Stabilitatea adn si conservatorismul ereditar

STABILITATEA ADN SI CONSERVATORISMUL EREDITAR

genetica clasica - ereditatea are doua aspecte - fete ale aceluiasi fenomen:

- conservatorismul ereditar = stabilitatea caracterelor ereditare

- variabilitatea = modificare a caracterului salbatec intr-unul mutant

o       conservatorismul - mult mai puternic / constant

o       variabilitatea - exceptie rara

o       echilibrul conservatorismul (stabilitatea) - variabilitatea (instabilitatea)

consrvatorismul este datorat

o       selectiei naturale => eliminarea variantelor neavantajoase

afecteaza vitalitatea, fertilitatea, natalitatea sau adaptabilitatea

o       stabilitatii termodinamice crescute a moleculei de ADN

o       existentei unor cai metabolice care repara leziunile moleculei de ADN

1. STABILITATEA TERMODINAMICA CRESCUTA A MOLECULEI DE ADN

demonstrata de pastrarea partiala a unor secvente in osteoplaste

o       specii din ordinul dinosaurieni (circa 65-200 de milioane de ani in urma)

aplicabilitate practica

o       documentarea evolutiei la nivel molecular

o       identificarea persoanelor disparute

o       diagnosticul postmortem al unei boli ereditare

Determinismul stabilitatii moleculare a ADN   

- 1. Legaturile de H transversale - permite legarea specifica pb = complementaritate

o       cromosomul 21 = 4,6 x 10⁷ pb 11,5 x 10⁷ = 115.000.000 legaturi

- 2. Legaturile de H longitudinale - intracatenar pe lanturile riboza-fosfat repetitive

- 3. Legaturile intracatenare hidrofobe -intre bazele vecine perpendiculare spre interior

o       cresterea stabilitatii termodinamice in sens longitudinal

- Nucleosomul - secvente de circa 146 pb

o       interactiuni sarcini negative P_i - sarcini pozitive histone

o       aceste secvente elementare sunt protejate de actiunea nucleazelor

- 5. Heterocromatinizarea = grade successive de impachetare

o       formarea de zone foarte compacte si stabile ale moleculei de AND

- 6. Mobilitatea foarte mare a moleculei => suprarasucire

o       la nucleozomi, fibra subtire, fibra groasa, buclele de cromatina

contribuie chaperonele HMG₁ si HMG₂

2. STABILITATEA INFORMATIONALA A ADN.

SISTEMUL DE REPARARE A MUTATIILOR

intretinerea structurii ADN

o       in 24 h - 5.000 depurinari si 100 de dezaminari / celula

o       aceste mutatii nu se fixeaza - mecanisme eficiente de reparare

mecanismele de reparare = factor major de conservare a    informatiei ereditare

o       modificare 10-20 pb / 3 x 10⁹ pb (genom) / an

2.1. Repararea ADN prin excizie de baze

ADN glicozilaze - recunosc o baza inserata gresit si o excizeaza hidrolitic

AP endonucleazele - excizeaza reziduul glucido-fosforic ramas fara baza

ADN-polimeraza reface secventa pe matrita catenei opuse

ADN-ligaza insera fragmentul in catena, refacand structura corecta

2.2. Repararea ADN prin excizie de polinucleotide

repararea leziunilor extinse - distorsiunile din helix <=

o       dimeri intracatenari pirimidinici (T-T, T-C, C-C)

o       legarea covalenta a bazelor cu alte molecule ciclice (benzpirenul)

echipament molecular

o       helicaza + nucleaza - identifica eroarea

despiralizeaza si excizeaza de 30 de nucleotide de pe o catena

o       ADN polimeraza + ADN ligaza - refac catena lezata pe matrita normala

echipament molecular mutant =>

o       acumularea mutatiilor induse de expunerea la iradiere   

xeroderma pigmentosum - boala autosomal recesiva

2.3. Repararea postreplicativa a imperecherilor gresite de baze

enzime codificate de genele mutH, mutL si mutS

o       verifica complementaritatea moleculelor de ADN postreplicative

o       recunosc pb gresite si inlocuiesc nucleotidele de pe catena noua

catena noua - recunoscuta dupa gradul de mutilate scazut

recunoasterea pb gresite => reparare prin mecanismele commune:

o       excizie de baze prin 3'-5' endonucleaze =>

o       refacerea moleculei dublu-catenare prin ADN-polimeraze =>

o       refacerea continuitatii catenei glucido-fosforice prin ADN-ligaze

2. Repararea postreplicativa prin recombinare

cunoscut sub denumirea de reparare inversea a erorilor

gene necesare pentru reparare se numara: recA, umuC, umuD

actioneaza atunci cand intervin leziuni majore ale ADN

o       sistem de reparare de urgenta pentru celula

produsii genei recA => sinteza enzimelor de reparare cand:

o       in nucleoplasma apar produsi de degradare a ADN

o       este inhibata recombinarea ADN

distorsiune a dublului helix => stoparea replicarii

o       genele sistemului SOS codifica o alta ADN- polimeraza

produce o catena complementara fragmentata => 2 tipuri de ADN:

catena veche modificata + catena noua discontinua

catena veche intacta + catena noua continua

o       sistem de reparare = "bypas genic"

de pe ADN normal pe ADN complementar mutatiei

secventa transferata este ulterior refacuta prin replicare

5. VARIABILITATEA EREDITARA

transmiterea imformatiei genetice => exactitate exceptionala

o       probabilitatea de modificare 10-20 baze din 3X10⁹ / an

modificarea informatiei ereditare => diversificare

diversificarea informatiei ereditare: recombinare genetica si mutatie

5.1. RECOMBINAREA GENETICA

recombinarea genetica => structura genetica noua

o       prin reasortarea si redistribuirea materialului genetic de la 2 genitori

proces larg raspandit in natura - asigura in limite naturale si normale

o       variabilitatea informatiei ereditare - in lipsa mutatiilor => efect convergent

o       duce la diversificarea fondului genetic al speciilor

sporirea spectrului de genotipuri individuale =>

cresterea gradului de heterozigotie =>

aparitia indivizilor mai viabili si mai fertili

are loc in perioadele: preconceptionala si conceptionala

se poate clasifica in trei tipuri: intracromosomica, intrecromosomica si genomica

o       are loc secvential => amplificarea diversificarii genetice => unicate genetice

individualitatea genetica a fiecarei persoane se manifesta la nivel:

o       molecular, celular-tisular, fiziologic, morfologic, psiholo-comportamental

individualitatea genetica conditioneaza

o       capacitatea diferentiata de adaptare

o       predispozitia diferita la diverse boli

o       raspunsul diferit al indivizilor la metabolizarea unui medicament / toxic

o       compatibilitatea sau incompatibilitatea grefelor etc.

5.1.1. Recombinarea intracromosomica

are loc in cursul gametogenezei <= procesul de crossing-over - in profaza I

o       schimbul incrucisat de fragmente de ADN intre cromosomii omologi =>

o       cromosomi cu configuratie genica noua = gene de la ambii parinti =>

o       amplificarea gradului de heterozigotie al indivizilor dintr-o populatie

Conform legii a-II-a    a lui Mendel

o       genele situate in loci diferiti    segrega independent

o       valabil pentru genele situate pe cromosomi diferiti

o       partial valabil pentru genele de pe acelasi cromosom

Doi loci apropiati = genele mostenite impreuna = gene linkate

o       gene neseparate prin crossing‑over => genele sunt in relatie de 'cuplaj'

Frecventa de recombinare - proportionala cu distanta dintre 2 loci

o       unitatea de masura (distanta genetica ) = centi Morgan (cM)

o       1 cM = probabilitatea unui crossing‑over la fiecare 100 de mitoze

o       genomul uman are o marime (genetica) de aproximativ 3.000 cM

o       lungimea fizica a genomului uman haploid este de aproximativ 3 x 10⁹ p.b.

deci 1 cM corespunde la aproximativ 10⁶ p.b. (1000 kb)

o       fregventa de recombinare este mai mare in asa numitele 'puncte fierbinti'

Recombinarea prin crossing‑over are loc mai frecvent la femeie decat la barbat

o       cromosomii mari => 3 crossing‑overe

o       cromosomii mijlocii => 2 crossing‑overe

o       cromosomii mici => 1 crossing‑over

5.1.2. Recombinarea intercromosomica

are loc in gametogeneza - repartizarea cromosomilor bivalenti - in anafaza I

repartizarea unei perechi de omologi - independenta de celelalte perechi =>

o       2²³ combinatii (2²³ = 8.388.608) - una va participa in fecundare =>

o       legea I-a a lui Mendel

5.1.3. Recombinarea genomica

are loc in fecundare = reasortarea cromosomilor din cei doi gameti parentali

o       pentru fiecare gamet exista 2²³ variante de combinatii cromosomiale

o       pentru zigot = 2²³ + 2²³ = 2⁴⁶ posibilitati (2⁴⁶ = 70.368.74177.664)

fiecare embrion = o posibilitate din 2⁴⁶ posibilitati =>

probabilitatea cvasinula de a exista doua persoane identice

exceptie gemenii monozigoti

o       legea aII-a a lui Mendel

5.2. MUTATIILE

mutatiile = modificari anormale ale informatiei genetice ce se transmit ereditar

mutatia = mecanism de variabilitate ce are loc cu frecveta mica => fenotip mutant

fenotipul mutant poate fi exprimat la unul sau mai multe nivele

o       molecular, celular, tisular, fiziologic, morfologic sau psiho-comportamental

o       afecteaza mai frecvent celulele somatice si mai putin pe cele germinale

celulele mutante formeaza o clona in populatia celulelor normale   

clasificare extensia modificarilor la nivelul materialului genetic

o       mutatii genice

o       mutatii cromosomiale

o       mutatii genomice

5.2.1. Mutatiile genice

reprezinta modificari ale informatiei la nivelul genei

o       pot fi ereditare (celulele germinale) sau neereditare (celulele somatice)

o       duc la aparitia unei gene mutante = gena cu structura si functie modificata

mutatii genice extinse sau in pozitii 'strategice' ale proteinei codificate de gena =>

o       manifestare constanta in raport mediul => boli ereditare

5.2.1.1. Bazele moleculare ale mutatiilor genice:

Substitutiile = inlocuiri de nucleotide - pot avea loc prin:

o       tranzitie = inlocuirea unei baze cu acelas tip de baza

tranzitiile C-T = 35-50% din toate mutatiile punctiforme

datorita tautomeriei cetonica enolica sau aminica iminica

o       transversie - inlocuirea unei baze purinice cu o baza pirimidinica

Deletiile = pierderi de nucleotide

o       3n nucleotide = deletie simpla => pierderea n aminoacizi din polipepid

o       deletia 3n => modificarea cadrului de citire al genei =>

modificarea secventei aminoacizilor din molecula proteica =>

codon stop sinteza => produsul genei = proteina trunchiata

Insertiile = castig de nucleotide

o       3n nucleotide = insertie simpla => insertia n aminoacizi in polipeptid

o       insertia 3n => efecte similare cu cele din deletie

tip particular de insertie - transpozitia

modificarea unui locus a unei secvente de ADN =>

modificarea sau abolirea functiei genelor afectate

=> hemofilie A, hemofilie B si neurofibromatoza I

5.2.1.2.a. Mecanismele moleculare de producere a mutatiilor genice

1. Erorile spontane de replicare <= tautomeria bazelor

o       tautomerie = izomerie dinamica, atomii / legaturile chimice au pozitii diferite

formele cetonica / aminica = stabile <= energie de rezonanta scazuta

normale din punct de vedere genetic

formele enolica / iminica = instabile <= energie de rezonanta mare

forma imino a C se imperecheaza cu A (in loc de G)

forma enol a G se imperecheaza cu T (in loc de C)

o       efectele tautomeriei

substitutii punctiforme / extinse pe o catena    <= tranzitie + replicare

amplificata de radiatiile ionizante => ionizarea bazelor

decalarea cadrului de lectura <= secventele repetitive

imperechere peste cateva baze <= baze identice in sensul 5'-3' =>

catena nascenta cu o deletie 3n baze => decalare cadru de lectura

deletii cu multiplu de 3n

Figura 5- Complexitatea tranzitiilor tautomerice ale timinei

(dc - forma dicetonica, ce - forma cetoenolica, de - forma dienolica).

5.2.1.2.b. Mecanismele moleculare de producere a mutatiilor genice

2. Leziunile spontane ale bazelor <= depurinare, dezaminare, oxidarea bazelor

o       depurinarea <= ruperea legaturilor glicozidice intre d-riboza si baza azotata

izolata => replicare => incorporarea pe catena opusa a oricarei baze =>

mutatie punctiforma prin substitutie

adiacenta => reparare+replicare => insertie A adiacent situsului apurinic

transversiile GC-TA si AT-TA

mutatii cu extensie mica prin substitutie sau deletii mici

o       dezaminarea => substitutie de baze => mutatii punctiforme

dezaminarea 5-metilcitozinei => timina

dezaminarea citozinei => uracil

o       leziunile oxidative ale bazelor <= intermediari metabolici

peroxidul de hidrogen (H₂O₂), radicalii hidroxil si superoxid =>

substitutii de baze (punctiforme sau cu extensie mica)

3. Interactiunea cu agenti de intercalare = mutageni chimici

o       molecule hidrofobe plate => intercalare intre baze adiacente pe aceiasi catena

dioxina, bromura de etidiu, acridinoranj, proflavina etc.

o       intercalarea => distorsiuni in dublul helix => in timpul replicarii =>

insertii / deletii cu extensie mica => decalarea cadrului de lectura

5.2.1.2.c. Mecanismele moleculare de producere a mutatiilor genice

Incorporarea de analogi de baze = derivati purinici / pirimidinici

o       asemanarile de structura => incorporare in cursul replicarii (catena nascenta)

5-Br-U (enolic / ionizat) = analog T => (?) pereche cu G

tranzitie 5BrU-A (TA) => 5BrU-G (CG) => tranzitia T-C

2-NH₂-purina (cetonic) = analog A => cuplare cu C / T

tranzitii 2-NH₂ -Pu(A)-T => A-T (normal) / G-C (anormal) =>

mutatii punctiforme / cu extensie mica

Figura 5-5. Structura analogilor de baze azotate

5.2.1.2.d. Mecanismele moleculare de producere a mutatiilor genice

5. Modificarea structurii ADN - indusa prin factori fizici

o       radiatiile neionizante (radiatiile ultraviolete) si ionizante (radiatiile X)

radiatiile ultraviolete => dimeri pirimidinici (T-T, T-C, C-C)

distorsiuni in dublul-helix => imperecherea incorecta a bazelor

radiatii X => ionizarea bazelor / rupturi in moleculele de ADN

6. Modificarea bazelor indusa de factori chimici = agenti mutageni chimici

o       alchilare, hidroxilare si dezaminare =>

o       substitutii de baze pe catena opusa => imperecheri gresite de baze

metilmetan-sulfonatul / etilmetan-sulfonatul => alchilarea bazelor

hidroxilamina => hidroxilarea C => imperechere cu A, rar G =>

mutatie punctiforma / cu extensie mica prin tranzitia CG-AT

oxidul nitric indeparteaza gruparile NH₂ din A, G si C   

7. Modificarea secventei ADN indusa de agenti biologici = endogeni / exogeni

o       agentii endogeni = secventele repetitve de ADN si transpozoni

transpozonii = secvente mobile de AND - codifica - transpozaza =>

insertia in loci specifici => mutatii prin transpozitie intr-o gena => modificarea cadrului de lectura

secvente repetitive - 10²-10⁶ (inalt, moderat sau slab repetitive)

lungimi diferite 10¹-10² pb

mutatii prin crossing-over inegal => modificarea cadrului de lectura

o       agentii exogeni = virusi cu capacitatea de insertie lizogena in genom

direct sau indirect (cADN, pe matrita de ADN sau ARN)

mutatii prin transpozitie => modificarea cadrului de lectura

5.2.1.3.a.    Clasificarea mutatiilor genice

- A - functie de sensul informational al mutatiei

1) mutatii silentioase (sinonime, mute) - codifica acelasi aminoacid

o       nu modifica (calitativ si cantitativ) functia biologica a polipeptidului codificat

o       reprezinta circa 25% din mutatiile punctiforme

2) mutatii cu sens gresit (missens) - codifica un aminoacid diferit (anormal)

o       modifica structura produsului genei => scaderea / pierderea activitatii

reprezinta circa 70% din mutatiile punctiforme

- a) conservative => inlocuirea cu un aminoacid similar (din aceiasi clasa)

efect mic asupra functiei biologice a produsului genei

- b) nonconservative => inlocuirea unui aminoacid cu altul, din alta clasa

modifica semnificativ functia biologica a produsului genic

3) mutatii non-sens => codon stop => produsul genic scurtat - nefunctional

o       se asociaza cu fenotipuri severe

o       reprezinta circa 2-5% din mutatiile punctiforme

- B - functie de sensul selectiv al mutatiei

1) mutatii neutre - nu confera avantaje / dezavantaje selective

2) mutatii detrimentale (dezavantajoase) => dezavantaj mai mare sau mai mic

o       presiunea selectiei naturale => eliminare - reprezinta majoritatea mutatiilor

3) mutatii avantajoase => avantaj adaptativ - retinute de selectie

o       reprezinta o mica parte din ansamblul mutatiilor

- C - functie de modalitatea in care survin

1) mutatii spontane - survin intamplator, cu frecventa foarte mica

o       cauza (naturala / artificiala) - greu de asociat cu boala unui subiect

2) mutatii induse <= activitate antropica - frecventa mai mare decat cele spontane

o       reprezinta un risc profesional

5.2.1.3.b.    Clasificarea mutatiilor genice

- D - functie de extensia leziunii ADN

1) punctiforme = modificare 1 nucleotid prin substitutie, deletie sau insertie

2) extinse = modificarea unei secvente de nucleotide:

o       a) substitutia de baze cu un grup echivalent ca marime

o       b) insertia de baze

transpozitie / crossing-over => fuziuni intre gene alele sau nealele

modificarea cadrului de lectura

splicing anormal => alungirea produsului genic cu o secventa intronica

jonctiunea gresita a exonilor => produsi genici ectopici

o       c) deletia de baze prin crossing-over inegal =>

scurtarea produsului genic / modificarea cadrului de lectura

- E - functie de clonele celulare afectate

1) mutatiile somatice - mai frecvente - celulele somatice sunt o tinta mai mare

o       afecteaza numai organismul purtator

o       marimea clonei mutante este corelata cu momentul ontogenetic

2) mutatiile germinale - putin probabile - celulele somatice sunt o tinta mica

o       se transmit de la o generatie la alta

o       exprimarea lor depinde de recesivitatea sau dominanta alelelor mutante

- F - functie de nivelul fenotipic afectat   

1) mutatii morfologice => efect vizibil (normal / patologic)

2) mutatii biochimice => pierderea / alterarea functiei unor molecule =>

o       boli moleculare ereditare boli metabolice

o       predispozitii pentru unele boli multifactoriale

5.2.1.3.c.    Clasificarea mutatiilor genice

- G - functie de efectul fenotipic al mutatiei   

1) mutatii letale => modificareaa drastica a capacitatii de adaptare =>

o       moartea indivizilor

2) mutatii supresoare - anuleaza sau diminueaza efectele mutatiei primare:

o       intragenice - modifica aceleasi baze (reversmutatie) /alte perechi de baze

o       intergenice - se produc intr-o gena supresoare =>

anularea efectului mutatiilor non-sens, missens, schimbare cadru de citire

3) mutatii conditionale - in anumite conditii specifice si restrictive de mediu

4) mutatii dinamice (instabile) - constau in repetarea de 10²-10³ ori a unor codoni

o       a) amplificarea tripletului CAG => formarea a insulelor poliglutamice

o       b) amplificarea codonului CGG de la nivelul intronilor

afecteaza metilarea ADN si structura cromatidei =>

situsurile fragile => inhibarea exprimarii genei adiacente

o       c) amplificarea tripletului CTG => fenomenul de anticipatie

repetarea de 50-1.000 ori

boala este mai grava numarul de repetari

5.2.1.3.d.    Clasificarea mutatiilor genice

- H - functie de efectul comparativ al mutatiei cu fenotipul normal (salbatec)

1) mutatii amorfe (alele nule) -

a)      tip de mutatie

o       deletii extinse sau cu decalarea cadrului de lectura

o       insertii extinse sau cu decalarea cadrului de lectura

o       mutatii nonsens

o       substitutii nonconservatoare

b)      efect molecular = abolirea functiei produsilor genici

c)      efect fenotipic = manifestare clinica foarte severa

d)     mod de transmitere = A-recesiv simplu sau X-recesiv simplu

2) mutatii hipomorfe

a)      tip de mutatie

o       substitutii conservatoare punctiforme sau putin extinse

o       substitutii nonconservatoare punctiforme sau putin extinse

o       deletii limitate fara decalarea cadrului de lectura

o       insertii limitate fara decalarea cadrului de lectura

b)      efect molecular = produsi genici cu activitate redusa sau in cantitate redusa

c)      efect fenotipic = manifestare clinica foarte variabila

o       in functie de nivelul functiei reziduale al produsilor genici

d)     mod de transmitere =A-recesiv gradual sau X-recesiv gradual;

A/X-dominant (haploinsuficienta)

3) mutatii hipermorfe

a) tip de mutatie - foarte specifica - putin probabila (exclus deletie/disruptie)

b) efect molecular = produsi genici cu activitate exacerbata / cantitate crescuta

c) efect fenotipic = manifestare clinica foarte specifica cu expresivitate variabila

o       functie de interactiuni (ex. multimeri, ligand-receptor etc)

d) mod de transmitere = A-dominant pozitiv sau X-dominant pozitiv

4) mutatii antimorfe

a) tip de mutatie - foarte specifica - putin probabila (exclus deletie/disruptie)

b) efect molecular = produsi genici ce antagonizeaza produsii normali

c) efect fenotipic = manifestare clinica specifica

d) mod de transmitere = A-dominant negativ sau X-dominant negativ

5) mutatii neomorfe

a) tip de mutatie - diferite - frecvente in cancer, rare in alte boli

b) efect molecular = produsi genici cu proprietati noi ± proprietatile normale

c) efect fenotipic = manifestari clinice foarte specifice - mai frecvent cancer

d) mod de transmitere = diferit

5.2.1.a. Efectul mutatiilor genice la nivel molecular

mutatiile => controlul inadecvat al transcrierii / traducerii informatiei genetice

o       a) transcrierea mesajului genetic => sinteza de mARN in cantitate inadecvata =>

deficit / surplus de produs genic normal

o       b) procesarea posttranscriptionala (maturarea mARN prin spicing / matisare) =>

ansamblarea anormala a exonilor => mARN cu lungime anormala

lipsa / surplus de secvente de aminoacizi => proteina nefunctionala

o       c) traducerea mesajului genetic <= lipsa / exces de factori reglatori de:

initiere / elongare / eliberare => cantitate de produs genic inadecvata

o       d) procesarea posttranslationala <= anomalii in maturare

fosforilare, glicozilare, hidroxilare, activare a produsului genic => altereaza

v     formarea complexelor polipeptidice

v     insertia proteinelor in membrane

v     transportul transmembranar

v     interactiunea hormon-receptor etc.

v    

5.2.1.b. Efectul mutatiilor genice la nivel molecular

1) Mutatiile intragenice din secventele codificatoare

majoritetea mutatiilor identificate pana in present

majoritatea lor sunt produse prin susbtitutia de nucleotide

o       nesinonime afecteaza in marea majoritate unul sau doua baze

o       sinonime in loci diferiti => efect clinic

localizare - secventele repetitive intraexonice = rata mutatie crescuta

activare situs criptic de matisare cu localizare exonica

mutatie => modificarea secventei de aminoacizi (structurii primare) =>

o       dereglari in plierea moleculei (structurii secundare) =>

o       alterarea structurii tridimensionale a unei molecule polipeptidice =>

asocierea anormala a subunitatilor proteinelor multimerice

anomalii in localizarea membranara sau subcelulara

anomalii in legarea cofactorilor sau a gruparilor prostetice

abolirea functiei - mutatii amorfe (recesive simple)

deficitul de functie - mutatii hipomorfe (recesive graduale)

amplificarea functiei - mutatii hipermorfe (dominante pozitive)   

antagonizarea functiei - mutatii antimorfe (dominante negative)

dobandirea unei noi functii biologice - mutatii neomorfe (diferite)

mutatiile hipomorfe / amorfe => scaderea / abolirea functiei produsului genei

configuratie heterozigota => 1/2 din produsul genic normal

conditii obisnuite => exercitarea functiei genei

conditii de solicitare maxima => deficit de functie = haploinsuficienta

v     sinteza a 50% din produsul genic normal nu este suficienta

mutatii hipermorfe, antimorfe si neomorfe => functii anormale a produsului genic

locus / loci diferiti => aceiasi boala => heterogenitate genetica

in aceiasi gena => boli diferite => heterogenitate clinica

Mutatii ce duc la pierderea functiei genice (Strachan T. & Read A.)

Fenotipuri patologice cauzate de haploinsuficienta genica (Strachan T. & Read A.)

Mutatii ce duc la castig de functie genica (Strachan T. & Read A.)

Relatiile posibile intre pierderea functiei genice si fenotipul clinic

50 0

Nivelul rezidual al functiei genice [%]

Nivelul activitatii reziduale a hipoxantin-guanin fosforibozil transferazei (HPRT)

Mutatii diferite in aceiasi gena care induc boli diferite

5.2.1.c. Efectul mutatiilor genice la nivel molecular

- 2. Mutatiile intragenice din secventele necodificatoare

afecteaza secventele intronice necodificatoare inalt conservate

o       dinucleotidele GT si AG => delimiteaza capetele intronilor / alte secvente

o       pierd / castiga functia de situsuri de splicing

reprezinta 10-15% din mutatiile cu efect patogenic

mecanisme:

- a) abolirea situsurilor de splicing ale unui intron =>

o       editarea unui mARN matur cu lungime crescuta fata de cel normal =>

o       traducerea integrala a unei secvente intronice =>

sinteza unei proteine cu o secventa suplimentara de aminoacizi

decalarea cadrului de lectura => proteina trunchiata / total modificata

- b) utilizarea unui situs criptic de splicing => editarea mARN matur =>

o       insertie partiala secvente intronice => insertia unui grup de aminoacizi

o       deletia partiala a unor secvente exonice => deletia unui grup de aminoacizi

decalare cadru de lectura => alterarea profunda a mesajului genetic

- c) omiterea unor exoni prin mutatia situsurilor de splicing acceptor si donator

o       functie normala = delimitarea a doi introni de exonul dinte ei =>

o       mutatia => editarea mARN matur mai scurt => sinteza unei proteine deletate

5.2.1.d. Efectul mutatiilor genice la nivel molecular

- 3. Mutatiile extragenice din secventele reglatoare (promotori / secvente de consens)

reprezinta o parte semnificativa a mutatiilor patogenice =>

functionarea inadecvata a mecanismelor de control al expresiei genei normale.

o       a) exprimarea genei intr-un tesut neadecvat   

cu / fara functionarea normala in tesutul adecvat = exprimare ectopica

unde in mod normal gena ar trebui sa fie represata

o       b) exprimarea la un moment nepotrivit

cu / fara functionarea normala la timpul potrivit

cand in mod normal gena ar trebui sa fie represata

o       c) exprimarea excesiva / insuficienta in tesutul normal si la momentul potrivit

exprimare atipica

5.2.1.5. Rata si frecventa mutatiilor genice

rata = numar mutatii / locus specific / gamet (celula) / generatie intr-o populatie

o       rata mutatiilor variaza intre 10^-4-10^-6 / locus / gamet / generatie

o       stabilirea cu precizie a ratei mutatiei - greu de realizat din cauza prezentei

seriilor polialelice

mutatiilor sinonime (greu de detectat)

recesivitatii majoritatii mutatiilor (exprimate la homozigoti)

retromutatiei spre gena normala prin mecanismele de reparare a ADN

o       factori endogeni (genetici) ce cresc rata mutatiei la om

marimea genei

numarul si dimensiunea intronilor dintr-o gena

dimensiunea intronilor => erori in sinteza / maturarea mARN

prezenta secventelor de ADN inalt repetitive la nivelul intronilor

creste frecventa crossing-over-ului inegal

frecventa = numar mutatii dintr-o populatie celulara (somatica / germinala)

= numar mutatii dintr-o populatie de indivizi umani

o       un individ - purtator a 3-8 mutatii (alele mutante recesive letale / semiletale

la homozigti ? => efecte detrimentale serioase

reprezinta balastul genetic al fiecarui individ

5.2.2. Mutatiile cromosomiale

mutatii cu extensie foarte mare pot afecta structura / numarul cromosomilor

o       mutatia survine in diviziunile celulare din gametogeneza / embriogeneza

gametogeneza => toate celulele viitorului organism   

embriogeneza => o parte din celule => mozaic = clone celulare

o       factori de risc genetici pentru descendenti => sindroame plurimalformative

cauzele => acidente de diviziune: genetice sau ambientale

o       factori de risc genetici ce pot conditiona mutatiile cromosomiale

mutatiile => genele implicate in diviziunea celulara

o       factori ambientali - mai importanti sunt cei fizici

5.2.2.1.a. Aberatiile structurale ale cromosomilor

modificari ale structurii cromosomilor <=fragmentari in timpul metafazei

o       urmate sau nu de reunirea fragmentelor

gametogeneza parentala => risc genetic pentru descendenti = cel putin 50%

modificarea cantitativa = mutatie neechilibrata

factor cauzal al sindroamelor cromosomiale prezente la nastere

remaniere a structurii cromosomiale = mutatie echilibrata

risc genetic pe parcursul dezvoltarii ontogenetice

riscurile genetice ale anomaliilor structurale

o       cancere <= anumite translocatii => altereaza functia unor protooncogene

t(9:22), t(2:8; 8:14; 8:22), t(10:24), t(15:17), t(1:19)

translocatia t(9:22) - asociata cu 90% din cazurile de leucemie mieloida cronica

o       protooncogena C-ABL 9q34 => 22 = formare gena himera functionala

o       => proteina himera => tirozin-kinaza => transformare celulara

o       citogenetic = Philadelphia (Ph1) = marker = cromosom 22 mai mare

translocatia t(8q:14q) - asociata cu 90% din cazurile de limfom Burkitt

o       fuziune protooncogena MYC cu genele ce codifica imunoglobulinele =>

o       activare => secventa reglatoare a genelor Ig => proliferarea limfocitelor B

5.2.2.1.b. Aberatiile structurale ale cromosomilor

mecanismele prin care are loc modificarea structurii

- 1. Deletia (monosomia partiala) = pierdere a unui fragment cromosomial

o       terminala - la unul sau ambele capete ale cromosomului

cromosomii inelari = tip particular de deletie terminala

o       interstiala - in unul / ambele brate

o       paracentrica - in unul din brate fara interesarea centromerului

o       pericentrica - extinsa la ambele brate, cu interesarea centromerului

- 2. Translocatia = transferul unui fragment cromosomial

o       reciproca = schimbul reciproc intre doi cromosomi neomologi

o       nereciproca = fragment cromosomial transferat unidirectional

o       intracromosomiala (transpozitia) = schimbare de pozitie in acelasi cromosom

o       robertsoniana = fuziune centromerica a doi cromosomi acrocentrici

- 3. Inversia - ruperea unui cromosom, rotire fragment cu 180 si reunirea fragmentelor

o       mutatii echilibrate => schimbari in ordinea genelor de pe segmentele inversate

- pericentrica - in fragmentul cromosomial inversat este cuprins centromerul

- paracentrica - centromerul nu este implicat

Duplicatia (trisomia partiala) = dublarea unui segment cromosomial

- 5. Izocromosomii = 2 metacentrici, cu secvente identice, unul 2q celalalt 2p

o       se formeaza prin clivarea anormala, transversala a centromerului

o       mai frecvent - izocromosomii X = 20% din cazurile de sindrom Turner

- 6. Situsurile fragile = discontinuitati ale cromatidelor (1 /2) la cromosomii metafazici

o       au aceiasi localizare in cromosom si se transmit dominant

o       sindroame asociate cu situsuri fragile: sindromul X fragil

xeroderma pigmentosum, anemia Fanconi, sindromul Bloom

Sindroame cauzate, uneori, de microdeletii cromosomiale autosomale

5.2.2.2.a. Aberatiile numerice ale cromosomilor

normal celulele = euploide = set diploid cromosomial (la om 2n = 46 cromosomi)

mutatii => modificare numar cromosomi: aneuploidii si poliploidii

aneuploidie = modificarea numarului de cromosomi din una sau mai multe perechi

o       factori etiologici majori ai sindroamelor plurimalformative

o       factori de risc genetici pentru descendenti

consecinta accidentelor de diviziune celulara, putand exista diferite tipuri:

nulosomia = 2n-2 (lipsa unei perechi de cromosomi, incompatibila cu viata)

monosomia = 2n-1 (lipsa unui cromosom dintr-o pereche)

trisomia = 2n+1 (prezenta unui cromosom suplimentar la o pereche)

tetrasomia = 2n+2 (prezenta unei perechi suplimentare de cromosomi)

pentasomia = 2n+3 (trei cromosomi suplimentari la o pereche de cromosomi) etc.

mecanismele accidentelor de diviziune: nondisjunctia sau intarzaierea anafazica

o       nondisjunctia = nesepararea cromatidelor la inceputul anafazei

=> autosomii / gonozomii => repartitia inegala a cromosomilor

in gametogeneza rezulta gameti cu n-1, n+1, n+2 cromosomi

in embriogeneza => organisme cu mozaicism celular

o       intarzaierea anafazica a unei cromatide => doua celule fiice inegale genetic

2n cromosomi (normal), respectiv 2n-1 cromosomi (monosomie)

in meioza => gameti monosomici in proportie de 50%

in embriogeneza => organism cu mozaicism celular

5.2.2.2.b. Consecintele aberatiilor numerice ale cromosomilor

soarta unei clone celulare anormale postmitotice depinde de:

o       tipul accidentului (tip anomalie, numar + marime cromosomi anormali)

major => moartea celulelor = eliminarea clonei

embriogeneza => risc avort spontan precoce

intermediar => compromitere mitoze = disparitia clonei celulare

embriogeneza => risc avort spontan / copil malformat

mic => supravietuire afectarea capacitatii de diviziune a clonei

permit supravietuirea = malformatii grave datorate <=

v     aplaziei, hipoplaziei sau hiperplaziei

o       momentul ontogenetic in care s-a produs - 50% din cauzele de avort spontan

accident precoce => % mare celule anormale

nondisjunctie I-a diviziune a zigotului => 45/47 cromosomi

nondisjunctie a-II-a diviziune a zigotului => 45/46/47 cromosomi

intarzaiere anafazica la I-a diviziune => mozaicism 45/46 cromosomi

accident postnatal = metaplazie => risc malignizare / tip celular

soarta unei clone celulare anormale postmeiotice depinde de tipul accidentului

o       accident grav => blocarea gametogenezei = sterilitate (cuplu steril)

o       accident mediu => gameti cu mutatii => malformatii foarte grave la embrion

avortat spontan (cuplul steril)

o       accident mic => gametogeneza => risc conceptie copil plurimalformat

5.2.3. Mutatiile genomice

Poliploidii = multiplicarea unui set haploid (n=23 cromosomi) de 3-4 ori

in prima situatie apare o triploide (3n = 69 cromosomi)

in a doua o tetraploide (4n = 92 cromosomi)

o       consecinta fecundarii cu gameti diploizi (neseparare gametociti ord. II)

embrioni triploizi (3n = 69xxx; 3n = 69xxy; 3n = 69xyy) =>

avort = 15% din cauze

embrioni tetraploizi (4n = 92xxxx; 4n = 92xxxy; 4n = 92xxyy)

avort = 5% din cauze

o       poliploidia este intalnita in mozaic <= defecte care apar in mitoza

o       celule poliploide pot apare ca si clone in tumorile maligne