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
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 function)
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.
Polymorfismus je označení pro stav, kdy v populaci existují pro určitý znakminimálně 2 genetické varianty (alely). Zároveň musí frekvence jeho výskytu přesahovat v populaci 1 %. Jestliže je procentuální výskyt menší, mluvíme o náhodném výskytu – mutaci.
Polymorfismy mají své podklady v uspořádání DNA. Vzhledem k variabilitě genetického kódu se nemusí jednotlivé polymorfismy vždy projevit. Obzvláště vyskytují-li se v nekódujících oblastech – intronech.
Pomocí lokalizace jednotlivých polymorfismů se dnes vytvářejí genetické mapy. Krátké repetitivní sekvence (mikrosatelity) jsou vysoce specifické pro jednotlivce a mohou být tedy užívány například i v určování rodičovství. Potomci dědí jednotlivé alely od svých rodičů.
Typy polymorfismů
Bodový polymorfismus
Vzniká následkem bodových mutací v DNA. Obvykle záměnou jednotlivých nukleotidů, které vedou k zařazení jiné aminokyseliny. Tento stav bývá detekován pomocí metody RFLP – Restriction Fragment Lenght Polymorphism.
Někdy bývá tento typ označován také jako SNP – single nucleotide polymorphism. V některých výzkumech byla nalezena spojitost mezi určitými formami SNP a multifaktoriálními chorobami – např.: hypertenze, diabetes nebo srdeční choroby.
Repetetivní sekvence
Úseky nukleotidů, které se v DNA vyskytují v mnoha kopiích. V rámci populace se však jejich délky a počty individuálně odlišují. Dědičnost odpovídá Mendelovským pravidlům.
RFLP
Záměna i jednotlivého nukleotidu může vést k změně informace DNA, díky které nedochází v daném úseku ke štěpení pomocí restriktázy. V současné době dochází k pomnožení zkoumaných vláken DNA pomocí PCR (polymerázové řetězové reakce). Na základě rozlišeného štěpení úseků restriktázami, dochází ke vzniku různě dlouhých fragmentů a jejich odlišné rychlosti migrace při elektroforéze. Delší fragmenty se pohybují pomaleji.
Také v biochemii se setkáváme s existencí několika různých variant, které mohou vycházet ze stejného lokusu. Příkladem jsou jednotlivé typy hemoglobinu – α,β, γ, δ. Každý z nich je determinován vlastním strukturálním genem. U jednotlivých typů se vyskytují záměny v jejich řetězci – často se jedná o záměnu pouze jedné aminokyseliny.
Setkáváme se však i s patologickými variantami polymorfismů. Změnou sekvence DNA může také docházet k chybnému přepisu informace a následnému chybění určitého enzymu.
Proč vznikají polymorfismy?
V tomto směru existuje několik teorií vzniku. Nasnadě je zejména snaha organismu o zvýhodnění určitého genotypu. Formou změny je nejčastěji mutace. Ta může vést například ke změně produkovaného množství nebo efektivity určitého proteinu.
Polymorfismy však mohou vznikat i zcela náhodně tzv. genetickým driftem.
Frekvence výskytu polymorfismů se dle jednotlivých autorů výrazně liší. Jejich výskyt odpovídá přibližně 1 polymorfismu na 500-1000 párů bazí [1]. V nekódujících oblastech se mohou polymorfismy vyskytovat dokonce na každém 50. nukleotidu, nemají však žádný klinický význam.
Polymorfismus je existence dvou či více variant (alel, sekvenčních variant, proteinů apod.), které jsou zastoupeny v populaci s frekvencí ≥ 0.01[2]. Obvykle je považujeme za nepatogenní sekvenční varianty. Samotný polymorfismus nebo jejich kombinace se může podílet na vzniku onemocnění. Polymorfní části bývají především v nekódujících sekvencích DNA a to z důvodu, že nepodléhají selekci. Nejčastější formou polymorfismu bývá záměna basí.
Jednonukleotidové polymorfismy (SNP)
SNP v DNA
Většina SNP (Single Nucleotide Polymorphism) se nachází v nekódujících oblastech DNA. Nejčastěji k nim dochází substitucí jednoho nukleotidu. Také může docházet k inzerci či deleci. Polymorfismy v jednom nukleotidu se často využívají jako markery (při studiu náchylnosti k onemocněním nebo citlivosti k léčbě farmaky atd.).
Polymorfismus v délce restrikčních fragmentů (RFLP)
SNP polymorfismy mohou zapříčinit změnu restrikčního místa (ztráta, nový vznik). Důsledkem je změna délky restrikčního fragmentu, v takovém případě hovoříme o polymorfismu v délce restrikčních fragmentů (RFLP – Restriction Fragment Length Polymorphism).
Tento polymorfismus lze odhalit kombinací metod PCR nebo Southernovou hybridizací (pokud je známa sekvence DNA v oblasti polymorfního místa) s restrikčním štěpením pomocí specifické restriktázy. Sledované úseky lze vizualizovat hybridizací se značenými sondami DNA, které jsou úplně nebo alespoň z části komplementární k restrikčním fragmentům DNA.
Elektroforéza restrikčních fragmentů
Na obrázku vidíme dva homologní chromozomy A a B, přičemž u chromozomu B došlo ke vzniku nového restrikčního místa. To způsobilo, že z původního fragmentu velkého 5 kb vznikly dva fragmenty o velikosti 2 kb a 3 kb. Vpravo máme obraz na gelové elektroforéze, která nám prokázala přítomnost dvou fragmentů, odlišně dlouhých od ostatních fragmentů.
VNTR (Variable Number of Tandem Repeats polymorphism) mohou být zdrojem delečního, případně inzerčního polymorfismu. Důsledkem těchto změn je odlišný počet kopií tandemových repetitivních jednotek v rámci homologních chromozomů. Zahrnuje také mikrosatelitové(STR – Short Tandem Repeats) a minisatelitové sekvence.
Detekce VNTR (minisatelity)
Detekci mikrosatelitových i minisatelitových sekvencí lze zjistit využitím kteréhokoliv restrikčního enzymu, který štěpí DNA na obou koncích tandemové repetice. Oblasti VNTR bývá obtížné amplifikovat standardní PCR, používáme spíše Southernovu hybridizaci.
Po štěpení vybraným restrikčním enzymem lze využít dvou typů sond. Sonda 1 hybridizuje s úsekem DNA mimo oblast repetic (autoradiogram – jeden pruh, pokud je oblast repetic na obou DNA stejně dlouhá, dva pruhy při rozdílné délce). Sonda 2 hybridizuje přímo s tandemovými repetetivními sekvencemi. Tyto sekvence se mohou vyskytovat i na jiných místech genomu, sonda tak detekuje mnoho různě dlouhých lokusů současně.
Tento typ analýzy se nazývá DNA fingerprinting. Využíval se k identifikaci jedinců a stanovení příbuznosti (forenzní medicína, paternitní spory). V dnešní době se multilokusové sondy využívají jako mikrosatelitové markery. Použitím alespoň 15 vysoce polymorfních markerů (které nejsou ve vazbě) jsme schopni vytvořit DNA profil jedince.
Mikrosatelity (STR)
Často používané mikrosatelitní sekvence bývají dinukleotidové repetice (nejčastěji CA – cytosin, adenin). Počet jejich repetic je vysoce variabilní v daném místě DNA různých chromozomů. Základní repetitivní jednotka má kolem 2–4 bp[3], pomocí PCR pak amplifikujeme obvykle úsek obsahující celou repetitivní oblast. Vzápětí separujeme tyto sekvence pomocí gelové elektroforézy.
Mechanismy vzniku mikrosatelitních polymorfismů
Nejpravděpodobnějším mechanismem vzniku variability mikrosatelitů je polymorfismus vzniklý nepřesným párováním komplementárních vláken DNA obsahujících repetitivní sekvenci, vzniklé sklouzáváním DNA-polymerázy a řetězce DNA. Nazývá se replikační sklouznutí. Způsobuje jak inzerce, tak delece jedné nebo několika repetic v nově syntetizovaném řetězci.
Polymorfismus vzniklý inzercí nebo delecí velkých tandemových repetic bývá nejčastěji způsoben nerovnoměrným crossing overem nebo nerovnoměrnou výměnou sesterských chromatid.
Mezi alelními i nealelními sekvencemi může nastat nereciproký přenos sekvence tzv. genová konverze. Ta způsobuje, že jeden pár interagujících sekvencí zůstává nezměněn (donor), zatímco pár druhý se změní (akceptor). Část sekvence akceptoru je nahrazena kopírovanou sekvencí donora.
Reference
↑KUMA, Vinay, Abul K ABBAS a Nelson FAUSTO, et al. Robbins Basic Pathology. 8. vydání. Saunders/Elsevier, 2007. 960 s. ISBN 1416029737.
↑KOHOUTOVÁ, Milada. Lékařská biologie a genetika (II. díl). 1. vydání. Praha : Nakladatelství Karolinum, 2013. 202 s. ISBN 978-80-246-1873-9.
↑KOHOUTOVÁ, Milada. Lékařská biologie a genetika (II. díl). 1. vydání. Praha : Nakladatelství Karolinum, 2013. 202 s. ISBN 978-80-246-1873-9.
Podrobnější informace naleznete na stránce RFLP.
