Variabilita a změny genetické informace, mutace RNDr Z

Prezentace na téma: "Variabilita a změny genetické informace, mutace RNDr Z"— Transkript prezentace:

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

2 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

3 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

4 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

5 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

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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

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

15 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)

16 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

17 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

18 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 !

19 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

20 Klonální vznik nádoru Genetická změna v 1 buňce, její namnožení

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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 Cme.medscape.com

27 Detekce fuzovaných genů lokus specifickými sondami
Wysis katalog 1996/97

28 Fuzovaný gen bcr/abl u CML

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

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

31 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

32 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)

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

34 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)

35 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

36 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 )

37 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)

38 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

39 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

40 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

41 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

42 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)

43

44 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