24. Genetika 20. a 21. století

(mutace, dědičnost člověka – metody výzkumu, genetické choroby, dědičnost pohlavně vázaná a pohlavně ovlivněná, transgenní org. a genové inženýrství a genová terapie)

1. Mutace

  •  jakákoliv dědičná změna v genetickém materiálu, jejíž příčinou není segregace či genetická rekombinace, a která při přenosu do dceřiných buněk a následujících generací dává vznik mutantním buňkách či jedincům
  • změny neprogramované, nekódované a náhodné
  • vznikají sice spontánně, ale s určitou statistickou pravděpodobností
  • jako mutace označujeme změny v DNA, jejichž frekvence je nižší než 1% (vyskytují-li se vedle sebe dvě či více forem určitého znaku, které jsou zastoupeny větším podílem než 1%, jde o polymorfismus)
  • každý člověk v průměru nese asi 5-10 negativních recesivních mutací
  • četnost mutací se různí; nejvyšší byla zaznamenána u virů
  • organismus se před nimi chrání – a to už dvoušroubovicí DNA (mutace nejčastěji zasáhne jen jeden řetězec, pak dojde k jeho reparaci na základě druhého)

zkoumání mutací:

  • Hugo de Vries – 1901: genetická informace není neměnná a za určitých podmínek může dojít k její změně (mutaci)
  • L. Stadler – radiační mutace u ječmene
  • Ch. Auerbachová – chemická mutace pomocí yperitu

mutace dělíme dle významu:

  • pozitivní- zdroj dědičné variability; dochází díky nim k selekci jedinců s původně totožnými genotypy a k vybrání těch, kteří mají výhodné znaky = evoluce
    • spoustu těchto mutací mají sportovci, projevují se např. zmenšeným sekretem kyseliny mléčné, větší vytrvalost svalů, růst svalů do extrémních velikostí.. konkrétní příklad: autozomální dominantní benigní erytrocytóza = finský lyžar E. Mantyrata má mutaci v genu pro receptor Epo a proto jeho tělo převyšovalo normu počtu červených krvinek o 25-50% = zvýšení kyslíkové kapacity organismu
    • mutace v receptoru CCR5 = znemožňuje vniknutí viru HIV do host. Buňky (receptor se nachází na povrchu bílých krvinek)
    • mutace v genu pro apolipoprotein A1 = delší průměrný věk jedinců („vychytávání“ cholesterolu z krve)
    • negativní – hromadění vadných genů, stárnutí, vznik geneticky podmíněných onemocnění, tvorba nádorů…
    • neutrální

dle výskytu:

  • gametické – vznikají v gametách nebo tkáních, ze kterých se diferencují pohlavní buňky (např. Hemofilie, krátkonohost ovcí), přenos do další generace
  • somatické – vznikají v tělních buňkách organismu (např. Mutace pupenů rostlin)

dle nadřazenosti a podřazenosti:

  • přímé – stav, kdy se vzniklý mutant jeví vůči původní formě genu jako recesivní. Jeho nositel má optimální možnost reakce na stávající podmínky prostředí. Tyto geny jsou tzv. Standardní a jsou zpravidla dominantní nad geny, které z nich mutačním procesem vznikají. Přímá mutace je proto mutací standardních genů a jsou proto recesivní. Recesivní mutací se mění dominantní forma existence genu na formu recesivní. Mutace přímé vznikají zpravidla častěji než mutace zpětné.
  • zpětné = reverzní – nově vzniklá forma genu není změnou trvalou, ale může zmutovat zpět na původní stav. Tyto mutace jsou dominantní.

dle stupně poškození:

  • vitální mutace – mutace, které vedou ke změně genotypu v příznivém smyslu, nebo se alespoň neprojevují drastickým snížením životaschopnosti a reprodukčních schopnost mutanta.
  • letální mutace – mutace, která má nepříznivé účinky a vede ke snížení životaschopnosti až letalitě. Letální efekt genu se může projevit v různých stádiích ontogenetického vývoje – může vést k zániku gamety, zygoty, embrya, plodu, mladého organismu, projevit se až v dospělosti či stáří..

dle zasažené úrovně genomu buňky:

  • genové – mutace v genech – malá změna, gen vypadne, prohodí se à chyba proteosyntézy

nově vzniklé alely jsou recesivní; vyvíjí se jen ty dominantní – přírodní výběr – např. odolnost vůči kosmickému záření, nebo (možná) homo erectus florensis

  • chromozomové
    • strukturní aberace
    • numerické aberace
  • genomové
    • aneuploidie pohlavních chromozomů: Turnerův, Klinefeltrův, XXX, XXY syndrom
    • aneuploidie tělních chromozomů: Downův, Edwardsův, Pataaův syndrom

dle zasažené části buněčného genomu:

  • jaderné
  •  mimojaderné – postihují především DNA mitochondrií či plastidu; v prokaryontních buňkách i DNA plazmidů

oproti nemutovaným standardním alelám:

  • recesivní – patří zde obvykle ztrátové mutace
  • dominantní – přinášejí schopnost vykonávat určitou novou funkci; vzácné

dle vzniku:

  • spontánní – příčinu nedokážeme vysvětlit
    • vznikají v různých genech s různou, ale pro daný gen konstantní frekvencí
    • u člověka je průměrná četnost vzniku gametické mutace na jeden gen za jednu generaci 1×10-5
  • indukované – záměrně vyvolané – nebo víme, že nastanou (např. nárůst po Černobylu o 35%)
    • vyvolávají je tzv. mutageny – indukční látky
      • fyzikální mutageny: krátkovlnné, ionizující a neionizující záření (tj. Rentgenové a radioaktivní); tepelný šok; ultrazvuk
      • chemikální mutageny = látky genotoxické: pro člověka je nebezpečných asi 60 základních typů chem. látek, především: alkylační činidla (dimethylsulfát), silná oxidační činidla (peroxidy), činidla deaminující (dusitany), činidla interkalační – jejich molekuly se vsouvají mezi páry bází v DNA (akridiny), aromatické aminy (benzidin), nitrosloučeniny, azobarviva..
      • epigenetické mutageny – látky, které DNA nepoškozují přímo = většinou naruší f-ci enzymů nezbytných pro replikaci či reparaci DNA – např. Arsen, nikl, mangan nebo antibiotika (aktinomycin D, mitomycin)
      • promutageny – samy o sobě neaktivní, na přímé mutageny se metabolizují až v buňkách (např. Policyklické aromatické uhlovodíky – benzo(a)pyren a aflatoxiny plísní
      • nejméně 80% mutagenů působí současně jako kancerogeny – rakovina je tedy somatickou mutací

Genové mutace

  • standardní alela genu může být muatcí změněna v jinou zásahem v některém místě celé své délky – tato změna může být různě rozsáhlá
  • řadí se sem i změny, při nichž se pozměňují sacharidy či fosfáty nukleotidu
  • nejčastěji jde o některou ze změn, které se týkají bází:
  • delece – ztráta jednoho či několika nukleotidů
    • nemoci: Cri du chat; Angelman syndrom; Prader-Willi s.; DiGeorgův s.
  • inzerce – vložení nadpočetného nukleotidu či nukleotidů
  • duplikace – zdvojení nukleotidu či nukleotidů
    • nemoci: Cat eye syndrom
  • substituce – záměna báze nukleotidu; např. purinová báze pyrimidinovou či naopak
  • transpozice – vzájemná výměna dvou nukleotidů v řetězci
  • inverze– vzájemná výměna nukleotidu(ů) mezi párovými (homologickými) řetězci
    • nemoci: Paataův s., Edwardův s., Sumerův s., Klinefeltrův s.
  • zařazení nepřirozeného nukleotidu, strukturně analogického nukleotidu přirozenému

dělení genových mutací:

  • bodové – všechny
  • posunové – bodové mutace, u nichž dojde k úplně změně proteinu, který je dle genové informace syntetizován, protože mutantní mRNA do něj řadí chybné AMK
  • podmíněné – ve fenotypu se projeví jen za určitých podmínek (např. za zvýšené teploty)

protoonkogeny – protoonkogeny jsou geny, jejichž mutací vznikají onkogeny, což vede k nádorové transformaci příslušné buňky

 Chromozomové aberace

dva typy:

  • strukturní aberace chromozomů
    • změna struktury chromozomu, popř. více chromozomů
    • na rozdíl od genových mutací jsou strukturní aberace chromozomů překážkou normálního průběhu meiózy – asi 6% zygot odumírá v průběhu embryonálního vývoje
    • každá změna standardní struktury chromozomu je spojena se změnou pořadí nebo i počtu genů v něm, protože je výsledkem drastického poškození jeho DNA
    • vznik: zlom chromozomu na jednom či více místech → zkrácení chromozomu
    • změny chromozomu:
      • delece – zbyde z něj fragment s centromerou, druhý fragment, bez centromery, je při příštím jaderném dělení zkrácen
      • intersticiální delece – jedno rameno chromozomu je postiženo současně dvěma zlomy, které z něj „vyštípnou“ určitou část
      • inverze – dva zlomy v ramenu, ale „vyštípnutá“ část je do něj vsazena zpět v opačném směru
      • chromozomový prstenec – vzniká kovalentním spojením obou konců DNA odlomeného fragmentu
      • translokace –  odlomená část chromozomu určitého páru se připojí ke chromozomu páru jiného

–         5% dětí s Downovým syndromem – nadbytečná část 21. autozómu je připojena ke chromozomu jiného (či téhož) páru)

  • numerické aberace chromozomů
    • změna standardního počtu chromozomů v buňce
      • polyploidie – znásobení: 3n, 3n, 5n, 6n.. každá sesta pouze z úplných chromozomových sad je euploidní
        • rostliny: šlechtění → zvětšení rostlinného organismu
        • živočichové: neobvyklá – známa u ještěrek, obojživelníků a ryb
        • aneuploidie – snížení či zvýšení jen určitých chromozomů sady, výsledkem jsou počty 2n-1 (monozomie); 2n+1 (trizomie), 2n-2, 2n+2 (tetrazomie) – výrazné omezení plodnosti + vážná choroba jedince
        • polyzomie = aberace s nadpočetným chromozomem
        • hypoploidie = aberace s chybějícím chromozomem

 

  1. Dědičnost člověka
  • stejné zákonitosti jako u ostatních organismů
  • odlišné metodické přístupy: humánní přístup – neprovádí se pokusné křížení; selekce

faktory zkoumání:

  • dlouhá generační doba
  • malý počet potomků
  • velký vliv prostředí – nenáhodný výběr – náboženství, vzdělání, výška..
  • složitý genom – 46 chromozomů – 70 000 genů, jeden gen má asi 27 000 dvojic nukleotidů
  • projekt HUGO 1990-14.4.2003: cíl:  kompletní zmapování lidského genomu = Human Geonome Mapping Organization
  • eufenika - věda, která se snaží zlepšit lidský genotyp: léčení dědičných chorob s fenotypovým projevem – tyto zásahy mohou zhoršit genetickou výbavu populace
  • eugenika - věda, která se snaží zlepšit skladbu lidské populace
  • negativní = před 2. sv. válkou; teorie genocidy..
  • pozitivní: „vypěstovat“ lepší generace nenásilně
  • inbreeding – příbuzenské sňatky (hranicí jsou společní pra-prarodiče, dále faktor ibd /Identical by descent/ klesá) – rodí se více homozygotů než heterozygotů à zvýšená rizika recesivně dědičných chorob + snížení genotypové rozmanitosti

karyotyp člověka:

  • 22 párů autozomů – homologní páry
  • 23. pár = gonozomy – heterologní: X a Y

metody výzkumu:

  • pozorování – získání údajů + statistické zpracování
  • cytogenetický výzkum
    • studium chromozomů (každý má typické proužkování) à zjištění strukturních a geonomových aberací
    • amniocentéza – odebrání plodové vody
    • až 6 % novorozenců má VVV – z toho ¼ pouze geneticky a ½ na multifaktoriálním základě – kritickým obdobím jsou první tři měsíce těhotenství – plod ohrozí alkohol, kouření,výživa..
    • geminologický výzkum – výzkum dvojčat a trojčat (jednovaječná = monozygotní = 100% geny; na 80 porodů připadají jedna dvojčata)
    • genealogický výzkum – rodokmeny
    • výzkum populací
      • nenáhodné párování – lidé mají tendence dát přednost partnerovi podobnému
      • např. Arábie, Indie – až 30% inbreeding à ++ homozygoti
      • molekulární genetický výzkum = mutační analýza
        • studium jaderné DNA – získává se většinou z periferních lymfocytů
        • zjištění genových mutací
  • dědičnost pohlaví: možnost narození chlapce či dívky je vždy 50% !
  • dědičnost krevních skupin:


–          Fenotyp A – Genotyp AA nebo A0

–          Fenotyp B – Genotyp BB nebo B0

–          Fenotyp AB – Genotyp AB

–          Fenotyp 0 – Genotyp 00

 

 

–          Rodiče A X A – Dítě – A nebo 0

–          Rodiče A X B – Dítě – A, B, AB nebo 0

–          Rodiče B X B – Dítě – B nebo 0

–          Rodiče A X 0 – Dítě – A nebo 0

–          Rodiče B X 0 – Dítě – B nebo 0

–          Rodiče AB X AB – Dítě – A, B nebo AB

–          Rodiče AB X A – Dítě – A, B nebo AB

–          Rodiče AB X B – Dítě – A, B nebo AB

–          Rodiče AB X 0 – Dítě – A nebo B

–          Rodiče 0 X 0 – Dítě – pouze 0

 

1. Choroby s dědičnou dispozicí

  • polygenní dědičnost + velký vliv prostředí ovzduší, váha, strava, stres, kouření, pohyb..
  • předcházení: „ochranný rodinný život“ – dobré je vědět, co za nemoci v rodině máme
  • alergie, astma, exémy, senná rýma, esenciální hypertenze, vředové choroby, křečové žíly, cukrovka II. typu, nádorová onemocnění; neurózy

2. Vlastní dědičné choroby

  • monogenní dědičnost, prostředí nemá vliv = vznikají mutacemi
  • autosomální

Choroby autozomálně recesivně dědičné -> výskyt obgeneraci: (onemocní recesivní homozygoti: aa x Aa = 50% aa   Aa x Aa = 25% aa)

  • cystická fibróza – mutace CFTR genu – je kódován na vadný protein à nefunkčnost membránových iontových kanálků v postižení buňkách à postihuje pankreas, játra = velké pocení, ztráta vody; žlázy produkují hleny, trubice se ucpávají.. jedinci umírají okolo 20 let – muži neplodní, ženy mohou mít sníženou plodnost (1:2500)
  • fenylketonurie – vrozená porucha metabolismu AMK fenylalaninu – nelze pro něj syntetizovat enzym, který jej změní na tyroxin à jeho hladina stoupá a odbourá se na jiné produkty = poškození CNS; mentální zaostalost (1:10 000)
  • galaktosemie – chybí enzym pro trávení galaktózy, ta se hromadí a metabolizuje se na galaktitol – toxický pro játra, mozek, ledviny, oční čočky, slepota, bolesti, zvracení, průjmy, jídlo není dobře stráveno; mléčná dieta (1:60 000)
  • albinismus – neschopnost syntézy melaninu bílá kůže, červené oči (průsvitná cévnatka)
  • leprechaunismus: velmi vzácné; groteskní tvář; smrt za měsíce až pár let
  • Friedrichova ataxie – vyvolána zmnožením trinukleotidových repetic (Ataxie = poškozená koordinace pohybů) à ztížená řeč
  • choroby autozomálně dominantně dědičné

Aa x Aa = 75% Aa, 25% aa     aa x Aa = 50% Aa

  • familiární hypercholesterolemie – mutace genu kódujícího membránový receptor pro LDL à kumulace LDL a cholesterolu = poškození cév; infarkt myokardu – postiženi jsou většinou heterozygoti; homozygoti jsou postiženi velmi těžce (1:1500)
  • syndaktylie = srůst článků
  • polydaktylie = zmnožení článků
  • brachydaktylie = krátké, zavalité prsty + malý vzrůst
  • arachnodaktylie = dlouhé a tenké prsty i ostatní končetiny (součást Marfanova s.)
  • Huntingtonova choroba – zmnožení CAG tripletů: onemocnění se projeví, je-li jich více než 40. Nástup okolo 40 let, způsobuje degenerativní změny mozku + motorický poruchy (neúčelné pohyby – chorea, demence, změny osobnosti) (1:15 000)
  • Marfanův syndrom – arachnodaktylie + nadměrný vzrůst, úzký obličej, prominující nos, srdeční vady
  • Leidenská mutace – heterozygoti: zvýšené riziko trombofilie; homozygoti: mnohem více zatíženi
  • Osteogeensis imperfekta – dědičná porucha kolagenu
  • Achondroplasie – častěji muži; postižení dlouhých kostí – útlum enchondrální osifikace

–          gonosomální

  • gonosomálně dominantně dědičné choroby (GD)
  • postiženi muži i ženy, které jsou nejčastěji Aa, jsou postiženy 2x častěji
  • vázány na chromosomu X = dědičnost X-vázaná
  • otec nemocný à zdraví synové, nemocné dcery
    • rachitida = křivice (špatný metabolismus vitamínu D)
    • gonosomálně recesivně dědičné choroby
    • přenos sledovaného znaku, častěji v X = X-vázaná dědičnost
    • daleko větší počet nemocných mužů než žen, ty jsou v drtivé většině pouze přenašečky
      • Hemofilie – vrozená nesrážlivost krve à krávecní do měkkých tkání, svalů i kloubů
        • A: podmíněná dysfunkcí srážlivého faktoru Viii
        • B: nedostatek faktoru IX
        • Daltonismus – jedna z vrozených příčin barvosleposti – chybí, nebo je omezena schopnost rozlišit barvy – nejčastěji červenou a zelenou
        • Svalové dystrofie– svalová slabost à špatná motorika; hypertrofická lýtka
          • Duchennova (DMD) – smrt kolem 20 let
          • Beckerova (BMD)

–          mitochondriálně dědičné choroby

  • mutace v mDNA – dědí se jen po matce
  • porucha energetické f-ce mitochondrie à poruchy energeticky náročných orgánů (NS, zrakové ústrojí)
  • nástup v dospělém věku
    • Leberova atrofie optiku – rychlá slepota – atrofie zrakového nervu; častější u chlapců

 

–          Vrozené vývojové vady

  • Odchylky od normálního prenatálního vývoje patologické pro svého nositele
  • Narušují jak strukturu, tak f-ci orgánů
  • Zapříčiněny genetickými faktory, faktory vnějšího prostředí či oběma skupinami
  • Škála od vad kosmetických až po letální – smrt in-utero i po narození
  • V ČR možnost ukončit těhotenství z genetických důvodu do 24. týdne
  • 4 skupiny:
    • Malformace – znetvoření
    • Disrupce – narušení vývoje orgánu, jehož vývoj byl původně normální
    • Deformace – abnormální síla zasáhne do zdravého orgánu
    • Dysplasie – abnormální uspořádání buněk

 

  1. Genové inženýrství

–         široká škála úspěšných výsledků:

  • objev a dalším výzkum nejrůznějších molekulárních jevů a dějů (např. Existence intronů v eukaryontních genech či složitého genového pozadí prakticky neomezené variability specifických protilátek proti různým antigenům)
  • biotechnologie – výroba nové generace vakcín, produkce čistých lidských hormonů bakteriemi a kvasinkami (inzulin – E. Coli) …
  •  získávání mimořádně čistých chemických látek (AMK, enzymy, alkaloidy, steroidy)

–         konkrétní příklady užitečných genových produktů:

  • erytropoetin → léčba chudokrevnosti
  • faktor srážlivosti krve VIII → léčba hemofilie
  • interferon ghama → léčba zhoubných nádorů
  • vakcína proti žloutence typu B → léčba žloutenky typu B
  • somatotropin → léčba trpasličího vzrůstu
  • inzulin → léčba cukrovky
  • tkáňový aktivátor plazminogenu → léčba infarktu myokardu

 

  1. Transgenní organismy

–         Transgenní rostliny

  • vyšlechtěny rekombinací DNA
  • kulturní rostliny (rajčata, tabák, zelí atd..) jsou po začlenění genu, který řídí syntézu bílkovinné látky, toxické pro larvy motýlů, ale  neškodné pro člověka (není tedy třeba používat insekticidy, které pro člověka nebezpečné jsou)
  • stejně to funguje se začleněním specifických genů proti mikrobiální škůdcům (rzím, plísním, hlístům) u kulturních rostlin a ovocných stromů
  • odolnost proti virům
  • větší obsah výživných proteinů: fazole, obilniny
  • větší obsah škrobu: bramborové hlízy
  • kávové boby: bez kofeinu
  • pevnější dužina: rajčat
  • nižší obsah fruktosy: rajčata
  • léčivé látky v ovoci..

–         Transgenní živočichové

  • metodicky náročnější než rostliny
  • jádra vaječné buňky: oplození in vitro
  • vyšlechtění takových krav, jejichž mléko by obsahovalo léčivé látky, které je jinak nutno polykat v tabletách apod..

–         Transgenní bakterie

  • získávání vzácných kovů z chudých rud
  • likvidace odpadních látek a nežádoucích škodllivin ve vodách i v půdě
  1. Genová terapie
  • výzkum přímé nápravy genových mutací v genomu člověka → kauzální (příčinné) léčení lidských molekulárních dědičných chorob
  • realizační možnosti tohoto léčení jsou ovšem zatím velmi omezené, a to především proto, že pro ně přicházejí v úvahu jen ty buňky, které se v organismu čile množí – nejvhodnější jsou kmenové krvetvorné buňky kostní dřeně, buňky kožní a buňky některých epitelů vnitřních orgánů
  • praxe zatím bohužel ukazuje, že korigované buňky z tkáně zpravidla postupně vymizí, a tak je nutno genovou terapii periodicky opakovat
  • genová terapie je však stále ve fázi vývoje
  • nyní se aplikuje především k léčbě cystické fibrózy a nádorových onemocnění, vyplývajících z mutací konkrétních genů
  • asi 15% probíhajících výzkumných projektů se váže k chorobám s polygenní genovou dispozicí (např. k esenciální hypertenzi a cévním poruchám)
  • postup genové terapie lze využít i k obohacení genomů přídatnými, nepřirozenými geny, a tím i novými funkcemi: ve vývoji je možnost obohacování lidských genomů genem, jehož produkt nedovoluje replikaci viru HIV; rakoviny prsu…

6. Objevy v oblasti genetiky ve 20. a 21. století:

  • 1900 – dochází ke znovuobjevení Mendlovy práce.
  • 1901 –  H.. de Vries a H.J.Muller se zabývají studiem mutací a mutagenů.
  • 1906  W. Baterson  zavádí pojem „genetika“, „homozyt“ a „heterozygot“ na Mezinárodní genetické konferenci o šlechtění rostlin v Londýně.
  • 1909 - T. H. Morgan  začíná pracovat s octomilkami (Drosophilla melanogaster). Pomocí nich dokázal lokalizaci genů na chromozomech a zjistil, že vázané geny jsou uložené na jednom páru homologických chromozomů. Jejich soubor tvoří vazebnou skupinu.
  • 1915  – Prof. V. Růžička  zakládá první české eugenické pracoviště v Praze.
  • 1922  – koná se vědecké shromáždění v Brně u příležitosti stého výročí Mendlova narození.
  • 1942 – Ch. Auerbachová zkoumá chemické mutageneze pomocí yperitu.
  • 1953 – objev struktury DNA J. Wattsonem a F. Crickem Ti navrhli strukturu DNA na základě rentgenových analýz R. Franklinovou a M. H. F. Wilkinsonem.
  • 1956 – J. H. Tijo  a A. Levan poprvé správně stanovují počet chromozomů v lidském karyotypu. Doposud se věřilo, že lidé mají 48 chromozomů.
  • 2001 – publikován první draft sekvence lidského genomu
  • 2003  – dokončeno přečtení sekvence celého lidského genomu.

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Můžete používat následující HTML značky a atributy: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>