GENETICA MEDICALĂ Curs 1

Prof. Dr. RUSU CRISTINA

Disciplina Genetică Medicală

Universitatea de Medicină şi Farmacie Iaşi

01/05/15 2

GENETICA - ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII

EREDITATEA – proprietatea unui individ de a transmite la descendenţi caracteristici de specie şi individuale;

ADN este suportul molecular al eredităţii;

ADN are 3 roluri principale:• deţine informaţia ereditară pentru toate trăsăturile individului;

• exprimă informaţia ereditară prin sinteza de proteine;

• transmite informaţia ereditară în successiunea de celule/ indivizi

05/01/15 3

01/05/15 4

GENETICA - ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII

VARIABILITATEA – fenomene ce determină diferenţe genetice între indivizii dintr-o populaţie/ între diferite populaţii;

Variabilitatea are 3 surse principale:• MutaMutaţţii ii – orice modificare a materialului genetic ce produce

celule/ indivizi diferiţi;

• MigraMigraţţiiii – schimb de gene prin migraţia indivizilor ce duc alele noi dintr-o populaţie în alta;

• Recombinare geneticRecombinare geneticăă - produsă în meioză, asamblează combinaţia existentă de gene sau cromozomi în combinaţii noi;

01/05/15 5

GENETICA UMANĂ

Disciplină fundamentală – studiază stuctura, mecanismele şi legile ce stau la baza eredităţii;

Disciplină clinică – studiază bolile umane produse de diferite mutaţii;

Disciplină medico-socială – bolile genetice reprezintă o problemă de sănătate publică:• Frecvente - > 5% nou născuţi;

• Necesită cheltuieli mari;

• Pot fi prevenite;

• Rareori au tratament specific;

01/05/15 6

DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE

Contribuţia eredităţii şi a factorilor de mediu în determinismul diferitelor caractere este variabil;

Se pot diferenţia trei tipuri de caractere:• (1) pur ereditare (“caractere genetice");

• (2) caractere determinate de interacţiunea dintre ereditate şi mediu (“caractere multifactoriale");

• (3) caractere pur ecologice ("nongenetice") Ereditate (1) (2) (3) Mediu

01/05/15 7

CARACTERE PUR EREDITARE

Determinate exclusiv (100%) de structura genetică normală sau anormală a individului.

Clasificate ca: trăsături de specie, individuale normale şi anormale.

Trăsăturile de specie sunt strict genetice. Fiecare specie are un număr invariabil şi caracteristic de cromozomi, care determină o barieră reproductivă între specii.

01/05/15 8

CARACTERE PUR EREDITARE

Caractere individuale normale:• Produse de o pereche de gene alele (caractere

monogenice);

• Transmise conform legilor lui Mendel;

• Polimorfice (multe variante în populaţie);• Grupe sanguine ABO, Rh;

• Grupe serice (haptoglobine, transferine);

• Grupe enzimatice;

• Grupe tisulare (HLA);

• Caractere biochimice;

01/05/15 9

INDICAŢIE CARACTERE STUDIATETransfuzii de sângePrevenirea bolii hemolitice a noului născut

Grupe sanguine (ABO, Rh, MN, Xg)Grup sanguin Rh

Transplant de organ HLA

Teste de paternitateIdentificarea de persoane în medicina legală

Grupe sanguine/ serice (ABO, Rh, MN, Xg, Hp), status secretor, sensibilitatea gustativă, dermatoglife

Localizarea genelor pe cromozomi (prin studii de înlănţuire)

Grup sanguin ABO, status secretor, HLA

Diferenţierea gemenilor monozigoţi (identici, GMZ) şi dizigoţi (diferiţi, GDZ)

GMZ: caractere monogenice (grupe sanguine, status secretor, sensibilitate gustativă) 100% identice; caractere multifactoriale 70-90% identice;

GDZ: caractere monogenice şi multifactoriale diferite

01/05/15 10

CARACTERE PUR EREDITARE

Caractere individuale anormale:• Produse de mutaţii

• Cromozomice – ex. Sindromul Down,

• Monogenice – ex. hemofilia,

• Mitocondriale – ex. Atrofia optică Leber;

• Unele boli genetice pot fi influenţate de mediu – ex. fenilcetonuria (PKU);

01/05/15 11

CARACTERE MULTIFACTORIALE

Produse de ereditate + mediu; Caractere individuale normale:

• Ex. înălţimea, greutatea, TA (tensiunea arteriala), culoarea pielii, dermatoglife (amprente), inteligenţa;

• Ereditatea (genotipul) determină:

• O parte din caracter (heritabilitateheritabilitate);

• Limita superioarLimita superioarăă de dezvoltare a caracterului;

• Acelaşi genotip (gemeni identici) produce fenotipuri diferite în medii diferite;

01/05/15 12

CARACTERE MULTIFACTORIALE Caractere individuale anormale:

• Boli multifactoriale - Ex. • Anomalii congenitale izolate: defecte de tub neural, defecte

cardiace, luxaţie de şold, malformatii congenitale de cord;

• Boli comune ale adultului: HTA, boala coronariana, obezitate, diabet, ulcer, schizofrenie, boala Alzheimer;

• Boli produse de mutaţii somatice: cancer;

• Ereditatea determină predispoziţie genetică (vulnerabilitate la o anumită boală);

• Mediul are un rol cheie:• Mediu bun → sănătos;

• Mediu rău → bolnav;

??Care dintre urmatoarele caractere normale NU este multifactorial ?

1.Greutatea;

2.Inteligenta;

3.Grupa de sange ABO;

4.TA;

5.Talia;

01/05/15 14

CARACTERE PUR ECOLOGICE

Produse numai de mediu;

Ex: arsuri, intoxicaţii, infecţii, traumatisme etc;

Par pur ecologice, dar, de fapt, tabloul clinic poate fi modificat de structura genetică a individului; Ex. Indivizi diferiţi au reacţii diferite la aceeaşi bacterie – unul face o infecţie severă, pe când altul face o infecţie uşoară;

Ecogenetica – studiul diferenţelor determinate genetic referitoare la susceptibilitatea la acţiunea factorilor de mediu;

Farmacogenetica – studiul variatiilor determinate genetic privind raspunsul la medicamente (raspuns exagerat cu efecte secundare, raspuns normal sau rezistenta la medicament).

01/05/15 15

RELAŢIA GENOTIP – FENOTIP – MEDIU

G F

M

01/05/15 16

RELAŢIA GENOTIP – FENOTIP

Cauzala: G → F G → F (gena contine informatia pentru un caracter clinic);

Partiala:• Diferite G → acelasi FDiferite G → acelasi F; ex hemofilia; gene anormale diferite →

lipsa factorilor coagularii VIII sau IX → lipsa coagularii sangelui;• Genele recesive nu se exprima intotdeaunaGenele recesive nu se exprima intotdeauna (aa – fenotip a; Na –

fenotip N); Complexa:

• Acelasi G → diferite FAcelasi G → diferite F; ex gemeni monozigoti (acelasi G) in medii diferite se dezvolta diferit

• FenocopiiFenocopii – caractere produse de mediu identice cu caractere produse de factori genetici; ex microcefalia

01/05/15 17

RELAŢIA MEDIU - GENOTIP

Cauzala: M → G (mutatii);

Complexa:• Diferite M → acelasi GDiferite M → acelasi G; diferiti factori de

mediu pot produce acelasi tip de mutatie;

• Acelasi M → diferite GAcelasi M → diferite G; acelasi factor de mediu poate produce mutatii diferite;

01/05/15 18

RELAŢIA MEDIU - FENOTIP

Cauzala: M → FM → F (mediul determina un caracter specific; ex infectii);

Partiala:• FenocopiiFenocopii;

Complexa:• Diferite M → acelasi FDiferite M → acelasi F;

• Acelasi M → diferite FAcelasi M → diferite F;

??Cum definiti fenocopiile?

1.Caractere fenotipice;

2.Caractere produse de mediu, identice cu cele produse de factori genetici;

3.Caractere multifactoriale;

4.Caractere produse de factori genetici, identice cu cele produse de mediu;

5.Caracter pur ereditare;

01/05/15 20

STRUCTURA PRIMARĂ A ADN

ADN – polimerpolimer de acid nucleic format din deoxy-ribo-nucleotidedeoxy-ribo-nucleotide.

Fiecare nucleotid - 3 tipuri de elemente:

• (1) pentozapentoza (deoxi-riboza);

• (2) baze azotate baze azotate :

• purine (adenina - A si guanina - G);

• pirimidine (timina - T si citozina - C);

• (3) grup fosfatgrup fosfat

01/05/15 21

STRUCTURA PRIMARĂ A ADN

Catena ADN: ContinuaContinua,

Molecula linearalineara (fara ramificatii),

Contine o parte fixa o parte fixa (schelet fosfo- glucidic) si o parte variabila o parte variabila (bazele azotate atasate pe scheletul fosfo- glucidic),

Polaritate 5'Polaritate 5'→→ 3', 3', Secventa de baze azotate reprezinta

informatia geneticainformatia genetica; ea specifica secventa de amino- acizi in proteina care va fi sintetizata folosind aceasta informatie.

01/05/15 22

STRUCTURA SECUNDARĂ A ADN

2 catene de polinucleotide, rotite una in jurul celeilalte, formand un dublu helix

asezate in directii opuse (antiparalel(antiparalel) Legate prin legaturi de hidrogen intre bazele

azotate complementare (A-T, G-C), Helix rotit spre dreaptaHelix rotit spre dreapta, Structura perfect regulata, 2 tipuri de incizuri 2 tipuri de incizuri la suprafata ADN:

• mica – se fixeaza proteine histone

• mare – se fixeaza proteine reglatoare

Unitatea de lungime a ADN este perechea de baze (pb);

Stabilitate metabolicaStabilitate metabolica.

01/05/15 23

01/05/15 24

ADN ŞI STRUCTURILE SALE ALTERNATIVE

Dextrogir A-DNA – mai scurt si mai

gros;

B-BNA – clasic;

C-DNA, D-DNA si E-DNA – mai lung si mai subtire.

Levogir (Z-DNA) Schelet in zig-zag; Rotit spre stanga; Forma inactiva de ADN.

01/05/15 25

PARTICULARITĂŢI ALE ADN LA EUCARIOTE

1) Cantitate enorma de ADN;

2) Secventa nucleotidica heterogena;

3) ADN asociat cu proteine (histone, nonhistone);

4) Replicarea ADN incepe in mai multe puncte si continua in ambele directii in acelasi timp.

01/05/15 26

APARATUL GENETIC

Roluri ADN: Codifica informatia geneticaCodifica informatia genetica;

Exprima informatia genetica Exprima informatia genetica prin sinteza de proteine;

Transmite informatia genetica Transmite informatia genetica prin diviziune celulara;

Aparatul genetic = structuri celulare ce contin ADN contin ADN (nucleu si mitocondrii) si organite cu rol in realizarea realizarea rolurilor ADNrolurilor ADN (ribozomi si centrioli);

01/05/15 27

NUCLEUL

Elementul principal al aparatului genetic - contine majoritatea ADN celular (99%) si reprezinta centrul de control pentru toate activitatile celulare;

Continutul nuclear are aspecte diferite functie de etapa ciclului celular:

(1) In interfaza, fiecare molecula de ADN se asociaza cu proteine formand fibre de cromatina;

(2) In diviziune, in profaza, fibrele de cromatina se condenseaza si formeaza cromozomi. Mai tarziu, la sfarsitul mitozei (telofaza), cromozomii se decondenseaza si formeaza fibre de cromatina.

01/05/15 28

MITOCONDRIILE

Fiecare mitocondrie contine multiple molecule identice de ADN;

ADN mitocondrial reprezinta 1% din ADN celular;

ADN mitocondrial prezinta unele particularitati;

01/05/15 29

RIBOZOMII

Organite care citesc citesc informatia informatia din ARNm si leaga aminoacizii leaga aminoacizii corespunzatori intr-un lant polipeptidic (proteina);

Format din 2 subunitati: mare (60 S) si mica (40 S) care se unesc in momentul sintezei proteice; cand procesul se termina, cele 2 subunitati se separa;

01/05/15 30

CENTRIOLII

Cruciali pentru diviziune celulara; La sfarsitul interfazei se dubleaza; La inceputul diviziunii celulare

(profaza) migreaza spre polii celulei si determina unirea microtubilor si formarea fusului de diviziune;

Fibrele se fixeaza pe cromozomi, ii aseaza la mijlocul celulei (placa metafazica) si apoi determina disjunctia cromatidiana cu migrarea ulterioara a cromatidelor spre polii celulei.

Ciclul celularCiclul celular1. InterfazaInterfaza – ADN sub forma de granule de cromatina;

2. DiviziuneDiviziune (P, M, A, T) - ADN sub forma de cromozomi;

05/01/15 31

01/05/15 32

CROMATINAAspectul materialului genetic in interfaza

Eucromatina – forma de cromatina bogata in gene sau regiuni codante; principalele caracteristici sunt:• Putin condensata Putin condensata (granule mici),

• Putin colorata Putin colorata (palida),

• Genetic activa Genetic activa (informatia sa este folosita pentru sinteza de proteine),

• Replicata la inceputul fazei SReplicata la inceputul fazei S,

• Formata din ADN nerepetitivADN nerepetitiv, cu mai multe perechi G-CG-C; Heterocromatina – tip de cromatina fara gene sau cu gene inactive.

Principalele caracteristici sunt: • Mai condensatacondensata (granule mari),

• Intens colorataIntens colorata,

• Genetic inactiva Genetic inactiva (informatia sa nu este folosita pentru sinteza de proteine),

• Replicata la sfarsitul fazei Sla sfarsitul fazei S,

• Formata din ADN repetitivADN repetitiv, cu mai multe perechi A-TA-T.

01/05/15 33

CROMATINA

01/05/15 34

CROMATINA SEXUALA

Granula de cromatina care permite identificarea sexului genetic;

Diferita la barbati si la femei; Femei – inactivarea unuia din cei 2 cromozomi X

→ cromatina sexuala X (corpuscul Barr); Barbati – inactivarea bratelor lungi ale

cromozomului Y → cromatina sexuala Y (corpuscul F);

01/05/15 35

CROMATINA SEXUALA X Ipotezele Mary Lyon

1. In fiecare celula un cromozom X este activ; toti ceilalti (daca sunt) sunt inactivati prin condensare (transformati intr-o granula de heterocromatina);

2. Inactivarea cromozomului X – fenomen precoce si permanent;

3. Inactivarea cromozomului X – la intamplare (originea materna/ paterna a cromozomului nu conteaza);

01/05/15 36

CROMATINA SEXUALA X

Examinata in celule de mucoasa bucala (corpuscul Barr) sau celule sanguine (apendice nuclear);

Intreg cromozomul X este condensat;

Numar corpusculi Barr = numarul cromozomilor X – 1;

Marime = 1 micron;

01/05/15 37

CROMATINA SEXUALA Y

Examinata in celule sanguine prin microscopie cu fluorescenta;

Corpuscul F;

Se condenseaza 2/3 distale din bratul lung al cromozomului Y;

Numar corpusculi F = numar cromozomi Y;

Marime = 0.25 microni;

01/05/15 38

INDICATIIILE SI LIMITELE STUDIULUI CROMATINEI SEXUALE

Indicatii Prenatal: boli recesive legate de X cand mama este afectata;

baietii vor fi afectati; fetele vor fi sanatoase; acum FISH/ test ADN;

La nastere: in stari intersexuale (organe genitale externe ambigui); La pubertate: in dezvoltare anormala a caracterelor sexuale

secundare; Medicina legala: stabilirea sexului victimei prin studierea unei

picaturi de sange; nu se mai foloseste; acum test ADN; Limite Anomalii numerice ale autosomilor; Boli monogenice; Boli multifactoriale; Boli mitocondriale; Cancer.

01/05/15 39

STRUCTURA SUPRAMOLECULARA A CROMATINEI

01/05/15 40

STRUCTURA SUPRAMOLECULARA A CROMATINEI

• Dublu helix;

• Fibra cu nucleozomi: dublul helix se roteste in jurul unei granule de proteine histone, formand un nucleozom; histonele regleaza functia genelor; fibra are aspect de sirag de margele;

• Solenoid: fibra cu nucleozomi se spiraleaza (6 nucleozomi/ spira);

• Fibra cu bucle laterale: solenoidul formeaza niste bucle fixate la un capat la un schelet de proteine nehistone. Buclele sunt unitati functionale de replicare ADN/ transcriptie a genelor;

• Cromozom;

01/05/15 41

CROMOZOMII UMANI

Aspectul materialului genetic in timpul diviziunii; Roluri:

• Transportul materialului genetic;• Realizarea amestecului de material genetic prin recombinare in

meioza;

Anomalii cromozomice – caracteristici:• Sindroame plurimalformative;• Retard mintal, tulburari de comportament;• Dezvoltare sexuala anormala;• Probleme reproductive;• Cancer.

01/05/15 42

CROMOZOMII UMANI – MORFOLOGIEELEMENTE COMUNE Cromatide:

• Subunitati longitudinale ale cromozomului; • Cromatide surori – cele 2 cromatide ale cromozomului;

Centromer: • Partea ingusta a cromozomului unde cromatidele surori se unesc;• Imparte lungimea cromatidei in 2 brate (p, q);• → cromozomi meta/ submeta/ acrocentrici;• 1/ cromozom;• Aceeasi secventa la toti crs → marcaj C;

Telomere:• Capetele cromatidelor;• ADN repetitiv;• Roluri:

• Mentin integritatea structurala a crs;• Asigura replicarea completa a capetelor crs;• Stabilitatea spatiala a nucleului;• Initierea sinapsei in meioza.

01/05/15 43

CROMOZOMII UMANI – MORFOLOGIEELEMENTE PARTICULARE

Sateliti:• Granule de heterocromatina legate de bratele scurte

ale cromozomilor acrocentrici;• Numai pentru acrocentrici (cu exceptia Y) !

Constrictii secundare:• Parte ingusta a crs, alta decat centromerul;• Formate din heterocromatina;• h;• Frecvente la crs 1, 9, 16;

Situsuri fragile:• Parte ingusta a crs evidentiata prin conditii speciale

de cultura;• Ex. Sindrom X fragil – Xq27.3;

Benzi cromozomice:• Benzi de heterocromatina.

01/05/15 44

TEHNICI DE STUDIERE A CROMOZOMILORCARIOTIPCARIOTIP

Cromozomii sunt colorati uniform;

Nu se pot diferentia cromozomii din aceeasi grupa (ex. grupa C);

01/05/15 45

TEHNICI DE STUDIERE A CROMOZOMILOR

MARCAJ IN BENZIMARCAJ IN BENZI

Coloratie speciala pentru eucromatina sau heterocromatina;

Foarte util in diferentierea cromozomilor (fiecare cromozom are un model specific de benzi);

01/05/15 46

TEHNICI DE STUDIERE A CROMOZOMILOR

FISH (Fluorescent In Situ Hybridization)FISH (Fluorescent In Situ Hybridization)

Metoda folosita pentru:• Defecte cromozomice mici;

• Diagnosticul prenatal al aneuploidiilor (21, 18, 13, X, Y) – este necesar un rezultat rapid;

• Translocatii – SKY (cariotipare spectrala, chromosome painting);

Tehnica scumpa.

01/05/15 47

CLASIFICAREA CROMOZOMILOR UMANI

Meta-centric

Submeta-centric

Acro-centric

Lung A1-3

B4-5

-

Mediu E16

C6-12, X

D13-15

Scurt F19-20

E17-18

G21-22, Y

01/05/15 48

Va multumesc!abcrusu@gmail.com