Was sind genetische Modulatoren?

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
Betroffene Organe bei CF
Atemwege
Zäher Schleim
Infektionen und Inflammation
Leber
Leberzirrhose
Pankreas
Pankreasinsuffizienz
Diabetes
Dünndarm
Obstruktion
Fettreicher Stuhl
Reproduktionsorgane
Infertilität
Haut
Schweißdrüsen sezernieren
massiv NaCl
Genotyp- /Phänotyp-Korrelation
der ΔF508-Mutation
Atemwege
Trotz des gleichen Genotyps ist
der Phänotyp sehr unterschiedlich
Pankreas
Enge Beziehung zwischen
Genotyp und Phänotyp
Warum ist die Genotyp-/PhänotypKorrelation bei CF gestört?
Ursachen für phänotypische Modifikation:
• Umweltfaktoren
• Polygenische Faktoren:
Hauptgen CFTR wird beeinflusst
durch ein oder mehrere andere Gene,
die genetischen Modulatoren
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
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
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.
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.
Worin Mendel irrte:
Das Unabhängigkeitsgesetz
• Was Mendel nicht wissen konnte: Thomas Hunt
!
e
v
a
C
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
Thomas Hunt Morgan
(1866-1945)
Nobelpreis 1933
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.
Kopplung oder nicht?
Rekombination und Crossing Over
• Je enger Gene beieinanderliegen, desto unwahrscheinlicher ist, dass
sie durch ein Crossing Over voneinander getrennt werden.
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.
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
PIC = 1 - Σpi2 i=1
AA
Informativ
AA
n
Σ Σ 2 pi2 pJ2
i=1 J=i+1
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
Nein
Nein
Ja
Ja
centiMorgan –
Die Abstandseinheit einer Genkarte
• Die Abstandseinheit einer
centiMorgan (cM) angegeben.
Genkarte
wird
in
• 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.
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
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 CFGen 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.
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)
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
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
Was sollte man sich merken?
• Genetische Modulatoren und Umwelt beeinflussen CFPhänotyp
• 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