Aleksander L. Sieroń

1. KATEDRA I ZAKŁAD BIOLOGII OGÓLNEJ MOLEKULARNEJ I GENETYKI, SUM. KATOWICE-LIGOTAUL. MEDYKÓW 18, BUD. C-1, WITRYNAhttp//biolmolgen.slam.katowice.pl Aleksander L. Sieroń

2. Aleksander L. SIEROŃ (I-szy rok kier. Lekarski) M U T A C J E KATEDRA I ZAKŁAD BIOLOGII OGÓLNEJ, MOLEKULARNEJ I GENETYKI ŚLĄSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY *KATOWICE*

3. MUTAGEN • MUTAGEN to substancja lub czynnik, który powoduje wzrost częstości zmian w genach. • Te mutacje mogą być następnie przekazywane komórkom potomnym, a czasami mogą również prowadzić do powstawania komórek nieprawidłowych lub nowotworowych. • Przykłady MUTAGENÓW obejmują ale nie są ograniczone do: • czynników biologicznych • czynników chemicznych • wystawienie na działanie światła ultrafioletowego • wystawienie na działanie promieniowania jonizującego.

4. Jest wiele rodzajów mutacji, • niektóre z nich są „obojętne”, • a inne mogą mieć istotny wpływ na działanie organizmu.

5. Mutageny można wykrywać Testem Ames’a lub innymi metodami biochemicznymi. Test Ames’ajest sposobem oznaczania czy badany czynnik posiada zdolność wywoływania mutacji genetycznych. W tym celu wyciąg komórek wątroby zwierzęcej miesza się ze specjalnym szczepem bakterii Salmonella. Mieszanina jest następnie poddawana działaniu badanej substancji lub badanego czynnika. Po zakończeniu ekspozycji wykrywa się występowanie zmutowanych bakterii (powstanie mutacji pod wpływem badanego czynnika nazywa się MUTAGENEZĄ). Test Ames’a nie wskazuje bezpośrednio, czy badany czynnik posiada właściwości kancerogenne (wywołuje nowotwory). Zazwyczaj istnieje jednak, w badaniach na modelach zwierzęcych, związek między potencjałem mutagennym czynnika i jego potencjałem kancerogennym.

6. UWAGA!!! NIE MYLIĆ MUTAGENU Z KANCEROGENEM (CZYNNIKIEM WYWOŁUJĄCYM RAKA) MUTAGENY MOGĄ, ALE NIE MUSZĄ WYWOŁYWAĆ RAKA !!! Kancerogenem jest substancja, która powoduje raka (lub jest podejrzana o to, że powoduje raka). Czynnikiem kancerogenny jest czynnik, który podejrzewa się o powodowanie raka. Proces tworzenia komórek raka z normalnych komórek to KANCEROGENEZA.

7. UWAGA!!! NIE MYLIĆ MUTAGENU Z TERATOGENEM (CZYNNIKIEM POWODUJĄCYM ZMIANĘ LUB SZKODĘ W ROZWIJAJĄCYM SIĘ PŁODZIE LUB ZARODKU) Teratogen to czynnik, który może powodować wady w zarodku lub u płodu. Może to być substancja chemiczna, wirus lub promieniowanie jonizujące. Teratogen jest bliski toksynom płodowym, wywołującym objawy toksyczne w rozwijającym się płodzie. Zarówno toksyny płodowe, jak i teratogeny są toksynami rozrodczymi czyli czynnikami, powodującymi uszkodzenie w układzie rozrodczym i/lub wewnątrz-wydzielniczym matki i/lub rozwijającym się płodzie.

8. TYPY MUTACJI • MUTACJA TO: • Dziedziczna zmiana w sekwencji zasad DNA wynikająca z działania mutagenów. Różne typy mutacji obejmują przesunięcie ramki odczytu, zmianę sensu kodu, i kod nonsensowny.

9. TYPY MUTACJI • AMBER • Mutacja polegająca na zmianie kodonu, który koduje aminokwas do KODONU AMBER UAG, który normalnie oznacza koniec translacji mRNA do łańcucha aminokwasowego. Mutacja ta powoduje przedwczesne zakończenie syntezy łańcucha aminokwasowego. • 2. WSTECZ • Powoduje odwrócenie zmutowanego genu w porównaniu z rodzimą sekwencją zasad nukleotydowych. • 3. WPRZÓD • Odwrócenie mutacji wstecz.

10. TYPY MUTACJI • 4. CHROMOSOMALNE • Dotyczą mutacji DNA, które powodują zmianę w białku kodowanym przez zmutowany gen, taką jak mutacja punktowa, insercja lub delelecja(przesunięcie fazy odczytu), lub nonsensową. • Najczęściej odnoszą się one do mutacji dotyczących całych chromosomów, takich jak inwersja części jednego chromosomu powodująca, że odwrócona część nie ma już odpowiednika w parze homologicznej. Translokacje części chromosomu do innego chromosomu, po delecji części chromosomów, lub wypadkach, które zdarzają się podczas podziału jądra komórkowego, takich jak nierówny rozdział chromosomów do komórek potomnych.

11. TYPY MUTACJI • 5. WARUNKOWE • Mutacje, których znaczenie ujawnia się jedynie w • określonych warunkach, takich jak na przykład niska • lub podwyższona temperatura. • 6. DELECJE • Mutacje powodowane przez usunięcie jednego lub • większej liczby nukleotydów z genu lub chromosomu.

12. TYPY MUTACJI • 7. ZA PROMOTOREM • Mutacje (polegające na zmianie w sekwencji par zasad) • w odcinku promotora; zwykle powodują one słabszą • ekspresję genu (zachodzi słabsza transkrypcja genu). • 8. NONSENSOWE • Mutacje, które powodują przedwczesne zakończenie • syntezy łańcucha polipeptydowego.

13. TYPY MUTACJI • 9. PUNKTOWE • Zmiana pojedynczej pary zasad w sekwencji DNA • genu. • 10. POLARNE • Mutacja w pojedynczym genie, która zmienia tempo • ekspresji genów sąsiadujących na tym samym • chromosomie.

14. TYPY MUTACJI • 11. MILCZĄCA • Mutacja nie powodująca fenotypowej zmiany • biologicznej aktywności białka kodowanego przez • zmutowany gen. • 12. SPONTANICZNA • Mutacja występująca samoistnie, bez działania • mutagenu, na przykład podczas replikacji DNA. • Mutacje spontaniczne pojawiają się ze stałą • regularnością. Częstość pojawiania się mutacji • spontanicznych służy jako „zegar ewolucyjny” do • określania pokrewieństwa dwóch (lub więcej) odrębnych • gatunków.

15. TYPY MUTACJI • 13. PODSTAWIENIA • Mutacje powodowane przez zastąpienie jednej zasady • nukleotydowej inną. • 14. SUPRESOR OWA • Mutacja odtwarzająca, przynajmniej w tym samym • stopniu, funkcję utraconą w wyniku mutacji pierwotnej • (mutacja supresorowa dotyczy innego miejsca niż • mutacja pierwotna). • 15. NIESTABILNA • Mutacja, która ma duże prawdopodobieństwo powrotu • to postaci wyjściowej.

16. TYPY MUTACJI • 16. POWYŻEJ • Odnosi się do każdej mutacji w obrebie promotora • genu lub w sekwencji poprzedzającej promotor, która • może zaburzać rozpoczęcie transkrypcji.

17. MUTACJE KODONÓW • 1. KODON JEST • podstawową jednostką kodu genetycznego, zbudowanym • z trójnukleotydowych sekwencji w rybonukleinowym • kwasie informacyjnym (mRNA). Każdy kodon • podlega translacji do jednego aminokwasu w • syntetyzowanym białku. • 2. POCZĄTKOWY - INICJUJĄCY • Sekwencja, która koduje pierwszy aminokwas w • sekwencji polipetydu. Jest nim zwykle kodon AUG u • eukariota i czasem GUG u prokariota. • 3. NONSENS • Kodon sygnalizujący koniec łańcucha polipeptydowego. • Nie koduje on żadnych aminokwasów.

18. MUTACJE KODONÓW • 4. TERMINUJĄCY (stop kodon) • Są to kodony UAA, UAG i UGA, sygnalizujące koniec • syntezy łańcucha polipeptydowego. • 5. KODON AMBER • Nonsensowy kodon UAG, jeden z trzech kodonów które • zamiast aminokwasów sygnalizują zakończenie • translacji mRNA do łańcucha aminokwasowego. • 6. KODON ZDEGENEROWANY • Kodon kodujący więcej niż jeden aminokwas.

19. MUTACJE KODONÓW • 7. ANTYKODON • Specyficzna sekwencja trzech nukleotydów w • transportującym RNA, komplementarna do kodonu • specyficznego aminokwasu w informacyjnym RNA.

20. Przykłady mutagenezy • Mutacje w schorzeniach • i mutageny nasilające objawy kliniczne

21. ZABURZENIA NAPRAWY DNA. Przykład zaburzenia zdolności naprawy DNA. Diagnostyka kliniczna pacjen-tów z zaburzeniami naprawy DNA jest prowadzona w wielu laboratoriach. W laboratorium Davida Buscha (Armed Forces Institute of Pathology - AFIP) skupiono się na diagnostyce xeroderma pigmentosum (XP) zespołu Cockaynea (CS) i dwóch cho-rób genetycznych, cechują-cych się nadwrażliwością ko-mórek na UV związaną z niez-dolnością naprawy DNA uszko-dzonego przez światło UV.

22. XERODERMA PIGMENTOSUM (XP) Jest rzadkim defektem genetycznym w mechanizmach naprawy uszkodzeń DNA wywołanych światłem UV. Charakteryzuje ją nadwrażliwość na wszystkie źródła promieniowania UV (szczególnie słoneczne). XP dzieli się na kilka komplementujących grup, zgodnie ze zdolnością organizmu do naprawy DNA. Grupy A, C, D, i Wariant stanowią ponad 90% przypadków XP. Grupa A, cechuje się najmniejszą zdolnością naprawy uszkodzeń DNA i największą liczbą objawów neurologicznych.

23. XERODERMA PIGMENTOSUM • Charakteryzuje się szerokim spektrum objawów: • ślepota i głuchota • pęcherze na skórze, przy nawet minimalnej ekspozycji na światło słoneczne • wyższa częstość raków skóry i oczu • różnorodne zaburzenia rozwojowe • opóźnienie w rozwoju umysłowym • karłowatość i hipergonadyzm

24. DZIEDZICZENIE XP Recesywne, Autosomalne; Ujawnianie zależy od warunków środowiska; Częstość około 3 na 106 z dużą zmiennością geograficzną; Wyższa częstość występuje Tunezji (10 na 105, rola środowiska) i w Japonii (1 na 105); Rzadko występuje u czarnoskórych.

25. Geny i Białka w XP Heterogenność XP wynika z niejednorodności genetycznej: Na podstawie badań z zastosowanie metod fuzji komórek, wyodrębniono 7 postaci komplementujących (XPA do G) plus postać zwana wariant.

26. Geny i Białka Zaangażowane w XP • - XPA (xeroderma pigmentosum, postać A), lokalizacja genów 9q22, • - XPB zwana również ERCC3 (ERCC - Excision-Repair Cross Complementing • rodent repair deficiency), lokalizacja genów 2q21, • - XPC (xeroderma pigmentosum, postać C), lokalizacja genów 3p25, • - XPD zwana również ERCC2 (Excision repair cross-complementing rodent repair deficiency, postać D), lokalizacja genów 19q13, • XPE (xeroderma pigmentosum, postać E), lokalizacja genów w chromosomie 11, • XPF zwana również ERCC4 (xeroderma pigmentosum, postać F), lokalizacja genów 19q13, • XPG zwana również ERCC5 (xeroderma pigmentosum, postać G), lokalizacja genów 13q32, • XPV zwana również Pol eta (polymerase (DNA direct), eta), lokalizacja genów 6p12-21,

27. Nie ma skutecznej metody leczenia XP. Uszkodzenia DNA gromadzą się i są nieodwracalne. Opieka nad chorym ogranicza się do unikania promieni UV, przez pozostawanie w pomieszczeniach zamkniętych bez dostępu słońca, stosowanie odzieży chroniącej przed słońcem, kremów przeciwsłonecznych i okularów słonecznych. Należy unikać kontaktu z wszelkimi znanymi kancerogenami. Zalecane są regularne testy i profilaktyka przeciw wszystkim znanym nowotworom.

28. Przykłady mutagenezy • Mutacje w schorzeniach • i mutageny nasilające objawy kliniczne • c.d.

29. Inne zaburzenia związane z zaburzonym układem naprawy DNA • - Ataksja-Telangiektasia • - Zspół Bloom’a • - Zespół Cockayne’a • - Anemia Fanconi • Inne pokrewne zaburzenia • - Trichothiodystrofia (TTD) • TTD jest rzadkim schorzeniem – mniej niż 1,000 przypadków znanych na całym świecie. • Diagnoza kliniczna TTD jest możliwa. • TTD jest zaburzeniem zagrażającym życiu chorego, bo uszkodzenia DNA kumulują się i są nieodwracalne.

30. Różne zaburzenia tego samego genu mogą wywoływać różne fenotypy, np. (CS) ang. Cockayne Syndrome, (TTD) ang. TrichoThioDystrophy

31. ZESPÓŁ COCKAYNE’A DZIEDZICZENIE AUTOSOMALNE, RECESYWNE

32. ZESPÓŁ COCKAYNE’A OBEJMUJE 3 TYPY: 1, 2 i 3 Zespół Cockayne’a typu 1Zespół Cockayne’a typu2 ZespółCockayne’a typ 3

33. ZESPÓŁ COCKAYNE’A Fenotyp i objawy kliniczne • normalne noworodki; • od szóstego miesiąca życia zahamowanie wzrostu; • w wieku dwóch lat diagnoza zespołu; • starczy wygląd skóry (pigmentacja, atrofia) o wyglądzie „myszki mickey" • (microcephalia, duże uszy, duży nos, głęboko osadzone oczy); • wygląd "starczego karła" ale o kantrastująco długich kończynach, dużych • dłoniach i stopach, zimnych niebieskich palcach, przykurcze stawów; • nadwrażliwość na światło słoneczne; • dotkliwa encephalopatia z wyraźnym upośledzeniem umysłowym • i zaburzeniami czucia (głuchota, zanik wzroku); • inne zaburzenia: nadciśnienie, wczesna miażdżyca, zwapnienia • wewnątrzczaszkowe.

34. ZESPÓŁ COCKAYNE’A Cytogenetyka Wady wrodzone Jak w XP, zwiększona częstość wymiany odcinków chromatyd pod wpływem promieni UV (SCE), jak i wyższa częstość aberracji chromosomalny, przede wszystkim pęknięć chromatyd.

35. ZESPÓŁ COCKAYNE’A Ryzyko Nowotworów Nie ma podwyższonej częstości guzów skóry lub innych raków, z wyjątkiem pacjentów z zespołem Cockayne’a przejawiającymi objawy xeroderma pigmentosum(XP) (postacie XPG, XPD lub XPB) Rozwój Heterogenny klinicznie. Wczesna śmierć na skutek cachexia i demencji, wczesne guzy cutaneous i miażdżyca.

36. Zespół Cockayne’a Zwapnienia w mózgu. Zdjęcie pokazuje mózg pacjenta CS, z wido-cznymi złogami wapnia w móżdżku (białe pola przy znaku +).

37. Zespół Cockayne’a Widoczna jest niezwykle mała ilość tkanki mózgowej. Obraz tomografii komputerowej (CT) pacjenta CS pokazuje hydrocephalus ex vacuo, nienormalnie duża ilość płynu wypełniającego przestrzeń w czaszce normalnie zajmowaną przez tkankę mózgową. Komory (duże, ciemne, owalne, symetryczne pola w pobliżu centrum) mają wygląd nienormalnie powiększonych z płynem mózgowo-rdzeniowym zamiast ściśniętych w kształcie szczelin. Widoczne są także symetryczne, faliste, białe pola z gęstymi złogami wapnia w zwojach podstawnych mózgu (zaznaczone po lewej +).

38. Substancja biała mózgu może mieć deficyt mieliny w mózgach pacjentów CS. Mikrofotografia tkanki mózgowej ma wygląd piankowaty z powodu utraty mieliny w substancji białej. Zespół Cockayne’a

39. ZESPÓŁ COCKAYNE’A Mniejsza liczba neuronów niż normalnie. Mikrofotografia tkanki móżdżkowej, pokazuje nienormalnie mniej, nieregularnie rozmieszczonych neuronów móżdżkowych (komórki Purkinjego).

40. Zespół Cockayne’a Geny i białka • Różnorodność genetyczna CS jest powodem trudności klasyfikacji postaci • choroby. • Zlokalizowano geny: • CSA (ang. Cockayne Syndrome A), zwany również ERCC8 (ERCC • ang. Excision-Repair Cross Complementing rodent repair deficiency) • w chromosomie 5, • CSB zwany również ERCC6 , w 10q11-21; • inne niż w CSA i w CSB, • Zidentyfikowano również: • 3 pacjentów z XPB/CS, z XPB, zwanym również ERCC3, • geny w 2q21; • 2 pacjentów XPD/CS, z XPD, zwanym również ERCC2, • geny w 19q13; • 6 pacjentów XPG/CS, z XPG, zwanym również ERCC5, • geny w 13q32 (pacjenci z obydwoma XP i CS byli wcześniej • klasyfikowani jako CS III, ale obecnie już nie są).

41. Zespól Cockayne’a Dzieci CS mają rzadziej nowotwory i blizny niż dzieci z XP, Cierpią z powodu: - opóźnienia rozwoju, - karłowatości, - przedwczesnego starzenia, - skróconej żywotności, - głuchoty nerwowej, - katarakty, - degeneracji siatkówki (retinitis pigmentosum), - ciężkich problemów uzębienia, - anomalii w budowie twarzy.

42. Trichothiodystrofia (TTD) Inne nazwy Zespół PIBIDS lub Zespół IBIDS Dziedziczenie Recesywne, Autosomalne

43. Trichothiodystrofia (TTD) Objawy Kliniczne Fenotyp i Objawy Kliniczne • Nadwrażliwość na światło, • Łuszczyca, • Kruche włosy, • Niedorozwój intelektualny, • Obniżona płodność, • Niski wzrost (zespół PIBIDS), • Nadwrażliwość nie występuje u 50% przypadków (dlatego • u tych chorych jest nazywany zespołem IBIDS).

44. Trichothiodystrofia (TTD) Objawy Kliniczne Ryzyko Nowotworów Ta choroba dziedziczna NIE JEST wiązana z chorobami nowotworowymi, ale są za nią odpowiedzialne defekty w tej samej grupie genów, które odpowiadają za xeroderma pigmentosum i zespół Cockayne’a (XPD, XPB). Prognoza zależy od charakteru defektu naprawy DNA (nadwrażliwość na światło: XPD-ERCC2, XPB-ERCC3, TTD-A) i błędów w transkrypcji (objawy nie typowe).

45. Trichothiodystrofia (TTD) Cytogenetyka Wady Wrodzone Nie są znane anomalie chromosomalne

46. Trichothiodystrofia (TTD) Geny i Białka • Trzy rodzaje (klasy) defektów w naprawie DNA: • pacjent z TTD-A (mała produkcja czynnika transkrypcyjnego II (TFIIH – • ang. transcription factor), • pacjenci ze zmutowanymi genami XPB (TTD/XPB), z udziałem XPB, • zwanym również ERCC3, lokalizacja w 2q21; • pozostali pacjenci ze zmutowanymi genami XPD (TTD/XPD), z udziałem • XPD, zwanym również ERCC2, lokalizacja w 19q13

47. GÓŁWNE WNIOSKI Zaburzenia w naprawie DNA mogą komplikować, jeśli zaburzenie powoduje, że pacjent jest nadwrażliwy rakową: 1. chemioterapię & 2. radioterapię.

48. PROPONOWANE TERMINY POZOSTAŁYCH TESTÓW I SPRAWDZIANÓW • cząstkowy z parazytologii - 20. styczeń 2012 od godz. 17.00 UWAGA! Grupy 15 i 16 zaczynają po zajęciach z anatomii • POPRAWA - 24-25 01.2012 GODZINA DO USTALENIA • KOŃCOWE ZALICZENIE „ROZBÓJNIK” -  26 lub 27 Styczeń 2012 - GODZINA DO USTALENIA EGZMINU KOŃCOWEGO • I-SZY TERMIN - 06 luty 2012 godz. 8.00-18.00 (DWIE tury) • II-GI TERMIN – 20 LUTY 2012 • III-CI TERMIN – 27 LUTY-03 MARZEC 2012

49. Przykłady mutagenezy • Mutageny biologiczne

50. CYKLINA Cdk ADP pRB : E2F E2F ppRB p53 MDM4 BŁĄD/ USZKODZENIE MDM2 Stabilizacja p53 p21WAF1/CIP CYKLINA : Cdk ATP pRB : E2F FAZA G1 FAZA S FAZA S FAZA G1 NAPRAWA LUBAPOPTOZA