Kurz pro kombinovaná studia Cytogenetika Molekulární genetika Úvod do obecné genetiky Genetické patologické stavy Prevence genetických patologických stavů Prof. Ing. Václav Řehout, CSc., 2013

prof. Ing. Václav Řehout, CSc. Cytogenetika prof. Ing. Václav Řehout, CSc.

Cytologie cytogenetika karyologie Organely nesoucí DNA (RNA) Člověk má cca 2m DNA Na ní 20 000 genů (lokusů) Rozdělených na 46 chromozomů V interfázi despiralizovaná DNA 2m = 2000km vlasce rozprostřeného v místnosti 4x4m

Morfologie chromozomů

Submikro- skopická struktura chromozomu

Tvary chromozomů

Mitoza – metafáze

Zpracování karyotypu -klasické metody (monochromatické barvení) - moderní metody ( např. proužkovací techniky)

Karyotyp člověka

Comparative genomic hybridization (CGH)

Karyotyp trisomie 21

MOLEKULÁRNÍ GENETIKA

Úvod molekulární genetika - studium procesů podmiňujících dědičnost a proměnlivost na molekulární úrovni genetická informace (GI) je zakódována v DNA - uložena v J buňky v chromozómech Odhalení funkce NK – Avery (1944) – „Averyho bomba“ odhalení genetického kódu (GK) - Watson a Crick (1953) - zlomový objev pro další rozvoj molekulární genetiky v posledních desetiletích bouřlivý rozvoj MG - projekty:

Nukleové kyseliny DNA = deoxyribonukleová k. (deoxyribonucleic acid) dvouvláknová - dvoušroubovice Funkce: DNA - nositel GI *) *) u některých virů je nositelem GI: RNA - např. medicínsky důležité viry: - virus chřipky - virus HIV (Humane Immunodeficiency Virus) - vyvolává AIDS RNA = ribonukleová kyselina (ribonucleic acid) jednovláknová RNA - podíl na realizaci GI chromozómy se skládají z řady makromolekul: - cca 60–90 % tvoří zhruba ve stejném poměru DNA a histony (bázické proteiny), - dále nehistonové proteiny a molekuly RNA

DNA

Struktura NK - pětiuhlíkatá ribóza (v RNA) - deoxyribóza (v DNA) Základní stavební kamen NK: nukleotid = cukr + fosforečný zbytek + dusíkatá báze - pětiuhlíkatá ribóza (v RNA) - deoxyribóza (v DNA) na 3. a 5. atomu uhlíku fosfátová skupina spojuje molekuly cukru navzájem do řetězce na 1. atomu uhlíku cukru - purinové A, G - pyrimidinové báze T, - DNA: A, T, G, C - RNA: A, U, G, C nukleotid X nukleosid pětiuhlíkatý cukr + fosfátová skupina + dusíkatá báze báze + deoxyribóza

Příklad komplementarity: Komplementarita bází A - T DNA A - U RNA C - G C - G Příklad komplementarity: 1. vlákno 2. vlákno AGTCAGTC TCAGTCAG

Genetický kód - soubor pravidel, podle kterých se genetická informace uložená v DNA, resp. RNA, převádí na primární strukturu bílkovin - tj. pořadí aminokyselin v řetězci Vlastnosti - GK je: 1. tripletový - pořadí tří nukleotidů určuje aminokyselinu - trojice bází kóduje 1 AA (trojice nukleotidů = kodon, triplet) 2. univerzální - u všech organismů kóduje 1 a ten samý triplet stejnou AA (pravidlo platí pro velkou většinu kodonů, u některých organismů mají některé kodony odlišný smysl) 3. degenerovaný (nadbytečný) - 1 AA může být determinována více kodony (1 AA je kódována více triplety) 4. bez mezer a nepřekrývající se - jednotlivé kodony v molekule NK následují bezprostředně za sebou

Gen = úsek DNA, která má: 1. specifickou funkci v buňce a v celém organismu - musí být schopen utvářet dědičný znak nebo spolupracovat při utváření několika takovýchto dědičných znaků 2. je schopen vytvářet přesné vlastní kopie - přenášet svou funkci z generace na generaci 3. charakteristickou vlastností genu je schopnost náhle změnit svou strukturu a tím i funkci, tj. podléhat mutacím. Zmutovaný gen replikuje svou změněnou podobu. Lokus - místo na chromozomu, na kterém je gen umístěn Alely - odlišné formy téhož genu, které u různých jedinců téhož druhu alterují na jednom lokusu (uspořádání lokusů je pro druh konstantní)

SYNTÉZA MOLEKULY DNA 1. Triplet 2. Triplet Celá molekula DNA = T 1. Triplet ≡ C G = 3 nukleotidy ≡ G C A = T 2. Triplet T = A = 3 nukleotidy ≡ C G Celá molekula DNA 3,2 miliardy nukleotidů 1,5 metru

MOLEKULA DNA REPLIKACE DNA je věčná nově nevzniká pouze se zdvojuje a předává se z rodičů na děti absorbuje změny (mutace) člověk  výsledek nahromadění mutací od mikroorganizmů do dneška

MOLEKULA DNA – GEN – CHROMOZOMY

POČTY GENŮ V GENOMECH Viry 5 – 10 Mycoplazma genitalium 470 Rickettsia p. 834 Helicobacter pylori 1 743 Escherichia c. 4 300 Saccaromyces c. 6 000 Drosophila m. 12 000 Obratlovci - Homo sapiens 20 000 - 25 000

Úvod do obecné genetiky 2008

Johann Gregor Mendel 1822-1884 narozen 22. června 1822 v Hynčicích ve Slezsku 1843 vstup do augustiniánského kláštera na Starém Brně 1851 – 1853 studia ve Vídni 1856 počátek experimentů s hrachem, celkem okolo 28 000 rostlin 1865 Versuche über Pflanzen-Hybride 1868 zvolen opatem 6. ledna 1884 umírá 1900 Mendelova práce znovuobjevena: Hugo de Vries (Nizozemí), Erich von Tschermak (Rakousko), Carl Correns (Německo)

Důležité termíny každá „dědičná vlastnost“ je u diploidního organismu řízena dvěma geny; jeden jsme zdědili od otce, druhý od matky výjimkou jsou u muže geny na chromozómu X a na chromozómu Y. (Pozn. genů na chromozómu Y je velmi málo)

Důležité termíny Alely = různé varianty téhož genu. Pro jeden gen máme v našem těle dvě alely; jednu jsme zdědili od otce, druhou od matky. Hovoříme např. o genu pro barvu květů, a o alele způsobující fialovou barvu a o alele způsobující bílou barvu květu. To ale neznamená, že v populaci jsou vždy jen dvě alely. Známe např. tři alely pro dědičnost krevních skupin, IA, IB, i. V konkrétním člověku jsou vždy pouze dvě z nich. V populaci kolují všechny tři.

Alely lokus = konkrétní místo na chromozómu, na kterém se nachází určitý gen

Homologní chromosomy Žluté tečky označují jistý gen – a jeho lokus – na homologních chromosomech. Tyto chromosomy jsou již zreplikované po S fázi – což je poznat z toho, že na každém z obou homologních chromosomů jsou žluté tečky dvě.

Důležité termíny genom = kompletní genetický materiál daného organismu genotyp = soubor alel, které má organismus k dispozici fenotyp = fyzické a fyziologické rysy daného organismu (=to, jak organismus aktuálně vypadá) čistá linie = rostliny, které při samoopylení vykazují opakovaně stejnou variantu sledovaného znaku (jsou homozygotní)

Užitečné termíny homozygot = organismus, který má pro daný znak obě alely identické (např. PP nebo pp). Pokud má organismus obě alely dominantní pro sledovaný znak, užíváme termín dominantní homozygot (PP), pokud jsou obě alely recesívní, užíváme termín recesívní homozygot heterozygot = organismus, který má obě alely pro sledovaný znak odlišné (Pp)

vztah mezi alelami dominance – dominantní alela převládá nad ostatními a projeví se vždy ve fenotypu recesivita –recesivní alela je překryta účinkem dominantní formy, ve fenotypu se projeví pouze v homozygotním stavu neúplná dominance – obě alely se ve fenotypu projeví současně kodominance – alely se projeví ve fenotypu nezávisle na sobě (krevní skupiny) superdominance – heterozygotní konstituce je aktivnější než obě homozygotní

Genetické patologické stavy Všechny chorobné stavy způsobené změnou (mutací) genetické informace

Genetické patologické stavy Třídění DLE HMOTNÉ PODSTATY Monogenní Chromozomové aberace Multifaktoriální (polygenní) DLE BUNĚČNÉ ÚROVNĚ genetické poruchy somatických buněk mitochondriální genetické choroby

Genetické patologické stavy Frekvence výskytu 1/50 novorozenců má vrozenou poruchu (genetické i negenetické etiologie) 1/100 má monogenní chorobu 1/200 nese chromozomální aberaci

Genetické patologické stavy Monogenní choroby vznikají mutací genů jednoduchá mendelistická dědičnost s typem dědičnosti: - recesivním - dominantním - pohlavně vázanou asi 1% populace nese tento typ choroby celkem asi 30 000 lokusů strukturálních genů dosud popsáno asi 10 000 lokusů s výskytem patologických alel tj. asi každý třetí gen je patologický ( v roce 1980 jich bylo známo asi 2000) teoretický předpoklad je mnohem vyšší

Monogenní choroby - příklad morfologické abnormality Genetické patologické stavy Monogenní choroby - příklad morfologické abnormality

Schema metabolické poruchy Genetické patologické stavy Schema metabolické poruchy Normální gen Genový produkt Normální koncentrace gen. produktu Normální fenotyp Defektní gen Defektní genový produkt Změněná koncentrace gen. produktu Genetická choroba

Příklad - Fenilketonurie Substrát - fenylalanin Genetické patologické stavy Příklad - Fenilketonurie Substrát - fenylalanin Defekt genu pro produkci fenylalaninhydroxylázy Neaktivní fenylalaninhydroxyláza Hromadění fenylalaninu v krvi (poškození nerv. systému, oligofrenie, ekzémy, charakteristický zápach moče po myších atd.)

Choroby podmíněné anomálií chromozomů Genetické patologické stavy Choroby podmíněné anomálií chromozomů Početní anomálie: např. trisomie ch. č. 21 Dawnův syndrom Klinefelterův syndrom XXY muž Turnerův syndrom X 0 žena Změněný fenotyp nositele anomálie

Multifaktoriální (polygenní) choroby Genetické patologické stavy Multifaktoriální (polygenní) choroby Podmíněné větším počtem genů často za spoluúčasti prostředí G + E = P Např. krevní tlak, inteligence, psychické poruchy apod. bez spoluúčasti prostředí Např. polydaktylie, vrozené vady srdce, arteroskleroza, aj.

Závislost VCA na věku matky Abnormální karyotypy Závislost VCA na věku matky Počet na 1000 narozených dětí (otec v podstatě neovlivňuje) u 20 letých matek 1 u 30 letých matek 1,5 u 36 letých matek 7 u 40 letých matek 15 u 45 letých matek 50

Fenotypový projev chrom. aberací = špička ledovce

PREVENCE genetických patologických stavů (GPS)

Prevence GPS Primární Plánované rodičovství – doba početí, počet dětí, intervaly mezi početím Reprodukce v optimálním věku – podle SZO (WHO) má dojít ke splnění rodičovských povinností do 25. roku věku Prevence mutací – omezení vlivu mutagenních faktorů Předkoncepční opatření – ochrana ženy před koncepcí, nikoliv až po zjištění gravidity Genetické konzultace – genetické poradenství – při podezření na gen. chorobu

Prevence GPS Sekundární Zábrana narození postihnutého plodu – genetické konzultace – prenatální diagnostika Postnatální novorozenecký screening Zábrana klinické manifestace patologického genu – vyřazení metabolitu z potravy, náhradní podávání chybějícího enzymu apod. (problematické) 47 47

Genetická diagnostika GPS Předimplantační Postimplantační Postnatální

Předimplantační genetická diagnostika oplozené vajíčko odběr jedné blastoméry blastoméra 3 dny kultivace embryo izolace DNA PRC, RFLP, aj. genetická diagnostika

Postimplantační genetická diagnostika Technika amniocentézy

Postnatální genetická diagnostika Po předchozích stupních diagnostiky (potvrzení nebo vyloučení GPS) Při podezření porodníka nebo pediatra na GPS Při pozitivním výsledku novorozeneckého screeningu Kdykoliv v průběhu ontogeneze (života) Při podezření na: - GPS probanda - GPS potomků

Informovaný souhlas

Novorozenecký screening Novorozenecký screening je aktivní celoplošné vyhledávání chorob v jejich časném, preklinickém stadiu tak, aby se tyto choroby diagnostikovaly a léčily dříve, než se stačí projevit a způsobit novorozenci nevratné poškození zdraví. V současné době je prováděn screening na 13 poruch. 

Počet nemocí screenovaných u novorozenců v jednotlivých evropských zemích 10/2009