6.12.2019 Ivo Papoušek Genetika syndromových vad Genetika •Nauka o dědičnosti (hereditě) a proměnlivosti (variabilitě) • •Dědičnost – potomci se podobají svým rodičům; předávání genetické informace (relativně) stabilními mechanismy podle určitých pravidel • •Proměnlivost – různí jedinci se navzájem liší; rekombinace, mutace, vnější vlivy Organizace genetické informace •Genetická informace se nalézá zejména v jádře buňky ve formě hmoty, která se nazývá chromatin (= hmota, z níž jsou tvořeny chromozomy) •Chromatin = DNA + proteiny (histony) Funkce: uložení a přenos genetické informace Polymer nukleotidů Nukleotid: ® kys. fosforečná ® pentóza (deoxyribóza, ribóza) ® dusíkatá báze baseschem Pentózy Báze … nukleotidy jsou spojeny do polynukleotidového řetězce pomocí fosfodiesterové vazby Bases nukleotid Bases2 3baseschem Bases2 Bases2 Pořadí nukleotidů = primární struktura DNA •3 nukleotidy (triplet nebo kodon) kódují jednu AK •Nukleotidové sekvence jsou překládány do sekvencí aminokyselin podle genetického kódu • •Genetický kód je tedy soubor pravidel, podle kterých je informace kódována v DNA překládána v buňkách do proteinů • •Daný kodon v nukleové kyselině obvykle je překládán vždy do stejné (jediné) aminokyseliny (např. AGC kóduje AK serin) • •Genetický kód je univerzální (dané kodony kódují v naprosté většině organismů tytéž aminokyseliny) image003 File:RNA-codons.png Genetický kód Sekundární struktura DNA •DNA je dvouřetězcová: dvojice molekul (polynukleotidových řetězců) svázaných dohromady • • •Tvar dvoušroubovice • • → •Řetězce jsou dohromady svázány vodíkovými můstky podle pravidel komplementarity: purin + pyrimidin • (páry A-T a G-C) DoubleHelix Párování komplementárních bází: tvorba • 2 vodíkových můstků mezi A a T • 3 vodíkových můstků mezi G a C V důsledku této komplementarity je vlastně všechna informace nesená dvouřetězcovou DNA duplikována. To je klíčové pro replikaci DNA! Nezbytný předpoklad pro veškeré fungování DNA v živých organismech! James Dewey Watson (1928) University of Chicago Maurice Wilkins (1916-2004) King Edwards School, Birmingham Rosalind Franklin (1920-1958) Cambridge University Watson2 Crick Francis Harry Compton Crick (1916-2004) University College, London X-ray diffraction pattern (B form of DNA) 1953 Francis H. C. Crick, James D. Watson a Maurice Wilkins obdrželi roku 1962 Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství „za objevy týkající se molekulární struktury nukleových kyselin a jejího významu pro přenos informace v živé hmotě". Organizace genetické informace •Genetická informace se nalézá zejména v jádře buňky ve formě hmoty, která se nazývá chromatin (= hmota, z níž jsou tvořeny chromozomy) •Chromatin = DNA + proteiny (histony) •(+ mitochondrie, chloroplasty) •Typický eukaryotický genom je poměrně velký (řádově miliardy až stamiliardy „písmen“) a je značně komplexní: • ØGeny ØJednotky genetické informace (kódují jeden protein nebo RNA) •Strukturní geny (kódují proteiny) •Geny pro tRNA •Geny pro rRNA Organizace genetické informace •Strukturní geny se obvykle skládají z: ØExonů – kódují protein ØIntronů – nekódující úseky přepisované do mRNA, ale později odstraněné procesem, kterému se říká sestřih (RNA splicing, processing) Ø •Nekódující oblasti: Většina DNA eukaryotických organismů (u lidí cca 97 %) nekóduje ani proteiny ani funkční RNA (tRNA, rRNA). Tyto nekódující oblasti zahrnují regulační sekvence, introny, repetitivní DNA a další. – This stylistic schematic diagram shows a gene in relation to the double helix structure of DNA and to a chromosome (right). Introns are regions often found in eukaryote genes which are removed in the splicing process: only the exons encode the protein. This diagram labels a region of only 40 or so bases as a gene. In reality many genes are much larger, as are introns and exons. Pre-mRNA_to_mRNA Sestřih Organizace genetické informace na úrovni chromozomů •Chromozomy jsou organizovány do homologních párů –U diploidních organismů tedy somatické buňky mají chromozomové páry (dva homologní chromozomy) –Každý z nich je zděděn od jiného rodiče img017 karyotype Homologní chromozomy f_b11homolgs Homologní chromozomy obsahují DNA která kóduje stejné geny. Oba chromozomy nesou stejné geny na stejných místech, ale mohou nést odlišné alely („verze“) těchto genů. Lidský genom • sestává z cca 3 miliard párů bazí (bp) v DNA • • • • zahrnuje cca 28,000 až 34,000 genů • • • • je organizován do 23 párů chromozomů • Když se něco pokazí… •Mutace Mutace a mutageneze Mutace = změna v DNA – původní zdroj variability v populacích (druhý zdroj – rekombinace - „jen“ přeuspořádává už existující varianty) Mutace mohou být: • škodlivé • neutrální • prospěšné • Neutrální (tiché) mutace: • ne všechna DNA kóduje proteiny (nekódující oblasti) • v důsledku redundance genetického kódu ne všechny mutace budou mít vnější projev Novinový papír G E N E T I C K Ý K Ó D image003 Povaha a původ mutací •Spontánní vs. indukované –Mutace v DNA jsou spontánní (náhodné – chyba DNA polymerázy při replikaci), nebo vyvolány faktory vnějšího prostředí - fyzikální (ionizující záření, UV záření), chemické (řada chemikálií) či biologické (viry, transpozony) mutageny •Zárodečné (gametické) vs. somatické –Zárodečné mutace vznikají v gametách → jsou děděny –Somatické mutace nejsou děděny, ale přesto mohou mít škodlivé následky (např. rakovinu) •Na různých úrovních: –Genové (např. změny jednotlivých nukleotidů) –Chromozomální (např. translokace) –Genomické (např. aneuploidie) – –Na různých úrovních: – – •Strukturní změny chromozomů – ØGenové (většinou změny jednotlivých nukleotidů) ØChromozomální (změny větších úseků chromozomů) – •Numerické změny chromozomů (v důsledku poruch segregace chromozomů při mitóze či meióze) • ØGenomové (např. aneuplodie) – Genové mutace •Bodové mutace = mutace omezené na jeden či několik nukleotidů jediného genu •a) substituce •b) inzerce a delece DNA řetězec A T T C G T A Substituce A A T C G T A První kodon v původním řetězci DNA kóduje AK isoleucin. Po substituci kóduje AK asparagin → změna ve výsledném proteinu. Mutace a geny - příklad Genové mutace •Bodové mutace = mutace omezené na jeden či několik nukleotidů jediného genu a)substituce b)inzerce a delece DNA řetězec A T T C G T Inzerce A C T T C G T První kodon v původním řetězci DNA kóduje AK isoleucin. Po inzerci kóduje AK threonin a navíc dochází k posunu čtecího rámce všech následujících kodonů → změna ve výsledném proteinu. Ile Arg Thr Ser –Na různých úrovních: – – •Strukturní změny chromozomů – ØGenové (většinou změny jednotlivých nukleotidů) ØChromozomální (změny větších úseků chromozomů) – •Numerické změny chromozomů (v důsledku poruch segregace chromozomů při mitóze či meióze) • ØGenomové (např. aneuplodie) – Chromozomální mutace •Delece ØČást chromozomu se odlomí a je ztracena. Ø •Inverze ØČást chromozomu se odlomí a zase připojí k témuž chromozomu, ale v opačné orientaci. Ø •Translokace ØČást chromozomu se odlomí a zase připojí k jinému chromozomu. • Chromozomální mutace •Inzerce ØDo chromozomu je vložena další část (z jiného chromozomu – translokace – či ze sebe sama – duplikace) Ø •Izochromozomy ØPřestavba homologních chromozomů, kterou vzniknou chromozomy složené ze stejných ramének -> nebalancovaná abnormalita Ø •Kruhové chromozomy ØFúze konců chromozomu • Delece Část chromozomu se odlomí a je ztracena. deletion Delece Typy delecí: • terminální delece (ztráta koncové části chromozomu) •interkalární delece (ztráta vnitřní části chromozomu) • mikrodelece (ztráta relativně malé části chromozomu – do 5 Mb; i to může mít vážné následky (ztráta až desítek genů!)) Delece Příklady: • Syndrom Cri du chat (Lejeunův syndrom) – delece krátkého raménka 5. chromozomu (či kritického úseku 5p15.2), většinou de novo; anatomicky nesprávně utvářený hrtan a epiglotis, dýchací obtíže; typický projev – mňoukavý pláč dítěte; později mentální retardace, presenilní projevy; incidence cca 1/15000-50000 • • Velokardiofaciální (DiGeorgeův) syndrom – delece cca 30-50 genů chromozomu 22; většinou de novo; kongenitální srdeční obtíže, ztráta sluchu, narušená imunita aj.; incidence cca 1/4000 • • Williamsův syndrom – delece cca 27 genů chromozomu 7; vážné srdeční obtíže + narušení činnosti endokrinních žláz; incidence 1/7500-20000 Inverze Část chromozomu se odlomí a zase připojí k témuž chromozomu, ale v opačné orientaci. inversion Inverze Typy inverzí: • paracentrické inverze (nezahrnují centromeru) • pericentrické inverze (zahrnují centromeru) - obvykle bez významnějších následků (nedojde ke ztrátě většího množství genetické informace, jen přeuspořádání) - někdy snížení plodnosti (geneticky nebalancované gamety) - - záleží i na přesném místě zlomu (uvnitř genu – problém) - - teoreticky se do sousedství mohou dostat geny, které by neměly Translokace Část chromozomu se odlomí a zase připojí k jinému nehomolognímu chromozomu. translocation Translokace Typy translokací: •nereciproké translokace (prostý přenos části chromozomu na jiný) •reciproké translokace (výměna materiálu mezi nehomologními chromozomy) – překvapivě časté (1:500 – 1:625), ale často neškodné •Robertsonovské fúze (translokace) – zlomy v akrocentrických chromozomech (13, 14, 15, 21, 22) – dlouhé části se spojí za vzniku velkého chromozomu, krátké do velmi malého, který je často ztracen (bez výraznějšího efektu) -> 45 chromozomů - riziko produkce geneticky nebalancovaných gamet (dědičný Downův syndrom) Translokace Příklady: Celá řada poruch krvetvorby (leukémií): • chronická myeloidní leukémie (CML) – Filadelfský chromozom (reciproká translokace 9-22 za vzniku fúzního genu bcr-abl, jehož produkt vede k nekontrolovatelnému dělení nezralých buněk) • • Burkittův lymfom – t (8; 14); folikulární lymfom – t (14; 18), některé formy akutních leukémií, aj. • • prognóza někdy záleží na konkrétní translokaci!! Duplikace Zdvojení části chromozomu (např. v důsledku nerovnoměrného crossing-overu). duplication Duplikace • • obvykle poměrně neškodné • • naopak jedním z hnacích motorů evoluce (genové kopie mohou mutovat a získat novou užitečnou funkci) • duplikace onkogenů – asociace s mnoha typy nádorových onemocnění (cca 10-50% podíl podle typu nádoru) –Na různých úrovních: – – •Strukturní změny chromozomů – ØGenové (většinou změny jednotlivých nukleotidů) ØChromozomální (změny větších úseků chromozomů) – •Numerické změny chromozomů (v důsledku poruch segregace chromozomů při mitóze či meióze) • ØGenomové (např. aneuplodie) – Genomové mutace 1)Změny počtu jednotlivých chromozomů (aneuploidie) •v důsledku chyb při meiotické nebo mitotické segregaci (nondisjunkce – pár chromozomů se v anafázi nerozejde) • 2)Změny počtu celých chromozomových sad (polyploidie=euploidie). •Např.: normální diploidní lidská buňka má 46 chromozomů (= 2 sady po 23 chromozomech) • → tetraploidie: 92 chromozomů • (= 4 sady po 23 chromozomech) •Typická pro rostliny (pšenice 6n, jahodník 3n), ale i některé živočichy Aneuploidie • • •Monozomie = přítomna jedna kopie příslušného chromozomu - - • •Trizomie = přítomny tři kopie příslušného chromozomu Downův syndrom (trizomie 21) Ø Jedinec nese jeden chromozom 21 navíc (má 3 kopie místo 2) Ø Obvykle důsledkem nondisjunkce při gametogenezi, ale i dědičná forma karyotype_Down photo3 Down Aneuploidie - příklady •Downův syndrom – trizomie 21; cca 1:1000; doba dožití 50-60 let •Edwardsův syndrom – trizomie 18; cca 1:5000; závažné vývojové vady, srdeční poruchy; jen 5-10 procent dětí se dožívá 1 roku •Patauův syndrom – trizomie 13; cca 1:10000 – 1:21700; mnohonásobné vývojové poruchy, komplexní defekty •Další trizomie autozomů prakticky neslučitelné s úspěšným prenatálním vývojem • •Mozaicismus (genetická mozaika) – nejsou postiženy všechny buňky nositele; zpravidla méně závažné důsledky, odstupňované podle podílu postižených buněk klienefelter KLINEFELTERŮV SYNDROM (47, XXY) 1/2000 KlinefeltersIMG turner TURNERŮV SYNDROM (45, X) 1/5000 turner mendel mendel Mendelovská genetika • opat augustiniánského kláštera na (dnes) Mendlově náměstí v Brně • hluboké vzdělání v matematice, statistice, pravděpodobnosti, fyzice; hluboký zájem o rostliny a dědičnost. • různé biologické modely, hlavní závěry vyvodil z pokusů s křížením hrachu (Pisum sativum). • • • vyvodil základní principy genetiky (publikovány 1865-1866), nyní nazývané Mendelovy zákony. • Johann Gregor Mendel (1822-1884) - “Otec genetiky” Dva způsoby, jak uvažovat o genech: 1.Z pohledu molekulární genetiky Gen je sekvence nukleotidů DNA (část chromozomu), která kóduje pořadí aminokyselin v proteinu. • 2.Z pohledu klasické genetiky Gen je jednotka dědičnosti – dědičný faktor, který podmiňuje určitý vnější znak organismu: •Mendelovská dědičnost •Nemendelovská genetika •Genetika kvantitativních znaků Mendelovská genetika Gen: - základní jednotka genetické informace – úsek DNA, který obsahuje veškerou informaci potřebnou pro kontrolovanou syntézu RNA nebo proteinového produktu. Lokus: - fyzická poloha genu na chromozomu. Alela: - alternativní forma (varianta) určitého genu. Pro daný gen může existovat mnoho alel, ale jedinec vždy nese dvě (jednu na každém homologním chromozomu; jednu od otce, jednu od matky). Znak: - fyzická vlastnost vyvolaná expresí (působením) genu (či více genů) – např. barva očí). Projev znaku je závislý na přítomnosti konkrétních alel nesených daným jedincem. • Důležitá terminologie Totožné alely v lokusu Homologní chromozomy Odlišné alely v lokusu Loci A b C d e A B c d E Důležitá terminologie Dominantní alela Alela, jejíž efekt je viditelný i pokud je současně přítomna recesivní alela; obvykle značíme velkým písmenem (B) Recesivní alela Alela, jejíž efekt je viditelný pouze, je-li spárována s další recesivní alelou; obvykle značíme malým písmenem (b) Homozygot Jedinec se dvěma stejnými alelami v daném genu (např. BB nebo bb) Heterozygot Jedinec se dvěma různými alelami v daném genu (např. Bb) Genotyp Soubor (sestava) alel daného jedince v jednom (např. BB, Bb, nebo bb) nebo více genech (např. BBKk) Fenotyp Fyzický projev genotypu (např. barva srsti); nebo soubor znaků jedince 2 alely : 3 možné kombinace (genotypy) Efekt dominantní alely (B) je viditelný i pokud je přítomna recesivní alela (b). Efekt recesivní alely je viditelný jen pokud je spárovaná s další recesivní alelou (b). 3 různé genotypy dominantní homozygot heterozygot recesivní homozygot B hnědá b šedá •Albinismus (p) is recesivní vůči tvorbě pigmentu (P). •? Genotypy: albín - ………. pigmentace - ……… beetanya_rg_L Shrnutí Mendelových objevů 1.Základní jednotky dědičnosti (geny) mají hmotnou podobu a jsou předávány z generace na generaci. 2. 2.Pro každý gen existují různé jeho formy (alely). Odlišnost alel způsobuje odlišnosti v děděných charakteristikách. 3. 3.Jednotky dědičnosti mají duální charakter – pro každý znak jedinec dědí dvě alely, jednu od každého rodiče. Ty dvě alely mohou být identické (homozygot) nebo rozdílné (heterozygot). 4. 4.Mezi alelami může být vztah dominance a recesivity. Pokud tomu tak je, alela podmiňující dominantní formu znaku je vždy vyjádřena (projeví se) ve fenotypu. 5. Shrnutí Mendelových objevů 5.Jsou-li rodiče (odlišní) homozygoti, 1. filiální generace je uniformní (heterozygoti). 6. 6.Reciproká křížení jsou identická. Vzhled generace F1 nezáleží na genetické konstituci otce a matky ( = nezáleží, který je dominantní a který je recesivní homozygot). 7. 7.Dvojice alel každého genu segreguje během produkce gamet (meiózy). To znamená, že každá gameta obsahuje jen jednu alelu každého genu. To umožňuje kombinovat mateřské a otcovské alely v potomstvu, čímž je zajištěna variabilita. 8. 8.Různé znaky se dědí nezávisle na sobě. Výskyt určitého znaku neovlivní výskyt jiného znaku. To je způsobeno nezávislou segregací alel různých genů během meiózy. 6. MENDELOVY ZÁKONY PLATÍ ZA SPLNĚNÍ TŘÍ PODMÍNEK: •Monogenní dědičnost (= jeden znak je podmíněn jedním genem) (genové interakce) • •Autozomální dědičnost (= geny jsou na autozomech) (zákon o identitě reciprokých křížení; dědičnost vázaná na pohlaví) • •Každý gen leží na jiném chromozomu (zákon o volné kombinovatelnosti; vazba genů) • •Mendelovy zákony jsou model, ale pro celou řadu lidských znaků (neškodných i nemocí) platí. • Dominantní forma Recesivní forma Pihy přítomny Pihy chybí Monogenní znaky u lidí - pihy Schopnost srolovat jazyk do korýtka je podmíněna dominantní alelou, neschopnost je podmíněna recesivní alelou. Monogenní znaky u lidí – jazyk do korýtka 00068B90-C4E1-1412-9A770C01AC1BF814 Většina lidí má volné ušní lalůčky, ale u některých jedinců nalézáme ušní boltce přímo přirůstající ke kůži na hlavě Dominantní alela podmiňuje volné ušní lalůčky. Přirostlé lalůčky jsou charakteristické pro recesivní homozygoty. Monogenní znaky u člověka – přisedání ušních lalůčků Free earlobe Attached earlobe img_Bio_00125 img_Bio_00125 22965769 Monogenní znaky u lidí – propletení prstů Když se pokusíte proplést prsty obou rukou, někteří z vás budou pravidelně klást levý palec na pravý a jiní pravý palec na levý. Máte-li nahoře levý palec, jde o dominantní formu znaku. Máte-li nahoře pravý palec, jde o recesivní formu znaku. Dominantní Recesivní • Kongenitální porucha je taková porucha, která je přítomná při narození (proti tomu stojí pojem „získaná porucha") • Kongenitální porucha může být rozpoznána před narozením (prenatálně), při narození nebo až po letech. • • Kongenitální stav může být důsledkem buď genetické informace v oplozeném vajíčku nebo může být získán v průběhu prenatálního vývoje • Tj. kongenitální poruchy mohou být důsledkem genetických abnormalit nebo vlivů na intrauterinní prostředí (kouření, alkohol atd.), nebo neznámých faktorů → ne všechny kongenitální poruchy jsou genetického původu!!! Lidská genetika – kongenitální a genetické poruchy Lidská genetika – kongenitální a genetické poruchy •Genetická onemocnění (poruchy) jsou vždy kongenitální (přítomny už od narození), ač jsou někdy rozpoznány či projeveny až později. • • • • • •Genetická onemocnění dělíme na: Øporuchy způsobené jedním genem Øporuchy způsobené více geny Øporuchy způsobené chromozomálními defekty •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • •Pozor – velká část klinických případů probíraných syndromových vad vzniká mutací de novo! (tzv. sporadický výskyt) • Genetická onemocnění – módy dědičnosti autoRecessive Autozomálně recesivní •Většina genetických chorob s jednolokusovým původem je recesivních •Postižení recesivní homozygoti • •Heterozygoti (přenašeči) nejsou postiženi • •Dva nepostižení rodiče (přenašeči) mohou mít postižené děti. • • • •např. cystická fibróza, fenylketonurie, srpkovitá anémie, Usherův syndrom srpkovite krvinky img025 Srpkovitá anémie způsobená bodovou mutací v genu pro hemoglobin srpkovite krvinky Nosiči (heterozygoti): • téměř vždy asymptomatičtí • odolnost proti malárii! (původce se nerozmnožuje) Homozygoti: • zkrácená doba dožití • různé akutní i chronické komplikace (vazookluzivní krize – srpkovité krvinky ucpávají kapiláry a omezují přítok krve do orgánu, což vede k ischemickému poškození) •Cystická fibróza (CF) – časté dědičné onemocnění postihující celé tělo, prograsivní charakter. Typickým symptomem jsou dýchací obtíže – plíce se plní hustým hlenem, související časté plicní infekce • •CF je jednou z nejčastějších fatálních dědičných nemocí – každý 25. Evropan je přenašeč. (v ČR incidence cca 1:2500 – 1:3000) • •Až donedávna neexistovala léčba, a většina pacientů umírá ve věku 20-30 let na plicní selhání. Často je nutná transplantace plic. • •USA, říjen 2019 – kombinace tří léčiv potenciálně pomáhá snad až 90 procentům pacientů, zatím schváleno pro pacienty starší 12 let • •CF je způsobena mutací v genu CFTR, který hraje roli při tvorbě potu, trávicích šťáv a hlenu. Cystická fibróza •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • Genetická onemocnění – módy dědičnosti autoDominant •Autozomálně dominantní • •Postižení i heterozygoti, postižení muži i ženy se objevují v každé generaci rodokmenu • •Postižené matky a otcové tedy předávají geny synům i dcerám. • •Dva nepostižení rodiče nemohou mít postižené dítě. •Huntingtonova choroba, polydaktylie, neurofibromatóza Autozomálně dominantní nemoci obvykle buď nemají závažné projevy (kompatibilní s normálním životem – polydaktylie) nebo se projevují až v pozdějším věku (tj. reprodukce umožněna). (Jinak by příslušné alely pochopitelně z populace zmizely) Polydaktylie Image:Polydactyly 01 Rhand AP.jpg Image:Polydactyly 01 Lfoot AP.jpg polydaktylie •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • Genetická onemocnění – módy dědičnosti •Gonozomálně (X) dominantní •Postižení muži předávají nemoc všem dcerám ale žádným synům. •Postižené heterozygotní ženy předávají nemoc polovině synů a dcer •syndrom fragilního X chromozomu •vzácné stavy • XlinkDominantFather XlinkDominantMother •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • Genetická onemocnění – módy dědičnosti XlinkRecessiveFather •Gonozomálně (X) recesivní – „dědičnost křížem“ •Výskyt nemoci častější u mužů •Všechny dcery postiženého muže budou (přinejmenším) přenašečky •Synové postižených mužů postiženi nejsou; muži chorobu dědí od matky (křížem) • XlinkRecessiveMother •Gonozomálně (X) recesivní – „dědičnost křížem“ •Poměrně velké množství významných onemocnění: •Hemofilie A a B •Duchenneova muskulární dystrofie •Daltonismus (porucha vidění červené a zelené barvy) • • img030 img030 Vzájemné příbuzenské sňatky rozšířily hemofilii napříč většinou královských rodin v Evropě v 19. a 20. století. Tady vidíme jeden z důvodů, proč je z genetického hlediska manželství mezi příbuznými vysoce nedoporučováno – výrazně zvyšuje pravděpodobnost, že dítě bude trpět autozomálně recesivním onemocněním! •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • Genetická onemocnění – módy dědičnosti Mitochondrial •Mitochondriální dědičnost •Geny v mitochondriální DNA – maternální dědičnost •Mitochondriální poruchy se objevují v každé generaci a postihují muže i ženy, ale: •Otcové poruchu nepředávají, pouze matky! •Např. Leberova dědičná optická neuropatie •DAD (maternálně dědičná cukrovka a hluchota) • •1) Autozomálně recesivní – AR • •2) Autozomálně dominantní – AD • •3) Gonozomálně (X) dominantní – XD • •4) Gonozomálně (X) recesivní – XR • •5) Mitochondriální • •6) Multifaktoriální • Genetická onemocnění – módy dědičnosti Komplexní (multifaktoriální) choroby •Mohou vykazovat familiální výskyt, ale: •není tu jediný genetický faktor (účastní se několik až mnoho genů) •Navíc role vlivů vnějšího prostředí (od nedostatečné stravy po vystavení škodlivým látkám) • •→ nízká heritabilita (dědivost) ve srovnání s jednogenovými chorobami • •Např. jen 2-5 procent blízkých příbuzných diabetiků také trpí cukrovkou • •astma, diabetes, epilepsie, hypertenze, maniodepresivní poruchy, schizofrenie Genetická vyšetření •vyšetření/analýza změn v DNA na úrovni sekvence nebo struktury chromozomů • •Kdo a kdy doporučuje: lékařský genetik, genetický poradce, praktický lékař nebo lékař-specialista – dle situace a poruchy • •Indikace Øvěk těhotné ženy (i otce) Ørodinná anamnéza (genetická zátěž – dědičné onemocnění, vrozená vývojová vada; větší počet spontánních potratů; častější rodinný výskyt nádorových onemocnění) Øvystavení mutagenům (pracovní zátěž, chemoterapie, radioterapie) Ø(potenciálně) patologický ultrazvukový nález u plodu Øklinický stav jedince (ověření/stanovení diagnózy) • Genetická vyšetření •výchozí materiál Ølymfocyty periferní krve Øvlasy, stěr bukální sliznice – riziko sekundárně poškozených chromozomů Øbuňky kostní dřeně (leukémie!!) Øžilní krev matky (volná DNA plodu), amniocentéza Ønovorozenecký screening (krev z patičky, fenylketonurie, cystická fibróza) • •nejsou všemocná – u řady syndromů nelze zachytit 100 % případů (příčinu neznáme vůbec nebo aspoň u byť malé minority) •i pokud je příčina jasná, testy nejsou úplně bezchybné (falešně pozitivní a negativní výsledky) Genetická vyšetření •Kdo vyšetření provádí? Ø specializovaná oddělení nemocnic (např. oddělení lékařské genetiky v dětské nemocnici FN Brno) Ø (akreditované) laboratoře s povolením činnosti SÚKL Ø různé spektrum pokrývaných testů (nemocí) • •cena – řada testů hrazena ze zdravotního pojištění (žádost/doporučení lékaře!), některá samoplátci •(spotřebitelské genetické testy) •doba trvání – řádově týdny (některé metody 1-2 dny, jiné měsíce) Genetická vyšetření - metody •metodiku je třeba vhodně zvolit s ohledem na genetickou bázi onemocnění, dostupný materiál, časový tlak atd. 1) Klasická metoda – analýza rodokmenů - posouzení, zda je riziko dědičné choroby (indikace pro vyšetření) - vůbec neřeší poruchy vzniklé de novo ♀ ♂ Genetická vyšetření - metody 2) Cytogenetické metody – vyšetření chromozomů a) Karyotypizace – stanovení sestavy chromozomů jedince (karyotypu) – analýza počtu chromozomů (monozomie, trizomie), rozsáhlejších přestaveb (delecí, translokací) •tj. dává nezacílený přehled o stavu chromozomů •kultivace lymfocytů, stimulace dělení, zastavení v metafázi (kolchicin), fixace, barvení (např. G-pruhování), mikroskopická analýza •G-pruhování: natrávení trypsinem, barvení Giemsovým barvivem -> „čárový kód“ charakteristický pro chromozom •časově relativně náročná metoda (cca 2 týdny) •omezení přesností barvení a rozlišením mikroskopu karyotyp muže karyotyp ženy Genetická vyšetření - metody b) Fluorescenční in situ hybridizace (FISH) •Hybridizace chromozomů (DNA) s komplementární fluorescenčně značenou sondou (krátkým úsekem DNA) – váže se do konkrétního sekvenčně odpovídajícího místa na chromozomu; mikroskopická fotografie fluorescence, analýza obrazu • •tj. metoda cílená na konkrétní problém (použitou sondou určujeme, co chceme zjistit) • •široké spektrum použití – od analýzy počtů chromozomů či přestaveb (celochromozomové sondy) až po analýzu (ne)přítomnosti konkrétních genů (mikrodelece, inaktivace…) Demonstration of Down syndrome (trisomy 21) in a prenatal rapid diagnostic test using FISH analysis with probes specific for chromosomes 13 (green) and 21 (red). The three red signals confirm trisomy 21 © Deutscher Ärzte-Verlag Representative M-FISH karyotype of K562 cell. The karyotype shown here is described as 69,XX,X, -3,+der(5)t(5;6),+7,-9,del(9),ace(9),der(10)t(3;10),der(11)t(11;13),der(12)t(12;21),14,-17,ace(17), -18,del(18),ace(18), der(21)t(1;21). The cell line is near-triploid with cell-to-cell variation in both number of chromosomes and structural abnormalities observed giving ~64-68,XX,-X,-3,+der(5)t(5;6)+7,-9,del(9),ace(9),der(10)t(3;10),der(11)t(11;13), der(12)t(12;21),-14,16,der(17)t(9;17),-18,der(18)t(1;18),ace(18),der(21)t(1;21),-22 [cp10]. © Research Trends Genetická vyšetření - metody c) Komparativní genomová hybridizace (CGH) •vyšetření chromozomových aberací porovnáním intenzit fluorescence dvou rozdílně značených fluorescenčních sond – odvozených z DNA pacienta a kontrolní DNA zdravého jedince •detekce kvantitativních změn genomu (duplikace, delece, aneuploidie), analýza aberací napříč karyotypem •výhody: screeningová metoda (nezaměřená na konkrétní problém), rychlost (netřeba kultivace buněk) •v pokročilejších variantách (aCGH) vysoká citlivost/rozlišovací schopnost amplifikace/delece úseků i kratších než 100 kb (CGH: 1-5 Mb, karyotypizace: 5-10 Mb) – tj. efektivní screening poruch na tisících míst současně Genetická vyšetření - metody 3) Molekulárně-genetické metody – vyšetření (obvykle) na úrovni genů a) Sangerovo sekvenování DNA •čtení primární struktury (pořadí nukleotidů) DNA – „přečtení písmenek genu“ •detekce bodových mutací •výhoda: relativně rychlé (dny) •nevýhoda: čteme jen jednu sekvenci (několik set písmen) v jeden čas, dnes už tedy méně efektivní •vhodné pro vyšetření jednogenových poruch Genetická vyšetření - metody b) sekvenování nové generace (NGS, HTS) •princip: paralelizace procesů sekvenování, produkce ne jedné, ale tisíců až milionů sekvencí současně •výstupem obrovské množství dat, nutné počítačové zpracování •výhoda: široký záběr a pružnost (mnoho genů/vzorků/kopií genu - spolehlivost) •nevýhoda: cena a doba trvání (až měsíce) c) kvantitativní PCR; MLPA •V reálném čase umožňují zjistit množství kopií konkrétního genu/úseku DNA (duplikace, aneuploidie), ale v úzkém měřítku – zaměřená na krátký úsek, konkrétní problém •výhoda – rychlost!! (dny) Genetika vybraných syndromových vad 1) Velokardiofaciální (DiGeorgův) syndrom – AD, 1/2000-5000 •delece části chromozomu 22 (22q11.2); u 80-90 % pacientů cca 3 Mb, u 8 % cca 1,5 Mb •postiženo cca 30-50 genů •naprostá většina případů de novo, jen asi 5-15 % zděděno •kvůli své struktuře tato část chromozomu 22 značně náchylná k přestavbám při gametogenezi •konkrétní funkce ztracených genů málo známy; uvažuje se o roli genu TBX1 (někteří jedinci vykazují bodové mutace) •genetické testování: karyotypizace, FISH (odhalí i mikrodeleční varianty), qPCR – rychlejší •chybovost – asi 5 % jedinců vykazuje normální karyotyp i FISH (atypické delece) Genetika vybraných syndromových vad 2) Prader-Williho syndrom – 1/10000-30000 •74 % případů náhodná delece části chromozomu 15 od otce •25 % případů dvě kopie maternálního chromozomu 15, žádný od otce (uniparentální dizomie) •příklad tzv. genového imprintingu (efekt genetické informace závisí na jejím původu) •maternální kopie genů jsou metylovány (inaktivovány, neprobíhá exprese); paternální chybí -> porucha •příslušné geny hrají roli ve zpracování RNA při sestřihu •zrcadlová situace – Angelmanův syndrom (jiný gen, inaktivní u otce) •genetické testování: testování metylace DNA v této oblasti – odhalí, zda tam paternální kopie je; detekce cca 97 % případů Genetika vybraných syndromových vad 3) Downův syndrom – 1/1000 •trizomie 21. chromozomu (karyotyp 47, XX, +21 nebo 47, XY, +21) •většinou způsobena aneuploidií (88 % případů – dva chromozomy od matky; 8 % - od otce), vzácně Robertsonovské fúze („dědičný“ Downův syndrom, 2-4 %) •mozaicismus – někdy jedinec nemá postiženy všechny buňky (nondisjunkce až po oplození při dělení zygoty) •genetický mechanismus: příliš vysoká exprese 310 genů chromozomu 21; přesné mechanismy nejasné •mentální postižení zřejmě souvisí s ukládáním amyloidního beta peptidu v mozku (podobné Alzheimerově chorobě) •genetické testování: karyotypizace, FISH Genetika vybraných syndromových vad 4) Turnerův syndrom – 1/2000-5000 •monozomie chromozomu X (karyotyp 45, X0) •často mozaikový výskyt (67-90 %) – méně závažné projevy •někdy ztráta jen krátkého raménka (46, X, del(Xp) či izochromozom (46, X, i(Xq)) •ztracen většinou otcovský chromozom •genetické testování: karyotypizace, FISH 5) CHARGE asociace – multifaktoriální?, 1/8500 •asi 2/3 případů asociovány s mutací v genu CHD7 (chromozom 8, enzym zodpovědný za remodelaci chromatinu, regulaci genové exprese) •genetické testování problematické (nezachytí vše) • Genetika vybraných syndromových vad 6) Usherův syndrom – AR, 1/23000 (GER 1/12500, NOR 1/28000) •genetická příčina: bodové mutace v jednom či více z min. 10 genů •typ I: pět genů souvisejících s vývojem struktur vnitřního ucha (CDH23, MYO7A, PCDH15, USH1C, USH1G); šestý gen – známa lokalizace, ne funkce •typ II: tři geny související s vývojem pojivových tkání vnitřního ucha a sítnice (USH2A, GPR98, DFNB31) •typ III: jediný známý související gen CLRN1 – opět souvislost s vnitřním uchem a sítnicí •genetické testování: komplikované, dvoustupňové: první stupeň odhalí asi polovinu případů, řádově týdny až měsíce; druhý stupeň až rok •sekvenování genů nebo cílený screening na nejčastější mutace (NGS) Genetika vybraných syndromových vad 7) Treacher Collins syndrom – 1/50000 •cca 60 % případů v důsledku mutace de novo; jinak obvykle AD (forma způsobená genem POLR1C AR) •genetická příčina: bodové mutace (většinou malé delece/inzerce) v genech TCOF1 (81-93 %), POLR1C a POLR1D (2 %), zbytek neznámý •produkty těchto genů hrají důležitou roli ve vývoji obličejových kostí a dalších tkání •genetické testování: Sangerovo sekvenování genů (v 1. stupni většinou jen TCOF1) – řádově týdny • 8) Goldenharův syndrom – 1/3500-45000 (velký rozptyl) •Přesná genetická příčina zatím neznámá, ale nějaká genetická složka tam je (někdy pozorovatelné vzory dědičnosti typické pro AD dědičnost) Genetika vybraných syndromových vad 9) Alportův syndrom – 1/50000 •poměrně komplexní dědičnost, role tří genů účastnících se biosyntézy kolagenu (strukturní komponenta membrán v ledvinách, vnitřním uchu a očích) •COL4A5 – 85 % případů, vazba na chromozom X; muži nesoucí mutaci vždy vážně postiženi (selhání ledvin, senzorické poruchy) •ženy nesoucí jednu mutantní kopii nejsou ani zcela zdrávy, ale obvykle nedochází k selhání ledvin – neúplná dominance •COL4A3 a COL4A4 – obvykle AR (geny na chromozomu 2), ale známy i mutace s dominantním efektem •genetické testování: spíše pro potvrzení nejednoznačné diagnózy; cílené sekvenování samostatně nebo v panelu 17 genů (souvisejí i s dalšími progresivními chorobami ledvin) pomocí NGS; řádově týdny - měsíce Genetika vybraných syndromových vad 10) Pendredův syndrom – AR, 1/7500 •genetická příčina: mutace genu SLC26A4 na chromozomu 7 •kóduje protein pendrin zodpovědný za přenos iontů Cl- a HCO3- přes buněčnou membránu; přesná role ve vnitřním uchu není objasněna •tentýž gen souvisí i s rozšířením vestibulárního akvaduktu (EVA); některé mutace zodpovědné za Pendredův syndrom, jiné za EVA •genetické testování: klasické (Sangerovo) sekvenování, MLPA; řádově týdny Genetika vybraných syndromových vad 11) Waardenburg syndrom – 1/20000-50000 •typy I a III AD dědičnost, typy II a IV AR dědičnost •geneticky velice heterogenní a nepříliš objasněný •cca 70 % případů WSII nebylo dosud spojeno s žádným genem •mutace v genech, které hrají roli v produkci melaninu (mj. se účastní vývoje vnitřního ucha) •typ I a III – gen PAX3 •typ II – geny MITF, WS2B, WS2C, SNAI2; nejčastější •typ IV – geny EDNRB, EDN3, SOX10; velmi vzácný •genetické testování: sekvenování (NGS) šesti genů; řádově týdny-měsíce; analýza delecí/duplikací pomocí MLPA; řádově týdny Genetika vybraných syndromových vad 12) Neurofibromatóza •Geneticky heterogenní, ale dobře popsaná; AD dědičnost •typ I: 1/2600-3500 (jedna z nejčastějších genetických chorob); mutace genu NF1 na chromozomu 17 (většinou mikrodelece) •cca 50 % případů mutace de novo •typ II: mutace genu NF2 na chromozomu 22 •Schwannomatóza – extrémně vzácná, kandidátní gen SMARCB1 na chromozomu 22 •produkty těchto genů jsou tzv. tumorové supresory – hrají roli v regulaci buněčného dělení (porucha – nekontrolované dělení) •genetické testování: sekvenování pomocí NGS; řádově týdny - měsíce Genetika vybraných senzorických vad 13) Prelinguální hluchota – kongenitální nesyndromová ztráta sluchu •1/1000, asi 60 % případů geneticky determinováno •asi 40 % pacientů s genetickou determinací – mutace v genu GJB2 (chromozom 13); AR dědičnost •gen kóduje protein connexin 26 – transmembránové kanály vnitřního ucha •v evropské populaci prevalentní mutace způsobující posun čtecího rámce (35delG), ale jsou i další (sestřihová mutace IVS1+1G) •Genetické testování – Sangerovo sekvenování, cca do 3 týdnů Případová studie – lékařská zpráva zprava1 1)indikace vyšetření – konkrétní diagnóza, která nemá „jasnou“ příčinu 2)použitá metoda – aCGH – screening chromozomových mutací – u nesyndromového postižení vhodná metoda 1 2 Případová studie – lékařská zpráva zprava1 3) výsledek – mikrodelece 525 kb – klasické karyotypování by nezachytilo! 4) vhodně vysvětlený možný původ poruchy (de novo / zděděná odchylka / germinální mosaicismus) 3 4 3 3 Případová studie – lékařská zpráva zprava2 5) Značně individuální projev – obtížná analýza (diagnostika) – důležitost genetického vyšetření 5 5 Případová studie – lékařská zpráva zprava3 6) informace o důsledku zjištěného stavu – AD dědičnost – 50 % předání 7) Nechybí relevantní doporučení – rodiče, bratr – s ohledem na přesnější prognózu 7 6