14. Nukleinske kiseline I: 14.A. Nukleotidi

Transcript

1 14. Nukleinske kiseline I: 14.A. Nukleotidi Nukleinska kiselina: makromolekulski organski spoj, organski biopolimer (polinukleotid), koji je izgraďen iz triju vrsta spojeva (nukleobaza, ugljikohidrata i fosfatne kiseline), i koji je bitan za stanične procese kao što su razmožavanje, dioba stanice i sinteza proteina jer sadrži ili prenosi genetsku tj. nasljednu informaciju. Dvije su vrste nukleinskih kiselina: deoksiribonukleinska kiselina (DNK ili DNA) i ribonukleinska kiselina (RNK ili RNA). Sve stanice živih bića sadrže i DNK i RNK, osim rijetkih izuzetaka: npr. zreli eritrociti ne sadrže niti DNK ni RNK, zbog čega se ne mogu razmožavati i sintetizirati RNK, imaju ograničene mogućnosti molekulske popravke stanice, i ne mogu ih napadati virusi. Virusi sadrže ili DNK ili RNK, a ne obje kiseline. Nukleinske kiseline u čovjeku kod fiziološkog ph postoje u obliku fosfata (tj. polifosfata), a protuioni su kalcijevi kationi Ca 2+. Nukleinska kiselina je biopolimer (biološki polimer) tzv. polinukleotid sastoji se od mnogo monomera tj. nukleotida (od 21 do ). nukleotid = nukleobaza + ugljikohidrat + fosfat nukleozid = nukleobaza + ugljikohidrat tj. nukleotid = nukleozid + fosfat Nukleobaza ili baza nukleinske kiseline: heterociklički organski spoj, derivat purina ili pirimidina Ugljikohidrat u nukleozidu ili nukleotidu: riboza ili 2-deoksiriboza

2 Nukleobaze ili baze nukleinskih kiselina: -heterociklički organski spojevi tj. aromatski spojevi koji sadrže jedan prsten ili dva spojena prstena; trodimenzionalna struktura im je planarna (pločasta) -derivati purina i pirimidina -organske baze tipa dušikove organske baze, gdje se dušikovi atomi ponašaju kao baze tj. protoniraju se -5 najčešćih u nukleinskim kiselinama: adenin, gvanin, citozin, uracil i timin -neke rijetke u nukleinskim kiselinama: ksantin, hipoksantin, 5-metilcitozin, 5-hidroksimetilcitozin, dimetilaminoadenin, 7-metilgvanin i dr. -neke koje nisu prirodne: npr. 5-fluorouracil, 8-azagvanin i dr.

3 Nukleozidi: N-glikozidi, tj. spojevi ugljikohidrata i nukleobaze preko β-n-glikozidne veze; ugljikohidrat je monosaharid iz reda pentoza -- D-riboza ili 2-deoksi-D-riboza, postoje respektivno ribonukleozidi i deoksiribonukleozidi -najčešći nukleozidi: sadrže najčešće nukleobaze -rijetki nukleozidi: sadrže rijetke nukleobaze, npr. inozin (sadrži hipoksantin) Najvažnije nukleobaze i nukleozidi s oznakama [Karlson: Biokemija, 1988, str. 94]: -adenin (Ade) -guanin (Gua) -citozin (Cyt) -uracil (Ura) -timin (Thy) -hipoksantin (Hyp) -adenozin (A) -gvanozin (G) -citidin (C) -uridin (U) -timidin (T) -inozin (I)

4 Najčešće nukleobaze, nukleozidi (ribonukleozidi i deoksiribonukleozidi) i nukleotidi (ribonukleotidi i deoksiribonukleotidi), s oznakama. Fosfatna skupina je na položaju 5 pentoze.

5 Nukleotidi: fosfatni esteri nukleozida, tj. fosforilirani nukleozidi, na jednom od dva moguća položaja pentoze (3 ili 5 koji je češći) -fosfatni derivati nukleotida: na već postojećoj fosfatnoj skupini vezana je još jedna (nukleozid-difosfat) ili dvije fosfatne skupine (nukleozid-trifosfat); najčešći nukleozid-difosfati: ADP, GDP, m 5 UDP, UDP, CDP, dadp, dgdp, dtdp, dudp, dcdp; najčešći nukleozid-trifosfati: ATP, GTP, m 5 UTP, UTP, CTP, datp, dgtp, dttp, dutp, dctp [imena i kratice su analogni onima kod nukleozidmonofosfata iz prethodne tablice] -pri fiziološkom ph nukleotidi su negativno nabijeni, jer je pk a fosfatne skupine oko 1,0; pk a nukleozid-difosfata ili nukleozid-trifosfata je znatno veći Biosinteza pirimidinskih ribonukleotida tj. ribonukleotida s pirimidinskom bazom: 1- UMP (uridin-monofosfat) sintetizira se iz niza reakcija gdje su reaktanti dvije aminokiseline (glutamin i aspartat), 5-fosforibozil-1-fosfat, CO 2 i voda, uz potrošnju energije iz ATP; 2- ostali ribonukleozid-monofosfati dobivaju se iz UMP. Biosinteza purinskih ribonukleotida tj. ribonukleotida s purinskom bazom: 1- IMP (inozin-monofosfat) sintetizira se iz niza reakcija gdje su reaktanti tri aminokiseline (glutamin, glicin i aspartat), 5-fosforibozil-1-fosfat, HCO 3 - i derivati folne kiseline; 2- ostali ribonukleozid-monofosfati dobivaju se iz IMP. Deoksiribonukleotidi nastaju iz ribonukleotida, zamjenom OH skupine s H na položaju 2 riboze.

6 Metabolizam nukleotida: -u probavnom procesu, od nukleinskih kiselina nastaju nukleozidi i slobodne nukleobase, koji ulaze u metabolizam organizma -slobodne purinske baze iz probave dijelom se iskorištavaju za sintezu nukleotida, spajajući se s 5-fosforibozil-1-difosfatom; ostatak purinskih baza oksidira se u mokraćnu kiselinu, koja se izlučuje mokraćom Uloga nukleotida u čovjekovom organizmu: 1- strukturna sastavni su dijelovi nukleinskih kiselina 2- prijenos signala u stanici: npr. ciklički AMP (camp) i ciklički GMP (cgmp) jesu sekundarni ili drugi glasnici unutarstanične signalne molekule kao odgovori na primarne ili izvanstanične signalne molekule 3- koenzimi: a) prenosnici energije, npr. ATP, GTP, CTP, ADP; b) prenosnici skupina: npr. adenozin-3 -fosfat-5 -fosfosulfat je donor sulfata pri sulfoniranju proteoglikana; S-adenozilmetionin je donor metilnih (-CH 3 ) skupina; c) važni za sintezu nekih spojeva: npr. UDP-glukoza jest intermedijar u sintezi glikogena, proteoglikana, oligosaharida glikoproteina i dr.; CTP sudjeluje u sintezi složenih lipida (fosfoglicerida, sfingomijelina i dr. supstituiranih sfingozina) i glikozilaciji proteina; d) inhibitori enzima: npr. CTP je inhibitor enzima aspartat karbamoiltransferaze u sintezi pirimidina; e) ostali važni koenzimi: npr. NAD, NADP, FAD i CoASH derivati su adenozin-monofosfata 4- sintetski nukleotidi, nukleozidi i nukleobaze kao lijekovi: kemoterapeutici (5-fluorouracil, 8-azagvanin, citarabin i dr.), anti-hiv (abakavir, zidovudin) itd

7 [Harperova ilustr. biokem., 2011, str ]

8 Oligonukleotidi: -fragmenti DNK ili RNK, nastali povezivanjem 2-20 nukleotida preko fosfatnih skupina (u položajima 5 i 3 pentoze) -rjeđi su prirodni, a češći umjetni u svrhu različitih proučavanja i terapija -nazivlje: dimer. 2 nukleotida trimer. 3 nukleotida tetramer. 4 nukleotida pentamer. 5 nukleotida -primjer: vitraven, antiviralni lijek, oligonukleotid s 21 nukleotidom: 5 je početak a 3 kraj oligonukleotida, 5'-GCG TTT GCT CTT CTT CTT GCG-3' Polinukleotidi: -molekule DNK ili RNK, s > 21 nukleotida monomera; osim granice 20 za razlikovanje oligonukleotida od polinukleotida, u literaturi se spominju i druge vrijednosti -nukleinske kiseline čine oko 1% tjelesne mase čovjeka (većina su RNK, a samo oko 0,1% jesu DNK) [Karlson: Biokemija, 1988, str. 97]

9 14.B. Deoksiribonukleinska kiselina Gen: osnovna materijalna i funkcionalna jedinica genetičkog materijala, odnosno biološkog nasljeďivanja, odgovorna za stvaranje obilježja (fenotip), reprodukciju i mutacije. Genotip: skup svih gena jednog organizma, sa nasljednim uputstvima za formiranje njegovih organa i funkcija, te njihovih svojstava. Fenotip: sva obilježja nekog organizma tj. sveukupnost onoga što se može uočiti ili zaključiti o nekom organizmu, osim njegovog genotipa. Fenotipske promjene: slijed interakcije gena i okoline, proces individualnog razvoja organizma koji je određen genotipom i okolinom. Genom ljudskog organizma: uključuje sve gene tj. kodirajuću DNK (koja kodira sekvencije proteina i peptida) i nekodirajuću DNK. Genom prema mjestu u stanici čovjeka: -nuklearni genom: >26600 gena u staničnoj jezgri; veličine 2 3,235 Gbp (1 Gbp= kbp); kodiraju RNK i proteine (>20000 proteina) -mitohondrijski genom: 37 gena u mitohondrijima, nasljeđuju se većinski po majci a 1-2% po ocu; organizirani su u jednu kružnu molekulu DNK veličine 16,6 kbp (>16000 parova baza tj. nukleobaza); kodiraju 13 polipeptida (proteina i proteinskih podjedinica), dvije ribosomske rrnk, i 22 transportne trnk koji su potrebni za sintezu raznih proteina u mitohondrijima; postoji nekoliko kopija mitohondrijske DNK (mtdnk) u svakom mitohondriju

10 Mikrografi mitohondrijske DNK (mtdnk) Položaj mtdnk u mitohondriju Humana mitohondrijska mtdnk, ukupne duljine 5,4 µm: jedan ili više gena služe za kodiranje ribosomskih i transportnih DNK te različitih polipeptida (jednostavnih proteina i podjedinica složenih proteina). Prema današnjim istraživanjima, mitohondrijska DNK ne nasljeđuje se isključivo po majci, već i manjim dijelom po ocu (1-2%), kao posljedica razrijeđivanja u oplođenom jajašcu jajna stanica ima mnogo više mitohondrija nego spermatozoid.

11 Sastav jezgre i položaj kromatina. Kromatin je nukleoproteinski sadržaj svih kromosoma, a sastoji se od dvolančane DNK, RNK i proteina. Kromosomi su vidljivi u kromatinu tek za vrijeme diobe stanice, kada su kondenzirani. Funkcije kromatina: 1- pakira DNK u vrlo mali prostor; 2- potpomaže diobu stanice; 3- sprečava oštećenje DNK; 4- omogućuje kontrolu ekspresije gena i replikacije DNK. Organizacija DNK (gore lijevo) u jednom kromosomu, pod različitim povećanjima mikrografa (gore desno i sredina), do nukleosoma (dolje).

12 Deoksiribonukleinska kiselina (DNK): materijalna osnova gena, lančasti (linearni) polinukleotid koji se sastoji od 4 tipa nukleobaza (adenina A, gvanina G, citozina C i timina T), monosaharida pentoze (2-deoksiriboze) i fosfata, tj. sastoji se od deoksiribonukleotida (nukleozid-monofosfata: damp, dgmp, dcmp i dtmp) meďusobno povezanih preko fosfatnih grupa. DNK, slično proteinima, ima primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu, te više razine ureďenosti. Primarna je jedina koja ostaje u denaturaciji. Primarna struktura DNK: redoslijed nukleotida, odnosno sekvencija baza u smjeru 5 3, čime je sadržana genetska informacija u molekuli. Nukleotidi su povezani fosfodiesterskim vezama. Primjer sekvencije baza DNK: žuto je označen dio DNK tj. zadnja od tri regije gena koje kodiraju slijed aminokiselina jedne od β-jedinica hemoglobina.

13 Sekundarna struktura DNK: način sparivanja baza (nukleobaza) vodikovim vezama, što čini molekulu DNK dvostrukim lancem. Jedan lanac odreďene sekvencije baza ima smjer 5 3, dok drugi lanac ima komplementarnu sekvenciju i smjer 3 5. Parovi komplementarnih baza u DNK jesu: A-T (adenin-timin) i G-C (gvanin-citozin). Parovi baza A-T i G-C Parovi baza u tetramernom fragmentu DNK: lanac 5 -ACTG-3 sparen je s komplementarnim lancem 3 -TGAC-5

14 Primjer sekvencije baza u dva komplementarna lanca DNK Tercijarna struktura DNK: trodimenzionalna struktura dvostrukog lanca dvostruke uzvonice. U replikacija, transkripciji i dr. procesima DNK se odmotava i privremeno je u jednolančanom obliku, tj. nema sekundarnu strukturu i nije u obliku uzvojnice (tzv. jednolančana DNK). Modeli dvostruke uzvojnice DNK Dvostruka uzvojnica DNK, u uzduž osi: visoke je simetrije - u 1 okretu nalazi se 10 nukleotida, a pomak uzduž osi je 34 nm.

15 Različiti načini vezanja malog ksenobiotika (lijeka, karcinogena, toksina, neke kemikalije) na DNK normalne stanice, stanice tumora ili stanice mikroorganizma. Primjer oštećenja DNK djelovanjem karcinogena 2-aminofluorena (AF): ksenobiotik istiskuje jednu bazu gvanin (G, lijevo) ili njegov komplement citozin (C, desno) mehanizmom interkaliranja. Mnogi su lijekovi interkalatori, aromatski spojevi slični bazama: ciprofloksacin i dr. fluorokinoloni (antibiotici, inhibiraju djelovanje bakterijske DNK giraze), doksorubicin (kemoterapeutik, inhibira djelovanje topoizomeraze II) i dr.

16 Više razine ureďenosti DNK: šest razina, od dvostruke uzvojnice do kromosoma: -kromosom (metafazni, interfazni i dr.) -sabijena petlja -nesabijena petlja -sabijeno kromatinsko vlakno -nesabijeno kromatinsko vlakno -DNK uzvojnica

17 Više razine uređenosti DNK u kromatinu Shematski prikaz nukleosoma i H1 3D struktura nukleosoma

18 Više razine ureďenosti DNK u kromatinu: uzvojnica DNK (146 bp) namotava se 1,7 puta na histonsku jezgru koju čine 8 proteina (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 i 2 H4), koji su bogati aminokiselinama s pozitivno nabijenim pobočnim skupinama R (Lys, Arg). Negativno nabijena DNK i histonski oktamer čvrsto vežu pomoću brojnih vodikovih veza i solnih mostova: DNK se namata oko histona pa nastaju nukleosomi (kompleski proteina i DNK) ili nanizane perlice, koje se dodatno učvršćuju s veznim histonom H1 između fragmenata vezne DNK (20-80 bp), pa se kromatinsko vlakno učvršćuje i skraćuje. Takvo vlakno stvara nesabijene petlje - solenoide, koje se jednim krajem vežu na potporni protein. Nova struktura je sabijena petlja koja ima oblik spirale. Mnoštvo takvih struktura čini kromosom. Tako se duljina kondenzirane DNK skraćuje puta. U interfazi tj. životu stanice između dioba, kromosomi nisu u kondenziranom (sabijenom) obliku u kromatinu. Tek za vrijeme metafaze mitoze oni su dobro definirani u karakterističnom kondenziranom obliku, tj. s izgledom slova X i V. Karakteristični oblici kromosoma: nekondenzirani u interfazi i kondenzirani u metafazi mitoze

19 Uloga DNK u ljudskom organizmu: 1-biološko nasljeďivanje: prijenos genetskih obilježja s roditelja na dijete, tj. nasljeđivanje osobina roditelja, i preko roditelja nekih osobina daljnjih predaka primjena u istraživanju: DNK testovi očinstva i majčinstva; analize DNK u arheološkim i antropološkim istraživanjima o nastanku, pretpovijesnom i povijesnom razvoju ljudske vrste 2- stvaranje obilježja tj. fenotipa: nuklearni + mitohondrijski genom potpuno definiraju formiranje svih organa djeteta s njihovim funkcijama i svojstvima primjena u istraživanju: identifikacija osoba - analize DNK u forenzici 3- identična reprodukcija: diobom stanice nastaju genetički identične stanice 4- ekspresija gena: prema informacijama u genima sintetiziraju se RNK, peptidi i proteini važni za normalan rast, razvoj i funkcioniranje organizma 5- mutacije genoma i fenotipske promjene: promjene u genomu uslijed prirodnih genetičkih procesa (crossing over, rekombinacija, transpozicija, konverzija) i utjecaja okoline na organizam (zračenja, kemijski agensi, virusi i dr.); somatske stanice pogođene mutacijom reproducirat će identične mutirane stanice u organizmu, što će se odraziti i na fenotip (fenotipske promjene); mutacijom pogođene spolne (zametne) stanice prenijet će mutacije potomstvu primjena u istraživanju: genetička testiranja - molekularna dijagnostika nasljednih poremećaja, uključujući i prenatalnu molekularnu dijagnostiku, u svrhu otkrivanja ili isključivanja nasljednih bolesti te predviđanja mogućih rizika 6- prirodno uklanjanje oštećenja tj. popravak DNK: ekspresijom gena

20 nastaju enzimi koji popravljaju DNK u slučaju oštećenih baza, pogrešno sparenih baza, pogrešno sparenih lanaca i dr. vrsta oštećenja 7- upotreba DNK kao novih lijekova: genska terapija cilj: zamjena oštećenog gena zdravim u somatskih stanicama, ili proizvodnja proteina koji izazivaju pozitivan učinak na bolest; terapija plazmidima DNK u obliku cjepiva cilj: preventivno stvaranje antigena protiv mikroorganizama 8- DNK kao meta mnogih lijekova i dr. terapija: ljudska DNK kao meta: kemoterapeutici (doksorubicin, daunorubicin, cisplatin i dr.); mikrobska i parazitska DNK kao meta: antibiotici (fluorokinoloni, oksamnikvin i dr.) 9- dijagnostička upotreba stanične i izvanstanične - cirkulirajuće DNK: cirkulirajuće DNK u krvi potječu od izumrlih stanica tumora/raka (cirkulirajuća tumorska DNK) [ dijagnostika vrsta i stadija tumora/raka], u krvi trudnica od fetusa (fetalna DNK) [ neinvazivno prenatalno testiranje], te u krvi primatelja transplantacije od transplantiranog organa [ praćenje procesa prihvaćanja ili odbacivanja transplanta]; stanične DNK u molekulskoj dijagnostici (nasljedne bolesti i dr.), ispitivanju koštane pregradnje genomskim biomarkerima i dr. Bakterijska DNK giraza (plavo) u kompleksu s DNK (smeđi lanac sa zeleno-plavim bazama) i dvije interkalirane molekule ciprofloksacina (zeleno). Antibiotik sprečava djelovanje enzima odvijanje uzvojnice DNK u replikaciji DNK i transkripciji, čime se zaustavlja dioba bakterije.

21 14.C. Genetičke bolesti (nasljedne i stečene) 1: mehanizam Kromosomi: oblici visoke organizacije i pakovanja kromatina. Kromatin = DNK + RNK + proteini (histoni i dr. proteini). DNK = kodirajuća DNK + nekodirajuća DNK (regulatorna i dr. DNK). Čovjek ima 23 para kromosoma. Kromosom 12 Kromosom 10 Kromosomi Y i X Humani kromosomi u mitozi s krajevima - telomerama (žuto) Humani kromosomi u metafazi, s genima (ružičasto): GPIHBP1 za HDL-vezujući protein 1, ALDH3B1 za aldehid dehidrogenazu 3 B1, i CABP5 za Cavezujući protein 5, respektivno na kromosomima 8, 11 i 19 Humani kromosomi u metafazi

22 Humani kariotip (skup kromosoma): kromosomi su spareni; 23. par je XX (žene) ili XY (muškarci). [shema] Giemsa reagens: DNK interkalatori Humani kariotip: kratki i dugi krakovi u parovima kromosoma razdvojeni su crticama. G-pruganje (Giemsa) kromosoma prikazuje tamne pruge područja veće gustoće kromatina (bogati parovima baza AT) i područja manje gustoće kromatina (bogati parovima baza GC) G-pruganje je pogodno za fotografsku identifikaciju nasljednih bolesti

23 Humani kariotip (G-pruganje; prikaz citogenetske mape - ideograma): pojedinačni kromosomi u interfazi (lijevo; crveno: centromere) i udvostručeni u metafazi (desno). Opći oblik kromosoma. Interfazni kromosom sastoji se od kratkog (p) i dugog (q) kraka, koji su spojeni centromerom (kratkim i gustim, uglavnom repetitivnim dijelom). Svaki krak završava krajem ili telomerom. Metafazni kromosom se sastoji od dvije kromatide povezane centromerama; kromatide su nastale udvostručavanjem jednog kromosoma. Telomere su repetitivne sekvencije TTAGGG, koje štite kromosom od propadanja i spajanja s drugim kromosomima.

24 Sustav za lokaciju gena na kromosomu (genski lokus): opći oblik xxxx.xx, gdje se prvo navodi redni broj kromosoma u kariotipu, zatim krak kromosoma (p ili q), broj regije (vrpce) brojeći od centromera, broj podvrpce unutar regije ili vrpce, i brojevi dijelova kromosoma unutar podvrpce Primjer genskog lokusa za jednu nasljednu bolest. Gen BRCA1 nalazi se na lokaciji 17q21, tj. od og do tog para baza na kromosomu 17. BRCA1 je supresor tumora, jer se njegovom ekspresijom stvara protein BRCA1 koji je odgovoran za popravak DNK. Oštećenjem gena BRCA1 uvelike raste rizik od raka dojke, jajnika, prostate...

25 [Jukić, Damjanov, Opća patologija, Med. naklada, 2002, str. 176] Vjerojatnost nasljeđivanja autosomno dominantne nasljedne bolesti je 50% [Jukić, Damjanov, Opća patologija, Med. naklada, 2002, str. 180] Vjerojatnost nasljeđivanja autosomno recesivne nasljedne bolesti je 25%

26 [Jukić, Damjanov, Opća patologija, Med. naklada, 2002, str. 181] Mutacije enzima: 1- kod heterozigotnih osoba tj. osoba u kojima je jedan od alela (identičnih gena u paru kromosoma) mutirao, sintetiziraju se jednake količine normalnog i oštećenog enzima; 2- kod homozigotnih osoba tj. osoba u kojima su oba alela mutirala, enzim se ne proizvodi. Konačne posljedice: -nakupljanje supstrata -nakupljanje međuprodukta -metabolički zastoj -gubitak konačnog produkta

27 Kromosomske mutacije (aberacije, abnormalnosti): A. numeričke mutacije - aneuploidije tj. promjene u broju: broj kromosoma nije jednak 2n (n = 23), već je > 2n ili < 2n, jer se kromosomi nisu pravilno rastavili za vrijeme diobe stanice; npr. kod fetusa ili kod nekih tipova raka, i dr.: -monosomija: nedostaje određeni kromosom; npr. kod Turnerovog sindroma (sindroma 45,X), kod žena nedostaje jedan spolni kromosom X -trisomija: prisutnost tri umjesto dva primjerka (par) određenog kromosoma; npr. kod Downovog sindroma prisutna je dodatna kopija kromosoma 21, a kod Edwardsovog sindroma dodatna kopija kromosoma 18 -tetrasomija: prisutnost četiri umjesto dva primjerka (par) određenog kromosoma; npr. kod sindroma 48,XXXX, kod žena je 23. par kromosoma udvostručen -pentasomija: prisutnost pet umjesto dva primjerka (par) određenog kromosoma; npr. kod sindroma 49,XXXXY, kod muškaraca je kromosom X iz 23. para kromosoma učetverostručen -triploidija: broj kromosoma je 3n, tj. ukupno ima 69 kromosoma; uzrokuje smrt fetusa spontanim pobačajem ili smrt djeteta u dobi kraćoj od godine dana -tetraploidija: broj kromosoma je 4n, tj. ukupno ima 92 kromosoma; uzrokuje smrt fetusa spontanim pobačajem -mixiploidija: broj kromosoma u stanicama nije isti nego je mješovit, tj. stanice imaju 2n ili 3n broj kromosoma (diploidna-triploidna miksiploidija), ili imaju 2n ili 4n kromosoma (diploidna-tetraploidna miksiploidija)

28 Primjeri kariotipa aneuploidije. Lijevo: žena sa Turnerovim sindromom (monosomijom 45, sindromom 45,X). Sredina: muškarac s Downovim sindromom (trisomijom 21). Desno: žena sa sindromom 45,XXXXX (pentasomijom 45). B. strukturne mutacije: veće promjene u kromosomima, koje obuhvaćaju jedan veći gen ili više gena; 1- intrakromsomske mutacije: mutacije unutar jednog kromosoma: -delecija [del]: dio kromosoma je izbrisan; npr. Jacobsenom sindrom (izbrisana je terminalna vrpca 11q24.1 na kromosomu 11) -duplikacija [dup]: dio kromosoma je udvostručen; npr. Charcot Marie Toothova bolest (duplikacija velikog dijela kratkog kraka kromosoma 17) -inverzija [inv]: dio kromosoma je odlomljen, preokrenut i ponovno spojen sa ostatkom

29 -prstenasti kromosom [r]: dijelovi kromosoma su odlomljeni a ostatak se prespojio u prsten, s gubitkom genetičkog materijala ili bez gubitka; npr. sindrom prstenastog kromosoma 20 -izokromosom [i]: kromosom koji je nastao gubitkom jednog kraka i njegovom zamjenom sa zrcalnom kopijom drugog kraka -kromosom marker [mar]: abnormalni kromosom čiji se dijelovi ne mogu identificirati, a njegova uloga jako varira u ovisnosti o materijali koji sadrži delecija paracentrička inverzija pericentrička inverzija duplikacija prstenasti kromosom izokromosomi

30 -izodicentrični kromosom [idic]: kromosom s dvije kopije iste centromere 2- interkromosomske mutacije: mutacije koje uključuju dva ili više kromosoma: -translokacija [t]: premještanje velikog dijela genetskog materijala s jednog kromosoma na drugi -dodatak [add]: kromosomu je dodan dodatni genetski materijal nepoznatog porijekla, tj. koji se ne može identificirati -derivirani kromosom [der]: kromosom dobiven iz dva ili više kromosoma, ili višestrukim strukturnim promjenama unutar jednog kromosoma -rekombinantni kromosom [rec]: kromosom dobiven rekombinacijom (crossing-overom) dviju kromatida iz homolognih kromosoma, od kojih je jedan abnormalan -insercija [ins]: izbrisani dio jednog kromosoma umetnut je u drugi kromosom insercija recipročna translokacija Robertsonova translokacija

31 C. ostale kromosomske aberacije: 1- sindromi kromosomske nestabilnosti: mutacije i lomovi kromosoma; npr. Fanconijeva anemija (mnoštvo defekata u popravci DNK), Bloomov sindrom (ekscesivna homologna rekombinacija kromosoma), i neki dr. 2- Li-Fraumeni sindrom (genetske mutacije izazvane mutacijom antionkogena tj. gena supresora tumora) 3- Cowdenov sindrom (rast više tumora zbog mutacije antionkogena, čija je uloga popravak DNK ) 4- i mnoge druge Mutacije gena manjih razmjera: mutacije manjih gena u jednom ili nekoliko nukleotida - molekulske promjene A. točkaste mutacije: kemikalije i greške u replikaciji DNK uzrokuju zamjenu jednog nukleotida drugim, ili jedne baze drugom -tranzicija: jedna purinska baza zamjenjuje se drugom purinskom (A G), ili pirimidinska baza zamjenjuje se drugom pirimidinskom bazom (T C) -transverzija: purinska baza zamjenjuje se pirimidinskom, ili obratno (C/T A/G) B. insercija: umetanje jednog ili nekoliko para baza/nukleotida u sekvenciju DNK; npr. umnožavanjem jednog nukleotida u trinukleotid C. delecija: brisanje jednog ili nekoliko para baza/nukleotida iz sekvencije DNK

32 Danas je poznato mnogo genetskih (nasljednih + stečenih) bolesti, od kojih > 6000 bolesti uzrokovanih oštećenjima pojedinih gena. Uzroci genetičkih bolesti čovjeka jesu različiti: -spontane mutacije: mutacije baza, pogrešno sparene baze, lomovi DNK, pogrešno spareni lanci, delecija baza i dr. popravljaju se prirodnim mehanizmima (enzimima) -prirodna oštećenja DNK uslijed metaboličkih i hidrolitičkih procesa: reaktivne kisikove i dušikove vrste (oksidativni stres, npr. pri oksidaciji lipida), reaktivni karbonilni spojevi, hidroliza koja cijepa kemijske veze u DNK, i dr. popravljaju se prirodnim mehanizmima -greške u popravci DNK, zbog čega se replicira oštećena DNK -inducirane mutacije: a) kemijskim agensima: nitritna kiselina i nitriti (baze A i C se pretvaraju u diazo spojeve), hidroksilamin NH 2 OH, analozi baza, alkilirajući agensi, agensi koji s DNK stvaraju adukte (kovalentno se vežu na DNK), interkalatori, dušikov iperit, agensi koji se koriste u citogenetici i dr. b) zračenjem: a) neionizirajućim; npr. UV zračenje može uzrokovati mutaciju baza A i T (stvaranje dimera), te duljim djelovanjem i oksidaciju baza G (gvanina) u derivat 8-hidroksigvanin; b) ionizirajućim (ioniziraju atome i molekule); npr. γ-zračenje može uzrokovati vidna oštećenja kromosoma

33 Primjer inducirane točkaste mutacije: zračenja, kemijski procesi i kemikalije stvaraju kemijski reaktivne kisikove vrste koje oksidiraju gvanin u 8-hidroksigvanin, tj. nukleozid 2 -deoksigvanozin u 8-okso-2 - deoksigvanozin. Primjer inducirane kromosomske mutacije: γ-zračenje oštećuje humane kromosome lomeći kromatide (označeno strelicama). Odlomljeni dijelovi (fragmenti) bit će izgubljeni tijekom diobe stanice (kromosomska delecija). O radijacijskoj dozi ovisi broj kromosomskih lomova. Jako γ-zračenje uzrokuje stvaranje i dr. kromosomskih aberacija: prstenaste kromosome, dicentrične i policentrične (>2 centromere) kromosome i dr.

34 14.D. Genetičke bolesti (nasljedne i stečene) 2: dijagnostika Nasljedne bolesti: čine većinu genetičkih bolesti, prenose se s roditelja na djecu -34% su autosomne dominantne (jedan alel je dominantan, drugi recesivan) -34% su autosomne recesivne (dva alela su recesivna) -6% se nasljeđuju spolno -neke su uzrokovane mutacijama mitohondrijske DNK Aleli: u paru kromosoma, svaki od kromosoma sadrži jedan oblik istog gena alela. U nekim kromosomskim aberacijama jedan od alela može biti izbrisan. Stečene genetičke bolesti: bolesti uzrokovane novim, nenasljeđenim mutacijama genetskog materijala, koje mogu postati nasljedne ako zahvate spolne stanice. Neke bolesti, npr. određeni oblici raka, mogu biti i nasljedne i stečene (uglavnom uzrokovane djelovanjem okoliša). Hoće li, kada i koliko osoba patiti od genetičke bolesti, uvelike ovisi o njezinom razvojnom putu, načinu života i utjecaju okoline. Mnoge genetičke bolesti su po prirodi kompleksne poligenske, tj. uzrokovane su uzajamnim djelovanjem više gena i utjecaja okoline, npr. astma, kancer, dijabetes, visoki tlak, srčane bolesti, pretilost i dr. Geni dijabetesa tip 1: HLA genski grozd IDDM1 (6p21); inzulinski geni IDDM2 (11p15.5), IDDM3 (15q26), IDDM4 (11q13) itd.; i dr.; sveukupno, oko 20 genskih segmenata DNK.

35 Genetičko testiranje iz zdravstvenih razloga: direktna ili indirektna analiza genetičkog materijala (kromosomi, geni) pojedinca, s različitim ciljevima: 1- dijagnostičko genetičko testiranje: dijagnoza genetičke bolesti koja već ima simptome, kako bi se bolest potvrdila ili isključila terapija, rješavanje zdravstvenih problema, rješavanje dijagnostičke nesigurnosti 2- presimptomsko i prediktivno (preskazajuće) genetičko testiranje: utvrđivanje razvoja specifične genetičke bolesti tijekom života koja će se sigurno razviti (presimptomsko testiranje) ili za koju postoji rizik (prediktivno testiranje), a koja još ne pokazuje nikakve simptome prediktivne mjere, uspješno liječenje bolesti, promjena načina života 3- testiranje nositeljstva: identificiranje osoba koje su nositelji genetičke mutacije (kromsomske, genske), koja je povezana s određenom genetičkom bolesti nositelji ne moraju pokazivati nikakve simptome, ali njihova djeca mogu oboljeti od te bolesti 4- farmakogenetsko testiranje: utvrđivanje osjetljivost osobe na specifičnu terapiju osjetljivost na određene lijekove ili doze nekog lijeka 5- testiranje osjetljivosti: utvrđivanje određenog genetičkog markera (ili više njih) povezanog s rizikom za određenu multifaktorsku bolest prevencija, uspješno liječenje 6- prenatalno genetičko testiranje: postavljanje genetičke dijagnoze u stanicama fetusa 7- preimplantacijska genetička dijagnoza: postavljanje dijagnoze u

36 stanicama embrija u obitelji u kojoj postoji visok rizik za pojavu genetičke bolesti u potomstvu odabir zdravog embrija i njegova implantacija 8- genetička selekcija (odabir, probir): traganje u populaciji za osobama određenog genotipa u općoj populaciji ili u određenim rizičnim skupinama, u kojima osobe nisu osobno tražile test u svrhu informacije o određenoj genetičkog bolesti u istraživanom tipu populacije Najčešći razlozi za genetičko testiranje: -odrasla osoba ili njezino dijete imaju simptome bolesti i žele saznati uzrok -genetička bolest je prisutna u obitelji, grupi ili populaciji kojoj osoba pripada, stoga ona želi znati koliki je njezin rizik od obolijevanja tijekom života, kao i može li tu bolest prenijeti na djecu -nekoliko neuspjelih trudnoća Uzorci za genetičko testiranje: -puna venska krv, mala količina (oko 3 ml), s EDTA ili bez; u određenim slučajevima kapilarna krv; plazma; serum; ne mora se biti natašte jer normalna prehrana ne utječe na stabilnu genetičku sliku -tkiva: koža, mišić, koštana srž, tumorsko tkivo, tkivo kolorektalnog karcinoma, i dr. -bris usne sluznice; treba ga držati 5 minuta na zraku da se osuši -mokraća u posebnom spremniku, ohlađena (PCA3 gen, test na rak prostate) -limfni čvor, likvor, amnijska tekućina (plodna voda) i dr. punktati, citološki preparati,

37 Obrazac pristanka ispitanika na genetičko testiranje [Sertić i sur., Katalog dijagnostičkih laboratorijskih pretraga, 2011, str. 559] Zbog složenosti problema, prednosti i nedostataka testiranja, te posljedica rezultata, potrebno je osobama pružiti stručno genetsko savjetovanje prije i nakon testiranja, kako bi donosile pravilne odluke u vezi genetičke informacije. Od posebne su važnosti slučajevi: -osobne i obiteljske anamneze koji se mogu dovesti u vezu s genetičkim bolestima -trudnice koje imaju nasljednu ili kroničnu bolest, kod kojih je otkriven neki poremećaj u trudnoći, ili su bile izložene teratogenima -parovi poodmakle dobi (Ž > 35 g, M > 55 g) koji planiraju trudnoću

38 Zadnja promjena: