Genové mutace, typy a manifestace

Sekvence DNA podléhá změnám, které jsou vyvolány působením chemických, fyzikálních a biologických činitelů nebo vznikají jako vzácné chyby při replikaci (endogenní mutace) - v důsledku toho vznikají alelické variace.

Některé varianty DNA se nemusí ve fenotypu projevit, jiné se mohou projevit jen v závislosti na místě, kde se DNA nachází. V některých případech je obtížné rozhodnout, zda je sekvenční variace patogenní či nikoliv.

Mutace lze klasifikovat dle:

Velikosti

• malé mutace postihující jeden nebo několik málo nukleotidů v sekvenci DNA
• rozsáhlé mutace včetně mutací chromosomálních a genomových (polyploidisace)

Typu postižených buněk

• somatické mutace: postihují potomstvo mutované buňky, nikoli jedince potomky
• zárodečné mutace: postihují zárodečné buňky a mohou se přenést z rodičů na potomky

Mechanismu vzniku

• spontánní mutace: není znám vyvolávající faktor
• indukované mutace: navozené známými mutagenními faktory

Rozdělení genových mutací z hlediska:

Změn v sekvenci DNA

• substituce: záměna jednoho nukleotidu za nukleotid nesoucí jinou bázi, nejčastější mutace, jedná se o transici (purin-purin, pyrimidin-pyrimidin) nebo transversi (purin-pyrimidin a naopak)
• delece: ztráta jednoho nebo více nukleotidů v sekvenci DNA
• inserce: do sekvence DNA je zařazen jeden nebo více nukleotidů

Účinku na genový produkt

• mutacím mohou podléhat kódující i nekódující sekvence lidského genomu
• vážné následky mají ale hlavně mutace kódující DNA
• ty se dělí podle efektu na synonymní a nesynonymní
  • synonymní: tiché mutace, nemění sekvenci genového produktu
  • nesynonymní: mění sekvenci produktu (proteinu či RNA) s různými důsledky

• substituce lze z tohoto hlediska rozdělit na tiché, missense, nonsense

Tiché substituce

• následkem je vznik nového kodonu, který ale kóduje tutéž amk jako kodon předešlý (samesense mutace)
• mutace se většinou vyskytují na třetí pozici kodonu (degenerace genetického kódu) a jsou známé jako polymorfismy DNA, jež přispívají k variabilitě jedince
• v některých případech ale tyto mutace mohou ovlivnit sestřih RNA – aktivace kryptického sestřihového místa, postižení signálních sekvencí sestřihových míst nebo nukleotidů v sekvenci sousedící s konzervovanými signálními sekvencemi
• pak mohou měnit fenotyp jedince

Missense mutace

• mění kodon s důsledkem záměny amk v proteinu
• postihují většinou první dvě báze v kodonu
• důsledek pro organismus závisí na tom, jaké místo v proteinu je zasaženo – někdy jsou změny v proteinu tolerovány a nemají vliv na jeho funkci
• změny v částech funkčně a strukturně důležitých vedou k tvorbě mutantního, nefungujícího nebo špatně fungujícího proteinu
  • missense se dělí na mutace konzervativní (záměna za chemicky podobnou amk) a nekonzervativní (odlišná amk, vliv na vlastnosti proteinu)

Nonsense mutace

• mění kodon pro určitou amk na terminační kodon
• zásadním způsobem ovlivňují fenotyp, protože způsobují předčasné ukončení translace a vznik zkráceného, většinou nefunkčního, proteinu

Posunové (frameshift) mutace

• vznikají delecí nebo insercí jednoho nebo více nukleotidů v sekvenci DNA genu
• dojde k posunu čtení informace (čtecího rámce) a na ribosomu se překládá odlišná sada tripletů
• v důsledku toho často vzniká předčasný STOP kodon a vzniká změněný, zkrácený protein – mutantní fenotyp
• odlišný efekt má ztráta nebo vložení 3 nukleotidů nebo násobku trojice nukleotidů – dojde ke ztrátě nebo přidání amk a fenotypový projev je podobný substituci

Mutace se závažnými důsledky se mohou vyskytnout i v nekódujících sekvencích genu

• mohou postihnout regulační oblast genu a ovlivnit jeho expresi
• mutace v promotoru, postihující signální sekvence, může snížit afinitu RNA-polymerasy a redukovat produkci mRNA
• podobný efekt mohou mít i mutace genů pro RF a enhancery
• mutace se mohou uplatnit i v intragenových nekódujících sekvencích
• zejména, jestliže postihují hranice exon-intron
• jedná se o sestřihové mutace (splice site mutations), které postihují signální sekvenci GT na 5‘ konci (donor site) nebo signální sekvenci AG (acceptor site) na 3‘ konci nebo sekvence v blízkosti těchto oblastí – aberantní sestřih
• důsledkem je retence intronu nebo jeho části či vystřižení exonu nebo jeho části (intronisace exonu) v mRNA – systém užívá aberantní či kryptické sestřihové místo

Dynamické mutace

• u člověka popsán tento specifický typ mutací
• některé krátké repetitivní sekvence, zejména trinukleotidové (CAG, CTG, CGG, GAA) jsou uloženy v genu nebo jeho sousedství a mohou tak expandovat do značné délky a ovlivnit tak expresi genu
• expanze (amplifikace) se odehrává při přenosu alely z rodičů na potomky dosud ne zcela známým mechanismem
• existuje určitá prahová délka trinukleotidové sekvence, která je v průběhu mitosy a meiosy stabilní
• při překročené tohoto prahu se stávají repetitivní sekvence vysoce nestabilními a v průběhu přenosu na potomka expandují
• tyto změny v počtu repetic se mohou kumulovat postupně v průběhu genereací
• nejprve vzniká premutace, z níž se po další expanzi stává plná mutace – může být příčinou onemocnění
• povaha mechanismu expanze stále není zcela jasná, ale nejspíš je součástí tohoto procesu sklouzávání DNA-polymerasy v oblasti repetitivního úseku v průběhu replikace DNA

Mutace jako příčina onemocnění

Nové mutace se mohou vyskytnout v somatických i zárodečných buňkách (germline) a poškodit svého nositele.

Zárodečná mutace se s určitou pravděpodobností může přenést do další generace – může způsobit dědičné onemocnění (není-li letální před obdobím reprodukce nebo nepoškozuje plodnost).

Somatická mutace se nepřenáší a může vzniknout v kterékoli buňce, kdy za normálních okolností 1 mutovaná buňka organismus nepoškodí (buňky jsou stále obměňovány).

Jsou ale situace, kdy mutace v genech regulujících např. buněčný cyklus mohou vést k nebezpečnému nádorovému bujení a ohrozit život jedince.

Mutovaný gen může mít za následek:

• ztrátu funkce produktu
• redukci funkce
• abnormální funkci proteinu
• aktivaci či posílení funkce produktu genu (gain of function)
• ztráta funkce (loss of gunction)
  • znamená redukci funkce produktu nebo výsledný protein vůbec nefunguje – takové mutace mají za následek většinou fenotyp, která se jeví jako recesivně dědičný
  • v heterozygotním stavu nemusí být snížené množství produktu zásadní a nemusí se projevit ve fenotypu
  • pro některé geny to však neplatí a 50% snížení hladiny, haploinsuficience, způsobuje abnormální fenotyp

Mutace v mitochondriálním genomu

mt genom je sice mnohem menší než jaderný, ale v každé somatické buňce jsou tisíce kopií mitochondriálních genů, zvláště v těch buňkách, které mají vysoké energetické nároky (mozkové či svalové buňky).

Molekuly mtDNA jsou u normálního jedince z 99,9% identické – homoplasmie.

Frekvence mutací v mt genomu je ale dosti vysoká a jestliže se nová mutace rozšíří v populaci mtDNA, jsou výsledkem dva mt genotypy (eventuálně více) – heteroplasmie.

Frekvence mutací

• frekvence je zhruba stejná v kódující a nekódující sekvenci DNA – při průměrné délce genu 1,65 kb je frekvence spontánních mutací v genech 1,65 . 10^-6 - 10^-8 na gen a jedno buněčné dělení
• škodlivé mutace se ve fenotypu projevují jen jsou-li v kódujících nebo regulačních sekvencích DNA (onemocnění nebo letalita)
• v důsledku přirozené selekce tohoto typu mutací je proto jejich populační frekvence nižší než u mutací nekódujících oblastí
• kódující a regulační oblasti proto vykazují poměrně velký stupeň evoluční konzervace
• na úrovni genů je míra výskytu mutací variabilní – 10^-4  – 10^-7 na lokus a dělení – to má několik důvodů
  • velikost genů je velmi rozdílná
  • určité nukleotidové sekvence jsou náchylnější k mutacím – mutation hot spots (dinukleotidové sekvence CG, v 80% methylovány – methylovaný C snadno ztrácí aminoskupinu a konvertuje na T)

Detekce frekvence mutací

• frekvence se sleduje ve formální genetice
• u člověk jsou mutace definovány jako změna genetické informace při přenosu z generace na generaci
• v oplodněné zygotě můžeme najít mutace ve vajíčku i ve spermii
• přímá detekce mutací v rodokmenu nebo hybridizačním pokusu je možná v případech, kdy se mutace projeví ve fenotypu jedince, jehož rodiče a příbuzní jsou nepostiženi (sporadický výskyt znaku)
• 
  podstata hodnocení frekvence mutací je

• vlastní realizace metody je složitější
  • z hodnocení přímou metodou jsou vyloučeny recesivní mutace, které jsou nejčastější
  • nové autosomálně recesivní mutace jsou skryty v genotypu heterozygotů (jedinci Aa nejsou postiženi, ačkoli nesou postiženou alelu)
  • přímo mohou být hodnoceny jen dominantní mutace a dominantní i recesivní mutace vázané na X chromosom
  • tady mohou být sporadická onemocnění identifikována jako nové mutace při dodržení určitých podmínek
    • vyloučení nonpaternity
    • nejedná-li se o genetickou heterogenitu znaku nebo nevzniká-li znak jako fenokopie vlivem prostředí
    • vyloučení mikroformy znaku u rodičů (neúplné expresivity)
    • vyloučení neúplné penetrance znaku

• touto metodou nelze zjistit mutace, které jsou letální již v průběhu embryogeneze

Riziko opakování mutací u sourozenců

U gametických mutací předpokládáme vznik mutace v gametě a pak ostatní gamety mohou být postiženy mutací s pravděpodobností odpovídající populačnímu riziku.

Empirické riziko postižení sourozenců je však vyšší – studie uvádějí empirické riziko pro většinu dominantních mutací 1%, u některých znaků i více

Je to proto, že v ontogenezi člověka buňky zárodečné linie prodělají více než jedno dělení a u plodů ženského pohlaví se zárodečné buňky dělí nejméně 20x mitoticky než vstoupí do meiosy. U mužů je počet dělení podstatně vyšší.

Pokud mutace postihne některou z dělících se linií ve vývoji jedince, vzniká mozaika a mutací jsou postiženy buňky celého segmentu ovaria či testes.

Proto je pravděpodobnost postižení sourozenců osob s de novo vzniklou mutací genu vyšší, než by odpovídalo náhodě (podobně je tomu i u de novo vzniklé trisomie).

Vliv věku rodičů na frekvenci mutací

Pravděpodobnost vzniku aneuploidií v důsledku nondisjunkce u žen s věkem stoupá, u mužů je závislost sporná.

U genových mutací je souvislost prokazatelná naopak u mužů – rozdíl v počtu dělení buněk zárodečné linie a v době prvního zracího dělení.

U žen před meiosou 20-22 dělení a pak je vývoj pozastaven do puberty. Vzniknou-li mutace, mají reparační mechanismy dost času je opravit. Naopak se ale poškozuje mechanismus distribuce chromosomů při meiose

U mužů se odhaduje do puberty 30 dělení a pak každý rok 23 dalších – ve věku 28 let je u muže dělení 335 = na opravy je méně času. Empiricky prokazatelné zvýšení rizika mutací s věkem otce – po 40 roku je výskyt mutací 5x vyšší než třeba ve 20-25 letech. Otcové dětí, postižených novými dominantními mutacemi (achondroplasie apod.) jsou významně starší než je věkový průměr otců v populací.