Genová etiologie nemocí 1. Obecná etiologie nemocí 1. Obecná etiologie nemocí 2. Mutace genů v germinativních a somatických buňkách 3. Molekulární fyziologie genu 4. Regulace aktivity genu (genové exprese) a její patologie Genetická složka je více méně vždy přítomna genetika integrální součástí patofyziologie Peristatická složka je s genetickou ve složitých interakcích U genetických i peristatických faktorů je možné je rozdělit na velké a malé (obr. 1) Velké a malé faktory nemocí 1 VELKÝ FAKTOR ALTERNAT. MODEL VÍCE MENŠÍCH FAKTORŮ ODSTUPŇOVANÝ MODEL GENETICKÉ FAKTORY 1 PATHOL. GEN MENDELIST. NEM. BĚŽNÉ NEVINNÉ ALELY MULTIGENNÍ NEMOCI PERISTATICKÉ TĚŽKÝ ÚRAZ, ZNEČIŠTĚNÉ PROSTŘEDÍ, FAKTORY INTOXIKACE, VIRULENTNÍ INFEKCE DIETNÍ CHYBY, TĚLESNÁ NEČINNOST, KOUŘENÍ, PSYCHICKÁ ZÁTĚŽ Heterogenita nemocí se ukazuje stále zřetelněji, jak u nemocí z jednoho velkého, tak z více malých faktorů. Je intragenová (vícenásobná alelie) i intergenová (heterogenie) 5 typů genově podmíněných nemocí: chromozomové anomálie, monogenní nemoci, multifaktoriální nemoci, mitochondriální defekty, nemoci z mutací somatických buněk 1 2. Mutace genů vgerminativnícha somatických buňkách Genetika dnes klade větší důraz na funkci genů (DNK), než na fakt familiárního přenosu (odkud vznikla) širší definice genetiky Germinativní a somatické mutace (obr. 2) 2 DŮSLEDEK SOMATICKÝCH A GERMI- NATIVNÍCH MUTACÍ NA PŘÍKLADU MALIGNIT DĚDIČNÁ DISPOSI- CE K MALIGNÍMU ZVRATU ( STARÁ ) MUTACE DĚDIČNÁ DISPOSI- CE K MALIGNÍMU ZVRATU ( ČERST- VÁ ) MUTACE DISPOSICE K M.Z. PODMÍNĚNÁ SO- MATICKOU MUTA- CÍ ( NIKOLIV FA- MILIÁRNÍ PŘENOS) ˇ
3. Molekulární fyziologie genu Molekulární organizace eukaryontního genu (obr. 3) embryonální buněčné klony malformace hypoteticky: méněcenné buněčné klony Somatické mutace autoimunitní procesy příp. defekty zde se i fyziologicky počítá se somatickými mutacemi růz. klony B-lymfocytů produkují zcela různé primární transkripty tumory benigní a maligní 3 3 Jeden gen jeden polypeptid už zcela neplatí Různé možnosti sestřihu (obr. 4) IZOPROTEIN 1 (INTAKTNÍ) STOP KODON EXON GEN pro apo-b IZOPROTEIN 2 Apo - B 48 Apo - B 100 STŘEVO JÁTRA 4 5 Alternativním sestřihem vznikají izomorfní proteiny specifické pro růz. stadia ontogeneze a tkáně Fyziologicky alternativní promotory různé regulační sekvence např. různá intenzita tvorby genového produktu Mutace exonu intaktní i vadný izoprotein, mutace regulační oblasti protein někde chybí, jinde ne (obr.5) Funkční proteiny jsou před uvedením do funkce modifikovány - ireverzibilně (kofaktory, zkrácení) - reverzibilně (metylace, adenylace; fosforylace) 4. Regulace aktivity genu (genové exprese) a její patologie Genovou expresi je nutné regulovat v ontogenezi, při specializaci tkání, pod vlivem exogenních faktorů a škodlivých činitelů Regulace genové exprese se děje hlavně pomocí regulace - zahájení interakce RNK polymerázy s jejím promotorem = iniciace transkripce -sestřihu (splicing) Iniciace transkripce nejdůležitější. Vývoj embrya a všechna diferenciace jsou regulovány iniciací transkripce
Úloha transkripčních faktorů TF = specifické proteiny nutné k tomu, aby polymeráza II zahájila transkripci Vazba TF na specifické sekvence = responzivní elementy interakce mezi proteiny obecného transkripčního aparátu iniciace transkripce RE bývají umístěny v promotorech a v zesilovačích transkripce PROMOTOR Spojuje regul. proteiny s RNK polymerázou II ZESILOVAČ TRANSKRIPCE Spojuje regul. proteiny s bazálním transkripčním komplexem (obr. 6) REGULACE GENOVÉ EXPRESE TRANSKRIPČNÍMI FAKTORY (Obr. 7) 6 PŘÍKLADY ROLÍ TRANSKRIPČNÍCH FAKTORŮ Ovlivnění exprese genů faktory buňce vnějšími: Příslušné TF jsou předem připraveny a musejí se aktivovat pod vlivem extracelul. signálů fosforylací, navázánm ligandu, atp. Příklad: Polycyklické uhlovodíky vazba na TF a aktivace exprese genů systému cytochromů P450 syntéza monooxygenáz oxidace noxy (ale i přeměna na aktivní karcinogen) Farmakogenetika a ekogenetika 8
Typy transkripčních faktorů: Aktivátory (obr. 9) Některé geny reagují na tentýž regulační podnět: mají společný responzivní element, reagující na týž transkripční faktor. Tkáň specifický TF produkují se tkáňově specifické bílkoviny Obvykle stačí jediný RE ze všech, aby gen aktivoval. Někdy je přítomno více kopií téhož RE a exprese je pak úměrná počtu obsazených kopií 9 Represory důležité regulátory buněčného růstu a diferenciace Příklad: Tepelný šok buněk aktivace (fosforylací) transkripčního faktoru HSTF aktivovaný HSTF se připojí na svůj RE zv. zde HSE vytvoření/stabilizace iniciačního komplexu exprese asi 20 genů Tentýž gen může být regulován mnoha regulačními okruhy (a tedy transkripčními faktory), např. v každé tkáni jinak Kombinace několika málo regulačních genů může regulovat velké množství genů strukturních Příklad: Obr. 10: Regulační oblast kuřecího genu pro β-globin Příklad: Těžké kovy neznámý TF aktivace RE zv. MRE exprese genu zv. MT (metallothionein) Glukokortikoidy steroidní receptor = TF RE zv. GRE exprese téhož genu Forbol estery TF AP1 RE TRE exprese téhož genu po forbol esterech, ale i jeho konstitutivní exprese Příklad: Imunoglobulinový zesilovač transkripce je aktivní v lymfocytech (pozitivní TF v těchto buňkách), ale je inhibován v ostatních typech buňek (negativní TF) 10
Tentýž gen může být v některém typu buněk inaktivní, v jiném aktivní (obr. 12) Příklady patogenních mutací: Mutace transkripčních faktorů nevhodná aktivace, nebo zábrana aktivace transkripce. Mutované protoonkogeny anomální tvorba TF zvýšená exprese proliferačních genů maligní transformace buněk 12 Příklady pathogenních mutací v regulačních mechanizmech Pituitární trpaslictví: Mutace genu pro TF Pit1 porucha exprese genů pro růstový hormon, prolaktin a pro vývin hypofýzy (obr. 12) 1 Mutace v regulačních genech A Hypofyzární trpaslictví: regul. gen transkr. faktor pit-1 expr. B Testikulární feminizace: geny kódující růst. f. prolaktin tyreoidální funkce 12 13 regul. gen receptor steroid. hormonů (testost.) geny kódující pohl. znaky 1 Mutace regulační sekvence Trombembolická diatéza: Trombembolická diatéza (Obr. 14) : Mutace RE 5G 4G v genu pro PAI-1 (inhibitor aktivátoru plazminogenu) porucha vazby represorického TF gen PAI-1 je nadměrně exprimován aktivátor plazminogenu je tlumen nedostatek plazminu vázne degradace fibrinu tvorba trombů 14
Mutace v exonech záměna aminokyselin kvalitativní změna bílkoviny Mutace v intronech a lemovacích sekvencích změny regulačních oblastí kvantitativní změna exprese