GENETIKA Mendelistická dědičnost
©2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.
Nauka o DĚDIČNOSTI (HEREDITA) a PROMĚNLIVOSTI (VARIABILITA) termín genetika poprvé použil v r. 1905 W. BATESON název genetika odvozen z latinského genesis - zrození genetika je těsně svázána s evolucí Rok
autor
Objev
1856-1863
J.G.Mendel
experimenty s hrachem, Mendelovy zákony
1859
Ch. Darwin
On the Origin of Species ..., evoluce
1908
G.H.Hardy, W. Weinberg
HW zákon
1910
T.H.Morgan
Morganovy zákony
1941
G. Beadle, E. Tatum
1 gen - 1 enzym
1953
J. Watson, F. Crick
struktura DNA
1977
W. Gilbert, F. Sanger
sekvenování DNA
1986
K. Mullis a další
PCR
2001 - kompletní DNA sekvence člověka (Human Genome Project „working draft“)
3 části genetiky - 3 přístupy ke studiu: 1. MOLEKULÁRNÍ GENETIKA (replikace DNA, genová exprese) - struktura a exprese genů na molekulární úrovni - přenos genetické informace z generace na generaci
2. KLASICKÁ GENETIKA - přenos znaků z generace na generaci MENDELISMUS NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST DĚDIČNOST KVANTITATIVNÍHO ZNAKU
3. POPULAČNÍ GENETIKA - variabilita v genech (znacích) v populacích a mezi populacemi
KLASICKÁ (FORMÁLNÍ) GENETIKA MENDELISMUS (Mendelistická dědičnost) - studuje jakoukoliv pravidelnou dědičnost kvalitativního znaku na úrovni jedince
1. Mendelova pravidla (zákony) 2. Genové interakce 3. Vazba vloh 4. Vazba na pohlaví
1822-1884
Johan Gregor Mendel (1824-1884) „otec moderní genetiky„ narozen v Hynčicích, (Rakousko, nyní ČR) 1840-43 Fylozofický Institut v Olomouci 1843 Augustiánské opatství Sv. Tomáše v Brně 1851 Univerzita ve Vídni 1853 učitel fyziky, 1868 opat
experimenty s hrachem (Pisum sativum), jestřábníkem (Hieracium), včelami → Mendelovy zákony dědičnosti zemřel v Brně (chronická nefritída)
GENOVÁ EXPRESE exprese genu (část DNA) prostřednictvím transkripce a translace Co je výsledkem genové exprese?
Animace genové exprese: http://highered.mcgrawhill.com/sites/0072835125/student_view0/ani mations.html#
PROTEIN plní různé funkce (stavební, regulační, katalytická) a tak vytváří či ovlivňuje různé znaky organizmu. Např: 1) gen pro barvu květu – protein vzniklý expresí genu má funkci enzymu, který katalyzuje barvu květu 2) gen pro krevní skupiny – kóduje protein (aglutinogen) přítomný na povrchu erytrocytů a tak vytváří krevní skupinu (aglutinační reakce) ZNAK = rys (charakteristika) organizmu
FENOTYP = běžně používané jako synonymum pro znak = doslova = stav znaku (konkrétní forma znaku) např. znak = barva očí má fenotypy = modrá, hnědá)
= komplex znaků daného organizmu
KVALITATIVNÍ ZNAK monogenní dědičnost (znak je ovlivněn jedním MAJOR GENEM) dán jen geneticky fenotyp vytváří různé kategorie KVANTITATIVNÍ ZNAK interakce mezi 2 či více MINOR GENY a prostředím fenotyp se liší v intenzitě (měřitelné)
Uveď příklady kvalitativních a kvantitativních znaků
GEN = jednotka dědičnosti kóduje protein (strukturální gen) nebo tRNA a rRNA Alela = konkrétní forma genu (gen může mít 1, 2 a více alel) – dominantní, recesivní Lokus = místo genu na chromozomu Kolik má jedinec alel pro daný gen?
GENOTYP - genetická (alelická) konstituce organizmu Homozygot – jedinec nese 2 stejné alely téhož genu Heterozygot – jedinec nese 2 různé alely téhož genu Autozomální - lokus je na nepohlavních chromozomech Gonozomální - lokus je na pohlavních chromozomech
Terminologie: P generace = parentální (rodičovská) generace - vždy se jedná o dva různé homozygoty F1 - generace = první generace potomků (filiální) - vzniká křížením jedinců z P generace za vzniku heterozygotů F2 - generace = druhá generace potomků (filiální) - vzniká křížením dvou jedinců z F1 generace
B1 generace - vzniká zpětným kříţením (back crossing), tj. homozygot s heterozygotem (jedinec z P a F1 generace)
1. MENDELOVA PRAVIDLA - Mendel je sám neformuloval, vyplynuly z jeho prioritních prací - sledoval přenos znaků z rodičů na potomky - (1854-1865) hybridizace hrachu (jestřábník, ovocné stromy) + matematický teoretický základ 1. UNIFORMITA HYBRIDŮ F1 jedinci F1 jsou genotypově i fenotypově uniformní, protože jejich rodiče jsou homozygoti 2. IDENTITA RECIPROKÝCH KŘÍŢENÍ pro charakteristiku F1 hybridů je jedno, jestli má určitou alelu v P generaci samec nebo samice, protože geny leží na autosomech (v autosomech se pohlaví neliší) *Hybrid = heterozygot
3. ČISTOTA VLOH A JEJICH ŠTĚPENÍ (princip segregace vloh) vlohy jsou u jedinců čisté (nemíchají se) vlohy se štěpí, protože jde o 2 různé alely leţící na dvou různých homologních chromozomech a v průběhu gametogeneze se rozcházejí do různých gamet 4. VLOHY JSOU VOLNĚ KOMBINOVATELNÉ (princip kombinace vloh) protože alely leží na různých chromozomových párech
PODMÍNKY PLATNOSTI 1. MONOGENNÍ DĚDIČNOST: 1 gen - 1 znak 2. AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST: geny jsou na autosomech 3. KAŢDÝ GEN LEŢÍ NA JINÉM CHROMOZOMU
Vztahy mezi alelami Úplná dominance - heterozygot je fenotypově stejný jako dominantní homozygot, tj. červený (fenotyp v F2 3:1) Neúplná dominance - jedna alela se uplatňuje silněji (heterozygot má květy tmavě růžové) (fenotyp v F2 1:2:1) Kodominance - společný projev dvou párových dominantních alel (př. krevní skupiny člověka) Př. krevní skupiny – kódovány jedním genem (I). U lidí jsou 3 alely (IA, IB, i) a 4 fenotypy (A, B, AB, 0). Alely A a B jsou kodominantí. (u člověka je také MN krevní systém, který je také kodominantní)
Kombinační čtverec (Punnett square) navrhl Reginald Punnett používán ke zjištění pravděpodobnosti vzniku potomků s určitým genotypem
MONOHYBRIDISMUS
P: BB x bb gamety: F1 : gamety: F2 : genotypový štěpný poměr? fenotypový štěpný poměr? Interaktivní animace kombinačního čtverce: http://www.dnaftb.org/dnaftb/5/concept/index.html
DIHYBRIDISMUS
P: GGYY x ggyy gamety: F1 : gamety: F2 : genotypový štěpný poměr? fenotypový štěpný poměr?
Alternativou je rozvětvovací metoda (viz cvičení)
2. GENOVÉ INTERAKCE dva či více genů (major geny) ovlivňují 1 kvalitativní znak pozná se podle změny štěpných poměrů v F2 generaci porušena podmínka 1 gen – 1 znak
RECIPROKÁ INTERAKCE - bez změny fenotypového štěpného poměru - znak je ve více formách, každá je determinována jednou z kombinací alel rodičovských genů
př.zbarvení paprik (z cvičení zbarvení andulek) F2: R-C- R-cc rrC- rrcc červená
9 :
hnědá
3 :
žlutá
3 :
zelená
1
Jak rozliším, ţe 9:3:3:1 je genová interakce nebo dihybridismus?
DOMINANTNÍ EPISTÁZE dominantní alela epistatického genu potlačuje fenotypový projev hypostatického genu př1. zbarvení jiřin (z cvičení zbarvení dýní) F2: Y-I- Y-ii yyIyyii žlutá žlutá slonov. bílá
12
:
3
:
1
RECESÍVNÍ EPISTÁZE homozygotně recesívní sestava epistatického genu potlačuje fenotypový projev hypostatického genu př.1: zbarvení květů šalvěje (z cvičení zbarvení myší) F2: A-P- : A-pp : aaP- : aapp fialová bílá růžová bílá
9
: 4(bílá) : 3
INHIBICE dominantní alela genu inhibitoru (supresoru, I) potlačuje funkci jiného genu, ale sama nemá ţádný účinek na fenotyp! př. zbarvení peří slepic F2: Č-I- : Č-ii : ččI- : ččii bílé
: červené : bílé
: bílé
13 (bílé) : 3 (červené)
KOMPENZACE funkce dominantních alel dvou genů je protisměrná, jejich fenotypové účinky se vzájemně vylučují př.: zakřivení lusku u hrachu (zbarvení peří kanárků) 10 : 3 : 3
KOMPLEMENTARITA dominantní alely dvou (či více) genů se vzájemně doplňují při realizaci fenotypového znaku (znak se vytvoří, jsou-li přítomny obě dominantní alely) Př.: zbarvení květů hrachoru F2: C-R- : C-rr : ccR- : ccrr červená bílá bílá bílá 9 (červená) : 7 (bílá)
MULTIPLICITA (duplicita) duplicitní geny mají stejný fenotypový účinek intezita fenotypového účinku závisí na tom, zda se účinek duplicitních aktivních genů kumuluje a zda je mezi alelami téhož genu vztah dominance jednotlivé dominantní alely jsou identické, značí se stejným písmenem
Duplicitní faktory nekumulativní s dominancí účinek se nekumuluje, buď je nebo není dominantní alela př.: tvar tobolek u kokošky pastuší tobolky F2: ( ):( )
15 : 1 Duplicitní faktory kumulativní s dominancí intenzita projevu znaku závisí na počtu dominantních alel, jejichž účinek se navzájem zesiluje př.: zbarvení obilek ječmene F2: tmavohnědé : hnědočervené : bílé
9
:
6
: 1
Duplicitní faktory kumulativní bez dominance neprojevuje se dominance a recesivita, intenzita projevu znaku závisí na celkovém počtu aktivních alel př.: barva obilek pšenice F2: tmavočervená : červená :světle červená : růžová : bílá
1
:
4
:
6
:
4
:1
Odvození štěpných poměrů v F2 generaci A-B-
A-bb
aaB-
aabb
Reciproká interakce Dominantní epistáze
9
3
3 3
1 1
Recesivní epistáze Komplementarita Kompenzace
9 9 10
12 3
7 3
3
Inhibice
13
Duplicita nekumulativní
3 15
Duplicita kumulativní s dominancí
9
AABB Duplicita kumulativní bez dominance
4
1
1 1
6
AaBB AABb
4
AAbb aaBB AaBb
6
Aabb aaBb
4
aabb
1
3. VAZBA VLOH (GENŮ) 2 a více genů leží na 1 chromozomu a tvoří vazbovou skupinu projeví se změnou očekávaných štěpných poměrů porušena podmínka – 1 gen na jednom chromozomu
Thomas Hunt MORGAN (1866 - 1945) americký genetik, embryolog studoval mutace na octomilce (Drosophila melanogaster) zjistil, že geny leţí na chromosomech získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu v roce1933 Drosophila se stala modelovým organizmem v genetice
MORGANOVY ZÁKONY !!! 1. geny jsou uloţeny na chromozomech lineárně za sebou 2. počet vazbových skupin je roven počtu párů homologních chromozomů
Kolik vazebných skupin můţe mít člověk?
Kolik gamet produkuje heterozygot AaBb a v jakém poměru? ------------------------------------------------------------------------------------Kolik gamet produkuje heterozygot AaBb, jestliže mezi geny A a B je genetická vazba? vazbová fáze cis: na 1 chromozomu AB, na druhém ab vazbová fáze trans: na 1 chromozomu Ab, na druhém aB trans
cis A
a
A
a
B
b
b
B
SÍLA VAZBY – závisí na vzdálenosti mezi geny, tím je dála síla vazby a pravděpodobnost vzniku crossing-overu mezi 2 geny vazba úplná – geny leží blízko sebe, vazba je silná, nedochází ke crossing-overu tj. nevznikají rekombinované genotypy vazba neúplná – geny leží daleko od sebe, vazba je slabá, dochází ke crossing-overu tj. vznikají rekombinované genotypy
Vyjádření síly vazby: BATESONOVO ČÍSLO (c) = počet gamet s nerekombinovaným genotypem/počet gamet s rekombinovaným genotypem MORGANOVO ČÍSLO (p) = 100 x počet gamet vzniklých rekombinací/celkový počet gamet Vztah mezi c a p:
c
100 - p p
p
100 c 1
1 cM (centimorgan) vyjadřuje 1 % rekombinační frekvenci mezi dvěma geny na 1 chromozomu
Stanovení síly vazby: - podle výsledků v F2 generaci - zpětným křížením (křížení homozygota s heterozygotem)
TESTOVACÍ KŘÍŢENÍ podobné zpětnému křížení (heterozygot x homozygot), slouží ke zjištění frekvence genotypů na základě fenotypového štěpného poměru u potomků Tří bodový test (viz. cvičení) sleduje se interakce mezi 3 geny slouží k sestavení chromozomové mapy = pořadí genů a jejich vzdálenost v centimorganech (cM)
Chromozomová mapa: http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome /posters/chromosome/chooser.shtml
4. VAZBA NA POHLAVÍ DĚDIČNOST NA POHLAVÍ VÁZANÁ (sex-linked) geny leží na gonosomech jeden z rodičů je hemizygot (samec) porušena podmínka – geny leží na autosomech znaky úplně pohlavně vázané - geny leží v nehomologních částech heterochromozomů (není možný crossing-over) znaky neúplně pohlavně vázané - geny leží v homologních částech heterochromozomů (crossing-over možný, ale často blokován)
heterologní heterologní
homologní
homologní
Znaky úplně pohlavně vázané - geny leží v heterologních částech pohlavních chromozomů a) gen leží na gonosomu Y (holandrická dědičnost) - znak se dědí z otce na syna (hypertrichosis auriculae – chlupaté uši) b) gen leží na gonosomu X (hemofýlie, daltonismus u lidí, barva očí u octomilky)
uniformita F1 generace, jestliže dominantní alela je na chromozomu X u samice (XDXD), v F2 3:1 dědičnost kříţem, jestliže dominantní alela je na chromozomu X u samce (XDY), v F2 1:1 hemizygot
Znaky související s pohlavím - geny leží na autosomech DĚDIČNOST POHLAVÍM PODMÍNĚNÁ (sex-limited) geny leží na autosomech obou pohlaví, ale znak se projeví jen u jednoho pohlaví, které má anatomickou predispozici znak se vyskytuje jen u jednoho pohlaví (př. kryptorchismus – jen u samce)
DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLIVNĚNÁ (sex-influenced) geny leží na autosomech obou pohlaví, heterozygot je ovlivněn pohlavními hormony tj. u samce se projeví jinak než u samice znak se vyskytuje u obou pohlaví (př. zbarvení srsti u ayshirského skotu, plešatost u lidí)
DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLÁDANÁ (sex-controlled) geny leží na autosomech obou pohlaví, heterozygot a dominantní homozygot je ovlivněn pohlavními hormony, tj. u samce se projeví jinak než u samice znak se vyskytuje jen u jednoho pohlaví (př. sekundární pohlavní znaky – vousy mužů, velikost ploutví u ryb)
* Umět aplikovat na nějaký příklad z cvičení !!!
DETERMINACE POHLAVÍ U ŢIVOČICHŮ 1. vliv prostředí - teplota - želvy, krokodýli ♂♂ (t <28°C) ♀♂ (t 28-32°C) ♀♀ (t >32°C)
2. vliv pohlavních chromozomů zástupci
Typ Savci (Drosophila)
XY
XX
Y-gen SRY
Ptakopysk Y-gen DMRT1
Ptačí (Abraxas, ZW)
X1Y1X2Y2 X1X1X2X2 X3Y3X4Y4 X3X3X4X4 X5Y5 X5X5
savci, hmyz, některé ryby, plaz, obojživelníci ptakopysk
ZZ
ZW
ptáci, motýli, některé ryby, plazi, obojživelníci, rostliny
XO
XX
ploštice, rovnokřídlý hmyz
n
2n
sociální hmyz
Y-gen DMRT1
Protenor sady chromozomů
NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST
©2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.
NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST znaky, které se dědí jinak, než podle pravidel mendelismu všechny znaky u hub, virů a bakterií se dědí nemendelisticky termín se používá spíše pro výjimky u eukaryotických buněk
1. 2. 3. 4. 5.
maternální dědičnost (extranukleární) dědičnost vázaná na infekční agens maternální efekt trinukleotidové repetice komplexní znaky
MATERNÁLNÍ DĚDIČNOST (cytoplazmatická, extranukleární) objevena v roce 1908 - Carl Correns u rostliny Mirabilis jalapa – nocenka jalapenská znaky potomků se nevyštěpují v poměrech odpovídajících mendelismu všichni potomci mají fenotyp 1 rodiče (obvykle matky množství cytoplazmy v samičí gametě je větší než v samčí gametě zdrojem mitochondrií (chloroplastů) potomka je matka) neplatí identita reciprokých kříţení
samičí gameta
samčí gameta
Vysvětlení: Samčí mitochondrie jsou obvykle zničeny po oplodnění. V roce 1999 byl tento mechanismus objasněn: mitochondrie spermií jsou označeny ubiquitinem, aby byly následně zničeny v embryu. Některé IVF techniky mohou tento proces narušit.
Př.: panašovanost rostlin - geny pro barvu rostlinných chloroplastů leží na cpDNA, nezbarvené chloroplasty jsou výsledkem mutace genu cpDNA Fenotyp samičí Fenotyp samčí Fenotyp potomka rostliny (vajíčko) rostliny (pyl) Bílý
Zelený
Panašovaný
Bílý
Bílý
Zelený
Bílý
Panašovaný
Bílý
Bílý
Zelený
Zelený
Zelený
Panašovaný
Zelený
Bílý
Bílý
Zelený Panašovaný
Zelený
Bílý
Zelený Panašovaný
Panašovaný
Bílý
Zelený Panašovaný
Mitochondriální dědičnost: mitochondriální onemocnění ovlivněny buňky mozku, nervy, svaly, ledviny, srdce, oko, uši příznaky: snížený růst, svalová slabost, problémy se zrakem a sluchem, mentální retardace, onemocnění jater, ledvin a srdce, cukrovka, neurologické problémy... projev závisí na množství mitochondrií s mutací
Příklady: 1) Leber´s hereditary optic neuropathy (LHON) – mutace v genech mtDNA pro elektron transportní řetězec proteinů → defect v enzymech oxidativní fosforylace → produkce ATP je zastavena → degenerace n. opticus → ztráta zraku (častější u mužů)
2) Kearns-Sayre syndrom – delece v mtDNA → odstranění genů tRNA, narušena translace v mitochondriích → neuromuskulární defekt, paralyza svalů oka, akumulace abnormálních proteinů v sítnici, chronický zánět a degenerace sítnice oka, srdeční onemocnění
DĚDIČNOST VÁZANÁ NA INFEKČNÍ AGENS znaky přenášené symbiotickými viry nebo bakteriemi lokalizace v cytoplazmě, k přenosu dochází při míchání cytoplasmy (při fertilizaci) Př.: symbiotické RNA viry L a M u některých kvasinek - společně vyvolávají produkci toxinu, který zabíjí kvasinky bez M viru nebo obou virů (vůči vlastnímu toxinu je kvasinka odolná) kvasinka produkující toxin
L virus
citlivé kvasinky
M virus
jen L virus
bez virů
MATERNÁLNÍ EFEKT odlišný od maternální dědičnosti extranukleárních genů! fenotyp potomka (bez ohledu na jeho genotyp) závisí na genotypu matky (bez ohledu na její fenotyp) !!!! princip: před fertilizací je v oocytu přítomen protein (produkt genu matky), který ovlivňuje orientaci mitotického vřeténka v první mitóze po fertilizaci a tím ovlivňuje vynutí ulity (doprava nebo doleva) u potomka Př.: pravotočivé nebo levotočivé vinutí ulity u plţe plovatky toulavé (Lymnaea peregra) Směr vinutí odlivňuje pár alel: D - dominantní (pravotočivost) d - recesivní (levotočivost) * Umět vysvětlit na příkladu !!!!
Fenotyp potomka vţdy závisí na genotypu matky! P generace levotočivá F1 generace
pravotočivá levotočivá
všichni potomci pravotočivá
F2 generace
F3 generace všichni potomci pravotočivá
levotočivá
F1 - uniformní F2 - uniformní F3 - 3 : 1
TRINUKLEOTIDOVÉ REPETICE onemocnění způsobené zmnožením mikrosatelitů (tandemové opakování trojice nukleotidů) zdravý jedinec má malý počet repetic s každou generací se počet repetic zvyšuje → premutace (predispozice, že jedinec bude postižen) → postiţení (jedinec bude mít příznaky onemocnění)
Huntingtonova choroba (HD)= tanec sv. Víta vzácné autosomálně dominantní neurologické onemocnění způsobené zmnožením trinukleotidových repetic v genu kódující Huntingtin protein 36 repetic (CAG) = práh pro onemocnění Příznaky: abnormální pohyby (tanec sv. Víta), špatná koordinace, změna chování
KOMPLEXNÍ ZNAKY komplexní znaky se dědí kvantitativně (více genů), ale exprimují se kvalitativně neplatí Mendlovy zákony více genů, více genotypů kontinuální genetická variabilita vliv vnějšího prostředí (mutageneze) Při. dysplazie kyčelního kloubů
Př. dysplazie je determinována 5 aditivními geny (G, H, I, J, K) pouze dominantní alely přispívají k dysplazii rodiče: gghhiijjkk (normální) x GGHHIIJJKK (s dysplazií) potomek: GgHhIiJjKk Bude mít potomek dysplazii?
práhem k onemocnění je přítomnost 7 dominantních alel (které z nich to budou je jedno)
př. ggHHIIJJKk nebo GGHHIIJjkk Opatření: zařazovat do chovu jedince bez dysplazie sourozenci těchto jedinců, jejich rodiče a sourozenci rodičů by také měli být bez dysplazie
GRAFICKÉ POROVNÁNÍ ZNAKŮ
znak
dědičnost
vliv prostředí
kvalitativní znak
monogenní
malý
kvantitativní polygenní znak
velký
komplexní znak
velký
polygenní
