Kognitív funkciók genetikai alapjai A genetikai variáció forrásai és vizsgálati lehetőségei

1. Kognitív funkciók genetikai alapjaiA genetikai variáció forrásai és vizsgálati lehetőségei Réthelyi János Semmelweis Egyetem, Pszichiátriai és Pszichoterápiás Klinika BME Kognitív Tudományi Tanszék Budapest, 2012. február 22.

2. Vázlat • Ismétlés: A mendeli öröklődés • Történeti áttekintés: A klasszikus genetikától a molekuláris biológiáig • A molekuláris biológia alapjai • A genetikai változatosság formái • Epigenetika • Genomika • Genetikai vizsgáló módszerek

3. Forrás: Wikipedia

4. Autoszomális domináns öröklődés A vonás minden generációban megjelenik. Férfiak és nők körében egyenlő arányban fordul elő. Heterozigóta szülő gyerekei 50%-os valószínűséggel hordozzák a vonást Példa: Huntington-chorea

5. Autoszomális recesszív öröklődés • A fenotípus „átugrik” generációkat. • A fenotípus egyenlő eséllyel jelenik meg férfiakban és nőkben. • Heterozigóták (“hordozók”) nem mutatják a vonást. • Két hordozó utódjainál 25%-ban megjelenik a fenotípus. • Példa: cisztás fibrózis

6. X-hez kötött recesszív öröklődés A hordozó (heterozigóta) anyák 50%-ban adják tovább fiaiknak a betegséget. Példa: vérzékenység, izom-disztrófia

7. 1866 Mendel – az öröklődés szabályainak felismerése 1869 Miescher – a DNS felismerése 1902 Sir Archibald Garrod – az első human betegség genetikai okora való visszavezetése 1903 Kromoszómák leírása 1905 William Bateson- a genetika szó bevezetése 1913 Géntérképek 1931 Crossing over 1944 McLeod –MacCarty – a DNS az örökítő anyag 1953 Watson - Crick kettős hélix 1977 DNS sequenálás 1977 K. Mullis PCR 1988 Andreson mtDNS 1990 HUGO 1991 Pat Brown - DNS microarray 1996 Ian Wilmut - Dolly 2001 A postgenomikus éra kezdete 2005-2006 microRNS 2010 Teljes-genom szekvenálás Történeti áttekintés: Genetikától a Molekuláris biológiáig Forrás: Prof. Falus András

8. Kromoszómák: örökítő anyag hordozói • p – rövid kar, q – hosszú kar • Giemsa-festéssel vizualizált sávok

9. Kromoszóma-térképek, lókuszok (ang: locus, loci)

10. Forrás: Gonick – Wheelis: Cartoon Genetics / Képregén

12. A molekuláris biológia centrális dogmája • Francis Crick: 1958 • Információ egyirányú áramlása • Részben megdőlt

13. A genetikai kód • Trinukleotid-szekvenciák - kodon • 4³=64 lehetőség • 20 aminosav (fehérjék építőkövei) – redundáns • 3 db STOP kodon: UAA, UAG, UGA

14. Humán genom projekt • 2001: A HUGO eredményeinek publikálása (DNS munkapéldány): 3x109 bázispár, 16-18ezer gén. „3000 db 1000 oldalas könyv, melynek minden lapján 1000 betű van. • Polimorf DNS-szakasz: 0,1%. • „Junk”-DNS • A genetikai polimorfizmusok típusai: SNP (single nucleotide polymorphism), VNTR (variable number of tandem repeats, mikroszatellita) • CNV (copy number variation)

16. Genetikai polimorfizmusok „Mutáció” ritka allél < 1% betegség „Polimorfizmus” ritka allél > 1% jelleg, hajlam, tulajdonság Egyetlen bázisra kiterjedő variáció egypontos nukleotid polimorfizmus (SNP), pontmutáció, single nucleotide variation: 1 bázispár inzerció, deléció, szubsztitúció Hosszabb variábilis szakasz (ismétlődési polimorfizmusok) különböző hosszúságú szakaszok ismétlődése Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

17. Genetikai polimorfizmusok Ismétlődési polimorfizmusok • Transzpozon eredetű ismétlődések hossz ismétlődés • long interspersed element (LINE) 6–8 kb 850 000 • short interspersed element (SINE) 100–300 bp 1 500 000 • retrovírus-szerű elemek 3–11 kb 450 000 • Szegmentális duplikáció • 1–200 kb blokkok ismétlődése ugyanazon vagy másik kromoszómán • Egyszerű direkt ismétlődések • 1–13 bp hosszú szakasz: mikorszatelliták; trinukleotid ismétlődések • 14–500 bp-os szakaszok: miniszatelliták / VNTR-ek (variable number of tandem repeats) Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

18. Genetikai polimorfizmusok típusai (összefoglalás + példák) • Egynukleotidos polimorfizmus (SNP, single nucleotide polymorphism) • A DNS nukleotid-szekvenciáján belül egy nukleotid cseréje • Példa: COMT (katekol-O-metiltranszferáz) Val158Met polimorfizmus • Allélok: G és A • Genotípusok:GG AG AA • Asszociáció: A G allélt hordizóknál csökkent kognitív rugalmasság, szkizofrénia (?) • Ismétlődési polimorfizmus (VNTR, variable number of tandem repeats, mikroszatellita) • Ismétlődő rövid szekvenciák számbeli különbözősége • DRD4 (dopamin-receptor D4) polimorfizmus • Allélok: 4-es, 7-es, 11-es számú ismétlődés • Genotípusok: 4-4, 4-7, 4-11, 7-7. 7-11, 11-11 • Asszociáció: 4-es ismétlődésű allél: ADHD, TCI újdonságkeresés személyiségjegy

20. Genetikai polimorfizmusok A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása kódoló szakaszon nem kódoló szakaszon báziscsere: semmi AS-csere splicing nonsense semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… SNP ins / del: frame-shift 3-mal osztható: semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… ismétlődő peptidszakasz VNTR 3-mal nem osztható: frame-shift Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

21. Genetikai polimorfizmusok A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása kódoló szakaszon báziscsere: semmi AS-csere splicing nonsense sarlósejtes anémia fruktóz intolerancia cisztikus fibrózis SNP ins / del: frame-shift „0” vércsoport 3-mal osztható: ismétlődő peptidszakasz Huntington-betegség VNTR 3-mal nem osztható: frame-shift 21-hidroxiláz deficiencia Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

22. Genetikai polimorfizmusok A „rövid szakaszt érintő” polimorfizmusok (SNP és VNTR) hatása nem kódoló szakaszon öröklődő tulajdonság, hajlam bizonyos betegségekre semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… SNP semmi / nem ismert / transzkripciós aktivitás / mRNS élettartam… öröklődő tulajdonság, hajlam bizonyos betegségekre VNTR Forrás: Rónai Zsolt, 2004.

23. Copy Number Variation (CNV) Másolatszám változatosság, Gén kópiaszám változatosság • A genetikai változatosság egyik formája: gének mennyiségi változatossága, melyet mikrodeléciók vagy mikroduplikációk okoznak. • Kialakulás: de novo vagy öröklött • Befolyásolják a gén-expressziót • Fontos szerepük lehet betegségek kialakulásában. • Immun-rendszer és idegrendszeri fejlődés génjei: CNV-ben gazdag genetikai állomány. Korai fejlődés és sejtosztódás génjei: konzervatív genetikai állomány, kevés CNV. • Kromoszóma-mutációk: COMT (22q11), DISC1, PDE4B (1q42) • Down-szindróma – 21. triszómia (kromoszóma-duplikáció) http://www.gene-quantification.de/cnv.html

24. Copy Number Variation (CNV) II. • Méret: 1 kb-2Mb • Egy publikáció szerint MZ ikrekben is eltérnek egymástól • Strukturális variációk • Ritka variációk • Leírásuk a humán genom projekt után vált lehetővé • Jelentőség: autizmus (15q13), szkizofrénia (22q11)

25. CNV-k vizsgálatának módszerei: • CGH: comparative genomic hybridization • ROMA microarray • GWAS adatok

26. Gyakori és ritka genetikai variánsok szerepe a pszichiátriai betegségek kialakulásában Mentális Autizmus Szkizofrénia Bipoláris zavar retardáció Ritka genetikai variánsok Gyakori genetikai variánsok Affektív tünettan Neurodevelopmentális zavar Owen és mtsai., 2009

27. Epigenetika • A DNS „csomagolása”, • Befolyásolja a gének aktivitását, a gén-expressziót, életkor során reverzibilisen változhat • Metiláció (CpG szigetek), acetiláció, hisztonok, foszforiláció, telomeráz enzim aktivitása.