Onderzoeksartikel over menselijke genetica (10031 woorden)
Hier is je onderzoeksartikel over menselijke genetica, chromosomen en genen!
We erven enkele fysieke en biochemische karakters van onze ouders en voorouders. Overdracht van geërfde karakters of eigenschappen door generaties wordt de erfelijkheid genoemd. Genetica is die tak van de biowetenschap die zich bezighoudt met de studie van de onderliggende principes van erfelijkheid.
Afbeelding met dank aan: mdsalaries.com/wp-content/uploads/2011/11/shutterstock_61775431.jpg
Er is vastgesteld dat de erfelijke kenmerken of kenmerken worden overgedragen door de genen van de chromosomen. De uitdrukking van geërfde karakters wordt echter aangepast door de omgevingen waarin een individu groeit en zich ontwikkelt.
Een basiskennis van menselijke chromosomen en genen is daarom essentieel om de principes van de genetica te begrijpen.
chromosomen:
Chromosomen zijn diep gekleurde draadachtige structuren in de kern van elke dierlijke cel. Genen worden gedragen door de chromosomen in lineaire reeksen als delen van specifiek DNA-molecuul. Individuele chromosomen zijn alleen onder de microscoop zichtbaar tijdens celdeling.
Tijdens de interfase van de cel bevat de kern een netwerk van chromatinedraden of granules maar niet een individueel chromosoom, omdat elk chromosoom wordt afgewikkeld in een lange dunne draad die buiten de resolutie van de lichtmicroscoop ligt. Maar sommige chromosomen blijven opgerold op plaatsen en deze worden geïdentificeerd als chromatine korrels in de interfase (figuur 11-1).
Het niet-opgerolde gedeelte van het chromosoom staat bekend als euchromatin dat genetisch actief is; het opgerolde gedeelte wordt heterochromatine genoemd dat genetisch inert is. Tijdens de celdeling wordt elk chromosoom over de gehele lengte strak opgerold en wordt het korter en dikker. Uiteindelijk zijn individuele chromosomen direct zichtbaar onder de microscoop (Fig. 11-2).
Daarom zijn de chromosomen tijdens de celdeling genetisch inactief. Alle biochemische activiteiten van chromosomen in de vorm van DNA-replicatie, mRNA-vorming en eiwitsynthese vinden plaats tijdens de interfase, die bestaat uit drie fasen van de celcyclus-G 1 (Gap 1), S (Synthese), G 2 (Gap 2) stadia . DNA-replicatie vindt plaats in S-fase en bestrijkt een periode van ongeveer 7 uur.
Elk chromosoom heeft een primaire vernauwing die bekend staat als centromeer of kinetocore en die tijdens celdeling aan de achromatische spil is bevestigd en de vorming van de chromosomale microtubule organiseert (figuur 11 - 3a).
In de profase van celdeling splitst elke chromo - sommigen longitudinaal in twee chromatiden behalve bij de centromeer (Figuur 1 1 - 3b). De vrije uiteinden van de chromatiden staan bekend als de telomeren, die in intacte vorm geen fusie met de chromatiden van aangrenzende chromosomen mogelijk maken. De chromatiden van sommige chromosomen vertonen secundaire contossies nabij een uiteinde, en het segment van chromatiden distaal van vernauwingen vormt satellietlichamen (figuur 11 - 3c, d). Aangenomen wordt dat de secundaire vernauwingen de vorming van nucleoli organiseren.
Soorten chromosomen (figuur 11 -4):
De centromeren nemen variabele posities in ten opzichte van hun paar chromatiden. Dienovereenkomstig kunnen de chromosomen metacentrisch worden genoemd wanneer centromeer zich in het midden bevindt, submetacentrisch wanneer de centromeer enigszins van het midden wordt verschoven, acrocentrisch wanneer het zich dicht bij het einde bevindt, en telocentrisch als het centromeer het einde van het chromosoom inneemt. De telocentrische chromosomen zijn niet aanwezig in de mens, tenzij pathologisch. De meeste van de acrocentrische chromosomen vertonen satellietlichamen op hun kortere armen gescheiden door de secundaire vernauwingen. De kortere armen van chromatiden worden gesymboliseerd door p en langere armen door q.
Aantal chromosomen:
Het aantal chromosomen is constant in een soort. Bij de mens is het aantal 46 (diploïde) in alle somatische cellen en onvolgroeide kiemcellen, maar 23 (haploïde) in aantal in rijpe kiemcellen of gameten. Het exacte aantal van 46 chromosomen in elke somatische cel van de normale mens werd voor het eerst gedetecteerd door Tjio en Levan (1956) met de komst van weefselkweek.
Sommige erfelijke aandoeningen zijn geassocieerd met de wijziging van het aantal chromosomen. Wanneer het aantal wordt verhoogd met meerdere haploïde (23) chromosomen (anders dan diploïde getallen), staat de aandoening bekend als polyploïdie. Als polyploïdie, zeg triploïdie of tetraploïdie, alle somatische cellen beïnvloedt, is de overlevingsgraad slecht. Polyploïdie in het zygote stadium kan te wijten zijn aan bevruchting van een eicel door meer dan één spermatozoa.
Onder normale omstandigheden kan polyploïdie worden gevonden in sommige levercellen en in het slijmvlies van de urineblaas. Dit kan voorkomen in telofase van mitose, wanneer na de vorming van twee kernmembranen die het diploïde aantal chromosomen omhullen, het cytoplasma niet deelt en de twee kernmembranen een dubbel aantal diploïde chromosomen omhullen.
Aneuploïdie is een aandoening waarbij het chromosoomgetal wordt gewijzigd door een of meer, maar niet door een veelvoud van haploïde. De meeste gevaren van het chromosoomnummer vinden plaats in de anafase. Na het splitsen van de centromeren falen één of meer chromosomen niet goed vanwege de abnormale functie van de achromatische spil. Het fenomeen staat bekend als de nondisjunctie.
Als een resultaat gaan beide leden van een bepaald paar naar een dochtercel die extra chromosoom (trisomie) ontvangt, en de andere dochtercel heeft een tekort aan dat chromosoom (monosomie). Soms scheidt een deel van het nieuw gevormde chromosoom na het splitsen van de centromeer zich zoals gebruikelijk en vormt het een normaal chromosoomcomplement in een dochtercel, terwijl het andere lid de tegenovergestelde pool van de spil niet bereikt, wat resulteert in een tekort aan dat chromosoom (monosomie) in de andere dochtercel. Dit staat bekend als anafase lag.
Niet-disjunctie kan plaatsvinden in mitose of meiose en het kan zowel geslachtschromosomen als autosomen inhouden. Autosomale niet-disjunctie is minder levensvatbaar, vooral wanneer het grote chromosomen beïnvloedt. Ons lichaam is toleranter voor de trisomische cellen dan het monosoom. De monosomische cellen degenereren vroeg. Turnersyndroom van vrouw met 45, XO chromosomale constitutie is mogelijk het enige voorbeeld van een levensvatbare monosomale persoon. Als niet-disjuncion plaatsvindt in de eerste splitsingsdeling van de zygote, dan zijn alle cellen aneuploïde en vertoont het individu mozaïekisme waarbij de helft van de totale cellen trisomisch en ander half monosomisch is.
Wanneer niet-disjunctie optreedt in meiose I, zijn alle vier de gameten abnormaal (twee met 24 chromosomen en twee met 22 chromosomen). Als het plaatsvindt in meiose II, zijn twee gameten normaal en twee abnormaal. Wanneer bevruchting plaatsvindt tussen normale en abnormale gameten, zijn alle cellen van het organisme afgeleid van die zygoot aneuploïde. Nondisjunctie in gametogenese wordt soms waargenomen bij oudere vrouwen (35 jaar en ouder). Mogelijk voltooit de primaire oöcyt die in het prenatale leven voor het eerst een meiose begint, het proces vlak voor de ovulatie na een verlengd interval van ongeveer 40 jaar meer. Vertraagde voltooiing van de eerste meiose van eicellen kan een voorkeur hebben voor niet-disjunctie.
Arrangementen van Chromosomes:
Fortysix-chromosomen in elke lichaamscel van de normale mens zijn gerangschikt in 23 paren. Tweeëntwintig paren staan bekend als de autosomen, waarvan de genen de lichaamskarakters reguleren; het overblijvende paar staat bekend als de geslachtschromosomen die in de eerste plaats de geslachtskarakters reguleren. Eén lid van elk paar is vaderlijk en het andere lid is moederlijk van oorsprong.
De koppeling vindt plaats tussen de identieke chromosomen die identiek zijn qua lengte, positie van de centromeer, bandpatroon en verdeling van genen. De gepaarde chromosomen staan bekend als de homologe chromosomen (Fig. 11-5).
Bij vrouwen zijn de twee geslachtschromosomen identiek in lengte en worden ze gesymboliseerd door XX. Bij mannelijke, gepaarde sex-chromosomen zijn ongelijk in lengte en worden gesymboliseerd door XY. De langere wordt voorgesteld door X en de kortere door Y. Tijdens het paren van de mannelijke geslachtschromosomen hebben beide homologe en niet-ho-morfologische delen (Fig. 11-6).
De genen of cistrons, die deel uitmaken van een specifiek DNA-molecuul, zijn vervat in de chromosomen in een lineaire reeks. Ze vormen de functionele eenheden van erfelijke karakters. De positie van een gen in het chromosoom wordt de locus genoemd die wordt genoemd met verwijzing naar de centromeer.
De genen veranderen de loci niet, behalve bij afwisseling van chromosomale morfologie of bij recombinatie als gevolg van cross-over in meiose. De genen die de identieke loci in een paar homologe chromosomen bezetten staan bekend als allelomorfen of allelen (zie Fig. 11-5). De allelische genen reguleren verschillende specifieke fysische en biochemische kenmerken, door de vorming van RNA en biosythese van eiwitten.
Bij de chromosoombereiding uit de mitotische celkweek (na het stoppen van de celdeling bij metafase), worden de homologe paren van chromosomen niet gevisualiseerd. De homologe paren worden alleen gematched tijdens karyotypering uit de vergrote microfoto's. In het stadium van zygotene van de profase van de eerste meiotische deling worden de homologe chromosomen echter aangetroffen in paren die een punt-tot-puntrelatie vormen; dit fenomeen staat bekend als synapsis.
Sex Chromatin of Barr lichamen:
Tijdens de interfase presenteert de somatische cel van het normale vrouwtje een heterochromatine, een plano-convex lichaam onder het kernmembraan. Dit staat bekend als geslachtschromatine of Barr-lichaam. Het werd voor het eerst ontdekt door Barr en Bertram in 1949 in de kernen van de phrenic zenuwcellen van de vrouwelijke kat. Uit twee X-chromosomen bij een normale vrouw, is één ervan sterk opgerold en het andere lid sterk afgewikkeld. Het sterk opgerolde genetisch inactieve X-chromosoom vormt het Barr-lichaam, dat is gepleisterd onder het kernmembraan (Fig. 11-7).
Deze organen helpen bij het nucleair geslachtsgemeenschap van de weefsels. Barr-lichaampjes zijn gemakkelijk te vinden in die cellen, die open-faced kernen bezitten. Gewoonlijk worden Barr-lichaampjes bestudeerd uit de cellen van buccale uitstrijkjes, of door het observeren van 'drumstick'-lichamen die zijn bevestigd aan de kernen van polymorfe nucleaire leucocyten.
Het aantal Barr-lichamen in een cel is gelijk aan het totale aantal X-chromosomen minus één. Bij een normaal vrouwtje met twee X-chromosomen is het aantal lichamen één. In triple X-sydroom (XXX) wordt het aantal verhoogd tot twee; bij een vrouw met het syndroom van Turner met slechts één X-chromosoom (XO), is Barr-lichaam afwezig. Bij mannen met het Klinefelter-syndroom met XXY-chromosomen (trisomie), is Barr-lichaam aanwezig.
De aanwezigheid van het Y-chromosoom bij de man wordt gedetecteerd als een sterk fluorescerend lichaam (F-lichaam) in de kern, wanneer een buccale uitstrijk wordt gekleurd met flurochrome kleurstof en onderzocht onder een fluorescentiemicroscoop. Omdat deze techniek kostbaar is en de glaasjes snel achteruitgaan, wordt ze meestal niet gebruikt om de status van geslachts chromatine te bestuderen.
Chemische structuur van Chromosomen:
Bij chemische analyse blijkt elk chromosoom DNA, een kleine hoeveelheid RNA, histon en niet-histoneiwitten en metaalionen te bevatten. DNA is het meest essentiële en stabiele moleculaire bestanddeel van chromosomen.
Recente studies hebben aangetoond dat elk eukaryootchromosoom een enkel continu dubbelstrengig DNA-molecuul bevat. Het grootste deel van het DNA-molecuul bestaat in het chromosoom als een sterk opgerolde of gevouwen structuur. DNA in actieve staat van transcriptie wordt het meest uitgebreid en wordt euchromatisch; inactief DNA-gebied blijft sterk opgerold en wordt heterochromatisch. De graad van coiling van DNA varieert met de snelheid van eiwitsynthese in de verschillende fase van de celcyclus.
Twee soorten permanente hetero-chromatische gebieden worden waargenomen in menselijke chromosomen;
(a) Facultatief heterochromatine beïnvloedt het inactieve X-chromosoom van het normale vrouwtje. In de vroege embryogenese van de vrouw zijn beide X-chromosomen actief betrokken bij de ontwikkeling van eierstokken; daarna wordt één van X-chromosomen permanent inactief en vormt een heterochromatisch Barr-lichaam.
(b) Constitutief heterochromatine wordt waargenomen in de primaire en secundaire vernauwingen van chromosomen. Herhaaldelijke sequenties van DNA-basen, rijk aan guanine en cytosine, zouden aanwezig zijn in constitutief heterochromatine en in satellietlichamen. Herhaald DNA in sommige delen van chromosomen codeert mogelijk voor intrinsieke moleculen in de vorm van ribosomale RNA's, transfer-RNA's en regulatorische eiwitten.
Histones zijn basiseiwitten die rijk zijn aan arginine en lysine. Deze eiwitten worden geaggregeerd als sferoïdale deeltjes langs de DNA-streng die rond elk deeltje wordt gewikkeld en een complex lichaam vormt dat bekend staat als nucleosoom of v-lichaam (figuur 11-8). Elk nucleosoom bestaat uit vier paren histonen die in twee symmetrische groepen zijn gerangschikt. Experimenteel bewijs suggereert dat de associatie van DNA met histon de genactiviteit onderdrukt.
Niet-histoneiwitten zijn zuur en vormen vele enzymen, bijv. DNA-polymerase en RNA-polymerase. Sommige niet-histoneiwitten ontkoppelen de histonen van nucleosoom- en derepress-genactiviteit.
Procedure van chromosomale analyse:
Voor cytogenetisch onderzoek van chromosomen worden cellen gekozen die snel groeien en zich in cultuur verdelen. De meest gebruikte weefsels zijn huid, beenmerg en perifeer bloed.
De principes van de chromosoombereiding uit perifeer bloed zijn als volgt:
(a) Ongeveer 1-2 ml. van bloed wordt uit een ader verwijderd, gehepariniseerd en behandeld met fyto-hemagglutinine, geëxtraheerd uit rode nierboon.
Het fytohemagglutinine (PHA) stimuleert de lymfocyten (in het bijzonder T-cellen) om te prolifereren door mitose en maakt selectief agglutinatie en sedimentatie van rijpe erythrocyten mogelijk.
(b) Aliquot van het plasma met gesuspendeerde lymfocyten wordt nu overgebracht naar kweekflessen onder steriele omstandigheden bevattende TC199 (Difco) als het kweekmedium. Incubatie in een kweekfles duurt ongeveer 3 dagen bij 37 ° C met de toevoeging van streptomycine en penicilline als conserveermiddelen.
(c) Colchicine wordt nu aan de cultuur toegevoegd en gedurende ongeveer 2 uur bewaard. Colchicine arresteert de celdeling op metafase, door de vorming van microtubuli van achromatische spindels te voorkomen. Bij de metafase worden de chromatiden verenigd door centromeren maximaal gecontracteerd.
(d) Cellen worden verzameld door centrifugatie van de inhoud van de kweekfles. Hypotonische oplossing van natriumcitraat wordt aan de cellen toegevoegd en gedurende ongeveer 20 minuten geïncubeerd. De hypotone oplossing laat de cellen zwellen en de chromosomen verspreiden.
(e) Het hypotone medium wordt weggegooid door centrifugatie. Nu worden fixeermiddelen van een mengsel van ethanol en azijnzuur aan de pellet van cellen toegevoegd en worden deze voorzichtig geschud om een celsuspensie te vormen.
(f) Kleine druppels celsuspensie worden over één uiteinde van chemisch gereinigde dia's geplaatst. De glaasjes worden bij kamertemperatuur gedroogd.
(g) Kleuring - Voor conventionele studie van het chromosomale patroon wordt Giemsa-kleuring veel gebruikt met goede resultaten (Fig. 11-9).
Nauwkeurige identificatie van individuele chromosomen wordt nu mogelijk gemaakt door het patroon van banden op chromosomen te noteren na toepassing van een van de vier verschillende kleurtechnieken:
(i) Q-banding:
Wanneer vaste metafase chromosomen worden gekleurd met chinacrine hydrochloride of quinacrine mosterd, verschijnen bepaalde chromosoombanden als fluorescente gebieden onder fluorescentiemicroscopie. Deze Q-bandpatronen (fluorescent) zijn uniek voor elk chromosoom. Vermoedelijk zijn de regio's van Q-banden rijker aan adenine (A) en thymine (T) -basen van DNA dan de inter-bandgebieden. Een bijzonder grote Q-band is duidelijk zichtbaar in het distale deel van de lange arm van het Y-chromosoom, zelfs tijdens interfase.
(ii) G-banding:
De gefixeerde chromosomen worden onderworpen aan een milde behandeling met proteolytische enzymen (trypsine) voorafgaand aan kleuring. De enzymen zijn in staat om het eiwit in de chromosomen te denatureren. Wanneer gekleurd met Giemsa na een dergelijke behandeling, kan een patroon van donkere kleuring G-banden worden gezien op de chromosomen onder een lichtmicroscoop.
De G-bandering en Q-banderegio's van chromosomen komen nauw overeen. Comings (1974) heeft gesuggereerd dat eiwitten die achterblijven na denaturatie kunnen voorkomen dat het kleurmateriaal in bepaalde gebieden van DNA terechtkomt. Het is mogelijk dat er minder eiwit in verband wordt gebracht met AT-rijk DNA; dit verklaart de concordantie van G- en Q-bands.
De G-banden en Q-bandgebieden zijn rijke AT-basenparen; ze corresponderen met de heterochromatinegebieden van chromosomen waar DNA-replicatie iets later plaatsvindt. De inter-bandgebieden zijn rijk aan GC-basenparen.
(iii) R-binding:
Dit is het tegenovergestelde van G-binding, waar inter-bandgebieden worden gedemonstreerd door Giemsa-kleuring na verwarming tot 87 ° C. De R-binding is complementair aan G-binding.
(iv) C-banding:
Na harde behandeling van gefixeerde chromosomen met alkali, zuur of zout, onthult de Giemsa-kleuring een gekleurd gebied, de С-band, dichtbij de centromeer. De C-banding is echter niet evident in Y-chromosomen.
Chromosoom-bandvorming helpt bij het lokaliseren van bepaalde abnormaliteiten van de chromosoomstructuur, zoals deletie en translocatie van specifieke gebieden van chromosomen.
karyotype:
Het is een proces om de chromosomen op orde te brengen. Vergrote microfoto van een 'verspreid' chromosoom wordt uit de gekleurde glaasje genomen. Afzonderlijke chromosomen worden uit de foto gesneden, gekoppeld aan homologe paren, en worden gerangschikt in een sequentie, waarbij de langste chromosomen aan het begin en het kortst aan het einde worden geplaatst.
Individuele chromosomen worden geïdentificeerd op basis van hun lengte, positie van centromeer, lengteverhouding tussen hun armen en aanwezigheid van satellietlichamen op hun armen. (Fig. 11-10) Bandpatroon voegt verder toe aan de identificatie van individuele chromosomen. (Fig. 11-11).
Classificatie van menselijke chromosomen:
Volgens 'Denver System' van classificatie (1960), worden menselijke chromosomen inclusief geslachtschromosomen gerangschikt in zeven groepen van A tot G, in volgorde van afnemende lengte.
(1) Groep A:
Het bevat paren van 1, 2, 3 chromosomen. Elk van hen is lang en metacentrisch. In groep A geplaatst chromosoom 2 is echter het langste submetacentrische chromosoom.
(2) Groep В:
Het bestaat uit paren van 4 en 5 chromosomen, die vrij lang zijn met sub-metacentrische centromeren.
(3) Groep С:
Het is een grote groep en bevat paren van 6 tot 12 chromosomen; X-chromosomen behoren ook tot deze groep. De meesten van hen zijn middelgroot en submetacentrisch. Bandpatronen helpen bij het identificeren van individuele chromosomen.
(4) Groep D:
13 tot 15 chromosoomparen behoren tot deze groep. Ze zijn allemaal middelgroot en acrocentrisch. Aan het vrije uiteinde van de korte arm van elk chromosoom is een satellietlichaam bevestigd.
(5) Groep E:
Het omvat chromosoomgetallen 16 tot 18. Het zijn vrij korte submetacentrische chromosomen.
(6) Groep F:
19 en 20 chromosomen in paren behoren tot deze groep. Elk van hen is kort en metacentrisch.
(7) Groep G:
Het omvat 21 en 22 paren chromosomen; Y-chromosoom behoort tot deze groep. Elk van hen is erg kort en acrocentrisch, 21 en 22 chromosomen presenteren satellietlichamen op hun korte armen. De distale uiteinden van lange armen van Y-chromosoom presenteren fluorescerende lichamen na kleuring met een flurochrome kleurstof.
Punten van observatie:
(a) 1 tot 3 chromosomen van groep A, en 19, 20 chromosomen van groep F zijn metacentrisch.
(b) 13 tot 15 chromosomen van groep D, en 21, 22 en Y-chromosomen van groep G zijn acrocentrisch. Vijf chromosoomparen omvattende 13, 14, 15, 21, 22 bezitten satellietlichamen; vandaar sat-ch.ro- mosomes genoemd. Sat-chromosomen houden zich bezig met orgainsatie van de nucleoli.
(c) De rest van de chromosomen zijn submetacentrisch.
Gen Lokalisatie op Chromosomen:
Gene localisatie op bepaalde menselijke chromosomen, hoewel moeilijk te bepalen, kan worden bepaald door stamboomanalyse, door patiënten met een chromosoomverwijdering te bestuderen en door scheiding van 'marker'-genen te bestuderen in families met een bepaalde erfelijke aandoening. Marker-genen komen vaak voor in de algemene populatie. De kenmerken van autosomale kenmerken omvatten de bloedgroepen en bepaalde serumeiwitten.
De X-gekoppelde kenmerkkenmerken omvatten kleurenblindheid, de Xg-bloedgroep en in sommige gevallen glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie. Stamboomstudies hebben een nauwe link aangetoond tussen de genloci van de ABO-bloedgroep en het nagel-patella-syndroom, en tussen de Duffy-bloedgroep en één vorm van congenitale cataract.
Het in kaart brengen van genen op individuele chromosomen wordt verder verbeterd door gebruik te maken van restrictie-enzymen (endonuclease) die door vele bacteriën worden gesynthetiseerd. Restrictie-enzymen verdelen het DNA in fragmenten van variabele lengte door te knippen tussen de specifieke sequentie van basen, waarvan de plaatsen verschillend zijn voor verschillende enzymen. Dergelijk restrictiefragmentlengtepolymorfisme (RFLP) werkt als DNA-vingerafdruk en wordt gedetecteerd door Recombinant DNA-technologie toe te passen.
Analyse van de DNA-structuur door RFLP maakt het mogelijk om te bepalen welke ouder de bron is van een defect chromosoom. Dit helpt bij genetische counseling, bij onderzoek naar misdaden en bij het bepalen van het vaderschap. Ongeveer 50.000-100.000 genen worden geschat aanwezig te zijn in het totale menselijke genoom met 3 miljard basenparen. Vanaf begin 1993 zijn meer dan 2500 loci toegewezen aan specifieke posities op de menselijke genetische kaart.
Afwijkingen van ongeveer 450 van deze genen zijn in verband gebracht met menselijke ziekten. Enkele van de belangrijke genlokalisatie op autosomen worden hierbij geplaatst.
Chromosome:
1 - Dufy-bloedgroep, Rh-factor, histoneiwitten, aangeboren catract, retinitis pigmentosa.
2 - Rode zuur fosfatase. Kappa lichte keten van immunoglobuline.
5 - Hexosaminidase-B
6 - Hoofdhistocompatibiliteitscomplex (HLA), spino-cerebeller ataxie, adrenogenitaal syndroom.
7 - Collageen structureel gen.
9 - ABO-bloedgroep, nagel-patella-syndroom.
14 - Zware keten van immunoglobuline
15 - Hexosaminidase-A 17- Thymidinekinase
19- Polio- en echo-virusgevoeligheid
20 - Adenosine-deaminase
21 - Syndroom van down; een gen voor de ziekte van Alzheimer;
22 - Genen voor lichte lambda-keten van immunoglobuline
Het X-chromosoom lijkt de loci te bevatten voor glucose-6-fosfaatdehydrogenase, hemofilie A, kleurenzicht en Becker spierdystrofie op de lange arm, en de Xg-bloedgroep, ichthyosis vulgaris, oculair albinisme en X-gebonden mentale retardatie loci op de korte arm.
Het Y-chromosoom bevat mannelijke bepalende 'SRY'-genen, een component van TDF (testis-bepalende factor). Aanwezigheid van een enkel Y-chromosoom induceert de ontwikkeling van teelballen; de foetale testes bevrijden testosteron en mulleriaanse regressiefactor, die door lokale actie de differentiatie van de mesonefrische tubuli en kanalen mogelijk maken om zich te ontwikkelen tot het kanaalsysteem van de teelballen en tegelijkertijd de regressie van de paramesonephric kanalen (mullerian systeem) helpen. Dus Y-chromosoom induceert per reeks gebeurtenissen de ontwikkeling van mannelijke geslachtsklieren, de geslachtskanalen en uitwendige genitaliën die het mannelijke fenotype tot expressie brengen.
Maar in 'testicular feminisation' syndroom met XY-chromosomen lijkt het individu perfect vrouwelijk te zijn met borsten en externe genitaliën van de vrouw, maar met intra-abdominale teelballen. Door het genetische defect van het Y-chromosoom reageert het mulleriaan systeem niet meer op de effecten van mannelijke hormonen die door de foetale testes worden vrijgemaakt.
Een normaal mannetje presenteert XY-chromosomen; maar wanneer een individu meer dan één X-chromosoom heeft met enkelvoudig Y-chromosoom (47, XXY; 48 XXXY), is het subject fenotypisch mannelijk met dysgenese van tubuli seminiferi (Klinefelter-syndroom). Daarom presenteert Y-chromosoom krachtige mannelijke bepalingsgenen, ongeacht het aantal X-chromosomen. Maar de aanwezigheid van extra X-chromosomen in het Klinefelter-syndroom zorgt voor verminderde vruchtbaarheid en maakt het individu enigszins mentaal achterlijk.
Naast mannelijke determinerende genen, bevat het Y-chromosoom genen voor harig oorschelp en HY (histocompatibiliteit) antigeen. De lengte van het Y-chromosoom varieert van persoon tot persoon en volgt het principe van het Mendelisme. Vanwege de aanwezigheid van HY-antigeen worden mannelijke transplantaten af en toe afgewezen door vrouwen van dezelfde stam.
Een normaal vrouwtje heeft de XX-chromosoom-constitutie. In de vroege embryogenese zijn beide X-chromosomen genetisch actief en veroorzaken ze de ontwikkeling van eierstokken. Daarna wordt één X-chromosoom heterochromatisch en genetisch inert en blijft bestaan als geslachtschromatine of Barr-lichaam (faculatief heterochromatine). Foetale eierstokken scheiden geen enkel hormoon uit. Daarom, in afwezigheid van teelballen (met of zonder eierstokken) reguleert het Wolffiaanse systeem (mesonefricum) en het Mulleriaanse systeem (paramesonefric) onderscheidt zich in vrouwelijke geslachtsorganen en externe genitaliën van vrouwen.
In zeldzame gevallen verschijnt een persoon met een XX-chromosoom-constitutie mannelijk in fenotype; dit suggereert de aanwezigheid van testisbepalende genen in een van de twee X-chromosomen die van Y-oorsprong zijn. Deze zeldzame overerving is mogelijk bij een individu als gevolg van cross-over in de gametogenese aan de zijde van de vader. Merkwaardig wordt opgemerkt dat personen met 45, XO chromosoomsamenstelling in leven kunnen blijven, maar 45, YO combinatie is niet-levensvatbaar.
Structurele wijziging van chromosomen (figuur 11-12):
verwijdering:
Het betekent verlies van een segment van het chromosoom, dat terminaal of interstitiaal kan zijn. Interstitale deletie als gevolg van twee pauzes wordt gevolgd door een vereniging van de gebroken uiteinden. In het 'cri du chat'-syndroom wordt het terminale deel van de korte arm van chromosoom 5 verwijderd.
translocatie:
Uitwisseling van segmenten tussen niet-homologe chromosomen staat bekend als translocatie. Het proces van translocatie vereist breuken van beide niet-homologe chromosomen, gevolgd door reparatie die leidt tot een abnormale opstelling. Een translocatie produceert niet altijd een abnormaal fenotype, maar kan leiden tot de vorming van ongebalanceerde gameten en heeft een hoog risico op abnormale nakomelingen.
Reciprocale translocatie tussen twee paren niet-homologe chromosomen kan heterozygoot zijn wanneer slechts één van de chromosomen in een paar is betrokken, of homozygoot wanneer beide leden van een chromosoompaar segmenten met elkaar hebben uitgewisseld. Soms omvat translocatie drie pauzes en wordt een gebroken deel van een chromosoom ingevoegd in een niet-homoloog chromosoom, terwijl ander niet-homoloog chromosoom interstitiële deletie vertoont.
Robertsonian translocatie of centric fusion is een speciaal type translocatie waarbij de breuken optreden op de centromeren van de twee chromosomen en hele chromosoomarmen worden uitgewisseld. Bij een man gaat het meestal om twee acrocentrische chromosomen, bijvoorbeeld tussen de groepen D en G, 21/22 of 21/21. In D / G-translocatie wordt de lange arm van het G-chromosoom gefuseerd met de lange arm van het D-chromosoom en het fragment gevormd door de fusie van de korte armen van de twee chromosomen gaat verloren.
De moeder van een getranslocaliseerd Down-syndroom is meestal een drager van D / G-translocatie met slechts 45 chromosomen. Ze produceert vier soorten gameten: een met een normaal D-chromosoom, een met een normaal G-chromosoom, een met een getransloceerde D / G-chromosoom zoals de draagmoeder en een met een D / G-chromosoom en een normaal G-chromosoom.
Het nageslacht afgeleid van de laatste variëteit van gameten heeft 46 chromosomen maar zal trisomisch zijn voor chromosoom 21 met manifestatie van het syndroom van Down. Daarom heeft een vervoerder met D / G-translocatie een risico om een kind met het syndroom van Down te krijgen. Wanneer een moeder een translocatie met beide chromosomen 21 draagt, zullen al haar kinderen het syndroom van Down hebben.
Inversie:
Een deel van een chromosoom wordt losgemaakt en verenigt zich later met hetzelfde chromosoom in omgekeerde positie. De genen worden niet verloren maar geplaatst in veranderde loci.
Iso-chromosoom:
De centromeer van een chromosoom, als gevolg van abnormale anafasen (mitose of meiose), splitst zich dwars in plaats van longitudinale splijting. Dit culmineert in de vorming van twee chromosomen van ongelijke lengte, die elk metacentrische chromosomen presenteren met duplicatie van genen. De resulterende chromosomen afgeleid van transversale splitsing van de centromeer staan bekend als iso-chromosomen.
verdubbeling:
Het is een proces van toevoeging van een deel van het chromosoom van een ander homoloog chromosoom met duplicatie van genen. Duplicatie-effecten van genen door isosplitting van één X-chromosoom worden soms waargenomen bij het syndroom van Turner.
Ring chromosoom:
Ringchromosoom wordt waargenomen wanneer aan beide uiteinden een chromosoom wordt verwijderd en vervolgens worden de verwijderde 'kleverige' uiteinden in de vorm van een ring aan elkaar gekleefd. De manifestatie van het ringchromosoom hangt af van de deletie van specifieke genen.
Symbolen gebruikt in de Cytogenetic:
p-korte arm van chromosoom
q-lange arm van chromosoom
t-translocatie; inv-Inversion
i-Iso-chromosoom;
r-ring chromosoom
+ of -Sign: Wanneer geplaatst vóór een geschikt symbool, betekent dit dat het hele chromosoom is toegevoegd of ontbreekt. Het trisomie 21-downsyndroom kan bijvoorbeeld worden weergegeven als 47, XY + 21.
Wanneer + of - singns na een symbool worden geplaatst, duiden deze op een toename of afname van de lengte van het chromosoom. Het cri du chat-syndroom dat een mannelijk kind met deletie van de korte arm van chromosoom 5 beïnvloedt, wordt bijvoorbeeld weergegeven als 46, XY, 5p-
In philadelphia of Ph'-chromosoom treedt wederzijdse translocatie op tussen lange arm van chromosoom 9-band 34 en lange arm van chromosoom 22-band 11. Daarom is karyotype van deze ziekte -t (9; 22) (q34; ql 1).
De notatie wordt verder verfijnd om bepaalde banden op een specifiek chromosoom aan te klagen.
Diagonale lijn over de chromosomen of hun aantal duidt op mozaïekvorming, bijv. XY / XX; XO / XX; XY / XXX; 45/46/47.
genen:
Genen zijn de eenheden van erfelijkheid en zijn samengesteld uit een deel van specifieke DNA-moleculen. Zoals eerder vermeld, zijn genen gerangschikt in lineaire reeksen binnen de chromosomen met precieze sequentie en aantal DNA-basen, verschillend voor verschillende genen, en met een gedefinieerd begin en een gedefinieerde beëindiging. Omdat een enkele chromosomen één dubbele helix van DNA-moleculen bevat in een sterk opgerolde vorm, worden talrijke genen of cistrons gedragen door een enkele DNA-molecule.
De positie van een gen in het chromosoom wordt locus genoemd, gemeten aan de hand van de centromeer. Gewoonlijk veranderen de genen de loci niet, behalve bij recombinatie tijdens kruising over of bij verandering van chromosomale morfologie.
De genen die identieke loci in een paar homologe chromosomen bezetten, worden de allelomorfen of allelen genoemd. In het algemeen reguleren allele genen verschillende fysieke en biochemische karakters van een individu. Beschouwd op moleculair niveau, reguleert één paar allelische genen de synthese van één polypeptideketen.
Wanneer allele genen die een bepaald karakter of kenmerk reguleren, zeggen lengte, in dezelfde richting werken (zowel lang als beide kort), worden ze homozygoot genoemd; wanneer ze in tegenovergestelde richting werken (de ene hoog en de andere kort), zijn de allelen heterozygoot. De meeste erfelijke eigenschappen zijn polygeen en worden geproduceerd door de complexe interactie van talrijke genen en beïnvloed door de omgeving. Soms kan een paar allelische genen invloed hebben op meer dan één karakter; dit staat bekend als pleiotropie.
Chemische structuur van DNA (figuur 11-13):
Het is in 1953 door Wilkins, Watson en Crick op X-straaldiffractie vastgesteld dat het DNA-molecuul is samengesteld uit twee strengen van polynucleotiden die in een dubbele helix zijn gerangschikt. Elke streng bestaat uit een ruggengraat van pentaatsuiker (D-2-deoxyribose) en fosfaatmolecuul en de twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de stikstofhoudende basen, die als zijgroep aan de suikers zijn bevestigd en naar het midden wijzen van de helix.
De basen zijn van twee soorten, purine en pyrimidine. Een purine in één streng paren altijd met een pyrimidine in de andere streng. Purine basen omvatten adenine (A) en guanine (G); pyrimidinebasen omvatten thymine (T) en cytosine (C). Base-koppeling is specifiek onder normale omstandigheden (in de vorm van een ketovorm) -adenine-paren met thymine met twee waterstofbruggen en wordt voorgesteld door A = T; guanine paren met cytosine door drie waterstofbruggen en voorgesteld door G = C.
Dit toont aan dat tijdens de de- naturatie van DNA de scheiding van de twee strengen op A = T-niveau sneller is dan die van het G = C-niveau. Wanneer de basen echter in enol-vorm zijn, kan adenine paren met cytosine en guanine met thymine. Dit is de basis van mutatie van genen.
De twee strengen DNA-moleculen zijn complementair aan elkaar. Als de basensequentie van één streng bekend is, kan de basissamenstelling van de andere streng worden geformuleerd. Sequentie van basen en aantal nucleotiden van DNA zijn specifiek en verschillen in verschillende genen. Er bestaan dus ontelbare vormen van DNA in de genen en slaan verschillende genetische informatie op.
Functies van DNA-molecuul:
DNA-moleculen hebben de volgende mogelijkheden:
(1) Zelfreplicatie
(2) Biosynthese van RNA en eiwitten
(3) Recombinatie;
(4) Mutatie.
Zelfreplicatie (Fig. 11-14):
Tijdens nucleaire splitsing scheiden de twee strengen van DNA-molecuul, en elke streng werkt als een matrijs en organiseert de vorming van een nieuwe complementaire streng uit een pool van nucleotiden als een resultaat van specifieke basenparing. Op deze manier, wanneer de cellen delen, worden de genetische informatie onveranderd doorgegeven aan elke dochtercel. Beide strengen nemen deel aan het proces van DNA-replicatie, dat plaatsvindt in de S-fase (synthese) van de celcyclus. Replicatie omvat verschillende enzymen, zoals DNA-polymerase, DNA-ligase en specifiek endonuclease.
Biosynthese van RNA en eiwitten:
DNA-molecuul fungeert ook als een sjabloon voor de synthese van RNA, en de laatste brengt de genetische boodschap over en decodeert de synthese van specifieke polypeptideketen van eiwitten door lineaire koppeling van aminozuren. Daarom omvat het centrale dogma van moleculaire genetica DNA → RNA door een transcriptieproces en RNA → eiwitten door translatie.
RNA (ribose-nucleïnezuur) verschilt fundamenteel van DNA op drie manieren: het bezit gewoonlijk een enkelstrengige polynucleotideketen; pentosesuiker is D-ribose; van de vier organische basen zijn er drie vergelijkbaar met DNA (Adenine, Guanine, Cytosine), en de vierde is uracyl in plaats van thyamine. Daarom koppelt adenine tijdens de transcriptie van DNA naar RNA aan uracyl (A = U). RNA bestaat in drie vormen: boodschapper-RNA (mRNA), ribosomaal RNA (rRNA) en overdracht-RNA (tRNA). Polygenisch DNA-molecuul fungeert als een sjabloon voor alle drie de rassen van RNA. In tegenstelling tot DNA-replicatie werkt slechts één van de twee DNA-strengen als sjabloon voor RNA.
Polynucleotide-keten van mRNA wordt gevormd in de kern aan de zijde van een willekeurige streng DNA-molecuul met behulp van RNA-polymerase. Tijdens synthese van RNA scheiden de twee DNA-strengen (Fig. 11-15). Strand selectie van DNA, voor RNA-synthese, vindt plaats met behulp van RNA polymerase I voor rRNA, polymerase II voor mRNA en polymerase III voor tRNA. Boodschapper RNA dat aldus is gevormd, draagt een genetisch bericht over met complementaire basesequentie en beweegt zich in het cytoplasma door de nucleaire poriën.
Een aantal cytoplasmatische ribosomen (die ribosomaal RNA en eiwitten bevatten) zijn gehecht aan de polynucleotideketen van mRNA. De ribosomen zijn de plaatsen waar polypeptideketens van eiwitten worden gevormd door de lineaire koppeling van verschillende aminozuren.
De aminozuursequentie en het aantal zijn specifiek voor verschillende eiwitten; deze worden bepaald door het nauwkeurig aflezen van de basensequentie van mRNA in 5'-uiteinde tot 3'-eindrichting. Twintig (20) aminozuren zijn betrokken bij de biosynthese van eiwitten. Vóór de vorming van peptidebinding worden de aminozuren geactiveerd en gehecht aan één uiteinde van specifiek transfer-RNA-molecuul (tRNA). Basesequentie van tRNA dat geactiveerde aminozuren draagt identificeert de complementaire basensequentie van mRNA en is aan de laatste gebonden door waterstofbindingen totdat een polypeptideketen van eiwit wordt gevormd.
Daarom zijn mRNA, rRNA, tRNA en een aantal enzymen actief betrokken bij verschillende stappen van de biosynthese van eiwit. The complicated process of biosynthesis from the polynucleotide chain of mRNA to the polypeptide chain of protein is known as translation (Fig. 11-16). The polynucleotide chain of mRNA may be monocistronic or polycistronic.
Genetic Codes:
Since bases of DNA or RNA and amino acids of proteins are arranged in linear sequence, there must be some co-relation between nitrogenous bases and amino acids. DNA or RNA presents four (4) bases, and primary structure of proteins is composed of twenty (20) amino acids. After laborious experiments Nirenberg and Matthaei in 1961 established that a sequence of three (3) bases of mRNA (and therefore of complementary DNA) codes for one amino acid.
Since three consecutive bases are specific for one amino acid, the possible number of combinations of four bases taken three at a time would be 4 3 or 64. Such triplet of nucleotide based is called a codon. Finally, all 64 codons are discovered specifying different amino acid. However, three codons such as UAG, UGA, and UAA do not code for any amino acid; hence these three are called nonsense or terminal codons and signal the termination of polypeptide chain.
Three unpaired bases attached to one loop of tRNA are known
as anti-codons which fit with the complementary codons of mRNA. Whereas codons are read from 5′ end to 3' end direction, anticodons are read from 3' to 5′ direction; as stated earlier, tRNA carries activated amino acid at one end of the chain.
The Genetic Code on mRNA, and the amino acids for which they code.
Codon obey some principles:
(a) Codons are non-overlapping and follow a strict sequence along the polynucleotide strand of mRNA.
(b) They are universal and applicable to all organisms.
(c) Degenerative codons — When two or more codons stand for the same amino acid, they are said to be in degenerative form. GUU, GUC, GUA, GUG code for Valine; UUU, UUC code for phenyl alanine; UUA and UUG stand for leucine. In most cases, the first two bases remain unaffected and alteration of third base produces degeneration.
(d) Ambiguous or mis-sence codon specify different amino acids. Under normal condition UUU stands for phenyl alanine, but in presence of streptomycin it may code for leucine or isoleucine.
(e) Initiation or starting codon—AUG codes for methionine and acts as a start signal in the synthesis of polypeptide chain. The sequence of amino acids in the polypeptide chain is known as the primary structure of protein.
The free amino group at one end of the chain is known as the N-terminal end, and the free carboxyl group at the other end of the chain is called the С terminal end. Each amino acid in the chain is called a residue. The N terminal residue is considered as the first number, and the C- terminal residue as the last number of the amino acid sequence.
Methionine in the initiation complex is formylated by specific enzymes so that the peptide bond does not take place at the N-terminal end. Two codons, AUG and UGG stand only for a single amino acid; AUG for methionine and UGG for tryptophan.
(f) Terminal or non-sence codon. Three codons such as UAG, UGA and UAA do not code for any amino acids. The terminal codons signify the termination of polypeptide chain.
Current concept of gene organization:
1. As mentioned earlier, a gene is a part of specific DNA molecule which regulates the synthesis of one polypeptide chain. A typical gene is composed of a strand of DNA that includes a transcription unit and a promoter region.
The transcription unit consists of several segments of exons that dictate the formation of proteins, separated by segments of introns that are not translated into proteins. A pre- mRNA is formed from the DNA, and then the introns are eliminated in the nucleus by a process of post-transcriptional splicing, so that the final mRNA which enters the cytoplasm is made up of exons only.
The promoter region lies on the 5′ end side of the transcription unit of the gene. It contains various DNA segments which precede the transcription unit from 3′ end to 5′ end side in the form of Specifier, Quantifier and Regulator segments. The base sequence of specified segment includes TATA (popularly called TATA Box), which ensures that the transcription starts a proper point. Z-DNA is a segment of promoter region, that may determine tissue-specific expression.
2. Post-translational modification. After polypeptide chain is translated through mRNA, rRNA and tRNA, the final protein product is modified by a combination of reactions that include hydroxylation, carboxylation, glycosylation or phosphorylation of amino acid residues. A larger polypeptide is converted to a smaller form by cleavage of peptide bonds; thereafter the protein is folded into its complex configuration.
A typical eukaryotic cell synthesizes about 10, 000 different proteins during its life time. Proteins synthesized by the genes may be one of three types—enzymes, structural proteins and regulatory proteins.
3. The cytogenetic analyses in hydatidiform mole, a tumour or trophoblastic, suggest that the abnormal ovum loses its own nucleus and is fertilised by two sperms. Thus the zygote contains two male pronuclei, possessing between them at least one X chromosome, In complete molar pregnancy trophoblastic membranes develop, but embryos do not appear, Genomic imprinting suggests that the maternal chromosomes regulate embryoblast development, and the paternal chromosomes regulate trophoblastic development.
Recombination:
During crossing over in meiosis, there is exchange of genetic material between homologous chromosomes. This leads to recombination or shuffling of genes. One of the two events might be observed in crossing over. The two different genes that were originally located on the same chromosome of a particular chromosome pair, might be separated from each other and thereafter are distributed to both homolgous chromosomes; or one of the two genes originally located in each homologous chromosome might be brought together on the same chromosome.
When two different genes are located on the same chromosome pair, they are said to be linked. Crossing over is more likely to occur between the genes on a particular chromosome which are far apart than the genes which are close together. One can assess the relatives distances between genes on any chromosome by determining the frequency with which crossing over takes place between these genes. Genetic distance between two loci on a particular chromosome is expressed in centimorgan (cM). Two loci are 1cM apart, if there is a 1% probability of cross over between them in meiosis. On an average 30 to 35 cross over per cell are estimated to occur during meiosis in males, and perhaps twice as many during meiosis in females.
By determining the frequency of recombination due to cross-over among the progeny, it is possible to frame a linkage map in human with the grouping of genes on particular chromosomes. (Vide supra, in gene localisation on chromosomes)
Recombination of DNA fragments can be studied experimentally by allowing fusion of cells from two different species and then placing in culture. The fused cell-hybrids contain chromosomal constitution from both species and exchange segments of DNA as they regenerate and divide. All these regeneration processes involve random exchange of DNA sequences, and eventually protein synthesis is significantly changed from the pre-fused ancestor cells.
In 1972, Jackson et al. described the biochemical methods for cutting DNA molecules from two different organisms, using restriction enzymes, and recombining the fragments to produce biologically functional hybrid DNA molecules.
Subsequently, scientists successfully inserted the genes for both chains of insulin into some strain of Escherichia Coli, and after isolation and purification, the A and В chains were joined by disulphide bonds to produce human insulin. With the discovery of 'Recombinant DNA' technology, a number of essential substances such as, human insulin, interferon, human growth hormone, calcitonin and many others are produced commercially.
Mutation:
A change of a base pair of the DNA molecule is known as the gene mutation (point mutation). Since genes are responsible for the synthesis of protein through transcription from DNA to RNA and translation from RNA to protein, the mutation may have the following diverse effects on the corresponding protein:
(a) The changed triplet codon may code for the same amino acid without any alteration of the resulting protein. About 20 to 25% of all possible single base changes belong to this type.
(b) In about 70 to 75% cases a single base mutation may code for a different amino acid and result in the synthesis of an altered protein which produces reduced or complete loss of biological activity.
(c) In about 2 to 4% cases of single base mutation, the triplet may signal the termination of a peptide chain which is unable to retain normal biological activity.
(d) On rare occasions, more than a single base in the DNA sequence may be involved in a gene mutation. As a result the level of a particular enzyme may be reduced because it is not synthesized or synthesized with reduced activity. Sometimes, a gene mutation may lead to increased synthesis of enzymes with increased activity.
(e) In some cases of genetic disorders a specific protein may be synthesized, but the protein remains functionally inactive. This happens in most cases of haemophillia.
Normally base pairing in replication or transcription takes place in keto form, where the combinations are A=T (in DNA), A=U (in RNA), G=C. But in a gene mutation base pairing occurs in enolfrom, in which combinations are A=C, G=T (in DNA), G=U (in RNA). Such unusual bair pairing is known as tautomerisation.
Mutation may be spontaneous or induced by various chemical or physical agents, eg mustard gas, radiation from X-rays, gamma rays from radium and other radio-active atoms. Mutant genes may be inherited or appear at random. One of the typical examples of a gene mutation is observed in sickle-cell anaemia, where the beta chain of adult haemoglobin containing 146 amino acids possesses Valine, instead of glutamic acid, in the 6th position.
RNA directed DNA synthesis:
It has been suggested by Temin in 1972, from the study of RNA viruses that the flow of genetic information occasionally occurs in reverse direction from RNA to DNA with the help of reverse transcriptase. Such viruses are known as retroviruses, which when introduced into the host animal cell incorporate with the specific region of strand of nuclear DNA by a process of recombination.
This forms the basis of the study of oncogenes. Certain regions of DNA in normal cells serve as templates for the synthesis of RNA and the latter in turn acts as template for the synthesis of DNA, which is subsequently incorporated with the nuclear DNA. The resultant amplification of certain regions of DNA helps in embryonic differentiation and possibly in the pathogenesis of cancer.
Types of Genes:
1. Dominant gene expresses its physical or biochemical trait, when the allelic genes are either homozygous or heterozygous for the trait. This follows Men- delian patterns of inheritance and can be observed from the pedigree record of the family. Tallness is caused by dominant gene. The genetic constitution of a tall individual may be T:T or T:t (T for tallness, t for shortness). Most of the dominant traits are expressed in heterozygote state (Fig. 11-17).
Genetic disorders caused by mutation of autosomal dominant genes possess the following characteristics:
(a) The trait is passed on from one generation to another. It has a vertical transmission. Each affected person usually has an affected parent. Sometimes the disorder may appear suddenly in one generation. This may result from a fresh mutation; or if the parent with abnormal gene died in early life before the disease could manifest, the history of parent's affection may be lacking. This is so in Huntington's chorea, where the disease is expressed in mid-adult life.
(b) When one of the parents is affected, the risk of having an affected child is 50%.
(c) Since the trait is autosomal, both sexes may be equally affected. Some autosomal genes are expressed preferentially in one sex. These are called sex- limited genes. Gout and pre-senile baldness predominantly affect the males.
(d) If the affected individual marries a normal person, half of their children will be affected.
(e) The degree of expression of abnormal trait may vary in different members of the same family. For example, in poly- dactyly some member shows a small wart-like appendage on the side of the hand, whereas other member exhibits a complete extra-finger. Sometimes a gene, when non-penetrant, may not express it at all. If a child and a grandparent have the same disease and the middle generation does not show any manifestation, the condition is said to have skipped a generation.
(f) The unaffected mambers of a family do not transmit the trait further.
2. Co-dominant genes:
When both the allelic genes are dominant but of two different types, both traits may have concurrent expression. In ABO blood groups, A gene and В gene are both dominant; when they occupy identical loci in homologus chromosomes, AB blood group is expressed (Fig. 11-18).
3. Recessive genes:
Expresses the trait only in homozygote state that means when both alleles are recessive for that trait (Fig. 11- 19). Therefore following the Mendelian principles the genetic constitution of a short individual is t:t (t for shortness).
Diseases caused by mutation of autosomal recessive genes present the following characteristics:
(a) The disease is transmitted by a couple both of whom are carriers of one abnormal gene, but are themselves healthy because the other allele is normal.
(b) The pattern of transmission appears horizontal in pedigree analysis because often siblings are affected, whereas the parents are normal.
(c) The risk of having an affected child (with the double dose of the abnormal gene) to a carrier couple is 25%. Therefore, most carrier couples, if advised properly, would not take the risk of having another affected baby unless prenatal diagnostic facilities are available for the trait.
(d) Most of the metabolic abnormalities are inherited as autosomal recessive traits. The heterozygote status of a carrier couple (having one affected child) may be detected biochemically in several inborn errors of metabolism. The enzyme levels in the heterozygotes are about 50% less than the control.
(e) Since the condition is autosomal, both sexes are likely to be affected equally.
(f) The parents of individuals affected with autosomal recessive traits are often related, since the marriages between close blood relatives (cousin marriages) are more likely to carry the same genes from a common ancestor. The rarer a recessive disease, greater is the frequency of consanguinity among the parents of affected individuals.
(g) If two persons homozygous for a recessive condition were to marry and have children, all their children would be affected. But this is not so in every case. In one family both parents were albinos (recessive disorder), but their children were normal; careful examination of the father revealed that he had a different type of albinism from his wife.
4. Carrier Gene:
Heterozygous recessive gene acts as a carrier which may be expressed in subsequent generations. When both parents are heterozygous tall (T:t), the possibilities of the height of the offspring may be such that out of four children three are tall and one short, in the proportion of 3:1. One tall child is homozygous, and the other two are heterozygous.
5. Sex-linked Genes:
The genes located on the X chromosome or Y chromosome are known as the sex- linked genes. Mutation of X-linked genes is more common, and is mostly expressed as recessive traits.
Х-linked recessive traits (Fig. 11-20):
Haemophilia, partial colour blindness, glucose- 6-phosphate dehydrogenase deficiency, Duchenne's muscular dystrophy are examples of X-linked mutant recessive genes. These traits exhibit the following characteristics:
(a) The female (XX) becomes carrier of the disease when one X chromosome contains an abnormal gene, whereas the allelic gene of other X chromosome is normal. So the females do not express the disease in heterozygous state. On the other hand, when the abnormal gene involves the non-homologous part of single X chromosome of a male (XY), the disease is expressed in that individual because the defective gene has no corresponding allele in Y chromosome to counter-act. Hence, the affected male is called hemizygous. Broadly speaking, in X linked recessive traits the females are the carriers and the males are the victims of the disease.
(b) When mother is a carrier and father is healthy, 50% of the sons are affected by the disease and the remaining 50% are normal; 50% of the daughters are carrier of the disease and the rest are free. Therefore, when a boy is haemophilic, his mother should be a carrier and 50% of his sisters are carriers of the disease. However, the healthy brother or carrier-free sister of a haemophilic individual does not transmit the disease to the next generation.
(c) When mother is a carrier and father is haemophilic, half of the sons are affected and half are healthy; half of the daughters are affected and half are carriers. This shows that females may be affected in such parental combination, but the possibility is remote because the haemophilic male usually dies early before attaining parenthood. The above combination further shows that there is no male to male transmission.
(d) Als de getroffen mannetjes zich niet reproduceren, neigt het stamboompatroon van een X-gebonden recessieve eigenschap schuin te zijn omdat het kenmerk wordt overgedragen aan de zonen van dragerzussen van getroffen mannen.
(e) In zeldzame gevallen kan een vrouw een X-gebonden recessieve eigenschap vertonen. Dit kan als volgt worden uitgelegd:
(i) Zij kan een Turner-vrouwtje (XO) zijn;
(ii) Fysiek vrouwelijk uiterlijk is te danken aan testicular feminisation met XY-chromosomen;
(iii) Het getroffen vrouwtje kan dragermoeder en aangedane vader hebben; of een dragermoeder en een normale vader met een nieuwe mutatie die het X-chromosoom beïnvloedt.
X-gekoppelde dominante eigenschappen:
Deze worden waargenomen bij vitamine D-resistente rachitis en Xg-bloedgroep. De kenmerken van dominante eigenschappen zijn als volgt: -
(a) Een getroffen mannetje geeft de ziekte over aan al zijn dochters, maar aan geen van zijn zonen.
(b) Zowel mannen als vrouwen worden getroffen, maar de ziekte is minder ernstig bij vrouwen.
Y-Iinked Inheritance:
Dit wordt ook wel de holandrische overerving genoemd, waar alleen mannen worden getroffen. Het getroffen mannetje geeft de eigenschap door aan al zijn zonen en aan geen van zijn dochters. Man-naar-man overdracht is suggestief voor Y-gekoppelde overerving.
Harige oorschelp en HY-histocompatibiliteitsantigeen manifesteren holandrische overerving.
Symbolen die worden gebruikt in de Stamboom (Afb. 11-21):
Autosomale dominante overerving (Fig. 11 - 22)
Enkele voorbeelden van autosomale dominante eigenschappen-
ik. achondroplasia;
ii. Osteogenesis imperfecta;
iii. Brachydactylie, polydactylie, syndactylie;
iv. Echte pophyria met portwijnurine vanwege porfyrines;
v. Geslachtsbeperking, jicht en kaalheid bij voornamelijk pre-seniele mannen;
vi. Chorea van Huntington, verschijnt op ongeveer 50 jaar of ouder;
vii. Angioneurotisch oedeem;
viii. Familiale hypercholesterolemie;
ix. Diabetes insipidus;
X. Marfan-syndroom, gemanifesteerd door langwerpige ledematen, dislocatie van de lens van de ogen en cardiovasculaire abnormaliteiten;
xi. Nagelpatella-syndroom, gemanifesteerd door dystrofie van nagels, afwezigheid van patella en nefropathie;
XII. Meervoudige neurofibromatose;
xiii. Polyposis spoel.
Enkele voorbeelden van X-gebonden recessieve kenmerken-
ik. Haemophilita-Dit komt door functioneel defectief antihemofilisch globuline.
ii. Gedeeltelijke kleurenblindheid - Het wordt uitgedrukt als onvermogen om onderscheid te maken tussen rood en groen.
iii. Duchenne's spierdystrofie.
iv. Glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie-Het komt tot uiting door hemolytische anemie bij behandeling met primaquin, phenacetin, nitrofurantoin, some sulphonamides and acetyl salicylic acid.
v. Testicular-feminisering.
vi. Hunter's syndroom-Het is te wijten aan deficiënt enzym induronosulfaat sulfatase, en manifesteert zich door kenmerken van het syndroom van Hurler, met uitzondering van vertroebeling van het hoornvlies.
Autosomaal recessieve overerving (Fig. 11 - 22) 23):
Enkele voorbeelden van autosomale recessieve kenmerken-
(1) aangeboren fouten van het metabolisme;
ik. Acatalasie, vanwege deficiënt enzym katalase; het leidt tot orale sepsis;
ii. Albinisme, een volledige depigmentatie van 'huid door tekort aan tyrosinase;
iii. Alkaptonurie, waarbij getroffen personen donker gekleurde urine afscheiden vanwege de aanwezigheid van homogentisinezuur. Het wordt veroorzaakt door het ontbreken van enzym homogentisinezuur oxidase;
iv. Galactosemie, als gevolg van tekort aan Galactose-I-fosfaaturidyltransferase, en manifesteert zich door braken en diarree als gevolg van intolerantie voor galactose; dit wordt gevolgd door mentale retardatie, cataract en cirrose van de lever;
v. Hurlersyndroom, veroorzaakt door deficiënt enzymiduronidase en manifesteert zich door mentale retardatie, skeletafwijkingen, hepatosplenomegalie en vertroebeling van het hoornvlies.
vi. Fenylketonurie, vanwege gebrek aan fenylalaninehydroxylase en manifesteert zich door mentale retardatie, sprookjeshuid en epilepsie;
vii. Tay-sachs-ziekte, door gebrek aan hexosaminidase, en manifesteert zich door mentale retardatie, blindheid en neurologische afwijkingen.
(2) Hemoglobinopathieën:
ik. Bij sikkelcelanemieën bevat de beta-keten valine op de 6e plaats, in plaats van glutaminezuur. Heterozygote sikkelcelkenmerken zijn beter bestand tegen aanvallen van malaria.
ii. Thalassemia major wordt uitgedrukt in homozygoten en thalassemie minor in heterozygoten.
(3) Immunoglobinopathieën:
ik. Sommige van de immunologische stoornissen kunnen te wijten zijn aan autosomale recessieve kenmerken.
X-gebonden recessieve overerving (figuur 11-24):
Genetische factoren bij sommige veel voorkomende ziekten:
Suikerziekte:
Vroeg beginnende diabetes (juveniel-IDDM) is meer genetisch voorbestemd dan late onset-diabetes. Sommige onderzoekers suggereren dat het autosomaal recessieve overerving bezit, terwijl anderen denken dat het multifactoriële overerving heeft. Bij mensen met genetische predispositie worden prediabetica herkend door een verhoogde serumspiegel van antilichamen van eilandcellen.
Essentiële hypertensie:
Er zijn twee scholen over de wijzen van overerving; een school suggereert dat het multifactoriële erfenis bezit, terwijl andere scholen geloven dat het te wijten is aan mutatie van een enkel dominant gen.
Ischemische hartaandoeningen:
Vroeg beginnende ischemische hartziekte is het gevolg van familiale hypercholesterolemie die wordt overgeërfd als een autosomaal dominant kenmerk. Bij de meerderheid van de aangedane personen is de aandoening multifactoriaal met een erfelijkheid van ongeveer 65%.
Maagzweer:
Ulcus duodeni komt vaker voor bij personen met een О-groep bloed en bij niet-secretoren van ABO-stoffen. Veertig procent van de maagzweren heeft erfelijke aanleg.
Schizofrenie:
Het wordt geërfd op een multifatoriële basis met een erfelijkheid van ongeveer 85%. Sommigen geloven dat het wordt overgeërfd als autosomale dominante eigenschappen.
Bepaalde terminologie gebruikt in de genetica
(1) Genoom:
Het genoom geeft de volledige reeks genen aan, haploïde in de gameten en diploïde in de somatische cellen van een individu.
(2) Genotype:
Het betekent de genetische samenstelling van een persoon die is vastgesteld op het moment van bevruchting. Het genotype van een lang individu kan T: T (homozygoot) of T: t (heterozygoot) zijn, wat kan worden bepaald aan de hand van stamboomanalyse.
(3) Fenotype:
Het betekent fysieke of biochemische expressie van het genotype. Fenotype is potentieel variabel en is het resultaat van interactie tussen het genotype en de omgeving waarin het individu zich ontwikkelt en groeit. Het kan dus voorkomen dat een persoon met het T: T-genotype een korte lengte heeft. Dit is waarschijnlijk te wijten aan een aantal endocrinale of voedingsstoornissen die de werking van het genotype onderdrukken.
(4) Fenokopie:
Soms produceert een verandering in de omgeving een nieuw fenotype, dat sterk lijkt op de verschijningsoorzaken door een specifiek genotype. Een dergelijke vorm van fenotype staat bekend als fenocopy.
Jumping Genes of Transposons:
Dit zijn groepen van genetische elementen die echt van plaats naar plaats kunnen bewegen en daardoor de functie van de genetische targetregio wijzigen of onderdrukken. De springende genen omvatten pseudogenen, de retrovirussen en oncogenen en bezitten DNA-sequenties die springen. Elk springgen heeft aan beide uiteinden een korte, vergelijkbare terminale herhaling van basen.
Elk heeft de eigenschap van herkenning van een specifieke sequentie op het doel-DNA en genereert een directe herhaling daarvan. Als de doelwitsequentie wordt bereikt, produceren de beweegbare genen asymmetrische breuken op de tegenovergestelde strengen van de DNA-duplex en worden vervolgens geïntegreerd in de doelwitplaats.
De transposons regelen mutatie en recombinatie en kunnen verantwoordelijk zijn voor amplificatie van genen. De functionele status van de springende genen is nog niet doorslaggevend.
Genetische counseling:
Wanneer een individu of een koppel met een genetische afwijking advies inwint, wordt de geneticus met drie problemen geconfronteerd;
(a) om de nauwkeurige diagnose (genetisch of ecologisch) vast te stellen door klinisch onderzoek en laboratoriumonderzoeken;
(b) Om de prognose en de waarde van mogelijke behandelingen te bespreken;
(c) Om het risico van herhaling van de ziekte in een familie te bepalen en de eventuele detectie van de drager te onderzoeken.
Chromosomale onderzoeken en karyotypen zijn aangegeven in de volgende omstandigheden;
(i) bij zuigelingen met aangeboren afwijkingen waarbij meer dan één systeem betrokken is;
(ii) bij abnormale seksuele ontwikkeling;
(iii) onvruchtbaarheid, terugkerende abortussen enz.
Wanneer chromosomale defecten (numeriek of structureel) worden gedetecteerd met abnormale fenotypen, is behandeling, indien aanwezig, symtomatisch en niet genezend.
Discussie over het risico van herhaling in een gezin:
(1) Als beide ouders normale chromosomen hebben, hoewel het kind is aangetast door een chromosomale abnormaliteit (bijvoorbeeld Trisomy 21-Mongol), kunnen de ouders er zeker van zijn dat de kans op herhaling van dezelfde aandoening bij toekomstige kinderen kleiner is, omdat de oorzaak van deze afwijking is niet-disjunctie in de gametogenese, in het bijzonder met betrekking tot bejaarde moeder, en het verschijnsel is meestal toevallig.
Als echter het karyotype van Mongol baby-translocatie tussen G- en D-chromosomen (46) en het karyotype van de gezonde moeder gebalanceerde getransloceerde chromosomen vertoont, moeten de ouders worden geïnformeerd dat soortgelijke Mongolse baby zich vaker zou kunnen ontwikkelen in volgende zwangerschappen.
(2) Bij de persoon met heterozygote autosomale dominante gen (zeg bijvoorbeeld Achondroplasie) is het risico van recidief bij de nakomelingen 1 op 2 (50%), op voorwaarde dat het dominante gen volledig penetrerend is.
(3) Bij autosomale recessieve aandoeningen, wanneer beide ouders gezond zijn met heterozygote recessieve gen voor hetzelfde kenmerk, is de kans op herhaling (zeg fenylketonurie) bij de nakomelingen 1 tot 4. Ieder van ons draagt ongeveer 3 tot 8 schadelijke recessieve genen, maar de kans op expressie van een autosomale recessieve aandoening is zeldzaam, behalve bij bloedverwante huwelijken. Wanneer een fenylketonurische vader gaat trouwen met zijn achterneef, is de kans op het getroffen kind ongeveer 1 op 12, terwijl bij een huwelijk met een niet-verwante persoon de kans ongeveer 1 op 10.000 is.
(4) Bij geslachtsgebonden recessieve aandoeningen (zeg hemofilie) wanneer een jongen wordt getroffen, moet zijn gezonde moeder drager zijn en is 50% van zijn zus drager van de ziekte. De carrierdetectie is een belangrijke taak van de geneticus. Wanneer een X-gebonden aangedaan mannetje (bijvoorbeeld gedeeltelijke kleurenblindheid) kinderen verwekt, zijn alle dochters drager en zijn alle zonen normaal.
(5) Soms vraagt een individu om advies of hij door diabetes mellitus wordt getroffen, omdat beide ouders aan diabetes lijden (autosomaal recessieve aandoening).
In een dergelijk geval, afgezien van bloedglucose-analyse van het individu, zal de anti-eilandcellen-antilichaamtiter van zijn serum informatie verschaffen ongeacht of hij pre-diabetisch is. Hij wordt vervolgens geadviseerd om dieetbeperkingen op te volgen.
Detectie van vervoerders:
De dragers kunnen op de volgende manieren worden gedetecteerd:
Biochemische tests:
(1) Laag niveau van katalase bij acatalasie;
(2) Verhoogde serumspiegel van creatinekinase in de spierdystrofie van Duchenne;
(3) Vermindert factor VIII bij hemofilie A;
(4) Verminderde factor IX bij hemofilie B;
(5) Gereduceerd erytrocyt glucose-6-fosfaat bij G-6-PD-deficiëntie.
Amniocentasis:
(1) Prenatale bepaling van foetaal geslacht door onderzoek naar geslachtschromatine;
(2) Lecithine-sfingomyelineverhouding van vruchtwater voor detectie van foetale longvolwassenheid;
(3) Alfa-fetoproteïne niveau van vruchtwater voor detectie van anencefalie en open spina bifida.
Foetoscope:
Gebruik van een foetoscoop voor het verzamelen van foetaal bloed uit navelstrengvaten helpt de prenatale diagnose van sikkelcelanemie en bèta-thalassemie.
