Презентация на тему: Медицинская генетика и геном человека

1. Общие представления о медицинской генетике 2 . Геном человека I . Наследственные болезни, молекулярная медицина 3. Геном человека II .Генетический груз, хромосомные и генные мутации методы диагностики 4. Геном человека III. Профилактика наследственных болезней, пренатальная диагностика 900igr.net

6. Фармакогенетика 7. Предиктивная медицина и генетический паспорт 8. Геномный импринтинг, роль импринтинга в нормальном и патологическом развитии 9. Стволовые клетки и проблемы клонирования 10. Старение организма и проблемы долголетия 11. Генная терапия

Геном Внешняя среда

Медицинская генетика (МГ) - наука о роли наследственности в патологии человека, закономерностях передачи наследственных болезней, их диагностике, лечении, профилактике. Клиническая генетика - прикладная МГ, направленная на применение достижений генетики и МГ для решения клинических проблем пациентов и их семей.

1.Наследственные болезни - часть общей наследственной изменчивости человека 2.Патогенез и клиника любой НБ зависят от генотипа и среды 3.В процессе эволюции генофонд человечества накопил множество разнообразных мутаций 4.Постоянно меняющаяся среда привела к появлению новых видов наследственной патологии –экогенетическим болезням 5. Прогресс медицины способствует накоплению вредных мутаций в обществе, но одновременно увеличивает возможности диагностики, лечения и профилактики НБ. 6. Расшифровка генома человека знаменует переход всей медицины на качественно новый уровень, отличительные особенности которого- профилактическая направленность и индивидуальный (персонифицированный) подход к пациенту

НБ - часть наследственной изменчивости (НИ) Мутации - причины всех НБ Генетический груз (ГГ) -НИ в популяции, приводящая к появлению менее приспособленных особей, подлежащих естественному отбору - Мутационный груз - 1 мутация на 106 гамет - Сегрегационный груз - из поколения в поколение - Субституционный груз - эффект при изменении условий среды Генетический мониторинг (С.Н.Давиденков)- контроль за уровнем ГГ, частотой сторожевых фенотипов - Раннее выявление новых мутаций - Генетическое консультирование семей с НБ - Создание условий непроявления генных мутаций

Летальность - 70% всех зигот человека Новорожденные с НБ и врожденными пороками 5-5,5% Пороки развития - 2,5% новорожденных Наследственные болезни - 1,5% Хромосомные - 0,5% Генные - 1,0% Болезни с выраженной наследственной предрасположенностью (дети до 5 лет) - 3-3,5% Всего известно НБ - более 4 000 Доля 15 наиболее частых НБ до 5 лет - > 50% Число бесплодных супружеских пар - 10-15% Ежегодно в России рождается 100 000 детей-инвалидов В Петербурге число детей- инвалидов в 2002г. 13 695

I. Генетическая Генные НБ (моногенные, полигенные) Мультифакториальные НБ (болезни с наследственной предрасположенностью) Хромосомные НБ Генетические болезни соматических клеток Митохондриальные болезни Эпигенетические болезни (болезни импринтинга) Болезни экспансии (динамические мутации)

II По типу наследования : III По клиническому проявлению: Аутосомно-доминантные Классификация по органно- Аутосомно-рецессивные системному принципу: Сцепленные с полом нервные, мышечные, глазные, Х-сцепленные доминантные болезни опорно-двигательного Х-сцепленные рецессивные аппарата, др. У- сцепленные Нетрадиционного типа наследования IV По патогенезу : Нарушения обмена веществ (1) Аномалии морфогенеза (2) Комбинированные (1) и (2)

1. Особенности клинических проявлений 2. Принципы клинической диагностики 3. Синдромы НБ 4. Клинико-генеалогический метод Клинические проявления НБ семейный характер хроническое, рецидивирующее течение резистентность к лекарственной терапии специфические «маркерные» симптомы системные поражения органов и тканей

Клинический полиморфизм (КП) первичный КП - многообразие проявления признаков НБ связанных с первичным дефектом, вторичный КП - осложнения вследствие первичного дефекта пенетрантность - частота признака среди больных экспрессивность - выраженность клинического признака Генетический полиморфизм - молекулярная основа КП разные мутации одного гена - разная клиника, разные заболевания мутации разных генов - одно заболевание

Цели клинического осмотра: Поставить точный диагноз Установить природу заболевания Направить на дополнительные лабораторные исследования В процессе осмотра обращать внимание на: Врожденные пороки развития Антропометрические данные Врожденные анатомические вариации

Справочники: «Наследственные синдромы и медико-генетическое консультирование» Козлова С.И. соавт М. «Практика» 1996 Справочник В.МакКьюсика -On line Mendelian Inheritance in Man http://www.ncbi.nlm.nih.gov//omim (National Сenter of Biotechnological Information)

Установление наследственного характера признака Выяснение типа передачи НБ Анализ пенетрантности и экспрессивности признака Сцепление признака с генетическими и молекулярными маркерами Медико-генетическое консультирование Пробанд - больной или его родственник, с которого начинается составление родословной.

Аутосомно-доминантный (ахондроплазия, синдром Марфана, нейрофиброматоз, миотоническая дистрофия, хорея Гентингтона) – популяционная частота - 0,5-1,0% Прослеживается в родословных только по вертикали Соотношение больных и здоровых детей 1:1 Здоровые дети от больных родителей имеют здоровое потомство Соотношение больных мальчиков и девочек одинаково Пациенты независимо от пола одинаково часто передают болезнь У гомозигот болезнь нередко летальна Болезнь - часто результат спонтанных мутаций

Аутосомно-рецессивный (муковисцидоз, ФКУ, СМА, АГС, мукополисахаридозы) - популяционная частота - 0,25% Родители клинически здоровы Соотношение больных и здоровых детей 1:3 Если больны оба супруга – дети всегда больные Оба пола поражаются одинаково часто Не исключено кровное родство супругов В браке больного и носителя рождается 50% больных, больного и здорового –рождаются только здоровые

Доминантное наследование (болезнь Ретта, витамин D резистентный рахит) Поражаются мальчики в 2 раза чаще, чем девочки Женщины болеют менее тяжело, передают болезнь 50% сыновьям и 50% дочерям Больные мужчины передают болезнь всем дочерям

Х-сцепленные заболевания - популяционная частота 0,25% Рецессивное наследование (миодистрофия Дюшенна, гемофилии, синдромы Мартина-Белла, Леш-Нихана, Хантера) Болеют только мальчики, 2/3 случаев наследуются от матерей-носительниц, 1/3 - спонтанных Сестры больных братьев в 50% - носители мутации Здоровые мужчины не передают заболевание

Y-сцепленные (нарушения сперматогенеза, рост тела, конечностей, зубов) Митохондриальные болезни (атрофия зрительного нерва Лебера, кардиомиопатии, миоклоническая эпилипсия, митохондриальная миопатия, прогрессирующая офтальмоплегия) Болезнь передается только по материнской линии Болеют мальчики и девочки Больные мужчины не передают болезнь потомству

Эпигенетические болезни (болезни импринтинга) Импринтинг - дифференциальная экспрессия генов или проявление мутации в зависимости от их родительского происхождения Число импринтированных генов - 200-500 В настоящее время известно 10 наследственных синдромов, связанных с импринтингом (Прадера-Вилли или Ангельмана; Видемана-Беквита; Рассела-Сильвера; синдромы однородительских дисомий) Импринтингу отводят важную роль в онкогенезе.

Общие представления о работе генома Определение понятий Основные итоги Международного проекта « Геном человека» «Генетизация» человечества ХХI века Генетический полиморфизм Филогенез и этногенез человека Функциональная геномика Классификация наследственных болезней Методы диагностики Геномика и молекулярная медицина

Все гены человека упакованы в 23 пары хромосом 2n =46 ; 1n = 23 Эухроматин Гетерохроматин

Репликация –удвоение нити ДНК Транскрипция- синтез РНК на матрице ДНК Трансляция – синтез белка на матрице РНК

ЯДРО - ХРОМОСОМЫ - ДНК– ПЕПТИДЫ - БЕЛКИ

ПРОЕКТ ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА ОФИЦИАЛЬНО ЗАВЕРШЕН 20 апреля 2003г. ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА АКТИВНО ПРОДОЛЖАЮТСЯ

1. Геном –весь наследственный аппарат клетки, её ДНК 2 .Секвенирование ДНК – выяснение нуклеотидной последовательности цепочки ДНК 3. Картирование - определение положения гена по отношению к другим генам - генетическое к другим ДНК последовательностям - молекулярное (позиционное) к рисунку дифференциальной окраске - хромосомное 4. Идентификация гена – установление наличия гена в библиотеке кДНК, его картирование, выделение в чистом виде, клонирование вне организма

Длина молекулы ДНК в каждой клетке 1,5-1,7м Просеквенировано – 99% эухроматина Несеквенировано - 10% (9%- гетерохроматина) Число нуклеотидов в гаплоидном наборе : всего - 3. 164.7 х 10 6 в эухроматине – 2.900 х 10 6 в гетерохроматине – 0.3 х 10 6 Допустимая частота ошибок 1 х 10 4

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА Транскрибируемая часть - 28-30% ДНК до РНК - 23 - 25% до белка - 5% Отвечает за синтез белка - 1,2% всей ДНК «Факультативная » ДНК LTR, SINE, LINE, Transposones - 50% короткие повторы (мини- и микро сателлитная ДНК) - 3% Повторяющиеся последовательности - 45- 50% всей ДНК

Идентичность геномов разных индивидуумов - 99,9% - 0,1% - Межиндивидуальная 2006- 90,9% -10% вариабельность Однонуклеотидные замены (SNP) - 10 -12 х 10 6 Внутригенные (смысловые) SNP - 3 - 5 х 10 6 Число картированных SNP в проекте Гаплоидный геном (HapMap )2006г. 4,5 х 10 6 ПЕРВАЯ ВЕРСИЯ РАЗНООБРАЗИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА 269 человек (90 белых, 90 африканцев, 89-желтых) 2005г. - 1 млн SNP , 2006г. - 4,6 млн SNP, 2008г. – 9 млн.SNP

ВСЕГО – около 22 000 Идентифицировано в библиотеке кДНК - 20 000 Картировано на хромосомах (31. 08. 07) - 10 432 Идентифицированы и исследованы на наличие мутаций ( 2003г.) - 1 485 По хромосомам: хромосома 1 - 3 141 хромосома 21 - 225 хромосома 22 - 525 Х- хромосома - 1 098 РАЗМЕРЫ ГЕНА Средний - 3 000 п.о. Максимальный - 2.4 х 10 6 п.о.

Общая классификация генов I.РНК-гены (тРНК, рРНК, яРНК, иРНК) II.Белок-синтезирующие гены Гены домашнего хозяйства Гены специальных функций III Регуляторные гены (факторы транскрипции) PAX1-9;HOX 1-35; SOX 1-10; SRY, др. IV Митохондриальные гены (около 30)

OMIM Statistics for August 31, 2007 Number of Entries   Autosomal X-Linked Y-Linked Mitochondrial Total * Gene with known sequence 11176 517 48 37 11778 + Gene with known sequence   and phenotype 351 31 0 0 382 # Phenotype description,   molecular basis known 1951 182 2 26 2161 % Mendelian phenotype or locus,   molecular basis unknown 1464 132 4 0 1600 Other, mainly phenotypes with suspected mendelian basis 1979 142 2 0 2123 Total 16921 1004 56 63 18044

ГЕНОМ- весь наследственный аппарат клетки, её ДНК ГЕНОМИКА – наука о структурно-функциональной организации генома, о взаимодействии генов и их продуктов в процессах онтогенеза в норме и в патологии

ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА И "ГЕНЕТИЗАЦИЯ" ЧЕЛОВЕЧЕСТВА XXI ВЕКА

Первый глобальный геноцид – 30 000 лет до РХ

СХЕМА ЗАСЕЛЕНИЯ ПЛАНЕТЫ «ЗЕМЛЯ» ВЕЛИКОЕ ПЕРЕСЕЛЕНИЕ НАРОДОВ

«Гаплоидный геном» (HapMap)- распределение однонуклеотидных полиморфизмов в гаплоидном наборе 23 хромосом «Энциклопедия ДНК-элементов» ( ENCODE) идентификация - и картирование белок - синтезирующих элементов генома человека «Химическая Геномика» –создание библиотеки хим. в-в, взаимодействующих с геномом человека «Геном для жизни» - особенности организации геномов патогенных микроорганизмов Консорциум по структурной геномике – направленный поиск лекарств действующих на геном «Геном человека и окружающая среда» -”Environmental Genome Project”- развитие предиктивной медицины и фармакогенетики «Персональный геном» Дж.Черч

ЧТО УЖЕ ДАЛИ МЕДИЦИНЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА? Идентифицированы мутантные гены всех частых моногенных и многих мультифакториальных заболеваний Разработаны универсальные методы диагностики наследственных болезней Внедрены методы геномной дактилоскопии Заложены основы фармакогенетики и фармакогеномики Внедряются методы тестирования наследственной предрасположенности (предиктивная медицина) Разработаны научные основы и начаты клинические испытания по генной терапии.

I. ГЕНОМНЫЕ Диплоидный набор 2n=46 Гаплоидный 1n=23 Полиплоидия (триплоидия 3n=69; тетраплоидия 4n=92) Анеуплоидия (трисомия 2n=47; моносомия 2n=45 II. ХРОМОСОМНЫЕ (делеции, дупликации, инсерции инверсии, транслокации) III ГЕННЫЕ Точечные (сайтовые) мутации (нейтральные –SNP,нонсенс, миссенс Внутригенные перестройки (делеции, дупликации, инверсии, инсерции) Динамические мутации Перемещение мобильных элементов(Alu -300-500по х100 000 Line( 6 500по х 50 000

I.Хромосомные болезни – дисбаланс 1000 генов одной хромосомы или её фрагментов Избыток генетического материала (трисомия) менее драматичен, чем его отсутствие (моносомия) Нарушения функции генома на уровне ДНК (дисбаланс структурных и регуляторных генов, микро - РНК), на уровне ядра (нарушения микроархитектоники ядра, локализации гетерохроматина, хромосомных территорий, пр.) - «клеточный синдром», неспецифические и специфические фенотипические проявления II,Генные болезни- дефекты одного гена: природа гена (гены –господа/ гены –рабы) функция гена (место в генной сети), тип мутации ( плюс /минус -эффекты; доминантные/ рецессивные), первичный биохимический дефект

I. Молекулярный: первичный биохимический дефект Отсутствие, недостаток или избыток генопродукта Неправильный по структуре генопродукт, Нарушения регуляторных взаимодействий между генами и целыми генными сетями II. Клеточный уровень: Нарушения метаболизма клетки, функций мембранных рецепторов, энергетики клетки: (Болезни накопления - лизосомные болезни, мукополисахаридозы) III. Тканевой и органный уровни Первичная и вторичная гетерогенность (плейотропия) наследственных болезней

Цитогенетическая диагностика. Этапы : : Приготовление метафазных пластинок Окраска препаратов Кариотипирование хромосомных препаратов Специальные методы: Гибридизация in situ: варианты FISH, ДНК-зонды, Метод CGH (Comparative Genome Hybridization) Молекулярная диагностика хромосомных болезней

Объектом исследования является молекула ДНК ДНК-диагностика возможна на любой стадии онтогенеза Два варианта ДНК-диагностики: - прямая – детекция мутаций - непрямая – идентификация ДНК-маркера, сцепленного с мутацией или с мутантным геном ПРИНЦИПЫ ДНК-ДИАГНОСТИКИ Комплементарность пар оснований Разделение цепей ДНК при нагревании - денатурация Объединение комплементарных цепей при охлаждении – ренатурация Наличие специфических эндонуклеаз Разделение ДНК-фрагментов электрофорезом в гелях Полимеразная цепная реакция - ПЦР Для каждой НБ характерен свой тип мутаций, свой алгоритм ДНК-диагностики

Методы детекции мутаций I. Поиск неизвестных мутаций конформационный полиморфизм одноцепочечных фрагментов -SSCP электрофорез в денатурирующем гралиентом геле DGGE химическое расщепление некомлементарных сайтов-CMC анализ гетеродуплексов -HA прямое секвенирование -DS II. Идентификация известных мутаций Блот - гибридизация по Саузерну (1975) Полимеразная цепная реакция -ПЦР (1985) Диагностика с помощью биочипов ( 2 000)

Технология микробиочипов Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН, Москва

МОНОГЕННЫЕ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ, Часть 1

Часть 2 МОНОГЕННЫЕ НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ,

Идентификацию генов и генных сетей частых мультифакториальных заболеваний; Диагностику заболеваний по экспрессионным профилям тысяч генов; Диагностику наследственной предрасположенности по тестированию аллельных вариантов "смысловых" SNPs; Внедрение предиктивного генетического тестирования семей с высоким риском частых мультифакториальных болезней; Создание индивидуальных, семейных и специализированных баз ДНК-данных (генетический паспорт беременной, спортсмена, призывника и пр.); Создание новых лекарств направленного действия для индивидуальной молекулярной терапии. ЧТО ДАДУТ МЕДИЦИНЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНОМА В "ПОСТГЕНОМНУЮ" ЭРУ ?

1. Геном человека полностью расшифрован 2. Картированы на хромосомах свыше 10 000 генов, идентифицировано более 20 000 генов, в том числе гены всех частых наследственных болезней 3. Результатом расшифровки генома явилась молекулярная медицина, 4. НБ –результат мутаций на уровне генома, хромосом и ДНК 6. Патогенез НБ включает нарушения функций генома на уровне ДНК, клетки, тканей и целого организма 7. Диагностика хромосомных болезней – цитогенетический анализ 8. Диагностика генных болезней – молекулярно-генетический анализ