Mutacje

advertisement
Anna Sułek
Pracownia Molekularnych Podstaw Chorób Neurodegeneracyjnych
Zakład Genetyki, IPiN
Sformułował podstawowe prawa dziedziczenia,
przeprowadzając badania nad krzyżowaniem roślin,
głównie grochu zwyczajnego (Pisum sativum), których wyniki
ogłosił w 1865 roku na posiedzeniu lokalnego towarzystwa
naukowego w Brnie. W 1866 roku opublikował je drukiem w
artykule Badania nad mieszańcami roślin.
Jego odkrycia początkowo nie uzyskały rozgłosu i dopiero w
roku 1900 trzej uczeni Hugo de Vries, Carl Correns i Erich
Tschermak, niezależnie potwierdzili wyniki jego prac
1868 (1871) – Friedrich Miescher – nukleina (białko + inna nieznana
substancja)
1889 – Richard Altmann – oddzielenie białka i kw. nukleinowego
do 1929 – Phoebus Levene – ustalenie składu chemicznego kw.
nukleinowych
lata 1927-1943 – Fred Griffin, Oswald Avery – prace fizjologiczne na
bakteriach: DNA jako czynnik transformujący
1953 – J. Watson, F. Crick – podwójna helisa model struktury
wynikający z modelu sposób replikacji cząsteczek DNA
Podstawowe właściwości związku chemicznego - nośnika informacji
genetycznej:
- zdolność do wytwarzania w procesie replikacji kopii cząsteczek
- zdolność do kierowania syntezą i wyznaczania pierwszorzędowej
struktury białek
Nukleotyd – jednostka monomeryczna
Cukier – 2’deoksyryboza
Zasady azotowe:
– dwupierścieniowe puryny: adenina i guanina
- jednopierścieniowe pirymidyny: cytozyna i tymina
Grupy fosforanowe
Helisa DNA jest prawoskrętna
Puryna łączy się wyłącznie z
pirymidyną
Wiązania wodorowe stabilizują
dwuniciową helisę
RNA jest jednoniciowy
Cukier – ryboza
Zasada – uracyl
- Transportujący RNA
- Rybosomowy RNA
- Informacyjny RNA
Proces semikonserwatywny
Replikacja DNA zachodzi przed podziałem komórkowym
DNA ulega powieleniu w kierunku od 5’ końca do 3’ końca
Proces katalizują enzymy zwane polimerazami DNA
Mechanizmy korekcyjne – 1 nukleotyd na 5 miliardów jest wbudowywany
nieprawidłowo
6111192
Copyright © motifolio.com
Etapy replikacji
• Rozplecenie dwuniciowej helisy – helikaza, białka SSB tworzą bąble replikacyjne
• Inicjacja replikacji – starterowy odcinek RNA (prymaza)
• Synteza nici wiodącej i opóźnionej (fragmenty Okazaki)
W typowej komórce ssaków znajduje się 40-100 000 replikonów a każdy replikuje
40-200 kpz DNA. Jako pierwsze replikują się regiony aktywne transkrypcyjnie
Replication bubble
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Local opening of DNA helix
RNA primer synthesis
New DNA chain starts
leading-strand synthesis
RNA primers start additional
New DNA chains
Copyrigt ©
motifolio.com
Przepływ informacji genetycznej – ujęcie klasyczne
Jądro
komórkowe
cytoplazma
Przepływ informacji genetycznej – ujęcie współczesne
mRNA
Regulatorowe
RNA
DNA
białka
Transkrypcja zachodzi od 5’ do 3’ końca z nici matrycowej (antysensownej)
INICJACJA – miejscem startu transkrypcji musi być początek genu –
sekwencja zasad promotora, przyłączenie polimeraz RNA
Polimeraza II transkrybuje geny kodujące białka, do przyłączenia
wymaga określonych sekwencji promotora np. kasety TATA oraz
czynników transkrypcyjnych np. TFIIA, TFIIB
Inne sekwencje zawarte w promotorze: CCAAAT, sekwencje
wzmacniające (enhancer), sekwencje wyciszające (silencer)
ELONGACJA – rozplatanie nici DNA na odcinku kilkunastu par zasad
Synteza RNA
TERMINACJA – lepiej poznana u Procaryota. Być może dysocjacja
jakiegoś czynnika transkrypcyjnego destabilizuje kompleks
transkrypcyjny
Splicing – usuwanie intronów z pre-mRNA, katalizowane przez snRNP
Blokowanie końca 5’ – capping,
Poliadenylacja – polimeraza poliA dołącza ciąg reszt adenylowych
Informacyjny RNA jest bezpośrednia matrycą do syntezy białka
Pierwsze dwa nukleotydy po stronie 5’ intronu to GT a ostanie po stronie 3’ to AG
• mRNA
• 31-40 rodzajów tRNA
• Mała podjednostka rybosomu
• Duża podjednostka rybosomu
• Czynniki elongacyjne
Inicjacja – wiązanie małej podjednostki rybosomowej w obrębie 5’ czapeczki,
pierwszy czytany kodon to AUG – kodon start, przyłączenie transferowego
tRNAfMet
Elongacja – przyłączenie dużej podjednostki rybosomowej
Miejsce P- miejsce peptydylowe, miejsce A – miejsce aminoacylowe
Terminacja – kodon STOP, czynnik eRF
Potranslacyjne modyfikacje:
• Przyłączanie grup chemicznych: metylacja, fosforylacja, acetylacja,
hydroksylacja, lipidy, oligosacharydy (glikozylacja)
• Rozcinanie łańcuchów polipeptydowych: usuwanie pojedynczych
aminokwasów, wewnętrznych fragmentów peptydowych, sekwencji
sygnałowej białek sekrecyjnych, rozcinanie na mniejsze peptydy
• Ok. 15% genów ulega ekspresji w pojedynczej komórce
• Regulacja ekspresji na poziomie transkrypcji odbywa się poprzez wiązanie
białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi
• Domena wiążąca DNA(np. palce cynkowe)
• Domena odpowiedzialna z a dimeryzację (np. zamek leucynowy)
• Domena transaktywująca (bogata np. w kwaśne aminokwasy)
• Regulacja ekspresji przez:
• Hormony
• Cytokiny
• Interferencja RNA – na poziomie potranskrypcyjnym
Cell cycle
Chromosome
replication and
cell growth
Cell
division
Cell
Cycle
S
M
Chromosome
separation
5111181
Copyright © motifolio.com
Comparison of Mitosis and Meiosis
Parent cell
Mitosis
Meiosis
(before chromosome replication)
Meiosis I
Prophase
Prophase I
Chromosome
replication
Duplicated
Chromosome
(2 sister chromatids)
2n = 4
Metaphase
Chromosomes align
at the metaphase plate
Anaphase
Telophase
Tetrads formed by
synapsis of homologous
chromosomes
Tetrads align
at the metaphase plate
Metaphase I
Anaphase I
Telophase I
Homologous
chromosomes
separate
Sister chromatids
separate during
anaphase
2n
Sister
chromatids
Remain together
2n
Daughter cells of mitosis
5111189
Chromosome
replication
Sister
chromatids
separate
during
anaphase II
Meiosis II
n
n
n
Daughter cells of meiosis II
n
Struktura genomu człowieka
GENOM JĄDROWY – 3 miliardy nukleotydów
GENOM MITOCHONDRIALNY – 15 tysięcy nukleotydów
Sekwencje powtórzone
45%
Geny – 1,5%
ok. 25 000
Sekwencje
rozproszone
Krótkie
SINES
Długie
LINES
Inne - 44%
Sekwencje
tandemowe
minisatelity
mikrosatelity
 Genom człowieka – 3 miliardy par zasad
 20-23 tysięcy genów
 23 chromosomy – 55-250 mln par zasad
 Polimorfizmy – ok 10 mln – 1/300 par zasad
Rodziny genów:
 wszystkie geny zlokalizowane w tym samym locus chromosomowym
(rodzina hormonów wzrostu – 5 genów, chromosom 17)
 geny należące do rodziny w różnych loci – 5 genów rodziny aldolaz na
różnych chromosomach
 Serie zespołów genów na różnych chromosomów – np. geny homeotyczne
Największą rodzinę u człowieka stanowi 737 genów kodujących
receptory rodopsynopodobne sprzężone z białkiem G – białka
identyfikujące specyficzne cząsteczki na zewnątrz komórki
Pseudogeny:
Zmutowane wersje genu wyjściowego
Pozagenowy DNA
Stanowi większość DNA genomowego
rozproszone sekwencje powtórzone (SINE, LINE)
zespoły sekwencji powtórzonych – satelitarne DNA
Chromatyna – DNA+białka
Heterochtomatyna – nieaktywna
Euchromatyna – aktywna
Poliploidia
Aneuploidia
Mozaikowatość
Aberracje chromosomowe
• aberracje liczbowe
• aberracje strukturalne
• Inne aberracje
Mutacje
• Mutacje punktowe
• Mutacje dynamiczne
33% ogółu stwierdzanych aberracji
Typ chromosomu
Nr
chromosomu
Przybliżona częstość
występowania
Zespół Patau
13
1:15 000
Zespół Edwardsa
18
1:5 000
Zespół Downa
21
1:600
X0
1:3 000 dziewczynek
Zespół Klinefeltera
XXY
1:700 chłopców
Zespół potrójnego chromosomu X
XXX
1:2 000
AUTOSOMY
CHROMOSOMY PŁCI
Zespół Turnera
Najczęściej występujące objawy aberracji chromosomowych to:
• Opóźnienie rozwoju somatycznego
• Dysmorfia w budowie ciała
• Mnogie wady rozwojowe
• Niepełnosprawność intelektualna
Duplikacja jest zazwyczaj mniej groźna niż delecja - trisomie vs monosomie
Duplikacja w autosomach cięższa niż w chromosomach płci
Monosomie autosomów są letalne
Monosomia X jest zazwyczaj letalna
Aberracje zrównoważone – nie mają zazwyczaj wpływu na fenotyp (u
potomstwa inaczej)
Mutacja punktowa to zmiana jednego nukleotydu na inny (też delecje i insercje)
Tranzycja: pirymidyna na pirymidynę (C – T), puryny na purynę A – G
Transwersja:
• pirymidyna na purynę (T-A, T-G, C-A, C-G)
• Puryna na pirymidę (A-T, A-C, G-T, G-C)
Zmiana nukleotydu powodująca zmianę aminokwasu – missense
Zmiana nukleotydu powodująca utworzenie kodonu STOP – nonsense
Delecja/insercja powodująca zmianę ramki odczytu - frameshift
Zmienność mutacyjna jest
podstawą procesów ewolucyjnych
Gen to jednostka informacji, odpowiada określonemu segmentowi DNA,
kodującemu określoną sekwencję aminokwasów lub cząsteczki RNA
Wielkość genów jest różna i waha się od kilkudziesięciu do kilku milionów
par zasad
Białko kodowane przez gen
Liczba
eksonów
Wielkość
genu bp
Wielkość
białka
Histon H1
1
585
195
Insulina
3
1430
51
Hydroksylaza fenyloalaninowa
13
90 000
451
CFTR (mukowiscydoza)
27
250 000
1480
Czynnik koagulacyjny VIII
26
189 000
26
Dystrofina
79
24 000 000
3685
Tityna (koneksyna)
363
280 000
38138
POJĘCIA:
fenotyp,
linia czysta,
dominacja
Krzyżówka jednocechowa
Stosunek 3:1
Częściowa lub niepełna dominacja
Allele letalne
Allele wielokrotne
Krzyżówka dwucechowa
Dwie niezależne cechy kodowane
przez dwa geny mające różny
charakter
Epistaza – geny kodujące szlak
biosyntetyczny
Jeśli dwa geny są sprzężone to ich
allele nie segregują niezależnie
Rekombinacja – proces, który prowadzi
do powstania nowych kombinacji
genetycznych w trakcie mejozy
Mutacje – dziedziczne zmiany w sekwencji DNA
Wierność replikacji jest wysoka – 1 błąd na 1010 par zasad
sprawdzanie i korekta przez egzonukleazę 3’-5’
funkcjonowanie aparatu naprawy
Mutageny fizyczne – promieniowanie jonizujące
Mutageny chemiczne – czynniki alkilujące, arylujące, kwas
azotawy
Uszkodzenia DNA – chemiczna reaktywność z egzogennymi
związkami może powodować zmiany w strukturze
(oksydacja, alkilacja, związki addycyjne)
Zmiany letalne – zaburzenie replikacji i transkrypcji
Mutacje
GENOTYP – FENOTYP
Rodzaj i lokalizacja mutacji w danym genie (DMD/BMD)
Funkcja genu w zależności od tkanki (ch. Hirschsprunga/rdzeniasty rak tarczycy)
Kilka genów (stwardnienie guzowate, wielotorbielowatość nerek)
Cecha jednogenowa
Zmiany polimorficzne
Środowisko
Cecha oligo-, poligenowa
Imprinting – piętnowanie genomowe
Monoalleliczna ekspresja genu – np. w przypadku chromosomów XY
Imprinting jest mechanizmem równoważącym dawkę genu
Mechanizm wyciszania alleli polega zazwyczaj na metylacji fragmentu DNA
Wzór metylacji jest specyficzny jest specyficzny dla komórek rozrodczych
(inny dla plemnika, inny dla komórki jajowej), po zapłodnieniu jest
wymazywany i nadawany na nowo.
Wzór metylacji jest tkankowo specyficzny a jego regulacja odgrywa rolę w
rozwoju osobniczym.
Charakter losowy: inaktywacja jednego chromosomu X
Charakter rodzicielski: uzależniony od matczynego bądź ojcowskiego pochodzenia
Brak ekspresji informacji genetycznej
pochodzenia ojcowskiego:
- Zespół Pradera-Willego
- Kociego krzyku
- Millera-Dickera
-
Beckwitha-Wiedemanna
Brak ekspresji informacji genetycznej
pochodzenia matczynego:
- Zespół Angelmana
- Di George’a
- Zespół włosowo-nosowo-paliczkowy
CHOROBY GENETYCZNIE UWARUNKOWANE
• ZABURZENIA CHROMOSOMOWE
zmiany liczby
zmiany strukturalne
• CHOROBY JEDNOGENOWE (monogenowe)
zmiany w pojedynczych genach, różne sposoby dziedziczenia
• CHOROBY WIELOCZYNNIKOWE
wiele współdziałających genów, brak typowego mendlowskiego wzoru
dziedziczenia
Choroby dziedziczone w sposób autosomalny dominujący – przykłady
• Neurofibromatoza I
• Choroba Huntingtona
• Rodzinna hipercholesterolemia
*Cechy charakterystyczne dziedziczenia AD
* Objawy choroby ujawniają się bez względu na płeć
* Choroba ujawnia się u heterozygot
* Stan homozygotyczności zazwyczaj prowadzi do bardzo
ciężkiej postaci choroby
* Ryzyko ponownego urodzenia chorego dziecka wynosi 50%
* Zmienna ekspresja
* Niepełna penetracja
* Mozaikowość germinalna
Choroby dziedziczone w sposób autosomalny recesywny – przykłady
• Mukowiscydoza
• Talasemia
• Fenyloketonuria
*Cechy charakterystyczne dziedziczenia AR
*Objawy choroby ujawniają się bez względu na płeć
*Rodzice chorego dziecka są bezobjawowymi
nosicielami mutacji
*Ryzyko ponownego urodzenia chorego dziecka
wynosi 25%
*Duże prawdopodobieństwo pokrewieństwa
pomiędzy rodzicami
*Wszystkie dzieci osoby chorej są obligatoryjnymi
nosicielami mutacji
Choroby recesywnie sprzężone z płcią:
- Dystrofia mięśniowa Duchenne’a/Beckera
- Hemofilia A i B
- Daltonizm
- Zespół Kennedy’ego rdzeniowo-opuszkowy zanik mięśni
*Cechy charakterystyczne dla dziedziczenia AR
sprzężonego z płcią
* Chorują wyłącznie mężczyźni
* Kobiety nosicielki mutacji na X nie wykazują cech choroby
* Brak dziedziczenia z ojca na syna – wszyscy synowie chorego
ojca są zdrowi
* Wszystkie córki chorego ojca są nosicielkami mutacji
*Cechy charakterystyczne dla dziedziczenia AD
sprzężonego z płcią
* Chorują kobiety i mężczyźni
* U kobiet objawy choroby mogą być słabiej wyrażone
* Brak dziedziczenia z ojca na syna – wszyscy synowie chorego
ojca są zdrowi
* Wszystkie córki chorego ojca będą chore
* Chora kobieta ma 50% ryzyko, że jej potomstwo będzie chore
* Często choroby letalne dla płci męskiej
*Cechy charakterystyczne dziedziczenia
mitochondrialnego
* Objawy choroby ujawniają się bez względu na płeć
* Choroby mitochondrialne przekazywane są wyłącznie w linii
żeńskiej - chory ojciec nie przekazuje choroby
* Chora matka zawsze przekazuje mutację
* Specyficzność tkankowa
* Nasilanie się objawów z wiekiem
 Zanik nerwów wzrokowych Lebera
 Neuropatie, miopatie, encefalopatie
Genom mitochondrialny – 16 569 pz
W komórce jajowej znajduje się ok. 100 000 cząsteczek mtDNA
Ze względu na losową segregację mitochondrialnego DNA – duża
heterogenność objawów
Objawy kliniczne mogą dotyczyć wszystkich układów i narządów
Uważa się, że jeśli mutacje dotyczą genów kodujących tRNA (mutacje
punktowe) musi ich być 95% a w przypadku delecji – 60%
Wiele zaburzeń pojawia się dopiero w wieku dorosłym
Mutacja genu 12S rRNA + antybiotyki aminoglikozydowe - głuchota u dzieci
śr. wiek zach. 5 lat
Specyficzność tkankowa – na niedobory tlenu wrażliwe są najbardziej
komórki nerwowe, komórki mięśni szkieletowych i gruczołów
wydzielniczych.
Zjawisko heteroplazmii – nie we wszystkich chorobach, Zespół Lebera i
głuchota – 100% mutacji
Choroby, które wykazują rodzinne występowanie, ale ich rozkład
genetyczny nie wykazuje mendlowskiej segregacji cech
Choroby wieloczynnikowe = wiele genów + środowisko
Etiologia chorób kompleksowych może być oligenowa, poligenowa i
wieloczynnikowa
Cechy (choroby)wieloczynnikowe:
cechy jakościowe – cecha/brak cechy
cechy ilościowe – reprezentowane przez parametry mierzalne
(stężenie glukozy, wzrost)
Common disorders – wysoka częstość populacyjna
Choroby nowotworowe
Choroby psychiczne
Choroby układu krążenia
• Interakcja genotypu i środowiska
• Interakcje genów
• Wzory segregacji odbiegające od mendlowskich modeli
• Obecność alleli wielokrotnych
Brak homogenności badanych grup!
CYKRZYCA INSULINOZALEŻNA – IDDM1, IDMM2, locus DQ, inne
CHOROBA HIRSCHSPRUNGA – protoonkogen RET, endotelina i
receptor endoteliny receptor alfa dla glejopochodnego czynnika
neurotropowego, SOX 10, inne
ASTMA – geny kodujące
receptory o dużym i
małym powinowactwie
do IgE, interferonu
gamma, limfocytów T
(TCR); geny układu HLA;
zespołu interleukin,
czynników wzrostowych i
inne
Poradnictwo genetyczne
Diagnoza: fenotypowa, genotypowa, określenie
wielkości ryzyka
Ryzyko: uwzględnienie czynników
modyfikujących
penetracja
Mozaicyzm germinalny
imprinting
Populacyjne ryzyko: empiryczna częstość
występowania wady
Przykład zastosowania sekwencji mikrosatelitarnych w praktyce
•
Jakość i wiarygodność
•
Profesjonalna porada
•
Dobrowolność
•
Poufność
•
Zakaz dyskryminacji
Prawo a testy genetyczne
Kraje obszaru niemieckojęzycznego: Austria, Szwajcaria, Niemcy –
Gendiagnostikgesetz 2009;
Portugalia, Francja, Szwecja, Norwegia, Hiszpania, Dania, Łotwa,
Estonia
POLSKA: ustawa o diagnostyce laboratoryjnej, o zawodzie lekarza i
dentysty, ustawa transplantacyjna, prawo farmaceutyczne, ustawa
o prawach pacjenta
2012 r. projekt ustawy – celem regulacji jest zwiększenie
wiarygodności i bezpieczeństwa badań genetycznych
Ustawa utknęła w Ministerstwie Zdrowia
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Create flashcards