Terminologie der Formalgenetik zur Identifizierung genetischer Modulatoren

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1 Terminologie der Formalgenetik zur Identifizierung genetischer Modulatoren Stefan-Marcel Loitsch, Christian von Mallinckrodt, Tim Hirche, Thomas OF Wagner Pneumologie und Allergologie, Medizinische Klinik II, Universitätsklinik Frankfurt

2 Betroffene Organe bei CF Atemwege Leber Pankreas Dünndarm Zäher Schleim Infektionen und Inflammation Leberzirrhose Pankreasinsuffizienz Diabetes Obstruktion Fettreicher Stuhl Reproduktionsorgane Infertilität Haut Schweißdrüsen sezernieren massiv NaCl

3 Genotyp- /Phänotyp-Korrelation der ΔF508-Mutation Atemwege Trotz des gleichen Genotyps ist der Phänotyp sehr unterschiedlich Pankreas Enge Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp

4 Warum ist die Genotyp-/Phänotyp- Korrelation bei CF gestört? Ursachen für phänotypische Modifikation: Umweltfaktoren Polygenische Faktoren: Hauptgen CFTR wird beeinflusst durch ein oder mehrere andere Gene, die genetischen Modulatoren

5 Was sind genetische Modulatoren? Genetische Modulatoren liegen vor: Wenn die Auswirkung der Expression eines Gens die Auswirkung der Expression eines anderen Gens verändert. Veränderung kann bedeuten: Krankheitsbild verschlimmert sich Krankheitsbild verbessert sich Komplett anderer Phänotyp

6 Wie findet man genetische Modulatoren oder Umweltfaktoren? Direkter Verdacht, dass ein bekanntes Genprodukt am Krankheitsverlauf beteiligt ist Diskrimination von Umweltfaktoren oder einem noch unbekannten genetischen Modulator mit molekulargenetischen Methoden

7 Zwillings- und Geschwisterstudien: Was erkannte Sir Francis Galston? Eineiige Zwillinge stimmen zu 100 % in ihren Erbanlagen überein. Zweieiige Zwillinge und Geschwister stimmen zu 50 % in ihren Erbanlagen überein. Fazit: Genetisch bedingte Merkmale sollten bei eineiigen Zwillingen besser übereinstimmen als bei zweieiigen.

8 Bei genetischer Komponente: Wie findet man genetische Modulatoren? Kopplungsanalyse Kombiniert Analyse von Stammbäumen mit gentechnischen Methoden. Suche in Familienstammbäumen nach gemeinsamer Transmission der Allele eines Markers mit dem Krankheitsbild. Assoziationsstudie Suche in einer Population nach Zusammenhang der Allele eines Markers mit dem Krankheitsbild.

9 Worin Mendel irrte: Das Unabhängigkeitsgesetz Cave! Thomas Hunt Morgan ( ) Nobelpreis 1933 Was Mendel nicht wissen konnte: Thomas Hunt Morgan entdeckte, dass Gene auf Chromosomen in organisierter Form lokalisiert sind. Gene auf einem Chromosom werden überzufällig häufig gemeinsam vererbt (Kopplung; linkage). Die Gene auf einem Chromosom werden als Kopplungsgruppe bezeichnet

10 Das Unabhängigkeitsgesetz und seine Ausnahme: Kopplung Kopplung: Die Eigenschaft genetischer Merkmale, miteinander verbunden zu bleiben, anstatt sich unabhängig zu verteilen. Je enger Gene beieinanderliegen, desto häufiger werden sie gemeinsam vererbt.

11 Kopplung oder nicht? Rekombination und Crossing Over Je enger Gene beieinanderliegen, desto unwahrscheinlicher ist, dass sie durch ein Crossing Over voneinander getrennt werden.

12 Die Kopplung ermöglicht die Identifikation von Krankheitsgenen Der Einsatz von Markern hilft bei der Suche nach Krankheitsgenen. Tritt ein Marker nur bei Erkrankten auf, so ist er mit dem Krankheitsgen gekoppelt. Krankheitsgen und Marker liegen folglich nahe beeinander. Gesund CF Bande bei CF und Gesund gleich. Bande überall unterschiedlich. Ungekoppelter Polymorphismus. Bande bei CF unterscheidet sich von Gesunden. Dies ist ein mit der Mutation gekoppelter Marker.

13 Wann ist ein Marker geeignet? Marker ist nicht informativ, wenn Person homozygot für den Marker ist Auskunft über die Informativität des Markers gibt der polymorphism information content (PIC) n n-1 n PIC = 1 - Σp i 2 - ΣΣ 2 p i 2 p J 2 i=1 i=1 J=i+1 AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA Informativ Nein Nein Ja Ja

14 centimorgan Die Abstandseinheit einer Genkarte Die Abstandseinheit einer Genkarte wird in centimorgan (cm) angegeben. Ein centimorgan entspricht der Chance von 1% bei der Rekombination voneinander getrennt zu werden. 1 cm ist äquivalent zu etwa 1 Million bp. Der Name wurde zu Ehren von Thomas Hunt Morgan gegeben, der entdeckte, das die Erbanlagen in Chromosomen organisiert sind.

15 Prinzip der Kopplungsanalyse Stammbaumanalyse von Familien, in denen 2 Merkmale (an 2 Genloci) segregieren. Test auf Kosegregation von Markern (Merkmal 1) mit phänotypischem Merkmal (Merkmal 2). Entscheidung, ob die 2 zugehörigen Genloci gekoppelt sind (Hypothesentest) Schätzung der Rekombinationsfrequenz Θ Identifikation des Krankheitsgens durch Sequenzieren der Region um den Marker

16 Wie findet man ein Krankheitsgen? Beispiel Cystische Fibrose I Analyse von über 100 Patienten mit Eltern und Geschwistern. Hunderte von Markern überprüft. Einer schien mit dem CF- Gen gekoppelt: D7S15 67 Familien wurden untersucht: Rekombinationsfrequenz Θ = 0,17 LOD Score = 6,68 LOD Score über 3: sicherer Hinweis, dass das CF-Gen und der Marker auf dem gleichen Chromosom vorkommen und gekoppelt sind.

17 Wie findet man ein Krankheitsgen? Beispiel Cystische Fibrose II In situ-hybridisierung ergab Marker D7S15 liegt auf Chromosom 7. Ein anderes bereits kartiertes Gen auf Chromosom 7: Proto-Onkogen MET. Überprüfung mit MET ergab: LOD-Score = 19,28 Rekombinationfrequenz Θ = 0,02 (nur bei 2 von 123 Meiosen) Entfernung CF-Gen und MET: ca. 1 cm (ca. 1 Mio. Bp)

18 Wie findet man ein Krankheitsgen? Beispiel Cystische Fibrose III Eine andere Schätzung ergibt ähnliche Werte: Bei 13 von 101 Kindern waren Marker und CF-Gen auf verschiedenen Chromosomen: Voneinander getrennt durch Rekombination in der Meiose. Ergibt Rekombinationsfrequenz Θ = 0,13 Fazit: Marker und CF-Gen sind benachbart

19 Wie findet man genetische Modulatoren bei Cystischer Fibrose Als Merkmal für die Lungenerkrankung sollte man eindeutige Parameter wählen (z.b. FEV1 o. ä). Genetische Marker mit bekannter Lokalisation auf dem Genom sollten mit dem Auftreten des Merkmals gekoppelt sein (Rekombinationsfrequenz; LOD-Score) Näherung mit weiteren Markern, bis das gesuchte Gen sehr nahe bei einem bekannten Marker liegt. Sequenzieren der Region mit dem unbekannten Gen

20 Was sollte man sich merken? Genetische Modulatoren und Umwelt beeinflussen CF- Phänotyp Zwillings- und Geschwisterstudien helfen bei der Identifikation modulierender Faktoren Identifikation genetischer Modifikatoren mit Kopplungsanalyse: Gene auf einem Chromosom: gekoppelt Marker ermöglichen Identifikation von Krankheitsgenen bei Kopplung mit Phänotyp. Rekombinationsfrequenz centimorgan (cm) LOD-Score gibt Wahrscheinlichkeit einer Kopplung an