Pathogenetica H1: Introductie

Genoom

* al het erfelijk materiaal in een cel
* optelsom van DNA op chromosomen en mitochondriaal DNA

Is er een link tss aantal EW coderende genen en de complexiteit van het organisme?

Nee

een druif heeft er meer dan een mens → andere soorten genen en andere factoren die meespelen bv. non-coding RNAs beinvloeden expressie

Is de contributie van beide ouders naar nakomelingen gelijk?

Nee

* mitochondriaal DNA is van maternale oorsprong
* chromosomaal DNA is wel 50% moeder en 50% vader

Locus

Plaats op het genoom

Variant (3)

Overkoepelende term → er is een verschil ten opzichte van de referentie

* Mutatie = zeldzame variant (

Mutatie

* **aangeraden**: term gebruiken als het gaat over het eigenlijk veranderen van sequentie
* (is ook een “synoniem” voor variant → als

Allelen

Verschillende versies van een locus

→ onderscheid tussen **normaal/wildtype** en abnormaal/**mutant allel**

Genotype

Versie van een DNA sequentie die een individu heeft op een specifieke plaats

Onderdelen van een variant descriptie (5)

* Referentie → paars
* Versie → rood
* Type referentie → groen
* Locatie → blauw
* Allelen → geel

Verschillende mogelijke niveaus van het type referentie (4)

g = **genomisch** (A,G,C,T) → meest optimale

c = **coderend** (A,G,C,T → geen introns)

r = **RNA** / transcript (__U ipv T__ → A,C,G,U)

p = **proteïnen** (aminozuren)

Om welke redenen kan dezelfde variant er anders uitzien? (3)

* Nieuwe referentie of annotatie → locatie kan dan bv veranderen als nog niet alle stukken van het genoom gesequeneerd waren
* Ander type referentie
* Forward vs. reverse strand

Kan dit dezelfde variant zijn?

Ja, want:

* niet hetzelfde referentie, noch referentietype
* eerste is genomisch met G>A, en tweede is coderend met C>T (complement)

Op basis van welke eigenschappen kunnen we varianten classificeren? (4)

- Grootte
- DNA verandering
- Effect op niveau van het eiwit
- Pathogeniciteit

Cutoff grote en kleine varianten (subjectief)

1-50 bp = klein

>50 bp = groot → volledige chromosomen (bv. trisomie) of genomen (bv. triploidie)

Mogelijke DNA veranderingen (6)

* Deletie → verwijdering van nucleotiden
* Insertie → additie van nt
* Substitutie → vervanging van nt
* Inversie → stuk dna omgedraaid
* Duplicatie → stuk dna herhaald
* Translocatie → stuk dna verplaatst

Gebalanceerde vs ongebalanceerde deletie

* gebalanceerde deleties zorgen niet voor een verkleining van het genoom → zorgen enkel voor een verschuiving
* ongebalanceerde zorgen wel voor een kleiner genoom

Puntmutatie

deletie, insertie of substitutie van 1 nucleotide

SNP en SNV

* SNP = single nucleotide polymorfisme
* SNV = single nucleotide variant → voorkeur voor SNV als term → meer algemeen
* = Er is een substitutie van 1 nucleotide

Verschillende effecten op het niveau van het eiwit (4)

* Silent / synonymous mutatie → geen effect op aminozuursamenstelling
* Missense mutatie → er wordt voor een ander aminozuur gecodeerd
* Nonsense mutatie → er wordt voor een stopcodon gecodeerd
* Frameshift mutatie → verandering leesraam door insertie of deletie van nt die niet gelijk is aan 3 → substantieel effect op eiwit

Silent/synonymous mutatie (3)

* geen effect op aminozuursamenstelling → vooral eerste 2 nucleotiden zijn belangrijk
* op AZ niveau maakt het bv niet uit als GGU verandert naar GGC → geeft glycine
* kan mss wel effect hebben op fenotypisch niveau → veranderen van vorm DNA kan bv expressie niveau veranderen

Naar welke zaken kunnen we bv kijken om de pathogeniciteit van een variant te bepalen? (5)

* Vergelijken prevalentie allel en prevalentie aandoening → als allelfrequentie veel hoger is, is dit een bewijs voor een goedaardig allel
* Allelen die enkel voorkomen bij zieke individuen
* Null varianten → resulteren in niet-functioneel eiwit
* Voorkomen van ziekte bij de mens bij bepaalde varianten
* Informatie uit segregatie data (stamboom)

Verschillende categorieën voor pathogeniciteit van varianten (5)

- Pathogeen
- Likely pathogeen
- Uncertain significance
- Likely benign
- Benign

Consequenties van de verschillende categorieën van varianten (5)

* Pathogeen → voldoet aan criteria voor klinische beslissingen
* Likely pathogeen → voldoet aan criteria voor klinische beslissingen __in combinatie met__ andere bewijzen
* Uncertain significance → niet gebruiken voor klinische beslissingen
* Likely benign → niet de oorzaak van ziekte __in combinatie met andere__ bewijzen
* Benign → niet de oorzaak voor ziekte

Mechanismen voor spontane mutagenese (2)

* Replicatiefouten → correctie door DNA polymerase is niet foutloos
* Strand splippage thv tandem repeats → kan leiden tot zowel een verkorting als verlenging van het aantal herhalingen

Strand slippage

mutatiefrequentie: 1 x 10^-3

Tandem repeat

= a sequence of two or more DNA base pairs that is repeated in such a way that the repeats lie adjacent to each other on the chromosome

bv. …CAACAACAACAA...

Gevolgen van strand slippage (3)

* Instabiel genotype → onvoorspelbaar
* Gevolgen voor DNA testen → genotype van nakomelingen kan niet afgeleid worden uit dat van de ouders
* Gevolgen op niveau dier → mosaïcisme (= sommige cellen hebben ander genoom dan andere cellen) → kunnen verschillend genotype hebben bij verschillende samples

Link fenotype en mutatie

een mutatie kan grote effecten hebben → bv. 1 mutatie kan de volledige vachtkleur veranderen (= mendeliaanse/monogenetische aandoening)

→ hebben ook polygenetische

Types mendeliaanse overerving (4)

* autosomaal dominant
* autosomaal recessief
* X linked dominant
* X linked recessief

Prevalentie ziekte X-linked recessief

* M: 1 ‘slecht’ allel → ziek
* V: 2 "‘slechte’ allelen → ziek
* prevalentie M>>V

Prevalentie ziekte X-linked dominant

V >> M

Polygenetische, multifactoriële aandoening

Optelsom van meerdere genen en beïnvloeding vanuit de omgeving

Complicerende factoren (6)

* penetrantie
* variabele expressiviteit
* genetische heterogeniteit
* compound heterozygoziteit
* fenokopie

Penetrantie

* P
* % individuen met een bepaald genotype dat het verwachte fenotype heeft
* Penetrantie kan variëren met het genotype

Voorbeelden van aandoeningen met een verminderde penetrantie (2)

* Degeneratieve myelopathie → voorbeeld van leeftijdsgeassocieerde verminderde penetrantie → ten vroegste 5 jaar
* Excercise induced collapse → dieren functioneren normaal, tot ze over een bepaalde drempel gaan → zwakte die verergerd tot ze omvallen → kunnen spontaan recoveren

Onderscheid verminderde penetrantie en variabele expressiviteit

Bij variabele expressiviteit gaan alle dieren wel degelijk symptomen vertonen, maar in meerdere of mindere mate

* kunnen ook tegelijkertijd voorkomen

Genetische heterogeniteit heeft invloed op ..

Het gebruik van dezelfde testen bij verschillende rassen

\
→ mutaties kunnen ras- of zelfs familie- of zelfs individu-specifiek zijn!

Allelische heterogeniteit

Verschillende (types) mutaties in hetzelfde gen veroorzaken de aandoening

bv. degeneratieve myelopathie

Locus heterogeniteit

Mutaties in verschillende genen veroorzaken de aandoening

bv. hypertrofische cardiomyopathie

Compound heterozygositeit (2)

* Elke ouder geeft 1 alternerend allel en deze allelen bevinden zich op verschillende loci binnen hetzelfde gen (= allelische heterogeniteit)
* De nakomeling is dan heterozygoot voor beide loci → er kunnen symptomen ontstaan bij een aandoening die autosomaal recessief is

Fenokopie

Fenotype veroorzaakt door milieu-invloeden is identiek aan het fenotype veroorzaakt door een mutatie

2 voorbeelden van fenokopie

- Warfarine vergiftiging \= fenokopie van genetische stollingsziekten bij de hond
- Swainsonine vergiftiging \= fenokopie van alfa-mannosidose bij het rund

2 varianten van *de novo* mutaties

* Germline varianten → afkomstig uit reproductieve cellen → kunnen worden doorgegeven aan de volgende generatie
* Somatische varianten → aanwezig in alle cellen, behalve de reproductieve cellen → worden niet doorgegeven aan de volgende generatie

*De novo* mutatie

* Verandering die voor de eerste keer voorkomt bij een familielid
* Variant kan ontstaan in reproductieve cellen van de ouders, of tijdens de embryogenese
* genetische verandering kan je dus niet terugvinden in bloed vd ouders

Frequentie voorkomen *de novo* mutatie (2)

* komen relatief vaak voor! → 1 out of 20,563 protein coding genes are hit by de novo mutation per generation
* kans dat het twee keer in een generatie gebeurt is wel heel klein

Is het erfelijk?

* vraag vaak gesteld
* niet evident → zelden met zekerheid kunnen zeggen

Aanwijzingen voor een genetische aandoening (4)

* **Familiaal risico** → variatie in voorkomen van ziekten tussen verschillende families
* **Uitsluiten niet-erfelijke factoren** → lastig → gedeelde omgevingsfactoren kunnen een grote rol spelen
* **Gekende genetische aandoeningen bij andere species** → als genetisch bij een species, grote kans ook zo bij een ander
* **Herkenbaar patroon van overerving** → kan soms een bepaald patroon vinden in de familie geschiedenis

Legende stamboom

vierkant = mannelijk dier

cirkel = vrouwelijk dier

aangetast = ingevuld/zwart

Patroon overerving herkennen

* elke aangetaste nakomeling heeft op zijn minst 1 aangetast ouder?
* ja: dominant
* nee: recessief
* gelijke verhouding mannelijk-vrouwelijk?
* ja: autosomaal
* nee: X-linked

Hoe compliceert verminderde penetrantie patroon herkenning stamboom?

* messes with the expected pattern
* dominant genes could skip a generation because of lack of fenotype even though it does have the genotype

Waar gaan we zoeken naar een geschikte DNA test, en hoe pakken we dat aan?

* OMIA = centrale databank
* Online zoeken, genetica contacteren
* Rekening houden met genetische heterogeniteit

Interpretatie van DNA testen

* Directe interpretatie = gevolgen voor het dier zelf
* wordt het dier ziek?
* Punnet square = invloed op nakomelingen en de populatie
* wat is de kans dat de nakomelingen ziek worden?
* mag het dier gebruikt worden?

Formule allelfrequentie

* frequentie allel delen door totaal
* voor een locus met 2 allelen: p + q = 1

Hoe gaan we de genotypefrequentie schatten obv de allelfrequentie?

met gebruik van Hardy-Weinberg equilibrium

Hardy-Weinberg equilibrium (HWE)

- p^2 + 2pq + q^2 \= 1

In een random populatie zonder selectie, migratie, mutatie en genetic drift geldt:
- Allel- en genotypefrequenties blijven constant van de ene op de andere generatie
- Genotype frequenties volgen de volgende distributie:
* Homozygoot \= kwadraat van de relevante allel frequentie
* Heterozygoot \= 2x het product van de relevantie frequentie
(zie formule)

Een deviatie van de HWE is een indicatie ..

Dat een van de assumpties niet vervuld is → weten niet welke

Voorwaarden HWE (5)

- Ad random paring \= panmixie
- Geen selectie
- Geen mutatie
- Geen migratie
- Geen genetische drift

Belang Hardy-Weinberg wet?

* ookal veel voorwaarden → in de realiteit liggen de schattingen vaak zeer dicht bij de realiteit
* belangrijke consequenties:
* link allel en genotypefrequentie
* inschatten allelfrequentie obv prevalentie ziekte
* inschatten frequentie heterozygoten obv allelfrequentie
* nagaan of er deviatie is van dit evenwicht

Figuur frequentie heterozygoten en allelfrequentie

Deviatie HWE

* indicatie dat minstens 1 vd assumpties niet vervuld → geen duidelijkheid over welke assumptie
* niet random, selectie, mutatie, migratie of genetische drift
* kunnen dan verder uitzoeken wat er aan de hand is

panmixie

* paringen gebeuren volgens toeval
* alle individuen hebben evenveel kans om zich voort te planten

Is er toevalsparing mogelijk in de fokkerij?

Ja

* keuze van fokdieren gebeurt obv beperkt aantal kenmerken → hiervoor geen ad-random paring
* voor al de andere kenmerken wordt er wel volledig ad random gepaard!

De genetische samenstelling van een populatie kan veranderen door .. (2)

* Gerichte processen → mutatie, migratie, selectie
* Dispenserende processen → genetische drift

Kenmerken mutaties (2)

* Introduceren nieuwe varianten in een populatie
* Kunnen positief, negatief of neutraal zijn → negatieve mutaties minder kans om doorgegeven te worden

Verdwijnen negatieve mutaties weer vanzelf?

sommige maar zeker niet altijd want:

* milieu
* sommige mutaties meer aangepast aan een ander milieu
* aanwezigheid andere mutaties
* negatieve effect kan opgevangen worden door andere genen/allelen
* linkage
* een negatief allel kan vlakbij een positief allel zitten

Mutatie hotspots

Genomische plaatsen waar relatief veel mutaties plaatsvinden

Mutatiesnelheid μ (2)

* = kans dat een nucleotide wordt veranderd door een mutatie
* Wordt uitgedrukt als het aantal nieuwe mutaties per nucleotide per tijdseenheid
* geen constante → afh. van milieu, leeftijd, geslacht

Mutaties zorgen voor verandering in allelfrequenties

Onjuist

mutaties hebben vrij kleine invloed op evolutie niveau

→ ze vormen het “basismateriaal” waarop de overige krachten kunnen inwerken

Migratie

- Autochtone populatie gaat mixen met de allochtone populatie
- Gaat verandering van de allelfrequentie teweeg brengen (\=delta q)

Wanneer is migratie maximaal?

* migratiepopulatie vervangt de originele
* delta q = 1

Bi-directionele migratie leidt tot .. (2)

* Egalisatie van de allelfrequenties __tussen__ de verschillende populaties
* → populaties waar tss uitwisseling is gaan steeds meer op elkaar lijken
* Meer genetische variatie __binnen__ de populatie
* bv. nieuwe variant geintroduceerd

De grootte van het effect van migratie op allelfrequentie is afhankelijk van .. (3)

* Allelfrequentie verschil
* Proportie immigranten

→ kan zeer sterk effect hebben

Fitness

Capaciteit om bij te dragen aan de volgende generatie

2 belangrijkste pijlers bij fitness

Vruchtbaarheid en leefbaarheid/vitaliteit

Verschil natuurlijke selectie en artificiële selectie

Natuurlijke selectie gebeurt steeds op basis van het fenotype, terwijl artificiële selectie (door de mens) ook op basis van het genotype kan gebeuren (DNA testen)

Effect natuurlijke selectie op kwantitatieve kenmerken (3)

* directionele selectie → voordeel voor 1 fenotype
* kan selectie zijn tegen recessief of dominant allel
* disruptieve selectie → voordeel voor 2 verschillende fenotypen
* stabiliserende selectie → voordeel voor intermediar fenotype

Selectiecoëfficiënt (s)

Geeft aan in hoeverre tegen een bepaald genotype wordt geselecteerd

Selectiemodel

* s = 1 - W
* Genotype met de hoogste fitness kent s = 0 want W = 1
* Moeten in de formule compenseren met de gemiddelde fitness van de populatie = w⎺

effect op frequentie allel q bij selectie tegen recessief kenmerk q2

* ookal ga je streng selecteren → indien heterozygoten niet kunnen herkend worden → q blijft nog in de populatie in heterozygote dragers
* selectie tegen een recessief allel q obv het fenotype is niet efficient!
* gebruik van DNA testen → niet altijd mogelijk

fixering van q

als fokken met enkel recessieve dieren → na 1 generatie enkel q → p is uit de populatie → q ‘gefixeerd’

Genetische drift (4)

* Toevalsproces waardoor fluctuaties ontstaan in allelen en genotypefrequenties
* vooral belangrijk in kleine populaties
* eindpunt: fixatie van een bepaald locus
* algemeen: verlies van genetische variatie

Stichterseffect

Afsplitsing van een kleine groep uit een grote populatie

→ grote gevolgen voor genetische drift

selectie-mutatie evenwicht (4)

* mutatie en selectie gaan samen gebeuren
* selectie tegen zwarte labradors → E volledig uit populatie
* wordt opnieuw bijgemaakt door mutatie vanuit e
* er ontstaat evenwicht waarbij evenwel E-allelen verdwijnen dan er worden bijgemaakt → frequentie S stabiel van generatie tot generatie

Assortatieve paring

Combineren van individuen met een gelijkaardig fenotype

Inteelt (5)

* het combineren van verwante individuen
* geen HW evenwicht → geen ad-random paring
* kan sterke invloed hebben op genotypenfrequenties
* werkt genetische variatie tegen
* vooral in kleine populaties

Wanneer is een individu ingeteeld?

Als langs vaders en moeders kant hetzelfde individu voorkomt

Onderscheid IBS en IBD

* IBS = identical by state = 2 identieke allelen aanwezig bij 2 individuen, maar deze kunnen ook niet-gerelateerd zijn → toeval
* IBD = identical bij descent = 2 identieke allelen aanwezig door een gemeenschappelijke voorouder
* Onderscheid tussen IBS en IBD wordt moeilijker als het aantal generaties stijgt

Inteeltcoefficient F

= maat voor de kans dat 2 allelen identical by descent (IBD) zijn

→ varieert tussen 0 en 1

Gevolg van inteelt op populatieniveau

* Herverdeling naar homozygoten → hoe groter de inteelt, hoe kleiner het % heterozygoten in een populatie
* Als F = 1 zijn alle individuen homozygoot voor alle loci
* schadelijk recessieve allelen komen als homozygoten aan oppervlakte

Waarom is inteelt interessant voor fokkers?

Kunnen zo snelle fixering van een kenmerk krijgen

Effectieve populatie (Ne) (3)

* aantal individuen dat de variatie van de beschouwde populatie verklaart indien deze zich gedraagt als een ideale populatie met ad random paring.
* maat voor verlies aan genetische variatie als gevolg van genetische drift.
* Ne gaat steeds kleiner zijn dan de reële populatie (N)
* indien Ne te klein → populatie komt in gevaar

Oorzaken voor Ne < N (6)

* Verschil in aantal reproducerende mannelijke en vrouwelijke dieren
* in de huisdieren: __meer vrouwelijke (reproducerende?) dieren dan mannelijke dieren__
* Tijdsgebonden fluctuaties in N
* Variatie in aantal nakomelingen per familie
* Geen ad random paring of inteelt
* Variatie in reproductieleeftijd
* Geografische distributie

link Ne en inteelttoename

* inteelttoename = delta F
* als < 0.5% = veilig
* als > 1% = kritiek

Gevolgen van een inteeltdepressie (6)

* Homozygoot recessieve kenmerken duiken in relatief hoge mate op
* Verlaagde vruchtbaarheid
* Verlaagde ziekteweerstand
* Verlaagde vitaliteit/levensverwachting
* Verhoogde incidentie tumoren
* Meer auto-immuunziekten

Inteeltdepressie voorbeeld standaard poedel

* bij 5% F worden ze gemiddeld 3 jaar ouder dan 35% F
* per 10% F stijging daalt de vruchtbaarheid gemiddeld met 7%
* niet extrapoleerbaar naar andere rassen maar een mooie illustratie van inteelt effecten

Inteelt oplossen

* door combineren van dieren dieren die sterk ingeteelt zijn kan de die inteelt problematiek direct oplossen
* (as long as they have no common ancestors)


* hetorosis → hogere vitaliteit, vruchtbaarheid en resistentie