GENETK VARYASYONLAR VE FENOTPK ETKLER Prof Dr Nurten

GENETİK VARYASYONLAR VE FENOTİPİK ETKİLERİ Prof. Dr. Nurten Kara OMÜ, Tıp Fakültesi, Tıbbi Biyoloji Anabilim Dalı, Samsun

Genetik Varyasyon l Popülasyonda, bireyler arasında, fenotipik farklılıkları oluşturan genetik dizilerdeki değişimlerdir

Genetik varyasyonlar kalıtsal hastalıklar oluşturabilir Genetik hastalıklar FMF Down sendromu Orak hücre anemisi Turner sendromu Kompleks hastalıklar Kardiyovasküler hastalıklar Obezite Metabolik sendrom Alzheimer - Çevre - Genler

İnsan genomundaki varyasyonların gen regülasyonuna etkileri Rajini R et al. JMB, 2013

Hastalık nedeni varyantlar Peterson TA. , et al. , JMB, 2013

Genetik varyasyonlar olumlu olabilir l l l Bazı varyasyonlar adaptasyon ve yaşam süresini arttırırlar CCR 5 geni delta 32 mutasyonunu homozigot taşıyan bireyler HIV’e dirençlidir Orak hücre anemisi taşıyıcıları (heterozigotlar) sıtma hastalığına dirençlidirler

Varyasyon Çeşitleri Tek nükleotid polimorfizmleri (SNP) l Mikrosatellit ve minisatellit varyasyonları l Yapısal varyasyonlar -İnsersiyon ve delesyonlar -Kopya sayısı varyasyonları -Kromozomal varyasyonlar l Epigenetik varyasyonlar l

Varyantlar için diğer bir sınıflandırma; l Küçük ölçekli - Büyük ölçekli varyantlar l Nadir gözlenen - Yaygın gözlenen varyantlar l Patojenik - Patojenik olmayan varyantlar

SNP VARYASYONLARI İnsanda en sık gözlenen varyasyon: Single Nucleotide Polymorphisms-SNPs GATTTAGATCGCGATAGAG GATTTAGATCTCGATAGAG ^ Tüm genetik varyasyonların yaklaşık %90’nını oluşturur

SNP Çeşitleri Circulation. 2007; 115: 3130 -3138 SNP’lerin %3 -5’i nonsinonim’dir ve fenotipik faklılıklar oluştururlar. Sinonim SNP’ler fenotipik farklılık oluşturmazlar. Nesilden nesile kararlı bir şekilde aktarıldıkları için genom wide assosiasyon çalışmalarında marker olarak kullanılırlar.

SNP sıklığı l l l Genel popülasyonda SNP’lerin minor allel frekansı (MAF) %5’in üzerinde ise “yaygın gözlenen varyant”, %0. 5 ile %5 arasında ise “düşük frekanslı varyant”, %0. 5’den daha düşük ise “nadir varyant” olarak tanımlanmaktadırlar.

GWA çalışmaları ile tanımlanan hastalık nedeni allellerin etkilerinin spektrumu. Bush WS, Moore JH. PLo. S Comput Biol. 2012; 8(12)

SNP çalışmalarındaki son durum; l l l l Tüm genom dizileme ile 14 farklı popülasyondan alınan 1092 kişinin genomu incelenmiş; Geçerli kayıtta olan yaklaşık 38, 000 milyon SNP bulunmuştur Bunların % 59’u yenidir. Yeni bulunan varyantların büyük bir kısmı düşük sıklıkta olan nadir varyasyonlardır Yeni varyasyonların çoğu Afrika kökenli bireylerde gözlenmiştir. Nadir varyantlar özellikle kodlanan bölgelerde bulunmakta olup exon dizileme çalışmaları ile tespit edilmişlerdir. Hastalık riski açısından sıklıkla potansiyel zararlıdırlar.

db. SNP’te 2005’den 2012’ye kadar girilen SNP sayısı (Matullo et al. 2003)

Frazer KA. , et al. , Nature Reviews 2009; 10: 241 -251

Mikrosatellit DNA dizileri Genellikle 1, 2, 3, veya 4 nükleotidlik kısa tandem tekrar (STR) dizilerinden oluşan 100 bç’den küçük dizilerdir. TGCCACACACAGC TGCCACACA------GC TGCTCATCAGC TGCTCATCA------GC TGCTCAGTCAGGC TGCTCAG----GC İnsan genomunda ikinci sırada sık gözlenen (%3) varyasyonlardır. Kromozomların tümüne dağılmışlardır. Fonksiyonel etkileri, genomda bulundukları bölgeye göre değişir.

Mikrosatellit tekrar artışının mekanizması

Frajil X sendromunda, FMR 1 geninde mikrosatellit tekrar artışı

Kolorektal kanserde kodlanan gen bölgelerindeki mikrosatellit instabilitesi (Lacopetta B. et al. , 2010)

Minisatellit DNA dizileri l l l DNA’da 10 -50 bç’lik dizilerin tekrarından oluşan 0. 1 -20 kb uzunluğundaki dizilerdir Kromozomların telomerlerinde ve subtelomerik bölgelerde bulunurlar Eşit olmayan rekombinasyonla meydana gelirler http: //eichlerlab. gs. washington. edu

Yapısal varyasyonlar (Cell. 2013 152(3): 394– 405.

İnsan genomunda mikroskobik yapısal varyasyonlar

(Kim YJ. , 2012) Retrotranspozonlar ve DNA transpozonlar

Kim YJ. , 2012 Konakçı genomuna entegre olan TE’ler ile gen ekspresyonunun değişim mekanizması. TE’ler alternatif transkriptler oluşturabilir veya gen ekspresyonunu bozabilirler.

İnsan genomunda aktif transpozabıl elementler ile genomik yeni düzenlenmeler YJ Kim, et al. Impact of Transposable Elements 2012

Kopya sayısı varyasyonları l l l Kopya sayısı varyasyonları daha çok 1 kb’dan 1 Mb’a kadar değişen büyüklükte ve kopyaları özdeş (>%90) olan DNA dizilerinin üste segmental duplikasyonlarıdır. Populasyonda CNV’lerin sıklığı %1’den fazla ise kopya sayısı polimorfizmi (CNP)olarak tanımlanır. Genomik varyant verilerine (Database of Genomic Variants, DGV) göre insan genomunun %18. 8’ini CNV’ler oluşturmaktadır.

Kopya sayısındaki değişimlerin biyolojik etkileri l l l İnsanda DNA kopya sayısındaki değişimler genellikle zararlı etkiye sahiptir. Genlerin delesyon ve duplikasyonları pek çok defektler oluşturabilmektedir Kromozomun tamamının veya segmental anöploidilerinin analiz edilen bütün türlerin organizmalarında, daima ciddi gelişim anomalileri ya da ölüme yol açtığı bilinmektedir. Diğer taraftan mikroorganizmalardaki kopya sayısı değişimlerinin hayatta kalma sürelerindeki artış gibi yararlı etkisi olduğu tespit edilmiştir.

Küçük ölçekli kopya sayısı değişimlerinin etkileri l l l l Tomurcuklanan maya hücrelerinde, hücresel fonksiyonu etkileyen beta-tubulini kodlayan genin fazladan bir kopyasının hayatla bağdaşmadığı gözlenmiştir İnsanda yapılan çalışmalarda nadir gözlenen kopya sayısı değişimleri, nöro-gelişim düzensizliklerinin %15’inden sorumludur; PMP 22 duplikasyonu; Charcot-Marie-Tooth 1 A nöropati, SNCA duplikasyonu; parkinson, GSK 3 b duplikasyonu; bipolar bozukluk, C 4 geninin delesyonu lupus ile ilişkilidirler. Ayrıca genlerin duplikasyon ve delesyonları tümörogenezisin en büyük nedenidirler. Myc onkogeninin amplifikasyonu insan akut miyeloid löseminin itici bir faktörüdür.

Kopya sayısı varyasyonu ile oluşan Charcot-Marie Tooth (CMT) hastalığı Kromozom 17 p 11. 2 -p 12’deki 1. 5 Mb’lık tandem duplikasyon ile oluşan PMP 22’geninin üç kopyası kalıtsal bir nöropati olan CMT hastalığına neden olmaktadır

Büyük ölçekli DNA kopya sayısı değişimlerinin fenotipik etkileri l l Genomda büyük ölçekli kopya sayısındaki değişimler, bir çok genin kopya sayısındaki değişimlerin kümülatif etkisi nedeniyle fenotipik değişime neden olabilirler. Tüm kromozom kopya sayısı değişimlerinin fenotipik etkileri üzerine yapılan çalışmalar arasında; Anöploid maya soylarında, standart büyüme koşulları uygulanarak yapılan hücre kültürü çalışmalarında, çoğalmanın azaldığı gözlenmiştir. Bub. R 1 veya Cdc 20 mutasyonlarıyla rastgele anöplodi oluşturulan, trizomik fare embriyonik fibroblast hücre kültürlerinde, hatalı kromozom ayrılması nedeniyle çoğalma defektleri gözlenmiştir.

Epigenetik Mekanizmalar RNA Interferens Gen Ekpresyonu Histon Modifikasyonları Ubiquitinasyon DNA Metilasyonu

RNA Interferens (RNAi) http: //www. nature. com/ncpneuro/journal/v 3/n 7/images/ncpneuro 0551 -f 1. jpg

Mikro RNA’lar l l l İnsanda şimdiye kadar 1872 mi. RNA tanımlanmıştır (http: //www. mirbase. org). mi. RNA’lar, hücre metabolizması, proliferasyon, apopitozis, immun fonksiyon, doku gelişimi ve farklılaşma gibi önemli hücresel işlemlerin regülatörüdür. İnsanda tüm transkriptlerin üçte birini etkilemektedirler.

Mikro RNA’lar ve Alkole bağlı olmayan karaciğer yağlanması l l mi. R-122, lipid ve kolesterol metabolizmasında rol oynamaktadır İnsanda karaciğerde bulunan tüm mi. R’ların %70’ini mi. R 122 oluşturur. Alkole bağlı olmayan karaciğer yağlanmasının gözlendiği 25 hasta ve 25 sağlıklı kontrol bireyde QRT-PCR ile mi. R 122 düzeyi incelenmiş ve çok düşük düzeyde olduğu gözlenmiştir. mi. R-122’nin azalması lipogenik genlerin m. RNA ekspresyonlarının artmasına ve karaciğer yağlanması ve kolesterol düzeylerinin yükselmesine neden olmaktadır.

Nörolojik hastalıklarda gözlenen DNA metilasyon değişimleri Urdinguio RG. , et al. , Lancet Neurol 2009; 8: 1056– 72

Nörölojik hastalıklarda gözlenen histon modifikasyon değişimleri

Epigenetik ilaçların nörolojik hastalıkların tedavisinde potansiyel kullanımı için hücre ve hayvan modelleri çalışması

Kardiyovasküler hastalıklar ve varyasyonlar l l l Yaygın gözlenen genetik varyasyonlar, toplumda sık gözlenen kardiyovasküler hastalıklara yatkınlığa neden olabilmektedir. Nadir olan varyantlar ise hastalığın temel patolojik etkenidir. Koroner arter hastalığında, varyasyonların %30 -60 oranında sorumlu ve kalıtılabilen faktörler olduğu sonucuna varılmıştır

GWA çalışmaları ve CVH risk faktörleri l l l Avrupa kökenli 100184 bireyde yapılan GWA çalışmasında 2. 6 milyon SNP tespit edilmiş ve bunlardan; 22 lokusun, plazma LDL-C ile 31 lokusun HDL kolesterol ile 16 lokusun ise trigliseridlerle ilişkili olduğu sonucuna varılmıştır. Bu varyantlar her bir özellikten %25 -30’dan daha fazla sorumludurlar.

CVH’da yapılan GWA çalışmalarının sonuçları Sawhney et al. Current Genomics, 2012, Vol. 13, No. 6

CVH için yapılan GWA çalışmalarının sonuçları 2 Sawhney et al. Current Genomics, 2012, Vol. 13, No. 6

Gelinen nokta l l Her kompleks fenotip, kalıtsal faktörlerin kombinasyonu ile kontrol edilmektedir ve bunların büyük bir kısmı genetik varyantlar ve çevresel etkileşimler ile oluşturulmaktadır. İnsan genom projesinin tamamlanmasından sonraki yıllarda, varyasyonlar üzerine yapılan tartışmalar sonucunda; Yaygın hastalık- Yaygın Varyant hipotezine göre “kompleks özellikler büyük oranda küçük etkileri olan yaygın gözlenen varyantlar ile oluşurlar” görüşünde birleşilmişti.

l l Son iki yıldır GWA çalışmalarından elde edilen sonuçlar yaygın hastalık-yaygın varyant hipotezinin geçerliliğini zayıflamıştır. Nadir Varyant hipotezi ön plana çıkmış ve buna göre, “kompleks özellikler düşük frekanslı, yüksek penetranslı nadir varyantlar ile oluşturulmaktadır” görüşünde birleşilmiştir.

l Genetik varyasyonlar epigenetik profilleri ile birlikte değerlendirilmelidir. Böyle bir değerlendirmeye ancak 3. nesil bir dizileme teknolojisi ile ulaşılabilecektir. l Gelecekte planlanan, Helicos ve Pasific Bioscience gibi şirketlerin öncülüğünü yaptığı, bir tek DNA molekülünden tek bir bazın metilasyonunu tayin edebilecek çözünürlükte genetik ve epigenetik verilerin birleştirilmesini sağlayan bir dizileme teknolojisinin kullanımıdır.

Kaynaklar l l l l Kelly A. Frazer, Sarah S. Murray, Nicholas J. Schork and Eric J. Topo l. Human genetic variation and its contribution to complex traits. Nature Reviews 2009; 10: 241 -251. Matullo G, Cornelia Di Gaetano, and Simonetta Guarrera. Next Generation Sequencing and Rare Genetic Variants: From. Human Population Studies to. Medical Genetics. Environmental and Molecular. Mutagenesis 2013 ; 54: 518 -532 Yun-Ji Kim, Jungnam Lee, Kyudong Han, Transposable Elements: No More ‘Junk DNA’ Genomics Inform 2012; 10(4): 226 -233 Sawhney V. , et al. , Current Genomics in Cardiovascular Medicine. Current Genomics, 2012, 13, 446 -462. Peterson TA. , Towards Precision Medicine: Advances in 5 Computational Approaches for the Analysis 6 of Human Variants, YJMBI-64195, 2013 Published by Elsevier Ltd. Sawhney V. , et al. , Current Genomics in Cardiovascular Medicine. Current Genomics, 2012, 13, 446 -462 Cheung O. , et al. , Nonalcoholic Steatohepatitis Is Associated with Altered Hepatic Micro. RNA Expression. Hepatology, Vol. 48, No. 6, 2008