1

Genetika v zubním lékařství- 1

16.2.2009

2

Genetika, genomika genetika

– specializovaný biologický obor zabývající se variabilitou a dědičností

– klinická genetika zabývá se diagnostikou, léčením a prevencí genetických nemocí (nejen u

pacienta ale celé rodiny!) genetické poradenství

– lidská genetika studuje variabilitu a dědičnost u člověka

– cytogenetika studium chromozomů

– molekulární genetika studium struktury a funkce jednotlivých genů

– populační genetika studium proměnlivosti populací

– komparativní a evoluční genetika mezidruhové srovnání a studium evoluce druhů

genomika– studuje strukturu a funkci genomů pomocí genetického mapování,

sekvenování a funkční analýzy genů– snaží se o pochopení veškeré informace obsažené v DNA živých

organizmů strukturní genomika = pochopení struktury genomu

konstrukce detailních genetických, fyzických a transkripčních map genomů příslušných organizmů

reprezentovala zejména iniciální fázi analýzy genomů; konečným cílem byla kompletní znalost DNA sekvence (např. HUGO projekt)

funkční genomika = studium funkce genů a ostatních částí genomu využívá poznatků strukturní genomiky a snaží se o poznání funkce genů;

velmi často k tomu využívá modelové organizmy (myš, kvasinka, nematoda, Drosofila aj.) jako časově a finančně výhodnou alternativu vyšších živočichů (zejm. pro možnost studovat mnoho generací v relativně krátkém čase

3

Lidský genom Human Genome Project (HUGO) hustota genů na jednotlivých

chromosomech dost heterogenní– pouze ~10% kódující sekvence– ~75% se skládá z jedinečné

(neopakující se) sekvence– zbytek repetitivní sekvence

nejasná funkce, zřejmě udržují strukturu chromozomů, možná jsou “evoluční”rezervou

typy repetic tandemové

» mikrosatelity» minisatelity

Alu-repetice L1-repetice

mitochondriální DNA– několik desítek genů kódujících

proteiny zapojené v mitochondriálních procesech

– přenos pouze od matky!

4

Povaha informace v DNA

Některé geny nekódují protein. Funkce transkribované RNA v tomto případě je:

processing mRNA (malé nukleární RNA čili snRNA)

translace mRNA do proteinu (transfer RNA-tRNA, ribosomální RNA-rRNA. tRNA a rRNA kóduje 3D strukturu ve výsledných produktech RNA, které umožňují jejich funkci.

5

Syntéza DNA ve zvířecích buňkách

DNA je ve zvířecích buňkách ve formě chromosomů (1-10cm celkové délky). Každý chromosom má 2000 začátků (origins) replikace. Od každého tohoto místa probíhá obousměrně syntéza DNA. Až se jednotlivé kousky syntetizované z míst začátku replikace setkají, vzniká dceřinné vlákno DNA. Začátky jsou od sebe vzdáleny cca 30-100 m.

časová synchronizace syntézy 50000-60000 replikonů v každém genomu.

6

Genom ve zdraví a nemoci

Genetická výbava jedince (souhrn všech genů=genom) je sice osudově zadána v okamžiku zplození, ale není pro další život konečná, protože v průběhu života se může měnit jak pod vlivem četných faktorů epigenetických (vlivy prostředí), tak pod vlivem dalších faktorů genetických (např. mutacemi somatických buněk v průběhu maligní transformace).

7

Genomika

je obor genetiky, který se snaží stanovit úplnou genetickou informaci organismu a interpretovat ji v termínech životních pochodů. Někdy se genomika rozděluje na tzv. strukturní genomiku, spočívající ve stanovení sledu nukleotidů genomu organismu, na bioinformatiku, jež počítačovými metodami a prací v databázích interpretuje přečtenou dědičnou informaci a na funkční genomiku, kde se experimentem, například vyřazením nějakého genu z činnosti (zvířecí modely typu knock out), snažíme přiřadit funkci neznámým genům, případně funkci genů studovat.

8

Struktura DNA

Cukry-N-glykosidické vazby bazí mezi C1 deoxyribózy (DNA) a ribózy (RNA) a N1 pyrimidinových bazí a N9 purinových bazí.

Báze A, T (- vazby), G, C (= vazby) Fosfáty jsou esterifikovány na C5

´deoxyribózy a vytvářejí dNMP dNMP+P=dNDP+P=dNTP

9

Nukleosid nukleotid báze DNA

10

DNA - dvojšroubovice

DNA kostra – polynukleotidový řetězec– zbytky deoxyribózy a

kys. fosforečné spojené fosfodiesterovou vazbou

DNA dvojšroubovice– 2 polynukleotidové

řetězce v opačné orientaci

– vodíkové vazby mezi páry bází (AT, GC)

11

12

13

5´

3´

3´

5´

5´ 3´

Promotor Exon 1 Intron 1 E2 I 2 E 3 I 3 Exon 4DNA

RNAtranskript

Zralá mRNA

Protein NH2 COOH1 2 3 4

Lidský gen

RNA

Transkripce

Processing (capping, adice poly A, splicing)

Translace

3´

Cap AAAAAn

5´UTR 3´UTR

5´UTR 3´UTR

1 I 2 I 3 I 4

1 2 3 4

14

Povaha informace skladované v DNA

Některé geny kódují protein. Jejich transkribovaná RNA se nazývá heterogenní nukleární RNA (hnRNA). Ta se upravuje (processing) na mRNA.

Messenger RNA (mRNA) je lineární kód, který je možno převést (translace) do sekvence AK polypeptidu pomocí kodonů a antikodonů (o 3 znacích) pro každou AK.

15

Lidské chromosomy

• morfologicky barvitelné pouze v průběhu mitózy nebo meiózy, kdy dochází ke kondenzaci

• v diploidní buňce 23 párů homologních chromosomů (22 párů autosomů a 2 pohlavní chromosomy)

16

Karyotyp podle Denverské klasifikace

17

Karyotyp člověka každý biologický druh má svou

charakteristickou chrom. výbavu (počet a morfologii) = karyotyp– u člověka mají diploidní bb. 46

chromozomů 22 párů homologních autozomů,

1 pár gomozomů (44XX nebo 44XY)

– zárodečné (vajíčko, spermie) 23 – haploidní

struktura chromozomu– centromera– telomery (raménka)

dlouhé - q krátké – p

– barvením chromozomů (např. Giems) se dosáhne charakteristického pruhování a tím rozlišení jednotlivých chromozomů

18

Genová exprese - transkripce a translace DNA

19

Dělení buněk mitóza

– 2 dceřinné buňky s diploidním počtem chromozomů

– 1 cyklus DNA replikace následuje rozdělení chromozomů a jádra (profáze prometafáze metafáze anafáze telofáze) a násl. celé buňky (cytokineze)

meióza– 1 cyklus replikace následován 2 cykly

segregace chromozomů a buněčného dělení

1. meiotické (redukční) dělení – rozdělení homologních chromozomů

významné – odehrává se zde meiotický crossing-over (rekombinace) – žádná z gamet není identická!

poruchy rozestupu – např. trisomie 2. meiotické dělení – rozestup

sesterských chromatid– 2 dceřinné buňky s haploidním počtem

chromozomů vznik pohlavních buněk (spermie,

vajíčko) dodatečné promíchání genetického

materiálu crossing-overem

20

Základní terminologie

Gen Lokus Alela Genotyp (homozygot,

heterozygot) Genom

21

Gen alela genotyp fenotyp gen – základní jednotka dědičnosti

– segment molekuly DNA, který obsahuje kód pro aminokyseliny přísl. polypeptidu a nezbytné regulační sekvence pro regulaci své exprese

exony introny promotor (5’-konec)

vazebná místa pro transkripční faktory 3’ nepřepisovaná oblast (UTR)

genové rodiny– sekvenčně podobné geny, které

vznikly zřejmě duplikací během evoluce

např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny, …

pseudogeny– podobné konkrétním genům ale

nefunkční

fenotyp – vnější projev (vyjádření) genotypu

22

Chromozomální podstata dědičnosti DNA

– nese potřebnou informaci potřebnou pro regulaci vývoje, růstu, metabolismu a reprodukce

– složena z nukleotidů (zbytek kys. fosforečné, deoxyribóza a dusíkatá báze)– molekulárně-biologické dogma

DNA RNA protein organizována v chromozomech

– chromatin+ chromozomální proteiny (histony) základní jednotky informace jsou geny

– lidský genom obsahuje cca 30 000 genů– každý le umístěn na konkrétním místě konkrétního

chromozomu = lokus genetický kód – určuje pořadí

aminokyselin v proteinu– univerzální

podobný princip u většiny živých organizmů

– tripletový trojkombinace 4 nukleotidů (A, C, G, T)

– degenerovaný 43 = 64, ale aminokyselin jen 21

23

Chromosomové a genové aberace

Chromosomové aberaceStrukturníNumerické

Genové mutaceVzácné alelyPolymorfismy

24

Chromozomální poruchy aneuploidie (změna počtu chromosomů

v sadě) porucha rozdělení sesterských

chromozomů [meiotická non-disjunkce] později během rýhování somatická

mozaika – monosomie

gonozomální Turnerův sy. (45, X0)

– trisomie autozomální

Downův sy. (47, XX/XY + 21) Edwardsův sy. (47, XX/XY +18) Patauův sy. (47, XX/XY +13)

gonozomální Klinefelterův sy. (47, XXY)

polyploidie (porucha rozdělení celých sad nebo oplození 2 spermiemi [dispermie])– u člověka neslučitelné se životem

těhotenství je potraceno molla hydatidosa (a pak těhotenství nutno

ukončit potratem) porod novorozence s triploidií – velmi časná

letalita

25

Chromatin chromozom

v nedělící se buňce je chromatin rozprostřen volně v jádře

u dělící se organizuje do viditelných chromozomů

26

Genové mutace Z hlediska patogeneze nemocí je důležité, zda se

jedná o mutace v somatických buňkách, které vznikají v průběhu života, většinou jsou buněčně nebo tkáňově specifické a nepřenášejí se na potomstvo, nebo zda jde o tzv. zárodečné mutace, které vznikají v zárodečných buňkách (vajíčko nebo spermie), stávají se součástí vrozené genetické predispozice, jsou obsaženy ve všech buňkách a přenášejí se na potomstvo.

Mutací vzniklé alely jsou v populaci z různých důvodů vzácné (např. jsou výrazně patologické a tudíž jsou z populace odstraňovány selekcí, nebo vznikly nedávno a nestačily se v populaci rozšířit) a časté (polymorfismy).

27

Typy mutací

Genové Chromosomové aberace

28

Germinativní vs. somatické mutace

Germinativní mutace přítomny ve všech buňkách. V průběhu života se nemění (genetická predispozice?)

Somatické mutace vznikají v somatických buňkách v průběhu života (maligní transformace).

29

Genové mutace

Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGU

G

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu „missense“

DNA ATGCAGCTGACCTCAGTG TACGTCGACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGCUGACCUCAGUG

PROTEIN Met-Gln-Leu-Thr-Ser-Val

Příklady-hemoglobin S u srpkovité anemie

30

Genové mutace

Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGU

G

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu „nonsense“

DNA ATGCAGGTGACCTGAGTG TACGTCCACTGGACTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUGAGUG

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Stop

Příklady: 0 thalasemie

31

Genové mutace

Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGUG

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu trinukleotidové expanze

DNA ATG(CAGCAGCAG)20CAGGTGACCTCAGTG

TAC(GTCGTCGTC)20GTCCACTGGAGTCAC

RNA AUG (CAGCAGCAG)20CAGGUGACCUCAGUG

PROTEIN Met-(Gln-Gln-Gln)20Gln-Val-Thr-Ser-Val

Příklady: Huntingtonova nemoc

32

Genové mutace

Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGUG

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu „frameshift“ (=posun čtecího rámce)

DNA ATGCAGGTGAACCTCAGTG TACGTCCACTTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGAACCUCAGUG

PROTEIN Met-Gln-Val-Asn-Leu-Ser

Příklady:

Duchennova muskulární dystrofie, 0 thalasemie, Tay-Sachsova

choroba

33

Typy mutací Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGU

G

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu „inserce“ DNA ATGCAGGTG-3000 bp-ACCTCAGTG TACGTCCAC-3000 bp-TGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUG-3000 bp- ACCUCAGUG

PROTEIN Met-Gln-Val----------------?

Příklady: velké: Hemofilie A

34

Typy mutací Normální stav DNA ATGCAGGTGACCTCAGTG TACGTCCACTGGAGTCAC

RNA AUGCAGGUGACCUCAGU

G

PROTEIN Met-Gln-Val-Thr-Ser-Val

Mutace typu „delece“ DNA ATGCAGGTG TACGTCCAC

RNA AUGCAGGUG

PROTEIN Met-Gln-Val

Příklady: malé-cystická fibróza velké: Duchennova

muskulární dystrofie

35

Monogenní nemoci

Rozvoj molekulárně biologických metod umožnil detailní analýzu genetického podkladu mnoha mendelisticky děděných, tzv. monogenních nemocí.

U těchto chorob se dědičný podklad uplatňuje jako velký faktor, tj. je přítomen prakticky u všech nemocných a jedná se prokazatelně o faktor příčinný (např. defekty v dystrofinovém genu u muskulárních dystrofií), k němuž se přidávají jen jako přídatné další faktory genetické i faktory zevního prostředí. Příčinou těchto nemocí bývají především tzv. vzácné alely

36

Čtyři základní typy dědičnosti

dominantní recesivní

autosomální

autosomálně dominantní (AD)

autosomálně recesivní (AR)

X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR)

37

Monogenní choroba

Monogenní choroba je determinována alelami v jednom lokusu.

Variantní alela, která vznikla mutací někdy v nedávné nebo vzdálené minulosti a je většinou relativně málo častá, nahrazuje původní „divokou“ alelu na jednom nebo obou chromosomech.

Má-li jedinec pár identických alel, říkáme, že je homozygot, pokud jsou alely rozdílné, jedinec je heterozygot.

Monogenní choroby mají charakteristický způsob přenosu v rodinách.

38

Monogenní nemoci

Monogenní choroby jsou primárně, i když ne výlučně, chorobami dětského věku.

Méně než 10% z nich se manifestuje po pubertě a pouhé 1% se objeví po skončení reprodukčního věku. I

V populační studii na 1 milionu živě narozených dětí byla incidence vážných monogenních chorob odhadnuta na 0,36%, u 6-8% hospitalizovaných dětí se uvažuje o monogenních chorobách.

39

Monogenní nemoci onemocnění je důsledkem mutace v jediném lokusu (= jednolokusové) přenos mutace (a fenotypu) odpovídá Mendelovým zákonům (= mendelistické

nemoci)– konstrukce rodokmenů

typy přenosu– autozomální

geny na obou autozomech aktivní– gonozomální (X-chromozom vázané)

muži hemizygotní u žen 1 X-chromozom inaktivován!!

– jiné imprinting, mozaicizmus, …

podle projevu genotypu ve fenotypu– recesivní

nemoc jen u mutovaného homozygota– dominantní

nemoc stejná u heterozygota a mutovaného homozygota– neúplně dominantní

odstupňovaná tíže nemoci u heterozygota a mutovaného homozygota– kodominantní

jak normální tak patologická alela jsou vyjádřeny ve fenotypu doposud známé shrnuje OMIM (On-line Mendelian Inheritance in Man)

– ~6000 klinicky významných fenotypů typické znaky

– časná manifestace (dětství)– malá frekvence v populaci– většinou výrazně patologické

40

Autozomální monogenní nemoci (1) recesivní = u heterozygotů s

1 mutovanou alelou stačí produkt normální k udržení normální funkce

– manifestní onemocnění u heterozygota je důsledkem:

haploinsuficience pro normální funkci je potřeba

>50% aktivního genového produktu

dominantě negativního efektu syntéza abnormálního proteinu,

který “soutěží” s normálním a ovlivňuje fenotyp (např. osteogenesis imperfecta)

zesílení funkce (“gain-of-function”) mutací je posílena přirozená

vlastnost proteinu (např. Huntingtonova chorea)

ztráty heterozygozity (loss-of-heterozigosity, LOH) v somatické buňce

např. familiární predispozice k nádorůmv důsledku mutací v supresorových genech (např. retinoblastom)

(2) pokud nestačí produkt k udržení normální funkce dominantní

nemoci jsou důsledkem jak mutací přenášených mezi generacemi tak vzniklých nově

autozomálně recesivní (AR)– velmi často enzymové defekty– postižen je mutovaný homozygot (popř.

sourozenci), heterozygotní rodiče jsou přenašeči (asymptomatičtí)

riziko 0.50 0.50 = 0.25– muži a ženy většinou postiženi stejně– frekvence přenašečů nemoci v populaci

>>> frekvence nemocných– nejčastější AR nemocí u bělochů je

cystická fibróza f nemocných 1/2000, f přenašečů 1/22 !!!

– konsanguinita (příbuzní rodiče) a imbreeding významně zvyšuje riziko AR (přenašeči v rodinách)

domluvené sňatky (např. bratranec / sestřenice)

geneticky izolované populace (např. Aškenazi židé – Tay-Sachsova choroba )

autozomálně dominantní (AD)– nemoc se projevuje v každé generaci -

postižený jedinec má postiženého rodiče (a prarodiče) a to matku nebo otce

riziko pro potomka 0.50 (pokud by byli oba rodiče postižení pak 0.75, ale to je vzácné)

– příklady nejčastějších AD familiární hypercholesterolemie (1/500), myotonická dystrofie (1/1000) Huntingtonova chorea (1/3000)

41

X-vázané monogenní nemoci ženy 3 genotypy, muži pouze 2 X-vázané nemoci se manifestují u

všech mužů, kteří zdědili mutaci, a pouze u homozygotních žen– ale výjimky viz dále

příklady– hemofilie A– Duchenneova muskulární dystrofie– Wiskott-Aldrichův syndrom

(imunodeficience) inaktivace X-chromozomu u žen

– kompenzace dávky a exprese X-vázaných genů

– hypotéza Lyonové (“lyonizace”) v somatických bb. je 1 X inaktivovaný

a v interfázi se zobrazuje jako “Barrovo” tělísko (viz sporné identifikace pohlaví)

proces je náhodný, může se týkat jak otcovského tak mateřského X

– důsledkem je variabilní exprese X-vázaných genů u heterozygotek (“manifestující přenašečka”)

funkční mozaicismus

42

Mitochondriální dědičnost Z hlediska genetiky je zásadní fakt, že mtDNA je

předávána další generaci výhradně matkou (matroklinní dědičnost), když po oplodnění jsou zachovány pouze mitochondrie lidského vajíčka. To patrně není pouhým důsledkem nepoměru počtu mitochondrií lidského oocytu (cca 100 000) a spermie (50-70), ale předpokládá se aktivní proces, který po oplození zlikviduje mitochondrie paternálního původu. Tomu odpovídá i typický maternální přenos chorob způsobených mutacemi mtDNA v rodokmenu (viz obrázek). Pokud je heteroplazmická mutace zděděna nebo k ní dojde v časných fázích embryogeneze, normální i mutovaná varianta jsou náhodně předávány při buněčném dělení dceřinným buňkám (mitotická i meiotická segregace). Distribuce a zastoupení mutované mtDNA v jednotlivých orgánech jsou proto patrně závislé na čase a vzniku mutace a rovněž na typu postižené buňky.

43

Rodokmen pro mitochondriální dědičnost

44

Polymorfismy v DNA Jako polymorfismy v DNA se označují přirozeně se

objevující změny v sekvenci DNA s více než jednou variantou-alelou, s populační frekvencí více než 1 %. Objevují se v průměru jednou na každých 1000 párů bází genomové DNA.

Asi 90 % z nich jsou polymorfismy se záměnou jednoho nukleotidu (single nucleotide polymorphisms - SNP), jejichž podstatou je substituce jedné báze.

Většina těchto polymorfismů leží v nekódujících (intronových) sekvencích, na jejichž funkční význam existují odlišné názory.

45

Polymorfismy v DNA

Kromě SNP se vyskytují také minisatelitní a mikrosatelitní polymorfismy, které vznikají v důsledku variace v  tzv. tandemových repetitivních sekvencích. Minisatelitní polymorfismy jsou obvykle dlouhé 0,1-20 kilobází, zatímco mikrosatelitní často méně než 100 párů bazí.

Většina mikrosatelitních polymorfismů jsou dinukleotidové opakovací (repeat) sekvence, jako je např. opakování motivu CA. SNP jsou obvykle bialelické (existují jen dvě alely), mikrosatelitní polymorfismy multialelické (existuje více než dvě alely). Ačkoliv většina polymorfismů je zřejmě funkčně neutrální, část z nich zřejmě má alelicky specifické účinky na regulaci genové exprese nebo funkce kódovaného proteinu, což determinuje interindividuální variabilitu v biologických znacích i vnímavost vůči nemoci.

46

Polymorfismy v DNA

Ačkoliv většina polymorfismů je zřejmě funkčně neutrální, část z nich zřejmě má alelicky specifické účinky na regulaci genové exprese nebo funkce kódovaného proteinu, což determinuje interindividuální variabilitu v biologických znacích i vnímavost vůči nemoci.

47

Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci

Za genetickou predispozici mnoha biologických procesů, evolučních adaptací a tedy také tzv. komplexních nemocí zřejmě odpovídají kombinace určitých genů a určitých faktorů zevního prostředí. Interakční efekty a vliv vnějších faktorů však nutně musíme očekávat i v případě mendelisticky děděných nemocí, což se koneckonců projevuje ve všeobecně známé lékařské zkušenosti se  širším klinickým spektrem příznaků stejného onemocnění.

48

Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci

Na odhalení nejobecnějších principů genetiky multifaktoriálních nemocí se na rozdíl od genetiky nemocí mendelistických v současné době stále ještě čeká. Také z tohoto důvodu zatím v klinické praxi často kolísá názor na výsledky genetických studií, které se snaží odhalit genetický podklad komplexních nemocí, od neodůvodněného očekávání nad nalezenými geny velkého účinku až po velkou skepsi vzhledem k existenci genetického podkladu v populaci četných nemocí ( nad 1%), jako je v kardiologii např. esenciální hypertenze. Jisté je, že pokud choroba má prokazatelně familiární výskyt, musíme očekávat podíl genetického podkladu na její manifestaci, a to i v tom případě, že není dosud dobře definován nebo dosavadní znalost nepovažujeme za přesvědčivou.

49

Komplexní (multifaktoriální, multigenní) nemoci

Jinak řečeno, v 21. století již musíme počítat s tím, že fakticky každá choroba má nějaké genetické pozadí, jehož podíl na manifestaci dané choroby je různý.

Své genetické pozadí mají i tak relativně vzdálené proximální fenotypy, jako je např. kvalita života u nemocných s chronickým kardiovaskulárním onemocněním.

50

Komplexní choroby choroby, na jejichž vzniku a progresi se podílí „komplex“

genetických, epigenetických a vnějších faktorů– fenotyp nevykazuje klasickou mendelistickou dominantní či

recesivní dědičnost jako důsledek změn v jediném lokusu (tzv. jednolokusových)

predisponující “geny” zvyšují pravděpodobnost onemocnění, ale nedeterminuje jednoznačně jeho přítomnost

– je nutné spolupůsobení negenetických faktorů (prostředí) dieta, fyzická aktivita, kouření, ….

– a interakcí genů mezi sebou komplexní onemocnění jsou charakterizována:

– neúplnou penetrancí patologického fenotypu u určité části osob, přestože zdědí nevýhodný genotyp (zde ve

smyslu souboru vícero genů) se patologický fenotyp nerozvine – existencí fenokopií

patologický fenotyp může být přítomen u lidí, kteří nejsou nosiči zmíněného genotypu

– genetickou heterogenitou (lokusovou a alelickou) klinický obraz není specifický, ale může se rozvinout v

důsledku záměn v genech ležících na různých lokusech (= lokusová heterogenita), v jednotlivých genech může být přitom vícero mutací či polymorfizmů (= alelická heterogenita)

– polygenní dědičností predispozice k rozvoji patologického fenotypu se zvyšuje pouze

při simultánním výskytu určitého souboru alel – vysokou populační frekvencí alel zodpovědných za rozvoj

patologického fenotypu každá jednotlivá predisponující alela pravděpodobně není

sama o sobě výrazně patogenní – spolupůsobením dalších mechanizmů přenosu

mitochondriální dědičnost, imprinting nejčastější komplexní nemoci

– diabetes (1. i 2. typu)– dyslipidemie– esenciální hypertenze– alergie

51

J EDNOLOKUSOVÉ NEMOCI KOMPLEXNÍ NEMOCI Závažnost nemoci, manifestace

Narušují homeostázu zásadním způsobem a porucha se objevuje brzy v průběhu života. Závažnost je pro konkrétního nositele je značná. Z hlediska populační morbidity a mortality jsou však nevýznamné!

Rovněž zásadně narušují homeostázu, ovšem efekt nastupuje postupně a efekt kulminuje v pozdějším období života. Hlavní faktor ovlivňující morbiditu a mortalitu v populaci, zejm. v rozvinutých zemích!

Interakce s prostředím

Některé se vyvinou bez ohledu na prostředí, u jiných je nutný specifický etiologický činitel (např. u fenylketonurie přítomnost fenylalaninu v dietě) nebo několik činitelů (např. oxidační stres u hemolytické anemie při G6PD deficitu).

Manifestace je pravidelně výsledkem spolupůsobení komplexu genů interagujících s prostředím během vývoje, dospívání a zejm. stárnutí.

Variabilita fenotypu

Modifikující geny, někdy pohlaví (např. heredit. hemochromatóza) a efekt prostředí činí fenotyp do jisté míry variabilní, ale ne tak jako u komplexních onemocnění; efekt hlavního patologického genu vždy dominuje a kvalitativně jsou značně homogenní.

Fenotyp je výsledkem interakce efektů jednotlivých genů, přičemž charakter interakce může být heterogenní, aditivní či multiplikativní.

Penetrance Obecně vysoká. Typicky nekompletní (avšak pojem penetrance úzce souvisí s definicí fenotypu, což je u komplexních onemocnění svébytný problém).

Populační frekvence genetických variant

Obecně velmi nízká jako důsledek vysokého selekčního tlaku; výjimku z pravidla představují nemoci, které přináší určitou selekční výhodu (např. hereditární hemoglobinopatie v malarických oblastech).

Frekvence minoritních alel jsou vyšší, často se jedná o tzv. běžné polymorfizmy. Varianty genů jsou pravděpodobně evolučně starší; evoluční konzervace je součástí lidského vývoje.

Genetická architektura

Poměrně velmi velká lokusová homogenita (tj. stejný gen), ale jsou výjimky (např. retinitis pigmentosa, Ehlers-Danlosův syndrom aj.). Typicky extrémně vysoká alelická heterogenita (tj. různé mutace) jako důsledek očišťující selekce (např. ~160 mutací u hemofilie B, ~270 mutací u cystické fibrózy, ~700 u familiární hypercholesterolemie).

J e předmětem intenzivního výzkumu. Lokusová heterogenita bude zřejmě vyšší, alelická už by nemusela být, protože zodpovědné varianty nejsou předmětem tak silné selekce (běžné polymorfizmy).

52

Během G1 fáze buněčného cyklu vnímá buňka signály z prostředí (hormony, vitaminy, látky poškozující DNA), které jí „sdělují“, zda vstoupit či nevstoupit do fáze syntézy DNA, replikace DNA a rozdělení buňky na dvě dceřinné. Jakmile se jednou buňka rozhodne replikovat DNA, následuje vždy její rozdělení. Pro buněčný růst a dělení je tedy rozhodujícím mechanismem začátek replikace DNA.

Ztráta kontroly nad syntézou DNA u rakoviny

53

Ztráta kontroly nad syntézou DNA u rakoviny Buněčný cyklus je u zdravého jedince

regulován tak, že každý buněčný typ v daném orgánu „ví“, kdy přestat s růstem. U dospělého jedince jsou téměř všechny tkáně kontinuálně regenerovány a buňky opět „vědí“, kdy přestat s dělením.

U rakoviny buňka selhává ve schopnosti přijmout nebo interpretovat signály prostředí.

54

Hypotéza typu „thrifty genotype“

V současné populaci jsou selektovány alely, které favorizují přírůstek váhy a skladování tuků, aby byl zajištěn dostatek živin pro častá období nedostatku potravy.

Při konstantně vysoké nabídce potravy a poklsu fyzické aktivity tato predispozice vede k pandemii obezity v rozvinutých zemích.

55

Genetické studie Základní debata nad genetickým podkladem nemocí

logicky začíná od strategie výběru tzv. kandidátních genů. Tato otázka je podstatně jednodušší u mendelisticky děděných nemocí, kde se změněná funkce jednoho genu snadněji identifikuje.

Dalším významným momentem je výběr statistické metodologie, která zhodnotí sílu asociace genů s chorobami. Možnosti jsou v zásadě dvě: linkage (vazebná) analýza a asociační studie. K detekci specifických genetických oblastí a genů, které se účastní v transmisi nemoci, je v principu možné použít obě metody.

56

Genetické studie

Linkage (vazebná) analýza testuje kosegregaci genového markeru a fenotypu nemoci v rodině. Čili marker a nemoc se v dané rodině mají vždy vyskytovat spolu.

57

Genetické studie

Asociační studie vyšetřují souvýskyt markeru a nemoci na populační úrovni, tj. u nepříbuzných jedinců, obvykle srovnáním frekvencí markerů u nepříbuzných nemocných a kontrolních subjektů (studie case-control). Statistickou sílu asociace je možno dále zvýšit obohacením o další kritéria, jako jsou klinické subtypy nemoci (studie case-case), závažnost nemoci, časný začátek nemoci, rizikové faktory pro nemoc včetně pohlaví a vhodné biologické znaky (např. plasmatické hladiny cytokinů při asociaci genetických polymorfismů v cytokinových genech; studie genotyp-fenotyp).

58

Model terapie hypertenze (podle Lindpaintnera, březen 2003)

A=fyziologický stav: tři molekulární mechanismy (M1, M2, M3) se podílejí na determinaci znaku (TK), B=hypertenze D1: selhání M1 (příčina/účast)C=hypertenze D1: kauzální terapie T1 (cílená na M1), D= hypertenze D3: selhání M3 (příčina účast), E=hypertenze D3, léčení T1: terapie není kauzální, F=hypertenze D1, paliativní terapie T2, cílená na M2, G=hypertenze D1, terapie T2, refrakterní varianta na T2 v M2, H= fyziologický stav: odlišný podíl M1 a M2 na normálním znaku, I = varianta hypertenze D1: selhání M1 J =varianta hypertenze D1: terapie T2

59

Děkuji vám za pozornostDěkuji vám za pozornost

?