Genetický polymorfismus Za geneticky polymorfní je považován znak s nejméně dvěma geneticky podmíněnými variantami v jedné populaci, které se nachází v takových frekvencích, že i zřídkavá má frekvenci alespoň 1%. Uvedené vymezení pojmu genetický polymorfismus znamená, že sem nepatří znaky, kde má zřídkavá varianta frekvenci menší než 1% (tj. např. geneticky podmíněné choroby), dále znaky, jejichž variabilita není podmíněná geneticky (infekční choroby), znaky s kontinuální variabilitou (tělesná hmotnost, výška) a konečně znaky, kde se v rámci druhu vyskytují různé varianty, avšak v různých navzájem oddělených populacích (barva kůže aj.). V posledním případě se jedná o interpopulační variabilitu. Genetický polymorfismus naproti tomu tvoří významnou část intrapopulační genetické variability. Široký pojem genetického polymorfismu lze podle objektu studia členit do několika skupin na 1/ polymorfismus DNA, 2/ polymorfismus biochemický, 3/ polymorfismus imunologický, 4/ polymorfismus morfologický. Polymorfismus DNA Jak vyplývá ze závěrů uvedených v kapitole popisující mutace, má každá genetická variabilita svůj podklad ve variabilitě na úrovni DNA. To platí pro každou variabilitu detekovatelnou na fenotypové úrovni, tedy i pro biochemický, imunologický a morfologický polymorfismus, pro bodové, chromosomální i genomové mutace. Ve fenotypu se však projeví jen malá část variability DNA. Tato skutečnost je způsobená zejména tím, že exony kódujících genů tvoří jen malou část, řádově několik procent celkové genomové DNA, zbytek připadá na nekódující sekvence vč. intronů. Fenotypově se však neprojeví i taková změna exonu, která díky degeneraci genetického kódu nevede k záměně aminokyseliny. Na úrovni DNA tedy existuje velké množství polymorfismů, jejichž detekce je možná jen metodami molekulární genetiky. 1/ bodový polymorfismus Tento typ je způsoben změnou v sekvenci bazí, nejčastěji bodovou mutací (většinou záměna nukleotidu nebo delece několika bazí) v určitém místě DNA. Odhaduje se, že u eukaryot je polymorfní přibližně každý 500. nukleotid v kódujících sekvencích DNA a každý 50. v nekódujících sekvencích. Prakticky je bodový polymorfismus detekován jako polymorfismus délky restrikčních fragmentů RFLP (restriction fragment length polymorphism). Příčinou RFLP je, že změna i jen jedné báze v sekvenci cílového místa restrikční endonukleázy může vést k tomu, že restriktáza dvoušroubovici DNA neštěpí. Mnohem jednodušší je úsek namnožený v polymerázové řetězové reakci následně štěpit restriktázou, která rozezná záměnu v sekvenci bazí. Na chromozomu, na kterém není přítomné cílové místo zůstane fragment delší, při gelové elektroforéze migruje pomaleji:
A B 1.chromozom 2.chromozom C 1.chromozom 2.chromozom start elektroforéza A B C LEGENDA restrikční místo přítomné chybí primery
V poslední době je bodový polymorfismus označován jako SNP (single nucleotide polymorphism) a je analyzován za použití přístrojové techniky. Takto definované polymorfní místo se chová jako mendelisticky děděný gen s kodominantní dědičností, jednotlivé varianty se vyskytují s určitou frekvencí, která se může v různých populacích lišit. 2/ repetitivní sekvence V DNA se vyskytují sekvence jednotkové a repetitivní. Jednotkové jsou v genómu přítomny v jedné nebo několika málo kopiích. Patří sem geny, okrajové sekvence a spacery. Jako repetitivní se označují sekvence, které se v genómové DNA vyskytují v mnoha kopiích. V posledních letech je velmi intenzívně sledován výskyt satelitů. Satelity přítomné na určitém místě v genómu mohou mít v rámci populace různý počet opakujících se bází, různou délku. Tyto varianty se chovají jako mendelisticky děděné geny. Mikrosatelity jsou tvořeny 2-6 bázemi. Schematické znázornění mikrosatelitu 1. chromozóm CACACACACACA ACACACACACAC 2. chromozóm CACACA ACACAC primery (CA) n mikrosatelitní repetitivní motiv Praktické využití polymorfismu DNA Polymorfismus DNA, v poslední době zejména výskyt mikrosatelitních sekvencí v genómu, má možné praktické využití. Pomocí hybridizace in situ je možné lokalizovat mikrosatelitní lokus na chromozom a připravit tak dostatečně vysycenou genetickou mapu. V posledních letech byly vypracovány metodiky pro ověřování rodičovství nebo pro identifikaci osob (soudní lékařství) pomocí mikrosatelitů. Princip spočívá v tom, že potomek může mít ve svém genotypu jen takové alely, které mohl získat od svých rodičů. Spolehlivost této metody je díky vysokému polymorfismu mikrosatelitů velmi vysoká. K uvedeným účelům lze rovněž použít techniku nazývanou fingerprinting. Její princip spočívá na rozštěpení genomové DNA restriktázou, hybridizaci se sondou, tvořenou vhodným repetitivním motivem a elektroforéze na gelu. Jednotlivci se od sebe liší délkou naštěpených fragmentů.
Biochemický polymorfismus Podstatou biochemického polymorfismu je výskyt několika strukturně nebo funkčně odlišných variant jednoho proteinu, jehož syntéza je řízena z jednoho lokusu. Jako příklad lze uvést hemoglobin. Existují čtyři základní typy hemoglobinových řetězců α, β, γ a δ, které se odlišují v primární struktuře a předpokládá se tedy, že každý je determinován vlastním strukturním genem. V řetězci β se může vyskytnout odchylka v primární struktuře, místo kyseliny glutamové je v defektním řetězci valin. Tato varianta se označuje HbS, u recesívních homozygotů podmiňuje srpkovitou anémii. Tato choroba je značně rozšířena zejména ve střední a západní Africe a poměrně často končí letálně. Heterozygoti HbA/HbS v běžných podmínkách neonemocní, avšak choroba se může projevit při pobytu ve vyšších nadmořských výškách. Polymorfních variant primární struktury hemoglobinu bylo dosud zjištěno více než 250, pouze malá část z nich však podmiňuje patologické stavy. Při systematickém popisu se tedy pod pojmem "polymorfní systém" rozumí všechny varianty konkrétního proteinu, je označován zkratkou (hemoglobin - Hb). "Polymorfní varianta" je označována většinou velkými písmeny, např. HbA, HbB. "Polymorfní typ" je kombinace polymorfních variant v rámci každého polymorfního systému, např. HbAA, HbAB, HbBB. Polymorfní typ je zároveň fenotypem. "Genotyp" - každá polymorfní varianta je většinou podmíněna jednou alelou, která se označuje zkratkou systému a označením alely horním indexem Hb A, Hb B. Genotyp se označuje zlomkem Hb A /Hb B apod. Variabilita proteinů je dána změnami v jejich primární struktuře, počtem prostetických skupin, velikostí a celkovým uspořádáním molekuly, změnami ve velikosti elektrického náboje. Medicínsky nejzávažnějším typem biochemického polymorfismu je chybění enzymu, což v řadě případů způsobuje závažná onemocnění. Nejčastějším typem genetické determinace biochemického polymorfismu je kodominance. Populačně-genetické aspekty biochemického polymorfismu Mechanismem, který umožnil vznik polymorfismu proteinů tj. způsobem udržení mutací vzniklé alely v populaci může být selekce - podle této teorie je hlavní příčinou polymorfismu selekce zvýhodňující heterozygoty. Tento mechanismus je možný v případě, že mutací dochází ke změně funkčnosti nebo množství genového produktu. Genetický drift - působí náhodně zejména v menších populacích, podléhají mu všechny alely bez ohledu na charakter změny, ke které dochází u výsledného genového produktu. Existuje vztah mezi některými enzymatickými polymorfismy a ekologickými podmínkami. Jako velmi známý příklad uvedeme vztah mezi srpkovitou anémií a malárií. Jak již bylo uvedeno, je srpkovitá anemie u velké části homozygotů letální. Heterozygotní nositelé patologické alely HbA/HbS jsou však odolní proti malárii. V oblastech s vysokým výskytem malárie, v primitivních podmínkách bez možnosti její účinné léčby došlo proto k fixaci
srpkovité anémie v populaci. V tomto a podobných případech je udržování polymorfismu selekcí spojeno se ztrátou homozygotů. Polymorfní proteiny u člověka a řady živočišných druhů byly zjištěny v séru, erytrocytech, spermiích, v semenné plazmě, mozkomíšním moku, játrech, mléce aj., vyskytují se také u rostlin. Praktický význam biochemického polymorfismu: Polymorfismus proteinů lze využít k mapování genomu a konstrukci chromozomových map, k tomuto účelu se však v poslední době využívá více polymorfismu DNA. Lze jej využít při ověřování paternity. Morfologický polymorfismus Morfologické znaky mají většinou multifaktoriální etiologii. Řadí se sem např. dermatoglyfická variabilita, využívaná v kriminalistice. Charakter papilárních linií je tak vysoce individuální, že neexistují dva lidé se stejnými otisky prstů. Základní příčina této variability je v různém genotypu, fenotyp je však do určité míry korigován vlivem vnějších faktorů v první třetině gravidity. Proto nejsou absolutně shodné ani otisky prstů jednovaječných dvojčat, i když jejich odlišnosti jsou minimální. Kontrolní otázky 1/ vymezte pojem genetický polymorfismus 2/ jaké je členění genetického polymorfismu 3/ proč nelze velkou část DNA polymorfismů detekovat ve fenotypu? 4/ charakterizujte princip a příčinu bodového polymorfismu 5/ charakterizujte podstatu polymorfismu způsobeného repetitivními sekvencemi 6/ co je podstatou biochemického polymorfismu 7/ jaký je nejčastější typ genetické determinace biochemického polymorfismu 8/ čím se zabývá imunogenetika 9/ charakterizujte pojem antigen, protilátka 10/ jaké znáte imunokompetentní buňky, popište stručně imunitní odpověď 11/ popište ABO a Rh systémy u lidí 12/ charakterizujte význam histokompatibilních antigenů