Biologie für Mediziner WS `15/`16 11. 1. 2016 13. 1. 2016 Gene, Mutationen, DNA-Reparatur Chromosomenstruktur, -Aberrationen; 13. 1. 2016 Stammbäume Evolution und Immungenetik; Mitose, Meiose PCR Mutationen / Gene Definition Mutation: Vorgang, der eine vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz bewirkt ( Abweichung von “Wildtyp”-Sequenz) Nukleotidabweichungen mit oder ohne phänotypische Auswirkung Polymorphismus / Variante / VUS variant of uncertain significance Mutationen ∑60% aller Menschen sind lebenslang betroffen >70% Einweisungen in ein US-Kinderhospital aufgrund genetischer Störungen [50% Royal Children's Hospital, Melbourne] Mutationen Soma Keimbahn Polymorphismen Mutationen / Gene Definition Mutation: Vorgang, der eine vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz bewirkt ( Abweichung von “Wildtyp”-Sequenz) Nukleotidabweichungen mit oder ohne phänotypische Auswirkung Polymorphismus / Variante / VUS variant of uncertain significance Gen: Nukleotid-Abfolge, die in RNA-Information übersetzt wird (Transkription), gemäß der Protein gebildet werden kann (Translation) Transkription + Translation Expression (zeit- und gewebespezifisch) Gen-Definition • lokalisierbare Region genomischer Sequenz, die einer Erb-Einheit entspricht, welche assoziiert ist mit regulatorischen und transkribierten Abschnitten sowie anderen funktionellen Sequenzregionen Genstruktur • Exons + Introns mRNA-Spleißen • regulatorische Elemente Promoter enhancer, silencer • mRNA offener Leserahmen 5‘ UTR, 3‘ UTR Online Mendelian Inheritance in Man OMIM-Statistik 5. 1. 2016 Gene mit bekannter Sequenz Gene mit bekannter Sequenz und Phänotyp Phänotyp-Beschreibungen, molekul. Basis bekannt mendelnde Phänotypen / Loci, molekul. Basis unbekannt Phänotypen mit vermuteter mendelnder Basis autosom. 14347 X Y mito. 704 48 35 15134 82 2 0 2 86 4283 300 4 29 4616 1505 126 5 0 1636 1698 112 2 0 1812 1244 59 66 23284 21915 Standard genetischer Code T C A G T TTT Phe, F TTC " TTA Leu, L TTG " TCT Ser, S TCC " TCA " TCG " TAT Tyr, Y TAC TAA Ter TAG Ter TGT Cys, C TGC TGA Ter TGG Trp, W C CTT Leu, L CTC " CTA " CTG " CCT Pro, P CCC " CCA " CCG " CAT His, H CAC " CAA Gln, Q CAG " CGT Arg, R CGC " CGA " CGG " A ATT Ile, I ATC " ATA " ATG Met M ACT Thr, T ACC " ACA " ACG " AAT Asn, N AAC " AAA Lys, K AAG " AGT Ser, S AGC " AGA Arg, R AGG " GTT Val, V GTC " GTA " GTG " GCT Ala, A GCC " GCA " GCG " GAT Asp, D GAC " GAA Glu, E GAG " GGT Gly, G GGC " GGA " GGG " G offener Leserahmen (mRNA/cDNASequenz) AUG … … … … UGA UAA UAG ATG … … … … TGA TAA TAG MetStart…………Stop alternatives Spleißen Spleißen Alternatives Spleißen Protein-Isoformen A1 A2 A3 >94% humaner Gene alternativ gespleißt 50% pathogener Mutationen beeinflussen Spleißen Spleißosomen: Spleiß-Code Verzweigungsstelle ISE 3‘ Spleißstelle 5‘ Spleißstelle ESE ISS ESS ESE/ESS Mutationen Spleißstellen-Mutationen ISE ISS/ISE Mutationen Spleiß-Mutationen Konsensussequenzen von 3‘ Spleißstellen verschiedener Intron/Exon-Grenzen Buchstabenhöhe proportional zur Basenfrequenz in der jeweiligen Position Spleißosomen Genom-Sequenzanalyse • Mendelnde Erkrankungen • nur Protein-kodierende Sequenzen, damit • Exom- vs. Genom-Sequenzanalyse - höhere Wahrscheinlichkeit, pathogene Mutationen zu identifizieren - effizientere Auswertung, da <3% des Gesamtgenoms - weniger Variationen, kostengünstiger Identifizierte Erkrankungen und Gene via Exom-Sequenzanalyse Anzahl Neumutationen Neumutationen + Elternalter Elternalter in Jahren Kong et al., Nature 2012 Schlußfolgerungen Autismus- + Schizophrenie-Erkrankungen → Spermien einfrieren in jungen Jahren ? → “Selektionsdruck erhöhen” ? Spontan-Mutation elterl. DNA neue DNA • Neu-Mutation (de novo) • nicht Mutagen-induziert Basen mismatch • Fehler DNA-Replikation DNAReplikation unverändert mutiert Spontan-Mutationsrate • Rate variiert für verschiedene Gene, abhängig von – Größe des Gens – Sequenz – Mutationen in hot spots – Pseudogene • Mutationsraten: 10-5-10-6 pro Locus und Generation – 10-8 pro Nukleotid und Generation – Neumutationsrate Duchenne Muskeldystrophie: 3x10-5 • jeder Mensch wird mit 60 Neumutationen geboren (und erwirbt somatisch zusätzliche Mutationen) meist in nicht-kodierenden Genom-Abschnitten aber • durchschnittlich 1 Aminosäuresequenz-Änderung Mutationsraten in Krankheitsgenen Erkrankung Mutationen / 106 Gameten Phänotyp Duchenne Muskeldystrophie 40-105 chron. progr. Muskelerkrankung Hämophilie A 30-60 Blutgerinnungsstörung Hämophilie B 0,5-10 Blutgerinnungsstörung Achondroplasie 10 Zwergwuchs Aniridie 2,6 Iris-Fehlen, -Defekt M. Huntington <1 Bewegungsstörung, Psychosen etc. Marfan-Syndrom 4-6 Hochwuchs, Aortenruptur etc. Neurofibromatose Typ I 40-100 Gutartige ZNS-Tumoren/Haut Osteogenesis imperfecta 10 Polyzyst. Nierenerkrankung Retinoblastom 60-120 5-12 Glasknochenkrankheit Zystennieren, Nierenversagen Netzhauttumore Mutationen: hot spots • spezifische Basensequenzen – (z.B. GC-reiche Abschnitte, CpG-Nukleotide 5-Methylcytosin) • kurze repetitive Sequenzen – Replikations- und/oder Reparaturenzyme verursachen Fehler • palindromische Sequenzen – oft assoziiert mit Insertionen oder Deletionen • Duplikationen größerer Regionen – Fehlpaarung in Meiose durch Pseudogene/ repetitive Sequenzen Fallbeispiel: 45-j. Patient, neurologische Beschwerden • subjektive Beschwerden – Gefühlsstörung in Füßen / Beinen – Mißempfindung, stech. Schmerzen – Gehschwäche • neurolog. Untersuchung – – – – – strumpfförm. Sensibilitätsstör. Verlust Vibrations-Wahrnehmung Verlust Reflexe ↓ Nervenleitgeschwindigkeit verdickte Nervenstränge • Diagnose: distale Polyneuropathie • hered. motor.-sensor. Neuropathie (HMSN I) HMSN • PMP22-Gen (5 Exons, 17p11.2-p12) Peripheres Myelin Protein • PMP22-Mutationen periphere Polyneuropathien • HMSN (Charcot-Marie-Tooth, CMT): 1,5Mb Duplikation in 75% der Patienten • Hereditary neuropathy with liability to pressure palsies (HNPP): 1,5Mb Deletion 85% Patienten Punktmutationen Transitionen (Pu Pu; Py Py) Transversionen (Pu ↔ Py) spontane Depurinierung, Depyrimidierung, Desaminierung stumme (kein AS-Austausch) DNA-Polymorphie neutrale (keine Aktivitätsänderung des Proteins) missense (geänderter AS-Rest/Leserahmen erhalten) nonsense (vorzeitiger Translationsstop) [Insertion/Deletion] Punktmutation C T TA G T G A C TA C G G TAAA G AAT C A C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein C T TA G C G A C TA C G G TAAA G AAT C G C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GCG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein stumm/still Punktmutation C T TA G T G A C TA C G G TAAA G AAT C A C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein C C TA G T G A C TA C G G TAAA G GAT CAC TGATG C CAT T T DNA C C U A GUG A C U A C G GU AAA Pro Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein missense Punktmutation C T TA G T G A C TA C G G TAAA G AAT C A C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein C T TA G T G A C TA G G G TAAA G AAT C A C T G AT C C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A G G GU AAA Leu Ser Asp Stop RNA Protein nonsense Punktmutation: Insertion C T TA G T G A C TA C G G TAAA G AAT C A C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein C T TA G T T G A C TA C G G TAAA DNA G AAT CA A C T G AT G C C AT T T C U U A G U U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Stop Protein Punktmutation: Deletion C T TA G T G A C TA C G G TAAA G AAT C A C T G AT G C C AT T T DNA C U U A GUG A C U A C G GU AAA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys RNA Protein C T T A G G A C T A C G G T A A A... G A A T C C T G A T G C C A T T T... DNA C U U A G G A C U A C G G U A A A... Leu Arg Thr Thr Val Lys RNA Protein Leseraster-Verschiebung Polyphänie / Polygenie • unterschiedliche Mutationen in 1 Gen verschiedene Krankheitsbilder (Polyphänie) – Beispiel: Connexin26-Mutationen • Gehörlosigkeit (autosomal-rez.) • Gehörlosigkeit (autosomal-dom.) • Vohwinkel-Syndrom (autosomal-dom.)/Palmoplantares Keratoderm • Mutationen in verschiedenen Genen gleiches Krankheitsbild (Polygenie) – Beispiel: erbliche Hörstörungen > 100 Gene – Beispiel: Retinitis pigmentosa (erbl. Netzhautdegeneration) > 100 Gene Induzierte Mutationen • Chemikalien + Strahlung Mutationen • Mutagene (mutagen wirkende Substanzen) • Karzinogene (karzinogen wirkende Sustanzen) • • • • Alkylantien (entfernen Base) Akridine (Entfernung / Einfügung von Basen) Röntgenstrahlen (Chromosomenbrüche, Deletionen) UV-Strahlung (Thymidin-Dimere) DNA-Reparatur • Fehler in DNA-Replikation / -Schädigung Mutationen • allermeiste Fehler in Zellen repariert • verschiedene Reparaturmechanismen • Mutationen in DNA-Replikation 1 : 108 Basen Mismatch Reparatur P.Modrich • mismatch repair-Enzyme erkennen in Replikation Basenfehlpaarungen im neu synthetisierten DNA-Strang • fehlerhafte Base korrigiert • mismatch proof reading A C Excisions-Reparatur A. Sancar • schadhafter DNA-Abschnitt/Base excidiert, mittels DNAPolymerase ersetzt: NukleotidExcision • Austausch <20 Nukleot./1 Base • UVB-Schäden, Karzinogene Einzelbasen-Excision • 1-5 Basen ersetzt • repariert oxidative Schäden UV T. Lindahl C=C C=C C=C DNA-Reparatur • Versagen DNA-Reparaturmechanismen Mutationen • somatische Gewebe “altern” • umfangreiche Schäden programmierter Zelltod (Apoptose) betroffener Zellen (p53-induziert) • Mutationen in Genen für DNA-Reparatur-Enzyme Mutationen, vorzeitiges Altern Erbl. Störungen der DNA-Replikation und -Reparatur Erkrankung Frequenz Defekt Ataxia telangiectasia 1/40,000 Kinase-Defekt in ZellzyklusKontrolle Bloom-Syndrom 100 Fälle seit 1950 DNA-Ligase-Defekt Fanconi-Anämie 1/22,000 best. Populationen defekte Excissionsreparatur Hereditary nonpolyposis colon cancer (HNPCC) 1/200 Mismatch Repair-Defekt Werner-Syndrom 3/1,000,000 Helicase-Defekt Xeroderma pigmentosum 1/250,000 defekte Excissionsreparatur Trichothiodystrophie <100 Fälle defekte Excissionsreparatur Hämoglobin • 4 Globin-Proteine umgeben 4 HämGruppen (Fe-Atom): je 2 - + -Ketten • O2-Transport Lunge Peripherie CO2 Lunge β-Kette α-Kette Häm Basenaustausch im HBB-Gen Sichelzell-Anämie Wildtyp Normale Erythrozyten …ACT CCT GAG GAG AAG… …ACT CCT GTG GAG AAG… mutiert. Allel …Thr Pro Glu Glu Lys… 6 …Thr Pro Val Glu Lys… 6 (HbS Glu6Val) SichelzellForm HBB-Genotyp Sichelzellanämie-Phänotyp • Sichelzell-Anämie war 1. Erkrankung mit definierter molekularer Ursache • Phänotyp bei homozygoten Mutationsträgern: – verändertes Hb präzipitiert im desoxygenierten Zustand Erythrozyten sicheln – hämolytische Anämie, Infarkte, Skelettstörungen • heterozygote Anlageträger häufiger in MalariaEndemiegebieten: Resistenz evolutionärer Selektionsvorteil
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