Βιολογία Θετικής Κατεύθυνσης Γ΄ Τάξης Ενιαίου Λυκείου Κεφάλαιο 6ο : Μεταλλάξεις Θοδωρής Καλαϊτζής

Μεταλλάξεις Αλλαγές στην αλληλουχία του DNA, που δημιουργούν συνήθως – όχι πάντα – ένα διαφορετικό φαινότυπο. Γονιδιακές μεταλλάξεις  η αλλαγή αφορά μικρό αριθμό βάσεων  ΑΝΤΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗ, ΠΡΟΣΘΗΚΗ ή ΕΛΛΕΙΨΗ. Χρωμοσωμικές ανωμαλίες  αλλαγές σε μεγαλύτερο τμήμα του χρωμοσώματος. Συμβολή στη δημιουργία γενετικής ποικιλότητας Ευθύνη για κληρονομικές ασθένειες Σε γεννητικά (μεταβίβαση από γενιά σε γενιά) ή σωματικά κύτταρα (πλειονότητα μεταλλάξεων – 1013 σωματικά κύτταρα σε ενήλικα) Θοδωρής Καλαϊτζής

Δρεπανοκυτταρική αναιμία (1) Ανθρώπινη αιμοσφαιρίνη: 2 αλυσίδες α και 2 αλυσίδες β (φυσιολογική HbA). 1949 (Pauling et. al.)  Διαφορά στην HbA σε άτομα με αυτή την αναιμία 6ο αμινοξύ β-αλυσίδας: Από γλουταμινικό οξύ  Βαλίνη (HbA  HbS) Λόγος: Αλλαγή GAG της κωδικής αλυσίδας της β αλυσίδας σε GTG. Μετάλλαξη: Αλλαγή στερεοδιάταξης πρωτ.  Αλλαγή μορφής ερυθροκυττάρων (έλλειψη Ο2: δρεπανοειδές σχήμα) Θοδωρής Καλαϊτζής

Δρεπανοκυτταρική αναιμία (2) Δρεπανοκύτταρα: α) Παρεμπόδιση φυσιολογικής κυκλοφορίας του αίματος (προβλήματα σε πνεύμονες και σπλήνα) β) Γρηγορότερη καταστροφή δρεπανοκυττάρων από ότι φυσιολογικά (συμπτώματα αναιμίας) Ασθενείς: βsβs (μόνο HbS – καθόλου HbA) Φορείς: Βsβs - ασυμπτωματικοί Θοδωρής Καλαϊτζής

Τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων (1) Αντικατάσταση βάσης: ποικίλες συνέπειες π.χ. συνώνυμο κωδικόνιο (καμία αλλαγή) ή δημιουργία τριπλέτας που κωδικοποιεί διαφορετικό αμινοξύ (αλλαγμένη πρωτεΐνη). Στο ενεργό κέντρο ενζύμου ή κοντά σ’ αυτό: μείωση ή εκμηδενισμός ενεργότητας ενζύμου Αλλαγή δομής και λειτουργίας πρωτεΐνης Μετατροπή κωδικονίου σε κωδικόνιο λήξης  Τερματισμός σύνθεσης  Καταστροφή λειτουργικότητας πρωτεΐνης Θοδωρής Καλαϊτζής

Τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων (2) Προσθήκη ή έλλειψη βάσεων: εμφάνιση μεταλλαγμένων φαινοτύπων Πιθανότητες: Σε αριθμό πολλαπλάσιο του 3  Προσθήκη ή έλλειψη 1 ή περισσοτέρων αμινοξέων  Αλλαγή λειτουργικότητας πρωτεΐνης Σε αριθμό διαφορετικό του 3 η πολλαπλασίων του  Διαφορετική αλληλουχία αμινοξέων από αρχική Θοδωρής Καλαϊτζής

Όμως, οι μεταλλάξεις είναι ΚΑΙ… Πηγή πλεονεκτημάτων και γενετικής ποικιλότητας Μη επιβλαβείς (ΟΥΔΕΤΕΡΕΣ), π.χ. αν οδηγούν σε αλλαγή 1 μόνο αμινοξέος, έχουν ελάχιστη επίδραση σε στερεοδιάταξη και λειτουργία ΣΙΩΠΗΛΕΣ, αν δεν οδηγούν σε αλλαγή της αλληλουχίας των αμινοξέων (λόγω εκφυλισμού του γενετικού κώδικα) [όμως: αλλαγές στην αλληλουχία των βάσεων και σε μη μεταγραφόμενες περιοχές του DNA – άγνωστα αποτελέσματα] Θοδωρής Καλαϊτζής

Αυτόματες μεταλλάξεις Από λάθη που γίνονται κατά: α) την αντιγραφή του DNA και β) το διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων. Αλλά, και πολλοί μεταλλαξογόνοι παράγοντες, όπως… Ακτινοβολίες: χ, γ, κοσμική, υπεριώδης κ.α. Χημικές ουσίες: φορμαλδεΰδη, χρωστικές, καφεΐνη, αρωματικοί κυκλικοί Η/C (γεωργικά, βιομηχανικά, φαρμακευτικά προϊόντα) [επιδιορθωτικά ένζυμα: >99,9 % των λαθών] Θοδωρής Καλαϊτζής

Γενετικές διαταραχές σε ανθρώπινες αιμοσφαιρίνες Αιμοσφαιρίνες: Σφαιρικό σχήμα – Τέσσερις πολυπεπ. αλυσίδες (ανά 2 όμοιες) – Καθεμία συνδέεται με μια ομάδα αίμης Εμβρυϊκή ηλικία  HbF (α2γ2) Ενήλικη ζωή  HbA (α2β2) [κύρια αιμοσφ.] & HbA2 (α2δ2) [μικρές ποσότητες] & HbF (α2γ2) [1% περίπου] Θοδωρής Καλαϊτζής

Μεταλλάξεις στις αιμοσφαιρίνες >300 διαφορετικές μεταλλάξεις στη β-αλυσίδα Α) Σχεδόν απαρατήρητες ή προκαλούν ήπια αναιμία (αφορούν περιοχή της αλυσίδας ασήμαντη για λειτουργία) Β) Σοβαρή μετάλλαξη, όσον αφορά τη λειτουργικότητα (επηρεάζει αμινοξέα κοντά στην περιοχή πρόσδεσης της αίμης) ΘΑΛΑΣΣΑΙΜΙΑ: Ελαττωμένη σύνθεση α ή β- αλυσίδων Θοδωρής Καλαϊτζής

β - θαλασσαιμία Μεγάλη ετερογένεια  πολλά διαφορετικά είδη γονιδιακών μεταλάξεων Διαφορές στα συμπτώματα ως προς τη βαρύτητα & σχέση τους με είδος μετάλλαξης Π.χ. Σοβαρή αναιμία: Παντελής έλλειψη β-αλυσίδας, άρα και HbA. Ενώ σε λιγότερο σοβαρή αναιμία: Ελάττωση σύνθεσης β-αλυσίδας  HbA σε μικρή ποσότητα. Θοδωρής Καλαϊτζής

Ομοζυγωτία / Ετεροζυγωτία Ομόζυγα άτομα: σοβαρή αναιμία – συνεχείς μεταγγίσεις αίματος (υπερφόρτωση οργανισμού με Fe) & Αύξηση HbF  Μερική υποκατάσταση λειτουργίας ΗbA Ετερόζυγα άτομα: ήπια αναιμία & Αυξημένη σύνθεση HbA2 (διαγνωστικός δείκτης) [ΑΥΤΟΣΩΜΙΚΟΣ ΥΠΟΛΕΙΠΟΜΕΝΟΣ ΤΥΠΟΣ ΚΛΗΡΟΝΟΜΙΚΟΤΗΤΑΣ] Θοδωρής Καλαϊτζής

Σχέση με ελονοσία Συχνότητες ατόμων με δρεπανοκυτταρική αναιμία ή β – θαλασσαιμία αυξημένη σε Μεσόγειο, Δ. & Α. Αφρική, Ν/Α Ασία λόγω της ύπαρξης ελονοσίας (πλασμώδιο) ΓΙΑΤΙ; Ανθεκτικότητα των φορέων στην προσβολή από πλασμώδιο, επειδή τα ερθροκύτταρά τους δεν ευνοούν τον πολλαπλασιασμό του. Θοδωρής Καλαϊτζής

α - θαλασσαιμία Προκύπτει από έλλειψη ολόκληρου του γονιδίου που κωδικοποιεί την αλυσίδα. Διπλά γονίδια σε κάθε χρωμόσωμα Ελλείψεις σε 1,2,3 ή και τα 4 από τα γονίδια Όσα περισσότερα λείπουν, τόσο βαρύτερα τα συμπτώματα Θοδωρής Καλαϊτζής

Μεταλλάξεις σε γονίδια που κωδικοποιούν μεταβολικά ένζυμα Περίπου 200 διαταραχές μεταβολισμού (τέτοιου τύπου) Φαινυλκετονουρία (PKU): Έλλειψη ενζύμου που μετατρέπει PheTyr και συσσώρευση Phe – ομόζυγοι: παρεμπόδιση φυσιολογικής ανάπτυξης και λειτουργίας εγκεφαλικών κυττάρων  διανοητική καθυστέρηση [γρήγορη διάγνωση – κατάλληλο διαιτολόγιο] Αλφισμός: ετερογένεια ασθένειας – έλλειψη ενζύμου υπεύθυνου για σχηματισμό μελανίνης  Έλλειψη μελανίνης σε δέρμα – μαλλιά – ίριδα Θοδωρής Καλαϊτζής

Χρωμοσωμικές ανωμαλίες (Χ.Α.) Είναι οι μεγάλες σε έκταση αλλαγές στην ακολουθία και στον αριθμό των βάσεων στο γονιδίωμα ενός οργανισμού Αριθμητικές & Δομικές Χ.Α. } τροποποίηση φαινοτύπου του ατόμου που τις φέρει Αριθμητικές: Αποτέλεσμα μη διαχωρισμού ομολόγων χρωμοσωμάτων ή αδελφών χρωματίδων  Γαμέτες με αριθμό χρωμοσωμάτων > ή < του φυσιολογικού  Γονιμοποίηση με φυσιολογικό γαμέτη  Ζυγωτό με λανθασμένη ποσότητα γενετικού υλικού  Ανευπλοειδία: περίσσεια ή έλλειψη μικρού αριθμού χρωμοσωμάτων [μονοσωμία (-1) / τρισωμία (+1)] Θοδωρής Καλαϊτζής

Αριθμητικές Χ.Α. σε αυτοσωμικά Τρισωμία 13 Τρισωμία 18 Βαρύτερα συμπτώματα από τρισωμία 21 (σύνδρομο Down), λόγω μεγαλύτερου μεγέθους χρωμοσωμάτων και περισσότερων γονιδίων Σύνδρομο Down: Καθυστέρηση στην ανάπτυξη, δυσμορφίες προσώπου, διανοητική καθυστέρηση Ύπαρξη επιπλέον 21, λόγω μη διαχωρισμού των χρ. του 21ου ζεύγους κατά τη δημιουργία των γαμετών  Ωάριο (σπανιότερα σπερματοζωάριο) με δύο χρ. 21 Πιθανότητα γέννησης παιδιού με τρισωμία 21 αυξάνεται , όσο μεγαλύτερη είναι η μητέρα. Θοδωρής Καλαϊτζής

Αριθμητικές Χ.Α. σε φυλετικά Σύνδρομο Klinefelter (XXY): Αρσενικό, στείρο άτομο Μετεφηβική εμφάνιση συμπτωμάτων συνδρόμου Σύνδρομο Turner (XO): Μοναδική μονοσωμία στον άνθρωπο Θηλυκό στείρο άτομο Μη εμφάνιση δευτερογενών χαρακτηρι-στικών του φύλου. Θοδωρής Καλαϊτζής

Δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες (1) Αφορούν μερικά γονίδια ή ένα μεγάλο τμήμα χρωμοσώματος Θραύση και λανθασμένη επανένωση  Έλλειψη, μετατόπιση ή άλλη αναδιάταξη Αποτέλεσμα δράσης μεταλλαξογόνων παραγόντων Αλλαγή στην ποσότητα και στη διάταξη της γενετικής πληροφορίας στα χρωμοσώματα Θοδωρής Καλαϊτζής

Δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες (2) Έλλειψη: απώλεια γενετικού υλικού [σύνδρομο φωνή της γάτας (cri-du-chat): έλλειψη τμήματος από χρωμ. 5  διανοητική καθυστέρηση] Διπλασιασμός: επανάληψη χρωμοσωμικού. τμήματος στο (ίδιο) χρωμόσωμα Αναστροφή: θραύση σε δύο διαφορετικά σημεία ενός χρωμ. & επανένωση (ύστερα από αναστροφή)  αλλαγή διάταξης των γονιδίων. Θοδωρής Καλαϊτζής

Δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες (3) Μετατόπιση: θραύση τμήματος χρωμ. & μετέπειτα ένωσή του σε (άλλο) μη ομόλογο χρωμ. Αμοιβαίες μετατοπίσεις: «ανταλλαγή» χρωμ. τμημάτων ανάμεσα σε μη ομόλογα χρωμ.  ΜΗ απώλεια γενετικού υλικού και συνήθως φυσιολογικός φαινότυπος ΟΜΩΣ: Κίνδυνος απόκτησης απογόνων με Χ.Α., λόγω δημιουργίας μη φυσιολογικών γαμετών Θοδωρής Καλαϊτζής

Διάγνωση γενετικών ασθενειών Μας βοηθά στον: έγκαιρο εντοπισμό γενετικών ασθενειών εντοπισμό φορέων γενετικών ασθενειών προσδιορισμό πιθανότητας εμφάνισης μιας γενετικής ασθένειας στους απογόνους μιας οικογένειας (1)  Δυνατότητα σχεδιασμού θεραπευτικής αγωγής (π.χ. PKU) (2)  Με σκοπό τον υπολογισμό πιθανότητας δημιουργίας απογόνων που πάσχουν (π.χ. δρεπανοκυτταρική – θαλασσαιμίες) (3) Προγεννητικός έλεγχος: πιθανότητα διακοπής κύησης Θοδωρής Καλαϊτζής

Διεξαγωγή διάγνωσης με… Μελέτη καρυοτύπου Βιοχημικές διαδικασίες Ανάλυση αλληλουχίας βάσεων DNA (μοριακή διάγνωση) PKU: Έλεγχος με υπολογισμό συγκέντρωσης Phe στο αίμα νεογέννητων Sickle Cell Anemia: Παρατήρηση μορφολογίας ερυθροκυττάρων σε συνθήκες έλλειψης O2 + Τεχνικές για προσδιορισμό παθολογικής HbS στα ερυθροκύτταρα + Τεχνικές για εντοπισμό γονιδίου βs Θοδωρής Καλαϊτζής

Γενετική καθοδήγηση Ειδικοί επιστήμονες – πληροφορίες σε άτομα/ζευγάρια/οικογένειες , που πάσχουν από γενετική ασθένεια (ή με αυξημένη πιθανότητα να την εμφανίσουν)  ΛΗΨΗ ΑΠΟΦΑΣΕΩΝ για απόκτηση υγιών απογόνων Απαραίτητα γνωστά στοιχεία: Γενετική ασθένεια Συχνότητα εμφάνισης Τρόπος κληρονόμησης Επιπτώσεις στα πάσχοντα άτομα Τρόποι αντιμετώπισης ΓΙ’ ΑΥΤΟ… Θοδωρής Καλαϊτζής

…προγεννητικός έλεγχος Απόφαση μετά απ’ αυτόν για διακοπή ή όχι της κύησης [συνεκτίμηση και άλλων κοινωνικών κλπ. παραγόντων] Ομάδες ατόμων που ΠΡΕΠΕΙ να απευθυνθούν σε ειδικό (ΟΜΑΔΕΣ ΚΙΝΔΥΝΟΥ): Φορείς γενετικών ασθενειών Άτομα με οικογενειακό ιστορικό τέτοιων ασθενειών Γυναίκες 35 ετών και άνω Γυναίκες με πολλαπλές αποβολές Θοδωρής Καλαϊτζής

Μέθοδοι προγεννητικού ελέγχου ΑΜΝΙΟΠΑΡΑΚΕΝΤΗΣΗ Λήψη ποσότητας αμνιακού υγρού τη 12η – 16η εβδομάδα (εμβρυϊκά κύτταρα – έλεγχος πάνω από 100 ανωμαλιών)  α) Ανάλυση DNA & βιοχημική ανάλυση ενζύμων και πρωτεϊνών (π.χ. PKU) β) Καλλιέργεια για καρυότυπο (Χ.Α.) ΛΗΨΗ ΧΟΡΙΑΚΩΝ ΛΑΧΝΩΝ Λήψη εμβρυικών κυττάρων από τις προεκβολές του χορίου την 9η – 12η εβδομάδα  α) Κατασκευή καρυοτύπου β) Βιοχημική ανάλυση ή ανάλυση DNA (δρεπ. αναιμία) Θοδωρής Καλαϊτζής

Καρκίνος Ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός των κυττάρων ενός ιστού Ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός των κυττάρων ενός ιστού Σχεδόν όλες οι περιπτώσεις: μεταλλάξεις γονιδίων σωματικών κυττάρων Αποτέλεσμα σε γενετικό επίπεδο: Μετατροπής των πρωτο-ογκογονιδίων σε ογκογονίδια Απουσίας της λειτουργικότητας των ογκοκατασταλτικών γονιδίων Αδρανοποίησης μηχανισμών επιδιόρθωσης DNA Θοδωρής Καλαϊτζής

(1) Πρωτο-ογκογονίδια Μετατροπή τους σε ογκογονίδια από μεταλλάξεις Πρωτοογκογονίδια: ενεργοποίηση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού Ογκογονίδια: ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός και δημιουργία καρκίνου Η μετατροπή των γονιδίων της μίας κατηγορίας στην άλλη  συνήθως αποτέλεσμα γονιδιακής μετάλλαξης ή χρωμοσωμικής ανωμαλίας, συνηθέστερα μετατόπισης. http://www.med.uoa.gr/~emarinos/digital_li brary.html Θοδωρής Καλαϊτζής

Ογκοκατασταλτικά γονίδια Επιτελούν τον έλεγχο της κυτταρικής διαίρεσης. Κύρια αιτία μη λειτουργικότητάς τους: έλλειψη γονιδίου  αναστολή δράσης τους  μη δυνατότητα ελέγχου του πολλαπλασιασμού των κυττάρων  ΚΑΡΚΙΝΟΓΕΝΕΣΗ. Κλασικό παράδειγμα: ρετινοβλάστωμα (έλλειψη αντίστοιχου γονιδίου) Θοδωρής Καλαϊτζής

Βλάβη σε μηχανισμούς επιδιόρθωσης του DNA Αντίστοιχο πρόβλημα  αυξημένη συχνότητα εμφάνισης καρκίνου. Κλασικό παράδειγμα: μελαχρωματική ξηροδερμία  πολλαπλάσια συχνότητα καρκίνων δέρματος [μετάλλαξη γονιδίων που ελέγχουν επιδιορθωτικά ένζυμα έναντι ακτινοβολιών UV] ΓΕΝΙΚΑ: Ο ΚΑΡΚΙΝΟΣ ΕΙΝΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΓΕΝΕΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ. Θοδωρής Καλαϊτζής