6. Az öröklődés alapjai GENETIKA Az örökítő anyag szerveződésével és funkciójával, az élőlények tulajdonságinak átöröklődésével foglalkozó tudomány. genesis: születés, teremtés, keletkezés, származás
Elméletek az öröklődésről Preformizmus: ivarsejtekben miniatűr emberkék (humunkuluszok)
Pángenezis: testi sejtek egy-egy darabka csírát (gemulát) termelnek, ami beépül az ivarsejtbe, biztosítva az illető sejtnek következő nemzedékbe másolását. (Buffon, Ch. Darwin)
Gregor Mendel (1822-1884) nem kapcsolt tulajdonságok öröklődésének elmélete –ma is helytálló!
1
A modern genetika ágai
mendeli (klasszikus) genetika
tulajdonságok átörökítése a következő nemzedékre
molekuláris genetika --->genomika
az öröklődés biokémiai háttere
populációgenetika
populációk genetikai összetétele
Genetikai alapfogalmak I.
Gén: a DNS molekula egy szakasza, amely egy tulajdonság meghatározásáért felelős
Lókusz: a kr. kr. azon szakasza, amin a gén elhelyezkedik Genotípus: egy élőlény génkészlete (egy vagy több gént illetően) Fenotípus: a génkészlet (genotípus) működésének
eredményeképpen kialakuló tulajdonságok összessége
Allélok: egy gén alternatív változatai Vad allél: egy adott génnek a természetben leggyakrabban
Letális allél: egy létfontosságú gén olyan változata, amely
előforduló változata
életképtelenséget vagy ivarérett kor előtti elhalálozást okoz
2
Genetikai alapfogalmak II.
Homozigóta: a kr. kr. pár azonos helyein azonos allélok Heterozigóta: a kr. kr. pár azonos helyein különböző allélok Hemizigóta: csak egyetlen kópiában hordozza a gént Domináns allél: olyan génváltozat, amely fenotípusosan
mindig kialakítja a neki megfelelő tulajdonságot (heterozigótákban (heterozigótákban is)
Recesszív allél: olyan génváltozat, amely fenotípusosan csak homohomo- és hemizigótákban manifesztálódik
Jelölések: A, a allélek Lehetséges genotípusok: AA, Aa, aa
Mendel kísérletei
Tudományos kísérletezés módszere
- alkalmas objektum választása - körültekintő kísérlettervezés - sok adat gyűjtése - matematikai értékelés - következtetések kísérletes ellenőrzése
Kísérleti növénye a kerti borsó (Pisum sativum)
- sok változat - önmegtermékenyítő és könnyen keresztezhető - kis helyigény, rövid tenyészidő
3
Vizsgált tulajdonságok
virágszín borsószem alakja sziklevél színe hüvely alakja hüvely színe virágok helyzete szárhossz
bíbor - fehér kerek - szögletes sárga - zöld felfújt - szemre simuló zöld - sárga axiális - terminális hosszú - rövid
Tiszta vonal : utódok tulajdonságai megegyeznek a szülőkével Hibrid: két tiszta vonalú egyed keresztezéséből származó utód
1. Kísérlet Szülői generáció (P) parentes Első utódgeneráció (F1) generatio filialis Eredmény: csak kerek!
4
Következtetések Uniformitás elve:
az első utódnemzedék egyedei egyformák (fenotípusosan és genotípusukat tekintve is)
Szegregáció (hasadás) elve: a második
utódnemzedékben az eredeti szülői tulajdonságok megjelennek.
Magyarázat: Az ivarsejtekben tulajdonságokat hordozó faktorok vannak (gének), egyesülésükkor az egyedbe 22-2 kerül. A heterozigóta egyedek egyforma arányban termelnek mindkét allélt hordozó ivarsejteket.
Az első utódnemzedék KEREK ♂
SZÖGLETES ♀
P Meiózis
Gaméták Megtermékenyítés
F1 Rr
Rr
Rr
Rr
5
A második utódnemzedék ♀ Rr
F1 Női gaméták
Hím gaméták
♂ Rr
RR
r
RR
Rr
Rr
rr
R
F2
r
Az utódok fenotípusa: 3/4
: 1/4
Az utódok genotípusa: 1/4 RR : 2/4 Rr : 1/4 rr
Teszt-keresztezés aa
AA
A A
aa
a
a
Aa Aa
Aa Aa
Aa
A a
a
a
Aa aa
Aa aa
Domináns fenotípusú egyedet recesszív egyeddel keresztezve egyforma (heterozigóta (heterozigóta)) egyedeket kapunk, ha a szülő homozigóta volt, ha heterozigóta, heterozigóta, akkor felefelefele arányban kapunk domináns és recesszív fenotípusú utódokat.
6
2. Kísérlet A független kombinálódás elve Kerek, sárga
Szögletes, zöld
P Meiózis Gaméták
Megtermékenyítés
F1
Kerek, sárga
P
Punnett-tábla
rryy
RRYY
RrYy
F1
♀ gaméták RrYy
RY
Ry
rY
ry
RRYY
RRYy
RrYY
RrYy
RRYy
RRyy
RrYy
Rryy
RrYY
RrYy
rrYY
rrYy
RrYy
Rryy
rrYy
rryy
RrYy
♂ gaméták
RY
Ry
F2
rY
ry
Az utódok fenotípusa
9/16R-Y- : 3/16R-yy : 3/16rrY- :1/16rryy Figure 10.8a 9 3 3 1
7
A független öröklődés magyarázata a kromoszómaelmélet ismeretében szemszín
vagy szőrszín
barna szem sötét szőr
kék szem vörös szőr
barna szem vörös szőr
kék szem sötét szőr
Domináns - recesszív öröklésmenet
Recesszív rendellenességek:
fenilketanuria, fenilketanuria, cisztikus fibrózis, fibrózis, albinizmus
Domináns rendellenességek:
akondroplázia (törpeség), polydactylia (hatujjúság), brachidactylia (rövidujjúság), rövidujjúság), HuntingtonHuntington-kór (vitustánc)
Egyéb tulajdonságok:
Rh+ > Rh-, barna szem > kék szem, lenőtt fülcimpa > nem lenőtt
8
Nemhez kötött öröklődés Kromoszómák:
autoszómák (emberben 22 pár) ivari kromoszómák (emlősökben XX ♀, XY ♂)
Nem-meghatározás
XY
XX X
X
X
XX
XX
Y
XY
XY
Nemhez kötött öröklődés Drosophila melanogaster
Reciprok keresztezés Anya
Apa
Xw+Xw+
XwY
T. H. Morgan 1910
P
Anya
Apa
XwXw
Xw+Y
Hím gaméták
Hím gaméták
Női gaméták
Xw+
X X
X Y
♀
♂
w+
w
w+
F1
Női gaméták
Y
Xw
Xw
Xw+
Y
Xw+Xw
XwY
♀
♂
Xw+: piros szemszín allélt tartalmazó X kromoszóma A w+ allél domináns w felett.
9
Példák ivari kromoszómákhoz kötött génekre X
vérzékenység (hemofília) vörös-zöld színtévesztés D-vitamin rezisztens angolkór
Y
fülcimpa-szőrösség
Intermedier öröklődés piros és fehér virágú csodatölcsérek keresztezése (Carl Correns 1900)
P X
RR
rr
F1 Rr
Önmegtermékenyítés
Az F1 nemzedék színe egyik szülőére sem hasonlít
köztes (intermedier) öröklődés Az F2 nemzedékben a fenotípusok megoszlása
1:2:1
F2 1/4 RR
1/4 Rr
1/4 Rr
A genotípus fenotípusosan megjelenik
1/4 rr
10
Kodominancia
Egy gén több allélja is domináns Heterozigótákban az allélok egymás mellett, egymástól függetlenül megnyilvánulnak Pl. ABO vércsoportrendszer
IA, IB : antigént kódoló allélek Genotípus Antigén i: nem kódol antigént A IAIA 6-féle genotípus 4-féle fenotípus
IAi
A
IBIB
B
B
Véradás olyan csoportnak lehetséges, amelyik nem támadja az adott vér antigénjét/antigénjeit.
I i IAIB i
i
Fenotípus A B
B A, B
AB
-
O
Vércsoport-meghatározás AB
A
Vérminta két cseppjébe kétféle ellenanyagot cseppentenek Idegen ellenanyag kicsapja a vért (fehérjekoaguláció)
Öröklődés
IAIB
B
0
IAi
IA
IB
IA
IA IA
IA IB
i
i IA
i IB
11
Kapcsoltság AB
ab
A B
Két gén együtt öröklődik – egy kr-n F1 gamétái csak kétfélék ha a gének közel vannak egymáshoz a kr-n
a b
P
A B
x
a b
AaBb
F1 meiózis , ivarsejtképzés 50% ab
50% AB A B
a b
Rekombináció (Crossing over) Kis mennyiségben keletkeznek kevert ivarsejtek a meiózis során végbement crossing over (átkereszteződés) miatt . c.o. valószínűsége ~ gének távolságával
AC
A C
A
c
x
C
ac
a
P
a c
AaCc
F1
meiózis, ivarsejtképzés
A C
c
a
c
A
C
a
Rekombináns
12
Crossing over Meiózis I
Meiózis II
Rekombináns gaméták
Mennyiség jellegek
„Heterozygotes have an intermediate phenotype because of a phenomenon known as incomplete dominance.”
mértékegységgel kifejezhető, folytonos jellegű tulajdonságok Pl. tojáshozam, tejhozam, testmagasság nagy elemszámú vizsgálat esetén az értékek normál eloszlást mutatnak
13
Mennyiségi jellegek öröklődése
sok gén vesz részt a jelleg kialakításában a környezeti hatások szerepe szintén jelentős
F1
gyakoriság
P
Magasság
F2
Dohánynövény magassága P
AABB
X
aabb
180 cm
60 cm
F1
AaBb
F2
AB
AB
AABB
AABb
AaBB
AaBb
Ab
AABb
AAbb
AaBb
Aabb
aB
AaBB
AaBb
aaBB
aaBb
ab
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
X Ab
AaBb aB
ab
14
Mutációk Mutáció: Az örökítőanyagban létrejövő, öröklődő változás. Sejttípus szerint - testi sejti → változá ltozás egyeden belü belül - ivarsejti → utó utódban megjelenhet
Kiváltó ok alapján - spontán termé természetes mutá mutáció ciós rá ráta: 10-4 – 10-10 - indukált (mesterségesen kiváltott – mutagének )
Típusai - génmutáció - kromoszómamutáció
Génmutációk
-ACGGGT-TGCCCA-
néma új triplett ua. AS vagy intronban csendes ASAS-csere fenotípusváltozás nélkül tévesztéses más AS → funkció funkcióveszté vesztés értelmetlen AS → STOP lánchosszabbító STOP→ STOP→ AS
frameshift – olvasási keret elcsúszása
15
Kromoszómamutációk 1. Számbeli Fajra jellemző kr. alapkészlet (n) kétszerese helyett több vagy kevesebb kerül az utódba. 2n
8n
Poliploidia
az alapszám 2-nél nagyobb egész számú többszöröse
Aneuploidia
nem a teljes genomból van több, csak bizonyos kromoszómá(k)ból
Aneuploidia
kevesebb általában letális triszómia: egy kr.-ból 3 van autoszómális
21 Down-, 13 Patau-, 18 Edwards-szindróma
ivari kromoszóma XXY, XYY, X0
16
Down-szindróma
21 kr. triszómiája 1:700 születés értelmi fogyatékos, alacsonyabb átlagéletkor
Turner-szindróma (X0) Kleinefelter (XXY) 1:2000
1:5000
♀
alacsony termetű steril nő jellegzetes rövid nyak
♂
meddő férfi, nőies vonások
17
Metanő (XXX)
1/2000 születés majdnem mindig meddő
normális szaporodóképesség nagyobb bűnözési hajlam (?) 1/2000 születés Szuperférfi (XYY)
Kromoszómamutációk 2. Szerkezeti deléció
inverzió
duplikáció
transzlokáció
18
Bepillantás a molekuláris genetikába 1944 Avery et al. DNS az örökítőanyag 1953 Watson & Crick a DNS szerkezete 1958 Meselson & Stahl szemikonzervatív DNS replikáció
1966 Nirenberg & Khorana genetikai kód megfejtése
Térképezés
KromoszómaKromoszóma-térképezés
- gének elhelyezkedése a krkr-n - keresztezési kísérletek
Géntérképezés
- fizikai térkép - gének távolsága
Szekvenálás
- bázissorrend meghatározása
19
Génklónozás restrikciós endonukleázok
genetikailag egyforma DNS darabok előállítása
1. DNS bejuttatása egy baktériumba - plazmid segítségével 2. Baktérium elszaporítása 3. DNS kinyerés
PCR
(Polimerase Chain Reaction)
polimeráz láncreakció
kétszálú DNS láncainak szétválasztása
primerek hozzáadása
DNSDNS-polimeráz komplementer DNS szálakat hoz szintetizál
újra szétválasztás…
20
PCR polimeráz láncreakció
kétszálú DNS láncainak szétválasztása
primerek hozzáadása
DNSDNS-polimeráz komplementer DNS szálakat hoz szintetizál
újra szétválasztás…
A centrális dogma, kivételek DNS → RNS → fehérje DNS mRNS
Sejtmag
Citoplazma mRNS
RNSRNS-függő DNSDNS-polimeráz RNS → DNS retroví retrovírusok szaporodá szaporodása
Riboszóma Fehérje
reverz transzkripció
cDNS (kópia)
mRNSmRNS-ről készült DNSDNS-másolat
21
Egyed szintű klónozás természetes szerv szövet
mesterséges
bimbózás (némely galandféreg, előgerinch.)
dugványozás
sarjadzás (szivacsok, csalánozók, mohaállat, zsákállat, növények)
oltás szemzés embriófelezés
ikresedés (giliszta, övesállatok, egypetéjű ikrek) sejt
szűznemzés (ászkák, levéltetvek, kabócák, halak, hüllők, madarak) sejtosztódás (baktériumok, élesztők, penészgombák)
kallusz (ochidea, dohány, sárgarépa)
ikresítés (szarvasmarha) embrionális ősivarsejtek teratóma sejtmagátültetés (Xenopus,
sejtmag
Dolly bárány, egér, szarvasmarha)
Egyedek klónozása
22
