Genetyka człowieka

Genetyka człowieka
Podstawy
1
Fenotypy badane w genetyce człowieka
W większości choroby
} 
} 
} 
} 
} 
jednogenowe (Mendlowskie)
wieloczynnikowe
nowotwory (mutacje somatyczne)
zaburzenia chromosomowe
Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej)
} 
} 
} 
} 
jednogenowe (rzadko)
markery molekularne
wieloczynnikowe
} 
np. inteligencja, cechy behawioralne
Badania obserwacyjne, nie eksperymentalne
} 
} 
2
zasada największej wiarygodności
Zależność wystąpienia objawów od wieku
Zaburzenia chromosomowe – ciąża i tuż po urodzeniu
Monogenowe – ciąża i dzieciństwo
Wieloczynnikowe – często też w późniejszym wieku (wpływ środowiska,
stylu życia)
} 
} 
} 
Gelehrter, Collins, Ginsburg: Principles of Medical Genetics, Williams & Wilkins, Baltimore 1998
3
Odziedziczalność
Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze
środowiskiem
}  Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej
wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji
} 
} 
badania bliźniąt
} 
} 
} 
badania adopcji
agregacja rodzinna
} 
4
Monozygotyczne (MZ) vs. dizygotyczne (DZ)
częstość objawów u krewnych I stopnia przewyższa obserwowaną
u dalszych krewnych i osób niespokrewnionych
Badania bliźniąt - statystyka
Model ACE: trzy składowe:
} 
} 
A (additive genetics) – suma czynników genetycznych
C (common environment) – wspólne środowisko
} 
E (unique environment) – różnice środowiska
} 
} 
Bliźnięta monozygotyczne: wspólne geny (A) i środowisko (C) – korelacja (rMZ)
szacuje A+C; E = 1 - rMZ
} 
Bliźnięta dizygotyczne: wspólne 50% genów i środowisko – korelacja (rMZ)
szacuje ½A + C
Stąd:
rMZ = A + C
} 
rDZ
1
= A+C
2
A = 2(rMZ " rDZ )
5
Badania bliźniąt
} 
Przykład
Wikimedia Commons
6
Agregacja rodzinna
Choroby afektywne (ostre cykliczne zaburzenia nastroju)
} 
} 
} 
jednobiegunowa (epizody depresyjne)
dwubiegunowa (epizody maniakalne i depresyjne)
Choroba jednobiegunowa
} 
} 
} 
} 
ryzyko w populacji ~3 % (mężczyźni) ~5-9% (kobiety)
krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~10%
stosunkowo mała odziedziczalność
Choroba dwubiegunowa
} 
} 
} 
} 
7
ryzyko w populacji ~1%
krewni I stopnia osoby chorej – ryzyko ~ 20%
istotna odziedziczalność
Cechy jednogenowe
} 
} 
} 
Prosty wzór dziedziczenia
Bardzo wysoka odziedziczalność (często ~100%)
Oprócz chorób
} 
nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym
} 
} 
markery immunologiczne (grupy krwi)
} 
} 
8
zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny,
smak PTC, itp.
układ AB0, czynnik Rh
markery molekularne
Choroby jednogenowe
Znanych jest bardzo wiele chorób jednogenowych
} 
} 
} 
~4500, z tego dla ~1700 nieznany gen
Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000 - 1/2000
urodzeń)
} 
} 
problem “chorób sierocych” (orphan diseases)
W sumie ~4/1000 żywych urodzeń
Autosomalne
} 
} 
~4100 chorób, z tego ~1600 nieznany gen
Sprzężone z X
} 
} 
~ 360 chorób, z tego ~140 nieznany gen
Sprzężone z Y
} 
} 
9 chorób, z tego 5 nieznany gen
Mitochondrialne
} 
9
Analiza rodowodów
10
Autosomalne, recesywne
Chorzy najczęściej mają zdrowych rodziców
(heterozygotyczni nosiciele)
}  Często pojedyncze przypadki w rodzinach
}  Ryzyko rośnie w przypadku związków krewniaczych
} 
http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/
11
Jednogenowe autosomalne choroby krwi
} 
Talasemie
} 
} 
mutacje null i hipomorficzne w genach globin (np. defekty
splicingu)
najczęstsze choroby jednogenowe
} 
} 
Anemia sierpowata
} 
} 
występują głównie w populacjach śródziemnomorskich (do 10% w
niektórych populacjach) i u Arabów, także w Azji
1/500 urodzeń u Afroamerykanów
Wysoka częstość w populacjach z obszarów
malarycznych – oporność na malarię heterozygot
12
Choroby jednogenowe krwi na świecie
World Health Organization
13
β-talasemia – defekt składania
Exon 1
Exon 2
1
Exon 1
Exon 2
Exon 3
579
654
β654
850
Exon 3
3ʼ ss
5ʼ ss
3'ss
(572) UCUUUCAG GGCAAUAAUGAUACAAUGUAUCAUGCCUCUUUGCACCAUUCUAAAGAAUAACAG (629)
(630) UGAUAAUUUCUGGGUUAAG GCAAUAGCAAUAUUUCUGCAUAUAAAUAUUUCUGCAUAUAAAU (695)
β-654: C -> U tworzy nowe miejsce styku 5’
14
Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill
β-talasemia – defekt składania
Exon 1
Exon 2
Exon 3
Splicing
Exon 1 Exon 2
Exon 3
Białko
Translacja
Β-globin
15
Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill
Terapia składania?
16
Mukowiscydoza
} 
Najczęstsza choroba autosomalna recesywna w populacjach Europy
północnej
} 
} 
~1/2000 urodzeń
Mutacje utraty funkcji genu CFTR
} 
} 
} 
70% delecja jednego aminokwasu, zaburzenia transportu białka do błony
15% - mutacje częste (kilkanaście)
15% - mutacje rzadkie
Wikimedia Commons
17
Choroba Tay-Sachsa
} 
Silna zależność populacyjna
} 
} 
} 
u Żydów aszkenazyjskich 1 osoba na 30 jest nosicielem, w innych grupach 1
na 300
podobnie wysoka częstość u Kanadyjczyków pochodzenia francuskiego (inna
mutacja niż u Aszkenazyjczyków) i Cajunów w USA
Defekt enzymu (heksozaminidaza A)
} 
} 
} 
18
akumulacja gangliozydów (związki lipidowe) w neuronach
neurodegeneracja
śmierć ok. 4 r. ż.
Przyczyny wysokiej częstości allelu
recesywnego w populacji
} 
Efekt założycielski
} 
} 
Przewaga heterozygot
} 
} 
} 
} 
Izolowane populacje wywodzące się z małych grup
Talasemie, anemia sierpowata - malaria
Mukowiscydoza: większa oporność na enterotoksyny
bakteryjne (np. cholera)
Choroba Tay-Sachsa: wyższa inteligencja heterozygot?? –
kontrowersyjna teoria
Kompensacja rodzicielska
} 
19
Rodzice, którzy utracili dziecko chętniej decydują się na
kolejne
Autosomalne, dominujące
} 
} 
} 
} 
Występują w każdym pokoleniu
Fenotyp homozygot często cięższy niż heterozygot
Duży udział mutacji de novo
Czynniki zmieniające wzór dziedziczenia
} 
} 
20
zmienna penetracja
zmienna ekspresyjność
http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/
Rodzinna hipercholesterolemia
Dominacja przez haploinsuficjencję
}  Mutacje w genach LDLR (receptor LDL – low density
lipoprotein) i ApoB (apolipoproteina B – część
kompleksu LDL odpowiedzialna za oddziaływanie z
receptorem)
}  Heterozygoty: podwyższony poziom LDL we krwi,
miażdżyca, choroby serca ok. 40 r. życia
} 
} 
} 
leczenie: statyny, dieta
Homozygoty: ciężkie schorzenia serca i naczyń już w
dzieciństwie
} 
21
leczenie: trudne, wysokie dawki statyn, przeszczep wątroby
Penetracja
} 
} 
} 
} 
} 
Prawdopodobieństwo wystąpienia objawów
choroby u osoby z danym genotypem (np.
zmutowany allel)
100% - typowy wzór dziedziczenia
dominującego
<100% - tzw. niepełna penetracja
Trudna do wyznaczenia
}  Wpływ środowiska, wieku, tła
genetycznego
Efekty epigenetyczne
}  Piętno genomowe wpływa na penetrację w
sposób zależny od płci rodzicielskiej
22
Ekspresyjność
} 
Ten sam odziedziczony allel może dawać różne efekty
fenotypowe u różnych osób
} 
} 
} 
Penetracja – czy będzie jakikolwiek fenotyp
Ekspresyjność – jaki będzie fenotyp
Podłoże
} 
23
Wpływ środowiska, wieku, tła genetycznego
Zespół Marfana
Dominująca mutacja w genie FBN1 kodującym
fibrylinę – białko tkanki łącznej
}  Zmutowane białko blokuje polimeryzację białka
prawidłowego
}  Defekty tkanki łącznej, aorty i zastawek serca, wysoki
wzrost, arachnodaktylia
}  Ok. 1:5 000 osób
} 
24
Ekspresyjność w zespole Marfana
4 grupy objawów:
} 
serce
aorta (rozwarstwienie - przyczyna śmierci)
} 
oko
} 
szkielet
} 
25
Sprzężenie z płcią
} 
Chromosom X
} 
} 
Nigdy nie ma przekazywania ojciec – syn
Zawsze przekazywany od ojca do córki
Jeżeli cecha recesywna, to chorują przeważnie
mężczyźni, kobiety są nosicielkami
}  Mozaikowatość heterozygotycznych kobiet
} 
26
http://www.ucl.ac.uk/~ucbhjow/
Mozaikowatość inaktywacji X
Mutacja genu
odpowiadającego
za barwę futra
(czarne lub rude)
na chromosomie X
}  U samic łaty
czarne i rude
zależnie od
inaktywacji
}  Samce albo
czarne, albo rude
} 
27
Królewska hemofilia
Wikimedia Commons
28
Dystrofie mięśniowe
} 
} 
} 
Mutacje w genie dystrofiny
– białka kompleksu
łączącego cytoszkielet,
poprzez błonę, z macierzą
zewnątrzkomórkową, błoną
podstawną
Dystrofia Duchenne’a
(DMD) – ciężka, mutacje
nullomorficzne
Dystrofia Beckera (BMD) –
lżejsza, mutacje
hipomorficzne
29
Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill
Duchenne vs. Becker
} 
} 
Wiele mutacji w DMD to mutacje nonsens
Delecja nawet całych pojedynczych eksonów daje allel hipomorficzny
(BMD) – repetytywna struktura białka
ABD
ABD
Duchenne muscular
dystrophy
Becker muscular
dystrophy
C-ter
ABD
30
Rys. © dr Zbigniew Domiński, University of North Carolina at Chapel Hill
Terapia modyfikująca składanie
31
Faza I/IIa – wstępne
badania kliniczne
32
Dziedziczenie mitochondrialne
} 
} 
} 
} 
} 
Charakterystyczny wzór rodowodu (dziedziczenie matczyne)
Najczęściej neuropatologie (w tym zaburzenia wzroku i
słuchu), miopatologie, zaburzenia metaboliczne (kwasica
mleczanowa, cukrzyca)
Mutacje punktowe, rozległe delecje lub deplecja mtDNA
Przy ciężkich mutacjach najczęściej heteroplazmia, stąd
duże zróżnicowanie objawów u różnych osób w rodzinie
(efekty progowe)
Złożone relacje genotyp/fenotyp – dana mutacja może
powodować różne objawy, a podobne objawy mogą być
wywołane różnymi mutacjami
33
mtDNA człowieka
} 
} 
} 
} 
16 568 par zasad
koduje - 13 białek łańcucha
oddechowego (z 84), 2 rRNA (16 S
i 12 S), 22 tRNA
Zwarty - brak intronów, brak lub
niewielkie obszary niekodujące
między genami, czasem brak
pełnego kodonu STOP
(wprowadzany poprzez
poliadenylację)
Dziedziczenie od matki
(mitochondria plemnika niszczone
przez mechanizm zależny od
ubikwitynacji
34
Dziedziczenie mitochondrialne
} 
} 
} 
Wyłącznie od matki
Homoplazmia – wszystkie cząsteczki mtDNA w komórce takie same
Heteroplazmia – różne allele mtDNA w tej samej komórce
} 
} 
} 
wiele kopii – efekty ilościowe, progowe
Heterogenność: różne mutacje, podobny fenotyp
Plejotropia
35
Pułapki analizy rodowodów
Niepełna penetracja
}  Plejotropia i zmienna ekspresyjność
}  Heterogenność (różne mutacje dają ten sam obraz
kliniczny)
}  Antycypacja
} 
} 
} 
} 
przy ekspansjach trójkowych
Piętno genomowe
Fenokopie (np. cukrzyca)
36
Zaburzenia chromosomowe
} 
Większość prowadzi do bardzo poważnych zaburzeń i
jest letalna – spontaniczne poronienia
37
Wada
Częstość
triploidia
10%
tetraploidia
5%
trisomia
30%
Zespół Turnera (XO)
10%
inne
5%
Razem
60%
Zaburzenia autosomów
} 
Trisomia 21 – zespół Downa
} 
} 
} 
} 
} 
Trisomia 13 – zespół Patau
} 
~1/8000 – 1/120000 urodzeń
} 
Wady rozwojowe (przepukliny, serce, czaszka i mózg)
Średnia przeżywalność: 2 dni, mniej niż 6 miesięcy, bardzo rzadko
kilkanaście lat
} 
} 
~1/800 urodzeń, zależnie od wieku matki
Częste poronienia samoistne (75%)
Zaburzenia rozwojowe, opóźnienie umysłowe
Choroby serca, otyłość, cukrzyca, Alzheimer
Trisomia 18 – zespół Edwardsa
} 
1/3000 – 1/8000 urodzeń
} 
Liczne wady rozwojowe, niedorozwój, mikrocefalia, wady serca
5% szans na przeżycie 1 r. ż.
} 
38
Wiek matki a zespół Downa
} 
W ok. 85% nondysjunkcja w oogenezie
39
Wikimedia Commons
Zaburzenia chromosomów płci - cięższe
} 
X0 – zespół Turnera
} 
} 
} 
} 
} 
~1/2500 dziewczynek
Cukrzyca 2 x częściej, nadciśnienie, osteoporoza,
niedoczynność tarczycy
Normalna długość życia
IQ na ogół normalne
XXY – zespół Klinefeltera
} 
} 
} 
} 
40
~1/1000 chłopców
Długie ręce i nogi
70% drobne problemy rozwojowe i z uczeniem
Piersi, żeńskie owłosienie, bezpłodność androgynia
} 
Zespół Klinefeltera
41
Zespół Turnera
Zaburzenia chromosomów płci - lekkie
} 
XXX
} 
} 
} 
} 
} 
Lekkie objawy ze względu na inaktywację X, zwykle brak ewidentnych
zewnętrznych objawów
Niekiedy zaburzenia cyklu menstrualnego i umiarkowane problemy rozwoju
intelektualnego, wysoki wzrost
~1/1000 dziewczynek
bardzo rzadko XXXX i XXXXX (kilkaset przypadków w historii, cięższe
objawy)
XYY
} 
} 
} 
} 
42
Zwykle brak ewidentnych zewnętrznych objawów, >90% nie wie, że ma ten
kariotyp
~1/1000 chłopców
Nieco zwiększone ryzyko opóźnień w nauce, wysoki wzrost, normalny poziom
testosteronu
Wcześniejsze doniesienia o korelacji z zachowaniem agresywnym - fałszywe
Cechy i choroby wieloczynnikowe
} 
Fenotyp powstaje przez interakcję genów (wielu) i
środowiska
} 
} 
odziedziczalność
Nie ma “genów na...”, mogą być czynniki zwiększające
ryzyko
} 
Ważne nie tylko to, o ile zwiększają, ale też jakie będą
wartości bezwzględne
} 
np. wzrost ryzyka o 100% to może być
20% -> 40% (ważne)
  1 osoba na 10 000 -> 1 osoba na 5 000 (czy naprawdę ważne?)
 
43
Zmienność genetyczna człowieka
} 
} 
44
Różnice w sekwencjach
(geny, obszary
niekodujące)
Różnice liczby kopii
Polimorfizmy sekwencyjne
Zmapowano obecnie ok. 3×106 - 10×106 pozycji, w
których występują zmiany
}  Szacuje się, że w genomie może być w sumie do
15×106 takich pozycji
}  Większość to neutralne polimorfizmy, ale poszukuje się
asocjacji z różnymi fenotypami (choroby i cechy
wieloczynnikowe)
} 
45
Różnorodność genetyczna człowieka
Projekt “1000 genomów” – poszukiwanie różnic w
genomach różnych ludzi (2500 osób)
}  Wstępne dane (2010) – 15 mln. miejsc zmiennych
}  0,5-1% genomu
} 
} 
Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży
46
Asocjacja
} 
Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli
i fenotypów) na poziomie populacji
} 
} 
} 
47
Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową?
Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną?
Czy asocjacja odkrywa “gen na ....”?
Geny na...?
48
Badanie Wellcome Trust 2005-2007
}  GWA
– genome-wide association
}  7 ważnych schorzeń wieloczynnikowych, 17
000 osób (chorych i zdrowych), 200 badaczy,
9 milionów funtów
}  Jeden z kilku dużych projektów GWA,
których wyniki opublikowano w ostatnich
latach
49
Wyniki badań Wellcome Trust - przykłady
} 
Choroba afektywna dwubiegunowa
} 
} 
Choroba wieńcowa
} 
} 
Wiele asocjacji, ale żadna bardzo istotna
Kilka loci znacznie zwiększających ryzyko, w tym locus na
chr. 9 o 50% u heterozygot i dwukrotnie u homozygot
Choroba Crohna
} 
50
Odkryto warianty w 3 genach zwiększające ryzyko (RGM,
NKX2-3 i PTPN2) oraz zawierający 7 nowych genów
obszar
Geny na...?
51
A w rzeczywistości...
Ryzyko u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5% (posiadający wariant)
>95% posiadających wariant nie zachoruje
52
Ważne!!
Asocjacja to nie jest “gen na...”!
}  Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia
diagnostycznego
} 
} 
} 
} 
Zależnie od częstości w populacji (dla rzadkich – mniej)
Może być przydatny w diagnostyce różnicowej
Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego
ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne
53
Luka odziedziczalności
“Missing heritability”
}  Klasyczne badania wykazują znaczną odziedziczalność
wielu cech wieloczynnikowych
}  Badania asocjacyjne wykazują jedynie niewielki wzrost
prawdopodobieństwa dla danego polimorfizmu (np.
badania asocjacji tłumaczą tylko 5% różnic wzrostu)
}  Za odziedziczalność złożonych cech wieloczynnikowych
odpowiadają interakcje genetyczne wielu
polimorfizmów
} 
54
Genom i wzrost
} 
Na zróżnicowanie wzrostu człowieka wpływają warianty
ponad 150 genów
GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature. 2010
467(7317):832-8.
55
“Jeden gen – jedna cecha”?
Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę
fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko
}  Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu
różnych genów
}  Powstają złożone sieci współzależności – złożoność
budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie
liczbę elementów składowych
} 
56