Obecná genetika a zákonitosti dědičnosti KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek
Důležité pojmy obecné genetiky • Homozygotní genotyp – kdy je fenotypová vlastnost genotypově podmíněna uplatněním páru funkčně zcela shodných alel. • Heterozygotní g. – kdy je naopak fenotypová vlastnost genotypově podmíněna uplatněním páru funkčně zcela rozdílných alel. • Dominance a recesivita – kdy funkce jedné alely převládá (dominuje) a ve fenotypu tak překrývá účinek druhé alely, která je recesivní. • Úplná dominance – fenotypový projev dominantní alely u org. s homozygotně dominantním genotypem (AA – dominantní fenotyp) nebo fenotypový projev recesivní alely u org. s homozygotně recesivním genotypem (aa – recesivní fenotyp). • Neúplná dominance – kdy funkce dominantní alely nestačí u heterozygota (Aa) zajistit fenotyp dané vlastnosti ve stejné míře jako u dominantního homozygota (AA). • Kodominance – žádná z rozdílných alel svým fenotypovým projevem ani nepřevládá, ani není potlačována a u heterozygota se objevují projevy těchto rozdílných alel společně vedle sebe. • Zpětné křížení – křížení heterozygotního křížence s homozygotním rodičem (recesivní jedinec).
Mendel a jeho hrách • G. Mendel dobře zvolil jako pokusný matriál hrách setý (Pisum sativum) – květní korunní plátky jsou uzavřeny – pyl nemůže ven ani dovnitř (samooplození). • Variety hrachu jsou velmi málo variabilní z generace na generaci – inbrední (křížení příbuzných jedinců). • Mendel se zaměřil na studium dědičnosti 1 znaku (výška r. – monohybridní z.) nebo studium protichůdných znaků (vysoké x nízké r.) x jeho předchůdci více znaků – složité výsledky. • Mendel odhalil, že jsou vlastnosti určeny nedělitelnými jednotkami genetické informace (geny, alely – forma g.)
Mendelovo monohybridní křížení • Mendel křížil vysoké a nízké r. stejně vysoké r. (pouze vysoké, nízký h. zmizel). • Dále zkoumal potomstvo vysokých r. vysoké a nízké r. (3:1). • Nízký vrůst – recesivní alela x vysoký v. – dominantní a. • Takto zkoumal dědičnost dalších 6 znaků: tvar a barvu semen, tvar a barvu lusků, barvu a postavení květů. • Při těchto pokusech ještě odhalil pojmy jako homozygot x heterozygot.
Křížení, rodičovská generace a generace potomků, hybrid • Při pohlavním rozmnožování dochází ke křížení prostřednictvím gamet (haploidní=1n) rodičů meióza, tím dochází k přenosu 1 mateřské a 1 otcovské alely na potomka (segregace a.). • Jedince vznikající křížením nazýváme hybridy. • Rodičovskou generaci označujeme symbolem P (parentální). • Generaci potomků značíme F (filiální), kde 1. generace potomků je F1 a 2. F2.
Mendelovy zákony •
Při pohlavním rozmnožování se může z každého rodiče přenést na jeho potomka vždy pouze jediná alela z páru. • Vyslovil v roce 1865 J. G. Mendel: 1. Zákon o uniformitě hybridů F1 generace a identitě reciprokých křížení: Při vzájemném křížení homozygotních rodičů (P) vzniká první filiální generace (F1) potomků, kteří jsou genotypově i fenotypově jednotní. homozygoti
B
B
b
Bb
Bb
b
Bb
Bb
1. Mendelův zákon a lidé • Ušní lalůčky některých lidí mají jsou přisedlé (prodloužený krční úpon f) x volné (F). • Muž homozygot s volnými lalůčky (FF) x žena h. s přisedlými l. (ff). • Všechny jejich děti budou mít volné uši (Ff), protože alela F je dominantní. homozygoti
F
F
f
Ff
Ff
f
Ff
Ff
2. Mendelův zákon (křížení heterozygotů) • Alelické páry se u heterozygotů vzájemně nesměšují. Potomstvo F2 vzniklé křížením heterozygotních jedinců F1 gen. je nestejnorodé a dochází tak k fenotypovému štěpení. Vzájemným křížením heterozygotů Rr vzniká potomstvo genotypově i fenotypově různorodé. • S pravděpodobností 25% mohou vznikat potomci homozygotně dominantní, s pravděpodobností 50% potomci heterozygotní a s pravděpodobností 25% potomci homozygotně recesivní (viz. kombinační čtverec = Punnettova tabulka). • Genotypový štěpný poměr je 1:2:1, fenotypový štěpný poměr je 3:1 při úplné dominanci nebo 1:2:1 při neúplné dominanci. heterozygoti
R
r
R
RR
Rr
r
Rr
rr
Dědičnost krevních skupin • Vznik krevní skupiny u čl. je dán větším počtem alel: – 2 dominantní IA, IB – 1 recesivní I0.
• Krevní skupiny: • Stav, kdy se při vyjádření znaku uplatní obě alely stejně – kodominance. Skupina A
Skupina B
Skupina AB
Skupina 0
IAIA
IBIB
IAIB
i0i0
IAi0
IBi0
3. Zákon o volné kombinovatelnosti vloh
Stejné zabarvení značí stejný genotyp.
• Mezi alelami genů, které leží v různých chromozomech, existuje vzájemná volná a nezávislá kombinovatelnost. • V potomstvu F2 pak vznikne tolik zygotických genotypových kombinací, kolik je jich možných mezi na sobě matematicky nezávislými veličinami. • Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme-li 2 dihybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet vzniká 16 různých zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů. V F2 generaci vznikají rozdílné fenotypy. Stejné zabarvení značí stejný fenotyp.
3. Mendelův zákon: • Máme 2 dihybridy GgYy (rodiče heterozygotní ve 2 různých párech alel). • Každý z nich může vytvořit pohlavní buňky - gamety obsahující se stejnou pravděpodobností 1 ze 4 možných kombinací mezi alelami těchto 2 alelových párů: GY, Gy, gY, gy.
Alelové série • Původní mendelovská představa byla, že pro každý gen existují pouze 2 alelové formy. • V současnosti víme, že tato hypotéza není vždy platná, protože existují geny se třemi, čtyřmi a více alelami = alelová série. • Např. gen pro barvu srsti králíků c má 4 alely: c (albín), ch (himalájský), cch (činčila), c+ (standardní). V homozygotním stavu má každá z alel svůj charakteristický fenotyp. • Může vzniknout 6 různých barevných heterozygotů: chc, cchc, c+c, cchch, c+ch a c+cch. • Standardní a. je dominantní nad ostatními, ch je neúplně dominantní nad h a c. Alela h je úplně dominantní nad c (c+>cch>ch>c).
Výjimky z Mendelových zákonů • • • • • •
Penetrace a expresivita. Genové interakce. Genetická vazba. Na pohlaví vázané vlivy. Polygenní stavy. Mitochondriální dědičnost.
Penetrace a expresivita • Neúplná penetrace – jestliže se u jedinců s odpovídajícím genotypem neprojevuje určitý znak (u člověka – polydaktylie). • Neúplná penetrace, pak může vést k nesprávnému určení genotypů. • Expresivita – znak se nemanifestuje stejným způsobem u všech jedinců, kteří ho mají. • Neúplná penetrace a expresivita ukazují, že cesta mezi genotypem a příslušným fenotypem může být značně ovlivněna (vnější prostředí, genetické pozadí – genové interakce).
Genové interakce • Mendel a jeho současníci předpokládali, že 1 gen 1 znak. • Dnes víme, že jsou to situace vzácné. • Znak vzniká spolupůsobením více genů: – Pokud na vzniku znaku spolupracují 2 geny (např. barva květu hrachoru – musí být přítomna alespoň vždy 1 dominantní alela od každého genu CR, aby byl květ barevný, jinak je bílý.) – komplementarita.
Epistáze • Další genovou interakcí je epistáze, kdy určitá alela jednoho genu potlačuje projev jiného genu. • Vyskytuje se případ i recesivní epistáze, kdy recesivní alela jednoho g. potlačuje projev dominantní alely jiného g. – Např. krevní skupina dítěte je určována nejen alelami genu IA, IB a i0 po rodičích, ale navíc dominantní a. H nebo vzácnou recesivní a. h. Pokud se vyskytne ojedinělá homozygotní konstituce hh pak má dítě bez ohledu na konstituci alel AB0 vždy krevní skupinu 0. Avšak dítě má většinou dominantní a. H, pak může mít krevní skupinu AB.
Duplicitní interakce • V určitých případech může být jeden znak různými g. a k jeho vyjádření pak obvykle stačí jediná dominantní alela jednoho z těchto g. = duplicitní interakce. • Geny mají v tomto případě stejnou funkci, ale nejspíše i evoluční původ (duplikace určitého genu). • Jindy se účinek těchto genů sčítá, pak mluvíme o kumulativní duplicitní interakci. Projev znaku je pak počtem dominantních alel dvou nebo více genů.
Pleiotropie • Existují případy, kdy jeden určitý gen může ovlivnit více fenotypových znaků – pleiotropní g. • Člověk – g. pro fenylketonurii (recesivní mutantní a. způsobuje tvorbu toxických sloučenin, které se kumulují v mozku mentální postižení). Dále působí na syntézu barviva melaninu světlejší vlasy.
Geny velkého účinku • Kvalitativní znaky jsou ovlivňovány geny velkého účinku (majorgeny). • Určují dva nebo více alternativních projevů (barva květů, tvar semen, krevní skupiny atd.). • Kvantitativní (metrické) znaky (výška těla, hmotnost, IQ) – řízeny velkým počtem genů (polygeny = geny malého účinku).
Vazba genů • Mendelův zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel platí jen pro alely, které jsou uloženy na různých párech homologních chromozomů a mohou se tedy při meiotické segregaci nezávisle kombinovat. • Soubor genů 1 chromozomu (neboli soubor parů alel 1 páru homolog. ch.) tvoří tzv. vazbovou skupinu genů. • Základní poznatky o vazbě genů zformuloval na základě pokusů s drosofilou T.H. Morgan 2 Morganovy zákony.
Morganovy zákony 1. Zákon o uložení genů:
– Geny v chromozomech jsou uspořádány lineárně v řadě za sebou ve zcela určitých chromozomových místech, genových lokusech. 2. Zákon o vazbě genů: – Soubor genů umístěných v určitém chromozomu tvoří vazbovou skupinu. Všechny geny téhož ch. jsou vzájemně vázány. Nezávisle kombinovatelné jsou jen s geny jiných vazbových skupin. Počet vazbových skupin je dán počtem párů homologních ch.
Genetická rekombinace • Změna v uspořádání alel vzájemně vázaných genů, která je možná jen náhodnou strukturní výměnou částí nesesterských chromatid mezi párovými ch. • K těmto výměnám dochází v profázi 1. meiotického dělení (ve stádiu bivalentů). • Tento proces se nazývá crossing-over. • Rozlišujeme jednoduchý crossing-over (vzniká na základě jednoho překřížení a chromatidy si při něm prohodí konce) a vícenásobný crossing-over (několikanásobném překřížení).
Síla vazby genů • Pravděpodobnost vzniku crossing overu mezi vzdálenými geny je větší než mezi geny blízkými. • O síle vazby mezi geny nás informuje Morganovo číslo. • Dá se zjistit pořadí a vzdálenost genů (cM - centimorgan) na chromozomu. • Tak můžeme získat i genetickou mapu chromozomu.
