DĚDIČNÉ NEMOCI LIDÍ Marie Klumplerová Z hlediska genetiky je třeba rozlišovat následující pojmy: • Genetická onemocnění • Dědičná onemocnění • Vrozená onemocnění • Rodinná (familiální) onemocnění DĚDIČNÁ ONEMOCNĚNÍ Mendelistická dědičnost Nemendelistická dědičnost Multifaktoriální dědičnost Mitochondriální dědičnost Genomový imprinting Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) Autosomálně dominantní Autosomálně recesivní Gonozomálně dominantní Gonozomálně recesivní MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST • Mendelistická dědičnost = dědičnost znaků sleduje pravidla, která jsou odvozena od Mendlových zákonů • V rodokmenech lze sledovat typické vzorce dědičnosti • Monogenní dědičná onemocnění • přítomnost/absence onemocnění závisí na genotypu v jednom genu • To ale neznamená, že je daný znak naprogramován pouze jedním genem. Nicméně konkrétní genotyp má dostatečně velký vliv na znak (za předpokladu, že genetické výbava a vliv prostředí se pohybuje v normálním rozmezí). MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST • Poškození genu pro • Enzym • Dědičná metabolická onemocnění • Nedostatek produktu, hromadění substrátu, hromadění toxického (pozměněného) produktu • Fenyketonurie, hyperfenylalaninémie • Strukturní součást buňky • Membránové kanály (cystická fibróza), membránové receptory (familiérní hypercholesterolemie) • Strukturní protein • Poškození tkáňových systémů (svalové dystrofie) • Srážecí faktor • Hemofilie • A další OMIM Online Mendelian Inheritance in Man Aktualizovaná, největší databáze (převážně) mendelisticky dědičných onemocnění člověka OMIA Online Mendelian Inheritance in Animals MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST Dle polohy genu rozlišujeme • Autosomální • Gonosomální • X-vázaná dědičnost • (Y-vázaná dědičnost) Dle interakce alel rozlišujeme • Dominantní • Recesivní MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST • Muži a ženy – stejný výskyt onemocnění. • Výskyt nemoci v rodokmenu nepřeskakuje generace (pozor - de novo mutace). • Jestliže jeden z potomků má onemocnění, pak alespoň jeden z rodičů je také nemocný. • Jestliže jsou oba rodiče nemocní a potomci zdraví, pak jsou rodiče heterozygoti. Autosomálně dominantní dědičnost AA Aa aa Zdroj: OMIM Autosomálně dominantní dědičnost Neúplná dominance Autosomálně dominantní dědičnost Polycystická nemoc ledvin je onemocnění charakterizované výskytem cyst v ledvinné kůře a/nebo parenchymu. Přítomností cyst dochází k úbytku funkčního parenchymu ledviny a může rezultovat v renální insuficienci. Na základě dědičnosti můžeme chorobu rozdělit na autosomálně dominantní a autosomálně recesivní. • Muži a ženy – stejný výskyt onemocnění. • Výskyt nemoci v rodokmenu může přeskakovat generace. • Jestliže jsou oba rodiče nemocní, potom i všichni jejich potomci budou nemocní. • Jestliže je potomek nemocný a rodiče zdraví, pak jsou oba rodiče heterozygoti. Autosomálně recesivní dědičnost AA Aa aa • Recesivní mutace jsou většinou ztrátové – způsobují ztrátu funkce genu • Ztráta funkce poloviny produktů genu je u heterozygotů kompenzována funkčními produkty dominantní alely (např. u enzymatických poruch vystačí aktivita enzymu produkovaného dominantní alelou k pokrytí potřeb organismu) a nedochází tak k projevům onemocnění. Autosomálně recesivní dědičnost Autosomálně recesivní dědičnost Zdroj: OMIM, Genetika (Snusatd, Simmons) Příčinou onemocnění je porucha transportu iontů. CFTR je chloridový kanál, poškozený následkem mutace v CFTR genu. V dýchacích cestách, GIT a reprodukčním s y s t é m u v e d e z v ý š e n á k o n c e n t r a c e chloridových aniontů k excesivní reabsorbci sodíku. Sodík je pasivně následován vodou a tím dochází k dehydrataci hlenu a tedy ke zvýšení jeho viskozity. Zahuštěním hlenu lze zjednodušeně vysvětlit většinu klinických projevů CF. Periciliární tekutina má být normálně hypotonická, u CF je izotonická, což porušuje s c h o p n o s t b a k t e r i c i d i e a p ů s o b e n í antimikrobiálních peptidů. Tímto se vysvětluje iniciální bakteriální kolonizace. Infekce stimuluje buňky k další tvorbě hlenu, a tím zhoršuje obstrukci dýchacích cest. Autosomálně recesivní dědičnost SRPKOVITÁ ANÉMIE jedná se o těžkou hemolytickou anémii, spojenou s poruchami prospívání, dysfunkcí sleziny a tzv. vazookluzivními krizemi – ty jsou vyvolány ucpáním kapilár erytrocyty v končetinách, ve slezině a plicích. Bez patřičné lékařské péče je choroba letální. Heterozygoti jsou klinicky zdraví (nebo mají velmi malé klinické projevy), při vyšetření jeví pouze část erytrocytů srpkovitost. 
 Mutace způsobuje záměnu AMK v polypeptidu v β-globinovém řetězci. Na šesté pozici je zařazen valin místo kys. glutamové. Změněný hemoglobin označujeme jako HbS. Příčinou záměny je změna jednoho nukleotidu (bodová mutace), která způsobí změnu isoelektrického bodu hemoglobinu (místo záporně nabité kys. glutamové je zde nepolární valin). Dědičnost vázaná na pohlaví (pohlavní chromosomy) = Sex-linked ! Odlišovat ! Dědičnost pohlavím podmíněná = Sex limited • Kryptorchismus Dědičnost pohlavím ovlivněná = Sex influenced • Plešatost Gonosomální dědičnost Homologické úseky PAR neúplná vazba na pohlaví Heterologické úseky X – vázaná dědičnost Y – vázaná dědičnost = holandrická Gonosomální dědičnost https://ars.els-cdn.com/content/image/3-s2.0-B9780123821843000052-f05-03-9780123821843.jpg • Častější výskyt u mužů než u žen: XAXA XAXa XaXa XAY XaY zdravá nemocná zdravý nemocný • Jestliže je matka nemocná, všichni její synové budou nemocní. • Onemocnění se nepředává po otcovské linii (z otce na syna). X- vázaná recesivní dědičnost X- vázaná recesivní dědičnost Zdroj: OMIM X- vázaná recesivní dědičnost MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST DIAGNOSTIKA Dědičná metabolická onemocnění - diagnostika • V případě dědičné metabolické poruchy způsobené deficitem enzymu nebo transportního proteinu dochází v místě metabolického bloku k hromadění specifických metabolitů. Podezření na určitou DMP lze pak vyslovit buď na základě stanovení zvýšené koncentrace metabolitů hromadících se nad metabolickým blokem nebo stanovením snížené koncentrace (event. nepřítomnosti) metabolitů pod tímto blokem. Podezření na DMP pak musí být ověřeno, což je možné provést na úrovni enzymu nebo genu. • Metodika tandemové hmotnostní spektrometrie • Sekundární prevence především metabolických onemocněni- Novorozenecký laboratorní screening: • vrozená snížená funkce štítné žlázy (kongenitální hypotyreóza - CH), vrozená nedostatečnost tvorby hormonů v nadledvinách (kongenitální adrenální hyperplazie - CAH), vrozená porucha tvorby hlenu (cystická fibróza - CF), dědičné poruchy látkové výměny aminokyselin*, vrozená porucha látkové výměny aminokyseliny fenylalaninu (fenylketonurie PKU a hyperfenylalaninemie - HPA), argininémie (ARG), citrulinémie I. typu (CIT), vrozená porucha látkové výměny větvených aminokyselin (leucinóza, nemoc javorového sirupu - MSUD), homocystinurie z deficitu cystathionin betasyntázy (CBS), pyridoxin non-responzivní forma, homocystinurie z deficitu methylentetrahydrofolátreduktázy (MTHFR), glutarová acidurie typ I (GA I), izovalerová acidurie (IVA), dědičné poruchy látkové výměny mastných kyselin*, deficit acyl-CoA dehydrogenázy mastných kyselin se středně dlouhým řetězcem (deficit MCAD), deficit 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenázy mastných kyselin s dlouhým řetězcem (deficit LCHAD), deficit acyl-CoA dehydrogenázy mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem (deficit VLCAD), deficit karnitinpalmitoyltransferázy I (deficit CPT I), deficit karnitinpalmitoyltransferázy II (deficit CPT II), deficit karnitinacylkarnitintranslokázy (deficit CACT), dědičná porucha přeměny vitamínů*, deficit biotinidázy (BTD) Mendelistická dědičná onemocnění - diagnostika • PCR-RFLP • PCR-sekvenování • Real time PCR • NGS MENDELISTICKÁ DĚDIČNOST KOMPLIKACE PŘI DIAGNOSTICE A ELIMINACI ONEMOCNĚNÍ Heterozygotnost u recesivních onemocnění U recesivních onemocnění jsou heterozygoti zdraví, ale přenášejí recesivní alelu do dalších generací. Hardy- Weinbergův zákon udává vztah mezi frekvencí alel a frekvencí genotypů. Umožňuje odvodit frekvenci heterozygotů (Aa) z frekvence nemocných (aa). Frekvence AA (69%) Frekvence Aa (28%) Frekvence aa (3%) Penetrance a expresivita PENETRANCE • Definuje pravděpodobnost s jakou bude daný fenotyp manifestován ve fenotypu. • Pokud je u autosomálně recesivního (AR) onemocnění penetrance 90% znamená to, že 90% z recesivních homozygotů bude nemocných a u 10% se nemoc neprojeví. EXPRESIVITA • Se používá pouze pokud je penetrance 100%. Udává variaci ve fenotypu mezi jedinci se stejným genotypem. • AR onemocnění: penetrance 100%, všichni nositelé genotypu aa jsou nemocní. Ale existují rozdíly v závažnosti onemocnění a projevů mezi jednotlivými nemocnými. Ačkoliv je vliv prostředí a ostatních genů u mendelistické (monogenní) dědičnosti malý a většinou zanedbatelný, existují výjimky, které popisujeme pomocí těchto veličin – penetrance a expresivita Genetická heterogenita a mikroheterogenita • Genetická heterogenita popisuje situaci, kdy stejný/podobný fenotypový projev (onemocnění) může být způsoben mutacemi v různých genech. (Také nazýváno lokusová heterogenita). • Genetická mikroheterogenita – stejný/podobný fenotypový projev (onemocnění) může být způsoben různými mutacemi ve stejném genu. Můžeme také nalézt pod označením alelická heterogenita. • Fenokopie - stejný/podobný fenotypový projev je způsoben vlivy prostředí Genetická heterogenita a mikroheterogenita NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST Multifaktoriální dědičnost Mitochondriální dědičnost Genomový imprinting Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) Multifaktoriální dědičnost Na výsledném fenotypu se podílí více různých genů společně s faktory prostředí. Faktory prostředí: Dieta, životní styl, toxiny, chemické látky, teratogeny, vliv stárnutí organismu, ... Celiakie Autoimunitní onemocnění Rakovina Alzheimerova choroba Vysoký krevní tlak Diabetes Ischemická choroba srdeční VVV (rozštěp patra) Schizofrenie Multifaktoriální dědičnost - opakování Gregor Mendel Znak je dán jedním genem Znaky mají diskrétní, diskontinuitní charakter Barva květů, krevní skupiny Francis Galton Komplikované působení desítek až stovek genů pod vlivem prostředí Znaky mají kontinuitní charakter Výška, váha, IQ Kontinuální genotypová variabilita Mnoho alel mnoha genů vytváří velké množství možných kombinací. Na úrovni populace nalezneme kontinuální variabilitu genotypů, která sleduje gaussovské rozdělení četností. Vztah genotyp & fenotyp Kontinuální fenotypová variabilita Diskontinuitní fenotypová variabilita Kontinuální genotypová variabilita Kontinuální fenotypová variabilita https://www.researchgate.net/publication/7922412/figure/fig6/ AS:271222718070794@1441675943661/Normal-distribution-of-DBP-values-in-the-general- population.png Prahový model – diskontinuitní fenotypová variabilita Fenotypová variabilita je diskontinuitní a kvalitativní: Zdraví vs. Nemoc Souvislost mezi kontinuitní genotypovou a diskontinuitní fenotypovou variabilitou vysvětluje prahový model. Předpokládá existenci prahové hodnoty (treshold value). Pokud se součet genetických faktorů a vlivu prostředí pohybuje za touto prahovou hodnotou, projeví se fenotypově jako onemocnění (či vrozená vada). Náchylnost k onemocnění (liability) a je u každého jedince definována unikátní kombinací jeho genotypu a na něj působících faktorů prostředí. https://media.healthdirect.org.au/images/inline/original/cleft-lip-and-cleft-palate-examples-f2ce6a.jpg Prahový model – diskontinuitní fenotypová variabilita Fenotypová variabilita je diskontinuitní a kvalitativní: Zdraví vs. Nemoc Nemocní vykazují kontinuitní variabilitu. Geny (jejich konkrétní varianty) přímo nedeterminují dané onemocnění, tak jako u mendelistické dědičnosti, ale jsou zodpovědné za predispozici (vnímavost) k danému onemocnění. Lehká genetická predispozice + těžká environmentální zátěž může mít stejný efekt jako vážná genetická predispozice + lehká environmentální zátěž a na základě fenotypu (přítomnosti onemocnění, VVV) tyto dvě situace nelze rozlišit. Multifaktoriální dědičnost Multifaktoriální dědičnost Mitochondriální dědičnost V mitochondriálním genomu (mtDNA) je kódováno 37 strukturních genů, z nichž 1/3 kóduje podjednotky účastnící se tvorby ATP v respiračním řetězci. Dysfunkce mitochondriálního respiračního řetězce tkáně a orgány, s vysokými nároky na přísun energie jsou postiženy přednostně: Neuromuskulární a centrální nervový systém, oko, srdce, ucho Matroklinní dědičnost. V každé buňce se nachází stovky až tisíce kopií mitochondrií. O homoplazii mluvíme v případě, že se u daného jedince (v dané buňce) vyskytují pouze mitochondrie jednoho typu. Jedinci s mitochondriálním onemocněním vykazují heteroplazii – v jejich buňkách nacházíme směs „zdravých, normálních“ mitochondrií a mitochondrií mutovaných. Onemocnění se projeví teprve v případě, že poměr mutantních mitochondrií překročí určitý práh. Tento práh může být různý pro různé jedince či tkáně. Mitochondriální dědičnost LHON Leber Hereditary Optic Neuropathy Oboustranná, bezbolestná porucha zraku, ve většině případů vedoucí k úplné slepotě. U mužů je riziko vzniku onemocnění 5x vyšší, ale nemohou ho předat na potomky. Mechanismus: selektivní degenerace zrakového nervu a gangliových buněk sítnice Mitochondriální dědičnost Mutace je definována jako náhlá, neusměrněná a trvalá změna genetického materiálu. Oproti „klasickým“ mutacím se dynamické mutace mohou z generace na generaci či v závislosti na typu tkáně měnit. Při replikaci dochází k expansi nestabilního elementu, kterým je nejčastěji trinukleotidová repetice. Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) U jednotlivých nemocí existuje různý počet opakování, při kterém je jedinec ještě zdravý. Při překročení této hranice se vyvíjí onemocnění. Jedince s hraniční hodnotou opakování označujeme jako nositele premutace. S narůstajícím počtem opakování souvisí pozorovaný jev anticipace – zhoršování příznaků a zkracování doby nástupu onemocnění z generace na generaci. Okamžikem, kdy je dosaženo daného prahu, se onemocnění dědí v rodinách mendelisticky jako autosomálně dominantní. Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) Popsáno již více než 40 neurodegenerativních a neuromuskulárních onemocnění. Syndrom fragilního X Druhá nejčastější příčina vrozené mentální retardace hned za Downovým syndromem Huntingtonova choroba Poškození neuronů v bazálních gangliích, chorea – mimovolní pohyby, záškuby + progresivní demence Friedreichova ataxie Bez poruchy kognitivních funkcí, ataxie – porucha koordinace pohybů, většinou zasažen mozeček Myotonická dystrofie Myotonie – svalová slabost + srdeční vady, … Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) Expanse trinukleotidových repeticí (dynamické mutace) Parentální (též nazývaný genomový nebo gametický) imprinting je definován jako reverzibilní proces, kdy specifická modifikace genů v parentální generaci vede k funkčním rozdílům mezi paternálními a maternálními genomy v diploidních buňkách potomstva. Je významným faktorem v embryonálním vývinu savců a jeho jednoznačnými důkazy jsou geny, jejichž alely jsou aktivní pouze paternálního nebo maternálního původu, tj. jejich exprese závisí výhradně na pohlaví rodiče, od kterého byla příslušná alela zděděna. Imprinting = inaktivace mechanismem methylace CpG ostrůvků. Genomový imprinting Genomový imprinting Genomový imprinting Pokusy s transplantací jader v rané zygotě u myší. Na základě těchto (a dalších) pokusů vyslovena teorie parentálního konfliktu, vysvětlující důvod existence rozdílně exprimovaných genů. Genomový imprinting Tradičně uvádění příklad imprintingu: Neekvivalentní reciproká křížení mezi oslem a koněm. Efekt lze však vysvětlit i dalšími hypotézami. Nejčastější příčinou poruchy genomového imprintingu je uniparentální disomie. V normální buňce musí být přítomen v každém páru chromozóm vždy jeden paternální a jeden maternální, protože jsou odlišně imprintovány. Po meiotické nondisjunkci a fertilizaci nastává trisomie s možností následné mitotické ztráty nadpočetného chromozómu, což může vést k uniparentální disomii s chybnou (pouze paternální nebo maternální) expresí genů. Genomový imprinting Normalní jeden chromosom od matky, jeden od otce Uniparentální disomie Imprintované lokusy nejsou v genomu náhodně rozptýleny, ale naopak se částo vyskytují ve shlucích. U člověka se nacházejí nejznámější shluky imprintovaných genů na chromozomech 15 a 11. Chromozom 15 spojen s onemocněními: Prader-Williův a Angelmanův syndrom. Chromozom 11 - Beckwith-Wiedemannův syndrom. Genomový imprinting Genomový imprinting • Beckwith-Wiedemannův syndrom • Nadměrný fetální růst následovaný nádorovým bujením v dětském věku. • Chybný imprinting - nadměrná exprese paternálního IGFII (Insulin like growth factor). • Chybný imprinting – inaktivace exprese maternálního H19 (potlačování růstu embrya). Zdroj: prof. Vyskot Genomový imprinting Zdroj: prof. Vyskot Perera and Herbstman, 2011 Genomový imprinting