Variabilita a změny genetické informace, mutace RNDr Z Variabilita a změny genetické informace, mutace RNDr Z.Polívková Přednáška č. 421 – kurz: Dědičnost

Mutace = náhlá, neusměrněná, trvalá změna genetického materiálu (změna sekvence nukleotidu nebo změna uspořádání DNA v genomu) Změny v genomu jsou velmi časté Většina genetických změn nemá nepříznivý důsledek, některé mají malý efekt na fenotyp, jen vzácně jsou klinicky významné (způsobují genetickou chorobu, ev. fetální ztráty) Časté genetické varianty = polymorfismy

Mutace x polymorfismy změny v primární struktuře DNA Mnoho genů má pouze jednu normální verzi = „wild type“alela Jiné geny vykazují polymorfismus (mnoho forem) v populaci Normální varianty (alely) jsou v populaci časté Variantní alely s frekvencí větší než 1% = polymorfismus (tato definice neříká nic o důsledku varianty na fenotyp – většina častých variant (polymorfismů) nemá nepříznivý efekt na lidské zdraví, některé však modifikují riziko běžných chorob, jako např. nádorů) Alely s frekvencí menší než 1% jsou vzácné varianty

Mutantní alely = vzácné varianty – detegovány skrze klinicky významné genetické choroby Existuje-li více mutatních alel v jednom lokusu (a každá vede k abnormálnímu fenotypu) = alelická heterogenita Některé vzácné varianty ale nemají nepříznivý účinek – tj. není ostrá hranice mezi pojmy mutace a polymorfismus

Typy polymorfismů: „Single nucleotide polymorphisms“ (SNPs) 90 % variant = změny jednoho nukleotidu v kódujících nebo nekódujících oblastech genomu Časté SNPs jsou bez efektu nebo mají malý účinek (ovlivňují vnímavost k chorobám) Výskyt 1/1000 párů bazí Další varianty: delece duplikace, zmnožení několika nukleotidů nebo větších DNA segmentů různé alelly pak dány různým počtem opakování segmentu Důsledky: některé bez efektu na fenotyp, některé patologické, některé modifikují riziko chorob

Mutace Mutace: spontánní indukované Mutace: somatické – nádory, stárnutí buňky (akumulace mutací) gametické - genetická choroba nebo nosičství mutace v další generaci

Mutace: genomové – změna v počtu chromozomů: a) euploidní změna = násobek haploidní sady (př.triploidie) b) aneuploidie = chromosom navíc nebo chybí (př. trizomie, monozomie) chromozomové = strukturní chrom.aberace = zlomy a výměny (detekovány ve světelném mikroskopu) submikroskopické delece nebo duplikace větších segmentů genomu, tzv.„copy number variants“ CPV (důsledky CPV: buď bez efektu na fenotyp, nebo patologické důsledky, nebo modifikují riziko běžných chorob) genové = kvalitativní nebo kvantitativní změna sekvence bazí bodové mutace – týká se jednoho páru bazí

Rozdělení mutací podle důsledků: GENOVÉ MUTACE Rozdělení mutací podle důsledků: SYNONYMNÍ..........nevedou k záměně AK (degenerace genet. kódu) MISSENSE .............chybný smysl - záměna AK za jinou NONSENSE............vznik terminačního kodonu ELONGAČNÍ...........mutace terminačního kodonu POSUNOVÉ (frameshift)....inzerce, delece (kdy počet bází není násobkem 3) Mutace genů pro rRNA a tRNA - chyby translace

Rozdělení podle mechanismu vzniku: SUBSTITUCE nukleotidu = záměna báze (tranzice=záměna purinu za purin, pyrimidinu za pyrimidin, transverze=purin za pyrimidin nebo pyrimidin za purin) = bodová mutace: př. mutagenů: kys.dusitá, alkylační látky; oxidace, deaminace, alkylace bazí aj. vede ke změně párovacích vlastností a záměně nukleotidu při replikaci → záměna AK (missense mutace) důsledky záměny AK: - nefunkční enzym - změněná specificita enzymu, - změna vlastností nebo struktury proteinu metabolické vady - A → a – nefunkční enzym → vznik stop kodonu (nonsense mutace) - nefunkční protein → mutace terminačního kodonu – nefunkční protein

DELECE (akridinová barviva –inzerční mutace) INZERCE - posunové (frameshift) mutace, posun čtecího rámce, pak vznik stop kodonu DELECE (akridinová barviva –inzerční mutace) Mutace v promotoru - změny v genové expresi - narušení vazby transkripčních faktorů – redukce transkripce Mutace na rozhraní exonů a intronů – interferuje se splicingem

Mutace vedoucí ke ztrátě funkce enzymu obvykle má recesivní charakter Mutace vedoucí k zisku nové - abnormální funkce nebo ke vzniku abnormálního strukturnímu proteinu má obvykle dominantní charakter

Příklady mutací: A) SUBSTITUCE (alkylace, metylace, hydroxylace→chybné párování) záměna 1 baze (bodová mutace) = záměna 1AK MISSENSE MUTACE - chybný smysl a) uvnitř kódujících sekvencí Př.: srpkovitá anemie G A G → G T G v beta globinovém genu glu → val → HbS

b) vně kódujících sekvencí Př.: hemofilie B: A → G v oblasti promotoru genu pro faktor IX → změněné množství produktu NONSENSE MUTACE - vznik terminačního kodonu → vznik abnormálního produktu Př.: neurofibromatóza NF1 C G A → T G A arg stop v nádor. supresorovém genu

MUTACE RNA SPLICINGU - mezi exonem a intronem Př.: Tay-Sachsova choroba mutace v hexosamidázovém genu - není vyříznut intron mezi 12. a 13. exonem defekt hexosamidázy A

B) DELECE, INZERCE (1 nebo více párů bází, delece části genu, celého genu i více genů - mikrodeleční sy) a) malého počtu bází (ne násobek 3) posun čtecího rámce (frameshift mutace ) Př.: ABO krevní skupiny delece G T G → posun čtení v genu pro alelu A → O Tay - Sachsova choroba inzerce 4 párů bází → posun čtení a vznik stop kodonu b) 3 nebo násobek 3 bází Př.: cystická fibróza nejčastěji delece 3 bází → chybí 1 AK (např. delta F 508 = chybí fenylalanin)

c) celého genu Př.: X- vázaná ichtyóza delece genu pro steroidní sulfatázu d) velké části genu Př.: Duchennova muskulární dystrofie delece dystrofinového genu (asi 60 % případů) Vznik velkých delecí a inzercí : nerovnoměrným crossing-overem , nebo výměna mezi sesterskými chromatidami (aberantní rekombinace) Př.: delece alfa-globinového genu u alfa-talasémie delece pigmentových genů u barvosleposti delece retinoblastomového genu

Mutageny Fyzikální: záření UV záření – dimery T-T, C-C, T-C = poruchy replikace, traskripce ionizační záření (rtg, gama) přímý účinek záření – zlomy DNA vláken nepřímý účinek – ionizace molekul prostředí- zlomy DNA Chemické látky – alkylační látky - addukty - analogy bazí (strukturně podobné) - akridinová barviva – inzerce - kys. dusitá – deaminace bazí – porucha párování látky přímo působící nepřímo působící – po metabolické aktivaci (cytochrom dependentní oxygenázy-oxydovaný produkt je reaktivní a poškozuje DNA) Biologické – viry – integrace virové NK do genomu hostitelské buňky

Mutace dynamické – postupný vznik – počáteční změna potencuje další změnu = amplifikace opakování tripletů, např. fragilní X vznik přes „premutaci“ v předchozí generaci tento typ mutací nevzniká v důsledku působení mutagenů !

Nádory Dědičnost: většinou děděna vnímavost - multifaktoriálně 5% familiární nádory (AD s neúplnou penetrancí) u všech se uplatňují mutace při vzniku Nádor = genetické onemocnění = důsledek mutací a dalších genetických změn nádor = klon - vznik z 1 buňky formy - sarkom - z mezenchymální tkáně karcinom - z epiteliální tkáně leukemie - hematopoetická tkáň lymfomy - lymfoidní tkáň

Klonální vznik nádoru Genetická změna v 1 buňce, její namnožení

Nádory – benigní - maligní Charakteristika maligních nádorů: invazivní růst metastazování Vznik nádoru = vícestupňový proces faktory genetické + faktory vnějšího prostředí

Genetické faktory: Mutace: protoonkogenů - (AD) → onkogeny = abnormální buněčné dělení nádorových supresorových genů - (AR) = ztráta funkce obou alel = abnormál.buněč. dělení mutatorových genů (reparačních) - (AR) - zvýšená frekvence mutací - maligní transformace nepřímý efekt mutatorových genů na maligní transformaci Karcinogenní faktory prostředí: chemické - karcinogeny fyzikální - UV, ionizující záření biologické - DNA nádorové viry RNA nádorové viry - retroviry

Onkogeny Protoonkogeny - kontrola buněčného dělení, diferenciace produkty: růstové faktory, receptory růstových faktorů GTP vazebné proteiny tyrozinkinázy (fosforylace proteinů) cytoplazmatické proteiny proteiny kontrolující buněčný cyklus …. úloha v buněčných komunikacích a v přenosu signálu

Změna protoonkogenu na onkogen : - bodovou mutací - chromozomální translokací, inverzí → fuzované geny nebo asociace genu s jinými regulačními sekvencemi - inzercí retroviru (RNA nádorového viru) - amplifikací: „ double minutes“ – volné kopie onkogenu HSR = homogenně se barvící oblasti = amplifikované kopie, integrované tandemně do chromozomu dysregulací imprintingu (metylace) – epigenetické změny stačí změna v jednom párovém protoonkogenu – mutace má dominantní charakter

Chromozomální translokace Důsledek změny: tvorba abnormální produktu nebo nadprodukce normálního produktu Chromozomální translokace př. CML = chronická myeloidní leukemie Ph1 chromozom - t(9;22) c-abl z 9q přenesen na 22q → chimerický gen (fuzovaný gen bcr/abl) → abnormální protein se stálou tyrozinázovou aktivitou - abnormální stimulace buněčného dělení př. BL= Burkittův lymfom - t(8;14) c-myc z 8q přenesen na 14q do blízkosti imunoglobulinových genů - vysoká transkripční aktivita → nadprodukce normálního produktu

Cme.medscape.com

Detekce fuzovaných genů lokus specifickými sondami Wysis katalog 1996/97

Fuzovaný gen bcr/abl u CML

Translokace 8q/14q u Burkittova lymfomu ncbi.nlm.nih.gov

Cytogenetická manifestace amplifikací: „double minutes“ - volné kopie HSR=homogenně se barvící oblasti =tandemně integrované kopie nebo kopie vmezeřené do různých míst chromozomu

Úloha virů při vzniku nádorů schopnost virů integrovat svoji NK do genomu hostitelské buňky - nesou onkogeny (buď vlastní - DNA nádorové viry) nebo přenáší buněčné protoonkogeny - RNA nádorové viry) Buněčné protoonkogeny jsou homologní onkogenům RNA virů RNA nádorové viry - retroviry v-onkogeny - nemají introny Původ: z protoonkogenů hostitelské buňky RNA viru (je přepsána reverzní transkriptázou do DNA, ta je integrována do genomu hostitelské buňky) Genom viru je replikován a transkribován hostitelskou buňkou. Transkript = mRNA přepis buněčného protoonkogenu spolu s přepisem virového genomu po vyříznutí intronů se stane součástí virového genomu

př.virus Rousova sarkomu virus v hostitelské buňce: RNA viry - přepis RNA reverzní transkriptázou do DNA a integrace virového genomu včetně onkogenu do DNA hostitelské buňky = akutní nádorové viry (př.RSV, gen src = onkogen, delece src - virus je infekční, množí se, ale netransformuje buňku) integrace proviru - latentní nádorové viry = nemají onkogen, ale integrují se do sousedství buněčného protoonkogenu - svými „enhancery“ (=regulační sekvence) aktivují vyšší transkribci buněčného protoonkogenu (př.ALV - ptačí leukózové viry)

Nádorové supresorové geny produkty: blokují růst a buněčné dělení mutace tumor-supresorových genů - recesivní charakter mutace obou alel - ztráta funkce

Př. Retinoblastom (model 2 stupňového vzniku nádoru) dědičný nádor: časný nástup, bilaterální 1.stupeň: mutace zárodečná (zděděná nebo vzniklá „de novo“- tj. v 1 pohlavní buňce), nebo delece na 13q (gen pro Rb1 protein - regulátor buněčného cyklu) zárodečná mutace je ve všech buňkách jedince - heterozygot 2. stupeň: mutace somatická v 1 buňce retiny = ztráta heterozygozity (LOH=loss of heterozygosity)

Retinoblastom = mutace nádorového supresorového genu (AR), ale dědičnost AD s neúplnou penetrancí!!! – dáno vysokou pravděpodobností mutace druhé alely u heterozygota sporadický nádor: unilaterální většinou, pozdější nástup, obě mutace somatické v 1 buňce retiny -nastávají postupně v průběhu života Další př. Wilmsův tumor (embryonální tumor ledvin) nádorový supresorový gen na 11p

Nádorový supresorový gen TP53 (protein p53, na17p13) – reguluje aktivitu genů, jejichž produkty reagují na DNA poškození dočasnou zástavou buněč. cyklu - umožnění reparace (blokáda G1-S = velký repair, S-G2 = postreplikační repair pokud poškození není zreparováno – aktivace apoptózy = programovaná buněčná smrt mutace p53 - výskyt v různých nádorech (Li-Fraumeni syndrom - nádorové rodiny=rodiny s vysokým výskytem různých nádorů v časném věku )

Mutátorové geny geny DNA reparace - odpovídají za reparaci poškození DNA mutace mají recesivní charakter Př.: dědičný nádor tlustého střeva, bez předchozího polypózního stadia (tzv. dědičný nepolypózní kolorektální nádor tl.střeva nebo rekta)

Mnohastupňový vznik nádoru- více genetických změn 1.stupeň může být dědičná změna – mutace na 5q APC (adenomatózní polyposis coli)– střevní polypóza, Gardnerův sy tu su genu APC 5q Mutace/delece Ztráta iheterozygozity DNA hypometylace Mutace K-ras onkogenu 12p Normální epitel. buňka Nadměrná proliferace Adenom I raný tu su genu DCC 18q Mutace/delece, chrom. ztráta chrom.ztráta tu su genu p53 na 17p Ztráta heterozygotnosti Mutace/delece Karcinom Adenom II Středně pokročilé Adenom III metastáze DCC- deleted in colorectal cancer

Vlastnosti normální a maligní buňky in vivo maligní zvrat - nekontrolovatelné množení - invazivní růst - metastázování (lymfogenně, hematogenně) in vitro normální maligní kontaktní inhibice nakupení omezený počet generací nesmrtelnost původní antigenní determinanty nádorové, fetální antigenní determinanty euploidie různé aberace tvar specifický dediferenciace

Další faktory karcinogeneze: 1. Geny podmiňující přeměnu chemických látek = metabolická aktivace – polymorfismus genů geneticky podmíněná schopnost detoxikovat škodlivé látky Př. enzym arylhydrokarbon hydroxyláza - přeměna polycyklických hydrokarbonů (cigaretový kouř) na epoxidy (karcinogenní) Jedinci s vysoce aktivní alelou a kuřáci, nebo osoby pracující v riziku (asbest) = riziko Ca plic recesivní homozygoti - enzym neaktivní - nemetabolizují = rezistentní na CA plic Různé variantní alely = různá aktivita enzymu

2. Geny DNA reparace – polymorfismus = různá aktivita 2. Geny DNA reparace – polymorfismus = různá aktivita reparačních enzymů 3. Geny imunitní odpovědi Imunitní systém: T lymfocyty - cytotoxický efekt + cytokiny NK buňky - nespecificky cytotoxické selhání imunitních mechanismů - rozvoj nádoru defekt v imunitě - vrozený nebo získaný =zvýšené riziko nádorů př. AIDS = vysoké riziko nádorů

Genotoxické účinky: mutagenní karcinogenní teratogenní – poškození plodu v těhotenství imunosupresivní alergenní Chemické karcinogeny, záření, biologické faktory často kombinovaný účinek - mutagenní, karcinogenní a imunosupresivní Každý mutagen=potenciální karcinogen neplatí naopak – negenotoxické karcinogeny –nepůsobí mutace (např. stimulují proliferaci)

Thompson &Thompson: Klinická genetika, 6.vyd. Kap.6: Individuální genetické odchylky: mutace a polymorfismy(do str. 94) Kap. 16: Genetika a zhoubné bujení + doplnění informací z prezentace http://dl1.cuni.cz/course/view.php?id=191