Ontwikkeling en voortplanting - Genetica

1 Inleiding
2 Humane genoom
3 Mozaicisme
4 Ontstaan van genetische variatie
5 Cytogenetica
6 Mendeliaans erfelijkheid 1: autosomaal dominant/recessief
7 Mendeliaans erfelijkheid 2: X/Y-gebonden
8 Genetische diagnostiek
9 Multifactoriele erfelijkheid
10 Klinische utiliteit
11 Evolutionaire geneeskunde
12 Kanker
13 Onstabiele repeat sequenties
- Pathogenese
- Ontstaan
14 Epigenetica
15 Mitochondriele erfelijkheid
16 Prenataal genetisch onderzoek
17 Teratogenen
18 Frequente genetische aandoeningen

1 Inleiding

Mendeliaans = monogeen
oligogeen / polygeen
multifactorieel
- interactie met omgeving
niet-Mendeliaans
constitutioneel (germ line): in zygote
verworven: tijdens leven

2 Humane genoom

haploid genoom
- 3 miljard bp
- 60 000 genen
  - 20 000 coderend
- 230 000 RNAs
75% non coding DNA
- uniek of repetitief
  - dispersed vs tandem
- structurele functie
  - centromeren
  - telomeren
- transposons
- evolutionair restant
23 paar chromosomen
- 22 paar autosomen
- 2 geslachtschromosomen
pleiotropie
- verschillende functie in plaats of tijd
?
- dominant
- recessief
- co-dominant
  - bloedgroepen ABO
?
- homozygoot: 2 identieke allelen
- heterozygoot: 2 verschillende allelen
- hemizygoot: 1 allel
mutatie vs variant vs allel
- mutatie = oorzaak
- variant = gevolg
- allel = variant?
polymorfisme
- variant met freq > 1%
wild type allel: meest voorkomend
verandering
- single nucleotide variant/polymorphism (SNV/SNP)
  - oorzaak: puntmutatie
- insertie / deletie
  - kleine indels: tot 50bp
  - copy number variations (CNV): >50bp
- structurele varianten: >50bp
  - CNVs
  - inserties
  - inversies
  - gebalanceerde translocaties
- variabel aantal repeats
  - tandem repeats
    - short tandom repeats = microsatellieten: 2-6x
      - dinucleotide repeat: 2x
      - trinucleotide repeat: 3x
- epigenetische variatie
  - DNA methylering
  - chromatine structuur
functionele gevolgen
- spectrum
  - neutraal=stil: geen effect
  - residuele functie = hypomorf
  - funtioneel
- pathogeen vs benigne

3 Mozaicisme

mutaties tijdens somatische celdeling
- cellen wijken af van zygote -> mozaiek
soorten
- confined placental mozaicism (CPM)
  - in blastomeren of trofoblasten
  - recent onderzoek: placentaire-hart as
- gonadaal
  - in kiemcellijn
- somatisch
  - speciaal geval: kanker
chimerisme != mozaicisme
- van twee verschillende zygoten
- twee-eiige eenling (fusie)
- intra-uteriene transfusie tussen dizygote tweelingen
  - gedeelde placenta
- beenmergtransplantatie

4 Ontstaan van genetische variatie

Chomosomale afwijkingen

numerieke afwijkingen
- trisomie
  - 21 (Down)
structurele afwijkingen
- = deleties, duplicaties, translocaties
- random
- Robertsoniaanse translocatie
- microdeleties/-duplicaties
- oorzaken
  - flankerend repetitieve sequenties
    - ongelijke crossing over

Op gen niveau

mutatie hot spots
- voorbeschiktheid
- tandem repeats
  - moeilijk te repliceren
- gemethyleerde C*pG dinucleotiden
  - p = fosfaatgroep
  - - = gemethyleerd
    - de-aminering
      - C -> U -> correctie -> C
      - C* -> T -> geen correctie
  - groot effect op Arg
    - 4/6 codons bevat CG
puntmutaties vaak paternaal
- PGC bij man: mitose <-> vrouw
- mutaties met proliferatievoordeel
  - klonaal: geclusterd

Exogene invloeden

radioactief
- weinig effect?
mutagene stoffen
- o.a. bij kankerbehandeling
germinale = constitutionele mutaties
- erfelijk
somatische mutaties
- o.a. kanker
  - longkanker bij rokers
    - p53 tumor suppressor gen mutatie
      - G->T mutaties
  - longkanker bij niet-rokers en andere kankers
    - spontane C->T mutaties

5 Cytogenetica

classificatie van chromosomale afwijkingen
- ontstaan
  - meiotisch
    - trisomie 21
  - postzygotisch
  - bevruchting
- type afwijking
  - numeriek
    - polyploidie
      - triploidie: 3x23=69 chromosomen
    - aneuploidie
      - monosomie
        
        niet leefbaar, behalve Turner 45,X
      - trisomie
        
        vooral
        
        13
        
        18
        
        21 (Down)
        
        vaak lethaal behalve voor geslachtschromosomen
        
        47,XXX
        
        47,XXY
        
        47,XYY
  - structureel
    - deletie
    - duplicatie
    - translocatie
    - inversie
technieken
- karyotype
  - chromosoomkleuring tijdens mitose
  - sorteer op dalende grootte: 1 -> 22
  - armen: p (kort/petit) vs q (lang)
  - bandering
  - wanneer gebruiken?
    - whole genome sequencing (WGS) wordt populairder
    - wel nuttig voor Robertsoniaanse translocaties
- fluo in situ hybridisatie (FISH)
  - fluo sonde
  - hybridiseert = bindt met target DNA
- micro array
  - oudere techniek
miskramen
- natuurlijke selectie
- pre-implantatie genetische testing voor aneuploidie (PGT-A)
  - geeft geen betere resultaten
trisomie 21 (Down)
- "mongolisme"
- tegenhanger: monosomie -> miskraam
- klassieke vrije trisomie 21: 47,XX,+21 of 47,XY,+21
  - risicofactor: leeftijd moeder moeder
    - te jong: 20-
      - vooral grotere chromosomen -> miskraam
    - te oud: 33+
      - vooral kleine chromosomen (zoals bij T21)
  - ontstaan
    - non-disjunctie in meiose I van oocyt
    - premature scheiding van zusterchromatiden
    - omgekeerde segregatie
      - scheiding van zusterchromatiden in meiose I ipv II
  - erfelijk
- somatisch mozaicisme
  - ontstaan
    - non-disjunctie van chromatiden in mitose bij embryo
    - niet erfelijk
  - oorzaak: onbekend
  - minder ernstig
- Robertsoniaanse translocatie
  - translocatie tussen korte armen (p) van
    - 13, 14, 15, 21, 22 ("acrocentrische chromosomen")
  - deze p-armen zien quasi identiek
    - dus verlies is geen ramp
  - gebalanceerde translocatie
    - korte armen gaan verloren
    - lange armen vormen 1 nieuw chromosoom
    - resultaat: 45 chromosomen
  - erfelijkheidsrisico
    - startpunt: gebalanceerde Rob. translocatie(14;21)
    - uitkomst na bevruchting
      - 1/6 normaal
      - 1/6 drager
      - 1/6 monosomie 14 -> miskraam
      - 1/6 monosomie 21 -> miskraam
      - 1/6 trisomie 14 -> miskraam
      - 1/6 trisomie 21
chromosomale translocaties
- soorten
  - gebalanceerd <=> geen verlies van fragmenten
  - Robertsoniaans: tussen arcocentrische chromosomen
    - 2 lange q-armen samen
    - 2 korte p-armen samen
      - gaan vaak verloren (zonder nadeel)
  - reciprook: translocatie met uitwisseling
  - niet-reciprook: verplaatst zonder uitwisseling

6 Mendeliaans erfelijkheid 1: autosomaal dominant/recessief

Autosomaal dominant

vaak 1 ouder aangetast
- Aa x aa
- elk kind: 2/4 kans
verticaal overervingspatroon: ouder -> kind
uitzonderingen
- de novo mutaties
  - per definitie als het defect resulteert in
    - dood (lethaal)
    - infertiliteit
    - => kan niet doorgegeven worden aan nageslacht
  - late onset
    - de novo minder frequent
    - founder mutaties
      - als je al kinderen hebt
- onvolledige penetrantie
  - drager, maar fenotype soms niet geimpacteerd
  - BRCA1: 70% kans op borstkanker
- variabele expressie
  - komt vaak voor
  - soorten
    - partiele expressie
    - wisselende ernst
    - wisselende onset
      - BRCA1
- gonadaal en somatisch mozaicisme
- homozygoten + dominant
  - zeldzaam, tenzij
    - consanguiniteit
      - beide ouders heterozygoot -> kind 1/4 homozygoot
    - assortative mating ("soort zoekt soort")
  - volledig dominant
    - o.a. Huntington
    - defect heterozygoot = homozygoot
  - semi-dominant
    - defect heterozygoot < homozygoot

Autosomaal recessief

zeer zeldzaam
- uitzonderingen
  - muco in onze regio
  - sikkelcel in Centraal Afrika
vaak beide ouders heterozygoot ("drager")
- Aa x Aa
- homozygoot kind: 1/4 kans
horizontaal overervingspatroon -> siblings
- gezonde siblings: 2/3 drager
"obligate drager"
- kind homozygoot -> ouders beide heterozygote dragers
bijzondere situaties
- consanguiniteit
- uniparentele isodisomie (UPD)
  - isodisomie: 2 identieke chromosomen van 1 ouder
  - heterodisomie: 2 verschillende chromosomen van 1 ouder
  - gevolgen
    - imprinting (H14)
    - autosomaal recessieve aandoening (want homozygoot)
- pseudo-dominantie
  - als koppel beide dragers zijn
  - overervingspatroon lijkt dominant ("verticaal")

Dominant vs recessief

loss of function varianten
- gezond allel compenseert voor defect allel -> autosomaal recessief
- anders: haplo-insufficientie (helft is onvoldoende) -> autosomaal dominant
  - grote hoeveelheid nodig
  - exacte dosis belangrijk
- in praktijk: continuum
dominant negatieve pathogene varianten
- komt vaak voor in multimeer eiwitten
  - 1 fout onderdeel -> geheel defect
gain of function varianten
- Achondroplasie: receptor constant geactiveerd
- Huntington's

Genetische heterogeniteit

zelfde fenotype -> toch ander genotype
komt vaak voor
soorten
- allelische heterogeniteit
  - aandoening door verschillende pathogene varianten in zelfde gen
    - o.a. in muco (CFTR gen)
  - samengesteld heterozygoot: drager van 2 verschillende defecte allelen
    - typisch bij autosomaal recessief
      - behalve bij consanguiniteit -> typisch toch homozygoot
- niet-allelische (= locus) heterogeniteit
  - mutaties in verschillende genen

7 Mendeliaans erfelijkheid 2: X/Y-gebonden

vrouw = sterke geslacht?
sex ratio: man/vrouw
- meer mannen: > 1
- meer vrouwen: < 1
- IVF: m = v
- oude theorie: zaadcel met Y meer kans -> fout
- ramp (oorlog, aardbeving, aanslag, ...) -> meer meisjes (miskramen van jongens)
- rokers: meer meisjes
- selectieve onderbreking (China, ...) -> meer jongens
biologische fitness
- geslachtsverschillen
  - man <=> werkend SRY gen
    - te vinden op Y chromosoom
    - gonaden -> testes i.p.v. ovaria
    - anti Mulleriaans hormoon (AMH): geen kanaal van Muller, geen eileider en uterus
    - testosteron: kanaal van Wolff, ontwikkeling mannelijke genitalia
    - uitzonderingen
      - SRY defect: XY vrouw
      - SRY translocatie: XX man
        
        fout bij crossing over
  - hormonaal: testosteron: man > vrouw
    - risico op cardiovasculaire aandoeningen
  - genetisch: man (X) vs vrouw (XX)
    - geen "backup"

X-gebonden

recessief (doorgaans)
- schuin overervingspatroon
  - vaak enkel mannen verwant in vrouwelijke lijn
- moeder draagster
  - zoon 50% kans
  - dochter is obligate draagster
- nooit vader -> zoon
- altijd vader -> dochter (obligate draagster)
- komt vaak sporadisch voor
- empirische cijfers
  - grootmoeder draagster: 1/3 kans
  - moeder draagster: 2/3 kans
  - dus (theoretisch) dochter draagster: 2/3 * 50% = 1/3 kans
    - krijgt gezonde X van vader
    - krijgt 50% defecte X van moeder
dominant
- jongens: lethaal
- enkel meisjes aangedaan

X inactivatie

Lyonisatie
alle X chromosomen behalve 1 deactiveren
- dus trisomie minder ernstig bij geslachtshormonen
- werking
  - Xist gen
  - hypermethylering
  - densere chromatine
  - S fase: late replication
gebeurt vroeg in embryo (10-20 cellen)
- random -> normale verdeling
- kan dus heel scheef/skewed zijn
resultaat: mozaiek
omkeerbaar
- kiemcellijn: ja
- somatisch: nee
cross-correctie: kan gen op ander X chromosoom fungeren als backup?
- Hemofilie A
- Duchenne

Aneuploidie

Turner (45,X)
- vaak miskraam
- meisjes
- ~geen puberteit
- onvruchtbaar
- psychosociale impact
- waarom meer aangedaan door X-gebonden aandoeningen dan XX vrouwen?
  - XX vrouwen hebben toch ook maar 1 actieve X?
  - uitzondering: pseudo-autosomale regio (PAR) op X/Y
    - helpt bij crossing over in meiose
    - wordt niet gedeactiveerd
    - o.a. SHOX gen -> belangrijk voor groei
Klinefelter (47, XXY)
- jongens
- ~geen puberteit
- onvruchtbaar
- psychosociale impact
- normaal IQ

Y gebonden

genen + gevolg defect
- SHOX: klein gestalte
- SRY: onvruchtbare vrouw
- TBL1Y: doofheid
- (spermatogenese): onvruchtbaar

8 Genetische diagnostiek

TODO
haplotype
- combinatie van allelen zoals die voorkomen op een uniek chromosoom
missense varianten, waarbij één aminozuur vervangen wordt door een ander aminozuur
coverage depth = diepte van de dekking
- hoeveel keer elke nucleotide in de target sequentie gesequeneerd is
- 1x, 2x, ...

9 Multifactoriele erfelijkheid

TODO
relatieve risico (RR) = odds ratio (OR)
- maat voor de toename (of afname) in kans dat een aandoening optreedt na blootstelling aan een omgevingsfactor in vergelijking met personen die niet blootgesteld zijn
- RR = 1 <=> kans = populatierisico
nature vs nurture
continu
- normale verdeling
  - invloed van $\lim{n \to \infty}$ genen
discontinue
- ziek / niet ziek
- normale verdeling als beschrijving individuele vatbaarheid
erfelijkheidsrisico's
- familie > vreemden
- nauwer > verder verwant
- meer > minder uitgesproken defect
- meer > minder aangedane personen in familie
- a priori risico hoger bij hogere prevalentie in populatie
- geslacht
  - stel: vatbaarheid mannen > vrouwen
  - dus drempel hoger bij V
  - als het dan bij V voorkomt, was risico groter -> slecht teken
  - herhalingsrisico ook groter bij M dan V
- consanguiniteit
  - normale verdeling met hogere variantie
heritabiliteit
- maat voor genetische bijdrage in variatie
- != kans
tweelingstudies
- heritabiliteit = 2(monozygoot concordantie - dizygoot concordantie)
linkage disequilibrium (LD)
- niet random samen overerven van allelen van naburige loci

10 Klinische utiliteit

TODO
monogeen vs multifactorieel: continuum
- monogeen
  - groot effect
  - heel zeldzaam
  - de novo
- multifactorieel
  - klein effect
  - heel frequent
  - overgeerfd

11 Evolutionaire geneeskunde

genes mirror geography

Niet-adaptieve evolutie

genmigratie
- out of Africa theorie
flessenhals fenomeen / founder effect
- verschil?
  - flessenhals: natuurlijke ramp
  - founder: kleine groep mensen zondert zich af en start nieuwe populatie/nageslacht
- gevolg
  - reductie in genetische variatie
- zowel bij autosomaal dominant als recessief
genetische drfit: toeval
- heeft meer effect op kleine populaties

Adaptieve evolutie

survival of the fittest
drie stappen
- mutatie (spontaan)
- selectie
  - infectieziekten
    - malaria
      - heterozygoot voor sikkelcel -> minder vatbaar
    - tyfus, cholera?
      - heterozygoot voor muco -> minder vatbaar
  - klimaat
    - huidskleur
      - balans
        
        aanmaak vit D door UV
        
        afbraak foliumzuur door UV
  - voeding
    - amylase gen
    - lactose intolerantie
      - landbouw vs veeteelt
  - seksuele selectie: aantrekking andere geslacht
- reproductie

Antagonistische pleiotropische effecten

evolutie vs moderne omgeving
- vroeger gunstig, nu niet meer
pleiotropisch: gen met meerdere functies
antagonistisch: tegengesteld m.b.t. fitness
voorbeelden
- ApoE4 -> Alzheimer
- ADHD
- 2% Neanderthaler DNA
  - horizontale transmissie

12 Kanker

genetische, klonale aandoening
- afkomstig uit 1 moedercel
- wel veel genetische variatie onderling door mutaties
mutaties
- driver: sneller delen, meer weerstand, ...
- passenger: neveneffect
types genen
- proto-oncogenen
  - mutatie -> oncogenen
  - dominant
- tumorsupressor genen
  - inactivatie door mutatie -> recessief
- DNA mismatch repair genen
  - inactivatie door mutatie -> recessief

Proto-oncogenen

vaak via virus
specifieke chromosomale translocaties
- gain of function
- leukemie

Tumorsupressor genen

retinoblastoom (Rb gen)
- two hit hypothesis
borstkanker: BRCA1/2
- cel niveau: autosomaal recessief
- familie niveau: lijkt autosomaal dominant (met verminderde penetrantie)

DNA mismatch repair (MMR) genen

herstellen spontane mutaties
kan erfelijk zijn
- diagnose: microsatelliet instabiliteit (MSI)

13 Onstabiele repeat sequenties

tandem repeats = microsatellieten
- meestal geen (gekende) functie
- uitzonderingen
  - meestal trinucleotide repeats
  - te lang -> instabiel
Huntington
- autosomaal dominant
- CAG repeat
  - minder dan 36: stabiel, niet aangetast
  - 36+: instabiel
- onset: vroeger ~ meer repeats
  - anticipatie: meer repeats in volgende generatie -> vroegere onset
    - meer bij vader dan moeder en meer bij oudere vaders
      - meer mitose iteraties
    - soms ook enkel via moeder
      - te lang -> interfereert met spermatogenese?

Pathogenese

CAG -> glutamine (Gln)
- domein te groot -> toxisch
- gain of function

Ontstaan

founder effect
waarom niet weggeselecteerd?
- sluimerend, premutaties
  - ontstabiel, maar nog niet pathogeen

14 Epigenetica

genomische imprinting
- materneel: maternele allel inactief, paterneel allel actief
- paterneel: omgekeerd
- geldt maar voor enkele tientallen genen
- mechanisme
  - differentiele methylering (CpG)
  - gewijzigde chromatine structuur (histonen)
  - verandering na bevruchting?
- voorbeeld: Prader-Willi syndroom (PWS)
epigenetische overerving
- verschillende betekenissen
  - veranderende genexpressie tijdens leven cel
  - veranderende genexpressie van moeder op dochtercel
  - veranderende genexpressie van ouder op kind <==
    - intergenerationele effection
      - voorbeeld: hongersnood NL na WO2
        
        (klein-)kinderen met obesitas
    - zonder blootstelling geslachtscellen aan omgevingsinvloed: transgenerationele effecten
      - vooral onderzoek op dieren
      - Zweeds onderzoek naar hongersnood: hogere mortaliteit bij zonen van zonen

15 Mitochondriele erfelijkheid

circulair mtDNA
defect -> effect op "energetische weefsels"
- spieren, zenuwcellen, pancreas
maternele overerving
heteroplasmie
- soort mozaiek
- meerdere mitochondria
- meerdere mtDNA per mitochondrium
- random verdeling bij cytokinese
  - kiemcellijn heel gevoelig
  - "flessenhals effect"
- examen: mozaiek vs heteroplasmie vs chimerisme
aandoening: doofheid door aminoglycoside antibiotica
- mitochondria ~= bacteria

16 Prenataal genetisch onderzoek

echografie
- veilig
- check nekplooi, AV septum, ...
pre-implantatie genetische testing (PGT)
- bij IVF
niet invasieve prenatale testing (NIPT)
- check cel-vrij placentair DNA in maternele circulatie
- checks
  - chromosomale afwijkingen
    - trisomie 13, 18, 21
  - rhesus +/-
  - geslacht
  - genmutaties
- betrouwbaarheid
  - FN
    - bij lage foetale fractie (t.o.v. cel-vrij DNA moeder in bloed)
    - bij mozaicisme: placenta niet, embryo wel -> heel uitzonderlijk
  - FP
    - bij mozaicisme: placenta wel, embryo niet
  - dubbelcheck afwijkende testresultaten -> vruchtwaterpunctie
    - NIPT is enkel screening
chorionbiopsie (CVS) = vlokkentest
- vanaf week 11 post-menstruele leeftijd (PML)
- risico op miskraam laag (1/250)
- checks
  - genetische testen
  - biochemische testen
- problemen
  - maternele contaminatie
  - confined placental mozaicism
vruchtwaterpunctie = amniocentese
- vanaf week 15 PML
- risico op miskraam laag (1/500)
- checks
  - genetische testen
    - soms eerst cellen in kweek zetten
  - infecties opsporen (toxoplasmose, ...)
  - biochemische testen (enzymes, ...)
navelstrengpunctie
- vanaf 20 weken PML
- hoog risico op miskraam (2-5%)

17 Teratogenen

teratologie = studie aangeboren aandoeningen veroorzaakt door omgeving
voorbeeld: Thalidomide
- kanker medicatie
- schadelijk effect op ontwikkeling van ledematen de periode tussen 4 en 8 weken
tijdstip blootstelling
- eerste trimester kritisch
  - maar eerste 2 weken veilig
    - nog geen link met maternale circulatie
    - totipotent
    - alles of niets -> miskraam
- kritisch interval per stof
- 2e, 3e trimester
- langwerkende medicatie (maanden na inname)
dosis
individuele verschillen

18 Frequente genetische aandoeningen

Mucoviscidose

autosomaal recessief
CFTR gen
- loss of function
Cl transport over epitheel
1/22 drager

Achondroplasie

dwerggroei
autosomaal dominant
- semi-dominant: heterozygoten minder erg dan homozygoten
bij oudere vaders
puntmutatie
- FGFR3 gen
- gain of function
homozygoot = lethaal

Duchenne

X gebonden recessief
- bijna exclusief mannen
DMD gen
- loss of function

Hemofilie A

X gebonden recessief
- vooral mannen
Factor VIII gen
- loss of function

Turner 45,X

monosomie X
1/2500 meisjes
vaak oorzaak miskraam

Klinefelter 47,XXY

1/1000 jongens
groot gestalte
testosteron tekort
- onvruchtbaar
normaal IQ, wel leerproblemen