Human Molekylärgenetik
Del 1 – Inledning till human genetik
del 1
•
•
•
•
•
definition
varför studera molekylärgenetik?
fenotyper
genetisk variation
monogena vs. komplexa anlag, exemplifiering
•
•
•
•
genotyper
vilka typer av genetiska variationer finns det
hur påverkar dessa genfunktionen
exempel på gen >variation >genfunktion >sjukdomspåverkan >övriga fenotyper
• Molekylärbiologisk metodik
• Statistik
• Sjukdomsgenetik
promoter
D NA
untranslated region
1 intron 2
intron
3
intron 4
transcription
pre-mRNA G 1 intron 2
intron
3
intron 4 AAAAAAAA
RNA processing
mature mRNA
G 1
2
3
4 AAAAAAAA
translation
protein
Post‐translationella förändringar
Framtagandet av genomkartor
Det humana genomet
• Komplett genomsekvens hos 5 individer i april 2003
• Shotgun‐sequenceing och datorbaserad assemblering
• Ett teknologiskt genombrott!
• Antalet gener cirka 23 000
• Gen‐annotering
• Startskott för identifiering av geners funktion och kopplingar till humana sjukdomar
Genom
DNA
Transkriptom
mRNA
Protein
Proteom
NCBI databasen
CoreNucleotide
EST
Protein
Genome
Structure
Taxonomy
SNP
Gene
HomoloGene
dbGaP
UniGene
CDD
3D Domains
UniSTS
PopSet
GEO Profiles
GEO DataSets
GENSAT
Probe
Protein Clusters
Core subset of nucleotide sequence records
Expressed Sequence Tag records
sequence database
whole genome sequences
three-dimensional macromolecular structures
organisms in GenBank
single nucleotide polymorphism
gene-centered information
eukaryotic homology groups
genotype and phenotype
gene-oriented clusters of transcript sequences
conserved protein domain database
domains from Entrez Structure
markers and mapping data
population study data sets
expression and molecular abundance profiles
experimental sets of GEO data
gene expression atlas of mouse central nervous system
sequence-specific reagents
a collection of related protein sequences
steg 1: genfunktion, steg 2: effekt av variation
Alla individer är genetiskt unika.
Ärftliga egenskaper
Human genetisk diversitet
•
•
•
•
•
Gemensamma anfäder
Människan är evolutionärt ung
Mutation
Rekombination vid meios
Mekanismer som driver evolution
Mutation
Population size:
6x109 (diploid)
Mutation rate:
2x10–8 per bp per generation
Expected “hits”:
240 for each bp
‐ Alla genvarianter som är kompatibla med liv finns I populationen, men de flesta är vansinnigt ovanliga.
Compare 2 haploid genomes: 1 SNP per 1331 bp*
*The International SNP Map Working Group, Nature 409:928 ‐ 933 (2001)
Meiotic chromosome dynamics
Prophase
Metaphase II
Metaphase I
Anaphase I
Anaphase II
Nedärvningsmönster och dominanta / recessiva anlag
• Relaterar till fenotyputtrycket för ett monogent anlag • Dominant
• Recessiv
• Co‐dominant
• Autosomal
• Könsbunden
Nedärvningsmönster
AA
Homozygot (vanliga)
Aa
Heterozygot
aa
Homozygot (ovanliga)
A
Hemizygot (XY‐individer)
a
Hemizygot (XY‐individer)
Fenotyper beroende på monogent anlag
• Hängande eller fast örsnibb
– autosomalt recessivt
• Spetsigt eller runt hårfäste
– autosomalt recessivt
• Blödarsjuka
– X‐kromosom bunden
• Cystisk fibros
– autosomalt recessiv
• Blodgrupp – Codominant autosomalt
Genetisk variation
• Kromosomala inversioner, translokeringar och dupliceringar.
• Single Nucelotide Polymorphism (SNiP)
• Insertioner/deletioner
• Mikrosatelliter (Short Tandem Repeats)
• Kopietal
Snippar
•
•
•
•
•
Mest frekventa genetiska variationen
1/1000
Substitution av en kvävebas
Frekvens varierar mellan 1/4,8 miljarder och 50 %
Effekten av en SNP beror på positionen i genomet relativt funktionella genetiska element
ATCGC (C eller T) TTGCG
Komplexa fenotyper
• Längd och vikt
• Kroppens förmåga att göra av med energi
• Många sjukdomar
– Diabetes, reumatoid artrit, inflammatorisk tarmsjukdom, hjärtinfarkt, venös blodpropp m. fl.
• Effektivitet av läkemedel
• Hudens åldrande
• Infektionsbeägenhet
Snippar kan förändra
• Aminosyresekvensen
• Binandet av transkriptionsfaktorer
• Stabilitet av mRNA genom, – Att förändra längden av polyadenylering
– Bindningsställen för mRNA bindande proteiner
• Intron och exonelement som inhibierar/förstärker splicing
• Intergenic enhancors
• donor/acceptor/branch sites
• Icke‐kodande RNA och mikro RNA
• Epigenetisk reglering
Effekter av genetisk variation
DNA : 300,000,000 bp
Genetic variation
1 in 300 bp
Gener
transcription
Structural RNAs
mRNA editing
Messenger RNAs alternative splicing
translation
Proteins : >100,000
glycosylation
phosphorylation
acylation
Personal environment
hormones, cytokines etc
Molekylära mekanismer har identifierats genom studier av individer med mutationer i de gener som kodar för proteiner i molekylära ”pathways”
Blödning
•
•
•
•
•
•
trauma Medfödd koagulationsfaktorbrist
Cancer, infektion och leversjukdomar
Trombocytopeni (lågt antal trombocyter)
Läkemedel mot blodpropp (trombos) och bieffekter
Alla fysiska trauman som leder till konsumtion av koagulations faktorer
Balans mellan blödning och blodpropp
clotting
bleeding
Acute coronary syndrome
INITIATION
AMPLIFICATION
free vWF
prothrombin
X
PROPAGATION
Xa
Ia
fibrinogen
VI
thrombin
VIII/vWF
IX
IXa
IX
X
Vaa
TF
-
TF VIIa
V
XIa
VIIa
LUMEN
XI
Va
prothrombin
VIIIa IXa
VIIIa
XIa
Platelets
P-selectin
CD40L
TF-
Xa
Va
FIBRIN
FIBRIN
gpIIb/IIIa
Endothelium
Microparticles
Collagen
MMP:s Macrophage
40
D
C
TF & Proinflammatory
cytokines
L
40
D
C
MEDIA
THROMBIN
activated platelet
Monocyte
INTIMA
X
SMC migration
Lipid depositions
T-lymphocyte
Smooth muscle cells
ADVENTITIA
Mälarstig A 2006
Hereditära brister av koagulationsfaktorer
Combined F V and F VIII 1 in 1,000,000 Usually mild
Factor I fibrinogen 1 in 1,000,000 Usually mild, except with complete absence of
fibrinogen
Factor II prothrombin 1 in 1,000,000 Usually mild
Factor IX Hemophilia B 1 in 50,000 Severe when Factor IX levels are below 1%
Factor V parahemophilia 1 in 1,000,000 Usually mild
Factor VII Alexander's 1 in 1,000,000 Severe when Factor VII levels are low
Factor VIII Hemophilia 1 in 10,000 Severe when Factor VIII levels are below 1%
Factor X Stuart-Prower 1 in 500,000 Moderate to severe when Factor X levels are
below 10%
Factor XI Hemophilia C 1 in 100,000 Mild to moderate when Factor XI levels are
below 15%
Factor XIII
1 in 3,000,000 Severe
Monogen sjukdom
Nära 100 % penetrans
Låg incidens
Miljöfaktorer mindre viktiga
Exempel: huntingtons sjukdom, cystisk fibros, hyperkolesterolemi
Fenotypen beror helt på vilken gen och i vilken position i genen variationen finns
Komplex sjukdom
Låg penetrans
Hög incidiens
Miljöfaktorer lika viktiga som genetiska
Exempel: hjärtinfarkt, stroke, benskörhet, reumatoid artrit, grön starr, Chrons sjukdom, manodepressivitet
Patienter med sjukdomen är en heterogen grupp med olika bakomliggande orsaker till sjukdom
Heritability of CAD
Studier av monogen sjukdom
Linkage Studier
C /C
C /C
C /T
C /C
C /T
C /T
C /C
C /T
C /T
C /T
C /C
C /C
C /C
C /C
Special problems for human recombination analysis
• Small families (small sibships), not all matings are informative
• Therefore, must combine data across unrelated families and estimate “lod score”
– relative likelihood (odds) of obtaining the observed data when 2 loci are linked at a set recombination fraction (theta) compared to being unlinked
– test data at various theta values
Rare genetic defect leads to drug for all
• Familial
hypercholesterolaemia
• 1 in 500
• Familial
hypercholesterolaemia
• 1 in 500
• Due to mutations in LDL
receptor
• Goldstein & Brown Nobel
prize for Physiology or
Medicine 1985
FH mutations
Fungal metabolites inhibit HMGCoA reductase
First found by Akira Endo (Sankyo) 1976 called ‘compactin’
STATINS….. and the rest is history
