Genetika vnímavosti/ rezistence k onemocněním u lidí. Interakce hostitel vs. patogen FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ RIZIKO VZNIKU A PRŮBĚH ONEMOCNĚNÍ • Aktuální stav • Vakcinace • Medikamentózní léčba • Faktory vnějšího prostředí • Hygiena prostředí • Genetická variabilita INTERAKCE HOSTITELE A PATOGENA • Patogen x hostitel – boj o přežití • Hostitel – dlouhověký, pomalu se adaptující na měnící se tlak patogenů, komplexní imunitní odpověď • Patogen – krátkověký, rychle se množící a měnící, rychle hledající nové možnosti jak obejít imunitní mechanismy hostitele • Různé evoluční strategie • Totální destrukce hostitele – namnožení patogena, kolaps imun. Systému hostitele a smrt x nebo naoopak eliminace patogena a nastolení dlouhodobé imunity (Orthomixoviry – chřipkové viry, flaviviry – horečka dengue, zapadonilská horečka), filoviry – ebola • Bez totální destrukce hostitele – vyžadují zdroje hostitele k množení a přežití, ale infekce nesměřují k likvidaci hostitele. Většina patogenů • Dlouhodobá latentní infekce s občasnou exacerbací, herpesvirová onemocnění, toxoplazmoza • Rozdílná patogeneze onemocnění • Patogeneze a průbeh onemocnění a klinické příznaky jsou dány buťo především vlastnostmi patogenu nebo naopak reakcí hostitele na přítomnost patogena (typicky u infekcí CNS, poškození nepřiměřenou rekcí imun. Systému) PROSTŘEDÍ PATOGEN Variabilita HOSTITEL Variabilita NEMOC VARIABILITA V MANIFESTACI ONEMOCNĚNÍ V POPULACI INTERAKCE HOSTITELE A PATOGENA • Různé výsledky interakce hostitele a patogena jsou dány také variabilitou obou aktérů a to především v genech imunitní odpovědi (hostitel) a v genech ovlivňujících virulenci (patogen) • Onemocnění vykazuje variabilitu (vnímavost/ rezistence,klin. Příznaky, průběh, závažnost, smrt/ přežití) • Interakce hostitel x patogen • na úrovni jedinců Jedinečná interakce • na úrovni populace Umožnuje adaptaci hostitelské populace na tlak patogenů Patogenu umožňuje selekci variant schopných virulence • Na úrovni genomů = KOEVOLUCE Tlak, který na sebe navzájem patogen a hostitel vyvolávají, je základní evoluční silou INTERAKCE HOSTITELE A PATOGENA "Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep in the same place." Efekt červené královny Vysvětluje potřebu neůstálého vývoje druhu pro jeho přežití PATOGEN – mechanismy přežití • Změna antigenních struktur • Mutace • Antigenní variace (Trypanosoma) • Indukce imunosuprese • Omezení exprese MHC I • Zabránění apoptóze • Modulace imunitní odpovědi (Th1 vs.Th2) • Interference s cytokiny PATOGEN – mechanismy přežití • Mutace – evoluční nástroj patogenů • Selekční prostředí a reakce na něj na genetické úrovni = analogie infekčního a nádorového onemocnění VIRY • Mutace RNA vs. DNA • Zdroj variability RNA virů • Mutace (antigenní posun, drift) • Přeskupování genů (antigenní zvrat, shift) • Zdroj variability DNA virů • Mutace • Rekombinace VIRY – ANTIVIROVÁ CHEMOTERAPIE • Provázanost virové replikace s metabolickými drahami hostitelské buňky • Účinnost na virovou replikaci = toxicita pro buňku • Potřeba identifikace specifických virových genů/proteinů a mechanismů BAKTERIE • Antibiotická rezistence • Přirozená - bakterie nemá cílové struktury účinku antibiotika, nebo je jinak přirozeně odolná (např. gram-negativní bakterie jsou odolné vůči penicilinovým antibiotikům, protože na rozdíl od grampozitivních bakterií jsou chráněné lipopolysacharidovou vrstvou, která zabraňuje vstupu antibiotika do buňky) • Získaná - je následek evoluce bakteriálního genomu a selekčního tlaku prostředí BAKTERIE – ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE MOLEKULÁRNÍ MECHANISMY ATB REZISTENCE: • Zabránění přístupu k cílové molekule • Snížená propustnost • Zvýšený eflux • Změna cílové molekuly mutací • Ochrana cílové molekuly • Přímá inaktivace antibiotik BAKTERIE – ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE LOKALIZACE GENŮ PRO REZISTENCI SOUVISÍ SE ZPŮSOBEM ŠÍŘENÍ REZISTENCE 1) Chromozomální • Klonální, vertikální dědičnost • Zisk rezistence je vícestupňový proces • Selekční tlak antibiotik • Změna (mutace) genetické informace již v genomu existující http://images.slideplayer.com/26/8706357/slides/slide_2.jpg BAKTERIE – ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE 2) Extra-chromozomální • Vertikální i horizontální přenos • Rezistence vzniká jednostupňově • Plazmidy, transpozony, integrony • Horizontální přenos DNA: konjugace, transformace, transdukce • Získání nového genetického materiálu Benett, 2008 BAKTERIE – ANTIBIOTICKÁ REZISTENCE • Multirezistence • Geny ve vazbě – dědí se společně http://aac.asm.org/content/57/1/120/F1.large.jpg HOSTITEL - IMUNOGENETIKA • Zdroj variability – mutace a rekombinace, ale díky delšímu generačnímu intervalu je to zejména v dlouhodobé evoluční perspektivě • Vyrovnání se s možnostmi patogenů: • Diferenciace imunitního systému, rozvoj komplexních imunitních reakcí • Lymfocyty – schopnost rychle se množit a do jisté míry se geneticky měnit • Fyzikální bariéry, přítomnost/absence receptorů • Etologické charakteristiky VARIABILITA VE VNÍMAVOSTI / RESISTENCI • Mezidruhová - jedná se o rozdíly v odolnosti mezi různými druhy zvířat. Často je dána typem metabolismu nebo absencí příslušných receptorů u srovnávaného druhu. Tyto mechanizmy tvoří tzv. mezidruhovou bariéru. Například nestabilní tělesná teplota a odlišný způsob termoregulace jsou podstatou odolnosti plazů vůči některým infekcím savců (vzteklina aj.). Některé infekční patogeny, jako třeba chřipkové viry nebo virus psinky však dokáží mezidruhovou bariéru překonat a jsou schopny infikovat různé, i nepříbuzné druhy zvířat. • Populační (plemenná) - pozorujeme rozdíly ve vnímavosti či rezistenci mezi jednotlivými plemeny stejného druhu (zvířata) nebo různými populacemi lidí. Plemenná rezistence byla zaznamenána u reakce na některé infekční patogeny i na řadu nepříznivých faktorů prostředí. Příkladem mohou být plemena skotu, která jsou odolná vůči vysokým teplotám prostředí (Zebu, Brahmanský skot) nebo trypanosomám (N ´Dama). • Individuální - když bychom sledovali střetnutí hostitelské populace určitého plemene s určitým typem patogenu, všimneme si, že každý jedinec bude reagovat trochu jinak. Najdeme jedince velmi odolné, potom řadu jedinců průměrně odolných a dále jedince vnímavé i velmi vnímavé. Výsledek interakce hostitele s patogenem je tedy i v rámci populace jednoho plemene variabilní a vykazuje rozložení jako ostatní kvantitativní znaky. Rezistence k onemocněním je komplexní znak. Vzhledem k existenci vnitrodruhové variability (na úrovni jedince a dále také na úrovni plemen) můžeme předpokládat, že jednou z příčin pozorované variability jsou faktory genetické, tedy genetická variabilita mezi jedinci a plemeny téhož druhu. Různé genetické založení pro základní stavební a funkční jednotky imunitních i neimunitních mechanizmů obrany tak přispívá k pozorované variabilitě ve vnímavosti a odolnosti k nemocem u zvířat a má praktický význam pro selekci a šlechtění. Dalšími faktory jsou pak environmentální příčiny, interakce genotypu s prostředím a variabilita patogenů. Environmentální příčiny přispívají zejména k variabilitě individuální, zatímco variabilita v rezistenci na úrovni plemen a druhů je dána převážně geneticky VARIABILITA VE VNÍMAVOSTI / RESISTENCI V rámci vnitrodruhové variability v rezistenci k onemocněním rozeznáváme ještě rezistenci obecnou a specifickou. - obecná rezistence poskytuje svým nositelům celkově vyšší odolnost vůči patogenům i vlivům prostředí, je založená multifaktoriálně (tedy podílí se na ní řada genů malého a velkého účinku, to vše modifikováno interakcí s prostředím) a má proto relativně nízkou heritabilitu. Přesto už středověcí chovatelé položili základy šlechtění na obecnou rezistenci, když do chovů upřednostňovali jedince s tzv. silnou konstitucí, zatímco jedinci se slabou konstitucí, tedy obecně vnímaví, byli vyřazováni. - specifická rezistence označuje odolnost vůči jednomu konkrétnímu patogenu nebo skupině patogenů. Je to dáno mechanizmem, prostřednictvím kterého se tato rezistence uplatňuje, a většinou platí, že mechanizmy rezistence nejsou stejné jako mechanizmy vnímavosti. Heritabilita specifické rezistence je řádově vyšší než u obecné rezistence a v některých případech může být dědičnost až jednoduše monogenní (např. rezistence k malárii prostřednictvím mutace v genu pro beta podjednotku hemoglobinu u lidí, rezistence k průjmovým onemocněním vyvolaným F4 kmeny Escherichia colli u novorozených selat, vnímavost k infekci virem západonilské horečky u některých kmenů laboratorních myší) IDENTIFIKACE GENŮ SPOJENÝCH S VNÍMAVOSTÍ / RESISTENCÍ K ONEMOCNĚNÍM • Užití zvířecích modelů (často není možná extrapolace na člověka) • Knockout myši • Linkage studie • Asociační studie – case- control • GWAS – využití SNPs • Whole genome sequencing – celogenomové sekvenování • Candidade gene studies – analýza kandidátních genů Hill, 2012 IDENTIFIKACE GENŮ SPOJENÝCH S VNÍMAVOSTÍ / RESISTENCÍ K ONEMOCNĚNÍM PERSONALIZOVANÁ MEDICÍNA • Personalized medicine (PM) has the potential to tailor therapy with the best response and highest safety margin to ensure better patient care. By enabling each patient to receive earlier diagnoses, risk assessments, and optimal treatments, PM holds promise for improving health care while also lowering costs (Vogenberg et al., 2010). • Personalised medicine is an emerging approach to patient care in which an individual’s characteristics, including their genetic profile, guide clinical decisions, aiming for the right treatment for the right patient at the right time. It is an evolving field in medicine with many resources dedicated to searching for diagnostic, prognostic and predictive biomarkers (Jackson and Chester, 2015). PERSONALIZOVANÁ MEDICÍNA & GENOMIKA • 2001 Human genome project • Lidský genom velikost: 3x109 bp • NGS = next generation sequencing: Pokrok v sekvenačních technologiích umožňuje sekvenovat (a analyzovat) celý genom v řádech dní (týdnů) • WGS, WES – celogenomové, celoexonové sekvenování • 100,000 Genomes Project PERSONALIZOVANÁ MEDICÍNA & GENOMIKA PERSONALIZOVANÁ MEDICÍNA