognition of pathogens.-neutrophils are recruited to the site of infection via chemotaxis. 2. activation which alters the cell’s morphology and function. -chromatin decondensation 3. Ejection of decondensed chromatin and histones from the nucleus into the cytoplasm where they mix with granule proteins, such as NE and MPO the antimicrobial proteins work towards killing the pathogens. I 4. NETs function as an immune signal to recruit additional immune cells to amplify the immune response at the site of infection. This final step is a critical tipping point where excessive or dysregulated NET release can cause tissue damage and contribute to inflammatory and thrombotic disease states. • •The presence of hyperactive polymorph nucleate neutrophils (PNMs), which characterize periodontitis, induces the NETs system’s overstimulation. •cfDNA actively participates in alveolar bone resorption •dysfunction of mitochondria participates in the pathogenesis of the periodontis •bDNA and mtDNA presence in the extracellular environment stimulates inflammation in many inflammation-related diseases •mtDNA outside the cells leads to bone resorption •therapy - nanoparticle to remove the cfDNA in the periodontal pockets •periodontal cfDNA is present in different biomaterials – serum, atherosclerotic plaque, synovial fluid and intrauterine environment - possible relationship between periodontitis and systemic disease (P.gingivalis cfDNA in saliva, serum in AMI) The cfDNA in saliva comprises 70% of endogenous DNA and 30% of microbial DNA, metylation of cfDNA BUNĚČNÝ CYKLUS • rozhodování podle růstových faktorů (24h) • G1-11h, S - 8h, G2 - 4h, M -1h • M fáze a interfáze (90%) • průměrná doba 40-60 dělení • Hayflickův limit - (replikativní senescence) během každého cyklu se 5 konec zkracuje - 5-200 bp (odstranění primery z okazakiho fragmentu) rozhodování podle růstových faktorů (24h) Cirkadiánní rytmicita •S-fáze and mitóza •strategie minimalizace UV poškození během kritických kroků b. proliferace „Epigenetic clock“ •CpG ostrůvky asociace ze stárnutím DIVIDE OR NOT TO DIVIDE! Recent works showed that sleep can be induced by cellular stress in Caenorhabditis elegans and mammals^30^,^31. Moreover, sleep has been associated with the faster repair of DNA double-strand breaks (DSBs) in mice and fruit flies^32. • • Each cell’s fate is largely determined by chemical modifications to the proteins that decorate its DNA When cells copy their DNA to divide, however, they lose half of these modifications, leaving the question: How do cells maintain the memory of what kind of cell they are supposed to be? 3D folding of its genome determines which parts of the genome will be marked by these chemical modifications. epigenetic erosion – lost of epigenetic memory with age allele Genotyp_haplotyp •gen – základní jednotka dědičnosti • genové rodiny •sekvenčně podobné geny, které vznikly zřejmě duplikací během evoluce •např. geny pro hemoglobiny, imunoglobuliny, některé enzymy, … •pseudogeny •podobné konkrétním genům ale nefunkční • •každý gen je umístěn na konkrétním místě konkrétního chromozomu = lokus (např. 12q21.5) •lokalizace genů je u všech lidí stejná, sekvence ale ne! • •alela – konkrétní varianta genu •v populaci se pro naprostou většinu genů vyskytuje vícero variant (= alel), které mohou být různě časté = genetický polymorfizmus • •genotyp – kombinace alel v určitém lokusu na paternálním a maternálním chromozomu diploidního genomu • •haplotyp – lineární kombinace genů/alel na jenom z homologních párů chromozomů-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 Mouse_white Mouse_brown ZÁKLADNÍ POJMY GENETIKY Duplikace-evoluční nástroj, pod selekčním tlakem je jen jedna kopie genu, duplikovaný gen se muže evolučně .vyvíjet!!!House-keeping geny-konstitutivně eprimovány ve všech buňkách- základní vlastnosti u všech živých, Luxury genes-tkánově specifické –hojně eprimovány jen pokud potřeba-nejvíc exprimovaná v mozku a varlatech GEN •základní 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) • ojednoduché - obsahují pouze exony osložené - obsahují i introny • •Geny, pseudogeny, genové fragmenty •genové rodiny = sekvenčně podobné geny, • které vznikly zřejmě duplikací během evoluce, • např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny... • • Proč prokaryota nemají introny? • • • • • • • • DNA Sequence - an overview | ScienceDirect Topics 5% genů se podílí na imunitě, (jen u archei a eaukaryot - teorie „introns early (původně krátké geny-exony a mezi nimi vznikly introny) a „introns late“ (geny původně introny neměly, invadovaly později z organel?) GEN 1.Genes that encode a single protein - hemoglobin gene HBA and HBB. 2. Genes that encode many proteins “A single fruit fly gene can encode 38,000 types of different proteins.” 3. Non-protein coding genes – gene regulation Podle funkce: Housekeeping genes: code protein products for transcription, translation and replication. Inducible genes: remain inactive, expressed under the influence of extrinsic factors. 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. -soubor všech genů v konkrétních alelách, které má organismus k dispozici pro zajištění svých biochemických, fyziologických a morfologických znaků -soubor alel specificky uspořádaných v genomu - všechny molekuly DNA + soubor epigenetických faktorů • •Genotyp (v užším pojetí): •- dvojice alel téhož genu (maternální x paternální) – genetický polymorfismus -gen pro fenylalaninhydroxylasu : 2 alelní formy: dominantní A a recesivní a • - 3 genotypy - AA (dominantní homozygoti), Aa (heterozygoti) a aa (recesivní homozygoti) -vícealelní systémy- krevní skupiny ABO - tří alely - 6 genotypů • např. HLA lokus - vysoká variabilita genotypů (více než 60 alel) - sada HLA genů na jednom • chromosomu tvoří haplotyp ( jedinec- dva v každém 5 determinantů) – vazba genů (↓ rekombinace) – • -genetický marker při populačních výzkumech, určování otcovství. - • • • • • • • genotyp určuje rozsah, míru fenotypových možností svého nositele • genotypy jedinců téhož druhu mají odlišné genomické sekvence • (genových x mimogenové oblasti) • GENOTYP ogeny opočet kopií genů (rRNA geny) nebo menších či větších oblastí genomu (CNV – copy number variation) opolymorfismy v sekvenci nukleotidů (SNP, indel – insertion or deletion) ovariabilita v délce repetitivních sekvencí 20 alel pro HLA – A, 40 alel pro HLA – B, 8 a více pro zbylé tři). Všechny geny I. třídy leží v jedné oblasti, geny II. třídy zase v jiné oblasti komplexu, jejich pořadí ve směru od centroméry je II → III → I. Mezi značným počtem genů jsou i pseudogeny. Pro každý z genů I. a II. třídy existuje mnohotná alelie. Alelní formy molekul MHC se liší ve struktuře vazebného místa a tím i schopností vázat peptidy. Polymorfismus zde představuje selekční výhodu související se základní rolí molekul MHC, tj. prezentace antigenu. •Genetická variabilita vs Genetická diverzita • •Genetická variabilita - v populacích, když se vyskytuje více než jedna alela v lokusu – čím variabilnější – rychleji se vyvíjí a lépe přežívá •Genetická diverzita – různost mezi organismy (genet. fixovaná) –nutná podmínka života •U různých populací téhož druhu mohou být různé •poměry zastoupení mezi jednotlivými alelami • •Vznik nových alel – mutací (spontánní x indukovaná) • četnost menší než alely původní •polymorfismus x fixace alely •Alely s nulovým nebo negativním vlivem na fitness - minimální šance na zachování v dostatečně velké panmiktické populaci •Nové alely se ve větších populacích časem zafixují, pokud se jim podaří přestát první období, kdy je jich velmi málo a kdy jim hrozí vymizení z důvodu prosté smůly. •Výjimka - změna okolních podmínek změní vliv jednotlivých alel na fitness -vymizení nově nevýhodných alel; v malých populacích - větší šance, fixace -genetický drift nebo efekt hrdla lahve •U malých oddělených populací nebo kdy je vliv alely na vnější znaky u různých populací různý - výskyt alely pro srpkovitou anemii. GENETICKÁ VARIABILITA Z 381 párů: 38 geneticky identických 39 více než 100 změn Lidstvo bylo před 70 tisíci lety kvůli extrémním klimatickým podmínkám dosáhlo 1000 jedniců. Jednonukleotidové polymorfismy mají význam také v zemědělství. Jsou často spojeny s různými užitečnými vlastnostmi plodin jako je např. odolnost vůči různým patogenním organismům. •Polymorfní znaky: barva očí, vlasů, kůže, ABO • nejvíce polymorfní: beta haemoglobin (HBB)- 176 SNVs per kilobase (kb) • •Monomorfní znaky: jedna alela je fixovaná, všichni jedinci exprimují stejný fenotyp pro daný znak (jsou homozygoti) • •single nucleotide polymorphisms (SNPs) •small-scale insertions/deletions (INDEL) •polymorphic repetitive elements •microsatellite variation • •SNP (Single nucleotide polymorphism) - polymorfizmus jediného nukleotidu); představuje nejčastější formu polymorfizmu v lidském genomu, vyskytující se asi jedenkrát na 1000 bází, • HUGO, 2000 - 1.5 milionu SNP, dnes 9 milionů • SNP se vyskytují v nekódujících oblastech častěji •SNV- jednonukleotidová varianta -změna v jediném nukleotidu nezávisle na frekvenci výskytu v populaci a tyto varianty mohou vzniknout v somatických buňkách. Somatické jednonukleotidové varianty (např. mutace související s rakovinou), mohou být také nazývány "single-nucleotide alterations". •Většina genů - 4 SNVs per kilobase, ~ 97% genů má alespoň 1 SNV, 149 genů-bez SNV nebo INDEL.15 GENETICKÝ POLYMORFISMUS, SNP (modrá barva očí-několik polymorfismů –méně melaninu) Human skin color is influenced by an intergenic DNA polymorphism regulating transcription of the nearby BNC2 pigmentation gene. 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 • •1) sexuální reprodukce • • • • • • • • • •3) rekombinace (meiotický c-o) • kombinací než 8 miliónů • • • •5) genetický drift •6) přirozená selekce 2) nezávislé meiotické segregace 23 párů ch. ® 223 kombinací = 8,388,608 různých gamet 4) mutageneze de novo chyba při DNA replikaci proof-reading DNA polymerázy ani mismatch DNA repair není 100% působení externích mutagenů CHROMATIN ´ CHROMATIDA ´ CHROMOZOM •DNA je organizována v chromozomech •chromatin + chromozomální proteiny (histony) •chromozom = lineární sekvence genů přerušovaných nekódujícími úseky •v nedělící se buňce je chromatin rozprostřen volně v jádře •u dělící se organizuje do viditelných chromozomů •struktura chromozomu •centromera •telomery (raménka) •dlouhé - q •krátké – p •metacentrický a akrocentrický •dvě kopie daného chromozomu po replikaci (před dělením) = sesterské chromatidy •heterochromatin • (konstitutivní a fakultativní) •euchromatin chromosome_structure Print page Konstitutivní centromery a telomery, fakultativní je X chromozom chromosomes KARYOTYP ČLOVĚKA •každý biologický druh má svou charakteristickou chrom. výbavu (počet a morfologii) = karyotyp •u člověka mají somatické diploidní bb. 46 chromozomů •22 párů homologních autozomů •1 pár gonozomů (44XX nebo 44XY) •gamety (vajíčko, spermie) 23 – haploidní • •zpracování vzorku buněk pro karyotyp •nejlépe hodnotitelné jsou kondenzované chromozomy v metafázi nebo prometafázi mitózy •lymfocyty perif. krve nutno uvést do mitózy mitogenem a zastavit v metafázi např. colchicinem •barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne charakteristického pruhování a tím rozlišení jednotlivých •Chromozomů • •hodnocení karyotypu •manuální – obarvený chromozomový “rozptyl” (nejč. mitotické lymfocyty nebo bb. plodové vody) se po obarvení vyfotí, vystřihnou a seřadí do párů •automatizované (mikroskop + software) Barvení_ REPETITIVNÍ SEKVENCE •Repetitivní sekvence = DNA s vysokým množstvím kopií • •podílí se na formování vyšších nukleoproteinových struktur, jako jsou telomery nebo centromery •při chromozomových 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 – L1-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 • •genetické markery - forenzní vědy • • • • satelity transpozony mohly mít nějakou reálnou fyziologickou funkci, např. proto, že jejich exprese je obecně zvýšena během stresové odpovědi. bílkovinná podjednotka telomerázyx je příbuzná reverzním trankriptázám non-LTR retrotranspozonů) 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 - 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 TELOMERÁZOVÁ TERAPIE 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 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 karcinogeny, mutace telomerických sekvencí, gamma záření, PKC, EGF, estrogeny Telomeráza je utlumena při diferenciaci,,,Telomeráza není příčinou maligního zvrhnutí, nádory mají kratší telomery, některé nádory ALT U rostli se nezkracuje/ REPETITVNÍ SEKVENCE – DYNAMICKÉ MUTACE •15 nemocí, výlučně u člověka (nerv. tkáně) •dědičné (founder effect) •závislost závažnosti onemocnění na rodičovském původu (přenosu) mutace •homogenita mutací (amplifikace) •gen. nestabilita nádorů •gen. nestabilita v somatických buňkách - stárnutí •1. Expanze CAG - polyglutaminový trakt •2. 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) •genetická mutace vede ke ztrátě herochromatinu, průměrná délka telomer fibroblastů HGPS pacientů kratší než „age-matched“ kontroly. •Kratší telomery jsou symptom né přičina nemoci! • Vznik Amplifikací intragenové repetitivní sekvence (většinou trinukleotidové) může vzniknout skupina nemocí. How mutations in lamin A lead to shortened telomere lengths is not known nor is the contribution of individual chromosome ends to the low average length understood,progressive atherosclerosis of the coronary and cerebrovascular arteries leading to heart attacks and strokes REPETITIVNÍ SEKVENCE - PATOLOGIE •Myotonická dystrofie •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 (Paradox Shermanové)- závažnost nemoci se stupňuje • (nebo klesá věk nástupu) v následujících generacích • •Huntingtonova chorea •AD, fatální neurologické onemocnění s nástupem v dospělosti (4–10/100 000) •demence s extrapyramidovou poruchou motoriky •gen pro huntingtin - repetitivní sekvence (CAG)n (9-35x) -kóduje úsek • bílkoviny tvořený zbytky glutaminu (polyglutaminový úsek) •premutace - nepatologická, nad 40 tripletů, protein nepracuje správně •s výsledným progresivním odumíráním neuronů v nucleus caudatus •(neúplná dominance - u dominantního homozygota - abort) • •Juvenilní forma – rychlejší progrese • • V průběhu meiotického dělení se počty repetic mohou zvýšit až k plné mutaci. Plná mutace je následně předána potomku v další generaci, který bude postižen.Adult-onset form of Huntington disease usually live about 15 to 20 years after signs and symptoms begin. A less common form of Huntington disease known as the juvenile form begins in childhood or adolescence. It also involves movement problems and mental and emotional changes. Additional signs of the juvenile form include slow movements, clumsiness, frequent falling, rigidity, slurred speech, and drooling. School performance declines as thinking and reasoning abilities become impaired. Seizures occur in 30 percent to 50 percent of children with this condition. Juvenile Huntington disease tends to progress more quickly than the adult-onset form; affected individuals usually live 10 to 15 years after signs and symptoms appear. Mutations in the HTT gene cause Huntington disease. The HTT gene provides instructions for making a protein called huntingtin. Although the function of this protein is unclear, it appears to play an important role in nerve cells (neurons) in the brain. The HTT mutation that causes Huntington disease involves a DNA segment known as a CAG trinucleotide repeat. This segment is made up of a series of three DNA building blocks (cytosine, adenine, and guanine) that appear multiple times in a row. Normally, the CAG segment is repeated 10 to 35 times within the gene. In people with Huntington disease, the CAG segment is repeated 36 to more than 120 times. People with 36 to 39 CAG repeats may or may not develop the signs and symptoms of Huntington disease, while people with 40 or more repeats almost always develop the disorder. An increase in the size of the CAG segment leads to the production of an abnormally long version of the huntingtin protein. The elongated protein is cut into smaller, toxic fragments that bind together and accumulate in neurons, disrupting the normal functions of these cells. The dysfunction and eventual death of neurons in certain areas of the brain underlie the signs and symptoms of Huntington disease. LIDSKÝ GENOM •Human Genome Project (HUGO) – James D. Watson 2001 The first complete human genome was only decoded in 2007) • •genom obsahuje 3-3.3´109 bp • (3 054 815 472 bp with X, 2 963 015 935 bp with Y) • •gen = konkrétní úsek molekuly DNA nesoucí informaci pro tvorbu proteinu nebo NA (rRNA, tRNA), 20-25 tisíc • •pseudogen = sekvence DNA, která je podobná genu, nedochází k translaci, 20 tisíc • •virová DNA – 5-8% endogenní retroviry • •2% geny •70% repetitivní sekvence (45% retrotranspozony) •90% identita savců •99,9% identita mezi lidmi • • • • • • https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcSYm-BKq9YLeDJWyyJj06sTeJMQISFjEH_KDz8LIoHUt2Vh 2KF9zw 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 starobylé retrotranspozony které byly inaktivovány, divergovaly díky mutacím tak, že jsou již nerozeznatelné). Zadruhé jsou retrotranspozony v lidském genomu stále aktivní. Pro "skákání" vyžadují buněčné RNA polymerázy (II neb VLIV PROSTŘEDÍ NA LIDSKÝ GENOM • „Nature versus nurture“ • •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 (prokaryota), • • dlouhodobě evolučně prospěšné • • • • http://4.bp.blogspot.com/_PhPp2bIEv5g/R7EztcTjQBI/AAAAAAAAAFg/jTU5nPJAivo/s320/phenotype.png Teorie dvojité dědičnosti (anglicky dual inheritance theory) vznikla kolem roku 1980, aby vysvětlila lidské chování jako působení (koevoluce) genetické evoluce (genetický drift) a kulturní evoluce (kulturní drift) skrze sociální učení. Příkladem je intolerance laktózy, na kterou měl vliv vznik zemědělství po neolitické revoluci. Geny samotné nemohou vysvětlit rychlé změny vývoje chování (schopností) a tedy učení je efektivnější způsob dědičnosti. Kumulativní kultura je doložena i u šimpanzů a orangutanů[30] či holubů.[31] MUTACE •Typy mutací (klasifikace) •1. Dle okolností jejich vzniku •spontánní •indukované (četnost ~10-7, oprava polymerázou a p53) • •2. Dle zasažené buňky • somatické (de novo, prenatálně, aborty, vvv) • germinativní (přenášeny na potomstvo, aborty, 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 •3. Dle evoluce: výhodné, nevýhodné a neutrální •4. Dle alelických interakcí: úplná dominance, neúplná dominance, kodominance a recesivita •5. Dle sekvencí v DNA: kódující a nekódující sekvence •6. Dle úrovně, na kterou působí: •genomové •chromozomové •genové •dynamické 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.) Bakterie-Helikobacter plyori-chronický zánět; genomové počty chromozomů a jejich sad –aneuploidie –nejvíce u člověka a polyploidie )nejvíce!), chromosomové-jednotlivé chromosomy 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 % Vznik mutací- pravděpodobně genetickým driftem (selekce) POLYMORFISMUS = existence několika (přinejmenším dvou) alel pro daný gen, z nichž nejméně častá má populační frekvenci alespoň 1% - bodový (SNP) - jednonukleotidový polymorfismus-substituce vzniká následkem bodových mutací DNA-často bialelické - variabilní počet tandemových repetic- repetitivni- multialelické minisatelitní (VNTR) a mikrosatelitní (STR)polymorfismy - přítomnost/nepřítomnost spec. sekvence na spec. místě (np.Alu, indel) - Mutation and polymorphism are two terms used to describe DNA variants Mutation refers to a DNA variant in a particular individual Polymorphism refers to DNA variants within a population. Polymorphism is a mutation that occurs in more than 1% of a particular population (minor allele frequency of a particular allele in the population is more than 1%) Mutation is an alteration of the nucleotide sequence of a gene. If a mutation occurs in a population with a frequency of more than 1%, the mutation is called a polymorphism. - Heterozygoti pro cystickou fibrózu je 4%, alela 2%, homozygotů 0,04% ……četnost srpkovité anémie 8% Polymorphism is a place in the DNA sequence where there is variation, and the less common variant is present in at least one percent of the people of who you test. That is to distinguish, therefore, polymorphism from a rare variant that might occur in only one in 1,000 people. A polymorphism, it has to occur in at least one in 100 people. GENOVÉ MUTACE •mění jednotlivé geny (alely), většinou jsou indukované •v kódujících i nekódujících oblastech •podstata je molekulární, mění se struktura DNA, 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 1/více nadbytečných nukleotidů. • < 3nt=posun čtecího rámce (frameshift mutation) = odlišný polypeptid • = 3nt (nerušující ORF) = prodloužení polypetidu •Delece = ztrátu 1/více nukleotidů původní sekvence •(zkracování polypeptidového řetězce) •Inverze = převrácení pořadí nukleotidů • • •Typ dědičnosti - monogenní onemocnění • • • a. Mutace neměnící smysl (silent, synonymous) Po mutaci zařazena stejná AMK Způsobeny substitucemi na třetí pozici tripletu. a. b. 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) a. c. Nesmyslné mutace (nonsense, damaging) vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA a. d. Mutace měnící čtecí rámec (frameshift) vznik předčasného terminačního kodonu v sekvenci DNA GENOVÉ MUTACE •SRPKOVITÁ ANÉMIE •AR •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 • • • • • • • •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- -CAC- mRNA -GAG- -GUG- AA -glu- -val- Sprkovité anémie 8% v západoafrické polupaci, zvýšené riziko stroke GENOVÉ MUTACE •β0 THALASEMIE •AR •nonsense mutace pro Hb – chybná syntéza jednoho z řetězců globinu • • • • • •HUNTINGTONOVA CHOROBA •AD, trinukleotidová expanze • ancestral mutant DNA -AGT- -ACT- mRNA -UCA- -UGA- AA -ser- -STOP ancestral mutant DNA …TAC-GTC-… …TAC-(GTC-GTC-GTC)20-GTC-… mRNA …-AUG-CAG-… …-AUG-(CAG-CAG-CAG)20-CAG-… AA …-met-gln-… …-met-(gln-gln-gln)20-gln-… 1190134872 A-thalasemie-delece celého genu, B-thalasemie-delece-stop kodon v promotoru GENOVÉ MUTACE •HEMOFILIE A (HA) •XR nebo de novo •1 /5 000–10 000 •nedostatek srážecího faktoru VIII •velká alelická heterogenita •inverze části genu F8C (45%) •inzerce (LINE1) do genu F8 - snížení • tvorby proteinu • •projev nemoci u žen: •1. Mozaika u přenašeček - v játrech se exprimuje dysfunkční chromozom •2. Dcera matky přenašečky XhX a otce hemofilika XhY •3. Hemizygot s Turnerovým syndromem XhO • •gravidita u žen přenašeček (nízkou aktivitou FVIII/FIX) •1. Genetické poradenství (prenatální a preimplantační diagnostika) •2. Zvýšené krvácení přenašeček – v prvním trimestru - např. při samovolném potratu, invazivních prenatálních diagnostických metodách nebo v případě ukončení gravidity + zvýšené riziko peripartálního krvácení (substituce koagulačních faktorů) • • • Během gravidity dochází k hemostatickým změnám a obvykle i normalizaci FVIII u většiny přenašeček HA GENOVÉ MUTACE •CYSTICKÁ FIBRÓZA •AR •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, tuberkuloza?) • • http://www.epgonline.org/images/tobi/cf-1.jpg ancestral mutant DNA -TAG-AAA-CCA- -TA A-CCA- mRNA -AUC-UUU-GGU- -AUU-GGU- AA -ile-phe-gly- -ile-gly- hypoplasie skloviny Deysfunkce ameloblastů- nan nich jsou chlorid knály---dysfunkce skloviny GENOVÉ MUTACE •DUCHENNOVA SVALOVÁ DYSTROFIE • •XR •„frameshift“ mutace = posun čtecího rámce v genu pro protein dystrofin •nejzávažnější a nejagresivnější svalovou dystrofií -způsobuje ochabnutí a ztrátu aktivní svalové hmoty. • • ancestral mutant DNA -CAC-TGT -CAC-TTG-T..- mRNA -GUG-ACA- -GUG-AAC-U..- AA -val-thr- -ile-gly- http://ap-biology-lab.wikispaces.com/file/view/byr10494_fm-1.gif/200083672/byr10494_fm-1.gif Delece části genu CHROMOZOMOVÉ 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 CHROMOZOMOVÉ ABERACE •balancované •(kdy 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 Robertsonovské) • •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 • • Základy klinické cytogenetiky II - PDF Stažení zdarma Strukturní chromozomové aberace – WikiSkripta Reciproké: vzájemné translokace mezi dvěma nehomologními chromozomy (počet chromosomů však zůstane stejný!!!) Robertsonské: fúze dvou akrocentrických chromozomů. Jedinec s takovouto balancovanou translokací má o chromozom méně, ale původní množství genetické informace Syndrom cri du chat-mikrodeleční syndromy-5p15.2 –delece-85% případů vzniká de novo 10-15% dědičná balancovaná –translokace, inverze GENOMOVÉ MUTACE • •NUMERICKÉ CHROMOZOMOVÉ ABERACE – ANEUPLOIDIE • •abnormální počet chromozomů v karyotypu •struktura chromozomů je neporušená, patologie - nestandardní množství genů •vznik: při rozchodu chromozomů do dceřiných buněk během buněčného dělení (nondisjunkce) nebo abnormalitami fertilizace či časná embryogeneze atd. •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) (nádory) • •Aneuplodie pohlavních chromozómů (Gonozomy) •Turnerův 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 • • • Down-5% translokace •1. Non-disjunkce 2. Translokace 3. Mozaicismus •meiotického dělení I nebo II. (během formace reprod. b.) jen některé buňky „translocation Down syndrome“ Downův syndrom 47, 21+ Nekdy mosaic ring c´hromosom Hepatocyte polyploidization and its association with pathophysiological processes | Cell Death & Disease GENOMOVÉ MUTACE •NUMERICKÉ CHROMOZOMOVÉ ABERACE - POLYPLOIDIE • •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 • •Polyploidie lidských buněk •(vznik endoreplikací – endomitózou, fůzi b., cytokiny...) •1. vývoj tkáně (játra, svaly, srdce, placenta, mozek, kostní dřeň) •2. patologické procesy - hyperthyroidoza (thyroidní b.), hypertenze (VSMC), • nádory • •Nuliploidie – erytrocyt •Tetraploidie, oktaploidie - jaterní b. (vícejaderné) • jádro může být 2n nebo polyploidní + aneuploidie •Endopolyploidie - megakaryocyty (8-16ploidie)-128 sad chrom. •Embryonický trofoblast - tertraploidní • • • Polyploidie vzrůstý se senescencí!Hepatocyt-jedno nebo vícejaderný (20-30%),. Tetra a oktaploidní, diploidní se více obnovují-něco jako kmenové buňky. množí se 7xvíce, polyploidní b. se v 20% stávají zase diploidní, stárnutí, stress(operace, toxiny, viry)-vnik polyploidie, u adypocytů-polploidie a mitoza in vitro Akutní nemoci jater-lepší diploidní množí se, na chronické onemocnění-polypolidní Triploidní banán –netvoří semena, větší bunky, tetrapolid káva a jabloně, hexaploidní pšenice KLASIFIKACE GENETICKY PODMÍNĚNÝCH NEMOCÍ • 1. Z hlediska etiologie 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) snad s výjimkou úrazů, závažných intoxikací a vysoce virulentních infekcí, kde individuální genetická konstituce nehraje prakticky žádnou roli VVV-3 možnosti vzniku- mutace gametické, somatické nebo bez mutace-teratogen není vždy mutagen U přenašečů neporbíhá selekce jsou v poměru heterozygotlů 2ku 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 •determinováya 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 fenotypů •čtyři základní typy dědičnosti: • • • dominantní recesivní autosomální autosomálně dominantní (AD) autosomálně recesivní (AR) X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR) pedigree 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 fenotypových znaků •nemoc jen u mutovaného homozygota, u heterozygotů 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 ´ 0.50 = 0.25, •frekvence přenašečů nemoci v populaci >>> frekvence nemocných • •cystická fibróza - (f nemocných 1/2000, f přenašečů 1/22) •enzymopatie - fenylketonurie, galaktosemie, Tay-Sachsova choroba •spinální muskulární dystrofie •srpkovitá anémie, thalasémie •imunideficience: hyper-IgE syndrom (Jobův syndrom), WHIM syndrom, DiGeorgův syndrom. • • • • • MONOGENNÍ NEMOCI - AR https://www.wikiskripta.eu/images/thumb/b/b8/AR.png/300px-AR.png konsanguinita -(příbuzní rodiče) a geneticky izolované populace (např. Aškenazi židé – Tay-Sachsova choroba ) •Mendelistická dědičnost, 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 i nově vzniklých mutací • •familiární hypercholesterolemie - 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, EDS •neurofibromatóza •achondroplasie •brachydaktylie, syndaktylie •osteogenesis imperfekta •těžké kombinované imunodeficity (SCID), chronická granulomatózní • choroba, deficity adenosindeaminázy •MHC II deficit, deficit adhezivity leukocytů •Leidenská mutace: (Faktor V Leiden) - heterozygoti mají riziko žilní • trombózy 5−10x vyšší, homozygoti 80-100x vyšší!!! (neúplná dominance) • • • • MONOGENNÍ NEMOCI - AD SCID-X vázaný nebo autosomálně recesivní •AD •porucha pojivové tkáně • – mutace genu pro fibrilin-1 •maxilární/mandibulkární retrognácie •mikrognácie • • • dolichocephaly malar hypoplasia long and narrow face frontal bossing prominent supraorbital ridges maxillary and mandibular retrognathia skeletal malocclusion hypermobility of the temporomandibular joint. MARFANŮV SYNDROM Abraham Lincoln , Julius Caesar ,Tutankhamen. Osama bin Laden had Marfan syndrome. •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 “Barrovo” tělísko (viz sporné identifikace pohlaví) •proces je náhodný, může se týkat jak otcovského tak mateřského X •důsledkem je variabilní exprese X-vázaných genů u heterozygotek (“manifestující přenašečka”) •funkční mozaicismus • •XD - hypertrychoza • parciální barvoslepost • deficience GGPH • ichtyosis • Lesh-Nhyanův syndrom •XR - hemofilie A • duchenneova muskulární dystrofie • Wiskott-Aldrichův syndrom • imunodeficience • • https://user.mendelu.cz/urban/vsg1/mendel/images/gensex/prima_krizem.gif MONOGENNÍ NEMOCI – X-VÁZANÉ Na Y téměř žádné geny-Y vázané nemoci zanedbatelné, Y se evolučně zkracuje-degeneruje, evolučně ztrácí geny, má 1/10velikosti X Pokud se poškodí na Y natrvalo! KOMPLEXNÍ NEMOCI •multifaktoriální, multigenní •kombinace genů a faktorů zevního prostředí (genotyp-genotyp+genotyp-prostředí) •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 (obráceně to neplatí!) -zvýšená incidence u dvojčat MZ vetší než DZ (stupeň fenotypové shody, konkordance, odhad heritability) -dědičnost intermediálních fenotypů - -heritabilita – relativní podíl variability podmíněné geneticky na celkové variabilitě znaku - • Až 80% populace onemocní do konce života komplexní nemocí • • • • KOMPLEXNÍ CHOROBY Complex Diseases •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) •dyslipidémie •esenciální hypertenze •schizofrenie •alergie, nádory Práhový model vzniku nemoci, extrém spojitého spekra U všch je vzácná monogenní forma •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 polymorfizmů (= alelická heterogenita) •polygenní dědičností •predispozice k rozvoji patologického fenotypu se zvyšuje pouze při simultánním výskytu určitého souboru alel •vysokou populační frekvencí alel zodpovědných za rozvoj patologického fenotypu •každá jednotlivá predisponující alela pravděpodobně není sama o sobě výrazně patogenní •alely příznivé, nepříznivé a neutrální •pleiotropie •mnohočetné fenotypové efekty jednoho genu nebo páru genů •spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu -mitochondriální dědičnost, imprinting (patern./matern.) KOMPLEXNÍ NEMOCI Fenokopie i neuplna penetrance i u monogenních! GENETICKÉ STUDIE •Hledání markerů/kandidátních genů (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. • Asociace mikrosatelitu jkao markeru forenzni vedy, některé mikrosatelity uvnitř genů, nejjednodušší genetické markery vázanéí s age: telomery-délka, mitochondrie mutace, sex-SRY, X; variation: SNP-haplotypy •Kandidátní geny • •LINKAGE (VAZEBNÁ) ANALÝZA •vztah mezi lokusy •Testuje kosegregaci genového markeru a fenotypu •nemoci v rodině,. čili marker a nemoc se v dané •rodině mají vždy vyskytovat spolu. • •ASOCIAČNÍ STUDIE •Společný výskyt alel či fenotypů •(vztah mezi alelami/fenotypy) •Vyšetřují souvýskyt markeru a nemoci na populační •úrovni, tj. u nepříbuzných jedinců, obvykle srovnáním •frekvencí markerů 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; •studie genotyp-fenotyp). • • • GENETICKÉ STUDIE Vazebná analýza-spíš mendelistické onemocnění Asociace neí kauzalita- čínské hůlky 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) •Prenatální, preimplantační, postnatální • • • • • 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 % •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. 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 KLINICKÁ GENETIKA - DIAGNOSTIKA může být v některých případech pro své nositele výhodná (omezení ztrát krve při poranění) 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) •- genetické vyšetření plodu - porovnání DNA markerů matky i plodu - stanovení počtu 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 • • • • 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 • - 2074 variants listed in the CFTR mutation database with wide variability in phenotype expression • - classical CF or CF-like diseases -congenital absence of the vas deferens, bronchiectasis, • or chronic pancreatitis. • • •důvody k vyšetření jsou: •podezření na klinické onemocnění •příbuzenský vztah rodičů •opakované potraty •léčená neplodnost http://4.bp.blogspot.com/-iB3efyIUVRg/TzbCWpWB8rI/AAAAAAAALoc/j0_OqLlKvi4/s1600/cleutus+and+brandin e+the+simpsons+hillbilly+parody.png CF- Due to its large size, the CFTR gene is highly susceptible to frequent mutations.^9 Some mutations/variants in the CFTR gene may result in the absence or abnormal CFTR. EPIGENETIKA • •Zabývá se studiem reverzibilních dědičných změn ve funkci genu (změny v genové expresi), které nejsou způsobeny změnami v nukleotidové sekvenci DNA. •Conrad Waddingtonem r. 1940 - Něco „navíc“, „mimo“ v porovnání s mendelistickou genetikou •Epigenom - tvořen během buněčné diferenciace v embryonální • fázi, kdy se z pluripotetních buněk vyvíjejí buňky specializované •Diferenciační proces je ve změně exprese genu, aktivní geny se mohou vypnout a neaktivní geny zapnout, výsledkem je • diferencovaná buňka - nese tzv. „vzor“ genové exprese - • a specifický pro daný buněčný typ. • •Metylace DNA - 5-metylcytosin (5mC) - v tzv. CpG ostrůvcích • promotorových oblastí genu •Modifikace histonů - metylace, acetylace, fosforylace, sumoylace, ubiquitinace, • deaminace, ADP ribosylace, prolinová izomerace •RNA interference • • • • • Výsledek obrázku pro epigenetics Genetická výbava každé buňky jedince je identická, profil proteinů nikoliv Adenovirus E1A - regulace genové exprese hostitele cause global epigenetic reprogramming accopanied by erasure of histone accetylation marks by modulation of acetyltransferase activity a cell-cycle-represor RB1 http://www.cbioc.com/img/blocks/gallery/cancer-microrna.jpg Genom eukaryotického organismu obsahuje tisíce genů, nejsou exprimovány v každé buňce Buňky si syntetizují jen ty proteiny, které potřebují ke své funkci http://dnatestingexpert.com/wp-content/uploads/2013/09/mtDNA.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/Eukaryote_DNA-en.svg/2000px-Eukaryote_DNA -en.svg.png 16 569 pb 3 200 000 000 pb JADERNÁ A MIMOJADERNÁ DĚDIČNOST There are two kinds of genetics – „nuclear and unclear“ Boris Ephrussi (1901 -1979) •Jádro Mitochondrie „Exklusome“ a infekční částice Organelová dědičnost – cytoplazmatická dědičnost nemendelistická segregace rozdíl v reciprokém křížení vyštěpování v průběhu ontogeneze Chlkoroplasty děděné přes cytoplazmu vaječné bunky-uniparentální dědičnost •"It's one of the key hygiene functions“ cells perform to protect the chromosomes. •Some of the plasmids that end up in the exclusome originate from outside the cell, while others—known as telomeric rings—come from the capped ends of chromosomes, the telomeres. • 1.Plasmids that can't be separated off could theoretically embed themselves in the chromosomes. 2.More likely is that the nuclear plasmid genes of viruses or bacteria are translated into proteins, which disrupts the cell physiology • •This proves that cells are capable of differentiating between both DNA that is their own and still needed and DNA that is foreign or presumably no longer required, which they then eject from the nucleus. • •Does the exclusome trigger autoimmune responses? •(cellular immunological memory) • EXCLUSOME Particularly in certain cancer cells, the ones from the telomeres are regularly pinched off and joined together to form rings. it possibly triggers a signal cascade that prompts cells to produce and release inflammatory messenger substances. These tell the body that there might be a problem with a pathogen, such as a virus, that warrants an immune response. MITOCHONDRIÁLNÍ DNA •aproteobakterie 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 o24 genů - nekódující RNA o13 genů - vlastní mitochondriální polypeptidy zapojené v mitochondriálních procesech (oxidativní fosforylace) •maternální dědičnost •genetické analýzy: na základě mtDNA určena migrace lidstva - „mitochondriální Eva“ • (bez rekombinace-přenos „en bloc“ - haplotypy, haploskupiny, vysoká mutabilita) • http://4.bp.blogspot.com/_oUc6WpOAwto/TG3NIvuujhI/AAAAAAAAZ68/8tW--8-B5Qs/s1600/migration_map_tut.g if Image:Human Mitochondrial DNA en.svg Polymorfismy D-klička 100xvíce než jaderná DNA, češi jsou voříšsci evropy, slovanská krev max 1/3, etnicky heterogenní •počet mitochondrií v buňce - variabilní až 2000 • 8-10 DNA v každé mitochondrii, množí se autonomně, náhodné rozdělení do různých tkání •Mutační rychlost 10x vyšší než jádro (delece a bodové mutace) Mutace homoplazmické - ve všech molekulách mt – recesivní Mutace heteroplazmické - častější - v některých mt Hladina Heteroplazmie - pro každou buňku jiná m.8993T>G v genu MT-ATP6 heteroplazmie nad 90 % - diagnostikován Leighův syndrom (LS) heteroplazmie 70 až 90 % - projev neuropatie, ataxie a retinitis pigmentosa (NARP) Děti jedné matky tak mohou mít odlišné fenotypy v závislosti na množství mutantní mtDNA v jednotlivých tkáních! Mitochondriální nemoci (1/5000) - AR nebo AD nebo de novo Sekundární mitochondriální nemoci (AD, DM1, MD, MS, nádor) •Porucha oxidativní fosforylace •Variabilita - stejná mutace se jinak manifestuje •Neurometabolická onemocnění, myopatie •„Common deletion“ cca 500bp - cancerogeneze • Leberova hereditární optická neuropatie (LHON), Leighův syndrom, NARP, MELAS, MERRF, Maternálně dědičný diabetes a hluchota (MIDD), Pearsonův syndrom, Syndrom Kearns-Sayre . MITOCHONDRIÁLNÍ NEMOCI Vyšší koncentrace volných radikáýlů v bunce, nižží reparační mechanismy, ale je jich víc DĚDIČNOST INFEKČNÍCH ČÁSTIC •„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.“ • • • • • • • Infekční dědičnost - symbiotické nebo parazitické asociace mikroorganizmů s eukaryotní buňkou -zahrnuje vloženou cizorodou genetickou informaci různých patogenů, virů, bakteriofágů či baktérií do genomu eukaryotní buňky -forma nemendelistické dědičnosti, infekční částice v buňce hostitele může způsobit změny ve fenotypu hostitelského organismu a poté přenést změněný fenotyp na své potomky. 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 Dětská 6 nemoc, Coronavirsu-někteří pacienti pozitivní na PCR týdny a mesíce po covidu, If they are right—skeptics have argued that their results are likely lab artifacts—the insertions could explain the rare finding that people can recover from COVID-19 but then test positive for SARS-CoV-2 again months later. MIKROBIOM - DRUHÝ LIDSKÝ GENOM •10 krát více bakterií, plísní a jiných mikroorganismů než lidských buněk •2011 - Human Microbiome Project, viz http://commonfund.ih.gov/hmp/ •střevní mikrobiom – individuální - střevní skupiny“ neboli enterotypy •střevo má po mozku nejvíce nervových buněk - „druhý mozek“ •střevní mikroorganismy přímo interagují s enterickým NS - chování (psychotika) • • • • • • • • • • • • • • • • • https://www.sciencerepository.org/resources/uploads/2020/the-invisible-us-the-human-microbiome-in-h ealth-and-disease_2.jpg Itransitions in infancy. The first transition occurs soon after birth, during lactation, and results in dominance of the gut microbiota by Bifidobacterium. The second transition occurs during the weaning period, with the introduction of solid foods and continuation of breast milk feeding,and results in the establishment of an adult-type complex microbiome dominated by the phyla Bacteroidetes and Firmicutes. These alterations continue until three years of age^22 and, subsequently, humans acquire stable gut microbiotas maintained in well-balanced host-microbiota symbiotic states called “Enterotypes”. •