HUMANE MOLECULAIRE GENETICA
1. Humaan genoom en genomische variatie .............................................................................2
1.1 Complexiteit en organisatie van het humaan genoom ......................................................2
1.2 Humane genetische variatie ...........................................................................................4
1.3 Klinische consequenties van varianten.......................................................................... 10
2. Technieken voor genoomanalyse ........................................................................................ 15
2.1 Inleiding ....................................................................................................................... 15
2.2 Materiaal voor moleculair genetisch onderzoek....................................................... 15
2.3 Technieken voor genetische testing en genoomanalyses ................................................ 16
3. Genetisch bepaalde ziekten: chromosomale afwijkingen + structurele varianten ................. 26
3.1 Cytogenetische/cytogenomische nomenclatuur en technologie .................................... 26
3.2 Klinische cytogenetica en chromosomale afwijkingen ................................................... 27
3.3 Moleculaire cytogenetica .............................................................................................. 32
3.4 Indicaties voor postnataal chromosomaal onderzoek – klinisch belang van cytogenetisch
onderzoek ......................................................................................................................... 35
4. Genetisch bepaalde ziekten: monogenische aandoeningen ................................................ 36
4.1 Inleiding ....................................................................................................................... 36
4.2 Mendeliaanse overervingsvormen ................................................................................. 37
4.3 Complicerende factoren ............................................................................................... 38
4.4 Niet-Mendeliaanse overervingsvormen ......................................................................... 39
5. Genetisch bepaalde aandoeningen: complexe (multifactoriële) aandoeningen .................... 47
5.1 Definitie en begrippen bij multifactoriële overerving ....................................................... 47
5.2 Opsporen van ziektegenen met genoomwijde associatie studies (GWAS) ....................... 48
5.3 Post-GWAS studies: hoe oefenen genetische varianten hun effect uit ............................. 51
6. Genetische basis van kanker .............................................................................................. 52
6.1 moleculaire basis van kanker ........................................................................................ 52
6.2 Familiale kankersyndromen .......................................................................................... 59
Besluit ............................................................................................................................... 67
7. Statistische genetica ......................................................................................................... 68
7.1 Humane populatiegenetica .......................................................................................... 68
7.2 Risicoberekening in monogenische ziekten ................................................................... 70
7.3 Mapping van genen....................................................................................................... 71
8. Klinische toepassingen van humane genetica ..................................................................... 75
8.1 Genetische testing in de klinische praktijk ..................................................................... 75
1
,1. Humaan genoom en genomische variatie
1.1 Complexiteit en organisatie van het humaan
genoom
Ontrafeling van de DNA structuur en de menselijke chromosomenkaart
− Watson en Crick
• Moleculaire structuur van DNA
= grondslag voor ontwikkeling van moleculaire genetica
− Tijo en Levan
• Humaan genoom = 46 chromosomen
= grondslag voor cytogenetica
− Humaan genoom project
• Gestart in 1990
• Technologie: sanger sequencing
• Versies genoom: 2000, 2003
• 13 jaar + 2.7 biljoen dollar + talrijke groepen ➔ 1 genoom
! anno 2024
o In enkele dagen + minder dan 1000 dollar + onder 1 operator ➔ 1 genoom
o Technologie: next-generation sequencing (NGS)
− 1000 genome project
• Cataloog van variaties in het humane genoom
• 2504 genomen van 26 verschillende populaties
• SNV + SV (inclusief CNV)
− ENCODE = encyclopedia of DNA elements
• Regio’s van transcriptie
• Transcriptiefactor associatie
• Chromatine structuur
• Histone modificaties
Nieuwe inzichten in de organisatie en regulatie van genen en genoom
2
, − gnomAD = genome aggregation database
• Aggregatie van exoom- en genoomdata uit grootschalige sequencingprojecten
• Versie 4 (november 2023): 5x groter dan versie 2 en 3
o Exoom data van 730.947 individuen
o Genoom data van 76.215 individuen
! Slechts 138.000 individuen van niet-Europese genetische afkomst
• Gesequeneerd voor ziektespecifieke en populatiegenetische studies
• SNV + SV
• Vrij beschikbaar voor biomedische gemeenschap
De functionele en structurele opbouw van het humane genoom
− Humaan genoom: som van alle erfelijke/genetische informatie onder de vorm van DNA
aanwezig in een menselijke cel
• DNA in elke celkern
! klein aandeel in mitochondriaal DNA
• 3 miljard nucleotiden (2 kopijen/diploïd)
• Kopij van moeder (maternaal) en vader (paterneel)
• 20.000 genen < 2% van het genoom
• Niet coderend DNA > 98% van het genoom
! wel functionele rol
• Repeats/herhalingen > 50% van het genoom
− Lineaire structuur van een gen en regulatorische elementen
• Sequenties met een invloed op splicing
o Spliceosoom (=RNP-complex) herkent genetische sequenties
o Vatbaar voor fouten ➔ genetische aandoening
• Cis-regulatorische sequenties
= intergenische + intragenische elementen
o Promotoren
- Core = basale promotor: minimum nodig voor transcriptie
- Proximale promotor
▪ Kan tot 1000 bp up- of downstream liggen
▪ Additionele cis-regulatorische elementen = CRE
▪ Transcriptiefactor bindingsplaatsen = TFBS
- Distale promotor
3
, o UTR
- 5’ UTR CRE: regulatie translatie
- 3’ UTR
▪ Beïnvloeden van stabiliteit, polyadenylatie en localisatie
van mRNA
▪ Bindingsplaats voor microRNA
= enhancers en silencers
! Zitten samen met transcriptionele eenheid in topological
associated domain (TAD, 100 kb – 5Mb) + sub-TAD’s (185 kb)
1.2 Humane genetische variatie
− Vergelijking met referentiegenoom
Genoom van 2 individuen: 99.6% identiek aan referentie
− Gevolgen
• Normale kenmerken
• Veroorzaken soms ziekte
o Zeldzame ziekten – monogenetisch: mutatie in 1 gen
o Frequente ziekten – multifactorieel
Basisbegrippen
− Varianten
• Genetische variant: verandering in DNA sequentie
o Germinale = constitutionele variant: alle lichaamscellen
! Kan doorgegeven worden naar volgende generatie
o Somatische variant: lichaamscellen exclusief germinale
! Wordt niet doorgegeven naar volgende generatie
• De novo variant
o Niet bij ouders van een individu aanwezig
o Opgespoord met trio-analyse: kind en ouders
o Humaan genoom: gemiddelde 64 varianten
• Polymorfisme = benigne variant: geen associatie met fenotype
• Causale of pathogene variant: verandering in fenotype
− Genlocus: locatie van gen op chromosoom
− Allelen: verschillende DNA sequenties van een gen
− Genotype: geheel van allelen aanwezig op een bepaalde gen locus
− Zygositeit
• Homozygoot: zelfde allelen voor twee kopijen van genlocus – V1/V1
• Samengesteld heterozygoot: 2 verschillende allelen voor genlocus – V1/V2
• Heterozygoot: 2 verschillende allelen voor genlocus – V1/WT
4
,Classificatie genetische variatie
− Historische indeling
• Chromosomale afwijkingen
o Microscopisch zichtbaar
o Cytogenetica
Bv. interstitiële deletie, translocatie
• Genomische herschikkingen
o Submicroscopisch
o Moleculaire cytogenetica
Bv. deletie, duplicatie
• Sequentievariaties
o Nucleotide-schaal (puntmutaties)
o Moleculaire genetica
Meerdere soorten varianten: kleine (SNV, indel, …) tot grote verschillen (SV)
Basepaarsubstitutie
= SNV’s = single nucleotide variant (met SNP = single nucleotide polymorfisme)
− 5 miljoen per genoom – meest voorkomend
− Vervangen base door een andere base
• Transitie: tussen purines of pyrimidines onderling
• Transversie: van purine naar pyrimidine of omgekeerd
− Transities frequenter dan transversies
− Hoge frequentie C > T: spontane deaminatie van gemethyleerde cytosines (CpG hotspot)
− Genetische code is gedegenereerd ➔ gevolgen vaak beperkt
• Silentieus = synoniem: geen AZ-verandering
• Missense: AZ-verandering
• Nonsense: prematuur stop-codon (PTC)
! onstabiel dus verwijderd door NMD van mRNA
o Normale situatie: na splicing zijn EJC aangehecht aan elke splice site
➔ worden verwijderd door eerste ribosoom tot aan stopcodon
o PTC
- Ribosoom bereikt PTC en wordt verwijderd: EJC blijven ter plaatse
- PTC in rode zone: NMD – afbraak van mRNA – geen eiwitproductie
- PTC in groene zone: NMD escape – productie getrunceerd eiwit
5
, − Splice variant: mutatie in splice donor (GT) of acceptor (AG) site
• Donor- of acceptor splice sites inactiveren: donor/acceptor loss
o Donor splice site: (deel van) intron blijft in matuur mRNA = intron retentie
o Acceptor splice site: verlies kan leiden tot exon skipping
• Nieuwe splice site creëren: donor/acceptor gain
o Donor splice site: verlies deel exon
o Acceptor splice site: verlies deel exon
Kopijveranderingen (CNV) en structurele variaties (SV)
= gebalanceerd of ongebalanceerd
− SV’s: 20.000 per genoom (inclusief CNV’s)
• Grote genomische varianten: 50 – duizenden nucleotiden
= tandem repeats van +50 nucleotiden per reeks
• Complexe combinaties mogelijk
= inserties/deleties/inversies/translocaties/ …
• 4 – 11.2% van coderende pathogene allelen
➔ 17.2% van zeldzame, ziekteveroorzakende allelen
− Kopijverandering = CNV: > 1 kb
= deleties/insertie, duplicaties, triplicaties, …
• NAHR: niet-allelische homologe recombinatie tussen 2 low copy repeats (LCR)
• Reciproke deleties en duplicaties
Bv. duplicatie van 1.5 Mb op 17p = 3 i.p.v. 2 genkopijen PMP22 ➔ CMT1
o 150% genproductie van peripheral myelin protein = PMP22
= toegenomen gendosage: gain of function
o Charcot-Marie-Tooth: aandoening van PZS
o. a. progressieve atrofie van distale ledemaatspieren (1/2.500)
AKA holvoet en erg gekrulde vingerkootjes
Bv. deletie van 1.5 Mb op 179 = 1 i.p.v. 2 kopijen ➔ HNPP (drukneuropathie)
o 50% genproductie van PMP22
= verminderde gendosage: loss of function
6
1. Humaan genoom en genomische variatie .............................................................................2
1.1 Complexiteit en organisatie van het humaan genoom ......................................................2
1.2 Humane genetische variatie ...........................................................................................4
1.3 Klinische consequenties van varianten.......................................................................... 10
2. Technieken voor genoomanalyse ........................................................................................ 15
2.1 Inleiding ....................................................................................................................... 15
2.2 Materiaal voor moleculair genetisch onderzoek....................................................... 15
2.3 Technieken voor genetische testing en genoomanalyses ................................................ 16
3. Genetisch bepaalde ziekten: chromosomale afwijkingen + structurele varianten ................. 26
3.1 Cytogenetische/cytogenomische nomenclatuur en technologie .................................... 26
3.2 Klinische cytogenetica en chromosomale afwijkingen ................................................... 27
3.3 Moleculaire cytogenetica .............................................................................................. 32
3.4 Indicaties voor postnataal chromosomaal onderzoek – klinisch belang van cytogenetisch
onderzoek ......................................................................................................................... 35
4. Genetisch bepaalde ziekten: monogenische aandoeningen ................................................ 36
4.1 Inleiding ....................................................................................................................... 36
4.2 Mendeliaanse overervingsvormen ................................................................................. 37
4.3 Complicerende factoren ............................................................................................... 38
4.4 Niet-Mendeliaanse overervingsvormen ......................................................................... 39
5. Genetisch bepaalde aandoeningen: complexe (multifactoriële) aandoeningen .................... 47
5.1 Definitie en begrippen bij multifactoriële overerving ....................................................... 47
5.2 Opsporen van ziektegenen met genoomwijde associatie studies (GWAS) ....................... 48
5.3 Post-GWAS studies: hoe oefenen genetische varianten hun effect uit ............................. 51
6. Genetische basis van kanker .............................................................................................. 52
6.1 moleculaire basis van kanker ........................................................................................ 52
6.2 Familiale kankersyndromen .......................................................................................... 59
Besluit ............................................................................................................................... 67
7. Statistische genetica ......................................................................................................... 68
7.1 Humane populatiegenetica .......................................................................................... 68
7.2 Risicoberekening in monogenische ziekten ................................................................... 70
7.3 Mapping van genen....................................................................................................... 71
8. Klinische toepassingen van humane genetica ..................................................................... 75
8.1 Genetische testing in de klinische praktijk ..................................................................... 75
1
,1. Humaan genoom en genomische variatie
1.1 Complexiteit en organisatie van het humaan
genoom
Ontrafeling van de DNA structuur en de menselijke chromosomenkaart
− Watson en Crick
• Moleculaire structuur van DNA
= grondslag voor ontwikkeling van moleculaire genetica
− Tijo en Levan
• Humaan genoom = 46 chromosomen
= grondslag voor cytogenetica
− Humaan genoom project
• Gestart in 1990
• Technologie: sanger sequencing
• Versies genoom: 2000, 2003
• 13 jaar + 2.7 biljoen dollar + talrijke groepen ➔ 1 genoom
! anno 2024
o In enkele dagen + minder dan 1000 dollar + onder 1 operator ➔ 1 genoom
o Technologie: next-generation sequencing (NGS)
− 1000 genome project
• Cataloog van variaties in het humane genoom
• 2504 genomen van 26 verschillende populaties
• SNV + SV (inclusief CNV)
− ENCODE = encyclopedia of DNA elements
• Regio’s van transcriptie
• Transcriptiefactor associatie
• Chromatine structuur
• Histone modificaties
Nieuwe inzichten in de organisatie en regulatie van genen en genoom
2
, − gnomAD = genome aggregation database
• Aggregatie van exoom- en genoomdata uit grootschalige sequencingprojecten
• Versie 4 (november 2023): 5x groter dan versie 2 en 3
o Exoom data van 730.947 individuen
o Genoom data van 76.215 individuen
! Slechts 138.000 individuen van niet-Europese genetische afkomst
• Gesequeneerd voor ziektespecifieke en populatiegenetische studies
• SNV + SV
• Vrij beschikbaar voor biomedische gemeenschap
De functionele en structurele opbouw van het humane genoom
− Humaan genoom: som van alle erfelijke/genetische informatie onder de vorm van DNA
aanwezig in een menselijke cel
• DNA in elke celkern
! klein aandeel in mitochondriaal DNA
• 3 miljard nucleotiden (2 kopijen/diploïd)
• Kopij van moeder (maternaal) en vader (paterneel)
• 20.000 genen < 2% van het genoom
• Niet coderend DNA > 98% van het genoom
! wel functionele rol
• Repeats/herhalingen > 50% van het genoom
− Lineaire structuur van een gen en regulatorische elementen
• Sequenties met een invloed op splicing
o Spliceosoom (=RNP-complex) herkent genetische sequenties
o Vatbaar voor fouten ➔ genetische aandoening
• Cis-regulatorische sequenties
= intergenische + intragenische elementen
o Promotoren
- Core = basale promotor: minimum nodig voor transcriptie
- Proximale promotor
▪ Kan tot 1000 bp up- of downstream liggen
▪ Additionele cis-regulatorische elementen = CRE
▪ Transcriptiefactor bindingsplaatsen = TFBS
- Distale promotor
3
, o UTR
- 5’ UTR CRE: regulatie translatie
- 3’ UTR
▪ Beïnvloeden van stabiliteit, polyadenylatie en localisatie
van mRNA
▪ Bindingsplaats voor microRNA
= enhancers en silencers
! Zitten samen met transcriptionele eenheid in topological
associated domain (TAD, 100 kb – 5Mb) + sub-TAD’s (185 kb)
1.2 Humane genetische variatie
− Vergelijking met referentiegenoom
Genoom van 2 individuen: 99.6% identiek aan referentie
− Gevolgen
• Normale kenmerken
• Veroorzaken soms ziekte
o Zeldzame ziekten – monogenetisch: mutatie in 1 gen
o Frequente ziekten – multifactorieel
Basisbegrippen
− Varianten
• Genetische variant: verandering in DNA sequentie
o Germinale = constitutionele variant: alle lichaamscellen
! Kan doorgegeven worden naar volgende generatie
o Somatische variant: lichaamscellen exclusief germinale
! Wordt niet doorgegeven naar volgende generatie
• De novo variant
o Niet bij ouders van een individu aanwezig
o Opgespoord met trio-analyse: kind en ouders
o Humaan genoom: gemiddelde 64 varianten
• Polymorfisme = benigne variant: geen associatie met fenotype
• Causale of pathogene variant: verandering in fenotype
− Genlocus: locatie van gen op chromosoom
− Allelen: verschillende DNA sequenties van een gen
− Genotype: geheel van allelen aanwezig op een bepaalde gen locus
− Zygositeit
• Homozygoot: zelfde allelen voor twee kopijen van genlocus – V1/V1
• Samengesteld heterozygoot: 2 verschillende allelen voor genlocus – V1/V2
• Heterozygoot: 2 verschillende allelen voor genlocus – V1/WT
4
,Classificatie genetische variatie
− Historische indeling
• Chromosomale afwijkingen
o Microscopisch zichtbaar
o Cytogenetica
Bv. interstitiële deletie, translocatie
• Genomische herschikkingen
o Submicroscopisch
o Moleculaire cytogenetica
Bv. deletie, duplicatie
• Sequentievariaties
o Nucleotide-schaal (puntmutaties)
o Moleculaire genetica
Meerdere soorten varianten: kleine (SNV, indel, …) tot grote verschillen (SV)
Basepaarsubstitutie
= SNV’s = single nucleotide variant (met SNP = single nucleotide polymorfisme)
− 5 miljoen per genoom – meest voorkomend
− Vervangen base door een andere base
• Transitie: tussen purines of pyrimidines onderling
• Transversie: van purine naar pyrimidine of omgekeerd
− Transities frequenter dan transversies
− Hoge frequentie C > T: spontane deaminatie van gemethyleerde cytosines (CpG hotspot)
− Genetische code is gedegenereerd ➔ gevolgen vaak beperkt
• Silentieus = synoniem: geen AZ-verandering
• Missense: AZ-verandering
• Nonsense: prematuur stop-codon (PTC)
! onstabiel dus verwijderd door NMD van mRNA
o Normale situatie: na splicing zijn EJC aangehecht aan elke splice site
➔ worden verwijderd door eerste ribosoom tot aan stopcodon
o PTC
- Ribosoom bereikt PTC en wordt verwijderd: EJC blijven ter plaatse
- PTC in rode zone: NMD – afbraak van mRNA – geen eiwitproductie
- PTC in groene zone: NMD escape – productie getrunceerd eiwit
5
, − Splice variant: mutatie in splice donor (GT) of acceptor (AG) site
• Donor- of acceptor splice sites inactiveren: donor/acceptor loss
o Donor splice site: (deel van) intron blijft in matuur mRNA = intron retentie
o Acceptor splice site: verlies kan leiden tot exon skipping
• Nieuwe splice site creëren: donor/acceptor gain
o Donor splice site: verlies deel exon
o Acceptor splice site: verlies deel exon
Kopijveranderingen (CNV) en structurele variaties (SV)
= gebalanceerd of ongebalanceerd
− SV’s: 20.000 per genoom (inclusief CNV’s)
• Grote genomische varianten: 50 – duizenden nucleotiden
= tandem repeats van +50 nucleotiden per reeks
• Complexe combinaties mogelijk
= inserties/deleties/inversies/translocaties/ …
• 4 – 11.2% van coderende pathogene allelen
➔ 17.2% van zeldzame, ziekteveroorzakende allelen
− Kopijverandering = CNV: > 1 kb
= deleties/insertie, duplicaties, triplicaties, …
• NAHR: niet-allelische homologe recombinatie tussen 2 low copy repeats (LCR)
• Reciproke deleties en duplicaties
Bv. duplicatie van 1.5 Mb op 17p = 3 i.p.v. 2 genkopijen PMP22 ➔ CMT1
o 150% genproductie van peripheral myelin protein = PMP22
= toegenomen gendosage: gain of function
o Charcot-Marie-Tooth: aandoening van PZS
o. a. progressieve atrofie van distale ledemaatspieren (1/2.500)
AKA holvoet en erg gekrulde vingerkootjes
Bv. deletie van 1.5 Mb op 179 = 1 i.p.v. 2 kopijen ➔ HNPP (drukneuropathie)
o 50% genproductie van PMP22
= verminderde gendosage: loss of function
6
