Biologie für Mediziner WS `17/`18

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1 Biologie für Mediziner WS `17/`18

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5 ad Gentherapie

6 ad Gentherapie 1. At this time, given the nature and number of unanswered scientific, ethical, and policy questions, it is inappropriate to perform germline gene editing that culminates in human pregnancy. 2. Currently, there is no reason to prohibit in vitro germline genome editing on human embryos and gametes, with appropriate oversight and consent from donors, to facilitate research on the possible future clinical applications of gene editing. There should be no prohibition on making public funds available to support this research. 3. Future clinical application of human germline genome editing should not proceed unless, at a minimum, there is (a) a compelling medical rationale, (b) an evidence base that supports its clinical use, (c) an ethical justification, and (d) a transparent public process to solicit and incorporate stakeholder input.

7 Genom-Sequenzanalysen Mendelnde Erkrankungen Exom: nur Protein-kodierende Sequenzen Exom- vs. Genom-Sequenzanalyse - höhere Wahrscheinlichkeit, pathogene Mutationen zu identifizieren - effizientere Auswertung, da <3% des Gesamtgenoms - weniger Variationen, kostengünstiger

8 big data

9 Online Mendelian Inheritance in Man OMIM-Statistik autosom. X Y mito. Gene mit bekannter Sequenz Gene mit bekannter Sequenz und Phänotyp Phänotyp-Beschreibungen, molekul. Basis bekannt mendelnde Phänotypen / Loci, molekul. Basis unbekannt Phänotypen mit vermuteter mendelnder Basis

10 Mutationen / Gene Definition Mutation: Vorgang, der eine vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz bewirkt ( Abweichung von Wildtyp -Sequenz) Nukleotidabweichungen mit oder ohne phänotypische Auswirkung Polymorphismus / Variante / VUS variant of uncertain significance

11 Mutationen Soma Keimbahn

12 Mutationen / Gene Definition Mutation: Vorgang, der eine vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz bewirkt ( Abweichung von Wildtyp -Sequenz) Nukleotidabweichungen mit oder ohne phänotypische Auswirkung Polymorphismus / Variante / VUS variant of uncertain significance Gen: Nukleotid-Abfolge, die in RNA-Information übersetzt wird (Transkription), gemäß der Protein gebildet werden kann (Translation) Transkription + Translation Expression (zeit- und gewebespezifisch)

13 Gen-Definition lokalisierbare Region genomischer Sequenz, die einer Erb-Einheit entspricht, welche assoziiert ist mit regulatorischen und transkribierten Abschnitten sowie anderen funktionellen Sequenzregionen

14 Genstruktur Exons + Introns mrna-spleißen regulatorische Elemente Promoter enhancer, silencer mrna offener Leserahmen 5 UTR, 3 UTR

15 Standard genetischer Code T C A G T C A G TTT Phe, F TTC " TTA Leu, L TTG " CTT Leu, L CTC " CTA " CTG " ATT Ile, I ATC " ATA " ATG Met M GTT Val, V GTC " GTA " GTG " TCT Ser, S TCC " TCA " TCG " CCT Pro, P CCC " CCA " CCG " ACT Thr, T ACC " ACA " ACG " GCT Ala, A GCC " GCA " GCG " TAT Tyr, Y TAC TAA Ter TAG Ter CAT His, H CAC " CAA Gln, Q CAG " AAT Asn, N AAC " AAA Lys, K AAG " GAT Asp, D GAC " GAA Glu, E GAG " TGT Cys, C TGC TGA Ter TGG Trp, W CGT Arg, R CGC " CGA " CGG " AGT Ser, S AGC " AGA Arg, R AGG " GGT Gly, G GGC " GGA " GGG " offener Leserahmen (mrna/cdna- Sequenz) AUG ATG Met Start Stop UGA UAA UAG TGA TAA TAG

16 alternatives Spleißen Spleißen Alternatives Spleißen Protein-Isoformen A 1 A 2 A 3 >94% humaner Gene alternativ gespleißt 50% pathogener Mutationen beeinflussen Spleißen

17 Spleißosomen: Spleiß-Code Verzweigungsstelle 3 Spleißstelle 5 Spleißstelle ISE ESE ESS ISS ISE ESE/ESS Mutationen ISS/ISE Mutationen Spleißstellen-Mutationen Spleiß-Mutationen

18 Konsensussequenzen von 3 Spleißstellen verschiedener Intron/Exon-Grenzen 5 Spleißstelle Verzweigungsstelle 3 Spleißstelle 5 Spleißstelle 3 Spleißstelle Verzweigungsstelle Buchstabenhöhe proportional zur Basenfrequenz in der jeweiligen Position

19 Spleißosomen

20 Spleiß-Therapiemethoden ASOs spinale Muskelatrophie SMaRT (Spliceosome-Mediated RNA Trans-splicing) endogene mrna exogene RNA Trans-splicing

21 Anzahl Neumutationen Anzahl Neumutationen Neumutationen + Elternalter väterliches Alter in Jahren mütterliches Alter in Jahren Goldmann et al., Nature Genet 2016

22 Mechanismen bei Neumutationen homologe Fehl- Rekombination Duplikation Deletion Chromatin offen kontrahiert RNA-Polymerase Transkription mrna CpG-Dinukleotide

23 Neumutationen junge Eltern alte Eltern parental postzygot. 4% Keimbahn 89% 23 Mitosen/Jahr 22 Mitosen 23 Mitosen/Jahr 22 Mitosen Mitosen bei 20-jährig. >600 Mitosen bei 40-jährig. postzygot. 7% Neumutationen SNV, 1-2 kodierend 3-9 indels; 0,015 CNV 2 Neumutationen/zusätzl. Jahr bei Zeugung 0,2 Neumutationen/zusätzl. Jahr bei Zeugung indels + CNVs

24 Schlußfolgerungen Autismus- + Schizophrenie-Erkrankungen Spermien einfrieren in jungen Jahren? Selektionsdruck erhöhen?

25 Spontan-Mutation elterl. DNA neue DNA Neu-Mutation (de novo) nicht Mutagen-induziert Fehler DNA-Replikation Basen mismatch DNA- Replikation unverändert mutiert

26 Spontan-Mutationsrate Rate variiert für verschiedene Gene, abhängig von Größe des Gens Sequenz Mutationen in hot spots Pseudogene Mutationsraten: pro Locus und Generation 10-8 pro Nukleotid und Generation Neumutationsrate Duchenne Muskeldystrophie: 3x10-5 jeder Mensch wird mit 60 Neumutationen geboren (und erwirbt somatisch zusätzliche Mutationen) - meist in nicht-kodierenden Genom-Abschnitten aber - durchschnittlich 1 Aminosäuresequenz-Änderung

27 Erkrankung Mutationsraten in Krankheitsgenen Mutationen / 10 6 Gameten Phänotyp Duchenne Muskeldystrophie chron. progr. Muskelerkrankung Hämophilie A Blutgerinnungsstörung Hämophilie B 0,5-10 Blutgerinnungsstörung Achondroplasie 10 Zwergwuchs Aniridie 2,6 Iris-Fehlen, -Defekt M. Huntington < 1 Bewegungsstörung, Psychosen etc. Marfan-Syndrom 4-6 Hochwuchs, Aortenruptur etc. Neurofibromatose Typ I Gutartige ZNS-Tumoren/Haut Osteogenesis imperfecta 10 Glasknochenkrankheit Polyzyst. Nierenerkrankung Zystennieren, Nierenversagen Retinoblastom 5-12 Netzhauttumore

28 Mutationen: hot spots spezifische Basensequenzen (z.b. GC-reiche Abschnitte, CpG-Nukleotide 5-Methylcytosin) kurze repetitive Sequenzen Replikations- und/oder Reparaturenzyme verursachen Fehler palindromische Sequenzen oft assoziiert mit Insertionen oder Deletionen Duplikationen größerer Regionen Fehlpaarung in Meiose durch Pseudogene/ repetitive Sequenzen

29 Punktmutationen Transitionen (Pu Pu; Py Py) Transversionen (Pu Py) spontane Depurinierung, Depyrimidierung, Desaminierung stumme (kein AS-Austausch) DNA-Polymorphie neutrale (keine Aktivitätsänderung des Proteins) missense (geänderter AS-Rest/Leserahmen erhalten) nonsense (vorzeitiger Translationsstop) [Insertion/Deletion]

30 Punktmutation C T T A G T G A C T A C G G T A A A G A A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein C T T A G C G A C T A C G G T A A A G A A T C G C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G C G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein stumm/still

31 Punktmutation C T T A G T G A C T A C G G T A A A G A A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein C C T A G T G A C T A C G G T A A A G G A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C C U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Pro Ser Asp Tyr Gly Lys Protein missense

32 Punktmutation C T T A G T G A C T A C G G T A A A G A A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein C T T A G T G A C T A G G G T A A A G A A T C A C T G A T C C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A G G G U A A A RNA Leu Ser Asp Stop nonsense Protein

33 Punktmutation: Insertion C T T A G T G A C T A C G G T A A A G A A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein C T T A G T T G A C T A C G G T A A A G A A T C A A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Stop Protein

34 Punktmutation: Deletion C T T A G T G A C T A C G G T A A A G A A T C A C T G A T G C C A T T T DNA C U U A G U G A C U A C G G U A A A RNA Leu Ser Asp Tyr Gly Lys Protein C T T A G G A C T A C G G T A A A... G A A T C C T G A T G C C A T T T... DNA C U U A G G A C U A C G G U A A A... RNA Leu Arg Thr Thr Val Lys Protein Leseraster-Verschiebung

35 Cystische Fibrose >2000 Mutationen häufigste Mutationen in D

36 Induzierte Mutationen Chemikalien + Strahlung Mutationen Mutagene (mutagen wirkende Substanzen) Karzinogene (karzinogen wirkende Sustanzen) Alkylantien (entfernen Base) Akridine (Entfernung / Einfügung von Basen) Röntgenstrahlen (Chromosomenbrüche, Deletionen) UV-Strahlung (Thymidin-Dimere)

37 DNA-Reparatur Fehler in DNA-Replikation / -Schädigung Mutationen allermeiste Fehler in Zellen repariert verschiedene Reparaturmechanismen Mutationen in DNA-Replikation 1 : 10 8 Basen

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40 Mismatch Reparatur P.Modrich mismatch repair-enzyme erkennen in Replikation Basenfehlpaarungen im neu synthetisierten DNA-Strang A C fehlerhafte Base korrigiert mismatch proof reading

41 Excisions-Reparatur A. Sancar UV T. Lindahl schadhafter DNA-Abschnitt/Base excidiert, mittels DNA- Polymerase ersetzt: Nukleotid- Excision Austausch <20 Nukleot./1 Base UVB-Schäden, Karzinogene Einzelbasen-Excision 1-5 Basen ersetzt repariert oxidative Schäden C=C C=C C=C

42 DNA-Reparatur Versagen DNA-Reparaturmechanismen Mutationen somatische Gewebe altern umfangreiche Schäden programmierter Zelltod (Apoptose) betroffener Zellen (p53-induziert) Mutationen in Genen für DNA-Reparatur-Enzyme Mutationen, vorzeitiges Altern

43 Erbl. Störungen der DNA-Replikation und -Reparatur Erkrankung Frequenz Defekt Ataxia telangiectasia 1/40,000 Kinase-Defekt in Zellzyklus- Kontrolle Bloom-Syndrom Fanconi-Anämie Hereditary nonpolyposis colon cancer (HNPCC) 100 Fälle seit /22,000 best. Populationen DNA-Ligase-Defekt defekte Excissionsreparatur 1/200 Mismatch Repair-Defekt Werner-Syndrom 3/1,000,000 Helicase-Defekt Xeroderma pigmentosum 1/250,000 defekte Excissionsreparatur Trichothiodystrophie <100 Fälle defekte Excissionsreparatur

44 Hämoglobin 4 Globin-Proteine umgeben 4 Häm- Gruppen (Fe-Atom): je Ketten β-kette O 2 -Transport Lunge Peripherie CO 2 Lunge α-kette Häm

45 Basenaustausch im HBB-Gen Sichelzell-Anämie Wildtyp ACT CCT GAG GAG AAG ACT CCT GTG GAG AAG mutiert. Allel Thr Pro Glu Glu Lys 6 Thr Pro Val Glu Lys 6 (HbS Glu6Val) Normale Erythrozyten Sichelzell- Form

46 HBB-Genotyp Sichelzellanämie-Phänotyp Sichelzell-Anämie war 1. Erkrankung mit definierter molekularer Ursache Phänotyp bei homozygoten Mutationsträgern: verändertes Hb präzipitiert im desoxygenierten Zustand Erythrozyten sicheln hämolytische Anämie, Infarkte, Skelettstörungen heterozygote Anlageträger häufiger in Malaria- Endemiegebieten: Resistenz evolutionärer Selektionsvorteil