Human Genetics

Sagi Josefsberg, MD

Clinical Genetics Institue

Kaplan Medical Center

Techniques

• Cytogenetics• Molecular

biology• Biochemical

analysis

Old and new cytogenetics

CytogenticsMolecular cytogenetics FISH

M-FISH/SKYCGHArray CGH

Preparation of a karyotype.

G-banded metaphase spread

normal male karyotype

FISH

From chromosomes to DNA

Fluorescence in situ hybridization

A DNA probe finding its target “in place”

Unique Sequence Probes

Metaphase & interphaseRefined region specific detectionChromosome enumeration

DiGeorge/VCFS

Clinical: cardiac, facial and immune anomalies

Cytogenetics: 46, XX del(22q11.2)

Frequency: 1/4,000

Whole chromosome paints

Metaphase studiesChromosome identificationMarker analysis

Chromosome painting showing two normal number 17 chromosomes and a small ring 17 chromosome (arrowed)

CMA comparative microarray analysis

DNA Arrays

CMA Comparative Microarray Analysis

CGH Comparative Genomic Hybridization

Genetic ChipaCGH Array CGH

CGH ratio profiles for the CGH analysis shown. The vertical lines adjacent to each chromosome show fluorescence ratios of 0.5 to 1.5 between test and control DNA .

Conventional CGH

Label patient DNA with Cy3

Label control DNA with Cy5

Mix

Label patient DNA with Cy5

Label control DNA with Cy3

Mix

Hybridize DNA to genomic clone microarray

Analyze Cy3/ Cy5 fluorescence ratio of patient to control

Cy3/ Cy5 ratio >1 Duplication

Cy3/ Cy5 ratio <1 Deletion

Cy3/ Cy5 ratio >1 Deletion

Cy3/ Cy5 ratio <1 Duplication

Label patient DNA with Cy3

Label control DNA with Cy5

Mix

Cy3/ Cy5 ratio >1 Duplication

Cy3/ Cy5 ratio <1 Deletion

Array CGH ( aCGH )

CMA Methodology

Array CGH

CMA Technology

aCGH examples

Trisomy 21 (Down syndrome)

Karyotype X

20

2221

GainLoss

DIGEORGE SYNDROME/VCFS

GainLoss

FISH

Deletion chromosome 1p (short arm)

Normal chromosome 6

Partial duplication of chromosome 6

About resolutionChromosome G banding 5

– 10MbArray CGH 1kb – 1Mb*

*The resolution of the array is limited only by the size of the cloned DNA target and the distance between these sequences located on the chromosome

הכרומוזומים

זוגות+זוג כ.המין )46XY ) 22לזכר • ( " " " " )46XXלנקבה •

החומר הגנטי DNA –RNA—PROTEIN ( חלבון )•

.החלבון = התוצר הסופי המתפקד•

DNA

RNA

PROTEIN

מהילודים סובלים ממחלה 2%-3%•בה יש משמעות חשובה שלמרכיב הגנטי

)Genetic Factor Play an Important role.(

מתמותת 50%מחלות גנטיות אחראיות ל- •)).Childhood Deathsילדים

30%מחלות גנטיות אחראיות לעד •מהאשפוזים בילדות.

מהאוכלוסייה סובלת 5% 25עד גיל •ממחלה שלמרכיב הגנטי בה משמעות

.חשובה

20,000-25,000בגנום ההומני קיימים בין •.גנים

כרומוזומים ועל כל אחד 46לאדם הבריא •מהכרומוזומים הללו יושבים אלפי גנים.

במידה ויש בעיה במספר הכרומוזומים •או במבנה הכרומוזומים או במבנה הגן

. למחלההתקין, הדבר גורם

Chromosomal abnormalities

Down Syndrome

47,XY,+21

Down - Trisomy 21

תסמונת דאון

Common findings in Down syndrome

• Newborn period Hypotonia, sleepy, excess nuchal skin• Craniofacial Brachycephaly, epicanthic folds, protruding tongue,

small ears, upward sloping palpebral fissures• Limbs Single palmar crease, small middle phalanx of fifth finger,

wide gap between first and second toes• Cardiac Atrial and ventricular septal defect, common

atrioventricular canal, patent ductus arteriosus• Other Anal atresia, duodenal atresia, Hirschsprung disease, short

stature, strabismus

• IQ 25-75• Happy and affectionate• Short stature• Alzheimer disease

• 1/600-700

13,18טריזומיה

18טריזומיה

מבנה כף היד

Clenched

כף יד =.קפוצה

• TRISOMY 13

• גפיים תחתונות בתינוק עם

13טריזומיה

Sex Chromosomal abnormalities

Turner Syndrome

45,X0

נערה עם טרנר ואחותה

Turner 45X0

Turner Syndrome

Clinical Findings in Turner Syndrome and Their Incidence

Finding Approximate Incidence(%)Short stature 100Short neck 40Scoliosis 35Characteristic facial features 35Webbed neck 25Low posterior hairline 42Edema of hands/feet 22Ovarian failure 95Infertility 99Moles 25Heart abnormalities 55Kidney abnormalities 39Thyroid disease 35

Turner growth chart

Klinefelter Syndrome

• 47,XXY• 1 in 1000 male live births• Slightly taller• Gynecomastia • Infertile• Clumsiness• Delayed speech• Mild learning difficulties

Klinefelter Syndrome

• Treatment with testosterone

המשך – שינויים במבנה הכרומוזומים

Cri du Chat של כרומוזום – דוג' חסר חלקי•Sy 5 ( 5 חסר חלקי של כרומוזוםp.( -

•Wolf-Hirschhorn Sy חסר חלקי של כרומוזום 4 ) 4p .( -

Cat Eye מהכרומוזום – דוג' הכפלה של חלק•Sy 22 ( 22 הכפלה של מקטע מכרומוזוםq11

Duplication(

חסרים או הכפלות של חלקי כרומוזום קטנים ( תת

מיקרוסקופי ) הדבר מחייב טכניקה מיוחדת שלא נעשית •באופן רוטיני בבדיקת סיסי שליה או מי

שפיר.. FISHבדיקת •

הנובעת מחסר VCF SY לדוג' תסמונת .22q11.2 Delחלקי תת-מיקרוסקופי של

חסר חלקי תת

מיקרוסקופי של כרומוזום

22,q;11.2

VCF-Velo-Cardio-Facial-Syndrome – DiGeorge Syndrome, 22q11.2 del

מומים בחייך, אף בולט בולבוסי•)Conu-Truncalמומי לב (בעיקר •מבנה פנים אופיני•מבנה אצבעות מאורך וצר•הפרעות בשמיעה• hypoparathyrodismהיפוקלצמיה מולדת - ••Hypothyroidism•Thymus Hypoplasiaחסר חיסוני - ADHDהיפוטוניה, אחור התפתחותי, הפרעות בדיבור, •

).15%הפרעות התנהגותיות עד סכיזופרניה (

1:6000-2000שכיחות •

תינוק עם חסר

חלקי של

כרומוזום 22

חסר חלקי של

22כרומוזום בילד

כפות ידיים

בנערה

עם חסר חלקי של

22כרומוזום

FISH

Inheritance patterns

Mendelian Inheritance

Autosomal recessive

Family tree of an autosomal recessive trait.

Autosomal recessive

• many inherited errors of metabolism• enzyme deficiencies manifest only in

homozygotes• heterozygotes have sufficient enzyme

levels • Consanguinity• Recurrence risk for the parents 25%

Autosomal recessive disorders

• Tay Sachs

• cystic fibrosis

• Gaucher

• Canavan

• Bloom

• Fanconi

• Thalassemia a & b

• Familial

dysautonomia

• FMF

• Niemann-Pick

• phenylketonuria

(PKU)

בדיקות סקר גנטיותבדיקות סקר גנטי הן בדיקות דם שמטרתן לאתר

נשאות סמויה של מחלה גנטית באנשים בריאים

שאין במשפחתם חולים במחלה גנטית זו.

המשךבדיקות סקר גנטיות - איגוד הגנטיקאים הגדיר את הסיבות להכללת

בדיקה גנטית כבדיקת סקר באוכלוסיה:

המחלה מוכרת היטב והבסיס הגנטי שלה ידוע באוכלוסיה הנבדקת

שיעור הנשאים של המחלה באוכלוסייה הוא 1:60לפחות

קיימת נגישות גבוהה של האוכלוסייה לביצוע הבדיקה ולייעוץ גנטי

מנשאי 90%הבדיקה מאפשרת גילוי של לפחות המחלה.

המשךבדיקות סקר גנטיות - בדיקות הסקר חולקו על ידי איגוד הגנטיקאים

לארבע קטגוריות:

בדיקות מומלצות - לכלל האוכלוסייה או לאוכלוסיות בסיכון.

בדיקות שניתן לבצע - מדובר בבדיקות סקר למחלות גנטיות חמורות, ששכיחותן נמוכה מ-

. בקטגוריה זו יש בדיקות סקר גנטיות, 1:60שאין חובה להציע אותן למי שנמנים עם

האוכלוסיות המתאימות, אך יש חובה לידע על קיומן.

בדיקות לא מומלצות.

בדיקות שהכללתן בסקר שנויה עדיין במחלוקת.

המשךבדיקות סקר גנטיות - בדיקה מוצעות לבני הזוג לפי מוצאם

בדיקות המוצעות לבני רוב העדות: השביר, Xקבוצה זו כוללת את המחלות: תסמונת ה-

SMAציסטיק פיברוזיס ו-

בדיקות המוצעות לבני הזוג ממוצא אשכנזי:טיי-זקס, דיסאוטונומיה משפחתית, מחלת קנוואן.

, מחלת 4 , מוקוליפידוזיס A, מחלת בלום, מחלת נימן פיקCאנמיה ע"ש פנקוני מסוג Usher מחלת1 , מחלת אגירת גליקוגן מסוג ,MSUD , nemaline myopathy

,.MGA 3ליהודים ממוצא עירקי: מחלת קוסטףליהודים ממוצא צפון אפריקאי (במיוחד מרוקו וטוניס): אטקסיה טלנגיאקטזיה, מחלת אגירת

A, מחלת פנקוני 3גליקוגן מסוג ליהודים יוצא בלקן: דיסאוטונומיה משפחתית

.Iומחלת אגירת גליקוגן מסוג ליהודים ממוצא תימני: מחלת פניל קטונוריה

)PKU ומטכרומטיק לאוקודיסטרופי (MLDליהודים ממוצא לובי: מחלת ניוון שרירים מסוג

2B מחלת ,MLC1.

Autosomal Dominant

Family tree of an autosomal dominant trait

Autosomal DominantHeterozygotes are affectedA heterozygote has:

50% affected heterozygote offspring50% unaffected offspring

Some disease manifest:Variable penetranceVariable expression

New mutation vs. affected parent

Autosomal Dominant disorders

Neurofibromatosis

Marfan

Achondroplasia

Osteogenesis imperfecta

Ehlers-Danlos

Crouzon

Neurofibromatosis 1 (NF1) is characterized by:

multiple cafeי au lait spots (6),axillary and inguinal freckling,multiple discrete dermal neurofibromas,iris Lisch nodules.Learning disabilities are present in at least 50% of individuals

with NF1. Scoliosis, vertebral dysplasia, pseudarthrosis, and overgrowth

are the most serious bony complications of NF1.Optic gliomaMalignancy

1 of 2500-3300 live births

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.conganat.org/seap/reuniones/almagro2000/scruz/images/tn/tn05.jpg&imgrefurl=http://profile.myspace.com/index.cfm?fuseaction=user.viewprofile&friendid=10063265&h=530&w=800&sz=424&hl=en&start=14&tbnid=560LE2CtwXFOYM:&tbnh=95&tbnw=143&prev=/images?q=neurofibromatosis+&svnum=10&hl=en&sa=N

Marfan Syndrome• connective-tissue disorder • Caused by mutations in FBN1 gene located on

chromosome 15q21.1 • Skeletal findings:

– Pectus excavatum that requires surgery or pectus carinatum– Positive wrist and thumb signs – Reduced upper-to-lower body segment ratio or arm span–to-

height ratio greater than 1.05 • Aortic root dilatation caused by mutations in FBN1 gene

located on chromosome 15q21.1 • Ectopia lentis•

X-linked Disorders

X-linked disordersNo male to male transmission

Male phenotype different / more pronounce then in female

Carrier female - 50% of her boys affected

50% of her girls are carriers

X-linked disorders• Duchenne muscular dystrophy• X-Linked Mental Retardation• X-linked hydrocephaly• Hemophilia• Color blindness• G6PD deficiency• OTC – Ornithine transcarbamylase

deficiency

X-linked “recessive” disorders

• X-linked hydrocephaly• Mutation L1CAM• Aqueduct stenosis• Agenesis corpus callosum• Mental retardation• Adducted thumbs

Boy with Duchenne muscular dystrophy; note the enlarged calves and wasting of the thigh muscles.

Family tree of Duchenne muscular dystrophy with the disorder being transmitted by carrier females and affecting males who do not survive to transmit the disorder.

non-Mendelian Inheritance

Multifactorial

• Polygenic – additive effect of several genes is cumulative

• Common diseases• Interaction genes and environment

Multifactorial Inheritance

GeneticThreshold

Multifactorial Inheritance

Factors Increasing Risks to Relatives• close relationship to proband

• high heritability of the disorder

• proband of more rarely affected sex

• severe or early onset disease in proband

• multiple family members affected

Multifactorial Inheritance

• Asthma• Autism• Diabetes mellitus• Epilepsy• Manic depression• Hypertension• Ischemic heart disease

Cleft lip and palatePyloric stenosis

(A) Severe and (B) mild forms of cleft lip/palate.

Mitochondrial Inheritance

Mitochondrial Genome

• Circular DNA molecule • Contains 16,569 bp• Encodes 13 polypeptides of OXPHOS• Uses a slightly different genetic code• Inherited exclusively from the mother

through oocyte which contains ~ 105 mtDNA molecules

• Mutations affect muscle and nerve more commonly

Mitochondrial Disease

• Leber's Hereditary Optic Neuropathy (LHON)• Kearns-Sayre chronic progressive external

ophthalmoplegia (CPEO) • Myoclonic epilepsy with ragged red fibers

(MERRF), • Mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic

acidosis with stroke-like episodes (MELAS)

Family tree consistent with mitochondrial inheritance.

The progressive effects of heteroplasmy on the clinical severity of disease due to mutations in the mitochondrial genome. Low proportions of mutant mitochondria are tolerated well, but as the proportion increases different thresholds for cellular, and hence tissue, dysfunction are breached (gray circle represents the cell nucleus).

Trinucleotide Expansion

n=80

n=120n=120

n=160 n=250 n=300

Trinucleotide Expansion

CGG CGG..... CGG CGG

UTR

NORMAL < 50

CGG CGG CGG CGG CGG ..... CGG CGG

UTR

50 < PREMUTATION < 230

CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG CGG....... CGG CGG

UTR

FULL MUTATION > 230

Example

Fragile X

• X-linked Mental Retardation

• FMR1 gene on Xq28

• 1:1250 males, 1:2500 females

• Most common inherited MR

Genomic Imprinting

• Most genes are expressed equally from both maternal and paternal copy

• Some regions have differential expression of genes depending on whether inherited from mother or father

• The inexpression results from Parent-of- Origin dependent inactivation

Genomic Imprinting

• Inactivation = imprinting = methylation• X inactivation in females is a form of

inactivation by methylation, by XIST gene• Some diseases manifest Parent-of-Origin

inheritance

Genomic Imprinting - Maternal

Genomic Imprinting - Paternal

Genomic Imprinting

Prader-Willi syndrome• Infantile hypotonia• Initial FTT • Hypogonadism • Obesity• Mental Retardation• Short stature• SNRPN gene

Prader Willi Sy.

• Prader-Willi Sy• בחלק מהמקרים

נובע מחסר חלקי תת- מיקרוסקופי של כרומוזום 15q11 . חסר זה

ניתן לבדיקה FISH-ב

Genomic Imprinting

Prader Willi Syndrome• ~ 70% of PWS 15q11 microdeletion on

paternally-derived chromosome • Maternal copy is imprinted• Deletion in manifested only when

inherited from the father• A deleted copy inherited from the

mother is not expressed anyway

Female child with Prader-Willi syndrome.

Genomic Imprinting

Angelman syndrome• Eepilepsy• Severe learning difficulties• Ataxic gait • Happy affect

• UBE3A gene• Microdeletion on maternally-derived

chromosome • Paternal copy is imprinted

Germline Mosaicism

Germline Mosaicism• Adults have 1012 cells• Mutations occur ~1: 106 cell divisions• At some loci 1: 5x 104

• Thus we are all mosaic !!• Somatic mutations in the embryo may

lead to 2 different cell-line in the gonads

Germline Mosaicism

normal gamete

mutant gamete

examples

Germline Mosaicism

• Duchenne muscular dystrophy (15%)

• Osteogenesis imperfecta (7%)

• Achondroplasia

Uniparental Disomy (UPD)• Both copies of a chromosome are

inherited from the same parent• Usually results from “corrected trisomy”

Maternal nondisjunction

Trisomy 15 UPD 15

example

Uniparental Disomy (UPD)

Prader Willi Syndrome• ~ 30% of PWS have Maternal UPD• “Confined placental mosaicism” for #15

required molecular studies to r/o UPD15

Prader Willi - Deletion Type

Maternal #15deletion

Paternal #15deletion

M

M

M

M

Prader WilliNormal carrier