powrót do spisu treści

powrót do listy numerów archiwalnych

powrót do strony głównej

Minisympozjum: genetyka molekularna w położnictwie i ginekologii

Podstawy genetyki molekularnej i dziedziczenia chorób

Professor I. D. Young, MSc, MD, FRCP, Consultant and Professor of Paediatric Genetics, Centre for Medical Genetics, City Hospital, Nottingham NG5 l PB, UK. Tłumaczyła Lidia Martyńska

Ogromny rozwój biologii molekularnej, jaki obserwowaliśmy w ostatnich latach, wywarł duży wpływ na niemal wszystkie działy medycyny. W 1980 r., kiedy techniki analityczne były na wczesnym etapie rozwoju, tylko kilka zaburzeń genetycznych badano na poziomie molekularnym. Obecnie, 15 lat później, niemal wszystkie pospolite, jednogenowe zaburzenia zostały zmapowano, a w wielu przypadkach odpowiedzialnegeny zostały zarówno wyizolowane, jak i scharakteryzowane. Mutacje powodujące poszczególne choroby zostały zidentyfikowane w ponad 300 genach. Ponad 1000 jednogenowych zaburzeń zmapowano w określonych obszarach chromosomów.

W praktyce położniczej osiągnięcia te znalazły bezpośrednie zastosowanie w diagnostyce prenatalnej, gdzie porównanie próbek kosmków kosmówki ułatwia rzetelną diagnozę zaburzeń, takich jak mukowiscydoza (cystic fibrosis), dystrofia mięśniową Duchenne'a i hemoglobinopatie, w pierwszym trymestrze ciąży. W skali ogólnej, te doniosłe odkrycia służą lepszemu zrozumieniu istoty i pochodzenia chorób zarówno dziedziczonych, jak i nabytych, takich jak nowotwory.

Ten krótki artykuł skupi się na kilku odkryciach, które rzucają światło na to, w jaki sposób geny podlegają ekspresji i jak są przekazywane.

Geny i chromosomy: struktura i funkcje

Chromosomy i DNA

Z wyjątkiem dojrzałych jaj i plemników, jądro każdej komórki zawiera 46 chromosomów, odziedziczonych w połowie od każdego z rodziców. Każdy chromosom zawiera ciasno upakowaną super spiralę dwuniciowego DNA. Każda nić składa się ze szkieletu cukrowcowo-fosforanowego, z którym połączone są zasady azotowe skierowane do wnętrza podwójnego heliksu. Pojedyncza zasada połączona z elementem cukrowcowo - fosforanowym stanowi nukleotyd. Kodon to 3 kolejne nukleotydy. Wyznacza on jeden konkretny aminokwas.

Stwierdzenie, że chromosom jest niezwykle długą cząsteczką DNA, składającą się tylko z kodujących genów, jest dużym uproszczeniem.^{1, 2} Faktycznie mniej niż 10% zasad, z całkowitej liczby 3 x 109, w każdym haploidalnym zestawie 23 chromosomów bezpośrednio uczestniczy w kodowaniu białek. Funkcja pozostałych 90% DNA, którego większość występuje w formie powtarzalnej lub wysoce powtarzalnej, jest nieznana. Analiza tego nie kodującego DNA wydaje się mieć duże znaczenie zarówno z naukowego, jak i klinicznego punktu widzenia (np. genetyczne odciski palców czy rodzinne ślady w genach).

Haploidalny ludzki genom składa się w przybliżeniu z 70 000 genów strukturalnych, tak więc chromosom przeciętnej wielkości zawiera ok. 3000 ważnych genów. Chromosomy można barwić w celu uwidocznienia w mikroskopie świetlnym wzoru prążków, czyli fragmentów DNA podlegających transkrypcji. W haploidalnym zestawie chromosomów uwidacznia się ponad 800 takich prążków. Każdy z nich zawiera średnio ok. 3000 - 4000 kb (1 kb = 1 kilobase = 1000 base = 1000 zasad) DNA i zawiera ok. 100 kodujących genów. To wyjaśnia, dlaczego utrata albo powiększenie mikroskopijnego względem całego chromosomowego materiału - fragmentu DNA ma zwykle bardzo groźkszenie mikroskopijnego

Geny: wielkość i budowa

Rozmiary ludzkich genów wykazują bardzo duże zróżnicowanie. Niektóre, jak te kodujące proinsulinę i beta-globinę na chromosomie 11 są małe i mają zwykle ok. 1 kb długości. Inne, takie jak geny kodujące czynnik VIII (hemofilia A) i dystrofinę (dystrofia mięśniowa Duchenne'a) na chromosomie X, są dużo większe i składają się w przybliżeniu odpowiednio z 200 i 2000 kb.

Ryc. l. Procesy transkrypcji i translacji prowadzące od genu do białka. Na podstawie i za zgodą. : Mueller i Young (1995).

Strukturalnie geny nie są po prostu niciami kodonów. Sekwencje nukleotydów podlegające ekspresji, albo eksony są oddzielone przez niekodujące sekwencje zwane intronami (ryc. 1). Poszczególne introny mogą być dużo większe od sąsiednich eksonów i czasem, tak jak jeden z intronów w genie neurofibromatosis 1 na chromosomie 17, mogą zawierać sekwencję kodującą dla innych genów, które podlegają ekspresji z komplementarnej albo „antysensownej" nici.

W licznych genach obszar promotorowy jest umiejscowiony na końcu 5' nici DNA, gdzie rozpoczyna się transkrypcja DNA. Zawiera on określoną sekwencję nukleotydów, taką jak CAT (C - cytozyna, A - adenina, T - tymina), czy TATA (ang. TATA box ), które rozpoczynają transkrypcję wiążąc polimerazę RNA. Na ekspresję genów wpływają także inne, przylegające sekwencje DNA, o aktywności wzmacniającej lub wyciszającej. Transkrypcja jest kończona na końcu 3' genu przezkodon nonsensowny (stop kodon), który znajduje się w miejscu dodania sekwencji wieloadenylowej (AAAA...).

Od genu do białka

Proces, dzięki któremu następuje zamiana informacji genetycznej na produkt białkowy, przedstawiono na ryc.1. Podczas tego wieloetapowego procesu introny są wycinane, a eksony łączone w celu utworzenia dojrzałego matrycowego RNA ( mRNA). Mutacje w eksonach, przylegających sekwencjach kontrolujących, albo w miejscu złącza intron/ekson powodują bardzo poważne konsekwencje kliniczne. Mutacje w obrębie intronów nie wydają się mieć tak dużego znaczenia.

Nowe koncepcje dziedziczenia

Tradycyjne zasady dziedziczenia mendlowskiego są dobrze poznane i powszechnie zrozumiałe.² Podstawą medycznych zastosowań genetyki jest wiedza o tym, jak są dziedziczone poszczególne zaburzenia jednogenowe, i możliwość jej wykorzystania do zabezpieczenia się przed powtórnym wystąpieniem choroby genetycznej. Jest to szczególnie ważne dla położników stosujących laboratoryjną diagnostykę prenatalną.

Możliwość badania genów na poziomie molekularnym doprowadziła do rozpoznania kilku nowych typów przekazywania chorób. Przedstawione zostały cztery z nowo odkrytych mechanizmów.

Mozaikowość gonad

Jeszcze do niedawna było ogólnie przyjęte, że większość - jeśli nie wszystkie - mutacji powstaje podczas mejozy, to jest w końcowym stadium tworzenia gamet, czyli dojrzałych jaj i plemników.

Gdyby tak było, śmiało można by stwierdzić, że rodzice, których jedno dziecko ma dominujące zaburzenie, takie jak np. achondroplazja, mogą być całkiem pewni, że ryzyko powtórzenia się tej choroby u przyszłych dzieci nie jest istotne.

W praktyce ryzyko powtórzenia choroby w tej sytuacji jest rzeczywiście małe, ale nie znaczy to, że nieistotne. Większość mutacji prawdopodobnie występuje w mejozie albo w późnym mitotycznym podziale tworzenia gamet. Znaczna część występuje jednak we wczesnych mitotycznych podziałach gamet, tak więc rodzice są siedliskiem gonadowych klonów zmutowanych komórek, tzn. występuje u nich „mozaikowatość gonad".³

To odkrycie jest ważne dla prognozowania. Na przykład w dystrofii mięśniowej Duchenne'a, która wykazuje recesywne dziedziczenie sprzężone z płcią, matki można podzielić na 3 grupy. W przybliżeniu 2/3 z nich jest nosicielkami, u 5 -10% występuje mozaikowatość gonad, a u pozostałych 25 - 30% zaburzenie pojawiło się jako nowa mutacja mejotyczna. Oznacza to,że nawet matka chłopca ze zidentyfikowaną mutacją nie musi mieć charakterystycznych zmian we krwi. Może jednak jeszcze mieć siedlisko mutacji w jednym ze swoich jajników i dlatego uzasadnione jest stosowanie diagnostyki prenatalnej.

Imprinting i disomia

Zdumiewające jest, że identyczne allele dziedziczone od każdego rodzica mogą czasem różnić się ekspresją.4 Ta pamięć („imprint") rodzicielskiego źródła prawdopodobnie powstaje przez zróżnicowane metylowanie DNA. Taki mechanizm powoduje np. inaktywację drugiego chromosomu X u kobiet. Metylowany imprint jest dodawany podczas mejozy, utrzymuje się podczas replikacji DNA i podziału komórki, a następnie jest usuwany podczas późniejszej gametogenezy. Zależy on od płci przekazującego rodzica. Zatem, jeśli konkretny gen lub obszar chromosomu jest imprintingowany, to istotne jest, że dziecko otrzymuje normalny „udział" od każdego rodzica.

W praktyce imprinting może się ujawnić, jeżeli przypadkowo dziecko dziedziczy obie kopie imprintingowanego chromosomu od jednego rodzica, a żadnej od drugiego. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego zjawiska jest „ratunek" trisomicznego zarodka poprzez utratę chromosomu przekazywanego przez normalną monosomiczną gametę. Zarodek wykazuje „jednorodzicielską disomię", tj. „heterodisomię", jeśli nierozdzielenie chromosomów wystąpiło w mejozie 1, albo „izodisomię", gdy wystąpiło to w mejozie 2(ryc.2).

Na przykład brak normalnego 15 chromosomu od ojca wywołuje syndrom Pradera - Williego, natomiast brak tego samego chromosomu od matki prowadzi do syndromu Angelmana (ryc. 2). Brak kompletnego żeńskiego zestawu chromosomów z diploidalnym zestawem ojcowskim prowadzi do zaśniadu groniastego⁵, podczas gdy komórki z podwójnym materiałem matczynym z brakiem chromosomów ojcowskich (tj. partenogeneza) są całkowicie niezdolne do namnażania. Te obserwacje dają do zrozumienia, że obydwa: matczynie i ojcowsko „naznaczone" geny są istotne dla normalnego wczesnego rozwoju embrionalnego i rozwoju trofoblastu.

Antycypacja i ekspansja alleli

Jednym z najbardziej intrygujących odkryć ostatnich lat było wykazanie, że kilka genów zawiera serię powtarzających się trzynukle otydowych sekwencji, które mogą stawać się niestabilne i powiększać się.⁶ Kiedy rozprzestrzenianie (ekspansja) osiągnie punkt krytyczny, gen przestaje podlegać ekspresji albo produkuje nieprawidłowe białko. Bez względu na mechanizm, który to powoduje, skutki są poważne, chociaż niektóre ekspansje po prostu kończą się niemal stycznie do łamliwych miejsc na chromosomie X. Jest już wiadomo, że te „dynamiczne" mutacje wywołują kilka dobrze poznanych jednogenowych zaburzeń (tab. 1). Ogólnie można stwierdzić, że dynamiczna mutacja powtórzeń sekwencji CGG (C - cytozyna, G guanina, G - guanina) powoduje zaburzenia związane z ł sekwencji CGG (C - cytozyna, Górzeń sekwencji CAG (C - cytozyna, A - adenina, G - guanina) prowadzi do choroby neurodegeneracyjnej.

Zaburzenia genetyczne spowodowane przez mutacje dynamiczne mają niezwykłe właściwości. „Antycypacja" dotyczy tendencji do występowania choroby o cięższym przebiegu i/albo wcześniejszego wieku wystąpienia choroby w następnych pokoleniach. Jako ogólną zasadę można przyjąć, że większa ekspansja skutkuje gorszym rokowaniem. Godne uwagi są obserwacje, że na gwałtowność przebiegu choroby ma wpływ płeć rodzica-przekaziciela. Na przykład ekspansja łamliwego chromosomu (fragile) X i mutacje dystrofii miotonicznej są dużo większe, jeśli są przekazywane przez matkę, w przeciwieństwie do choroby Huntingtona, która ujawnia się w młodszym wieku u potomków zaatakowanych tą chorobą mężczyzn.

Dziedziczenie mitochondrialne

Większość DNA zawarta jest w jądrze komórkowym, ale bardzo małe ilości są obecne także w mitochondriach. Ta część, ok. 16,5 kb, koduje podjednostki mitochondrialnego łańcucha oddechowego. W związku z tym narządy o bardzo dużym zapotrzebowaniu energetycznym, takie jak mięśnie szkieletowe, serce i centralny układ nerwowy, są bardzo wrażliwe na mutacje w DNA mitochondrialnym.

Ryc. 2. Literey A,B,C i D przedstawiają chromosomy numer 15;

a) ojcowska jednorodzicielska izodisomia wywołująca u dziecka Zespół Agelmana;

b)matczyna jednorodzicielska heterodisomia powodująca, że dziecko ma Zespół Pradera-Williego

Mitochondria prawie wyłącznie są dziedziczone po matce. Komórka jajowa zawiera kilka tysięcy mitochondriów, podczas gdy plemnik wnosi do zygoty najwyżej kilka. Dlatego mitochondrialne mutacje są rzadko - jeśli w ogóle przekazywane potomstwu przez mężczyznę. Ryzyko dla dzieci zaatakowanych kobiet jest większe. Powszechnie znane są trudności prognozowania zaawansowania choroby płle óry dziedziczy mutację mitochondrialną od swojej matki, ponieważ zależy to od nieznanych czynników, takich jak proporcja zmutowanych mitochondriów w komórce jajowej i rozmieszczenie komórek z nieprawidłowymi mitochondriami w krytycznych narządach i tkankach.

Molekularne podstawy chorób genetycznych.

Zgromadzone dotychczas informacje o zależności między genotypem a fenotypem wyjaśniają nieco mechanizmy, w których mutacje mogą wywierać szkodliwe skutki.⁷ Poniżej omówiono kilka ważniejszych.

Obniżenie dawki genu: haploniewydolność

Najbardziej prawdopodobnym wynikiem mutacji genetycznej jest obniżenie poziomu produktu białkowego. Na szczęście człowiek często bardzo dobrze sobie radzi z 50-procentowym zmniejszeniem aktywności białka. Dlatego mutacje recesywne stwarzają problemy tylko wtedy, gdy dziecko dziedziczy dwie kopie zmutowanego genu, tj. po jednej od każdego rodzica.

Niestety, niektóre procesy są wrażliwe na utratę 50% produktu białkowego i wtedy mutacja ma charakter „dominujący". Do przykładów należy: niska gęstość lipoproteinowego receptora w rodzinnej hipercholesterolemii i inhibitora C 1 esterazy w dziedzicznym obrzęku naczyniowonerwowym. Proces morfogenezy także jest wrażliwy na obniżony poziom pewnych znaczących regulacyjnych czynników transkrypcyjnych odkodowanych przez geny rozwojowe, takie jak PAX - 3, którego mutacje wywołują zespół Waardenburga.

Haploniewydolność na poziomie sąsiedniego genu jest już teraz znaną przyczyną licznych zespołów dysmorficznych8 (tab. 2 ), które są często wiązane, tak jak syndromy mikrodelecyjne, z uszkodzeniami ledwo dostrzegalnymi w mikroskopie świetlnym. Przykładem jest zespół Williamsa, w którym utrata miejsca (locus) genu elastyny z chromosomu 7 wywołuje skłonność do zwężenia naczyń. Najczęściej dotyczy to aorty wstępującej.

Zwiększenie dawki genu

Zazwyczaj trisomia obszaru chromosomu jest mniej szkodliwa niż monosomia. Jednak fakt, że trisomia dotycząca autosomów, z wyjątkiem chromosomów 13, 18 i 21, prowadzi do wczesnych zgonów wewnątrzmacicznych, kończących się samoistnym poronieniem, potwierdza, że wzrost aktywności genu jest zwykle bardzo niekorzystny.

Na poziomie pojedynczego genu wykazano, że duplikacja genu odpowiedzialnego za produkcję białka mieliny PMP-22 (peripheral myelin protein) na chromosomie 17 powodowała pospolitą formę dziedzicznej czuciowej i ruchowej neuropatii typu II (choroba Charcota - Marie -Tootha). Natomiast utrata jednego allelu PMP-22 powoduje różne neurologiczne zaburzenia charakteryzujące się skłonnością do udarów mózgowych. Upraszczając, można stwierdzić, że trisomia powoduje hipertrofię, a monosomia hipotrofię.

Dominujące mutacje negatywne

Mutacje te prowadzą do produkcji nieprawidłowego białka, które przeciwdziała albo znosi działanie normalnego homologu. Zwykle białkowy produkt jest multimerem i jego działanie może ulec zniszczeniu przez wbudowanie pojedynczego nieprawidłowego łańcucha. Jako przykład mogą służyć mutacje fibryny, które są odpowiedzialne za zespół Marfana i mutacje kolagenu, które prowadzą do ostrej łamliwości kości (osteogenesis imperfecta).

Chimeryczna fuzja białek

Przemieszczenie części genu do nowego miejsca w chromosomie, którego ekspresja prowadzi do wytworzenia nowego białka, jest dobrze znanym czynnikiem przyczynowym w nowotworach. Najlepiej poznanym tego przykładem jest produkt fuzji genów CABL/BCR, będący wynikiem translokacji 9;22 Philadelphia w przewlekłej białaczce szpikowej. Ostatnio wykazano, że translokacja części genu PAX-3 z chromosomu 2 do 13 jest związana z mięsakiem prążkowanokomórkowym pęcherzykowym (rhabdomyosarcoma alveolaris).

WAGR = guz Wilimsa, Aniridia (brak tęczówki), Genitourinary abnormalifies and Retardalion (nieprawidłowości ukladu moczopfciowego i opóźnienie); mat = na chromosomie pochodzenia matczynego; pat = na chromosomie pochodzenia ojcowskiego.

Onkogeneza

Proces onkogenezy ilustruje liczne z tych zjawisk.^{9, 10} „Onkogeny" wywodzą się z normalnych genów komórkowych (proto-onkogenów), które pobudzają wzrost komórki i podziały komórkowe.

Wśród licznych mechanizmów, które mogą mieć znaczenie, mutacje w proto-onkogenach mogą powodować powstanie nowego chimerycznego białka, jak ma to miejsce w przewlekłej białaczce szpikowej i rhabdomyosarcoma alveolaris. Nadmierna produkcja normalnego produktu białkowego może występować w nowotworach również w procesie „amplifikacji", w którym liczba kopii genu wielokrotnie wzrasta. Przykładem tego jest onkogen N-MYC, którego ilość jest zwielokrotniona w neuroblastomie i drobnokomórkowym raku płuc.

Inna grupa genów zaangażowanych w proces nowotworowy znana jest jako „antyonkogeny" albo „supresory guzów" transformacji nowotworowej. Normalnie, ich białkowe produkty równoważą efekty działania proto-onkogenów poprzez regulowanie zmian komórkowych. Przykładami są retinoblastoma i geny p53. Mimo że retinoblastoma jest dziedziczona jako dominujące zaburzenie autosomalne, to komórki siatkówki mogą doskonale funkcjonować wykorzystując tylko jeden prawidłowy allel. Jeśli jednak allel ten przypadkowo stanie się haploniewydolny z powodu somatycznego przypadku, takiego jak brak rozdzielenia w mitozie, wtedy podział komórki wymyka się spod kontroli i rozwija się guz. W konsekwencji retinoblastoma może być rozpatrywana jako „recesywny" zespół haploniewydolności, który wykazuje „dominujące" dziedziczenie. Białko p53 jest multimerycznym kompleksem, którego funkcja może ulec zniszczeniu na drodze negatywnej dominacji mutacji jednego allelu p53.

Streszczenie

Rozwój biologii molekularnej rzuca nowe światłona mechanizmy występujące w chorobach genetycznych. Geny są złożonymi strukturami zawierającymi „eksony" i „introny" z bezpośrednio sąsiadującymi sekwencjami regulacyjnymi, takimi jak promotory i enhancery.

Ustalono nowe pojęcia dziedziczności. Są to:

1. Mozaikowatość gonad, która odnosi się do obecności klonów zmutowanych komórek w jajnikach albo jądrach.

2. Imprinting, po którym niektóre geny wykazują odmiennąekspresję, uzależnioną od ich rodzicielskiego źródła.

3. Antycypacja spowodowana zwiększeniem ilości powtórzeń niestabilnego tripletu.

4. Dziedziczenie mitochondrialne, które przekazywane jest wyłącznie poprzez kobiety. Molekularne podstawy chorób stają się także lepiej wyjaśnione. Poznano mechanizmy powodujące zmniejszenie albo zwiększenie dawki genu i dominujące mutacje negatywne, które niszczą multimeryczny produkt białkowy i chimeryczną fuzję białek, będącą wynikiem translokacji. Te obserwacje mają bezpośredni związek z badaniami nad nowotworami, w których dwie grupy genów onkogeny i supresory guzów - odgrywają ważną rolę przyczynową.

Piśmiennictwo: patrz Current Obstetrics & Gynaecology Volume 5) Issue number (4)

powrót do spisu treści

powrót do listy numerów archiwalnych

powrót do strony głównej