Deze samenvatting is gebaseerd op collegejaar 2015-2016.

Week 1: Het humane genoom en chromosomen

Essential cell biology - hoofdstuk 5, Pag 171-192 (niet pag. 174-176)

In genen ligt de informatie opgeslagen die iets zegt over de persoonlijke kenmerken van een persoon en een bepaalde groep. Deze informatie wordt miljoenen keren van moeder- naar dochtercel overgegeven, zonder dat er uiteindelijk veel veranderingen zijn ontstaan.

Chromosomen zijn draadachtige structuren die in celkernen zitten. Ze worden zichtbaar tijdens de celdeling. Chromosomen bestaan uit DNA en eiwitten. Het DNA bevat de erfelijke informatie en de eiwitten spelen voornamelijk een rol in de verpakking en regulatie van de DNA-moleculen.

Een deoxyribonucleïnezuur-molecuul (DNA) bevat twee lange polynucleotide ketens. Beide strengen zijn opgebouwd uit 4 soorten nucleotiden. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen deze nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit een fosfaatgroep, een suikergroep en een base. Deze suikergroep bestaat uit een ring van 5 koolstofatomen, met daaraan 1 of meerdere fosfaatgroepen en een stikstofbase. De 4 verschillende basen zijn:

• Adenine (A)

• Cytosine (C)

• Guanine (G)

• Thymine (T)

De nucleotiden zitten aan elkaar vast doordat de suiker- en de fosfaatgroep met elkaar binden. Er ontstaat zo een soort “ruggengraat” met om en om steeds suiker en fosfaat. De twee strengen worden bij elkaar gehouden doordat de basen waterstofbruggen vormen. Door de manier waarop de nucleotiden gerangschikt zijn, ontstaat er een chemische polariteit. Dit wordt aangegeven door te verwijzen naar een 3’-kant (waar de hydroxylgroep zit) en een 5’-kant (waar de fosfaatgroep zit).

De twee polynucleotide ketens worden in een dubbele helix bij elkaar gehouden door de vorming van waterstofbruggen tussen de nucleotiden van de strengen. Hierdoor zitten de basen aan de binnenkant van de helix, en de suiker- en fosfaatgroepen aan de buitenkant. De basen binden echter niet willekeurig: A en T zitten altijd aan elkaar en C en G ook. Dit wordt een basenpaar genoemd. De twee basen van elk basenpaar passen goed bij elkaar omdat ze complementair zijn. De twee strengen lopen antiparallel, waardoor ze een tegenovergestelde polariteit hebben. De strengen krullen om elkaar heen en creëren de dubbele helix. Per hele bocht in de helix zitten 10 basenparen. De twee strengen zijn dus complementair. Dit is erg belangrijk voor de replicatie en reparatie van het DNA.

Elke base in het DNA kan gezien worden als een letter, alle letters samen zorgen voor een bepaalde code die voor iedereen anders is. Organismen verschillen van elkaar doordat de DNA-moleculen andere volgorden van nucleotiden hebben en hierdoor dus verschillende boodschappen bevatten. Genen bevatten de instructies voor het produceren van eiwitten. Het DNA bevat de codes voor de eiwitten die geproduceerd moeten worden. Dit wordt gedaan door transcriptie, waarbij RNA wordt gevormd, en translatie, waarbij eiwitten worden gemaakt. De complete informatie van het DNA in een orangisme wordt het genoom genoemd.

Elke menselijke cel bevat ongeveer 2 meter aan DNA, terwijl de celkern maar een diameter heeft van 5-8 µm. In eukaryotische cellen zijn de lange DNA-moleculen verpakt in chromosomen, wat ervoor zorgt dat deze lange strengen in de celkernen passen. Bacteriën dragen hun genen in een rond DNA-molecuul. Dit wordt wel nog steeds een chromosoom genoemd, maar verschilt veel van de chromosomen in eukaryotische cellen.

In iedere cel zitten 2 kopieën van elk chromosoom, met uitzondering van de geslachtscellen en speciale, gedifferentieerde cellen zoals volwassen rode bloedcellen. Van elk paar is 1 chromosoom van de moeder en 1 van de vader. Dit worden homologe chromosomen genoemd. Het enige niet-homologe chromosomenpaar is de X en Y bij een jongen.

DNA-hybridisatie is een techniek die wordt gebruikt voor het vergelijken van chromosomen. Doordat de chromosomen in verschillende kleuren worden ‘geverfd’, kunnen ze worden onderscheiden en verdeeld worden in paren. Een karyotypering is wanneer er de volle set van chromosomen wordt weergegeven.

Een gen is een segment van het DNA dat de instructie bevat voor het aanmaken van een bepaald eiwit. Dit kan ook een instructie zijn voor het aanmaken van een RNA-molecuul als eindproduct. Het DNA van eukaryoten bevat ook grote stukken DNA die geen belangrijke functie lijken te hebben, ook wel junk-DNA. Verschillende soorten organismen hebben enorme verschillen in het DNA. Sommigen hebben veel kortere strengen dan andere soorten, anderen verschillen in hoe het DNA is verdeeld over de chromosomen.

Om een functioneel chromosoom te vormen, moeten de DNA-moleculen een celcyclus doorlopen. De twee fasen die in dit hoofdstuk aan de orde komen, zijn de interfase en de mitose. Tijdens de interfase zijn de chromosomen lange, dunne draden, die niet goed te zien zijn. Tijdens de mitose zijn de chromosomen zeer sterk gecondenseerd (gespiraliseerd). Hierdoor nemen de chromosomen minder ruimte in en gaat de verdeling van de chromosomen over de dochtercellen sneller.

De celkern wordt omgeven door het celmembraan (in het Engels: nuclear envelope), dat gevormd wordt door 2 membranen. Hierin zitten nucleaire poriën die betrokken zijn bij actief transport. Het celmembraan wordt ondersteund door de nucleaire lamina, een netwerk van proteïne filamenten die een dunne laag vormen. In de celkern liggen de chromosomen. Alle chromosomen hebben hierin een eigen ‘ligplaats’, zodat ze niet in elkaar verstrengeld raken.

Er zijn 2 typen eiwitten die binden aan het DNA om eukaryotische chromosomen te vormen. Eén daarvan is een histon. Histonen vormen nucleosomen. Je kunt het vergelijken met een kralenketting. De ketting is het DNA, en de kralen zijn de nucleosomen. Het DNA dat tussen 2 nucleosomen in ligt heet linker-DNA. Een nucleosoom bestaat uit een kern van 8 histonen (een octameer) waar een stuk DNA van 147 basenparen lang omheen gewikkeld zit. Deze ‘ketting’ heet een chromatinedraad en heeft ongeveer 1/3 van de lengte van het DNA. Omdat de histonen positief geladen zijn binden ze goed met de negatief geladen fosfaatgroepen van het DNA. Meestal wordt het DNA nog op andere manieren gecondenseerd. Er zijn verschillende niveaus van condensatie, zie hiervoor figuur 5-25, op bladzijde 187.

Er zijn meerdere manieren waarop eukaryotische cellen de structuur van chromatine snel kunnen aanpassen. Een chromatine-remodelleringscomplex is hier 1 van. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van ATP. Hiermee kan de positie van het DNA dat om nucleosomen is gewikkeld, worden veranderd. Dit complex kan DNA ook losmaken van de nucleosomen, waardoor het beter bereikbaar wordt voor bepaalde eiwitten. Een andere manier is het veranderen van de chemische structuur van de histonen, door het toevoegen van acetyl-, fosfaat- of methylgroepen.

De sterkst gecondenseerde vorm van chromatine in de interfase heet heterochromatine. Dit is ongeveer 10% van een interfase chromosoom. Het meeste DNA dat geen genen bevat is meestal permanent gecondenseerd tot heterochromatine. Dit gebeurt ook met ongeveer 85% van 1 van de X-chromosomen van een vrouw. Hierdoor is dit dus inactief gemaakt. In elke cel wordt willekeurig 1 van de X-chromosomen hiervoor uitgekozen. DNA dat niet zo sterk gecondenseerd is heet euchromatine. In deze vorm kunnen genen tot expressie komen en kan het DNA gedupliceerd worden.

Essential cell biology - Hoofdstuk 9, Pag. 294-297

Gen duplicatie is het meest belangrijke mechanisme om nieuwe genen te maken. De twee kopieën van het oude gen kunnen beiden mutaties ontwikkelen, zolang de oorspronkelijke activiteit niet verloren gaat. Gen duplicatie wordt gegeneerd door homologe recombinatie. Dit vindt plaats als twee lange strengen van bijna identiek DNA samen gebracht worden. Als aan de ene streng foute informatie zit, wordt dit gecorrigeerd door de informatie aan de andere streng. Soms vindt deze recombinatie ook plaats bij een paar kortere DNA strengen. Als deze niet goed worden uitgelijnd tijdens de recombinatie, kan er een verkeerde uitwisseling van genetische informatie plaatsvinden; ongelijke crossing-over.

Essential cell biology - Hoofdstuk 9, Pag. 311-319 (niet pag. 316 -317)

Het menselijk genoom bestaat uit 3,2 x 109 basenparen, die verdeeld zijn over 22 autosomen en 2 heterosomen (X en Y chromosomen). Mensen verschillen ongeveer 1 op de 1000 basenparen met elkaar. Met uitzondering van eeneiige tweelingen hebben geen 2 mensen hetzelfde DNA. Opmerkelijk is dat maar een heel klein deel van het menselijke genoom daadwerkelijk codeert voor eiwitten. Het grootste gedeelte van ons DNA bestaat uit niet-coderende, evolutionaire overblijfselen. Het tweede opvallende kenmerk is dat een gen uit gemiddeld 29.000 basenparen bestaat, terwijl er maar 1.300 nodig zouden zijn op basis van de gemiddelde lengte van een eiwit (430 aminozuren). Daarnaast is het ook verrassend dat het menselijke genoom relatief weinig genen bevat. De schatting is dat er ongeveer 25.000 genen zijn en dat scheelt niet veel met de aantallen van veel simpelere multicellulaire dieren. Tot slot wijst de nucleotidesequentie van het menselijke genoom erop dat de informatie zich in een staat van wanorde bevindt. De belangrijke stukjes met informatie zitten verstopt tussen allerlei ‘junk’ delen.

Essential cell biology - Hoofdstuk 18, Pag. 603-607

De basisfunctie van de cel cyclus is het nauwkeurig kopiëren van het DNA in de chromosomen en om het DNA te splitsen voor in de twee identieke dochtercellen. De meeste cellen verdubbelen ook de macromoleculen en de organellen. De cel wordt voordat het deelt twee keer zo groot, zodat de dochtercellen hetzelfde formaat zijn.

De twee meest ingrijpende gebeurtenissen in een cel zijn wanneer de kern zich deelt (de mitose) en wanneer de cel zich splitst in twee cellen (de cytokinese). De cytokinese en de mitose samen heten de M-fase van de cel cyclus. De andere fase heet de interfase. De interfase is weer onderverdeeld in de G1-fase, de S-fase en de G2-fase. Het begint bij de G1-fase, dan groeit de cel. Tijdens de S-fase wordt het DNA gerepliceerd en tijdens de G2-fase groeit de cel nog groter. De cel houdt altijd het interne en externe milieu in de gaten, zo zorgt het voor de optimale omstandigheden tijdens de verschillende fases. Als deze omstandigheden niet optimaal zijn, kan de cel besluiten of het doorgaat naar de volgende fase of dat het pauzeert om meer tijd te hebben om te repareren. (Zie ook figuur 18-2 p.605).
Om er zeker van te zijn dat de cellen al hun DNA en organellen repliceren, bezitten de eukaryoten een complex netwerk van regulerende eiwitten; het cel cyclus controle systeem.

Essential cell biology - Hoofdstuk 19, Pag. 645-657

Aseksuele reproductie is de meest simpele en directe vorm van reproductie en zorgt ervoor dat de nakomelingen vrijwel gelijk zijn aan de ouder. Bij seksuele reproductie vindt uitwisseling van genomen plaats, hierdoor ontstaat een nakomeling die niet hetzelfde is als de ouders of een ander organisme. Bij seksuele reproductie zijn de organismen bijna geheel diploïd. Dit betekent dat elke cel twee exemplaren van elk chromosoom bevat (1 van elke ouder).

Geslachtschromosomen verschillen van de andere chromosomen. Deze chromosomen zorgen ervoor dat iemand een man of een vrouw is. Geslachtscellen worden ook wel gameten genoemd. Deze hebben in tegenstelling tot de andere cellen een haploïd aantal chromosomen. Als twee haploïde cellen worden samengevoegd ontstaat er een diploïde cel, dit is een zygote. Een allel is een bepaalde variant van een gen, de combinatie van allelen zijn in elk individu verschillend. Een kiemlijn is de lijn waarop cellen liggen die zorgen voor de productie van geslachtscellen. De cellen die zorgen voor de productie voor de rest van de cellen worden de somatische cellen genoemd.

Het mixen van de genomen, dus het samenkomen van de 2 haploïde cellen, zorgt ervoor dat er nieuwe combinaties genen ontstaan. De nieuwe combinatie van allelen is een willekeurig proces. Dit zorgt voor evolutie, doordat ouders kinderen krijgen met verschillende gencombinaties. Als er een verandering in het milieu plaatsvindt, is er een grotere kans dat 1 van die nakomelingen het goed overleefd. Er vindt ook selectie plaats, hierdoor zullen de organismen met de ‘beste’ genen overleven en nakomelingen produceren.

Meiose is het proces waarbij het aantal chromosomen wordt gehalveerd. Er ontstaan dan haploïde cellen, bij de mens ook wel geslachtscellen genoemd. Bij meiose begint het dupliceren van de chromosomen net zoals in de gewone deling. Deze tweeling kopieën worden zusterchromatiden genoemd. Ze zitten met een centromeer aan elkaar vast. Hierna verplaatsen de paren zich naar het midden van de cel.

Er ontstaan poollichaampjes met eiwitdraden. Tussen de homologe chromosomen kunnen stukken uitgewisseld worden, dit wordt crossing-over genoemd. Bivalent betekent een paar homologe chromosomen. Tijdens de meiose vindt recombinatie plaats, dit is een proces waarbij er uitwisseling in DNA plaatsvindt (door crossing-over). Wanneer de profase is afgelopen gaan de homologen uit elkaar. Verder is crossing-over belangrijk voor een goede segregatie van de homologen. Tijdens het begin van de anafase worden de twee chromosomen van elkaar afgetrokken. Doordat er bij het chiasma crossing-over heeft plaatsgevonden, zullen de homologen wanneer ze uit elkaar worden gehaald een nieuwe structuur hebben.

Bij de meiose I ontstaan geen haploïde cellen, dat gebeurt tijdens de meiose II. Er ontstaan bij de meiose II weer eiwitdraden en de chromosomen gaan weer in het midden van de cel liggen. Wat er anders is dan bij meiose I, is dat de chromosomen niet weer worden verdubbeld. Er ontstaan uiteindelijk na de meiose II 4 haploïde cellen. (Zie Alberts pag. 660)

Tijdens de meiose worden echter ook fouten gemaakt. Wat veel voorkomt is non-disjunctie, dit zijn 2 homologen die niet van elkaar gaan. Hierdoor kan het zijn dat er van een bepaald chromosoom óf te veel aanwezig is, óf juist te weinig. Vele van deze embryo’s zullen dan ook niet overleven. Aneuploïdie is het groeien van een embryo met een fout aantal chromosomen.

Elements of medical genetics - Hoofdstuk 3, Pag. 31-45

DNA bestaat uit chromosomen. Deze zijn het beste zichtbaar onder een licht microscoop tijdens celdeling. Elk chromosoom bestaat dan uit twee strengen, zusterchromatiden, die het resultaat zijn van DNA replicatie tijdens de S-fase van de cel. De twee chromatiden zitten aan elkaar vast in een punt dat het centromeer wordt genoemd. Het centromeer verdeelt een chromosoom in een q-arm (lange arm) en p-arm (korte arm). Wanneer het centromeer centraal ligt, is het chromosoom metacentrisch. Als het centromeer iets hoger ligt, submetacentrisch en nog hoger, acrocentrisch. Het uiteinde van een chromosoom wordt een telomeer genoemd.

De studie van chromosomen heet cytogenetica. Bij mensen bevat een celkern 46 chromosomen, opgebouwd uit 22 paar autosomen en één paar geslachtschromosomen (XX bij een vrouw, XY bij een man). Somatische cellen zijn diploïd (46 chromosomen), geslachtscellen haploïd (23 chromosomen). Chromatine, de combinatie van DNA en histoneiwitten die de chromosomen omvat, bestaat in twee vormen. Euchromatine kleurt licht en bestaat uit genen die actief tot uiting komen. Heterochromatine daarentegen kleurt donker en is grotendeels opgebouwd uit inactieve, niet tot uiting komend, repetitief DNA. X- en Y-chromosomen worden geslachtschromosomen genoemd. Het Y-chromosoom is veel kleiner en bevat maar enkele genen voor mannelijke eigenschappen. Tegenwoordig zijn er methodes om alle chromosomen van een individu te analyseren, dit heet karyotypering.

Elk weefsel met levende cellen die delen kan gebruikt worden om chromosomen te bestuderen. Meestal worden lymfocyten uit het bloed gebruikt. Er wordt dan phytohemagglutinine toegevoegd aan een klein volume met een voedingsmedium, wat er voor zorgt dat de T-lymfocyten gaan delen. De cellen worden 3 dagen bewaard bij 37 graden en dan wordt er colchicine toegevoegd. Hierdoor wordt celdeling tegengehouden ­­tijdens de metafase, dan zijn de chromosomen het meest zichtbaar omdat ze dan het sterkst gecondenseerd zijn. Daarna wordt saline toegevoegd, waardoor de chromosomen gefixeerd worden. Meestal wordt G-banding gebruikt om individuele chromosomen te identificeren door ze te kleuren. Door de kleuring met trypsine (een eiwit denaturerend middel) krijgt elke chromosoom een karakteristiek bandenpatroon. Bij karyotype-analyse worden de chromosomen geteld en wordt het bandpatroon van de chromosomen grondig geanalyseerd. Elk chromosoom heeft een ­specifiek bandenpatroon. Dit bandenpatroon wordt weergegeven in een idiogram.

FISH (Fluorescent In-Situ Hybridization) is erop gebaseerd dat een stuk enkelstrengs-DNA (een probe) kan binden met het complementaire gedeelte in een sample DNA. Bij FISH wordt de probe na hybridisatie met het sample fluorescerend, waardoor dit stukje DNA zichtbaar wordt onder een fluorescente microscoop.

Ze gebruiken centromerische probes voor het opsporen van aneuploïde syndromen, chromosoom-specifiek enkel-sequens probes voor deleties en duplicaties, telomerische probes voor kleine subtelomerische afwijkingen en gehele-chromosoom kleurprobes voor extra bijgevoegd chromosoommateriaal.

Met CGH (Comparative Genomic Hybridization) kan allelverlies en uitbreiding van genen op een bepaalde regio aangetoond worden. Test-DNA (van de patiënt) wordt groen gekleurd, normaal controle-DNA rood. De samples worden gemixt en hybridiseren met normale metafasechromosomen. Er verschijnt een afbeelding. Als het te testen sample meer DNA van een bepaald chromosoom regio bevat dan het controlesample, is die regio groener gekleurd. Bij deleties is de regio roder gekleurd. Array CGH is een meer geavanceerde en snellere vorm van CGH, de fluorescentie wordt gevolgd met de computer en het kan worden toegepast om elke mogelijke vorm van een teveel of tekort aan DNA-materiaal te identificeren.

Een punt op een chromosoom wordt beschreven door het nummer van het chromosoom, de arm (p of q), de regio en de band. Vaak wordt de regio weggelaten (bijvoorbeeld: 15q12 staat voor chromosoom 15, lange arm, band 12). Een normaal karyotype van een man  wordt weergegeven als 46,XY en van een vrouw als 46,XX. Bij een man met het syndroom van Down is het 47,XY+21 (+21 staat voor trisomie 21).

Cel(kern)deling wordt mitose genoemd. Voordat een cel de mitose ingaat, wordt in de S-fase elk chromosoom verdubbeld, zodat het bestaat uit twee chromatiden. Vervolgens scheiden de chromatiden en komen deze terecht in twee dochtercellen. De mitose bestaat uit de profase, prometafase, metafase, anafase en telofase. (Zie afbeelding 3.12 op blz. 38) De mitose duurt meestal 1 tot 2 uur.

Tijdens het begin van de profase condenseren de chromosomen en begint de mitotische spoel, bestaande uit twee centriolen en microtubuli, te vormen. In de metafase binden de chromosomen aan de mitotische spoel. In de anafase splitst het centromeer van ieder chromosoom en de chromatiden gaan in de uiteinden van de cel liggen. In de telofase zijn de chromatiden volledig gescheiden. Het zijn nu onafhankelijke chromosomen bestaande uit een dubbele helix. Ze worden beiden omhuld door een nieuw kernmembraan. Het cytoplasma deelt zich ook (cytokinese) en er ontstaan twee nieuwe diploïde dochtercellen.

Bij de gametogenese vindt inplaats van mitose, het proces meiose plaats. Er zijn drie verschillen. De mitose eindigt met diploïde chromosomen (46) en de meiose met haploïde (23). Mitose vindt plaats bij vermeerdering van somatische cellen en meiose bij de gametogenese. Mitose ondergaat één maal het proces van profase t/m telofase en meiose twee maal. In meiose I wordt het aantal chromosomenparen gehalveerd. In meiose II worden de chromosomen gesplitst bij het centromeer. De crossing-overs zijn zichtbaar, wanneer homologe chromosomen zich splitsen (diakinese).

Er wordt onderscheid gemaakt tussen numerieke (aneuploidy en polyploidy) en structurele chromosoomafwijkingen. Bij numerieke afwijkingen is er een teveel of tekort aan een of meer chromosomen.

Een extra chromosoom wordt een trisomie genoemd. De meeste gevallen van het syndroom van Down hebben trisomie 21. Het wordt meestal veroorzaakt doordat een paar homologe chromosomen niet goed gescheiden wordt tijdens anafase-I. Dit wordt nondisjunctie genoemd. Zeldzamer is het als nondisjunctie optreedt tijdens meiose-II en de zusterchromatiden niet uit elkaar gaan.

Een fout in meiose-I zorgt ervoor dat een gameet twee homologe chromosomen heeft van één paar. Nondisjunctie in meiose-II leidt tot twee kopieën van een van de homologen van een chromosomenpaar. Nondisjunctie kan ook nog optreden tijdens een vroege mitotische deling in de ontwikkelende zygote. Dit leidt tot een of meer verschillende cellijnen, een fenomeen dat een mozaïek genoemd wordt. De oorzaak van nondisjunctie is onzeker. Het heeft waarschijnlijk te maken met de leeftijd van de moeder. (zie afbeelding 3.17 op blz. 43)

Monosomie is de afwezigheid van een chromosoom. Monosomie in een autosoom is nooit levensvatbaar. Gebrek aan een X of Y chromosoom leidt tot 45,X: het syndroom van Turner. Monosomie ontstaat door nondisjunctie in de anafase.

Polyploïde cellen bevatten meerdere malen het aantal chromosomen, bijvoorbeeld 69 (triploïdie) of 92 (tetraploïdie). Dit wordt vrij vaak aangetroffen bij spontane miskramen. Er zijn maar een paar levende geboorten bekend met polyploïdie en ze gingen allemaal snel na de geboorte dood. Het kan veroorzaakt worden door een fout in de meiotische deling in een eicel of zaadcel, maar ook door bevruchting van een eicel door twee zaadcellen (dispermie).

Structurele afwijkingen worden veroorzaakt door het breken van chromosomen en een reorganisatie in een andere configuratie. Er zijn gebalanceerde (genetische informatie is compleet) en ongebalanceerde (genetische informatie incompleet) varianten. Bij een ongebalanceerde vorm zijn er serieuze klinische gevolgen.

Bij translocaties is genetisch materiaal verplaatst van de ene chromosoom naar een andere. Een reciproke translocatie omvat het breken van ten minste twee chromosomen en het uitwisselen van fragmenten. Meestal blijven er 46 chromosomen en als de fragmenten ongeveer van dezelfde grootte zijn kan de translocatie alleen zichtbaar worden met een techniek als FISH. Bij een Robertsoniaanse translocatie liggen beiden breekpunten bij het centromeer van twee acrocentrische chromosomen. Hierbij fuseren de lange armen en gaan de korte armen verloren, wat zorgt voor maar 45 chromosomen. Vaak bevatten die korte armen geen belangrijke informatie.

Bij gebalanceerde reciproke translocaties kunnen er problemen ontstaan in de meiose. Er kan dan een ongebalanceerde variant ontstaan, met als gevolg een miskraam of een kind met meerdere afwijkingen. (zie afbeelding 3.19 en 3.20 op blz. 45)

Bij een deletie vindt er verlies van een deel van een chromosoom plaats, wat resulteert in monosomie voor dat bepaalde segment van het chromosoom. Er wordt onderscheid gemaakt in twee niveaus: microscopische deleties (Wolf-Hirschorn en cri-du-chatsyndroom) en submicroscopische microdeleties (met behulp van FISH).

Inserties zijn wanneer een segment van één chromosoom vervangen wordt door een ander chromosoom.

Bij inversies zijn in één chromosoom twee breuken ontstaan waardoor het tussenliggende deel in tegenovergestelde positie is gereorganiseerd. Wanneer dit plaatsvindt bij het centromeer is het een pericentrische inversie en als het bij een arm plaatsvindt heet het een paracentrische inversie.

Ringchromosomen ontstaan als twee uiteinden van een chromosoom aan elkaar kleven.

Er is sprake van mosaïcisme als er meerdere cellijnen met verschillend genetisch materiaal zit in één individu, die voortkomt uit één zygoot. Chimerisme is wanneer er meerde cellijnen optreden, voortgekomen uit meer dan één zygoot. Dit kan optreden bij dubbele fertilisatie. Een voorbeeld van chimerisme is hermafroditisme.

Elements of medical genetics - Hoofdstuk 6, Pag. 103-104

X-inactivatie is het proces waarbij één of meerdere X-chromosomen worden uitgeschakeld, totdat er één actief X-chromosoom overblijft. Bij vrouwen wordt één van de twee X-chromosomen geïnactiveerd. De inactivatie, ook wel lyonisatie genoemd, gebeurt willekeurig. Dit treedt op na de 15e/ 16e dag van de zwangerschap, wanneer de zygoot uit 5000 cellen bestaat. Na lyonisatie van die 5000 cellen, bevatten alle dochtercellen ook een inactief X-chromosoom.

Vaak wordt het afwijkende X-chromosoom bij toeval gelyoniseerd. X-inactivatie treedt op door methylatie. De proces wordt gereguleerd met RNA gemaakt door het XIST-gen (X inactivation specific transcript). Niet het gehele X-chromosom wordt inactief, er blijven genen actief op het topje van de korte arm en een aantal andere loci op andere plaatsen op de lange en korte arm. Als dit niet zo was zouden alle vrouwen het syndroom van Turner hebben.

Het aantal uitgeschakelde X’en is te achterhalen door het aantal barr bodies te tellen, die als donker gecondenseerde geslachtschromatine tijdens de interfase te zien zijn in de celkern.

Elements of medical genetics - Hoofdstuk 18, Pag. 273-278

Er zijn veel chromosomale afwijkingen, hier worden de belangrijkste behandeld. n.b. Gegevens zijn gebaseerd op het Verenigd Koninkrijk.

Syndroom van Down (trisomie 21)

Deze chromosomale afwijking heeft een incidentie van ongeveer 1:1000. Er is een sterk verband tussen de incidentie van Down syndroom en de toenemende leeftijd van de moeder. Klinische kenmerken zijn oplopende oogspleten, kleine oren, een uitstekende tong, lage spiertonus en een enkele palmaire plooi. Vaak is er ook sprake van hartafwijkingen. Kinderen met Down syndroom hebben een IQ tussen de 25 en 75. Meestal ontwikkelen ze Alzheimer later in hun leven en hebben een levensverwachting van 50 tot 60 jaar. Down syndroom wordt in 90% van de gevallen veroorzaakt door een non-disjunctie in maternale meiose I. Een andere oorzaak kan zijn een Robertsoniaanse translocatie of mozaïcisme.

Syndroom van Patau (trisomie 13) en Edwards Syndroom (trisomie 18)

Beide hebben een incidentie van ongeveer 1:5000 en de prognose is erg slecht. De meeste gevallen eindigen in een miskraam of de kinderen gaan heel snel dood. Als ze toch langer overleven zijn er zeer ernstige leerproblemen. In 90% van de gevallen is er een hartafwijking. 10% wordt veroorzaakt door mozaïcisme of ongebalanceerde (Robertsoniaanse) translocaties.

Triploïdie

Triploïdie (69,XXX, 69,XXY, 69,XYY) wordt vaak aangetroffen bij miskramen, maar zelden in een levend kind. Zo’n kind heeft altijd ernstige groeiafwijkingen.

Syndroom van Klinefelter (47,XXY)

Dit syndroom, alleen voorkomend bij mannen, heeft een incidentie van 1:1000. Er is sprake van een extra X-chromosoom. Dit kan gepaard gaan met leerproblemen. Het IQ is vaak 10 tot 20 punten lager dan dat van broers en zussen. De mannen zijn meestal lang, met lange ledematen, kleine testikels en altijd onvruchtbaar.

Syndroom van Turner (45, X)

Hierbij is er maar één X-chromosoom. De incidentie (alleen bij vrouwen) is laag, geschat wordt tussen de 1:5000 en 1:10000. Aan baby’s met het syndroom van Turner is vaak weinig afwijkends te zien. De twee belangrijkst medische problemen zijn een kleine gestalte en onvruchtbaarheid. 80% wordt veroorzaakt door het missen van een geslachtschromosoom bij de paternale meiose. Mozaïcisme kan fertiliteit en een mannelijk fenotype mogelijk maken.

Triple-X syndroom (47, XXX)

Vrouwen met een extra X-chromosoom hebben geen afwijkend uiterlijk, maar wel vaak leerproblemen en opstandig gedrag. Fertiliteit is meestal normaal. 95% van de gevallen wordt veroorzaakt door een non-disjunctie in meiose-I. De incidentie is 1:1000.

XYY-mannen

De incidentie is ook 1:1000. Dit karyotype wordt in verband gebracht met leerproblemen en heel soms ook met antisociaal, crimineel gedrag. Fertiliteit is normaal. Meestal zijn ze langer dan gemiddeld. Het extra Y-chromosoom ontstaat als gevolg van een nondisjunctie in de paternale meiose-II of als een nondisjunctie in de mitose van de zygote (dan ontstaat er een mozaïek).

Week 2; Nucleïnezuren en Eiwitten

Elements of medical genetics, hoofdstuk 7: Patterns of inheritance, Pagina 109-121, 126

Een belangrijke reden om het overervingpatroon van een ziekte binnen families te bestuderen is om te kijken wat het risico is op ziekten voor leden van die familie. Het tekenen van een stamboom begint met de persoon die bij de arts komt; dit noemen we de index case, proband of propositus. Zijn of haar positie in de stamboom wordt met een pijl aangegeven. Informatie over directe familie wordt gevraagd en ingetekend, let hierbij op de juiste familieband.

Aandoeningen op één gen noemen we unifactorieel of mendeliaans. Veel ziektes zijn echter multifactorieel. Als een ziekte door een fout op een geslachtschromosoom komt, noemen we het X-chromosomaal of geslachtsgebonden. Anders is het autosomaal.

Een dominante aandoening leidt al tot ziekte als een individu ook een gezond gen heeft en dus heterozygoot is. Zo'n ziekte is in alle generaties van een familie terug te vinden. Een kind van een ouder die heterozygoot voor een dominante ziekte is, heeft 50% kans deze ziekte ook te krijgen. Veel autosomale dominante ziektes zijn pleiotropisch, ze leiden tot meerdere, ongerelateerde effecten. Hierdoor kunnen individuen met dezelfde ziekte andere verschijnselen hebben. Soms is een individu met een mutatie zelfs helemaal normaal. Dit verschil in uiting van de ziekte heet variabele expressiviteit. Bij verminderde penetrantie is het mogelijk een individu een dominante autosomale ziekte heeft, maar dat deze zich niet uit. Dit individu heet dan non-penetrant en kan gezond zijn doordat andere genen of omgevingsfactoren de ziekte modificeren. De ziekte kan wel aan het nageslacht worden doorgegeven, dan lijkt het alsof de ziekte een generatie heeft overgeslagen.

Als een dominante ziekte opkomt in een familie waar deze niet voorkomt, spreken we van een nieuwe mutatie. Let hierbij ook op of de ouders wel echt de ouders zijn! Nieuwe mutaties komen vaak door een verhoogde leeftijd van de vader. Bij codominantie komen twee verschillende allelen tot uiting, een voorbeeld is bloedgroep AB. Als een individu homozygoot is voor een dominante aandoening, leidt dit soms tot verergering van de ziekte (dan is het dominante allel incompleet dominant) of de ziekte is even erg als bij heterozygote patiënten (het dominante allel is puur dominant).

Bij een recessieve aandoening zijn twee gemuteerde allelen nodig om de ziekte te krijgen, heterozygoten zijn drager van de ziekte. Het traceren van een recessieve aandoening in een stamboom is vaak moeilijk, vaak hebben broers en zussen van een patiënt de aandoening ook. Consanguïniteit (bloedverwantschap tussen ouders) leidt vaak tot kinderen met een zeldzame recessieve aandoeningen. Twee heterozygote ouders hebben 25% kans dat hun kind de aandoening heeft en 50% kans dat het kind ook drager van de ziekte is. Als een van de twee ouders homozygoot recessief is en de andere heterozygoot, dan is de kans dat het kind de ziekte heeft 50%. Omdat dit een even grote kans is als bij een dominante ziekte, noemen we dit pseudodominant.

Bij locus-heterogeniteit leiden meerdere defecten tot dezelfde ziekte, dit is het geval bij doofheid. Omdat twee dove ouders dit door verschillende mutaties kunnen hebben, is er een kans dat de kinderen wel kunnen horen. Dit noemen we dan dubbele heterozygoten. Ziektes waarbij meerdere gemuteerde genen tot hetzelfde resultaat leiden noemen we genokopieën. Als milieufactoren hier ook tot kunnen leiden, noemen we de ziektes fenokopieën.

Ook bestaat het dat twee mutaties op hetzelfde locus tot dezelfde ziekte leiden, dit noemen we compound heterozygoot of mutationeel heterozygoot. Dit komt veel vaker voor dan pure homozygotie.

Genen op het X-chromosoom noemen we X-linked, genen op het Y-chromosoom heten Y-linked of holandrisch. Aandoeningen op het X-chromosoom komen voornamelijk voor bij mannen, omdat zij maar één X-chromosoom hebben. Een man met een mutant X-chromosoom noemen we hemizygoot. Omdat zo'n ziekte meestal niet zichtbaar wordt bij vrouwen, heeft het een diagonaal patroon in een stamboom. De dochters van een man met een X-chromosomale afwijking zullen allen drager zijn (obligaat dragerschap), de zonen allen gezond (behalve bij uniparentale heterodisomie). De zonen van een moeder die drager is hebben 50% kans op de ziekte, de dochters hebben 50% kans op dragerschap. Sommige X-chromosomale afwijkingen, zoals Duchenne, leiden tot vroege sterfte, waardoor de overerving alleen via draagsters en nieuwe mutaties gaat. Omdat vrouwen mozaïek zijn voor het X-chromosoom, zijn zij dit ook voor deze ziektes. Ook kunnen vrouwen homozygoot recessief zijn, vooral bij ziektes die vaak voorkomen, zoals kleurenblindheid.

Dominante aandoeningen op het X-chromosoom komen weinig voor, vitamine D resistentie is een voorbeeld. Alle dochters van een man met zo'n ziekte krijgen de aandoening, en geen van zijn zonen. Ondanks dat zowel mannen als vrouwen evenveel kans hebben, zijn sommige ziektes minder erg bij vrouwen. Omdat vrouwen mozaïsch zijn voor het X-chromosoom, komt het voor dat heterozygote vrouwen in sommige delen van hun lichaam een dominante X-chromosomale aandoening niet vertonen. Dit komt omdat in deze gebieden het gezonde X-chromosoom actief is.

Y-linked aandoeningen zijn altijd dominant, want er is maar één Y-chromosoom. Deze aandoeningen worden alleen van vader op zoon doorgegeven.

Sommige aandoeningen lijken autosomaal over te erven, maar liggen toch op de geslachtschromosomen. Dit komt doordat het X- en het Y-chromosoom een regio delen, de pseudoautosomale regio. Door crossing-over kan een stuk van een gemuteerd X-chromosoom op het Y-chromosoom komen te liggen, een man kan de aandoening zo ook aan zijn zoon geven. Zulke aandoeningen worden in de ene familie als dominant autosomaal gerapporteerd, en in de andere als X-linked.

Ook komen sommige autosomale aandoeningen bij het ene geslacht vaker tot uiting dan bij het andere, een voorbeeld hiervan is kaalheid. Dit komt omdat mannen en vrouwen hormonaal van elkaar verschillen. Dit heet sex influence. Bij Sex limitation komt een aandoening maar bij één geslacht voor.

Een handig schema over de verschillende manieren van overervingen is Box 7.1 op blz. 118. Hier staat mitochondrieel overerven, dat alleen via de moeder gebeurt, niet tussen.

Van anticipatie is sprake als een ziekte op jongere leeftijd tot uiting komt bij een volgende generatie, of als de ziekte in de volgende generatie erger is. Er zijn hier vele theorieën over, maar bij een aantal ziektes is duidelijk geworden dat het komt doordat een bepaalde sequentie steeds langer wordt. Hoe langer de sequentie, hoe instabieler het te maken eiwit en hoe erger de ziekte. Bij myotone dystrofie is dit het geval bij het CTG-triplet, dat tijdens de maternale meiose verlengd kan worden. Bij Huntington is dit het geval tijdens de paternale meiose.

Mozaïcisme houdt in dat een individu of een weefsel meerdere typen cellijnen heeft. Dit komt door een fout in de mitose na de conceptie. Een deel van de cellen ontwikkelt zich dan met een mutatie. Er zijn twee vormen mozaïcisme: somatisch en gonadaal. Bij somatisch mozaïcisme heeft een individu minder last van een ziekte dan andere individuen met de ziekte, of komt de ziekte slechts in een of enkele regio's van het lichaam voor. Als de mutatie niet in de geslachtscellen voorkomt, kan het niet worden doorgegeven aan het nageslacht. Bij gonadaal mozaïcisme zit de mutatie alleen in de geslachtscellen, en wordt de ziekte dus doorgegeven maar de beide ouders zijn gezond.

Van uniparentale disomie spreekt men als een kind niet van beide ouders één chromosoom erft, maar van één ouder twee chromosomen. Als dit hetzelfde chromosoom is, zit de fout in meiose II en noemen we het uniparentale isodisomie. Krijgt het kind twee verschillende chromosomen van dezelfde ouder, dan zit de fout in meiose I en noemen we het uniparentale heterodisomie. Beide gevallen leiden tot een trisomie, een van de chromosomen wordt afgestaan om toch een normale hoeveelheid chromosomen te hebben. In een op drie gevallen ontstaat zo een uniparentale disomie. Uniparentale disomie kan ook redding betekenen, als de andere geslachtscel nullosomisch is.

Iedere cel bevat mitochondrieel DNA, vooral cellen die veel energie nodig. Mitochondrieel DNA wordt compleet overgeërfd van de moeder, via de oöcyt. Mitochondriële overerving wordt gezien als mogelijke verklaring voor ziekten die bij zowel mannen als vrouwen voorkomen, maar alleen worden doorgegeven via vrouwen. Omdat mitochondriën een belangrijke rol hebben bij celmetabolisme, zijn de weefsels die het gevoeligst zijn voor mitochondriële mutaties het centrale zenuwstelsel, de skeletspieren en het hart. Normaal gesproken is het DNA van de verschillende mitochondriën identiek, dit wordt homoplasmie genoemd. Als er ergens een mutatie optreedt, zullen er twee populaties van mitochondrieel DNA zijn, heteroplasmie.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 8: Population and mathematical genetics, Pagina 129-132

In een grote, willekeurig voortplantende populatie waar geen verstorende invloeden van buitenaf zijn, blijven de relatieve aantallen van verschillende genotypen constant van generatie op generatie. Dit staat bekent als het Hardy-Weinberg principe. Als je een locus hebt met twee mogelijke allelen, A en a, hebben deze als frequentie respectievelijk p en q. Hierbij hoort de volgende tabel:

Dit hoort bij een ideale populatie. Voor sommige menselijke eigenschappen, zoals genen van bloedgroepen, kan Hardy-Weinberg worden toegepast. Een aantal factoren die ervoor zorgen dat de Hardy-Weinbergregel niet op gaat zijn:

• onwillekeurige partnerkeuze

• mutatie

• selectie

• kleine populatie

• gene flow (migratie)

Mensen zijn geneigd om een partner uit te zoeken met vergelijkbare eigenschappen zoals lengte en ras. Dit heet assortative paring en kan ervoor zorgen dat bepaalde eigenschappen vaker in de populatie voorkomen.

Wijdverspreid bloedverwantschap in een gemeenschap (voortplanting van twee mensen met een gemeenschappelijke voorouder) leidt tot een relatieve toename van de frequentie van aangedane homozygoten en een afname van heterozygoten.

Bij X-linked recessieve aandoeningen is de frequentie van aangedane mannen gelijk aan de frequentie van het mutante allel (q). Aangedane vrouwen zijn dan gelijk aan q2 en vrouwelijke dragers aan 2pq.

Enkele formules die bij dit principe gebruikt worden zijn:

• p + q = 1

• p2 + 2pq + q2 = 1

Als de incidentie van een autosomaal recessieve aandoening bekend is, kan daarmee de dragerschapsfrequentie worden uitgerekend.

Een voorbeeld:

De incidentie van een recessief allel is 1/10.000, dus q2 is 1/10.000.

q is dan de wortel van q2, dus 1/100.

p + q = 1, dus p is in dit geval 99/100.

Dragers hebben als genotype 2pq, dus 2 x 1/100 x 99/100.

In deze populatie is dus ongeveer 1 op de 50 mensen drager van dit allel.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 9: Polygenic and multifactorial inheritance, Pagina 143-144, 147-150

Bij multifactoriële overerving spelen verschillende factoren, zowel in de genen als in de omgeving, een rol in het veroorzaken van aandoeningen. Genen die samen verantwoordelijk zijn voor een bepaalde eigenschap, worden polygenen genoemd. Het gaat dan bijvoorbeeld om bloeddruk of lengte. Bij polygene overerving gaat het om de overerving en expressie van een fenotype dat is vastgelegd door verschillende genen op verschillende loci, die allemaal een eigen bijdrage leveren. Hier dragen alle genen evenveel bij.

Het International HapMap project identificeert SNP (single nucleodite polymorphisms) frequenties en haplotypes (gelinkte SNP frequenties) in verschillende populaties. De HapMap databank wordt steeds uitgebreider, waardoor er meer studie mogelijk is over SNP genotypering. Een SNP is een variatie in het menselijke genoom, deze zorgen voor de variatie tussen de mensen.

Bij een genome-wide association (GWA) studie vergelijken onderzoekers varianten van het gehele genoom in een case control studie. Met deze nieuwe methode zijn er veel verbanden gevonden tussen SNP’s en bepaalde ziektes. Een groot voordeel van de GWA studies is dat ze “hypothese-vrij” zijn, er is van tevoren geen veronderstelling over of de genen bij een bepaalde ziekte betrokken zouden kunnen zijn.

Het Thousand Genomes Project is een nieuw initiatief op grote schaal, met als doel om meer variatie in menselijke genen in kaart te brengen. Hiervoor wordt sequencing gedaan van het genoom van 1000 verschillende mensen van over de hele wereld. Hiermee hoopt men meer inzicht te krijgen in de genen die betrokken zijn bij multifactoriële ziektes.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 17: Genetic counseling, Pagina 269-270

Van consanguïniteit wordt gesproken bij een huwelijk tussen twee mensen die tenminste één gemeenschappelijke voorvader hebben, niet verder weg dan een over-over-grootouder. In sommige delen van de wereld, bijvoorbeeld in Arabische landen en ook in India, zijn dit soort huwelijken veelvoorkomend. Vaak is er wel enig besef van mogelijke nadelen, maar wegen de sociale voordelen veel zwaarder voor deze mensen.

Veel studies laten zien dat er een hogere incidentie is van zowel congenitale aandoeningen als aandoeningen die later optreden bij kinderen van bloedverwanten. Dit komt bijna allemaal voort uit het feit dat een kind een grotere kans heeft op homozygotie voor een autosomaal recessieve stoornis. Bij volle neven en nichten is de kans dat een kind homozygoot zal zijn voor een bepaalde autosomaal recessieve aandoening afkomstig van de grootouders 1 op 32. Daarnaast is er ook nog het standaard risico van 1 op 40 dat een kind een grote congenitale abnormaliteit heeft. Dit geeft een overall risico van 1 op 20 voor kinderen van neven en nichten op een handicap. Voor bloedverwanten die minder nauw verwant zijn, is het risico lager.

Incestueuze relaties zijn relaties tussen eerstegraads bloedverwanten (broer-zus, ouder-kind). Dit is officieel verboden in bijna iedere cultuur. Het risico op kinderen met abnormaliteiten is heel hoog. Minder dan de helft van de kinderen die hieruit voortkomen is gezond.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 22: Risk calculation, Pagina 339-344

Wanneer bij iemand in de familie een autosomaal dominante ziekte heerst, is er 50% kans dat kinderen van die ouders deze ziekte ook krijgen. Om deze kans goed te berekenen moet er een duidelijke familiegeschiedenis bekend zijn, er moet bekend zijn of er een volledige penetrantie is en er moet betrouwbare informatie zijn over de diagnose van heterozygoten. Het is namelijk belangrijk om te weten of de zieke van een ouder is overgeërfd of dat deze is ontstaan door een mutatie. Als er bepaalde dingen niet bekend zijn, of niet juist bekend zijn, wordt de berekening van de kans moeilijker.

Penetrantie wordt meestal weergeven in de vorm van een percentage. 80% penetrantie wil zeggen dat bij 80% van alle mensen met ten minste één mutant allel de ziekte tot expressie komt. Dit kan ook worden weergeven als P=0.8. Mensen zijn die wel het mutante allel hebben, maar bij wie dit niet tot uiting komt, heet gereduceerde penetrantie.

Voorbeeld uit het boek: een vrouw heeft dominante ziekte, met een penetrantie van 0.8. Het risico dat een kind van deze vrouw de ziekte zal ontwikkelen is: ½ x 0.8 = 0.4.

Het wordt echter lastiger als er een berekening gemaakt moet worden voor toekomstige kinderen van bepaalde mensen, diegene zelf is gezond maar de ouders waren ziek. Deze kans kan als volgt berekend worden:

Er worden 10 kinderen verwekt, de penetrantie is 0.8. 5 van de 10 kinderen zullen de ziekte waarschijnlijk krijgen. Maar omdat de penetrantie 0.8 is zullen maar bij 4 van de 5 kinderen de ziekte tot uiting komen. Hierdoor zullen 6 van de 10 kinderen de ziekte niet hebben. Dat kans dat een niet zieke kind wel de drager is van de ziekte 1/8. De kans dat deze persoon een kind krijgt dat ziek wordt is dus 1/8 x ½ x 4/5.

Omdat autosomale ziektes vaak op latere leeftijd tot uiting komen is het belangrijk voor dragers te weten of ze de ziekte nog krijgen of door kunnen geven aan hun kinderen. Het is belangrijk dit dus ook te kunnen berekenen, hierbij wordt de Hardy-Weinberg formule gebruikt.

Een autosomale recessieve ziekte is een ziekte waarbij de ouders van een kind niet ziek zijn, maar beide heterozygoot zijn (of 1 van de ouders is heterozygoot en er vindt een mutatie plaats). Hun kind is echter wel ziek. De ziekte wordt vaak ook niet verder doorgegeven en komt maar in 1 generatie voor. Een kind heeft ¼ kans om de ziekte ‘volledig’ te krijgen. De kans om een drager van een autosomale recessieve te zijn, is ⅔ omdat 2 van de 3 gezonde kinderen wel het gen bevatten.

Week 3

Elements of medical genetics, The Origins of Medical Genetics, Pag. 7-8

John Dalton, bekend van de atoomtheorie, observeerde dat sommige afwijkingen te maken hebben met geslachtsgebonden overerving. Kleurenblindheid wordt bijvoorbeeld nog steeds onder het Daltonisme benoemd. In 1900 was Mendel’s theorie weer opgedoken en dit betekende het begin van de medische genetica. Ik 1902 werd de recessieve overerving ontdekt. In 1908 kwam de nieuwe term een ‘stofwisselingziekte’ die vaak genetisch bepaald was. Later werd er een onderscheid gemaakt tussen enkel gen, chromosomaal, multifactoriële en polygene erfelijkheid.

De bestudering van genetisch materiaal werd mogelijk gemaakt door elektroforese en chromatografie. De nieuwe technieken fluorescent in-situ hybridization (FISH) en comparative genomic hybridization (CGH) maakte cytogenetica en moleculaire genetica mogelijk. Francis Galton introduceerde het regressiecoëfficient, een maat voor hoeveel vergelijkingen er zijn tussen familieleden. Sommige genetische fouten zijn ontstaan tijdens de mitose of meiose. Dit leidt tot numerieke afwijkingen.

Elements of medical genetics, Hoofdstuk 2, Mutaties, Pagina 22-26

Mutaties zijn overerfbare veranderingen in het genetische materiaal. Ze zorgen voor evolutie, maar kunnen ook ziektes veroorzaken. Mutaties ontstaan soms door blootstelling aan mutagene stoffen, maar meestal zijn ze spontaan. Somatische mutaties worden niet aan het nageslacht doorgegeven, mutaties aan geslachtsklieren- en/of cellen wel. Mutaties komen veel voor, niet elke is direct schadelijk. Ook bestaat er 'terugmutatie', waarbij mensen die recessief homozygoot zijn voor een ziekte toch ook gezonde cellen hebben.

De meest voorkomende mutatie is substitutie: een nucleotide wordt vervangen door een andere. Als dit om hetzelfde type gaat, dus allebei pyrimidine (C en T) of allebei purine (A en G) heet het een transitie. Als een pyrimidine een purine wordt of andersom heet het een transversie. De transitie van C naar T komt het meest voor, omdat het complex tussen C en G (het CpG-complex) makkelijk muteert. Bij een deletie verdwijnt één of meerdere nucleotiden, bij een insertie komt er één of meerdere nucleotiden bij. Als een deletie of insertie in het coderende deel optreedt kan het hele leesraam veranderen, tenzij het verloren/ nieuwe deel drie nucleotiden bevat. Grote deleties of inserties kunnen ontstaan door verkeerde cross-overs.

Men spreekt van een dynamische mutatie wanneer een zich herhalende sequentie instabiel wordt naarmate deze langer wordt. Deze herhalingen kunnen ontstaan door fouten in cross-overs, zusterchromatiden-uitwisselingen of DNA-polymerase. Omdat drievoudige herhalingen per generatie langer worden, verklaren ze het plotseling opkomen van ziektes in gezonde families. Het langer worden van een dynamische mutatie gedurende generaties wordt anticipatie genoemd. Veel voorkomende ziekten zijn ziekte van Huntington (CAG)n, Fragile X syndroom (CCG)n en myotonische dystrofie (CTG)n en (CCTG)n.

Bij een synonieme of stille mutatie verandert het eiwit niet, bij een niet-synonieme mutatie gebeurt dit wel. Het laatste komt minder vaak voor. Door een niet-synonieme mutatie wordt vaak de functie van het eiwit veranderd, wat tot ziekte of de dood kan leiden. Er zijn drie soorten niet-synonieme mutaties:

• Missense: hierbij wordt een aminozuur in het eiwit veranderd. Soms verandert daarbij ook de structuur van het eiwit, dit heet een niet-conservatieve substitutie. De kwantitatieve functie blijft vaak hetzelfde, maar de kwalitatieve functie (optimale pH, stabiliteit) niet. Als de verandering van aminozuur geen effect op de functie van het eiwit heeft, noemen we het een conservatieve substitutie.

• Nonsense: hierbij leidt de substitutie tot de vorming van een stopcodon. Deze verkorte eiwitten kunnen vaak hun functie niet uitoefenen. Het 'nonsense-mediated decay'-proces breekt mRNA met vervroegde stopcodons af.

• Frameshift: hierbij is een insertie of deletie niet in drievoud en wordt het leesraam veranderd. Meestal komt hierbij ook een vervroegd stopcodon voor.

Mutaties in niet-coderend-DNA zijn alleen schadelijk als ze in een gebied zitten dat genexpressie regelt, zoals mutaties in de promotor, splicinggebieden of andere regulatorische regio’s.

De gevolgen van mutaties zijn verlies of winst van functie. Verlies van de functie resulteert in een hypomorf eiwit als de functie is afgenomen, en een amorf eiwit als de functie compleet verloren is. Vaak zijn deze aandoeningen recessief. Wanneer in een heterozygote status er wel fenotypische effecten zijn wordt dit een haplo-insufficiëntie mutatie genoemd.

Winst van functie kan leiden tot nieuwe functies of overexpressie. Daarbij kunnen verschillende dominante ziektes ontstaan. Bij homozygoten is de ziekte vaak erger dan bij heterozygoten. Bij een dominante negatieve mutatie zorgt het gemuteerde gen dat het gezonde gen geen goed werkend eiwit meer maakt.

Vaak heeft een ziekte meerdere vormen. Door moleculaire genetica zijn fenotypes steeds beter te verklaren. Bepaalde genotypes worden ook aan bepaalde fenotypes gekoppeld. Dit heet genotype-fenotype correlatie. Bij veel ziektes wordt dit gebruikt om te kijken waar patiënten risico voor lopen.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 7: Patterns of inheritance, Pagina 109-121, 126

Een belangrijke reden om het overervingpatroon van een ziekte binnen families te bestuderen is om te kijken wat het risico is op ziekten voor leden van die familie. Het tekenen van een stamboom begint met de persoon die bij de arts komt; dit noemen we de index case, proband of propositus. Zijn of haar positie in de stamboom wordt met een pijl aangegeven. Informatie over directe familie wordt gevraagd en ingetekend, let hierbij op de juiste familieband.

Aandoeningen op één gen noemen we unifactorieel of mendeliaans. Veel ziektes zijn echter multifactorieel. Als een ziekte door een fout op een geslachtschromosoom komt, noemen we het X-chromosomaal of geslachtsgebonden. Anders is het autosomaal.

Een dominante aandoening leidt al tot ziekte als een individu ook een gezond gen heeft en dus heterozygoot is. Zo'n ziekte is in alle generaties van een familie terug te vinden. Een kind van een ouder die heterozygoot voor een dominante ziekte is, heeft 50% kans deze ziekte ook te krijgen. Veel autosomale dominante ziektes zijn pleiotropisch, ze leiden tot meerdere, ongerelateerde effecten. Hierdoor kunnen individuen met dezelfde ziekte andere verschijnselen hebben. Soms is een individu met een mutatie zelfs helemaal normaal. Dit verschil in uiting van de ziekte heet variabele expressiviteit. Bij verminderde penetrantie is het mogelijk een individu een dominante autosomale ziekte heeft, maar dat deze zich niet uit. Dit individu heet dan non-penetrant en kan gezond zijn doordat andere genen of omgevingsfactoren de ziekte modificeren. De ziekte kan wel aan het nageslacht worden doorgegeven, dan lijkt het alsof de ziekte een generatie heeft overgeslagen.

Als een dominante ziekte opkomt in een familie waar deze niet voorkomt, spreken we van een nieuwe mutatie. Let hierbij ook op of de ouders wel echt de ouders zijn! Nieuwe mutaties komen vaak door een verhoogde leeftijd van de vader. Bij codominantie komen twee verschillende allelen tot uiting, een voorbeeld is bloedgroep AB. Als een individu homozygoot is voor een dominante aandoening, leidt dit soms tot verergering van de ziekte (dan is het dominante allel incompleet dominant) of de ziekte is even erg als bij heterozygote patiënten (het dominante allel is puur dominant).

Bij een recessieve aandoening zijn twee gemuteerde allelen nodig om de ziekte te krijgen, heterozygoten zijn drager van de ziekte. Het traceren van een recessieve aandoening in een stamboom is vaak moeilijk, vaak hebben broers en zussen van een patiënt de aandoening ook. Consanguïniteit (bloedverwantschap tussen ouders) leidt vaak tot kinderen met een zeldzame recessieve aandoeningen. Twee heterozygote ouders hebben 25% kans dat hun kind de aandoening heeft en 50% kans dat het kind ook drager van de ziekte is. Als een van de twee ouders homozygoot recessief is en de andere heterozygoot, dan is de kans dat het kind de ziekte heeft 50%. Omdat dit een even grote kans is als bij een dominante ziekte, noemen we dit pseudodominant.

Bij locus-heterogeniteit leiden meerdere defecten tot dezelfde ziekte, dit is het geval bij doofheid. Omdat twee dove ouders dit door verschillende mutaties kunnen hebben, is er een kans dat de kinderen wel kunnen horen. Dit noemen we dan dubbele heterozygoten. Ziektes waarbij meerdere gemuteerde genen tot hetzelfde resultaat leiden noemen we genokopieën. Als milieufactoren hier ook tot kunnen leiden, noemen we de ziektes fenokopieën. Ook bestaat het dat twee mutaties op hetzelfde locus tot dezelfde ziekte leiden, dit noemen we compound heterozygoot of mutationeel heterozygoot. Dit komt veel vaker voor dan pure homozygotie.

Genen op het X-chromosoom noemen we X-linked, genen op het Y-chromosoom heten Y-linked of holandrisch. Aandoeningen op het X-chromosoom komen voornamelijk voor bij mannen, omdat zij maar één X-chromosoom hebben. Een man met een mutant X-chromosoom noemen we hemizygoot. Omdat zo'n ziekte meestal niet zichtbaar wordt bij vrouwen, heeft het een diagonaal patroon in een stamboom. De dochters van een man met een X-chromosomale afwijking zullen allen drager zijn (obligaat dragerschap), de zonen allen gezond (behalve bij uniparentale heterodisomie). De zonen van een moeder die drager is hebben 50% kans op de ziekte, de dochters hebben 50% kans op dragerschap. Sommige X-chromosomale afwijkingen, zoals Duchenne, leiden tot vroege sterfte, waardoor de overerving alleen via draagsters en nieuwe mutaties gaat. Omdat vrouwen mozaïek zijn voor het X-chromosoom, zijn zij dit ook voor deze ziektes. Ook kunnen vrouwen homozygoot recessief zijn, vooral bij ziektes die vaak voorkomen, zoals kleurenblindheid.

Dominante aandoeningen op het X-chromosoom komen weinig voor, vitamine D resistentie is een voorbeeld. Alle dochters van een man met zo'n ziekte krijgen de aandoening, en geen van zijn zonen. Ondanks dat zowel mannen als vrouwen evenveel kans hebben, zijn sommige ziektes minder erg bij vrouwen. Omdat vrouwen mozaïsch zijn voor het X-chromosoom, komt het voor dat heterozygote vrouwen in sommige delen van hun lichaam een dominante X-chromosomale aandoening niet vertonen. Dit komt omdat in deze gebieden het gezonde X-chromosoom actief is.

Y-linked aandoeningen zijn altijd dominant, want er is maar één Y-chromosoom. Deze aandoeningen worden alleen van vader op zoon doorgegeven.

Sommige aandoeningen lijken autosomaal over te erven, maar liggen toch op de geslachtschromosomen. Dit komt doordat het X- en het Y-chromosoom een regio delen, de pseudoautosomale regio. Door crossing-over kan een stuk van een gemuteerd X-chromosoom op het Y-chromosoom komen te liggen, een man kan de aandoening zo ook aan zijn zoon geven. Zulke aandoeningen worden in de ene familie als dominant autosomaal gerapporteerd, en in de andere als X-linked.

Ook komen sommige autosomale aandoeningen bij het ene geslacht vaker tot uiting dan bij het andere, een voorbeeld hiervan is kaalheid. Dit komt omdat mannen en vrouwen hormonaal van elkaar verschillen. Dit heet sex influence. Bij Sex limitation komt een aandoening maar bij één geslacht voor.

Een handig schema over de verschillende manieren van overervingen is Box 7.1 op blz. 118. Hier staat mitochondrieel overerven, dat alleen via de moeder gebeurt, niet tussen.

Van anticipatie is sprake als een ziekte op jongere leeftijd tot uiting komt bij een volgende generatie, of als de ziekte in de volgende generatie erger is. Er zijn hier vele theorieën over, maar bij een aantal ziektes is duidelijk geworden dat het komt doordat een bepaalde sequentie steeds langer wordt. Hoe langer de sequentie, hoe instabieler het te maken eiwit en hoe erger de ziekte. Bij myotone dystrofie is dit het geval bij het CTG-triplet, dat tijdens de maternale meiose verlengd kan worden. Bij Huntington is dit het geval tijdens de paternale meiose.

Mozaïcisme houdt in dat een individu of een weefsel meerdere typen cellijnen heeft. Dit komt door een fout in de mitose na de conceptie. Een deel van de cellen ontwikkelt zich dan met een mutatie. Er zijn twee vormen mozaïcisme: somatisch en gonadaal.

Bij somatisch mozaïcisme heeft een individu minder last van een ziekte dan andere individuen met de ziekte, of komt de ziekte slechts in een of enkele regio's van het lichaam voor. Als de mutatie niet in de geslachtscellen voorkomt, kan het niet worden doorgegeven aan het nageslacht. Bij gonadaal mozaïcisme zit de mutatie alleen in de geslachtscellen, en wordt de ziekte dus doorgegeven maar de beide ouders zijn gezond.

Van uniparentale disomie spreekt men als een kind niet van beide ouders één chromosoom erft, maar van één ouder twee chromosomen. Als dit hetzelfde chromosoom is, zit de fout in meiose II en noemen we het uniparentale isodisomie. Krijgt het kind twee verschillende chromosomen van dezelfde ouder, dan zit de fout in meiose I en noemen we het uniparentale heterodisomie. Beide gevallen leiden tot een trisomie, een van de chromosomen wordt afgestaan om toch een normale hoeveelheid chromosomen te hebben. In een op drie gevallen ontstaat zo een uniparentale disomie. Uniparentale disomie kan ook redding betekenen, als de andere geslachtscel nullosomisch is.

Iedere cel bevat mitochondrieel DNA, vooral cellen die veel energie nodig. Mitochondrieel DNA wordt compleet overgeërfd van de moeder, via de oöcyt. Mitochondriële overerving wordt gezien als mogelijke verklaring voor ziekten die bij zowel mannen als vrouwen voorkomen, maar alleen worden doorgegeven via vrouwen. Omdat mitochondriën een belangrijke rol hebben bij celmetabolisme, zijn de weefsels die het gevoeligst zijn voor mitochondriële mutaties het centrale zenuwstelsel, de skeletspieren en het hart. Normaal gesproken is het DNA van de verschillende mitochondriën identiek, dit wordt homoplasmie genoemd. Als er ergens een mutatie optreedt, zullen er twee populaties van mitochondrieel DNA zijn, heteroplasmie.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 8: Population and mathematical genetics, Pagina 129-132

In een grote, willekeurig voortplantende populatie waar geen verstorende invloeden van buitenaf zijn, blijven de relatieve aantallen van verschillende genotypen constant van generatie op generatie. Dit staat bekent als het Hardy-Weinberg principe. Als je een locus hebt met twee mogelijke allelen, A en a, hebben deze als frequentie respectievelijk p en q. Hierbij hoort de volgende tabel:

Dit hoort bij een ideale populatie. Voor sommige menselijke eigenschappen, zoals genen van bloedgroepen, kan Hardy-Weinberg worden toegepast. Een aantal factoren die ervoor zorgen dat de Hardy-Weinbergregel niet op gaat zijn:

• onwillekeurige partnerkeuze

• mutatie

• selectie

• kleine populatie

• gene flow (migratie)

Mensen zijn geneigd om een partner uit te zoeken met vergelijkbare eigenschappen zoals lengte en ras. Dit heet assortative paring en kan ervoor zorgen dat bepaalde eigenschappen vaker in de populatie voorkomen.

Wijdverspreid bloedverwantschap in een gemeenschap (voortplanting van twee mensen met een gemeenschappelijke voorouder) leidt tot een relatieve toename van de frequentie van aangedane homozygoten en een afname van heterozygoten.

Bij X-linked recessieve aandoeningen is de frequentie van aangedane mannen gelijk aan de frequentie van het mutante allel (q). Aangedane vrouwen zijn dan gelijk aan q2 en vrouwelijke dragers aan 2pq.

Enkele formules die bij dit principe gebruikt worden zijn:

p + q = 1

p2 + 2pq + q2 = 1

Als de incidentie van een autosomaal recessieve aandoening bekend is, kan daarmee de dragerschapsfrequentie worden uitgerekend.

Een voorbeeld:

De incidentie van een recessief allel is 1/10.000, dus q2 is 1/10.000.

q is dan de wortel van q2, dus 1/100.

p + q = 1, dus p is in dit geval 99/100.

Dragers hebben als genotype 2pq, dus 2 x 1/100 x 99/100.

In deze populatie is dus ongeveer 1 op de 50 mensen drager van dit allel.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 9: Polygenic and multifactorial inheritance, Pagina 143-144, 147-150

Bij multifactoriële overerving spelen verschillende factoren, zowel in de genen als in de omgeving, een rol in het veroorzaken van aandoeningen. Genen die samen verantwoordelijk zijn voor een bepaalde eigenschap, worden polygenen genoemd. Het gaat dan bijvoorbeeld om bloeddruk of lengte. Bij polygene overerving gaat het om de overerving en expressie van een fenotype dat is vastgelegd door verschillende genen op verschillende loci, die allemaal een eigen bijdrage leveren. Hier dragen alle genen evenveel bij.

Het International HapMap project identificeert SNP (single nucleodite polymorphisms) frequenties en haplotypes (gelinkte SNP frequenties) in verschillende populaties. De HapMap databank wordt steeds uitgebreider, waardoor er meer studie mogelijk is over SNP genotypering. Een SNP is een variatie in het menselijke genoom, deze zorgen voor de variatie tussen de mensen.

Bij een genome-wide association (GWA) studie vergelijken onderzoekers varianten van het gehele genoom in een case control studie. Met deze nieuwe methode zijn er veel verbanden gevonden tussen SNP’s en bepaalde ziektes. Een groot voordeel van de GWA studies is dat ze “hypothese-vrij” zijn, er is van tevoren geen veronderstelling over of de genen bij een bepaalde ziekte betrokken zouden kunnen zijn.

Het Thousand Genomes Project is een nieuw initiatief op grote schaal, met als doel om meer variatie in menselijke genen in kaart te brengen. Hiervoor wordt sequencing gedaan van het genoom van 1000 verschillende mensen van over de hele wereld. Hiermee hoopt men meer inzicht te krijgen in de genen die betrokken zijn bij multifactoriële ziektes.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 17: Genetic counseling, Pagina 269-270

Van consanguïniteit wordt gesproken bij een huwelijk tussen twee mensen die tenminste één gemeenschappelijke voorvader hebben, niet verder weg dan een over-over-grootouder. In sommige delen van de wereld, bijvoorbeeld in Arabische landen en ook in India, zijn dit soort huwelijken veelvoorkomend. Vaak is er wel enig besef van mogelijke nadelen, maar wegen de sociale voordelen veel zwaarder voor deze mensen.

Veel studies laten zien dat er een hogere incidentie is van zowel congenitale aandoeningen als aandoeningen die later optreden bij kinderen van bloedverwanten. Dit komt bijna allemaal voort uit het feit dat een kind een grotere kans heeft op homozygotie voor een autosomaal recessieve stoornis. Bij volle neven en nichten is de kans dat een kind homozygoot zal zijn voor een bepaalde autosomaal recessieve aandoening afkomstig van de grootouders 1 op 32. Daarnaast is er ook nog het standaard risico van 1 op 40 dat een kind een grote congenitale abnormaliteit heeft. Dit geeft een overall risico van 1 op 20 voor kinderen van neven en nichten op een handicap. Voor bloedverwanten die minder nauw verwant zijn, is het risico lager.

Incestueuze relaties zijn relaties tussen eerstegraads bloedverwanten (broer-zus, ouder-kind). Dit is officieel verboden in bijna iedere cultuur. Het risico op kinderen met abnormaliteiten is heel hoog. Minder dan de helft van de kinderen die hieruit voortkomen is gezond.

Elements of medical genetics, hoofdstuk 22: Risk calculation, Pagina 339-344

Wanneer bij iemand in de familie een autosomaal dominante ziekte heerst, is er 50% kans dat kinderen van die ouders deze ziekte ook krijgen. Om deze kans goed te berekenen moet er een duidelijke familiegeschiedenis bekend zijn, er moet bekend zijn of er een volledige penetrantie is en er moet betrouwbare informatie zijn over de diagnose van heterozygoten. Het is namelijk belangrijk om te weten of de zieke van een ouder is overgeërfd of dat deze is ontstaan door een mutatie. Als er bepaalde dingen niet bekend zijn, of niet juist bekend zijn, wordt de berekening van de kans moeilijker.

Penetrantie wordt meestal weergeven in de vorm van een percentage. 80% penetrantie wil zeggen dat bij 80% van alle mensen met ten minste één mutant allel de ziekte tot expressie komt. Dit kan ook worden weergeven als P=0.8. Mensen zijn die wel het mutante allel hebben, maar bij wie dit niet tot uiting komt, heet gereduceerde penetrantie.

Voorbeeld uit het boek: een vrouw heeft dominante ziekte, met een penetrantie van 0.8. Het risico dat een kind van deze vrouw de ziekte zal ontwikkelen is: ½ x 0.8 = 0.4.

Het wordt echter lastiger als er een berekening gemaakt moet worden voor toekomstige kinderen van bepaalde mensen, diegene zelf is gezond maar de ouders waren ziek. Deze kans kan als volgt berekend worden:

Er worden 10 kinderen verwekt, de penetrantie is 0.8. 5 van de 10 kinderen zullen de ziekte waarschijnlijk krijgen. Maar omdat de penetrantie 0.8 is zullen maar bij 4 van de 5 kinderen de ziekte tot uiting komen. Hierdoor zullen 6 van de 10 kinderen de ziekte niet hebben. Dat kans dat een niet zieke kind wel de drager is van de ziekte 1/8. De kans dat deze persoon een kind krijgt dat ziek wordt is dus 1/8 x ½ x 4/5.

Omdat autosomale ziektes vaak op latere leeftijd tot uiting komen is het belangrijk voor dragers te weten of ze de ziekte nog krijgen of door kunnen geven aan hun kinderen. Het is belangrijk dit dus ook te kunnen berekenen, hierbij wordt de Hardy-Weinberg formule gebruikt.

Een autosomale recessieve ziekte is een ziekte waarbij de ouders van een kind niet ziek zijn, maar beide heterozygoot zijn (of 1 van de ouders is heterozygoot en er vindt een mutatie plaats). Hun kind is echter wel ziek. De ziekte wordt vaak ook niet verder doorgegeven en komt maar in 1 generatie voor. Een kind heeft ¼ kans om de ziekte ‘volledig’ te krijgen. De kans om een drager van een autosomale recessieve te zijn, is ⅔ omdat 2 van de 3 gezonde kinderen wel het gen bevatten.