Genetică medicală –curs 1

Dezvoltarea geneticii ca știință. Scurt istoric. Particularitățile metodelor de analiză în genetică. Noțiuni de genetică umană. ADN substratul eredității. Transmiterea informației genetice

- Genetica este o stiintă care studiază ereditatea și variabilitatea organismelor . Genetica (gennao gr.= a da naștere) a fost atribuită de W. Bateson, 1905.

- Se ocupă de studiul mecanismelor de inregistrare, de replicație , recombinare și de schimbare a informației ereditare prin mutații. Precum și de procesele prin care materialul genetic determină structura și funcțiile organismelor și transmiterea lor de la genitori la descendenți.

- Ereditatea (Ereditate (hereditae lt.= mostenire)este proprietatea unui individ de a transmite la urmasi caracterele sale personale, precum si cele ale speciei căreia îi aparține. Acest proces realizează similitudinea biologică dintre părinți și descendenți. Ereditatea este un proces informațional care presupune stocarea, expresia și transmiterea informației ereditare, pentru realizarea caracterelor unui individ.

Genetica s-a diversificat foarte rapid, s-au înregistrat succese remarcabile mai ales în ultimul timp, succese care se referă la descoperirea structurii moleculare a materialului genetic, modul cum se realizează codificarea biochimică la nivel molecular a informației ereditare și mecanismele de autoreglare genetică a activității celulare.

Etapele dezvoltării geneticii

1- Studiul eredității la nivel individual2- Studiul eredității la nivel celular și subcelular (cromozomial)3- Studiul eredității la nivel molecular.

1- Gregor Mendel (1822-1884) = fondatorul geneticii –în 1865 publică rezultatele experimentelor sale privind hibridarea la plante, descoperă legile moștenirii caracterelor numite și legile mendeliene. -Elaborează teoria factorilor eredității a lui Mendel.-Publică teoria probabilităților pentru a explica fenomenele de dominantă și segregare a factorilor ereditari.

La începutul secolului XX prin contribuția mai multor cercetători și în mod special a lui Thomas Hunt Morgan (primul premiu Nobel pentru Genetică) se formulează teoria cromozomică a eredității.

Apar primele studii de genetică în medicină F. Galton (1890) analizează unele caractere umane complexe (talia, inteligenta), introduce conceptul interacțiunii dintre mediu și ereditate, inițiază studiul gemenilor și dermatoflifelor.

1

Genetică medicală –curs 1

Garrod (1902) introduce mendelismul în medicină prin studiul primelor erori înnăscute de metabolism (alcaptonuriai, albinismulii, cistinuriaiii, pentozuriaiv) precum și ideea individualității biochimice prin care explică răspunsurile diferite la droguri și infecții ale unor persoane diferite.

În perioada anilor ´50-´60 începe dezvoltarea geneticii moleculare, prin demonstrarea rolului genetic al ADN (Avery,1944) și descoperirea modelului structurii ADN (Watson și Crick, 1953).

Apariția geneticii medicale a fost determinată de două descoperiri remarcabile (L. Pauling ( 1949) demonstrează că o boală ereditară, anemia hemolitică cu hematii în seceră (sicklemia v sau drepanocitozăvi) este produsă de o hemoglobină anormală (Hb S) care se deosebeste de HbA prin înlocuirea unui singur aminoacid. Sicklemia devine prima boală moleculară identificată la om.

J. Lejeune (1959) descoperă prima anomalie cromozomică, la om, trisomia 21, în sindromul Down.

1960-1970 este perioada când se acumulează numeroase dovezi privind importanța factorilor genetici în producerea bolilor umane.

- Se amplifică aplicațiile practice ale geneticii medicale: diagnosticul bolilor metabolice și a depistării sistematice la nou născuți a unor boli frecvente și tratabile (fenilcetonuria, hipotiroidia congenitală)

- Ameliorarea tehnicilor de analiză cromozomială, prin metode noi de marcaj în benzi, care permit identificarea precisă a unor anomalii structurale minime;

- Dezvoltarea sfatului genetic (evaluarea riscului de apariție a unor boli genetice în familii)- Introducerea și amplificarea diagnosticului prenatal- Optimizarea tratamentului simptomatic și patogenic în diferite boli genetice.

1980 până azi- este revoluția metodologică a geneticii moleculare

Descoperirea tehnicilor performante de analiză directă a ADN, au permis identificarea și localizarea unor gene, izolarea si clonarea lor, descifrarea mesajului genelor (prin secvențierea ADN).

Se produce o adevărată revoluție în biologie deoarece este posibilă descifrarea originii vieții, evoluția, speciația, diferențierea celulară și morfogeneza, senescența, organizarea și funcționarea sistemului nervos și imun, cancerul, etc.

Tehnicile de genetică moleculară au permis descifrarea și cartografierea genomului uman. Au fost descoperite și localizate peste 10.000 de gene normale și mutante.

S-au studiat efectele unor gene în fiziologia și patologia umană: gene pentru imunoglobuline, interferoni, factori de creștere, receptori hormonali, lipoproteine, colagen, oncogene.

2001- este finalizată schita secvenței întregului genom uman ceea ce a dus la noi abordări în medicină, mai exact se vorbeste de medicina moleculară (sunt facilitate elucidările mecanismele moleculare de producere a bolilor comune, cu implicații clare în descifrarea analizei patogeniei cancerului, diabetului zaharat, hipertensiunea arterială).

2

Genetică medicală –curs 1

Importanța geneticii în medicină

Bolile genetice sunt de o mare diversitate și se manifestă la orice vârstă și la toate organele. Au fost identificate peste 10.000 de boli determinate genetic sau condiționate genetic ca urmare a dezvoltării tehnicilor de evidențiere a modificărlor genetice.

Bolile genetice sunt cauza majoră a mortalității infantile. 30-50% dintre internările în spitalele de copii sunt determinate de afecțiuni genetice sau anomalii congenitale, 50% dintre avorturile spontane (trim. 1) sunt generate de anomaliile cromozomiale.

2-3% dintre nou-născuți au anomalii congenitale majore alții 2% au anomalii cromozomiale sau boală monogenică.

Bolile genetice sunt boli cronice care realizează frecvent handicap fizic, senzorial, motor sau mental. Produc în 50% din cauzuri retard mental, de surditate sau cecitate.

Genetica medicală este o parte a geneticii umane care a devenit o specialitate clinică distinctă care se ocupă de diagnosticul și îngrijirea pațienților cu boli genetice precum și de familiile afectate prin sfatul genetic, diagnostic prenatal, screening neonatal sau diagnostic presimptomatic.

Tipuri majore de boli genetice Număr de subtipuri Incidențavii la 1000 nou născuți

Boli cromozomiale ˃600 6-9Boli monogenice (mendeliene)

- Autosomal dominante (boala polichistică renală =ADPKD)

- Autosomal recesive (fibroza chistică)- Legate de cromozomul X (hemofilia,

daltonismul)

85448544527

2022

Boli mitocondriale 60 rareBoli multifactoriale 9debut înainte de 25 de ani)

- Malformații congenitale majore (spina bifida, DSV, despicăturile labio-maxilo-palatine)

- Boli comune ale adultului (hipertensiunea arterială, diabetul zaharat, boala ulceroasă, schizofrenia)

˃50

˃50

20-50

50-83

Boli genetice ale celulelor somatice ˃ 100 250Tabel Incidenta bolilor genetice

(după Connor &Ferguson Smith -1997 și Jorde et al. 2000)

3

Genetică medicală –curs 1

Particularitățile metodelor de analiză în genetică medicală

1- Diagnosticul genotipic – perfecționarea metodelor de analiză moleculară la nivel genic a permis ameliorarea capacității de identificare a unor boli, indiferent de vârsta pacientului și de manifestarea clinică a bolii (presimptomatic). Cu ajutorul unor sonde specifice se pot detecta genomurile unor virusuri, bacterii și paraziți care afectează corpul uman.

2- Farmacologia genomică și terapia genică. Tehnicile de ADN recombinat au permis fabricarea de proteine umane cu valoare terapeutică (insulina, interferonul, eritropoietina etc. prin inserția unor gene umane în bacterii și cultivarea lor în bioreactoare.

3- Farmacologia genomică – prin sinteza unor inhibitori ai transcripției genelor mutante sau a unor oligonucleotide antisens (complementare cu ADN sau ARNm) se încearcă blocarea genelor mutante sau a genomurilor exogene ale unor virusuri (exp. HIV).

4- Terapia genică – (din 1991 aplicată) constă în fabricarea și introducerea unor gene normale în celule somatice ale unor bolnavi cu afecțiuni genetice grave.

5- Profilaxia personalizată și medicina predictivă. Identificarea unor gene ce determină susceptibilitatea unor persoane sănătoase la anumite boli (anumite forme de cancer) precum și studiul unor markeri genetici individuali asociați cu vulnerabilitatea la boala deschide calea unei medicini predictive.

ADN substratul eredității. Transmiterea informației genetice

ADN este un macropolimer de dezoxiribonucleotide. Unitatea structurală dezoxiribonucleotidul este format din:1- Un glucid (pentoza)2- O bază azotată (Adenina, Guanina, Citozina, Timina)3- Grup fosfat

Acestea sunt unite prin legături covalente. Polimerizarea se face prin legături covalente 3-5 fosfodiester rezultă un lanț (catenă) liniară care reprezintă structura primară a ADN.Bazele azotate se leagă de glucid pe părtile laterale ale catenei fosfoglucidice.Ordinea/ succesiunea nucleotidelor în catenă nu este impusă de o anumită regulă. Acest lucru foarte important face ca o anumită succesiune a nucleotidelor în lungul catenei de ADN ( secvență orientată) să reprezinte informația genetică codificată pe baza căreia se va stabili ordinea aminoacizilor în proteine.

Structura secundară-constă din asocierea a 2 catene de polinucleotide prin bazele azotate , în mod complementar (A-T, G-C), înfășurate plectonemic într-o spirală elicoidală orientată spre dreapta (dextrogir). Ca urmare cele 2 catene ale ADN nu sunt identice, ci complementare și strict codeterminate. Această aranjare numită și legea complementarității bazelor stă la baza mecanismelor prin care se realizează funcțiile genetice ale ADN: transcripția, replicarea, repararea leziunilor, recombinarea.

4

Genetică medicală –curs 1

În condiții fiziologice molecula de ADN are o mare stabilitate metabolică datorită legăturilor fizico-chimice, condiție esențială pentru substratul material al eredității.Sub acțiunea unor enzime aceste legături se pot desface, pe anumite segmente, și funcționează ca și matriță pentru sinteza unor legături noi complementare (ARNm în procesul de transcripție sau o altă moleculă de ADN , în cursul replicării).Informația genetică necesară tuturor proceselor este reprezentată de secvențele de nucleotide, ea determină structura proteinelor care alcătuiesc celulele și țesuturile și participă la funcționarea lor.Proteinele sunt alcătuite din lanțuri de aminoacizi, secvența aminoacizilor în proteină determină proprietățile caracteristice ale fiecărei proteine. Această secventă de aminoacizi este dată de ordinea secvențelor de nucleotide din molecula de ADN.Informația ereditară este codificată. Gruparea a 3 nucleotide (cu o anumită succesiune de baze azotate ) formează un codon căruia îi corespunde un anumit aminoacid din structura proteinei sau un anumit semnal pentru a începe sau termina lectura mesajului. Mai mulți codoni alcătuiesc o anumită genă. 1- Informația genetică codificată din ADN nu este folosită direct în sinteza proteinelor

ci este copiată prin transcripție într-o moleculă de ARNm.2- Decodificarea din ARNm în secvențele de aminoacizi se face prin translație pe

baza corespondenței dintre un anumit codon și un aminoacid.

În nucleu fiecare moleculă de ADN se asociază cu proteine histonice sau nehistonice, si mici cantități de ARN formând un complex nucleoproteic numit cromatină. Aceste molecule de ADN și histone suferă spiralizări succesive, alcătuid un sistem ierarhizat numit fibre de cromatină.

La începutul diviziunii celulare, membrana nucleară și nucleolii dispar, iar fibrele de cromatină se spiralizează se condensează și formează cromozomii.

5

Genetică medicală –curs 1

Cromatina și cromozomii sunt 2 modalități diferite de organizare morfofuncțională a materialului genetic în interfază și diviziune.

6

i alcaptonuriaii iii iv v vi vii Incidența = rata cu care se produc cazuri noi; prevalența este proporția unui grup afectat raportată la un anumit moment (an de regulă).

Ansamblul complex al secvențelor de ADN a unui individ sau specie formează genomul. În 1990 a fost demarat un proiect cu scopul identificării genomului uman. Abia în 2001 a fost

realizată o schiță cu partea eucromatidică (activă) a genomului uman.Se pare că genomul nu este doar o succesiune de gene, ci o structură foarte complexă, în care

genele sunt dispersate pe cromozomi și separate prin largi porțiuni intergenice necodante.Acest ADN necodant care nu participă la formarea de proteine nu este probabil în totalitate

inutil, dar încă sunt multe necunoscute în ceea ce privește funcționarea acestuia.Cromozomii sunt structuri vizibile numai în timpul diviziunii celulare (profază, anafază,

metafază, și telofază) în interfază aceștia sunt puternic despiralizați și hidratați fapt care face ca nucleul să apară ca o masă granulară de cromatină.

Morfologia generala a cromozomilor este vizibilă cel mai bine în metafază și anafaza timpurie cand sunt puternic spiralizați și scurți.

Numărul și structura lor rămân constante de-a lungul generațiilor celulare individuale. Fiecare cromozom are în mod obligatoriu o constricție primară numită centromer, care

îndeplinește funcția de centru mecanic al cromozomului, deoarece în poziția centromerului cromozomul se fixează pe filamentul fusului celular și apoi prin diviziunea centromerului, în mitoză, cele 2 cromatide ale unui cromozom se separă la cei doi poli ai celulei.

În capetele cromozomului există segmente care împiedică unirea capetelor cromozomilor. Aceste segmente se numesc telomere.

Numărul cromozomilor este relativ constant pentru specie. În celulele somatice, numărul cromozomilor este dublu (diploid) și se notează 2n, iar în celulele gametice (sexuale) este redus la jumătate în comparație cu celulele somatice (haploid) și se notează cu n.

În celulele somatice materialul genetic dublat în interfază se distribuie în mod egal și total celulelor-fiice, prin procesul de diviziune mitotică.

Rezultă 2 celule fiice identice din punct de vedere genetic, atât între ele cât și cu celula mamă din care provin.

Procese prin care o celulă își replică materialul genetic, îl divide egal si îl transferă celulelor fiice, se desfășoară într-o ordine progresivă , precis reglată ce formează ciclul celular.

Controlul ciclului celular, decide în ultimă instanță, dacă o celulă își va continua progresia prin ciclu (va crește și se va divide), va suferi o diferențiere sau va trece într- stare de repaus proliferativ.

Pierderea controlului va genera o creștere celulară anormală (celule tumorale, defecte de dezvoltare) sau va duce la moartea celulară programată (apoptoza).

În timpul acestor diviziuni repetate celulele pot suferi unele modificări generate de erorile în segregarea cromozomilor, în mitoza, care vor genera anomaliile cromozomiale. Ca urmare cunoasterea ciclului celular este importantă pentru întelegerea mecanismelor patogenice generatoare de boli.

Perioada Faza și durata (ore)

Evenimente Cantitatea de ADN

Aspectul la microscopul electronic

Interfaza G1 (10ore) Sinteza intensă de ARN și proteine

2C 2n cromozomi monocromatidieni

2n cromozomi bicromatidieni despiralizați

S (9ore) Sinteza de ADN și histone

4C

G2 (4 ore) Sinteza proteinelor fusului de diviziune. Sinteza factorului de declanșare a mitozei

4C

Diviziunea M (1 oră) Profază

Metafază

Anafază

Telofază

4C

4C

2C 2C

Cromozomi bicromatidieni condensați (vizibili la microscopul optic)Cromozomi monocromatidieni.

Transmiterea informației genetice de la părinți la descendenți se realizează printr-un proces complex care se desfășoară în două etape: formarea gameților (celule sexuale mature cu număr haploid de cromozomi, 23 la om) și fecundarea lor, care reface la zigot numărul diploid de 46 de cromozomi, caracteristic speciei umane, și realizează o structură genetică nouă unică și constantă (individualitatea genetică).

Ambele se realizează cu precizie, dar uneori pot apărea și erori care produc anomaliile genetice.