Odchylky od mendelovské dědičnosti Imprinting, dynamické mutace RNDr Z.Polívková Přednáška č.438 - kurz: Dědičnost

Klasická mendelovská genetika = stejná exprese homologních alel zděděných po otci i po matce za normální situace jsou exprimovány obě alely genu (autozomální dědičnost) Vyjímka: Imprintované geny - ovlivnění exprese děděním po matce nebo po otci, za normální situace monoalelická exprese z alely určitého rodičovského původu

Imprinting genů = mechanismus regulace genové exprese geny s monoalelickou expresí exprese z alely určitého rodičovského původu alela aktivní- exprimovaná alela neaktivní - imprintovaná imprinting spojen s metylací DNA a dalšími změnami chromatinu abnormality imprintingu - lidské patologie

Důkazy existence imprintingu: příklady patologií: Hydatiformní mola částečná = triploidie s nadpočetnou otcovskou sadou chromozomů Hypotrofie placenty = triploidie s nadpočetnou sadou mateřských chromozomů Kompletní mola - diploidní, obě sady chromozomů otcovského původu = uniparentální dizomie (duplikace jádra spermie, jádro vajíčka zničeno) Ovariální teratom- partenogenetický vznik-dělením vajíčka bez oplození

Závěr: na počátku embryonálního vývoje: aktivní otcovský genom (otcovské alely) se přednostně uplatňuje při vývoji obalů aktivní mateřský genom (mateřské alely) se přednostně uplatňuje při vývoji embrya = imprintované geny

Imprinting a genetické syndromy Prader-Willi syndrom (PWS) klinické příznaky: obezita, malý vzrůst, malé ruce a nohy, hypotonie, hypogonadismus, mentální retardace Angelman syndrom (AS) „ happy pupet syndrome“ klinické příznaky: dysmorfie obličeje, těžké opoždění vývoje, trhavé pohyby, záchvaty nepatřičného smíchu

PWS AS

Delece 15q11-13 Wysis

UPD = oba chromozomy 15 od jednoho rodiče PWS AS delece 15q11-13 na otcovském chromozomu na mateřském chromozomu UPD (uniparentální dizomie) mateřská otcovská mutace mateřské aktivní alely porucha imprintingu mateřský imprint otcovský imprint na obou chromozomech na obou chromozomech v PWS oblasti v AS oblasti UPD = oba chromozomy 15 od jednoho rodiče

PWS AS funkční nullizomie PWS oblast - aktivní otcovské alely v proximální oblasti 15 chromozomu dvě sousední oblasti genů opačně imprintované PWS oblast - aktivní otcovské alely AS oblast - aktivní mateřské alely ztráta funkce aktivních ztráta funkce aktivních alel v PWS oblasti alel v AS oblasti funkční nullizomie

Imprintované geny na chromozomu č.15 normální stav pat mat } SNRPN PWS geny ZNF127 } AS gen(y) UBE3A aktivní otcovská alela aktivní mateřská alela „tichá´= imprintovaná otcovská alela „tichá´= imprintovaná mateřská alela

Delece u PWS a AS Delece otcovských aktivních alel u PWS pat mat pat mat Delece otcovských aktivních alel u PWS Delece mateřské aktivní alely u AS PWS AS

UPD - Uniparentální disomie u PWS a AS mat mat pat pat Uniparentální disomie mateřská u PWS otcovská u AS PWS AS UPD

Mutace u AS mutovaná aktivní mateřská alela u AS AS

Chybný imprint – porucha řídícího centra imprintingu pat mat pat mat mateřský imprint PWS genů na obou chromozomech u PWS otcovský imprint AS genu na obou chromozomech u AS PWS AS

Imprinting a Beckwith-Wiedeman syndrom EMG sy - exomphalos-macroglossia-gigantism Klinické příznaky: makroglosie, omfalokéla, visceromegalie, nadměrný vzrůst, kožní rýhy na ušním boltci, hypoglykémie v neonatálním období riziko nádorů (Wilmsův tu aj.) imprintované geny na 11p15: IGF2 - exprese z otcovské alely H19 - exprese z mateřské alely p57 - exprese z mateřské alely ?

Příčiny BWS 1. otcovská duplikace 11p (2 x IGF2) 2. otcovská UPD (2 x IGF2) 3. delece, translokace mateřské aktivní alely H19→ aktivace mateřské alely IGF2 (společný “enhancer“) 4. chybný imprint = bialelická exprese IGF2 patogeneze choroby - nadměrná dávka IGF2 produktu (růstový faktor), ev. chybění produktu H19, ev.další??

pat mat pat mat 1. otcovská duplikace normální stav BWS oblast 11p15 IGF2 IGF2 IGF2 H19 H19 H19 IGF2 H19 normální stav BWS oblast 11p15 1. otcovská duplikace aktivní a neaktivní otcovské alely aktivní a neaktivní mateřské alely

bialelická exprese IGF2 pat pat pat mat IGF2 IGF2 H19 3. del,transl.,mutace mateř.alely H19→ exprese mateř.IGF2 2. otcovská UPD pat mat IGF2 bialelická exprese IGF2 H19 4. chybný imprint

Imprinting a nádory Příčiny nádorů: zděděné nebo indukované mutace = ireversibilní změny - protoonkogenů, nádorových supresorových genů (genů regulujících buněčné dělení a diferenciaci) epigenetické změny = změny v metylaci (imprintingu) těchto genů např. inaktivace tumor supresorových genů nebo aktivace protoonkogenů

př. Wilmsův tumor (WT) lokus 11p13 - asociace s WAGR (WT, aniridie, anomalie urogenitálu, MR) WT1 - tu su gen - bialelická exprese ale u někt.osob a v někt. tkáních imprintován = polymorfismus imprintingu = predispozice k nádoru !! lokus 11p15 - asociace s BWS IGF2 - růst.faktor- monoalelická exprese v ledvinách bialelická exprese u WT aj. (LOI = „loss of imprinting“) - onkogen H19 - onkofetální RNA-exprese v embryogenezi-funkce? ztráta exprese H19 u WT s bialelickou expresí IGF2 p57KIP2 - inhibitor cyklin dependentní kinázy redukovaná exprese u WT a plic tu

Imprinting spojen s metylací - neaktivní alela = metylovaná imprintované protoonkogeny - porucha imprintingu → aktivace imprintované alely (bialelické exprese) = onkogeny imprintované tumor supresorové geny- vyšší vnímavost k nádorům - stačí ztráta 1 alely = ztráta funkce genu Knudsonova dvouzásahová teorie inaktivace tu su genů: 1.stupeň: mutace zárodečná nebo somatická, ev.imprinting 2.stupeň: - ztráta heterozygozity (LOH)- mutací

Imprinting a nádory Polymorfismus imprintingu někt. genů v populaci př.nádorové supresorové geny WT1(11p13), IGF2R(6q26-inaktivován v různých nádorech= receptor – role v intracelulární degradaci IGF2) většina lidí bialelická exprese ale u některých lidí monoalelická (imprintovány) imprinting těchto lokusů = predispozice tu metylace je reverzibilní - možnost terapie nádorů způsobených aberantní metylací??

Imprinting: mechanismus regulace genové exprese tkáňově, časově, druhově specifický polymorfismus imprintingu (interindividuální rozdíly) imprintované geny: funkce v regulaci růstu, buněčného dělení, diferenciaci geny kodují: růstové faktory, receptory růstových faktorů, regulační proteiny, transkripční faktory, proteiny účastnící se splicingu role v embryonálním vývoji bialelická exprese v určitém stadiu vývoje? reversibilita imprintingu

Imprinting spojen s metylací s deacetylací histonů a změnami v struktuře chromatinu, které způsobí nepřístupnost pro transkripční faktory

Abnormality imprintingu spojeny s abnormalitami růstu a vývoje, chování, vznikem nádorů chybění exprese (z důvodů mutace, delece, deficience) genu s expresí pouze jedné alely specifického rodičovského původu nebo nadměrná exprese (duplikace, ztráta kontroly imprintingu vedoucí k bialelické expresi) genu normálně monoalelicky exprimovaného

Uniparentální dizomie= přítomnost dvou homologních chromozomů od jednoho rodiče Mechanizmy vzniku UPD: 1. ztráta chromozomu z trizomické zygoty 2. gametická komplementace - splynutí nulizomické a dizomické gamety 3. duplikace chromozomu monozomické zygoty 4. postzygotická nondisjunkce a duplikace nebo mitotická rekombinace Důsledek UPD: abnormality vývoje v případě, že chromozomy obsahují imprintované geny

Důkazy existence UPD: přenos hemofilie z otce na syna - (zygota XXY a ztráta mateřského X chromozomu) mateřská UPD u PWS, otcovská u AS placentární mozaicismus trizomie 15 v CVS, nepotvrzený v AMC a krvi plodu - dítě s PWS přenos balancované translokace 22/22 v balancované podobě na potomka - ztráta volného 22.chromozomu z trizomické zygoty homozygotní výskyt inverze na chromozomu 4 u dcery matky heterozygotní pro tuto inverzi

Původ uniparentální dizomie z trizomické zygoty trizomická zygota ztráta chromozomu ztráta chromozomu uniparentální dizomie normální stav

Původ uniparentální dizomie komplementace gamet fertilizace dizomické a nulizomické gamety

Původ uniparentální dizomie duplikace chromozomu monozomické zygoty monozomická zygota duplikace chromozomu

Původ částečné izodizomie -postfertilizační chyba normální zygota-dizomická nondisjunkce a duplikace mitotická rekombinace

Dynamické mutace

Fragilní X = X vázaná MR u ♂ Fragilní místo v Xq273 = FRAXA Klinické příznaky: MR, protáhlý obličej, hrubé rysy, velké uši, makroorchidismus Zvláštnosti: část ♀ - přenašeček – MR (asi 30%) existence fra X ♂ bez MR (asi 20%) progrese manifestace z generace na generaci

Molekulární podstata mutace Nestabilní element (CCG)n /(GGC)n v FMR1 genu na Xq Normální populace 6-50 kopií Premutace (bez MR) 50-200 kopií = nestabilní Plná mutace 200-2000 kopií→ zvýšená metylace DNA → zástava transkripce FMR1 genu → MR

Zvětšení elementu pouze při přenosu ženou (determinace v oogeneze) Při přenosu mužem do další generace se délka opakování nemění Predisponovaná alela = čisté CCG opakování bez přerušení AGG triplety Délka opakování koreluje s cytogenetickou expresí a intelektem

Vznik mutace postupný přes premutaci = dynamická mutace Normální počet kopií → premutace → plná mutace normální ♀ nosičky MR asymptomatičtí ♂ pouze z premutace u ♀ Zvětšení amplifikátu v časném embryonálním vývoji (podmíněno v gametogenezi) – somatická heterogenita ve velikosti elementu, stupni metylace – existence osob= mozaik plné mutace a premutace

Dvě skupiny mutací: 1.Amplifikace v nekodující – netranslatované oblasti genu (promotor, intron)→ ztráta funkce Fragilní X (CCG/GGC), myotonická dystrofie (CTG), Fridreichova ataxie (GAA) 2. Amplifikace v exonu (obvykle CAG) → gen je transkribován → abnormální protein Huntingtonova choroby (HD) - abnormální protein huntingtin – inaktivace asociovaných proteinů

HD – expanze při přenosu otcem (časnější nástup choroby) Expanze tripletů závisí na pohlaví přenášejícího rodiče: Fra X, myotonická dystrofie – zvětšení amplifikátu při přenosu matkou HD – expanze při přenosu otcem (časnější nástup choroby)

Specifika dynamických mutací: homogenita – není více alel somatická variabilita – různý počet kopií v různých tkáních efekt rodičovského původu na manifestaci choroby (stupeň postižení, věk nástupu choroby odchylky od mendelovské dědičnosti (expresivita, penetrance) nejsou nové mutace – vznik postupný přes premutaci – familiární choroby expresivita závisí na počtu opakování anticipace = zhoršování klinických příznaků z generace na generaci

- determinováno v gametogenezi Postzygotický původ amplifikace na chromozomu určitého rodičovského původu - determinováno v gametogenezi

http://dl1.cuni.cz/course/view.php?id=191 - prezentace http://dl1.cuni.cz/course/view.php?id=191 - doplňkový materiál k cytogenetice Thompson &Thompson: Klinická genetika, 6.vyd. Kap.5: Typy monogenní dědičnosti: Atypické způsoby dědičnosti: Neobvyklé způsoby dědičnosti v důsledku genomového imprintingu Kap.9: Základy klinické cytogenetiky: Vlivy rodičovského původu: Genomový imprinting Imprinting genů a lidské patologie, Z.Polívková, Čas. Lék. čes.144, 245-251, 2005