Curs 1 MG Introducere şi Structura ADN PDF

GENETICA UMANĂ ŞI IMPORTANŢA EI ÎN MEDICINA MODERNĂ  A. CONŢINUTUL GENETICII UMANE  1. GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII  2. GENETICA UMANĂ - DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ, CLINICĂ ŞI MEDICO-SOCIALĂ.  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETI...

GENETICA UMANĂ ŞI IMPORTANŢA EI ÎN MEDICINA MODERNĂ  A. CONŢINUTUL GENETICII UMANE  1. GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII  2. GENETICA UMANĂ - DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ, CLINICĂ ŞI MEDICO-SOCIALĂ.  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII EREDITATEA  proprietatea unui individ de a transmite la urmaşi caracterele personale precum şi cele ale speciei sale.  Se transmit informaţiile pentru realizarea caracterelor.  Ereditatea = proces informaţional care presupune stocarea, expresia şi transmiterea informaţiei necesare pentru realizarea caracterelor unui individ.  Ereditatea este o FUNCŢIE.  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII Substratul molecular al eredităţii: acidul deoxi-ribonucleic (ADN) 3 funcţii majore.  deţine informaţia ereditară.  exprimă informaţia ereditară.  transmite informaţia ereditară.  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII ADN deţine informaţia ereditară macropolimer de nucleotide codificată - unitate de cod: CODON (3 nucleotide învecinate) ↔ AMINOACID GENOM = totalitatea informaţiei din ADN. GENA = unitatea de informaţie ereditară "o genă un caracter " MUTAŢIE (modificare a structurii genice) variantă genică normală sau anormală. Mutaţiile = cauze majore de boală sau predispoziţie la boală  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII ADN deţine informaţia ereditară ADN + proteine → cromosomi (= fibre de cromatină) cromosomi – substratul morfologic al eredităţii;  în celulele somatice → 46 de cromosomi (2n= număr diploid);  în celulele sexuale → 23 de cromosomi (n= număr haploid). cromosom = succesiune caracteristică de gene  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII ADN exprimă informaţia ereditară Transcripţie + Translaţie Transcripţie - copierea informaţiei genetice corespunzătoare unei gene → moleculă de ARNm (mesager): Translaţie – decodificarea informaţiei genetice dintr-o moleculă de ARNm → secvenţă peptidică  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII VARIABILITATEA  fenomenele care produc diferenţele genetice dintre indivizii unei populaţii, precum şi între populaţii diferite.  3 surse de variabilitate:  Recombinările genetice – fenomene normale în meioză şi fecundare.  Mutaţiile genetice – fenomene anormale în cursul diviziunilor celulare;  Migraţiile populaţionale  A.CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA  ŞTIINŢA EREDITĂŢII ŞI VARIABILITĂŢII VARIABILITATEA fiecare individ are o structură genetică unică şi specifică.  B. CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA UMANĂ – DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ, CLINICĂ ŞI MEDICO-SOCIALĂ DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ  Genetica umană – disciplină fundamentală → studiul structurilor, mecanismele şi legile de bază ale eredităţii.  Ereditatea controlează toate procesele vieţii → genetica umană baza medicinii moderne.  B. CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA UMANĂ – DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ, CLINICĂ ŞI MEDICO-SOCIALĂ DISCIPLINĂ CLINICĂ  Genetica umană → genetica medicală  relaţia ereditate ↔boală - importanţa mutaţiilor în producerea bolilor sau predispoziţiei la boli.  Genetica medicală - specialitate distinctă:  diagnosticul şi îngrijirea pacienţilor cu boli genetice;  îngrijirea familiilor bolnavilor prin:  sfat genetic,  diagnostic prenatal,  screening neonatal  diagnostic presimptomatic.  Importanţă în asistenţa medicală a populaţiei → păstrarea stării de sănătate a generaţiilor viitoare.  B. CONŢINUTUL GENETICII UMANE GENETICA UMANĂ – DISCIPLINĂ FUNDAMENTALĂ, CLINICĂ ŞI MEDICO-SOCIALĂ DISCIPLINĂ MEDICO-SOCIALĂ  bolile genetice = problemă majoră de sănătate publică:  afectează peste 5% din nou-născuţi,  interesează orice ORGAN si orice VÂRSTA  boli cronice şi invalidante,  cheltuieli importante de asistenţă medicală şi socială  pot fi prevenite → genetica comunitară.  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL  1. INDIVIDUALITATEA GENETICĂ ŞI BIOLOGICĂ.  2. DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE.  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL INDIVIDUALITATEA GENETICĂ ŞI BIOLOGICĂ INDIVIDUALITATEA GENETICĂ  totalitatea informaţiei genetice a unui individ = GENOTIP = 2n cromosomi.  genotipul se formează în timpul fecundării:  n crs (ovul) + n crs (spermatozoid) = 2n crs (zigot) → COMBINAŢIE GENETICĂ NOUĂ, UNICĂ, CONSTANTĂ ŞI IREPETABILĂ  genotipul → programul ontogenetic:  succesiune de etape de dezvoltare prestabilite exact, diferite calitativ şi precis delimitate temporal  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL INDIVIDUALITATEA GENETICĂ ŞI BIOLOGICĂ INDIVIDUALITATEA BIOLOGICĂ  FENOTIP  ansamblul unic de caractere specifice, produse prin interacţiunea permanentă şi în proporţii diferite dintre genotip şi mediu  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE  Caractere fenotipice:  ereditare (factori genetici);  multifactoriale (factori genetici + de mediu);  ecologice (factori de mediu).  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE EREDITARE Determinate 100% de genotip; Pot fi: de specie – numai ereditare: ex. număr specific de cromosomi → barieră reproductivă; ereditare normale; ereditare anormale.  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE EREDITARE NORMALE  determinate monogenic,  transmise mendelian;  >30 sisteme grupale:  grupe sanguine (ABO, Rh, MN, etc.),  grupe serice (haptoglobine, transferine, ş.a.),  grupe enzimtice (fosfatază acidă, etc.),  grupe tisulare (antigenele HLA);  majoritatea polimorfe → > variante în populaţie:  pentru sistemul de grup sanguin ABO → grupe A, B, AB şi O;  fiecare individ posedă  numai o anumită variantă dintr-un sistem;  o combinaţie specifică de variante → unicat biologic  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE EREDITARE ANORMALE  determinate de mutaţii,  prezente la unii indivizi → BOLI GENETICE:  boli cromosomice (sindrom Down = trisomia 21 etc.),  boli monogenice (hemofilia ş.a.),  boli mitocondriale (atrofia optică Leber),  NB nu toate bolile genetice sunt ereditare  unele boli genetice pot fi influenţate de mediu → posibilităţi de profilaxie şi terapie  ex. fenilcetonuria (deficit de fenilalanil-hidroxilază) → retard mental sever;  eliminarea din alimentaţie a fenilalaninei → dezvoltare intelectuală normală  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE MULTIFACTORIALE  determinate de interacţiunea ereditate mediu  pot fi:  normale;  anormale.  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE MULTIFACTORIALE NORMALE  numeroase caractere normale:  talia;  greutatea;  inteligenţa;  tensiunea arterială;  contribuţia ereditară este poligenică;  genotipul determină:  un procent din caracter = HERITABILITATE;  limita maximă de dezvoltare a caracterului;  norme de reacţii la factorii de mediu.  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE MULTIFACTORIALE ANORMALE  boli multifactoriale (B)  tipuri:  anomaliile congenitale izolate – anencefalia, DSV;  bolile comune ale adultului – HTA, DZ;  boli prin mutaţii somatice – cancere, boli autoimune;  contribuţia ereditară este poligenică → au caracter familial, fără transmitere mendeliană;  genotipul → PREDISPOZIŢIE LA BOALĂ (PG);  B = PG + M → măsuri de profilaxie:  identificare persoanelor cu predispoziţie genetică;  evitarea factorilor nocivi de mediu  B. OMUL, EREDITATEA ŞI MEDIUL DETERMINISMUL CARACTERELOR FENOTIPICE CARACTERE ECOLOGICE agenţi fizici, chimici sau biologici → agresiuni → boli aparent negenetice. efectele agresiunilor exogene influenţate de GENOTIP  mod specific de răspuns la agresiuni → ECOGENETICA  studiază variaţiile individuale determinate genetic la acţiunea factorilor externi;  alergenii, alcoolul, fumatul, infecţiile → efecte diferite la persoane diferite  manifestarea şi gravitatea îmbolnăvirilor → FARMACOGENETICA  studiază diferenţele genetice individuale în răspunsul organismelor la acţiunea medicamentelor;  medicamente oxidante → la persoane cu deficienţa în G6PD (asimptomatice) → anemie hemolitică  factorii de mediu → Fenocopii:  manifestări de boală similare cu boli genetice importante în sfat genetic → riscuri de recurenţă diferite (ex., microcefalia).  U.M.F IAŞI DOGMA FUNDAMENTALĂ A GENETICII GENOTIP FENOTIP MEDIU ADN ARNm PROTEINĂ transmitere transcripţie translaţie ereditară ADN Descifrarea structurii ADN = singura cale pentru înţelegerea naturii şi funcţiei GENEI: stocarea, expresia şi transmiterea informaţiei genetice  U.M.F IAŞI A). STRUCTURA ADN În anul 1953, J.D. WATSON şi F. CRICK au propus un model al structurii ADN:  alcătuit din două catene polinucleotidice (A, G, T,C),  legate complementar prin bazele azotate: A-T; G-C,  înfăşurate într-o elice dublă, răsucită spre dreapta. -A-T-C-G-C-G-A-T-T-A-C-G-A-T- -T-A-G-C-G-C-T-A-A-T-G-C-T-A-  U.M.F IAŞI STRUCTURA ADN  În anul 1962, James Watson şi Francis Crick au primit premiul Nobel  Modelul structurii ADN → universal valabil în lumea vie.  ADN devine nu numai esenţa geneticii ci şi un veritabil simbol  al vieţii *  şi al medicinii moleculare*  U.M.F IAŞI 1. STRUCTURA PRIMARĂ ŞI SECUNDARĂ A ADN 1.1. STRUCTURA PRIMARĂ  ADN este un macro-polimer de dezoxiribonucleotide; [P – 5dR1 - N]n Grup fosfat (ac.ortofosforic) Bază azotată: Pur – A, G Pentoză Pir – T, C D-2-dezoxiriboza  U.M.F IAŞI 1.1. Structura primară a ADN  Polimerizarea nucleotidelor: legături covalente (puternice) 3’- 5’ fosfodiester*  Se formează o catenă (lanţ): - continuă, - lineară (neramificată!) o parte "constantă" (ax) → fosfo- glucidică şi o parte “variabilă” → bazele azotate *, polaritate 5’ →3’  Această catenă = structura PRIMARĂ a ADN - ce deţine informaţia ereditară codificată  U.M.F IAŞI 1.1. Structura primară a ADN Informaţia genetică codificată = secvenţa (ordinea) nucleotidelor → determină ordinea aminoacizilor în proteine. 5'- ATGCCTAGATCA - 3' aa1- aa2-aa3- aa4  “alfabet nucleic” = patru "litere": A, T, G, C  "cuvinte" de trei litere = triplet sau codon → aminoacid ATG → Met  asamblate într-o "frază" = o genă = unitatea de informaţie genetică; secvenţa nucleotide → secvenţa AA în proteină. ATG TGT AAA CCA Met cis lys pro  U.M.F IAŞI 1.1. Structura primară a ADN Informaţia NU poate fi citită corect decât într-un singur sens: ROMA  Sensul de "citire" al informaţiei genetice este determinat de polaritatea 5' 3' a catenei de ADN 5'- ATGCCTAGATCA - 3' aa1- aa2 -aa3-aa4  U.M.F IAŞI 1.1. Structura primară a ADN Informaţia genetică  Mutaţia genei → substituţia unui nucleotid → modificarea unui codon * → înlocuirea unui aminoacid → modificarea structurii şi funcţiei proteinei sintetizate. ATG TGT AAA CCA ATG AGT AAA CCA Met cis lys pro Met ser lys pro U.M.F IAŞI 1.2. STRUCTURA SECUNDARĂ a ADN  două catene  legate între ele prin polinucleotidice, bazele azotate,  în mod complementar : b. purin. – b. pirimid. A − T şi G − C *  cele două catene sunt strict codeterminate. De exemplu: 5'-ACGTCAG-3‘ 3'-TGCAGTC-5‘ *  U.M.F IAŞI 1.2. Structura secundară a ADN  Legea complementarităţii bazelor explică mecanismele prin care se realizează funcţiile genetice ale ADN: transcripţia, replicarea, repararea leziunilor, recombinarea Pentru aceste funcţii catenele se pot desface parţial → “matriţe” → pt sinteza unor noi molecule complementare (ARNm sau ADN).  U.M.F IAŞI 1.2. Structura secundară a ADN  catenele ADN sunt antiparalele (↓↑)  catenele ADN se înfăşoară plectonemic → dublă spirală elicoidală coaxială - dextrogiră.  Structura ADN este perfect regulată ! (Ø 2 nm; pas=3,4nm)  Două şanţuri laterale: mic (←histone) şi mare (← proteine reglatoare)  În condiţii fiziologice - molecula ADN are o mare stabilitate metabolică.  U.M.F IAŞI 1.3. Denaturarea şi hibridizarea ADN  În condiţii experimentale (tratare termică sau chimică) → ruperea (desfacerea) legăturilor de hidrogen = denaturare→ monocatene *. monocatenele de ADN răcite lent se pot reasocia pe baza complementarităţii = renaturare sau hibridizare. răcire bruscă – monocatene separate  U.M.F IAŞI DENATURAREA ŞI HIBRIDIZAREA ADN  Monocatenele ADN separate se pot uni, pe bază de complementaritate, cu alte monocatene de ADN sau ARN – formând hibrizi moleculari;  HM folosiţi în diagnostic şi tratament: hibridizare între o monocatenă de ADN nativ şi o "sondă“ de ADN (secvenţă de ADN obţinută artificial) ce corespunde unei gene, marcată fluorescent: - hibridizarea sondei → prezenţa semnalului → prezenţa genei; - absenţa semnal = deleţia genei  U.M.F IAŞI B. STRUCTURA GENOMULUI UMAN  Genomul uman (GU) = – conţinutul ADN celular sau – ansamblul integrat al celor 25 de molecule diferite de ADN (24 în nucleu: 22 autosomi+X+Y şi 1 în mitocondrii), = 3,2 miliarde de pb  GU = un genom nuclear (complex, 99,5% ADN) + un genom mitocondrial (simplu şi mic, 0,5%).  U.M.F IAŞI 1. PROIECTUL GENOM UMAN (1990 – 2005)  Obiectivele majore ale PGU: descifrarea secvenţei nucleotidice şi structurii GU (“harta genetică” a omului), identificarea genelor umane →(„cartea vieţii”). U.M.F IAŞI U.M.F IAŞI U.M.F IAŞI PROIECTUL GENOM UMAN (1900 – 2005)  februarie 2001: schiţa iniţială a GU,  octombrie 2004: versiunea finisată, de înaltă precizie, a secvenţei nucleotidice aproape complete a GU (2,85 miliarde de pb sau ~ 99% din eucromatină). GENOMICA STRUCTURALĂ  U.M.F IAŞI GENOMICĂ STRUCTURALĂ ( patru comentarii majore) 1. Numărul genelor umane Cine face diferenţa dintre este surprinzător de mic OM şi alte specii * ? (~25.000).  Poziţia genelor în genom  Structura mai complexă  Reprezintă mai puţin (modulară) a genelor şi de... 5 % din GU proteinelor.  Modul în care “lucrează” genele (mai intens, mai  Genele sunt distribuite complex); inegal între şi în interiorul cromozomilor  U.M.F IAŞI GENOMICĂ STRUCTURALĂ Ce deosebeşte atunci un 2. Genomul a două om de altul, făcându-ne pe persoane neînrudite, fiecare dintre noi UNIC? din populaţii diferite, are în comun 99,9% diferenţa de 0,1% (3 mil din secvenţele nu- pb) = POLIMORFISM cleotidice din ADN. INDIVIDUAL → Se spulberă definitiv ideea raselor umane U.M.F IAŞI POLIMORFISMUL INDIVIDUAL al ADN O,1 % din genom = 3 milioane pb. Această mică parte din genom este alcătuită din diferite secvenţe polimorfice de ADN:  CNP: “copy number repeats” = secvenţe mari de ADN  MINISATELIŢII HIPERVARIABILI: secvenţe foarte scurte (14-65 pb),  SNPs ( single nucleotid polymorphism) 1 pb la fiecare 1000 pb (în total 1,4 miliarde) Numărul, secvenţa şi poziţia acestor markeri polimorfici sunt caracteristice fiecărui individ U.M.F IAŞI POLIMORFISMUL INDIVIDUAL al ADN O,1 % din genom = 3 milioane pb. IMPORTANŢĂ:  Markerii genetici individuali determină (dar încă nu ştim cum):  răspunsul la agresiuni (boală), predispoziţia / vulnerabilitatea la boală;  efectele medicamentelor (farmacogenomica)  coordonarea fizică, abilităţile, memoria, creativitatea  U.M.F IAŞI GENOMICĂ STRUCTURALĂ (1900-2005) Ce se va întâmpla în epoca postgenomică 3. Descifrarea secvenţei (2006→?) ? GU şi identificarea  se va stabili funcţia genelor – nu explică: precisă a fiecărei gene  cum este structurată şi (“adnotare funcţională”) funcţionează o fiinţă umană;  Se vor descifra relaţiile  rolul genelor în funcţionale dintre gene: starea de sănătate şi  la nivelul trasnscripţiei boală. (“transcriptom”)  la nivelul proteinelor (“proteom”) GENOMICĂ FUNCŢIONALĂ  U.M.F IAŞI 4. Care vor fi consecinţele descifrării GU asupra medicinii clinice ? MEDICINA GENOMICĂ “...publicarea schiţei GU va schimba cu siguranţă practica medicală în următoarele decenii; medicina genomică va transforma profund medicina clinică” (“Getting Ready for Gene-based Medecine” – H. Varmus, N.Engl.J.Med, 2002) U.M.F IAŞI Medicina genomică (moleculară) O nouă TAXONOMIE (clasificare a bolilor) pe subtipuri genotipice DIAGNOSTIC MOLECULAR (presimptomatic; predispoziţie genetică) Elucidarea mecanismelor moleculare ale NOI ŢINTE ŞI METODE TERAPEUTICE bolilor TERAPIE INDIVIDUALIZATĂ (farmacogenomică) PREDICŢIE ŞI PROFILAXIE PERSONALIZATĂ (riscul individual)  U.M.F IAŞI PRECIZĂRI: 1. Transformările potenţiale ale practicii clinice se vor face TREPTAT, vor fi lente dar profunde. 2. Vom traversa o perioadă de TRANZIŢIE ce implică două categorii de acţiuni: a) îmbunătăţirea “trainingului” medical → să fim pregătiţi să înţelegem şi aplicăm medicina genomică. “... În stadiul actual avem nevoie de cunoştinţe, vocabular şi, mai ales, de un concept larg despre rolul genomicii pentru a evita RISCUL DE A NU ÎNŢELEGE MEDICINA VIITOARE” (Dumont-Driscoll - 2002)  U.M.F IAŞI PRECIZĂRI: b) Schimbarea treptată a gândirii clinice şi îngrijirii medicale (3 concepte fundamentale):  în medicina clasică pe primul plan este BOALA, în medicina genomică important este BOLNAVUL (medicina personalizată)  Se va trece de la diagnostic şi tratament → la predicţie şi profilaxie personalizată – bazate pe susceptibilităţile genetice individuale;  “...păstrarea sănătăţii va deveni mai importantă decât tratarea bolii”. MEDICINA SECOLULUI XXI VA FI: PERSONALIZATĂ, PREDICTIVĂ, PREVENTIVĂ