Faktory vzniku nemocí Genetika Jan Kučera, Ph.D. 150663 https://mendel-genetics.cz/rukopis-gregor-johann-mendel/ klinická genetika zabývá se genetikou patologických stavů diagnostika, genetické poradenství a prevencí genetických nemocí (nejen u pacienta ale celé rodiny) cytogenetika studium chromozomů molekulární genetika studium struktury a funkce jednotlivých genů populační genetika studium proměnlivosti populací komparativní a evoluční genetika mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů Co je to genetika? Věda zabývající se dědičností a proměnlivostí organismů WATSON, J., CRICK, F. MolecularStructure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171, 737–738 (1953). https://doi.org/10.1038/171737a0 Podstata dědičnosti • DNA nese potřebnou informaci potřebnou pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a reprodukce • složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze [A, G, C, T]) DNA kostra – polynukleotidový řetězec zbytky deoxyribózy a kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou DNA dvojšroubovice - 2 polynukleotidové řetězce v opačné orientaci jedno vlákno v 5’ → 3’ směru, druhé opačně vodíkové vazby mezi páry bází (A=T, GC) • dvojšroubovice se rozpadá při replikaci a transkripci DNA, RNA, proteiny https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid https://www.genome.gov/genetics-glossary/Base-Pair Centrální molekulárně-biologické dogma: DNA → RNA → protein http://www.studiumbiochemie.cz/meziobor_na2.html https://www.genome.gov/genetics-glossary/Central-Dogma https://www.genome.gov/genetics-glossary/Gene Transkripce https://www.genome.gov/genetics-glossary/Gene Sestřih https://www.genome.gov/genetics-glossary/Translation Translace https://www.genome.gov/genetics-glossary/Transfer-RNA tRNA https://www.genome.gov/genetics-glossary/Amino-Acids Aminokyseliny Genetický kód univerzální podobný princip u všech živých organizmů tripletový trojkombinace z celkem 4 nukleotidů (A, C, G, T) degenerovaný 43 = 64, ale aminokyselin jen 21 https://www.genome.gov/genetics-glossary/Genetic-Code https://www.genome.gov/genetics-glossary/Protein Proteiny https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromosome https://www.genome.gov/genetics-glossary/Chromatin Karyotyp • každý biologický druh má svou charakteristickou chrom. výbavu (počet a morfologii) = karyotyp • u člověka mají somatické diploidní b. 46 chromozomů • 22 párů homologních autozomů • 1 pár gonozomů (44XX nebo 44XY) • gamety (vajíčko, spermie) 23 – haploidní • standardní klasifikace číslováním podle velikosti (22 je ale větší než 21) https://www.genome.gov/genetics-glossary/Karyotype https://www.genome.gov/genetics-glossary/Telomere https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/32-chromosomes/chromosome-types.html https://www.genome.gov/genetics-glossary/Cytogenetics https://pressbooks.nscc.ca/humanbiology/chapter/9-2-an-overview-of-dna-and-the-human-genome/ https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitosis Mitóza https://www.genome.gov/genetics-glossary/Meiosis Meióza https://www.genome.gov/genetics-glossary/homologous-recombination Crossing-over • gen – základní jednotka dědičnosti • genové rodiny • sekvenčně podobné geny, které vznikly zřejmě duplikací během evoluce • např. geny pro hemoglobiny, imunoglobuliny, některé enzymy, … • lokus – konkrétní umístění genu (např. 12q21.5) • alela – konkrétní varianta genu • v populaci se pro naprostou většinu genů vyskytuje vícero variant (= alel), které mohou být různě časté = genetický polymorfizmus • haplotyp - skupina alel na jednom chromozomu, které jsou na potomky přenášeny pohromadě • genotyp – kombinace alel v určitém lokusu na paternálním a maternálním chromozomu diploidního genomu • fenotyp – vnější projev (vyjádření) genotypu Základní pojmy https://www.savemyexams.co.uk/a-level/biology/aqa/17/revision-notes/7-genetics-populations-evolution-- ecosystems-a-level-only/7-1-inheritance-a-level-only/7-1-1-key-terms-in-genetics/ https://www.genome.gov/genetics-glossary/genotype na základě populační frekvence se tradičně rozlišují polymorfizmus a mutace polymorfizmus = existence několika (přinejmenším dvou) alel pro daný gen, z nichž nejméně častá má populační frekvenci alespoň 1%, mutace (vzácná alela) = méně častá alela mající populační frekvencí <1% typy záměn 1) genomové změna počtu chromozomů (trisomie, monosomie) – zaviněna nondisjunkcí v meióze změny celých sad (aneuploidie, polyploidie) 2) chromozomové (aberace) výrazná změna struktury jednotlivých chromozomu (duplikace, delece, inzerce, inverze, translokace) 3) genové podílí se na genetické variabilitě v populaci kratší změny (1 – tisíce bází) = mutace a polymorfizmy v pravém slova smyslu Typy DNA záměn https://en.wikipedia.org/wiki/Nondisjunction https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mutation Missense mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Missense-Mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Frameshift-Mutation https://www.genome.gov/genetics-glossary/Nonsense-Mutation prakticky každá nemoc je u daného jedince modifikována genetickou výbavou, avšak s různým podílem na finálním fenotypu • chromozomální poruchy • nejedná se o konkrétní chybu ale o nadbytek/nedostatek genů obsažených v celých chromozomech nebo jejich segmentech • 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 • komplexní (poly-, multigenní) nemoci • genetická dispozice podmíněná kombinací alel několika genů je výrazně manifestována prostředím a komorbiditami Klasifikace geneticky podmíněných onemocnění Chromozomální poruchy • aneuploidie (změna počtu chromosomů v sadě) porucha rozdělení sesterských chromozomů [meiotická non-disjunkce] 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] 3n, 4n) u člověka neslučitelné se životem • mikrodeleční syndromy (delece menšího rozsahu, chybí části chromozomů) Praderův-Williho syndrom a Angelmanův syndrom (del del 15q11-13), Syndrom Cri du chat (del 5p15), DiGeorgův syndrom (del 22q11). Turnerův syndrom Monosomie chromosomu X 1 z 2500 narozených dívek • Dysgeneze ovarií s deficitem estrogenů • vyšší riziko kardiovaskulární mortality • hormonální terapie estrogenem, somatotropinem (nízký vzrůst) • častější kardiovaskulární problémy https://medical-dictionary.thefreedictionary.com/Turner%27s+syndrome trisomie chromosomu 21 • 1 ze 700 (stoupající riziko s věkem matky) • poruchy vývoje srdce • pomalejší růst, pomalejší mentální a motorický vývoj • zvýšené riziko leukemie a Alzheimerovy choroby Downův syndrom https://www.medicoverhospitals.in/diseases/down-syndrome/ trisomie chromosomu 18 • 1 ze 7000 • těžké vývojové poruchy • vrozené malformace všech soustav, rozštěpy • průměrná délka života v řádech týdnů/měsíců Edwardsův syndrom https://my.clevelandclinic.org/health/diseases/22172-edwards-syndrome trisomie chromosomu 13 • 1 ze 14000 • těžké vývojové poruchy • vrozené malformace všech soustav, rozštěpy • průměrná délka života v řádech týdnů/měsíců Patauův syndrom https://my.clevelandclinic.org/health/diseases/24647-trisomy-13-patau-syndrome Acta Prediatr Scand 75:507-510, 1986 https://www.sciencephoto.com/media/266745 • onemocnění je důsledkem mutace v jediném genu • přenos odpovídá Mendelovým zákonům Monogenní onemocnění Riziko přenosu onemocnění do dalších generací je u monogenních onemocnění obvykle vyšší než u onemocnění multifaktoriálních a obvykle se dá určit podle konkrétních vzorců přenosu. Základní způsoby dědičnosti monogenních onemocnění jsou: 1. Recsivní 2. Dominantní 3. X-vázané Autozomální recesivní nemoci mutované proteiny chybí nebo nefungují (k zajištění funkce ale stačí 50% fungujícího proteinu) • obvykle enzymy nebo transportní kanály Recesivní mutace • u heterozygota se ve fenotypu neprojeví, aby se projevila ve fenotypu, musí být mutované obě alely daného genu (recesivní homozygot) Cystická fibróza Fenylketonurie Srpkovitá anémie https://www.nhlbi.nih.gov/health/cystic-fibrosis/causes https://www.genome.gov/genetics-glossary/Autosomal-Recessive-Disorder Cystická fibróza • frekvence v populaci 1:2500 • mutace v genu CFTR, který řídí činnost chloridového kanálu v membráně buněk • narušení osmózy – hustý hlen na povrchu vnitřních epitelií, množení bakterií, dýchací problémy, trávicí problémy, diabetes, osteoporóza, neplodnost • průměrný věk dožití 25 let https://www.yourgenome.org/facts/what-is-cystic-fibrosis/ Fenylketonurie • 1:10000 • mutace v genu pro jaterní enzym fenylalanin hydroxylázu (PAH) • Narušená přeměna aminokyseliny fenylalaninu (běžně přijímané v potravě) na tyrozin • nahromadění fenylalaninu vede následně k postižení činnosti mozku. • nutná přísná nízkofenylalaninová dieta • při správně vedené léčbě je psychomotorický vývoj normální https://www.hbely.com/work/pkuposter Autosomálně dominantní nemoci Dominantní mutace - u heterozygota se ve fenotypu projeví • aberantní aktivace signální dráhy (bez potřeby ligandu) • haploinsuficience pro normální funkci je potřeba >50% aktivního genového produktu (jen jedna kopie genu nestačí) • dominantě negativní efekt syntéza abnormálního proteinu který interaguje s normálním produktem a ovlivňuje jeho funkci (např. oligomerizace receptorů, neaktivita) Achondroplasie Familiární hypercholesterolemie Huntingtonova chorea Marfanův syndrom https://medlineplus.gov/genetics/condition/familial-hypercholesterolemia/#inheritance https://www.genome.gov/genetics-glossary/Autosomal-Dominant-Disorder Huntingtonova choroba • 1:20000 • muce v genu pro protein huntingtin (HTT, zmnožení opakující se sekvence tří nukleotidů CAG kódující glutamin, tripletová porucha, polyglutaminová porucha) • porucha motoriky, kognice, změny osobnosti, psychózy, deprese, progradující demence https://www.cisbio.eu/content/new-hope-for-huntingtons-disease-drug-discovery/ Achondroplazie • mutace v genu kódujícím receptor fibroblastového růstového faktoru 3 (FGF3) • Skeletální dysplazie, porucha přeměny chrupavky na kost, postiženy dlouhé kosti https://abcnews.go.com/Entertainment/life-family-call-real-life-dwarfs/story?id=30193325 • 1:500 • Vysoké hladiny cholesterolu s nízkou hustotou (LDL), v krvi a časný rozvoj kardiovaskulárních onemocnění. Familiární hypercholesterolémie • Léčba statiny, sekvestranty žlučových kyselin nebo jinými přípravky pro snížení hhladiny cholesterolu. U závažných forem se provádí LDL aferéza, často bývá nutná transplantace jater. • Cholesterol se může ukládat na různých místech v těle • nažloutlá políčka okolo očních víček (xanthelasma palpebrarum), • kolem vnějšího obvodu duhovky (arcus senilis corneae) • ve formě bulek na šlachách rukou, nohou, lokte, zejména v oblasti Achillovy šlachy (xantom šlachy). https://www.ccjm.org/content/87/2/109 X-vázané nemoci - ženy - trpí X-vázanými recesivními chorobami pouze když jsou mutované obě kopie jednoho genu - muži - trpí X-vázanými recesivními chorobami když je mutovaná jejich jediná kopie příslušného X-vázaného genu - ženy jsou většinou přenašečky, nemocní jsou jejich synové, synové předávají mutovanou alelu dcerám a opět z nich dělají přenašečky → X-vázaná recesivní onemocnění se mnohem častěji vyskytují u mužů Hemofilie A, B Daltonismus (barvoslepost) Duchennova muskulární dystrofie https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/X-Chromosome-facts https://www.genome.gov/genetics-glossary/hemophilia nedostatečná tvorba koagulačních faktorů VIII (Hemofilie A) nebo IX (Hemofilie B). Hemofilie A, B spontánní krvácení krvácení po drobných traumatech) krvacení do kloubů krvácení do GIT, URO (hematurie) léčba aplikací srážecího faktoru https://en.wikipedia.org/wiki/Haemophilia_in_European_royalty Mitochondriální DNA https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitochondrial-DNA7 • mitochondriální DNA se dědí pouze od matky • mtDNA - cirkulární DNA, 37 genů, 13 proteinů (geny pro enzymy dýchacího řetězce, geny pro tRNA a rRNA) • jedna mitochondrie obvykle obsahuje několik kopií DNA • mtDNA mutuje častěji než jaderná DNA • defekt se projeví v metabolicky náročných tkáních (nervová soustava, svaly) • myopatie, neuropatie, hluchota, oční vady… • ne každá patologie mitochondrií je způsobena mutacemi v mtDNA • choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex“ genetických, epigenetických a vnějších faktorů fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či recesivní dědičnost jako důsledek změn vjediném lokusu (tzv. jednolokusových) • predisponující geny (geny malého účinku, polygeny) zvyšují pravděpodobnost onemocnění, ale nedeterminují jednoznačně jeho přítomnost je nutné spolupůsobení negenetických faktorů (prostředí) dieta, fyzická aktivita, kouření, komorbidity, a interakcí genů mezi sebou Komplexní nemoci komplexní onemocnění jsou charakterizována: neúplnou penetrancí patologického fenotypu u určité části osob, přestože zdědí nevýhodný genotyp (tedy soubor vícero alel) se patologický fenotyp nerozvine existencí fenokopií patologický fenotyp může být přítomen u lidí, kteří nejsou nosiči zmíněného genotypu genetickou heterogenitou (lokusovou a alelickou) klinický obraz není specifický, ale může se rozvinout v důsledku záměn v genech ležících na různých lokusech (= lokusová heterogenita), 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 spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu mitochondriální dědičnost, imprinting nejčastější komplexní nemoci esenciální hypertenze porucha glukozové tolerance dyslipidemie atopie