Prof. Anna Vašků1
LF MU
NTP 2024
Prof. Anna Vašků2
Nové trendy v patologické fyziologii
Struktura genomu a jeho reakce na vlivy prostředí
Stres
15. 11. 2024
Genom ve zdraví a nemoci
̶ Genetická výbava jedince (souhrn všech
genů=genom) 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 prostředí, tak
̶ faktorů epigenetických (metylace, acetylace
histonů, glykace),
̶ tak pod vlivem dalších faktorů genetických
(např. mutacemi somatických buněk v průběhu
maligní transformace).
Prof. Anna Vašků3
Genomika
̶ je obor genetiky, který se snaží stanovit úplnou
genetickou informaci organismu a interpretovat ji v
termínech životních pochodů. Někdy se genomika
rozděluje na tzv. strukturní genomiku, spočívající ve
stanovení sledu nukleotidů genomu organismu, na
bioinformatiku, jež počítačovými metodami a prací v
databázích interpretuje přečtenou dědičnou informaci
a na funkční genomiku, kde se experimentem,
například vyřazením nějakého genu z činnosti (zvířecí
modely typu knock out), snažíme přiřadit funkci
neznámým genům, případně funkci genů studovat.
Prof. Anna Vašků4
Strukturální součásti DNA
Prof. Anna Vašků5
Prof. Anna Vašků6
Struktura DNA
̶ Cukry-N-glykosidické vazby bazí mezi C1
deoxyribózy (DNA) a ribózy (RNA) a N1
pyrimidinových bazí a N9 purinových bazí.
̶ Báze A, T (- vazby), G, C (= vazby)
̶ Fosfáty jsou esterifikovány na
C5´deoxyribózy a vytvářejí dNMP
̶ dNMP+P=dNDP+P=dNTP
Prof. Anna Vašků7
Povaha informace skladované v DNA
̶ Některé geny kódují protein. Jejich transkribovaná RNA se
nazývá heterogenní nukleární RNA (hnRNA). Ta se upravuje
(processing) na mRNA.
̶ Messenger RNA (mRNA) je lineární kód, který je možno převést
(translace) do sekvence AK polypeptidu pomocí kodonů a
antikodonů (o 3 znacích) pro každou AK.
Prof. Anna Vašků8
Povaha informace v DNA
̶ Některé geny nekódují protein. Funkce transkribované RNA v
tomto případě je:
̶ processing mRNA (malé nukleární RNA čili snRNA)
̶ translace mRNA do proteinu (transfer RNA-tRNA, ribosomální RNArRNA.
tRNA a rRNA kóduje 3D strukturu ve výsledných produktech
RNA, které umožňují jejich funkci.
Prof. Anna Vašků9
Syntéza DNA ve zvířecích buňkách
̶ DNA je ve zvířecích buňkách ve formě chromosomů (1-10cm celkové
délky). Každý chromosom má 2000 začátků (origins) replikace. Od
každého tohoto místa probíhá obousměrně syntéza DNA. Až se
jednotlivé kousky syntetizované z míst začátku replikace setkají, vzniká
dceřinné vlákno DNA. Začátky jsou od sebe vzdáleny cca 30-100 m.
̶ časová synchronizace syntézy 50000-60000 replikonů v každém
genomu.
Prof. Anna Vašků10
Prof. Anna Vašků11
5´
3´
3´
5´
5´ 3´
Promotor Exon 1 Intron 1 E2 I 2 E 3 I 3 Exon 4DNA
RNA
transkript
Zralá mRNA
Protein NH2 COOH
1 2 3 4
Lidský gen
RNA
Transkripce
Processing (capping, adice
poly A, splicing)
Translace
3´
Cap AAAAAn
5´UTR 3´UTR
5´UTR 3´UTR
1 I 2 I 3 I 4
1 2 3 4
Prof. Anna Vašků12
Základní terminologie
̶ Gen
̶ Lokus
̶ Alela
̶ Genotyp
̶ Homozygot, heterozygot, hemizygot (X-linked)
̶ Genom
Prof. Anna Vašků13
Genová exprese - transkripce a translace DNA
Prof. Anna Vašků14
Dělení buněk
mitóza
2 dceřinné buňky s diploidním počtem chromozomů
1 cyklus DNA replikace následuje rozdělení
chromozomů a jádra (profáze → prometafáze →
metafáze → anafáze → telofáze) a násl. celé buňky
(cytokineze)
meióza
1 cyklus replikace následován 2 cykly segregace
chromozomů a buněčného dělení
1. meiotické (redukční) dělení – rozdělení
homologních chromozomů
významné – odehrává se zde meiotický
crossing-over (rekombinace) – žádná z gamet
není identická!
poruchy rozestupu – např. trisomie
2. meiotické dělení – rozestup sesterských
chromatid
2 dceřinné buňky s haploidním počtem
chromozomů
vznik pohlavních buněk (spermie, vajíčko)
dodatečné promíchání genetického
materiálu crossing-overem
Prof. Anna Vašků15
Typy tkání podle regenerační schopnosti
̶ Labilní (intermitotické a postmitotické buňky: kůže, sliznice,
hemopoetická tkáň, semenný epitel)
̶ Stabilní (reverzibilně postmitotické buňky: Játra-ledvinypankreas,
endotelie, mezoteliální buňky, synoviální krycí buňky,
vazivová tkáň, lymfocyty s dlouhým poločasem)
̶ Permantní (irreverzibilně postmitotické buňky- gangliové,
svalové, vaječné, plasmatické, makrofágy)
Prof. Anna Vašků16
Lidské chromosomy
• morfologicky
barvitelné pouze v
průběhu mitózy nebo
meiózy, kdy dochází
ke kondenzaci
• v diploidní buňce 23
párů homologních
chromosomů (22 párů
autosomů a 2 pohlavní
chromosomy)
Prof. Anna Vašků17
Karyotyp člověka
každý biologický druh má svou
charakteristickou chrom. výbavu
(počet a morfologii) = karyotyp
u člověka mají diploidní bb. 46 chromozomů
22 párů homologních autozomů, 1 pár
gonozomů (44XX nebo 44XY)
zárodečné (vajíčko, spermie) 23 – haploidní
struktura chromozomu
centromera
telomery (raménka)
dlouhé - q
krátké – p
barvením chromozomů se dosáhne
charakteristického pruhování a tím rozlišení
jednotlivých chromozomů
Prof. Anna Vašků18
Karyotyp podle Denverské klasifikace
Prof. Anna Vašků19
Chromatin  chromozom
▪ v nedělící se buňce je chromatin
rozprostřen volně v jádře
▪ u dělící se organizuje do
viditelných chromozomů
Prof. Anna Vašků20
Chromosomové a genové aberace
̶ Chromosomové aberace
Strukturní
Numerické
̶ Genové mutace
Vzácné alely
Polymorfismy
Prof. Anna Vašků21
Chromozomální poruchy
aneuploidie (změna počtu chromosomů v sadě)
porucha rozdělení sesterských chromozomů
[meiotická non-disjunkce]
později během rýhování → somatická mozaika
monosomie
gonozomální
Turnerův sy. (45, X0)
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)
polyploidie (porucha rozdělení celých sad nebo
oplození 2 spermiemi [dispermie])
u člověka neslučitelné se životem
těhotenství je potraceno
molla hydatidosa (a pak těhotenství nutno ukončit
potratem)
porod novorozence s triploidií – velmi časná letalita
Prof. Anna Vašků22
Genové mutace
̶ Z hlediska patogeneze nemocí je důležité, zda se jedná o
mutace v somatických buňkách, které vznikají v průběhu
života, většinou jsou buněčně nebo tkáňově specifické a
nepřenášejí se na potomstvo, nebo zda jde o tzv.
zárodečné mutace, které vznikají v zárodečných buňkách
(vajíčko nebo spermie), stávají se součástí vrozené
genetické predispozice, jsou obsaženy ve všech buňkách a
přenášejí se na potomstvo.
̶ Mutací vzniklé alely jsou v populaci z různých důvodů
vzácné (např. jsou výrazně patologické a tudíž jsou z
populace odstraňovány selekcí, nebo vznikly nedávno a
nestačily se v populaci rozšířit) a časté (polymorfismy).
Prof. Anna Vašků23
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „missense“
DNA
ATGCAGCTGACCTCAGTG
TACGTCGACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGCUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Leu-Thr-Ser-Val
Příklady-hemoglobin S u
srpkovité anemie
Prof. Anna Vašků24
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „nonsense“
DNA
ATGCAGGTGACCTGAGTG
TACGTCCACTGGACTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUGAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Stop
Příklady: 0 thalasemie
Prof. Anna Vašků25
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu trinukleotidové expanze
DNA
ATG(CAGCAGCAG)20CAGGTGACCTCAGTG
TAC(GTCGTCGTC)20GTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUG (CAGCAGCAG)20CAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-(Gln-Gln-Gln)20Gln-Val-Thr-Ser-Val
Příklady: Huntingtonova nemoc
Prof. Anna Vašků26
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „frameshift“
(=posun čtecího rámce)
DNA
ATGCAGGTGAACCTCAGTG
TACGTCCACTTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGAACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Asn-Leu-Ser
Příklady:
Duchennova muskulární dystrofie, 0
thalasemie, Tay-Sachsova choroba
Prof. Anna Vašků27
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „inserce“
DNA
ATGCAGGTG-3000 bp-ACCTCAGTG
TACGTCCAC-3000 bp-TGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUG-3000 bp- ACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val----------------?
Příklady:
velké: Hemofilie A
Prof. Anna Vašků28
Genové mutace-typy
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Mutace typu „delece“
DNA
ATGCAGGTG
TACGTCCAC
RNA
AUGCAGGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val
Příklady:
malé-cystická fibróza
velké: Duchennova muskulární
dystrofie
Prof. Anna Vašků29
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.
Prof. Anna Vašků30
Čtyři základní typy monogenní dědičnosti
dominantní recesivní
autosomální autosomálně dominantní
(AD)
autosomálně recesivní
(AR)
X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR)
Prof. Anna Vašků31
Mitochondriální dědičnost
̶ Z hlediska genetiky je zásadní fakt, že mtDNA je předávána
další generaci výhradně matkou (matroklinní dědičnost),
když po oplodnění jsou zachovány pouze mitochondrie
lidského vajíčka. To patrně není pouhým důsledkem
nepoměru počtu mitochondrií lidského oocytu (cca 100
000) a spermie (50-70), ale předpokládá se aktivní proces,
který po oplození zlikviduje mitochondrie paternálního
původu. Tomu odpovídá i typický maternální přenos chorob
způsobených mutacemi mtDNA v rodokmenu (viz obrázek).
Pokud je heteroplazmická mutace zděděna nebo k ní
dojde v časných fázích embryogeneze, normální i
mutovaná varianta jsou náhodně předávány při buněčném
dělení dceřinným buňkám (mitotická i meiotická
segregace). Distribuce a zastoupení mutované mtDNA v
jednotlivých orgánech jsou proto patrně závislé na čase a
vzniku mutace a rovněž na typu postižené buňky.
Prof. Anna Vašků32
Rodokmen pro mitochondriální dědičnost
Prof. Anna Vašků33
Monogenní choroba
̶ Monogenní choroba 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“ („wild“) alelu na jednom nebo obou chromosomech.
̶ Má-li jedinec pár identických alel, říkáme, že je homozygot, pokud jsou
alely rozdílné, jedinec je heterozygot.
̶ Pokud se jedná o dědičnost vázanou na X, rozlišujeme u ženy tři
genotypy (XX, Xx, xx), u mužů jen dva hemizygoty (X0,x0)
̶ Monogenní choroby mají charakteristický způsob přenosu v rodinách.
Prof. Anna Vašků34
Monogenní nemoci
̶ Monogenní choroby jsou primárně, i když ne výlučně,
chorobami dětského věku.
̶ Méně než 10% z nich se manifestuje po pubertě a
pouhé 1% se objeví po skončení reprodukčního věku. I
̶ 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.
Prof. Anna Vašků35
Polymorfismy v DNA
̶ Jako polymorfismy v DNA se označují přirozeně se
objevující změny v sekvenci DNA s více než jednou
variantou-alelou, s populační frekvencí více než 1 %.
Objevují se v průměru jednou na každých 1000 párů bází
genomové DNA.
̶ Asi 90 % z nich jsou polymorfismy se záměnou jednoho
nukleotidu (single nucleotide polymorphisms - SNP), jejichž
podstatou je substituce jedné báze.
̶ Většina těchto polymorfismů leží v nekódujících
(intronových) sekvencích nebo dokonce v intergenových
oblastech, na jejichž funkční význam existují odlišné
názory.
Prof. Anna Vašků36
Polymorfismy v DNA
̶ Kromě SNP se vyskytují také minisatelitní a mikrosatelitní
polymorfismy, které vznikají v důsledku variace v tzv.
tandemových repetitivních sekvencích. Minisatelitní
polymorfismy jsou obvykle dlouhé 0,1-20 kilobází, zatímco
mikrosatelitní často méně než 100 párů bazí.
̶ Většina mikrosatelitních polymorfismů jsou dinukleotidové
opakovací (repeat) sekvence, jako je např. opakování
motivu CA. SNP jsou obvykle bialelické (existují jen dvě alely),
minisatelitní polymorfismy multialelické (existuje více než dvě
alely v populaci).
̶ Ačkoliv většina polymorfismů je zřejmě funkčně neutrální,
část z nich zřejmě má alelicky specifické účinky na regulaci
genové exprese nebo funkce kódovaného proteinu, což
determinuje interindividuální variabilitu v biologických znacích
i vnímavost vůči nemoci.
Prof. Anna Vašků37
Vzácné alely a polymorfismy
Vzácné alely jsou „špatné“ („loss of function, gain of function“)
̶ Jsou často pod tlakem selekce
̶ Polymorfismy (> 1% frekvence v populaci)
̶ Význam:
̶ Zdroj vrozené variability genomu
̶ Faktor přežití vzhledem k patogenům?
̶ Jak vzácné mutace, tak polymorfismy jsou způsobeny genovými
mutacemi
Prof. Anna Vašků38
Germinativní vs. somatické mutace
̶ Germinativní mutace přítomny ve všech
buňkách. V průběhu života se nemění (genetická
predispozice?)
̶ Somatické mutace vznikají v somatických
buňkách v průběhu života (maligní transformace).
Prof. Anna Vašků39
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
̶ Za genetickou predispozici mnoha biologických
procesů, evolučních adaptací a tedy také tzv.
komplexních nemocí zřejmě odpovídají
kombinace určitých genů a určitých faktorů
zevního prostředí.
̶ Interakční efekty a vliv vnějších faktorů však nutně
musíme očekávat i v případě mendelisticky
děděných nemocí, což se koneckonců projevuje
ve všeobecně známé lékařské zkušenosti se širším
klinickým spektrem příznaků stejného onemocnění.
Prof. Anna Vašků40
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
̶ Na odhalení nejobecnějších principů genetiky
multifaktoriálních nemocí se na rozdíl od genetiky
nemocí mendelistických v současné době stále ještě
čeká. Také z tohoto důvodu zatím 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.
̶ Nemoci sporadické, familiární (tumory)- velký
význam znalosti rodokmenu
Prof. Anna Vašků41
Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci
̶ Jinak řečeno, v 21. století již musíme
počítat s tím, že fakticky každá choroba
má nějaké genetické pozadí, jehož podíl
na manifestaci dané choroby je různý.
Prof. Anna Vašků42
Prof. Anna Vašků43
Personalizovaná medicína?!
̶ Mantrou personalizované medicíny, tedy „léčby na míru“ v léčbě komplexních
nemocí je „správná dávka správného léku ve správné indikaci správnému
pacientovi ve správný čas“. Logika tohoto přístupu je jasná: pokud rozumíme
etiopatogenezi onemocnění, můžeme ho úspěšně léčit. V současné době už se
blížíme k porozumění molekulární patofyziologii mnohých komplexních nemocí, což
nám umožní identifikovat cesty řídící klinickou manifestaci onemocnění a klíčové
cílové proteiny. Co se týče vyšetření vrozeného genetického základu (germinativní
alely, přítomné ve všech buňkách organismu), je možné je vyšetřovat i „preventivně“,
před vlastní klinickou manifestací komplexní nemoci, zejména v rodině s pozitivní
anamnézou této nemoci. Tuto možnost výrazně podporuje technologický rozvoj
molekulárně biologické diagnostiky („next generation sequencing“), která dnes
umožňuje determinovat celou sekvenci DNA jedince během 24 hod.
Prof. Anna Vašků44
Personalizovaná medicína?!
̶ V medicíně byly prokázány tisíce monogenních nemocí, u nichž je
genetický marker součástí diagnostiky a v mnohých případech
implikuje i nejvhodnější léčbu.
̶ U komplexních nemocí se při jejich klinické manifestaci významně
uplatňují nejen faktory genetické (vrozené) predispozice, ale také
mocný vliv faktorů prostředí. Ty se „překládají“ do změn exprese genů,
tedy do účinků epigenetických, které jsou celoživotně zdrojem
subakutní až chronické adaptace na rychle se měnící charakteristiky
prostředí, ve kterém žijeme.
̶ Statický model DNA matrice je tedy stále dynamicky opracováván
tak, že buňky mění své transkripční profily na základě relativně
jednoduchých změn DNA (metylace a acetylace DNA, metylace
histonů, mikro RNA a další mechanismy epigenetických změn).
Prof. Anna Vašků45
Personalizovaná medicína?!
̶ Také v souvislosti s komplexními nemocemi hledáme vhodné genetické/epigenetické
biomarkery, ať už diagnostické, prognostické nebo prediktivní.
̶ Prediktivní biomarkery jsou velmi významné v oblasti farmakogenetiky
(farmakogenomiky), protože nám mohou pomoci identifikovat pacienty, u nichž
bude lék účinný a zároveň nebude mít významnější vedlejší účinky
(farmakodynamika).
̶ Protože v případě komplexních nemocí se jedná u klinicky manifestních jedinců o
souhru genetických a epigenetických faktorů, nedá se objektivně předpokládat
existence jen jednoho dostatečně „silného“ biomarkeru dostatečně vystihujícího
farmakogenetické aspekty léčby onemocnění. Musíme tedy na základě statistických
lineárních a nelineárních modelů hledat mnohočetné kombinované biomarkery,
které budou dostatečně klinicky specifické i senzitivní. Dále bude potřeba srovnat
různé úrovně regulací (DNA, transkriptom, proteom, metabolom al.) pomocí
integrální multi“omické“ biologické strategie („integromika“)
Prof. Anna Vašků46
Precizní medicína
̶ V současné době je precizní medicína nejvíce implementována v oblasti onkologie
(tzv. precizní onkologie). Jedná se o inovativní přístup k léčbě, který umožňuje pro pacienty
s nádorovým onemocněním vytvářet individuální léčebné plány na základě biologických
vlastností jejich nádoru. Tento princip se úspěšně uplatňuje jak u dospělých, tak u pacientů
dětského věku se solidními nádory.
̶ Základním technologickým nástrojem precizní onkologie je tzv. sekvenování nové
generace (NGS), které používáme k popisu biologických vlastností individuálního nádoru.
̶ Biologické vlastnosti nádoru jsou následně projednávány v kontextu celkového klinického
stavu pacienta na multioborové molekulárně-onkologické indikační komisi (někdy
také molekulární tumor board, MTB) s cílem vytvoření individuálního terapeutického plánu
založeného na biologických vlastnostech daného tumoru. Specializace zastoupené v rámci
této multioborové komise jsou obvykle klinický onkolog, patolog, molekulární biolog, lékařský
genetik, klinický farmakolog a eventuálně další odbornosti.
Stres a všeobecný adaptační syndrom
Prof. Anna Vašků47
Hans Selye
̶ A syndrome produced by diverse nocous agents,
Nature 138, 32, 1936
„General adaptation syndrome-stress reaction of
organism:
Experiments with animals showed that different toxic
substances applied into the organisms led to
stereotyped response explicable by suprarenal gland
activation“.
Prof. Anna Vašků48
Prof. Anna Vašků49
Prof. Anna Vašků50
Prof. Anna Vašků51
Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4. doi: 10.1016/j.mehy.2013.12.008. Epub 2013 Dec 19.
"Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger.
Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2.
Prof. Anna Vašků52
Prof. Anna Vašků53
Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4.
"Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger.
Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2.
Relationship between lifetime events, stress entropic load (SEL) and
epigenome changes. Lifetime events represent those events that
influence the flow of energy, substrates and information within the body.
Generally, the organism has to cope with these changes, whereas we
consider SEL to be the universal parameter reflecting the “severity” of
the influencing events. SEL therefore leads to epigenome changes that
are according to SEL “severity” either conserved or reset during meosis
and thus passed transgenerationally or not.
Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4.
"Stress entropic load" as a transgenerational epigenetic response trigger.
Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2.Prof. Anna Vašků54
Relationship between lifetime events, stress entropic load /SEL/ and epigenome changes during time. Grey arrow
represents the time flow and it should suggest that as time passes, different events are evaluated differently and their
associated SEL level may consecutively increase or decrease and thus affect whether the epigenomic changes are
passed to other generation or not.
Med Hypotheses. 2014 Mar;82(3):271-4. "Stress entropic load" as a transgenerational
epigenetic response trigger.
Bienertová-Vašků J1, Nečesánek I2, Novák J2, Vinklárek J2, Zlámal F2.
Prof. Anna Vašků55
Prof. Anna Vašků56
Goldstein DS. Stress
and the "extended"
autonomic system.
Auton Neurosci.
2021 Oct
2;236:102889.
Cannon, 1929
Prolongovaná, neadekvátní, nadměrná
Navození nestabilních pozitivních
zpětných vazeb snížením prahu
Homeostatické efektory Eff1, Eff2
Prof. Anna Vašků57
Goldstein DS.
Stress and the
"extended"
autonomic
system. Auton
Neurosci. 2021
Oct 2;236:102889.
Prof. Anna Vašků58
Overview of extended autonomic system (EAS)
̶ The EAS is conceptualized to consist of the central autonomic network
(CAN);Langley’s autonomic nervous system (ANS), with its three
component sub-systems the sympathetic nervous system (SNS),
parasympathetic nervous sys-tem (PNS), and enteric nervous system
(ENS); neuroendocrine systems including the arginine vasopressin (AVP)
system, hypothalamic-pituitary-adrenocortical (HPA) system,
sympathetic adrenergic system (SAS), and renin-angiotensinaldosterone
system (RAS); and immune/inflammatory systems,
represented by a stylized mast cell. Langley’s SNS involves three
chemical messengers, norepinephrine (sympathetic noradrenergic
system, abbreviated as SNS in this review), acetylcholine (sympathetic
cholinergic system), and epinephrine (SAS).
Goldstein DS. Stress and the "extended" autonomic system. Auton Neurosci. 2021
Oct 2;236:102889
Prof. Anna Vašků59
Goldstein DS. Stress and
the "extended"
autonomic system.
Auton Neurosci. 2021 Oct
2;236:102889.
CAN = centrální autonomní síť
HACER=„hypothalamic area controlling
emotional responses“
SCS= sympatický cholinergní systém
Prof. Anna Vašků60
Goldstein DS.
Stress and the
"extended"
autonomic system.
Auton Neurosci.
2021 Oct
2;236:102889.
Prof. Anna Vašků61
Goldstein DS. Stress and the
"extended" autonomic system.
Auton Neurosci. 2021 Oct
2;236:102889.
Od aktivace stresového systému
k dyshomeostáze a smrti
Efektory CNS
Inhibice
Intervenující proměnné
Faktory přispívající ke
chronickému onemocnění nebo smrti
Prof. Anna Vašků62 Účinky glukokortikoidů na tělní systémy
Prof. Anna Vašků63
Patel R et al., Mol Endocrinol. 2014 Jul; 28(7): 999–1011.
Metabolické účinky glukokortikoidů
Prof. Anna Vašků64
Patel R et al., Mol Endocrinol. 2014 Jul; 28(7): 999–1011
Genomové a negenomové účinky
kortikoidů
Rovnováha Th1 a Th2 a stres
Th1 Th2
MonocytyNK
Tc-Ly B-Ly
NKMakrofágy
↓ Buněčná imunita
Eo Žírné b.
Sympatická zakončení
Noradrenalin
Adrenalin
Kortizol
IL-12
IL-10
IL-12
TNFα
IFNγ
IFNγ
IL-2
IL-4
IL-10
↑ Humorální imunita
(posun k Th2)
IL-12
Nor/adrenalin
Kortizol
Prof. Anna Vašků65
Rovnováha Th1 a Th2, stres a akutní zánět
Th1 Th2
Monocyty
Žírné b.
Tc-Ly B-Ly
NKMakrofágy
↓ Buněčná imunita
Eo Žírné b.
Sympatická zakončení
Noradrenalin
Adrenalin
Kortizol
IL-10
IL-12
TNFα
IFNγ
IL-2
IL-4
IL-10
↑ Humorální imunita
(posun k Th2)
IL-12
Nor/adrenalin
Kortizol
Akutní zánět
Alergické
reakce
Neurogenní
zánět ?
Histamin
Histamin
Prof. Anna Vašků66
Prof. Anna Vašků67
Adorisio S. Cells. 2021 Sep; 10(9): 2333.
Prof. Anna Vašků68
Prof. Anna Vašků69
Funkce receptorů pro glukokortikoidy a mineralokortikoidy a role izoenzymů 11β-hydroxysteroid dehydrogenázy.
Kortizol se váže exkluzivně na své receptory, ale afinita glukokortikoidů a mineralokortikoidů k mineralokortikoidním
receptorům je srovnatelná. V epiteliálních tkáních aktivace mineralokortikoidních receptorů vede k expresi proteinů
regulujících transport iontů a vody, což vede k reabsobci sodíku a vody, exkreci sodíků, ke zvýšení extracelulárního
volumu, zvýšení krevního tlaku.
Mineralokortikoidní receptor je aktivován aldosteronem a kortizolem. Cílové buňky pro aldosteron exprimují 11- β
hydroxysteroid dehydrogenázu (11β-HSD) 2, která konvertuje kortizol na kortizon. Kortison má velmi slabou afinitu k
mineralokortikoidnímu receptoru. 11β-HSD1 aktivuje naproti tomu funkčně inertní kortizon na aktivní kortizol, což
podporuje místní glukokortikoidní aktivitu.
Vassiliou AG et al., World J Crit Care Med 2021; 10(4): 102-111
Prof. Anna Vašků70
Endocrinology, Volume 142, Issue 4, 1 April 2001, Pages 1371–1376, https://doi.org/10.1210/endo.142.4.8114
The content of this slide may be subject to copyright: please see the slide notes for details.
Figure 1. Contrasting functions of the isozymes of 11ß-HSD. 11ßHSD2
is an exclusive 11ß-dehydrogenase that acts in ...
Prof. Anna Vašků71
Vassiliou AG et al., World J Crit Care Med 2021; 10(4): 102-111
Prof. Anna Vašků72
Prof. Anna Vašků73
Joseph J.J. et al., Psychoneuroendocrinology. 2015 Dec; 62: 327–335.
Regulace systému pomocí zpětných vazeb
Hypotalamus
X-RH
X-IH
X-RH
X-TH
Hypofýza
Periferní žláza
X = Hormon X
XX-TH
Ultrakrátká vazba
Krátká vazba
Dlouhá vazba
Dlouhá vazba
Prof. Anna Vašků74
Aktivační peptid
steroidogeneze
Transferový protein steroidů
Regulační protein
akutní steroidogeneze
Indukční protein
steroidních hormonů Růstové faktory
Cholesterolesteráza
Cholesterylestersyntáza
Transport cholesterolu
do mitochondrií
Vazba cholesterolu na CYP-SCC
Syntéza pregnenolonu
Transkripce
CYP-SCC
CYP-C17
CYP-C11
Adrenoxinu
LDL receptoru
Růst velikosti a vybavení
organel
Růst a proliferace buněk
Účinky ACTH
Bezprostřední Následné Dlouhodobé
cAMP
ACTH
Plazmatická membrána
Receptor ACTH
75
Vliv stresu na plazmatické hladiny ACTH a kortizolu
Stresor
Minuty15 30 45 60
Plazmatickákoncentrace
ACTH
Kortizol
(Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998)
0
Prof. Anna Vašků76
Pulzní a diurnální sekrece glukokortikoidů
(Podle Felker B and Hubbard JR: In Handbook of Stress Medicine, CRC Press, Boca Raton, FL, 1998)
Denní doba
8 12 16 20 24 4 8 hodin
Pulsní sekrece
po podnětech
Křivka cirkadiánní
sekrece
Denní aktivita Spánek
Koncentracekortizoluvplazmě
Prof. Anna Vašků77
Stres na úrovni buňky
Model exprese HSP-peptidů na MHC I. třídy
Imunitní dozor
Stres
fyzikální
chemický
infekce
kancerogeneze
Expozice HSP-peptidů
vede k aktivaci NK buněk
Více HSP-peptidů
vzniklých degradací HSP
je zabudováno do komplexů s MHC
a exprimováno na membránách
Masívní expozice HSP-peptidů
vede k aktivaci TC-lymfocytů
Zvýšená exprese HSP
mRNA a HSP proteinů
Zvýšená degradace HSP
MHC třídy I
Prof. Anna Vašků78
Komentář k obrázku:
̶ Model pro MHC peptidy I. třídy odvozené od heat shock
proteinů (HSP)
̶ Buněčný stres zvyšuje transkripci a translaci HSP
̶ HSP jsou degradovány proteasomem a štěpy následně
nasedají do žlábku molekul MHC I pro peptidy
̶ Komplexy HSP–peptidy–MHC jsou vystavovány na povrchu
buněk pro interakci s přirozenými zabíječi (NK buňkami) nebo
efektorovými (cytotoxickými) T- lymfocyty
̶ Individuální nebo synergistické rozpoznání různými efektory
vede k destrukci stresovaných buněk
Prof. Anna Vašků79
a) Historický a b)
moderní
koncepce
kostimulace
APC: antigenpresenting
cell;
MHC: major
histocompatibility
complex;
TCR: T-cell receptor;
CTLA: cytotoxic T-
lymphocyte
antigen;
ICOS: inducible co-
stimulator;
L: ligand.
K. C. Beier et al., 2007Prof. Anna Vašků80
Schéma komunikace mezi imunitním a
neuroendokrinním systémem
Peptidové hormony
Peptidové neurotransmitery
Cytokiny
Aktivace receptorů ve tkáních
Neuroendokrinní systémImunitní systém
CNS
Prof. Anna Vašků81
Schéma komunikace mezi osou HPA a
imunitním systémem
Reakce
Aktivace receptorů ve tkáních
Exprese proteinů
Transkripce genů
Receptory glukokortikoidů Transkripční faktory
Glukokortikoidy Cytokiny/chemokiny
Osa HPA Imunitní systém
Prof. Anna Vašků82
Prof. Anna Vašků83
Cirkadiánní systém
prostřednictvím
transkripční a translační
aktivity umožňuje denní
synchronizaci
fyziologických procesů
v živém organismu.
Prof. Anna Vašků84
Sirtuin -1 (protein
deacetyláza)
ovlivňuje
cirkadiánní
hodiny svou akcí
na úrovni jádra
SIRT-3+ SIRT-6 –
modulují
mitochondriální
a nukleární
expresi clock
genů
Prof. Anna Vašků85
Prof. Anna Vašků86
Stimuly ovlivňující reaktivní a anticipační odpovědi osy HPA
“Reaktivní” odpovědi “Anticipační” odpovědi
Bolest (viscerální a somatická) Vrozené programy
Predátoři
Nezvyklé podmínky okolního prostředí
Sociální změny
Neuronální homeostatické signály:
Stimulace chemoreceptorů
Stimulace baroreceptorů
Stimulace osmoreceptorů
Druhově specifické podněty (např.
osvětlené prostředí pro hlodavce,
temná prostředí pro lidi)
Humorální homeostatické signály:
Glukóza
Leptin
Insulin
Renin-angiotenzin-aldosteron
Atriální natriuretický factor
Jiné
Paměťové programy
Klasicky podmíněné stimuli
Kontextem podmíněné stimuli
Negativní posilování/frustrace
Humorální prozánětlivé signály:
IL-1
IL-6
TNF-
Jiné
87
Akutní odpověď na stres
̶ Adaptivní, umožňující přežití
̶ Ačkoliv se v různých situacích volí různé reakce, cíl je vždy
stejný = přežití
̶ Metabolické: glykémie
̶ Kardiovaskulárně/respirační-doprava glukózy ke svalům, srdci
a mozku
̶ Analgézie
̶ Inhibice procesů snižujících šanci na přežití (rozmnožovací
chování, jídlo, procesy v GIT, deprese imunitního systému)
Prof. Anna Vašků88
Akutní odpověď na stres – metabolické efekty
☺Účel: zvýšit glykémii prostřednictvím katecholaminů a
glukokortikoidů
☺Uptake glukózy je inhibován a syntéza proteinů, mastných
kyselin a glykogenu je zastavena.
☺Lipolýza, glykogenolýza, proteolýza
☺katecholaminy mají spíše krátkodobé efekty na glykémii
☺glukoneogeneza (glukokortikoidy mají spíše dlouhodobé efekty
na glykémii)
Prof. Anna Vašků89
Akutní odpověď na stres – kardiovaskulární
a respirační efekty
☺Účel: zvýšit kardiovaskulární tonus k rychlé
dodávce mobilizované glukózy a kyslíku
nejpotřebnějším tkáním
☺Uvolnění vasopresinu z axonových terminál
neurohypofýzy vede k reabsorbci vody v
ledvinách. Účel: zvýšení náplně CV systému
Prof. Anna Vašků90
Akutní odpověď na stres – analgézie
☺Účel: snížit vnímání bolesti
☺Rozeznáváme dvě formy analgézie indukované
stresem (SIA)
☺na opiátech závislá SIA (enkefaliny a -endorfin)
☺na opiátech nezávislá SIA (glutamát)
☺Během stresové reakce se mohou obě formy SIA
kombinovat.
Prof. Anna Vašků91
Chronická odpověď na stres
Maladaptivní = s efekty pokození organismu
Chronický stres může vést k onemocnění jako žaludeční
vředy, viscerální obezita, snížený růst, zvýšené riziko nemoci
koronárních cév
Chronický stres ovlivní chování:
Inhibice reprodukce
Chronický stres je asociován s některými psychiatrickými
stavy/nemocemi (deprese, syndrom vyhoření).
Prof. Anna Vašků92
Prof. Anna Vašků93
K předchozímu obrázku:
̶ Schematic illustration of an impaired interaction between the decreased activity of AVP in the
SCN and the increased activity of CRH neurons in the paraventricular nucleus (PVN). The
HPA system is activated in depression and affects mood, via CRH and cortisol. A decreased
amount of AVP-mRNA of the SCN in depression was found. The decreased activity of AVP
neurons in the SCN of depressed patients is the basis of the impaired circadian regulation of
the HPA system in depression. Increased levels of circulating glucocorticoids decrease AVPmRNA
in the SCN, which will result in smaller inhibition of the CRH neurons
̶ Pathogenesis of depression: In depressed patients, stress acting on the HPA system results
in a disproportionally high activity of the HPA system because of a deficient cortisol feedback
effect due to the presence of glucocorticoid resistance. The glucocorticoid resistance may
either be caused by a polymorphism of corticosteroid receptor or by a developmental
disorder. Also AVP neurons in the SCN react to the increased cortisol levels and
subsequently fail to inhibit sufficiently the CRH neurons in the PVN of depressed patients.
Such an impaired negative feedback mechanism may lead to a further increase in the activity
of the HPA system in depression. Both high CRH and cortisol levels contribute to the
symptoms of depression. Light therapy activates the SCN, directly inducing an increased
synthesis and release of AVP that will inhibit the CRH neurons. Anti-depressant medication
generally inhibits the activity of CRH neurons in the PVN.
̶
Prof. Anna Vašků94
Role mnohočetných faktorů v rozvoji stresu
Dominantní a subdominantní primáti:
➢Ve stabilních podmínkách (území se nemění) mají
dominantní samci nižší hladiny GCs než subdominantní
➢V nestabilních podmínkách mají dominantní samci
glukokortikoidy stejně vysoké nebo vyšší než
subdominantní
➢Úroveň dominance samců je v nepřímé úměře s jejich
plazmatickými hladinami glukokortikoidů
Prof. Anna Vašků95
Role psychologických faktorů v rozvoji stresu
☺“Good state of mind” - pozitivní rysy osobnosti:
☺Sociální podpůrné skupiny – formují se nesexuální přátelství
osob opačného pohlaví
☺Trénink – schopnost předvídat stresovou situaci a
schopnosti přebírat nad ní kontrolu
☺Transformace agresivity při ztrátě možnosti bojovat (sport)
Prof. Anna Vašků96
Děkuji vám za pozornostProf. Anna Vašků97
„Schopnost uvažovat o souladu a
eleganci v přírodních jevech je jedním z
nejuspokojivějších prožitků, kterých je
člověk schopen. Když hledíme na něco
většího, než je naše vědomé já, naše
denní starosti se ve srovnání s tím
zmenšují. Nastupuje vyrovnanost a
pokoj mysli, kterých lze dosáhnout
jedině stykem s něčím vznešeným“.
Děkuji vám za pozornost
?
Prof. Anna Vašků98
Prof. Anna Vašků99
Děkuji vám za pozornost