Teratogény a teratogenéza - Katedra genetiky a plemenárskej biológie

Teratogén• Agens – faktor, ktorý má efekt na poškodenievyvíjajúceho sa plodu v rôznom vývojovom štádiu• v dôsledku jeho pôsobenia možno pozorovať 4prejavy:- Zastavenie vývoja plodu a prenatálna smrť- Malformáciu orgánov resp. orgánových sústav- Rastovú retardáciu- Funkčné defekty orgánov• Každý teratogén má určitý biologický alebofarmakologický mechanizmus, ktorým vývojovúporuchu spôsobí.

• Kategória C – relevantné zmenypozorovateľnéefekty vo vyvíjajúcich saplodoch zvierat, pričon porovnateľné efektynie sú identifikované v ľudských embryách- látka je zaradená medzi potenciálneteratogény• Kategória D- pozitívny efekt a evidentnývzťah k odchýlkam oproti normálnemu vývojuembryí• Kategória X- dokázaný teratogénny efekt

Triedenie teratogénov• Potvrdené• Sugestívne• Potenciálne

Potvrdené teratogény• Centrálne stimulanty- amfetamín, kokaín, nikotínxantín• Centrálne depresanty- barbituráty,benzodiazepan, alkohol• Cytostatiká – antimetaboliká• DES a androgény• Antikovaskulanty• Sedatíva• Lítium• Warfarín• Thalidomid

Sugestívne teratogény• Antiepileptika- phenyotoin,carbamazepine• Antihistaminika- clarithine• Tokoferol a jeho deriváty

Potenciálne teratogény• Chemoterapeutikasulfonamidy,trimetroprim• Antibiotika - tetracyklín• Aminoglykozidy

Teratogenetická perióda (TP)• Kritické obdobie, v ktorom sa vplyvompôsobenia teratogénu môže zastaviťvývoj určitého orgánového systému• Teratogény sa líšia v rozsahu TP• Najkritickejšie je obdobie prvých 3mesiacov vnútromaternicového vývoja

Vývojové fázy plodu• Preembryonálne - oplodnenie a implantácia –20dní,• Embryonálne – 3 –8 týždňov gravidity –najvýznamnejšie kvalitatívne vývojové zmenyplodu• Fetálne – po narodenie – rýchly rast a vývojplodu• Senzitivita plodu na poškodenie závisí naštádiu prenatálneho vývoja

Morfogenéza• Zabezpečujú:- Tkanivovo-špecifické transkripčné faktory- Hladiny signálných molekúl• Ovplyvňujú:- Teratogény- Epigenetické mechanizmyZmeny v expresii génov počas morfogenézyzávisia od ich vzájomných interakcií

Špecifikácia buniek počas včasného vývoja• Kmeňové bunky– nediferencované bunky s vysokouproliferačnou aktivitou• Diferencované bunky– krátká životnosť (erytrocyty,trombocyty)– dlhá životnosť (neuróny, endokrinnébunky)• Fetálne kmeňové bunky -

Faktory vplývajúce na efekt poškodeniaplodu:• Štádium – vývojová fáza• Typ placenty• Vek matky• Zdravotný stav matky• Výživa• Mechanizmy tolerancie• Typ a dávka teratogénu• Akumulácia účinku

Placenta a pupočná šnúraUterusUmbilicalcordUmbilicalveinPlacentaUmbilicalarteriesFetal portionof placentaMaternal portionof placenta

Vrodené defektyTeratogény10%GénovéMultifaktoriálne 42%Monogénne 8%Neznáme37% Chromozomálne3%Baird et al. AJHG 42:677, 1988

Zdroje informáciíBez údajov (12%)Nepoužiteľné(

Mechanizmus teratogenézy• Reverzibilná interakcia teratogénuresp. jeho metabolitu s receptorom• Ireverzibilná alterácia makromolekúlna vysoko reaktívne komponenty• Genetická modulácia

Mechanizmus teratogenézy• 1. génové mutácie• 2. chromozómové aberácie• 3. mitotická interferencia• 4. alterácia NK - integrity a funkcie• 5. nedostatok prekurzorov a substrátovbiosyntézy• 6. alterácia energetických zdrojov buniek• 7. zmeny membránových štruktúr• 8. osmotická imbalancia• 9. inhibícia enzýmov

Genetická kontrolaprenatálneho vývojaa teratogenéza

Genetická kontrola vývoja• Morfologické a funkčné procesy sú presnegeneticky naprogramované (poradie, čas,rozsah, atď.)• Narušenie postupnosti ® mutácie v DNA• Narušenie vzťahov ®zmeny signálnejtransdukcie- totipotencia/represia a derepresia génov- embryonálna indukcia – interakcia medzirôznymi bunkami a tkanivami

fumkná maturáciaimplantáciahistogenézaoplodnenieEmbryogenéza Organogenézapôrod0 5- 6 25 60 29 týdedniobdobie embryonálne fetálne perinatálne postnatálnevetko/nivznik vekých vádmenie vadyfunkné vady (karcinogenéza)

Teratogény a ich efekty v prenatálnom vývojizygóta embryogenéza (týždeň) fetogenéza (týždeň)Veképokodeniateratogénmi(28 týde)1 2 3 4 5 6 7 8 9 16 32 38trukturálne defektyFunkné defektyrukynohyuiCNSsrdceokozubyjazykpohlavné orgány(modifikované)

700 génov v genóme myši je asociovaných snidáciou a embryogenézou> 895 génov je exprimovaných pri vývojiľudského embrya (Sperger et al. 2003,PNAS 100:13350).

BLASTOGENÉZA• obdobie zygoty až blastocysty,• polárna organizácia cytoplazmatickýchštruktúr zygoty• bunky sú nediferencované s vysokouproliferačnou aktivitou• expresia génov kontroly bunkového cyklu

cyklin B/ Cdk1-Kontrolné bodyMRestrikný bodG 2G 0/cyklin D1Cdk4/cyklin D2Cdk6/cyklin D3SG 1cyklin A/cdk1cyklin A/ Cdk2cyklin E/ Cdk2

Poruchy v období blastogenézy(Blastopatie)• Všetky bunky 2 až 4 bunkovej blastoméry súrovnocenné.• Môžu dať základ vzniku identickým dvojčatámaž štvorčatám.• Podľa toho kedy sa oddelia bunky vznikajú:gemini bichoriati biamniati (2 placenty, 2 amniálne dutiny)gemini monochoriati biamniatigemini monochoriati monoamniati

• Zásahom teratogénu počas tvorbyblastocysty dôjde k neúplnej separácii, atým ku vzniku monstrum duplex (laickysiamské dvojčatá).• Tieto môžu byť:a) rovnaké – symetrickéb) jedno menšie – asymetrické

EMBRYOGENÉZA• embryonálny disk sa diferencuje naektoderm, mezoderm a endoderm• sú vytvorené základy pre tvorbu tkanív• nastáva zhlukovanie buniek,• vytvárajú sa osy kranio-kaudálne a dorzoventrálne• formujú sa tkanivá a orgány• embryonálny vývoj je od začiatku regulovanýviacerými skupinami génov

Gény signálnej transdukcieZabezpečujú prenos signálov z okolia do jadra bunkySIGNÁL Membránový Transdukné Transkrip. Transkripciareceptor proteíny faktory génovmRNAPROTEIN(činnosť)

Poruchy v období embryogenézyEmbryopatie• Týkajú se spravidla jedného orgánu aleboniekoľkých tkanivových systémov.• Teratogén poškodí diferenciáciu v určitom“uzlovom bode”, ktorý riadi formovanie avývoj orgánu.• Rozlišujeme nasledujúce stupne porúch:

• agenéza – neprítomnosť orgánu i jeho základu,• aplazia – neprítomnosť orgánu zo zachovaním jehozákladu,• hypoplazia – neúplné vyvinutie orgánu s menšouveľkosťou,• dysrafia – neúplné uzavretie orgánu (napr. spinabifida),• poruchy involúcie – perzistencia embryonálnychštruktúr,

• poruchy rozdelenia – blok apoptózy (napr. syndaktylis),• atrézia – vrodená nepriechodnosť dutých orgánov• ektopia – umiestnenie orgánu mimo normálnu polohu,• heterotopia – umiestnenie v diferencovanom tkaniveiného typu,• dystopia – retencia v priebehu vývojovej cesty (testesv brušnej dutine).

HOX gény (Homeobox gens)• komplexy regulačných génov (silná génová väzba)• presná hierarchie ich pôsobenia – priamy lineárnývzťah medzi pozíciou génov a jeho dočastnoupriestorovou expresiou• podmieňujú embryonálny vývoj ve smere predozadnejtelovej osy,• vysoko konzervatívne gény (identické sekvencie urôzných druhov organizmov),• expresia počas včasnej gastrulácie• kontrolujú bunkovú migráciu, diferenciáciu, apoptózu

Migrácia buniek počas diferenciácie• Hlavne pred formovanímzárodočných vrstiev• na začiatkuorganogenézy dochádzaku zníženiu migrácie• v dospelosti bunkynavzájom priliehajú ®tvoria bunkové klony

Produkty Hox génov:• transkripčné faktory pre rôzné cieľové gény,ktoré podmieňujú organogenézu neurálnejtrubice, obličiek,pľúc, čreva, zárodočnýchbuniek a pod.,• pôsobia parakrinne, môžu spúšťať niekoľkovývojových programov iných morfogénov vsusedných bunkách

Príklady mutácií Hox génov• mutácia HOX 7+ mutácia v ďalších génoch:Wolf- Hirschhornov syndróm - retardácia rastu,mikrocefalia, rozštep pery/podnebia, defekty srdca,mentálna retardácia• mutácia HOX 13: Synpolydaktyliasemidominantný znak- heterozygoti: zrastené články dvoch prstov anavýšenie prstov rúk a nôh- homozygoti: tažké postihnutie

PAX gény (Paired-box gény)• regulačné gény – zásadný význam premorfogenézu, kódujú transkripčnéfaktory• PAX 6 - reguluje tvorbu neurálnych tkanív,ktoré sa podieľajú na formovaní oka• PAX 3 - sa zúčastňujú tvorby neurálnej lišty adermatomyotomálnych segmentovmutácia PAX 6: absencia dúhovky (anirídia)mutácia PAX 3: Waardenburgův syndróm –hluchota, biely prameň vlasov, heterochromiairis

Zink-finger gény• kódujú špecifické proteíny, ktorétvoria komplex s iontami zinku,pôsobia ako transkripčné faktoryv regulácii vývoja• mutácie – mnohotné malformácie

Housekeeping gény• sú aktívne vo všetkých bunkách• zaisťujú základné funkcie bunkovéhometabolizmu:- syntéza nukleových kyselín aproteosyntéza,- transport živín a ich zpracovavanie- biosyntéza cytoskeletu a organel

Špecializované gény• určujú jedinečné rysy a špecifické funkcierôznych typov buniek (obr. pankreas )• epigenetická regulácia diferenciácie– dôsledok zmien chromatínu– modifikácia v DNA sekvencii (metylácia)• v dcérskych bunkách je udržovaná stabilnáexpresia zhodných génov

Pohlavný dimorfizmus• Determinácia pohlavia• chromozómy (XX, XY)• gény (vývoj pohlavných orgánov -ovaria, testes)• do 5.- 6. týždňa embryonálného vývoja– Wolfove a Müllerov vývody

Y chromozómSRY gén• pohlavie určujúci gén blízkopseudoautozomálnej oblasti,• jeho produktom je transkripčný faktor,ktorý následne ovplyvní tvorbu testes a zánikMüllerových vývodovTDF gén• testes determining factor – semenné tubulya Leydigove bunky – stimulácia z placentychoriogonádotropným hormónom

X chromozóm• u žien inaktivácia jedného chromozómu X – vmikroskope viditeľný ako tzv. Baarovo teliesko• lokalizácia pri jadrovej membráne v štádiu cca100 buniekinaktivácia = lyonizácia• inaktivované gény majú metylovaný cytozín voblasti promótorov, inaktivácia tiež modifikáciouhistónov• 10-15% génov uniká inaktivácii – XIST (Xinactivespecific transcript)• X-inaktivačné centrum – tvorí sa nekódujúcaRNA, zapojuje sa do komplexu, ktorý tvorí sexchromatín• Ovária sa tvoria 12. týždeň za neprítomnostigénov Y chromozómu

Poruchy ontogenézy pohlaviaTestikulárna feminizácia – TF• dedičnosť GR, pri karyotype 46, XY sa vyvíjaženský fenotyp• jedinec nemá ovaria, maternicu ani vajcovody,nezostúpené testes produkujú testosteron• tkanivá postihnutých nie sú citlivé na testosteron• u ich matiek približne 50% buniek nemá príslušnéandrogénne receptoryAký je genotyp matiek?Aké riziko postihnutia detí TF?X TF X – prenašačky mutovanej alely1/2 detí s karyotypom 46,XYpostihnutých TF

Anhydrotická ektodermálna dysplázia - AED• postihuje morfogenézu ektodermálnych štruktúr• u heterozygotnych žien chýbajú na rôzných úsekochkože potné žľazy (lyonizácia)• v dôsledku lyonizácie fenotypová variabilita ženskýchMZ dvojčiat s genotypom X A X a• u mužov je postihnutie väčšie – porucha dentice,hypertermia, ťažký priebeh infekcií• mužské MZ dvojčata: X a Y (obe postihnuté) alebo X A Y(obe zdravé)

Adrenogenitálny syndróm• vrodená porucha tvorby enzýmu 21-hydroxylázy,dôsledkom je porucha biosyntézy kortisolu(adrenálny steroidny hormón) v nadobličkách• hyperplazia kôry nadobličiek• v dôsledku poruchy syntézy kortisolu zvýšeniehladiny adrenokortikotropného hormónu (ACTH)Klinické dopady:- virilizácia dievčat – externé genitálie mužské (poakumulácii ACTH)- u chlapcov – silné ochlpenie brady a hrudi, nádorysemeníkov

Poruchy fetogenézy• 91.-280. deň• V tomto období sa dokončuje vývoj orgánovhlavne po funkčnej stránke.• Nehrozí nebezpečenstvo hrubých anatomickýchmalformácií,• Teratogénne účinky sa môžu prejaviťfunkčnými zmenami - hlavne v CNS, napr.postnatálne encefalopatie rôzneho druhu.• V tomto období vznikajú deformácie – poruchytvaru a premiestnenie orgánov tlakom aleboťahom.

Vek matkyHmotnosťpri narodení14 40vek matky (roky)• 40, nárast rizika

Začiatok

Otázky