03.04.2011

1

VARIABILITATEA

Sursele variabilităţii

Mutaţiile genice şi consecinţele lor

• Variabilitatea – proprietatea organismelor vii de a prezenta diferenţe interpopulaţionale, intrapopulaţionale sau intrafamiliale.

• Variabilitatea poate fi ereditară sau neereditară.

• Poate implica modificări ale materialului genetic ale fenotipului sau numai ale fenotipului.

2

Sursele variabilităţii Variabilitatea genotipică

• Mutaţiile genice, cromozomiale şi genomice

• Recombinările genice, cromozomiale şi genomice

• Migraţiile populaţionale

Variabilitatea fenotipică

• Modificaţii prin acţiunea modulatoare a factorilor de mediu în limitele normei de reacţie;

• Modificaţii prin acţiunea patologică a factorilor de mediu în afara normei de reacţie;

• Anomalii prin acţiunea distructivă a factorilor de mediu, teratogeni

3

Variabilitatea asigură:

Polimorfismul genetic individual;

Polimorfismul fenotipic individual normal;

Adaptarea organismelor în diferite condiţii ale mediului selecţia naturală;

Răspunsul diferit la acţiunea unor factori de mediu (medicamente, alimente, toxine);

Susceptibilitatea la anumite infecţii;

Predispoziţia la anumite boli (cancer, diabet, hipertensiune...);

Apariţia diferitor stări patologice (anomalii de dezvoltare, boli genetice şi boli negenetice);

Evoluţia speciei. 4

5

Variabilitate

Fenotipică

Genotipică

Combinativă

Mutaţională

Modificări adaptive în limitele

normei de reacţie

Modificări ontogenetice

Anomalii spontane determinate

de factorii de mediu

Fenocopiile

Recombinarea genomică

Recombinarea intercromozomială

Recombinarea intracromozomială

Mutaţiile genomice

Mutaţiile cromozomiale

Mutaţiile genice

Mutaţiile

Mutaţiile sunt modificări accidentale, permanente şi ereditare ale materialului genetic;

Pot afecta genomul nuclear sau genomul mitocondrial;

Pot implica întreg genomul (poliploidii şi aneuploidii), un cromozom sau câţiva crs (aberaţii cromozomiale

echilibrate şi neechilibrate); o genă sau o secvenţă de nucleotide (mutaţii genice, punctiforme)

6

03.04.2011

2

Mutaţiile

Pot fi omogene în toate celulele organismului (mutaţii generative) sau pot fi în mozaic, afectând numai un

grup de celule somatice (mutaţii somatice);

Pot apărea spontan sau pot fi induse de acţiunea unor factori mutageni fizici, chimici sau biologici;

Pot afecta regiunile necodante ale genomului – mutaţii neutre, sau pot afecta regiunile codante, producând

modificări fenotipice patologie (mutaţii nefavorabile, morbide) sau modificări evaluante (mutaţii favorabile).

7

Mutaţii genice nucleare

Cauze:

• Erori ale replicării (10-10 per p.b. per diviziune)

• Erori de reparaţie a leziunilor ADN ca rezultat a acţiunii RI, RUV, SC, modificărilor BA)

Mecanisme:

• Substituţii nucleotidice = mutaţii punctiforme

• Deleţii sau inserţii nucleotidice

• Mutaţii dinamice

Consecinţe:

• Polimorfisme ADN

• Proteină anormală cu proprietăţi noi, câştig sau pierdere de funcţie

• Proteină normală în cantităţi anormale cu câştig sau pierdere de funcţie

8

Mutaţiile punctiforme (50% din toate mutaţiile genice, se întâlnesc în majoritatea bolilor genice)

• Substituţiile pot fi:

9

Tranziţii

Transversii

• A↔G (Pu↔Pu)

• T↔C (Py↔Py)

• A↔T (Pu↔Py)

• A↔C (Pu↔Py)

• G↔T (Pu↔Py)

• G↔C (Pu↔Py)

Substituţiile pot interesa secvenţele nucleotidice:

– codificatoare - exonice

– necodificatoare - intronice

– la nivelul regiunilor reglatoare

Substituţii la nivelul exonilor Codon sens

nonesens

samesens

missens

Codon STOP

codon STOP

codon sens

10 Mecanisme: pot apărea spontan sau erori de replicare sau provocate de acţiunea unor factori mutageni.

11

Substituţii

Tranziţii

Transversii

UAC (Tyr)

Samesens

UAU (Tyr)

UAA (Stop)

Nonsens

UAG (Stop)

Nonsens

CAU (His)

Missens GAU (Asp)

Missens

AAU (Asn)

Missens

UCU (Ser)

Missens

UGU (Cys)

Missens

UUU (Phe)

Missens

12

03.04.2011

3

13

A→T 17

14

Indivizii homozigoţi recesivi

Hemoglobină anomală

Hematii falciforme (în formă de seceră)

Distrugerea rapidă a

celulelor falciforme

Lipirea celulelor şi

blocarea circulaţiei

sanguine

Acumularea celulelor

falciforme în splină

Anemie Dereglări locale în alimentare sanguină

Supraactivitatea

măduvei osoase

Defecte

cardiace

Defecte în

activitatea

musculară

Defecte în

tractul

gastrointestinal

Creşterea cantităţii

măduvei osoase

Dilatarea

cordului Afectarea

plămânilor

Dereglări

cerebrale

Defecte

renale

Defecte

scheletale

Diminuarea

activităţii

mintale

Dereglări

cardiace

Pneumonie Paralizie

Dureri

nespecifice

Dereglări

renale

Fibroza

splinei

Consecinţele substituţiilor

Exonice – modificări calitative ale proteinelor:

• apariţia unui aminoacid diferit în polipeptid;

• scurtarea polipeptidului;

• alungirea polipeptidului.

Intronice:

• fără modificări în sinteza polipeptidului;

• defecte de splicing – proteină anormală;

La nivelul regiunii reglatoare – modificări în cantitatea de polipeptid sintetizat:

• Non-expresie;

• Activarea neautorizată. 15

Deleţiile şi inserţiile genice

• deleţia sau inserţia 1 sau mai multor nucleotide – decalarea fazei de lectură (25% din mutaţii, majoritatea bolilor genetice);

• deleţia sau inserţia unor fragmente genice mai mari (6%)

Tipuri:

• Crossing-over inegal;

• Schimbul inegal între cromatidele surori.

Mecanisme de producere:

• proteină anormală sau absentă. Consecinţe

16

17

Mutaţii cu decalarea fazei de lectură Adiţia sau deleţia unei perechi de nucleotide (sau două sau

patru) din secvenţa codificatoare a genei poate determina

schimbarea fazei de lectură în ARNm şi ca rezultat – modificarea

polipeptidului. Aceste mutaţii pot provoca stoparea prematură a

translaţiei, inserţia incorectă a unor aminoacizi în lanţul

polipeptidic. Ca rezultat produsul genic este defect.

Mutaţii dinamice Se caracterizează prin expansiunea repetărilor unor secvenţe trinucleotidice intragenice;

Se caracterizează prin instabilitate în timpul diviziunilor celulare (în special în ovogeneză);

Pot afecta funcţia genei şi determina fenotipuri patologice;

Penetranţa mutaţiilor dinamice este determinată de numărul repetiţiilor:

• Stări benigne – polimorfizme alelice;

• Premutaţii;

• Mutaţii complete.

18

03.04.2011

4

19

Unele boli genetice sunt cauzate de expansiune

secvenţei trinucleotidice

Boala Localiz. Mod de

transm.

Microsa-

telit

Alela

normală

Premu-

taţie

Mutaţie

completă

Efect

parental

Sindromul

X-fragil

1:4000

Xq27.3 XL CGG <60 60-200 >200 Matern

Distrofia

musculară

1:8000

19q13.3 AD CTG <30 50-80 >100 Matern

Ataxia

Friedreich

1:50000

9q13 AR GAA <25 36-100 >100 Matern

Boala

Huntington

1:12000

4p16.3 AD CAG <36 ? >36 Patern

Sindromul X-fragil cu retard mental ereditar

• 1: 4000 din bărbaţi; 1:7000 din femei;

• Fenotip: – Retard mental

– Achiziţie tardivă a limbajului

– Anomalii de comportament

– Dismorfie facială

– Macroorhidie pospubertară

– Semne generate de displazia ţesutului conjunctiv

• 1:500 femei este purtătoare de premutaţii

20

21

Sindromul X-fragil

22

Mutaţia Consecinţa Boala

Substituţia unui

nucleotid de tip

tranziţie (C→T) în

insulele CpG din

gena pentru FGFR3

(4p16.3);

Activitatea permanentă,

chiar şi în absenţa

ligandului, a receptorului

de tip 3 pentru factorul

de creştere a

fibroblaştilor;

Acondroplazia

deleţia a 3 p.n. din

gena CF în poziţia

508 (F508del);

Pierderea Phe din poziţia

508 a proteinei CFTR (ce

are funcţia de canal de

clor la polul apical a

celulelor epitaliale);

Fibroza

chistică

(Mucoviscidoza)

23

mutaţia de tip missens

(GAC→GTC) în codonul

6 al genei pentru β-

globină (Glu6 → Val);

Substituţia aminoacidului

Glu cu Val din poziţia 6 în β-

globină şi sinteza HbS;

Sicklemia

(Anemia

falciformă)

mutaţia de tip non-sens

în gena pentru β-globină

(Gln39X);

Se produce substituţia Gln

din poziţia 39 cu un stop-

codon şi sinteza unei forme

trunchiate de β-globină;

β - talasemia

inserţia a 4 nucleotide

între nucleotidele 1277

şi 1278 ale genei pentru

HEXA (1277-

1278insTATC);

Deficienţa sau absenţa

enzimei lizozomale β-

hexozaminidaza A (HEXA) şi

acumularea gangliozidului

GM2 în neuronii SNC;

Boala Tay-

Sachs

(Gangliozidoza

GM2)

24

mutaţia la nivelul

exonului 6 a genei

pentru GAL-1-P-uridil

transferaza

(Gln188Arg);

Deficitul sau absenţa

enzimei galactozo-1-fosfat-

uridilt ransferazei;

Galactozemia

mutaţia genei PAH

(peste 400 tipuri de

mutaţii);

Deficitul fenilalanin-

hidroxilazei, enzimă ce

transformă Phe în Tyr;

Fenilcetonuria

deleţii în regiunea 59

sau zona centrală a

genei pentru distrofină

(Xp21);

Modificarea structurii

distrofinei - proteină ce

menţine integritatea

membranelor celulelor

musculare;

Distrofia

musculară

Duchenne

(DMD)

03.04.2011

5

Efectul fenotipic al mutaţiilor patogene

Mutaţiile sunt cauze frecvente ale bolilor sau predispoziţiei la boală;

Efectul fenotipic al mutaţiilor depinde de:

• Efectul mutaţiei asupra funcţiei proteinei (pierdere sau câştig)

• Tipul şi funcţia proteinei (enzimă, receptor, canal, proteină structurală...)

• Gradul de manifestare a fenotipului la heterozigoţi;

• Fondul genetic al persoanei (interacţiuni nealelice);

• % de celule afectate;

• Originea parentală a genei în cazul bolilor de amprentare. 25

Boli cu pierdere de funcţie:

• FH – hipercolesterolemia familială – 1:500 – lipsa receptorului la LDL;

• PKU – FENILCETONURIA;

• BOLILE LIZOSOMALE

Boli cu câştig de funcţie – efect de dozaj:

• Boala Charcot-Marie-Tooth – degenerescenţă nervoasă periferică;

• Acondrodisplazia – activitate permanentă a receptorului de creştere a fibroblaştilor , în absenţa ligandului;

• Inversia sexuală la indivizii 46,XY prin duplicaţia genei DAX

Boli prin achiziţia unor proprietăţi noi a proteinelor mutante –

• Alela Pittsburg a alfa1-antitripsina (care în mod normal inhibă elastaza) inhibă trombina – tulburare de coagulare letală;

• Boala Alzheimer – producerea unei proteine toxice prin mutaţia genei pentru β-ameloid

Boli prin expresia heterocronică sau ectopică:

• Diferite forme de cancer;

• Persistenţa ereditară a hemoglobinei fetale

26