Ústav patologické fyziologie LF MU1
Reakce genomu na vlivy prostředí: Vznik
mutací
Mgr. Jana Fialová Kučerová, Ph. D.
Franks et al. Diabetes Care 2013
Genetická variabilita
 Mutace – dědičné změny genetického materiálu
 Poskytují nové genetické varianty, které umožňují evoluci
organismů
 Obvykle náhodný neadaptivní proces, při kterém jsou
podmínkami vnějšího prostředí selektováni jedinci s dříve
náhodně vzniklými mutacemi
 Cílená mutageneze – výhradně pro vědecké účely
 Mutant – organismus se změnou v genotypu v důsledku mutace
 Mutace – nové alely s frekvencí nižší jak 1 %
 Polymorfismus – stav, kdy v populaci existují minimálně 2
genetické varianty (alely) s frekvencí vyšší jak 1 %
Význam mutací z pohledu evoluce
 „Pozitivní“ mutace – zdroj dědičné variability
 Selekce jedinců s výhodnými znaky – význam pro evoluci
 „Negativní“ mutace – vznik nefunkčních proteinů,
stárnutí, geneticky podmíněná onemocnění, tvorba
nádorů atd.
 Mutace neutrální
 Mutace letální
 Předpokládá se, že každý člověk nese 5 až 10 recesivně
letálních mutací
Biston betularia – Drsnokřídlec březový
Genový doping?
 Gen ACTN3 (Alpha-actin-3) – varianta
tohoto genu je důležitá pro správnou funkci
rychlých svalových vláken. Častý výskyt u
sprinterů a silových atletů
 Mutace v genu pro receptor erytropoetinu –
Finský lyžař dlouhých tratí Eero Mantyranta
převyšoval normu počtu červených krvinek
asi o 25 až 50 %. Zvýšená kyslíková kapacita
organismu – autozomální dominantní
benigní erytrocytóza
 Mutace v genu pro apolipoprotein A1 –
vychytávání cholesterolu z krve – vysoký věk
obyvatel Limone sul Garda
Klasifikace mutací
 Spontánní x indukované
 Gametické x somatické
 Dominantní x recesivní (1:100)
 Genové x chromozomové x genomové
 Účinek na fenotyp:
 Morfologické mutace
 Biochemické
 Vitální -> subvitální -> semiletální -> letální
 Podmíněné (např. teplotně senzitivní mutace)
Spontánní mutace
 Četnost spontánních mutací: 10-5 – 10-10
 Příčiny:
 Mechanismy uvnitř buňky (replikace DNA, produkty
vlastního metabolismu)
 Chyba DNA polymerázy (teoreticky 10-1- 10-2 x
skutečně 10-9 – 10-11 –> oprava chybně
zařazených bází “proofreading“)
 Funkce reparačních mechanismů
 Vnější faktory – mutageny
 A) fyzikální faktory (10 – 15 %)
 B) chemické faktory (70 – 80 %)
 C) biologické faktory (10 – 20 %)
Xeroderma pigmentosum
Fyzikální faktory – UV
záření
 Elektromagnetické záření s vlnovou délkou
kratší než má viditelné světlo
 Dávka UV záření, která snižuje viabilitu
lidských fibroblastů na 1/100:
 40 - 50 J/m2 – UV-C
 60 - 80 J/m2 – UV-B
 400 – 500 J/m2 – UV-A
 Hlavní mechanismy poškození DNA po
účinku UV záření:
 Vznik tzv. fotolézí
 Poškození DNA zprostředkované působením
záření a fotosenzitivátorů (např.
furokumariny)
 Působení reaktivních kyslíkových radikálů
(ROS)
Biologické účinky UV záření
 Příznivé účinky: tvorba vitamínu D, léčba
některých chorob
 Škodlivé účinky: nádory kůže, předčasná
stárnutí kůže, poškození očí, suprese
imunitního systém
 Důležitá je ochrana před UV
 Omezení pohybu na slunci mezi 10 a 16h
 Sledování UV indexu
 Pobyt ve stínu
 Ochranný oděv + vhodné brýle
 Ochranné krémy (faktor 15+)
Fyzikální faktory – ionizační záření
 Radioaktivita – důsledek radiačního rozpadu, při kterém se mění stav nebo složení atomových
jader nuklidů
 Ionizující záření – meziatomový pohyb elementárních částic, které mají dostatečnou energii na
ionizaci atomů
 Kvanta ionizujícího záření mají tak vysokou energii, že jsou schopna vyrážet elektrony z atomového obalu a
tím látku ionizovat
 Typy ionizujícího záření:
 Elektromagnetické – vzniká periodickou změnou elektrického a magnetického pole, která má původ v
určitém zdroji a šíří se prostorem; hmota ve formě energie v podobě fotonu (paprsky X, gamma záření)
 Korpuskulární – proud rychle letících elementárních atomových částic (elektrony, protony, neutrony, alfa
částice)
 Zdroje záření:
 Přírodní zdroje (kosmické záření, přírodní radionuklidy)
 Umělé zdroje (lékařství – RTG, radioizotopy)
 Vnější ozáření
 Vnitřní ozáření (radionuklidy v lidském těle)
Radonový index v ČR
Ionizačního záření kolem nás
 Přirozená dávka je 2,5 až 3,0 mSv/rok
 Limit pro pracovníka se zářením 50mSv/rok
 RTG střev 4 mSv; RTG kyčlí 1,7 mSv
 3 lety nadzvukovým letadlem Praha – USA 0,38 mSv
 Hodina sledování televize 0,01 mSv/rok
 Jaderná energetika
 Jaderná odpad (Dukovany – 56 tun ročně)
 Havárie – únik radioaktivních látek
 Černobyl (26. 4. 1986) – ekvivalent 90 atom. bomb svržených na Hirošimu;
radioaktivní mrak byl zachycen pracovníky JE Dukovaný 29.4.; zamoření cesiem
(pol. rozpadu 30 let) a jodem (pol. r. 8 dní) – cesium v potravinovém řetězci
 Fukushima (11. 3. 2011) – poškození 4 reaktorů
Biologické účinky ionizačního záření
 Přímé účinky – přímý zásah biologicky důležitého
místa v buňce (tzv. terče) – vznik mutací
 Nepřímé účinky – poškození kritických
buněčných struktur působením volných radikálů
 Efektem zasažení terče jsou dvouvláknové zlomy
v DNA
 Řídké ionizující záření (𝛃, 𝛄) – průchod dvou
částic stejným místem rychle po sobě = 1 zlom –
poškození závisí na druhé mocnině dávky
 Husté ionizující záření (𝛂, neutrony, proton) –
poškození je přímo úměrné dávce – jeden
průchod 1 zlom
 1000 – 2000 poškozených bází / 1Gy
 500 – 1000 jednořetězcových zlomů / 1Gy
 40-50 dvouvláknových zlomů / 1Gy
 Citlivost buňky se mění v průběhu buněčného
cyklu (nejvíce v raných fázích mitózy)
 Celotělová dávka 0,1Gy – 1 zhoubný nádor na
200 lidí
Účinek ionizujícího záření na člověka
 Intermitotická smrt buňky – vysoké dávky záření,
destrukce jaderné hmoty, porucha mitochondrií,
narušení iontové rovnováhy - apoptóza, nekróza
 Mitotická smrt - zástava mitózy, fragmentace chromozomů, chromozomové
aberace
 Zástava syntézy DNA, transkripce DNA
 Poškození genetického materiálu
 Deterministické účinky – důsledkem poškození velkého počtu buněk
 Akutní nemoc z ozáření
 Akutní lokalizované poškození
 Poškození plodu in utero
 Nenádorová pozdní poškození
 Stochastické účinky – důsledkem změny jedné nebo málo buněk
 Zhoubné nádory
 Genetické změny
• Letální dávka LD50
• Člověk 4 - 5 Gy
• Pes 2,5 - 3 Gy
• Myš 7 - 10 Gy
• Hmyz 100 - 1000 Gy
Chemické mutageny
 Chemické mutageny – látky, které způsobují mutace podmíněné změnou
struktury DNA
 Karcinogeny – látky u kterých bylo prokázáno, že po požití, vdechování
nebo působení na kůži dochází k onemocnění zhoubnými nádory. Většina
karcinogenních látek má zároveň i mutagenní účinky. (př. benzen,
vinilchlorid, polycyklické a aromatické uhlovodíky, nitrosaminy, azbest atd.)
 Teratogeny – látky vyvolávající změny plodu během těhotenství, zejména v
prvních osmi týdnech (vývojové vady, malformace). Nemusí být spojeny
se změnou genotypu.
(př. alkohol, thalidomid 10 000 – 20 000 postižených dětí)
 Promutageny – látky vyžadující ke svému účinku metabolickou aktivitu
Mutageny přítomné v životním prostředí
 Všeobecně rozšířené mutageny
 Voda
 Vzduch
 Půda
 Profesní expozice (mutageny jen v
některých provozech)
 Průmysl: azbest, vinylchlorid – angiosarkom;
trichlorethylen, chlorpren, černouhelný dehet
– zdroj PAU
 Zemědělství: pesticidy organofosfáty,
biostimulátory
 Zdravotnictví: inhalační anestetika,
cytostatika, imunosupresiva
Kontaminace vody
 Povrchová voda – pesticidy, herbicidy, dusíkaté hnojiva, insekticidy, fungicidy
a jiné organické látky
 Desinfekce pitné vody chlorováním - vznik nízkomolekulárních látek –
trihalomethany (chloroform, PCB, chlorbenzen, tetrachloretylen aj.)
 Zvýšená pravděpodobnost vzniku nádorů trávícího traktu a močového
měchýře
Kontaminace ovzduší a půdy
 Ovzduší:
 Oxid siřičitý (HSO3
− a SO3)
 Oxid dusíku, CO – automobily
 Výskyt polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU), PCB, DDT, těžké kovy (Be, Cr, Cd, Ni As); v
průmyslových oblastech emise benzenu, formaldehydu, benzínu, vinylchloridu, trichloretylenu
 Přízemní ozon, polétavý prach
 Důsledky: alergická onemocnění, nádory plic, bronchitidy, astma
 Půda:
 PAU, rezidua pesticidů, herbicidů, insekticidů, fungicidů, růstových regulátorů, deriváty
organických nitrosloučenin
 DDT (kumulace v potravním řetězci – i v mateřském mléce)
 Těžké kovy
Mutagenní látky v potravě
 Toxiny produkované rostlinami – ochrana před hmyzem, houbami a animálními
predátory
 V normální stravě se odhaduje 5 -10 000 různých přírodních chemických látek
 Látky vykazující karcinogenní účinky byly nalezeny např. v koření (anýz, kmín,
bazalka), ovoci, zelenině, kávě, čaji, medu či v houbách
 Benzpyren a jiné PAU – opékání masa nad otevřeným ohněm;
pyrolýza proteinů a aminokyselin (heterocyklické aminy)
 Nitrozosloučeniny (teplená úprava masa obsahující dusitany)
 Mykotoxiny (aflatoxin B1, aflatoxin M1 – v mléku)
 Kofein? (pro savce ne)
 Umělá sladidla (cyklamáty, sacharin)?
 Konzervační látky (nitrofurany)
 Rezidua herbicidů, pesticidů, těžkých kovů
Aditiva v potravinách
 Antioxidanty, aromatizující přísady, balící plyny, barviva, emulgátory,
konzervanty, kypřící látky, kyseliny, leštící látky, nosiče a rozpouštědla,
odpěňovače
 Přijatelný denní příjem (ADI) – množství potravinářského aditiva (v mg na
kg tělesné hmotnosti), kterému může být člověk vystaven, každý den po
celý život, aniž by to pro něj představovalo zdravotní riziko.
 Stanovení ADI
 Pokusy na experimentálních zvířatech – stanovení nejvyšší dávky chemické
látky, při které se ještě neprojeví nežádoucí účinek
Mutageny a životní styl
 Kosmetika, barvy na vlasy, laky na nehty, sprchové
gely, mýdla, antiperspiranty
 Kouření – příčina 30 % úmrtí na nádorové
onemocnění
 67 karcinogenů
Testy mutagenity – př. Amesův test
Biologické mutageny
 Viry – některé viry (herpesviry, hepadnaviry,
adenoviry, retroviry) mají schopnost
integrovat se do DNA hostitelské buňky, čímž
mohou porušit sekvenci některého
strukturního genu, nebo jeho regulační
oblasti, promotor atd.
 Mobilní genové sekvence – transpozony a
retrotranspozony – mohou působit stejným
mechanismem jako retroviry – tj. inzercí na
“nevhodné“ místo v genomu
 Př. HPV (lidský papilomavirus) – karcinom
děložního hrdla; HHV-8 (lidský herpesvirus 8)
Kaposiho sarkom
Nádorová
onemocnění
 Onemocní 10 mil. lidí ročně; umírá 7 mil. lidí
ročně
 Příčiny vzniku – kouření, alkohol, špatné
stravovací návyky (obezita), nízká
pohybová aktivita, dědičné faktory,
infekční agens, radiace (přírodní),
pracovní expozice, škodliviny v životní,
prostředí
40 % preventabilní příčiny (odhad)
kouření je nejvýznamější faktor
 Důležitá prevence – změna individuálního
životního stylu
Antikarcinogeny - prevence
 Příjem rozmanité a vyvážené stravy
 Nejvýznamnější látky: Polyfenoly (flavonoidy, fenolové
kyseliny), Terpeny (karotenoidy, monoterpeny), Sirné
sloučeniny (dialylsulfidy, isothiokyanáty), Saponiny
(triterpenoidy, steroidy)
 Příklady populárních antikaricinogenních látek a potravin:
Kurkumin (kurkuma)
Delfinidin (borůvky)
Elágová kyselina (jahody)
Epigalaktochin-3-galát
(zelený čaj)
Resveratrol (hrozny)
Limonen (citrón)
Brát s rezervou ;)
Dialylsulfid (česnek)
Indol-3-karbonyl (zelí)
Genistein (sója)
Sulforan (brokolice)
Lykopen (rajčata)
Vláknina
Selen
Klasifikace mutací
 Spontánní x indukované
 Gametické x somatické
 Dominantní x recesivní (1:100)
 Genové x chromozomové x genomové
 Účinek na fenotyp:
 Morfologické mutace
 Biochemické
 Vitální -> subvitální -> semiletální -> letální
 Podmíněné (např. teplotně senzitivní mutace)
Gametické x
somatické mutace
 Gametické mutace
vznikají v gametách
nebo tkáních ze
kterých se diferencují
pohlavní buňky
 Somatické mutace
vznikají v somatických
buňkách
Bodové mutace
 Změna nukleotidové sekvence na určitém místě
(bodě) v genu – bodové mutace – kódující i
nekódující oblasti genomu
 Adice (inzerce) – zařazení jednoho nebo více
nadbytečných nukleotidových párů
 Může dojit k posunu čtecího rámce
 Delece – ztráta jednoho nebo více nukleotidů
původní sekvence
 Může dojít k posunu čtecího rámce
 Substituce – záměna původní báze sekvence
jinou bází
 Tranzice – purinová báze za purinovou;
pyrimidinová báze za pyrimidinovou
 Transverze – purinová báze za pyrimidinovou
nebo naopak
Efekt mutace na proteosyntézu
 Mutace neměnící smysl (samesense, silent
mutation) – je zařazena stejná
aminokyselina (degenerace genetického
kódu); substituce na třetí pozici tripletu
 Mutace měnící smysl (missense mutation)
– dojde ke změně polypeptidového
vlákna – zařazení odlišné aminokyseliny při
proteosyntéze
 Nesmyslné mutace (nonsense mutation) –
vznik předčasného terminačního kodonu
– není dokončena syntéze polypeptidu
Dynamické mutace
 Expanze repetitivních sekvencí (typicky
expanze trinukleotidových repetic)
 Nepřesností při replikaci
 Premutace – dosažení kritického počtu =
mutace
 Huntingtonova choroba, syndrom
fragilního X chromozomu
Huntingtin (HTT) - CAG repetice
 CAG(15;18) – normální (< 26 kopií glutaminu)
Chromozomové mutace
 Chromozomové aberace - změny struktury a
tvaru chromozomu
 Vznikají následkem chromozomální
nestability (chromozomálních zlomů)
působením nadměrnou expozicí jedince
mutagenům nebo zhoršenou funkcí
reparačních mechanismů
 Lze dělit na:
 Balancované – zachováno původní
množství genetické informace
 Nebalancované – není zachováno
původní množství genetické informace
Chromozomové aberace
 Delece
 Duplikace
 Inzerce
 Inverze
 Translokace
 Reciproké translokace
 Robertsonské translokace
 Izochromozom
 Ring chromozom
 Fragmentace
 Marker chromozom
Chromozomové aberace
 Vrozené:
 Syndrom kočičího křiku – delece 5p
 Mikrodeleční syndromy (drobné intersticiální delece DNA segmentů
– 2 až 4 Mb):
 DiGeorgeův syndrom – 22q11.2
 Prader-Williho a Angelmanův syndrom – 15q11-13
 Charcot-Marie-Tooth – tandemová duplikace na chromozomu 17
 Získané (onkocytogenetika) – nádory (leukemie, solidní nádory)
 T(9;22) – CML (Filadelfský chromozom – Ph); fúzní gen BCR/ABL na
chromosomu 22, který kóduje hybridní protein p210 – iniciátor maligního
procesu
 Retinoblastom – del(13)(q14) – Rb1 gen
 Neuroblastom – del(1)(p36)
 Delece genu p53 (17p13) – mnoho nádorů
Genomové mutace
 Změny v počtu chromozomů
 Nejrozsáhlejší mutace – celý genom nebo jeho velká část (celé chromozomy)
 Polyploidie – znásobení celé chromozomální sady
 Za normálních podmínek jsou vyšší organismy diploidní (2n)
 Běžná u rostlin, u vyšších živočichů není slučitelná s životem
 Polyploidní buňky – příčně pruhované svalstvo (syncytia - mají více jader); hepatocyty –
buňky s vysokou metabolickou aktivitou
 Nuliplodie – červené krvinky
 Aneuploidie – stav, kdy chybí nebo přebývá pouze některý chromozom
 Vzniká při buněčném dělení nondisjunkcí
 Nornální stav je dizomie
 V případě, že jeden chromozom z páru chybí – monozomie
 Chromozom daného páru přebývá - trizomie
Nejčastější aneuplodie
 Vrozené chromozomové aberace a aneuploidie
 20 - 50 % všech početí
 50 – 60 % abortů v I. Trimestru
 0,56 % živě narozených dětí
 Downův syndrom
 Trizomie +21
 33 % der(14;21) – Robertsonovská translokace
 Edvardsův syndrom +18
 Patauův syndrom +13
 Klinefelterův syndrom (47,XXY)
 Turnerův syndrom (45,X)
 Syndrom Jacobsové (47,XYY)
Priony
 proteiny sebereplikující svou (abnormální)
konformaci
 vysoce stabilní – obtížně degradovatelné
v buňce i fyzikálně (přežije 2 hodiny varu i
spálení při 600 °C)
 nejznámější Creutzfeldtova-Jakobova
nemoc, historicky kuru
 gen PRNP je příčinou dědičných forem u
lidí a zvířat
 přenos konzumací prionů ze skotu - BSE
PrPc PrPSc
Epidemie BSE a vCJD v Británii
 zvířata krmená masokostní
moučkou - přenos prionů z ovcí
(scrapie), posléze z nakažench krav
 BSE uznaná kolem 1987 – britské
úřady trvaly na bezpečnosti
hovězího masa z důvodu
nepřenositelnosti prionů
 1994 první případy vCJD u lidí (cca
od roku 1990 u koček)
 21. 5. 1995 umrtí 19-letého mladíka
 20. 3. 1996 „vCJD souvisí s BSE“
(CC BY-SA 4.0 Emmanuel Boutet)
Epidemie BSE a vCJD v Británii
 zvířata krmená masokostní
moučkou - přenos prionů z ovcí
(scrapie), posléze z nakažench krav
 BSE uznaná kolem 1987 – britské
úřady trvaly na bezpečnosti
hovězího masa z důvodu
nepřenositelnosti prionů
 1994 první případy vCJD u lidí (cca
od roku 1990 u koček)
 21. 5. 1995 umrtí 19-letého mladíka
 20. 3. 1996 „vCJD souvisí s BSE“
178 obětí vCJD (poslední 2016)
 Prion (geneticky nebo strukturně
podmíněný) způsobuje sebereplikaci
své aberantní struktury u „normálního“
typu PrP proteinu
 varianty PrP v lidské populaci
náchylnější k vCJV - Met129Val
polymorfismus Met/Met tvořily velkou
většinu případů… ALE.. výzkumy
ukazují pomalejší progresi u Met/Val a
Val/Val… prionová onemocnění
extrémně dlouhá inkubační doba
10 - 50 let! ...možná nebyli poslední
 protektivní varianta PrP u populací
zasažených kuru, Gly127Val (Met/Met
homozygotů v pozici 129)