Kognitív funkciók genetikai alapjai A genetikai variáció forrásai és vizsgálati lehetőségei

Réthelyi János Semmelweis Egyetem, Pszichiátriai és Pszichoterápiás Klinika BME Kognitív Tudományi Tanszék Budapest, 2012. február 22.

Vázlat

• Ismétlés: A mendeli öröklődés • Történeti áttekintés: A klasszikus genetikától a molekuláris biológiáig • A molekuláris biológia alapjai • A genetikai változatosság formái • Epigenetika • Genomika • Genetikai vizsgáló módszerek

Forrás: Wikipedia

Autoszom ális domináns öröklődés

A vonás minden generációban megjelenik.

Férfiak és nők körében egyenlő arányban fordul elő.

Heterozigóta szülő gyerekei 50%-os valószínűséggel hordozzák a vonást Példa: Huntington-chorea

Autos zomális recesszív öröklődés

• A fenotípus „átugrik” generációkat.

• A fenotípus egyenlő eséllyel jelenik meg férfiakban és nőkben.

• Heterozigóták (“hordozók”) nem mutatják a vonást.

• Két hordozó utódjainál 25%-ban megjelenik a fenotípus.

• Példa: cisztás fibrózis

X hez kötött recesszív öröklődés

A hordozó (heterozigóta) anyák 50%-ban adják tovább fiaiknak a betegséget.

Példa: vérzékenység, izom-disztrófia

• • • • • • • • • • • • • • • • • • Történeti áttekintés: Genetikától a Molekuláris biológiáig

1866 Mendel – az öröklődés szabályainak felismerése 1869 Miescher – a DNS felismerése 1902 Sir Archibald Garrod – az első human betegség genetikai okora való visszavezetése 1903 Kromoszómák leírása 1905 William Bateson bevezetése a genetika szó 1913 Géntérképek 1931 Crossing over 1944 McLeod –MacCarty – a DNS az örökítő anyag 1953 Watson - Crick kettős hélix 1977 DNS sequenálás 1977 K. Mullis PCR 1988 Andreson mtDNS 1990 HUGO 1991 Pat Brown - DNS microarray 1996 Ian Wilmut - Dolly 2001 A postgenomikus éra kezdete 2005-2006 microRNS 2010 Teljes genom szekvenálás

Forrás: Prof. Falus András

Kromoszómák: örökítő anyag hordozói

• p – rövid kar, q – hosszú kar • Giemsa-festéssel vizualizált sávok

Kromoszóma-térképek, lókuszok (ang: locus, loci)

Forrás: Gonick – Wheelis: Cartoon Genetics / Képregén

A molekuláris biológia centrális dogmája

• Francis Crick: 1958 • Információ egyirányú áramlása • Részben megdőlt

A genetikai kód

• Trinukleotid szekvenciák - kodon •4³=64 lehetőség • 20 aminosav (fehérjék építőkövei) – redundáns • 3 db STOP kodon: UAA, UAG, UGA

Humán genom projekt • 2001: A HUGO eredményeinek publikálása (DNS munkapéldány): 3x10 • „Junk”-DNS mikroszatellita) 9 • Polimorf DNS-szakasz: 0,1%.

• CNV (copy number variation) bázispár, 16 18ezer gén. „3000 db 1000 oldalas könyv, melynek minden lapján 1000 betű van. • A genetikai polimorfizmusok típusai: SNP (single nucleotide polymorphism), VNTR (variable number of tandem repeats,

„Mutáció”

ritka allél < 1% Genetikai polimorfizmusok betegség

„Polimorfizmus”

ritka allél > 1% jelleg, hajlam, tulajdonság

Egyetlen bázisra kiterjedő variáció

egypontos nukleotid polimorfizmus (SNP), pontmutáció, single nucleotide variation: 1 bázispár inzerció, deléció, szubsztitúció

Hosszabb variábilis szakasz (ismétlődési polimorfizmusok)

különböző hosszúságú szakaszok ismétlődése Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

Genetikai polimorfizmusok

Ismétlődési polimorfizmusok



Transzpozon eredetű ismétlődések

 long interspersed element (LINE)  short interspersed element (SINE)  retrovírus-szerű elemek

hossz

6–8 kb 100–300 bp 3–11 kb

ismétlődés

850 000 1 500 000 450 000 

Szegmentális duplikáció

 1–200 kb blokkok ismétlődése ugyanazon vagy másik kromoszómán 

Egyszerű direkt ismétlődések

  1–13 bp hosszú szakasz: mikorszatelliták;

trinukleotid ismétlődések

14–500 bp-os szakaszok: miniszatelliták / VNTR-ek (variable number of tandem repeats) Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

Genetikai polimorfizmusok típusai (összefoglalás + példák)

• Egynukleotidos polimorfizmus (SNP, single nucleotide polymorphism) • A DNS nukleotid-szekvenciáján belül egy nukleotid cseréje • Példa: COMT (katekol-O-metiltranszferáz) Val158Met polimorfizmus • Allélok: G és A • Genotípusok:GG AG AA • Asszociáció: A G allélt hordizóknál csökkent kognitív rugalmasság, szkizofrénia (?) • Ismétlődési polimorfizmus (VNTR, variable number of tandem repeats, mikroszatellita) • Ismétlődő rövid szekvenciák számbeli különbözősége • DRD4 (dopamin-receptor D4) polimorfizmus • Allélok: 4-es, 7-es, 11-es számú ismétlődés • Genotípusok: 4-4, 4-7, 4-11, 7-7. 7-11, 11-11 • Asszociáció: 4-es ismétlődésű allél: ADHD, TCI újdonságkeresés személyiségjegy

Genetikai polimorfizmusok

A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása

nem kódoló szakaszon

SNP

kódoló szakaszon

báziscsere: ins / del: semmi AS-csere splicing nonsense frame-shift

VNTR

3-mal osztható: ismétlődő peptidszakasz 3-mal nem osztható: frame-shift semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

Genetikai polimorfizmusok

A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása SNP

kódoló szakaszon

báziscsere: ins / del: semmi AS-csere splicing nonsense frame-shift

VNTR

3-mal osztható: ismétlődő peptidszakasz 3-mal nem osztható: frame-shift sarlósejtes anémia fruktóz intolerancia cisztikus fibrózis „0” vércsoport Huntington-betegség 21-hidroxiláz deficiencia Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

Genetikai polimorfizmusok

A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása

nem kódoló szakaszon

SNP

semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… öröklődő tulajdonság, hajlam bizonyos betegségekre

VNTR

semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… öröklődő tulajdonság, hajlam bizonyos betegségekre Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

Copy Number Variation (CNV) Másolatszám változatosság, Gén kópiaszám változatosság • • • • • • • A genetikai változatosság egyik formája: gének mennyiségi változatossága, melyet mikrodeléciók vagy mikroduplikációk okoznak.

Kialakulás: de novo vagy öröklött Befolyásolják a gén-expressziót Fontos szerepük lehet betegségek kialakulásában.

Immun rendszer és idegrendszeri fejlődés génjei: CNV-ben gazdag genetikai állomány. Korai fejlődés és sejtosztódás génjei: konzervatív genetikai állomány, kevés CNV.

Kromoszóma-mutációk: COMT (22q11), DISC1, PDE4B (1q42) Down szindróma – 21. triszómia (kromoszóma-duplikáció) http://www.gene-quantification.de/cnv.html

Copy Number Variation (CNV) II.

• Méret: 1 kb-2Mb • Egy publikáció szerint MZ ikrekben is eltérnek egymástól • Strukturális variációk • Ritka variációk • Leírásuk a humán genom projekt után vált lehetővé • Jelentőség: autizmus (15q13), szkizofrénia (22q11)

CNV k vizsgálatának módszerei: • CGH: comparative genomic hybridization •ROMA microarray •GWAS adatok

Gyakori és ritka genetikai variánsok szerepe a pszichiátriai betegségek kialakulásában Affektív tünettan Neurodevelopmentális zavar Mentális retardáció Ritka genetikai variánsok Autizmus Szkizofrénia Bipoláris zavar Gyakori genetikai variánsok Owen és mtsai., 2009

Epigenetika

• A DNS „csomagolása”, • Befolyásolja a gének aktivitását, a gén expressziót, életkor során reverzibilisen változhat • Metiláció (CpG szigetek), acetiláció, hisztonok, foszforiláció, telomeráz enzim aktivitása.