Κεφάλαιο 6: ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ -ΘΕΩΡΙΑ- Μεταλλάξεις είναι οι αλλαγές που συμβαίνουν στο γενετικό υλικό ενός οργανισμού, τόσο σε γονιδιακό επίπεδο (γονιδιακές μεταλλάξεις) όσο και σε χρωμοσωμικό επίπεδο (χρωμοσωμικές ανωμαλίες). Μπορούν να συμβούν σε οποιοδήποτε γεννητικό ή σωματικό κύτταρο ενός οργανισμού. Οι μεταλλάξεις των γεννητικών κυττάρων είναι κληρονομικές. Οι μεταλλάξεις των σωματικών κυττάρων αποτελούν την πλειονότητα των μεταλλάξεων. Διάκριση ανάλογα με την έκταση της βλάβης Γονιδιακές μεταλλάξεις: όταν η αλλαγή αφορά μικρό αριθμό βάσεων. Χρωμοσωμικές ανωμαλίες: όταν η αλλαγή αφορά μεγαλύτερο τμήμα του χρωμοσώματος ή ολόκληρο το χρωμόσωμα. Α) Τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων Αντικατάσταση βάσης (σημειακή μετάλλαξη) Σιωπηλή Προκύπτει μια διαφορετική τριπλέτα βάσεων που κωδικοποιεί το ίδιο αμινοξύ (συνώνυμο κωδικόνιο εκφυλισμός γενετικού κώδικα), οπότε προκύπτει η ίδια πρωτεϊνη. Ουδέτερη Προκύπτει μια διαφορετική τριπλέτα βάσεων που κωδικοποιεί ένα διαφορετικό αμινοξύ. Η αλλαγή αυτή έχει ελάχιστη επίδραση στη στερεοδιάταξη και τη λειτουργικότητα της πρωτεϊνης. Επιβλαβής Προκύπτει μια διαφορετική τριπλέτα βάσεων που κωδικοποιεί ένα διαφορετικό αμινοξύ. Η αλλαγή αυτή έχει μεγάλη επίδραση στη στερεοδιάταξη και τη λειτουργικότητα της πρωτεϊνης πχ. Σ ε λ ί δ α 1
1. απώλεια λειτουργικότητας ενζύμου λόγω αλλαγής στερεοδιάταξης ενεργού κέντρου. 2. δρεπανοκυτταρική αναιμία. 3. δημιουργία κωδικονίου λήξης τερματισμός πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Πλεονεκτική Τα νέα γνωρίσματα αποτελούν παράγοντα γενετικής ποικιλότητας. Προσθήκη βάσης ή βάσεων Προσθήκη 3 ή αριθμού πολλαπλασίου του 3 βάσεων έχει ως αποτελέσμα προσθήκη ενός ή περισσοτέρων αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Προσθήκη αριθμού βάσεων διαφορετικού του 3 ή των πολλαπλασίων του διαταράσσει το πλαίσιο ανάγνωσης και η πρωτεϊνη που προκύπτει δεν μοιάζει με την αρχική. Έλλειψη βάσης ή βάσεων Έλλειψη 3 ή αριθμού πολλαπλασίου του 3 βάσεων έχει ως αποτελέσμα έλλειψη ενός ή περισσοτέρων αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Έλλειψη αριθμού βάσεων διαφορετικού του 3 ή των πολλαπλασίων του διαταράσσει το πλαίσιο ανάγνωσης και η πρωτεϊνη που προκύπτει δεν μοιάζει με την αρχική. Αυτόματες Οι μεταλλάξεις που εμφανίζονται αιφνίδια μέσα στον πληθυσμό. Οφείλονται σε λάθη κατά την αντιγραφή του γενετικού υλικού ή κατά τη διαίρεση των χρωμοσωμάτων. Μεταλλάξεις που οφείλονται σε μεταλλαξογόνους παράγοντες Οι παράγοντες αυτοί διακρίνονται σε φυσικούς και χημικούς. Μεταλλάξεις που συμβαίνουν σε γονίδια που κωδικοποιούν ένζυμα Δημιουργία αυτοσωμικού υπολειπόμενου γονιδίου και μειωμένη ενεργότητα ή έλλειψη ενεργότητας ενζύμου π.χ. φαινυλκετονουρία, αλφισμός. Σ ε λ ί δ α 2
Μεγάλος αριθμός ασθενειών στον άνθρωπο είναι αποτέλεσμα μεταλλάξεων. Σε αυτές συγκαταλέγονται αιμοσφαιρινοπάθειες όπως η δρεπανοκυτταρική αναιμία, η β-θαλασσαιμία και η α-θαλασσαιμία. Διαφορές και ομοιότητες δρεπανοκυτταρικής αναιμίας και β-θαλασσαιμίας Ομοιότητες 1. Οφείλονται σε γονιδιακές μεταλλάξεις. 2. Αφορούν τις β-αλυσίδες της αιμοσφαιρίνης Α. 3. Εμφανίζεται έλλειψη ΗbA. Διαφορές Δρεπανοκυτταρική αναιμία β-θαλασσαιμία 1. Τροποποίηση της αλληλουχίας των 1. Δεν συντίθενται οι β-αλυσίδες της αμινοξέων της β-αλυσίδας της αιμοσφαιρίμης αιμοσφαιρίνης 2. Ποιοτική αλλοίωση των β-αλυσίδων 2. Ποσοτική αλλοίωση των β-αλυσίδων 3. Οφείλεται σε αντικατάσταση βάσης 3. Οφείλεται σε προσθήκη ή έλλειψη ή αντικατάσταση βάσης 4. Τροποποιείται το σχήμα των 4. Δεν τροποποιείται ερυθροκυττάρων 5. Δεν εμφανίζει ετερογένεια 5. Εμφανίζει μεγάλη ετερογένεια 6. Δεν εμφανίζεται εναλλακτική σύνθεση Β) Χρωμοσωμικές ανωμαλίες Διακρίνονται σε αριθμητικές και δομικές. 6. Τα ομόζυγα άτομα εμφανίζουν αυξημένη σύνθεση HbF ενώ τα ετερόζυγα HbA2 Στις αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες, ανήκουν οι ανευπλοειδίες και οι πολυπλοειδίες. Παραδείγματα ανευπλοειδιών είναι η μονοσωμία (απουσία ενός χρωμ/τος) όπως το σύνδρομο Turner και η τρισωμία (περίσσεια ενός χρωμ/τος) όπως τα σύνδρομα Down, 13,18, Klinefelter. Oι δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες είναι οι εξής: 1. Έλλειψη όταν έχουμε απώλεια τμήματος χρωμ/τος όπως στο σύνδρομο «φωνή της γάτας». Σ ε λ ί δ α 3
2. Διπλασιασμός όταν έχουμε επανάληψη χρωμ/κού τμήματος. 3. Αναστροφή όταν έχουμε θραύση χρωμ/κού τμήματος και επανένωση με αναστροφή. 4. Μετατόπιση όταν έχουμε θραύση χρωμ/κού τμήματος και επανένωση σε μη ομόλογο χρωμ/μα. Στις αμοιβαίες μετατοπίσεις συμβαίνει ανταλλαγή τμημάτων μεταξύ μη ομολόγων χρωμοσωμάτων, κατά τις οποίες συνήθως δεν χάνεται γενετικό υλικό και δεν προκύπτει μεταβολή στο φαινότυπο των ατόμων που τις υφίστανται. Όμως είναι πιθανό από τα άτομα αυτά να γεννηθούν απόγονοι με χρωμοσωμικές ανωμαλίες, επειδή κατά το συνδυασμό των χρωμοσωμάτων στη μειωτική διαίρεση προκύπτουν και μη φυσιολογικοί γαμέτες. Διαφορές γονιδιακών μεταλλάξεων χρωμοσωμικών ανωμαλιών Γονιδιακές μεταλλάξεις Χρωμοσωμικές ανωμαλίες 1. αλλαγές σε επίπεδο 1. αλλαγές σε επίπεδο νουκλεοτιδίων χρωμοσώματος 2. οι αλλαγές αφορούν ένα 2. οι αλλαγές αφορούν πολλά γονίδιο γονίδια 3. τα είδη είναι α) 3. τα είδη είναι αριθμητικές και αντικατάσταση βάσης β) δομικές χρωμοσωμικές προσθήκη βάσης και γ) ανωμαλίες αφαίρεση βάσης 4. επιδιορθώνονται από τον 4. δεν υπάρχει μηχανισμός οργανισμό με τα επιδιορθωτικά επιδιόρθωσης ένζυμα και την DNA πολυμεράση 5. δεν είναι ορατές με το 5. είναι ορατές με το μικροσκόπιο μικροσκόπιο 6. πιο συχνές 6. πιο σπάνιες Σ ε λ ί δ α 4
7. ποικίλα αποτελέσματα και δεν συνεπάγεται πάντα αλλαγή του φαινοτύπου 8. η διάγνωση γίνεται με ανάλυση DNA και με διάφορες βιοχημικές διαδικασίες όπως πχ. ενεργότητα ενζύμου, δοκιμασία δρεπάνωσης, ανίχνευση μη φυσιολογικών πρωτεϊνών 9. συμβαίνουν στη μεσόφαση στην αντιγραφή του DNA 7. συνήθως οδηγούν σε τροποποίηση του φαινοτύπου 8. η διάγνωση γίνεται από τη μελέτη του καρυοτύπου 9. συμβαίνουν στη μείωση και οι δομικές μπορούν να συμβούν και στη μεσόφαση Διάγνωση μεταλλάξεων Α) Διάγνωση χρωμοσωμικών ανωμαλιών Οι χρωμοσωμικές ανωμαλίες διαπιστώνονται με τη μελέτη του καρυοτύπου. Για τη διαπίστωση των δομικών χρωμοσωμικών ανωμαλιών είναι απαραίτητη η χρώση των χρωμοσωμάτων με τεχνική που δημιουργούν ζώνες στο χρωμόσωμα, όπως ζώνες Giemsa. B) Διάγνωση γονιδιακών μεταλλάξεων Οι γονιδιακές μεταλλάξεις διαπιστώνονται : 1. Με διάφορες βιοχημικές διαδικασίες π.χ. για τη φαινυλκετονουρία γίνεται υπολογισμός της συγκέντρωσης της φαινυλαλανίνης στο αίμα των νεογέννητων ή μέτρηση ενεργότητας του ενζύμου στην έγκυο. 2. Με την ανάλυση της αλληλουχίας των βάσεων του DNA δηλ. μοριακή διάγνωση π.χ. PCR για δρεπανοκυτταρική αναιμία, α και β-θαλασσαιμία, κυστική ίνωση κ.λπ. Σ ε λ ί δ α 5
3. Με την ανίχνευση υποκατάστατων πρωτεϊνών π.χ. αυξημένη ποσότητα HbF στην ομόζυγη β-θαλασσαιμία, αυξημένη ποσότητα HbA2 στην ετερόζυγη β- θαλασσαιμία, ύπαρξη HbS στη δρεπανοκυτταρική αναιμία. 4. Με άλλες τεχνικές. Μία από αυτές είναι η παρατήρηση της μορφολογίας των ερυθροκυττάρων σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Σημασία γενετικής καθοδήγησης Η γενετική καθοδήγηση συμβάλλει στον εντοπισμό της πιθανότητας απόκτησης απογόνων που να πάσχουν από συγκεκριμένη γενετική ασθένεια. Οι ειδικοί επιστήμονες συμβουλεύουν τους ενδιαφερόμενους για την πιθανότητα γέννησης απογόνων με μία γενετική ανωμαλία λαμβάνοντας υπόψη: τη συχνότητα εμφάνισής της. τον τρόπο με τον οποίο κληρονομείται. τις επιπτώσεις στα άτομα που πάσχουν από αυτή. τους τρόπους αντιμετώπισης ή θεραπείας της. Ορισμένες ομάδες ατόμων είναι απαραίτητο να απευθυνθούν σε ειδικούς πριν την απόκτηση απογόνων, όπως άτομα-φορείς γενετικών ασθενειών, άτομα με οικογενειακό ιστορικό γενετικών ασθενειών, γυναίκες ηλικίας 35 ετών και άνω και γυναίκες με πολλαπλές αποβολές. Μέθοδοι προγεννητικού ελέγχου 1. αμνιοπαρακέντηση 2. λήψη χοριακών λαχνών Διαφορές αμνιοπαρακέντησης και λήψης εμβρυακών κυττάρων από χοριακές λάχνες Αμνιοπαρακέντηση 1. Λαμβάνεται μικρή ποσότητα αμνιακού υγρού από τον αμνιακό σάκο, Χοριακές λάχνες 1. Λαμβάνονται εμβρυϊκά κύτταρα από τις προεκβολές (λάχνες) του χορίου μέσα στον οποίο βρίσκονται εμβρυϊκά κύτταρα 2. Πραγματοποιείται από την 12-16 εβδομάδα της κύησης 2. Πραγματοποιείται από την 9-12 εβδομάδα της κύησης Σ ε λ ί δ α 6
3. Δίνει τη δυνατότητα παρασκευής χρωμοσωμάτων καλύτερης ποιότητας 3. Δεν είναι τόσο καλή η παρασκευή των χρωμοσωμάτων 4. Γίνεται αργότερα η διάγνωση 4. Δίνει τη δυνατότητα πιο έγκαιρης διάγνωσης Καρκίνος Σε γενετικό επίπεδο είναι αποτέλεσμα: μετατροπής πρωτο-ογκογονιδίων σε ογκογονίδια. απουσίας λειτουργικότητας ογκοκατασταλτικών γονιδίων. αδρανοποίησης των μηχανισμών επιδιόρθωσης του DNA. Σ ε λ ί δ α 7