Neurogenetyka

Pierwotna wersja poniższego tekstu powstała jako wykład „Wprowadzenie do neurogenetyki”, który został wygłoszony podczas kursu dla neurologów „Wprowadzenie do neurologii” Klinika Neurologii AM Poznań, 17-21.03.2003

Sposoby dziedziczenia

Dziedziczenie autosomalne dominujące

i. Choroba lub cecha autosomalna dominująca to taka, która w dużym stopniu lub w pełni ulega ekspresji u heterozygot.

ii. Fenotyp pojawia się w każdym pokoleniu, a każda choroba osoba ma chorego rodzica (za wyjątkiem sytuacji, gdy: 1) przypadki choroby są wynikiem nowej mutacji (mutacji de novo), 2) gen zmutowany nie uległ ekspresji lub tylko nie nieznaczna ekspresja genu była przyczyną niezbyt nasilonego fenotypu);
iii. Każde dziecko chorego rodzica ma 50% szans na odziedziczenie cechy (choroby)

iv. Fenotypowo prawidłowi członkowie rodziny nie przekazują choroby swojemu potomstwu (poza sytuacjami braku penetracji genu lub tak nieznacznej, że niezauważalnej ekspresji genu)

v. Kobiety i mężczyźni mają jednakowe szanse na przekazanie choroby dzieciom każdej płci. W szczególności: występuje przekazywanie z ojca na syna a mężczyźni mogą mieć chore córki

vi. Przykłady: ch. Huntingtona, ch. von Recklinhausena typ I i II, dystrofia miotoniczna, stwardnienie guzowate, drżenie samoistne, miotonia wrodzona Thomsena, choroba von Hippel-Lindau, częstsze postacie dziedzicznej paraplegii spastycznej.

Choroba Huntingtona – Prototyp choroby neurogenetycznej. Jedna z pierwszych, której gen został zmapowany w 1983, a następnie klonowany w 1993. Największa znana rodzina, w której występuje choroba Huntingtona żyje w okolicach Jeziora Maracaibo w Wenezueli: około 100 żyjących chorych i 900 osób o 50% ryzyku wystąpienia choroby. Choroba pojawiła się w 19 wieku i na przeciągu kolejnych dziesiątek lat gen rozprzestrzenił się w lokalnej społeczności. Zwiększenie powtórzeń trinukleotydowych CAG (kodujących kwas glutaminowych) powyżej 36 powoduje wystąpienie choroby. W testach genetycznych wykorzystuje się ten fakt. Wiekiem wystąpienia choroby jest tym wcześniejszy im więcej trójek, lecz zakres wieku wystąpienia choroby dla danej liczby powtórzeń jest zbyt duży, aby można było wykorzystać to poradnictwie. Dziedziczenie jest autosomalne dominujące z pełną penetracją. Dla liczby powtórzeń wynoszącej 36-39 penetracja jest obniżona. Testowanie przedobjawowe – patrz punkt Testowanie genetyczne.

Dystrofia miotoniczna (Steinerta). Locus 19q13.2-q13.3, gen: DMPK. Autosomalna dominująca choroba charakteryzująca się heterogennym obrazem klinicznym: miotonią, dystrofią mięśniową, zaćmą, hypogonadyzmem, łysieniem czołowym i zmianami w EKG (plejotropizm), lecz też o zmiennej ekspresji poszczególnych cech, co utrudnia diagnozę. Odkrycie, że defekt genetyczny w jednej z jej postaci polega na zwielokrotnieniu trójek nukleotydowych niepodlegajacego translacji końca 3’ genu dla białka kinazy i znajdującego się na chromosomie 19, pozwoliło na wyjaśnienie niezwykłych cech tej choroby. Ciężkość choroby różni się w zależności od liczby powtórzeń: zdrowe osoby mają od 5 do 30 kopii powtórzeń; osoby chorujące lekko – od 50 do 80, zaś ciężko chorujący 2 000 i więcej. Powielanie się trójek obserwowane jest często przy dziedziczeniu z rodzica na dziecko, lecz wyjątkowo liczne powtórzenia nie są obserwowane przy dziedziczeniu po linii męskiej. Wyjaśnia to zjawisko antycypacji ( nasilanie się ciężkości choroby w kolejnych pokoleniach) i występowanie ciężkich wrodzonych postaci wyłącznie u dzieci chorych kobiet (w wyniku negatywnej selekcji plemników z dużymi zwielokrotnieniami). Również doniesienia o niepełnej penetracji.

b. Dziedziczenie autosomalne recesywne:

i. Choroba lub cecha autosomalna recesywna to tak, która

ii. Jeśli występuje u więcej niż jednego członka rodziny, zwykle dotyczy to rodzeństwa probanda, a nie rodziców, potomstwa lub innych krewnych (ni dotyczy to sytuacji, gdy jedno z rodziców jest heterozygotą a drugie homozygotą pod względem patologicznego genu)

iii. Ryzyko wystąpienia choroby dla każdego z rodzeństwa wynosi 1 na 4.

iv. W niektórych wypadkach rodzice mogą być ze sobą spokrewnieni (zwłaszcza, jeśli dotyczy to rzadkiej w populacji choroby)

v. W większości wypadków mężczyźni i kobiety mają jednakowe szanse na bycie chorymi.

vi. Przykłady: miotonia wrodzona Beckera, ataksja Friedreicha (najczęstsza postać dziedzicznych ataksji), choroba Wilsona i wiele innych.

c. Dziedziczenie recesywne sprzężone z chromosomem X

i. Mężczyźni chorują znacznie częściej niż kobiety

ii. Zmutowany gen przekazywany jest przez chorego ojca na wszystkie jego córki (stają się one nosicielkami). Każdy z synów tych córek ma 50% szans na jego odziedziczenie (i zachorowanie).

iii. Gen nigdy nie jest dziedziczony bezpośrednio z ojca na syna, a tylko z chorego mężczyzny na jego córki.

iv. Gen może być dziedziczony przez szereg nosicielek; jeśli tak się dzieje wówczas chorzy mężczyźni spokrewnieni są w linii żeńskiej.

v. Heterozygotyczne kobiety są zwykle niedotknięte chorobą, lecz u niektórych choroba może ulegać ekspresji w niewielkim stopniu.

vi. Istnieją choroby dziedziczone jako cechy dominujące sprzężone z X

vii. Przykłady: dystrofia mięśniowa Duchenne’a/Beckera;

1. dystrofia mięśniowa Duchenne’a

2. Wzrost aktywności CK u kobiet

3. w 30% przypadków testowanie genetyczne nie przynosi rezultatu (w większości przypadków są to mutacje punktowe

d. Dziedziczenie wieloczynnikowe.

i. W powstawaniu chorób uwarunkowanych wieloczynnikowo biorą udział czynniki genetyczne jak też czynniki środowiskowe (w chorobach uwarunkowanych wielogenowo tylko czynniki genetyczne)

ii. Zasady dziedziczenia wieloczynnikowego:

1. Choroba ma wyraźnie rodzinny charakter, lecz w pojedynczej rodzinie nie można ustalić wzorca dziedziczenia

2. Ryzyko dla krewnych I stopnia jest w przybliżeniu równe pierwiastkowi kwadratowemu z ryzyka populacyjnego

3. Ryzyko dla krewnych drugie stopnia jest dużo niższe niż dla krewnych I stopnia, lecz dla dalszych członków rodziny nie spada już tak znacznie.

4. Ryzyko rośnie wraz ze wzrostem liczby chorych członków rodziny i wraz ze wzrostem nasilenia fenotypu (ciężkością choroby)

iii. Choroby Alzheimera

1. Porównanie znaczenia mutacji o wysokiej penetracji i niskiej penetracji.

2. Rzadkie mutacje w genach preseniliny 1, preseniliny 2 i β-amyloidu mają wysoki stopień penetracji i powodują wystąpienie wczesnej postaci ChA u większości heterozygot

3. 1-5% przypadków ChA jest spowodowanych tymi mutacjami

4. Allel ε4 apolipoproteiny E powoduje wzrost ryzyka wystąpienia późnej ChA: 8% heterozygot i 21% homozygot rozwija ChA (u 3% bez tego allelu).

5. 26% populacji jest heterozygotami a 2% homozygotami pod względem allelu ε4 apolipoproteiny E, allel ten odgrywa znacznie większą rolę niż wszystkie pozostałe geny razem wzięte

e. Dziedziczenie mitochondrialne. Mutacje występują w genomie mitochondrialnym dziedziczonym prawie wyłącznie po matce.

i. Brak dziedziczenia choroby przez dzieci chorych mężczyzn. Nie są też one nosicielami choroby.

ii. Obie płcie w równym stopniu chore, lecz może istnieć przewaga jednej z płci (np. zanik n. wzrokowego Lebera częstszy u mężczyzn)

iii. Kobiety mogą być bezobjawowymi nosicielami. Potencjalnie dotyczy to zdrowych córek chorych kobiet.

iv. Dokładny stosunek płci dzieci chorych jest zmienny dla różnych chorób

v. Mutacje DNA jądrowego w mitochondriopatiach`

vi. Uwaga niektóre mutacje DNA jądrowego mogą powodować nieprawidłowe funkcjonowanie mitochondriów

1. MNGIE (mitochondrial neurogastrointestinal encephalopathy syndrome) jest spowodowany mutacją w DNA mitochondrialnym i dziedziczy się AR

vii. Przykłady chorób dziedziczonych mitochondrialnie

viii. Zanik n. wzrokowego Lebera (LOHN)

ix. encefalomiopatie:

1. MERRF (myoclonus epilepsy with ragged red fibers)

2. MELAS (mitochondrial encephalopathy lactic acidosis and stroke-like episodes)

x. Przewlekła postępująca oftalmoplegia zewnętrzna (CPEO)

B. Ekspresja i penetracja.

a. Ekspresja

Ustalenie właściwego sposobu dziedziczenia pozwala na dokładną ocenę ryzyka powtórzenia się choroby, lecz nie pozwala przewidzieć nasilenia ciężkości choroby. Różne osoby tą samą chorobą genetyczną mogą nią być dotknięte w bardzo różnym stopniu. Zjawisko to określa się mianem zmiennej ekspresji.

b. Penetracja.

Jeśli nie u wszystkich osobników posiadający zmutowany gen (gen choroby), choroba ta rozwija, mówimy o obniżonej penetracji danego genu (innymi słowy: pomimo obecności określonego genotypu nie rozwija fenotyp). Penetracja opiera się na zasadzie wszystko albo nic. Stopień penetracji może być związany z wiekiem. W autosomalne dziedziczonej pierwotnej dystonii uwarunkowanej mutacjami w genie DYT1 u większości osób posiadających ten gen choroba rozwija się do 30 r.ż. jednak tylko 30-40% osób posiadających gen choroby zachoruje w ogóle. W przypadku choroby Huntingtona penetracja jest funkcją wieku (rysunek) .

C. Diagnostyka genetyczna

a. Co to jest?

„Analiza ludzkiego DNA, RNA, chromosomów, białek lub metabolitów w celu wykrycia dziedzicznych genotypów chorobowych, mutacji, fenotypów lub kariotypów wykorzystywane do celów klinicznych” (Holtzman i Watson, 1999)

b. W odróżnieniu od innych badań dodatkowych (laboratoryjnych) ustalenie wyniku badania genetycznego ma znaczenie nie tylko dla danego pacjenta, lecz również dla jego krewnych

c. Diagnostyka cytogenetyczna (badanie kariotypu).

Badania kariotypu, choć popularnie nazywane „badanie genetyczne” nie jest jedynym badaniem genetycznym i w przypadku większości chorób neurologicznych nic nie wnosi do diagnostyki.

d. Diagnostyka bezpośrednia.

Dotyczy chorób, dla których gen został klonowany, czyli poznano jego sekwencję. Potrzebne jest tylko DNA od osoby poddawanej badaniu. Różne techniki biologii molekularnej.

e. Wiele testów genetycznych ma obniżoną czułość.

Wynik zależy do zastosowanej metody począwszy od sekwencjonowania po analizy pojedynczych mutacji. Od metody zależy czułość badania. Wynik ujemny nie wyklucza podłoża genetycznego, co ma znaczenie w badaniu członków rodziny.

f. Diagnostyka pośrednia.

Znajomość locus genu choroby, czyli fakt uprzedniego zmapowania tego genu (nawet jeśli nie został on sklonowany ani nie jest znany jego produkt) i jednocześnie znaczna dostępność polimorficznych markerów DNA, pozwala na diagnostykę drogą analizy sprzężeń. Jednak wymagana jest wówczas dostępność DNA od członków rodziny pacjenta. Istnieje ryzyko, że pomiedzy locus markerowym przedobjawowe locus genu choroby wystąpi crossing-over, lecz ryzyko to jest proste do obliczenia na postawie odległości tych dwóch locus lub poprzez zastosowanie wielu markerów.

g. Testowanie przedobjawowe (presymtomatic testing).

Międzynarodowe Towarzystwo Choroby Huntingtona i Międzynarodowa Federacja Neurologii wydały w 1994 wytyczne do testowania przedobjawowego (J Med Genet 31:555-559). Wytyczne te zakładają poradnictwo przed-testowe oraz po-testowe oraz staranną pomoc psychologiczną. Zwykle testowanie to powinno odbywać się w warunkach poradni genetycznej. W krajach o dużym doświadczeniu w poradnictwie genetycznym i testowaniu genetycznym dla choroby Huntingtona jako ciężkiej i nieuleczalnej choroby w przypadku testowania przedobjawowego zwykle odbywają się 2 wizyty, zwykle oddzielone 3 miesięczną przerwą. Nieczęsto stosowana jest ocena psychiatryczna. Dotyczy tych sytuacji, w których wiek wystąpienia choroby jest późny, np. ChH. Testowanie przedobjawowe u dzieci w kierunku chorób występujących w wieku dorosłym nie jest wykonywane do momentu, kiedy osoba zainteresowana będzie mogła podejmować samodzielne decyzje (zwykle 18 r.ż.).

D. Zgoda na badania.

a. Badanie (testowanie) DNA powinno być wykonane tylko po uzyskaniu uświadomionej zgody

E. Poradnictwo genetyczne

a. Poradnictwo genetyczne powinno być niedyrektywne:

Poradnictwo genetyczne powinno być niedyrektywne i powinno dostarczyć wystarczających informacji, które pozwolą rodzinie lub pojedynczej osobie samodzielnie podjąć decyzję, co do dalszego postępowania, bez udzielania jakichkolwiek wskazówek. Takie podejście stosowane jest w sytuacji, gdy nie ma leczenia danej choroby (wydaje się, że większość chorób neurologicznych) lub np. w przypadku wad wrodzonych

b. Dla chorób, w których wynik badania genetycznego może poprawić opiekę lekarską, poradnictwo przedtestowe wydaje się zbędne.

c. Jest nieodzowna składową diagnozowania chorób uwarunkowanych genetycznie

d. Po zdiagnozowaniu choroby u pacjenta, należy poinformować go o cechach klinicznych choroby, jej przebiegu, jak też o skutkach dla rodziny, uwzględniając zwłaszcza sposób dziedziczenia i penetrację.

e. Jeśli lekarz leczący nie ma doświadczenia w poradnictwie genetycznym, zaleca się, aby skierował chorego do poradni genetycznej.

f. Brak dodatniego wywiadu rodzinnego nie wyklucza genetycznego podłoża choroby u danego pacjenta

F. Projekt poznania genomu człowieka i genomika.

a. Sekwencje szkicowe

Opublikowane 2 szkicowe sekwencje (draft sequnce). W szkicowej sekwencji cały genom zsekwencjonowano średnio 4-krotnie a żaden z odcinków nie był zsekwencjonowany mniej niż 3-krotnie; odpowiada to 99% dokładności. Docelowa dokładności ma wynosić 99,99%, co odpowiada 9-krotnemu zsekwencjonowaniu całego genomu, przy czym niektóre odcinki będą zsekwencjonowane częściej, niektóre rzadziej. Szkicowa sekwencja została opublikowana przez 2 konkurujące zespoły w lutym 2001 r.:

i. HGP (Human Genome Project) w Nature (Feb. 15, 2001)

ii. Celera Genomics w Science (Feb. 16, 2001)

iii. Oba wydania dostępne są za darmo w internetowych wydaniach tych czasopism.

b. Na podstawie szkicowej sekwencji genomu ocenia się, że:

i. Genom ludzki zawiera 3164,7 miliony zasad

ii. Średni gen składa się z 3000 zasad

iii. Jest 30,000 – 40,000 genów kodujących białka, a ponad 50% z nich ma nieznaną funkcje

iv. Pełen zestaw białek (‘proteom’) kodowany przez genom człowieka jest dużo bardziej złożony od tego należącego do bezkręgowców. Wiele genów koduje więcej niż jedno białko

c. Genomika

i. Termin wprowadzony 15 lat temu.
ii. Zajmuje się badaniem funkcji i interakcji wszystkich genów w genomie
iii. Zajmuje się częstymi chorobami takimi jak rak piersi, rak jelita grubego, zakażenia, choroba Parkinsona, Alzheimera

d. Oddzielanie ziarna od plew

i. Tylko 2% genomu koduje białka

ii. Setki genów człowieka wydają się powstać w wyniku transferu horyzontalnego od bakterii (bezpośrednie przeniesienie, nie w wyniku odziedziczenia)

iii. Około 50% genomu człowieka pochodzi od składowych transpozonowych (przemieszczalnych, ulegających przemieszczaniu w obrębie genomu), lecz w genomie człowieka są one w większości nieczynne

iv. Duplikacje segmentalne są dużo częstsze u ludzi niż u drożdży czy bezkręgowców (obszary pericentromerowe i telomerowe są ich pełne)

G. Źródła internetowe:

Strona Międzynarodowego Konsorcjum Sekwencjonowania Genomu Człowieka http://www.genome.gov/

Genetyczne Centrum Edukacyjne Uniwersytetu w Kansas http://www.kumc.edu/gec/

Strona Charcot-Marie-Tooth http://www.cmt.org.uk/

On-Line Ihertitance in Men: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/

Genetic Clinic - jakie geny można już badać molekularnie i gdzie (w USA i na świecie) http://www.geneclinics.org/