specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností
klinická genetika
zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (nejen u pacienta ale celé rodiny!)
genetické poradenství
lidská genetika
studuje variabilitu a dědičnost u člověka
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
genomika
studuje strukturu a funkci genomů pomocí genetického mapování, sekvenování a funkční analýzy genů
snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých organizmů
strukturní genomika = pochopení struktury genomu
konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů
reprezentovala zejména iniciální fázi analýzy genomů; konečným cílem byla kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt)
funkční genomika = studium funkce genů a ostatních částí genomu
využívá poznatků strukturní genomiky a snaží se o poznání funkce genů; velmi často k tomu využívá modelové organizmy (myš, kvasinka, nematoda, Drosofila aj.) jako časově a finančně výhodnou alternativu vyšších živočichů (zejm. pro možnost studovat mnoho generací v relativně krátkém čase
Lidský genom
Human Genome Project (HUGO)
hustota genů na jednotlivých chromosomech dost heterogenní
pouze ~10% kódující sekvence
~75% se skládá z jedinečné (neopakující se) sekvence
zbytek repetitivní sekvence
nejasná funkce, zřejmě udržují strukturu chromozomů, možná jsou “evoluční”rezervou
typy repetic
tandemové
mikrosatelity
minisatelity
Alu-repetice
L1-repetice
mitochondriální DNA
několik desítek genů kódujících proteiny zapojené v mitochondriálních procesech
přenos pouze od matky!
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 RNA-rRNA. tRNA a rRNA kóduje 3D strukturu ve výsledných produktech RNA, které umožňují jejich funkci.
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.
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 epigenetických (vlivy prostředí), tak pod vlivem dalších faktorů genetických (např. mutacemi somatických buněk v průběhu maligní transformace).
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.
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
Nukleosid nukleotid báze DNA
DNA - dvojšroubovice
DNA kostra – polynukleotidový řetězec
zbytky deoxyribózy a kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou
DNA dvojšroubovice
2 polynukleotidové řetězce v opačné orientaci
vodíkové vazby mezi páry bází (AT, GC)
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.
každý le umístěn na konkrétním místě konkrétního chromozomu = lokus
Chromosomové a genové aberace
Chromosomové aberace
Strukturní
Numerické
Genové mutace
Vzácné alely
Polymorfismy
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
Chromatin chromozom
v nedělící se buňce je chromatin rozprostřen volně v jádře
u dělící se organizuje do viditelných chromozomů
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).
Typy mutací
Genové
Chromosomové aberace
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).
Genové mutace
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Genové mutace
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Genové mutace
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Genové mutace
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Typy mutací
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
Typy mutací
Normální stav
DNA
ATGCAGGTGACCTCAGTG
TACGTCCACTGGAGTCAC
RNA
AUGCAGGUGACCUCAGUG
PROTEIN
Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val
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
Čtyři základní typy dědičnosti
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“ alelu na jednom nebo obou chromosomech.
Má-li jedinec pár identických alel, říkáme, že je homozygot, pokud jsou alely rozdílné, jedinec je heterozygot.
Monogenní choroby mají charakteristický způsob přenosu v rodinách.
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.
Monogenní nemoci
onemocnění je důsledkem mutace v jediném lokusu (= jednolokusové)
přenos mutace (a fenotypu) odpovídá Mendelovým zákonům (= mendelistické nemoci)
konstrukce rodokmenů
typy přenosu
autozomální
geny na obou autozomech aktivní
gonozomální (X-chromozom vázané)
muži hemizygotní
u žen 1 X-chromozom inaktivován!!
jiné
imprinting, mozaicizmus, …
podle projevu genotypu ve fenotypu
recesivní
nemoc jen u mutovaného homozygota
dominantní
nemoc stejná u heterozygota a mutovaného homozygota
neúplně dominantní
odstupňovaná tíže nemoci u heterozygota a mutovaného homozygota
kodominantní
jak normální tak patologická alela jsou vyjádřeny ve fenotypu
doposud známé shrnuje OMIM (On-line Mendelian Inheritance in Man)
(1) recesivní = u heterozygotů s 1 mutovanou alelou stačí produkt normální 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 (např. Huntingtonova chorea)
ztráty heterozygozity (loss-of-heterozigosity, LOH) v somatické buňce
např. familiární predispozice k nádorůmv důsledku mutací v supresorových genech (např. retinoblastom)
(2) pokud nestačí produkt k udržení normální funkce dominantní
nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově
X-vázané monogenní nemoci
ženy 3 genotypy, muži pouze 2
X-vázané nemoci se manifestují u všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen
ale výjimky viz dále
příklady
hemofilie A
Duchenneova muskulární dystrofie
Wiskott-Aldrichův syndrom (imunodeficience)
inaktivace X-chromozomu u žen
kompenzace dávky a exprese X-vázaných genů
hypotéza Lyonové (“lyonizace”)
v somatických bb. je 1 X inaktivovaný a v interfázi se zobrazuje jako “Barrovo” tělísko (viz sporné identifikace pohlaví)
proces je náhodný, může se týkat jak otcovského tak mateřského X
důsledkem je variabilní exprese X-vázaných genů u heterozygotek (“manifestující přenašečka”)
funkční mozaicismus
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.
Rodokmen pro mitochondriální dědičnost
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, na jejichž funkční význam existují odlišné názory.
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), mikrosatelitní polymorfismy multialelické (existuje více než dvě alely). 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.
Polymorfismy v DNA
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.
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.
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. Jisté je, že pokud choroba má prokazatelně familiární výskyt, musíme očekávat podíl genetického podkladu na její manifestaci, a to i v tom případě, že není dosud dobře definován nebo dosavadní znalost nepovažujeme za přesvědčivou.
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.
Své genetické pozadí mají i tak relativně vzdálené proximální fenotypy, jako je např. kvalita života u nemocných s chronickým kardiovaskulárním onemocněním.
Komplexní choroby
choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex“ genetických, epigenetických a vnějších faktorů
fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či recesivní dědičnost jako důsledek změn v jediném lokusu (tzv. jednolokusových)
predisponující “geny” zvyšují pravděpodobnost onemocnění, ale nedeterminuje jednoznačně jeho přítomnost
je nutné spolupůsobení negenetických faktorů (prostředí)
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
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
diabetes (1. i 2. typu)
dyslipidemie
esenciální hypertenze
alergie
Během G1 fáze buněčného cyklu vnímá buňka signály z prostředí (hormony, vitaminy, látky poškozující DNA), které jí „sdělují“, zda vstoupit či nevstoupit do fáze syntézy DNA, replikace DNA a rozdělení buňky na dvě dceřinné. Jakmile se jednou buňka rozhodne replikovat DNA, následuje vždy její rozdělení. Pro buněčný růst a dělení je tedy rozhodujícím mechanismem začátek replikace DNA.
Ztráta kontroly nad syntézou DNA u rakoviny
Buněčný cyklus je u zdravého jedince regulován tak, že každý buněčný typ v daném orgánu „ví“, kdy přestat s růstem. U dospělého jedince jsou téměř všechny tkáně kontinuálně regenerovány a buňky opět „vědí“, kdy přestat s dělením.
U rakoviny buňka selhává ve schopnosti přijmout nebo interpretovat signály prostředí.
V současné populaci jsou selektovány alely, které favorizují přírůstek váhy a skladování tuků, aby byl zajištěn dostatek živin pro častá období nedostatku potravy.
V současné populaci jsou selektovány alely, které favorizují přírůstek váhy a skladování tuků, aby byl zajištěn dostatek živin pro častá období nedostatku potravy.
Při konstantně vysoké nabídce potravy a poklsu fyzické aktivity tato predispozice vede k pandemii obezity v rozvinutých zemích.
Genetické studie
Základní debata nad genetickým podkladem nemocí logicky začíná od strategie výběru tzv. kandidátních genů. Tato otázka je podstatně jednodušší u mendelisticky děděných nemocí, kde se změněná funkce jednoho genu snadněji identifikuje.
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.
Genetické studie
Linkage (vazebná) analýza testuje kosegregaci genového markeru a fenotypu nemoci v rodině. Čili marker a nemoc se v dané rodině mají vždy vyskytovat spolu.
Genetické studie
Asociační studie 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).
Model terapie hypertenze (podle Lindpaintnera, březen 2003)
