Cesta genetiky od hrachu v Brně po kriminálku Miami. Barbora Černá Bolfíková

Transkript

1 Cesta genetiky od hrachu v Brně po kriminálku Miami Barbora Černá Bolfíková bolfikova@ftz.czu.cz

2 Genetika Obor studující dědičnost v živých organismech Základy mu položil Gregor Mendel v 19st. Dynamicky se rozvíjející obor, který se prolíná do mnoha oblastí lidského života Genetika má mnoho úrovní od základního šlechtění po genové inženýrství a práci s kmenovými buňkami Živé organismy jsou definovány svou schopností reprodukovat se a přenášet svůj dědičný materiál do dalších generací Abychom dokázali porozumět všem ostatním biologickým vědám, je potřeba rozumět příčinám biologických pochodů v živých organismech nejdůležitější věci se odehrávají na úrovni DNA

3 Gregor Mendel ( ) Pokusy s dvouděložným hrachem setým Korunní plátky uzavřeny zabraňují pylu dostat se z/do květu snadno vznikají inbrední linie Mendel vytvořil několik variet, které se lišily v určitém znaku (např. výška, barva semen, tvar semen ) Mendel hovoří o faktorech Pojem gen zavádí až v roce 1909 Wilhelm Johannsen Odvodil existenci recesivních a dominantních faktorů Dnes používáme pojem alely Zjistil, že geny existují v párech (diploidní organismy) a že při tvorbě gamet se tyto dvě kopie redukují na jednu Vyvodil, že diplodní počet genů se obnoví při spojení vajíčka a spermie Pochopil, že organismy mohou být homozygotní či heterozygotní

4 P Vysoký DD Nízký dd gamety D d F1 Vysoký Dd gamety D samooplození d F2 D d D d Vysoký DD Vysoký Dd Vysoký Dd Nízký dd

5 fenotypy genotypy poměr genotypů poměr fenotypů vysoký DD 1 3 vysoký Dd 2 nízký dd 1 1

6 Mendel a hrách setý Mendel díky své genialitě (nebo štěstí či spíše dokonalé znalosti hrachu) si vybral 7 znaků, u nichž je kompletní dominance - fialová či bílá, nula nebo jednička Každý z těchto sedmi znaků je kódován jen jedním genem, pro který existují jen dvě alely (s výjimkou postavení květu - tento znak kódují dva geny) Vztah mezi genotypem a fenotypem je v přírodě málokdy tak jednoduchý!!

7 Mendelovy zákony (sám nikdy žádné neformuloval) 1. Pravidlo uniformity a identity reciprokých křížení Při křížení rodičovských forem s homozygotními genotypy dochází k uniformitě hybridů v první filiální generaci. Tato fenotypová a genotypová shoda není změněna směrem křížení tj. zda dominantní znak nese otec nebo matka. 2. Pravidlo čistoty vloh (segregace) a štěpení Hybridní genotypy (např. monohybrid) neprodukují pohlavní buňky hybridní, ale vlohově zcela analogické gametám rodičovským. V potomstvu monohybrida se vyštěpují homozygotní a heterozygotní genotypy v poměru 1 : 2 : 1 a ve fenotypovém štěpném poměru 3 : 1 na stejné skupiny shodné s rodičovskými formami (při úplné dominanci). 3. Pravidlo volné kombinovatelnosti Každý znak je určen dvěma samostatnými alelami v alelickém páru. Tyto dvojice alel při vzniku gamet segregují. U polyhybrida (dihybrid, trihybrid, tetrahybrid atd.) vzniká při tvorbě gamet tolik kombinací, kolik je jich možných, mezi veličinami na sobě nezávislými tj. podle pravidel kombinatoriky (pokud jsou umístěny v různých párech homologických chromozomů).

8 Podmínky platnosti Mendelových zákonů Kvalitativní znaky kódované jadernou DNA (znaky, které nejsou ovlivněny prostředím) Geny leží na autozomech (nejsou vázané na gonosomy pohlavní chromosomy), aby nedocházelo k vazbě znaku na pohlaví Geny nejsou ve vazbě leží buď na jiných chromozomech nebo v dostatečné vzdálenosti, aby mezi nimi neexistovala vazba Uniformita hybridů v F 1 generaci je podmíněna homozygotním genotypem obou rodičů. Nesmí docházet k spolupůsobení (k interakci) genů z různých alelických párů, ze stejných nebo různých párových chromozomů, neboť pak dochází k různým typům interakcí, které se vyznačují změnou štěpných poměrů v F2 generaci Musí existovat stejná pravděpodobnost vzniku a setkání gamet a stejná pravděpodobnost přežití zygot a jedinců. Nesmí docházet k omezení možnosti křížení různých jedinců. Soubor sledovaných potomků musí být dostatečně početný. Nesmí docházet k mutaci alel atd.

9 dominance/recesivita kulatost je dominantní nad svraštělostí dominantní alela kóduje enzym, který je schopen přeměnit cukr na škrob; recesívní alela kóduje nefunkční formu tohoto enzymu u recesívního homozygota se tedy cukr nemůže přeměnit na škrob. Jak se semeno vyvíjí, vysoká koncentrace cukru způsobuje, že osmotickými silami do semena vniká voda. Když je semeno dospělé, vysouší se a svraskává Jedna varianta zdravé alely stačí, aby se cukr přeměnil na škrob heterozygoti jsou kulatí

10 dominance/recesivita Vztah dominace - recesivita rovněž neznamená, že by dominantích alel bylo v populaci nutně více Polydaktilie je dominantní - v ČR se rodí jedno dítě z 500, které má navíc prst u nohy či ruky z 500 dětí jsou proto recesívní homozygoti Krátká srst u psů dominantní znak Některá plemena šlechtěna na určitou délku, nebo jsou možné obě varianty

11

12 Thomas Hunt Morgan ( ) Jako první získal Nobelovu cenu v oblasti genetiky (1933) za prokázání toho, že geny leží na chromozomech přestože jako odpůrce Mendelovy teorie se snažil provádět pokusy, aby ji vyvrátil Studoval octomilky popsal jejich karyotyp Jeho úspěchy s octomilkami měly za následek, že se začaly používat jako modelové organismy po celém světe až do dnešní doby Morganovy zákony Geny jsou lokalizovány na chromozomech a jsou na nich uspořádány lineárně. Geny jednoho chromozomu tvoří vazbovou skupinu. Organizmus má tolik vazbových skupin, kolik má párů homologních chromozomů. Mezi geny homologních párů chromozomů může proběhnout výměna genetického materiálu (crossing-over), jejichž frekvence je přímo úměrná vzdálenosti genů.

13 Genom

14 Počet protein kódujících genů v genomu

15 Funkční klasifikace lidského genomu

16 Rostlinná vs. živočišná buňka

17 Velikost genomu Obecně platí, že jednodušší organismy mají menší genomy, ale tato závislost není jednoznačná. Velikost genomu se může značně lišit i u blízce příbuzných druhů. Rozdílná velikost genomu u v rámci užších taxonomických skupin daná zejména rozdílným repetitivních sekvencí celogenomovými duplikacemi genomu namnožením

18 Genomové mutace - polyploidizace U rostlin častější než u živočichů (60 70% krytosemenných rostlin jsou polyploidi; u živočichů zejména u obojživelníků a u ryb). K většině celogenomových duplikací u krytosemenných rostlin došlo na přelomu druhohor a třetihor (před miliony let) v období masivního vymírání. Polyploidi často problém s meiózou. Polyploidní druhy často přecházejí na nepohlavní rozmnožování. Přináší výhody: funkční redundance, větší fenotypická variabilita a schopnost osídlit extrémní podmínky, rychlejší adaptivní evoluce. Polyploidizace nicméně většinou na koncích evolučních stromů (polyploidní druhy představují většinou slepou vývojovou linii). U předků dnešních organismů proběhlo poměrně málo polyploidních událostí.

19 mono a triploidi Většinou sterilní velké problémy s meiózou Často bez semen

20 Triploidi a tetraploidi Polyploidizace je často žádoucí i při živočišné produkci větší tělesný objem, větší produkce

21 Mezidruhoví polyploidi (alopolyploidi) Pšenice Hexaploid vzniklý ze tří jiných druhů Dvě po sobě jdoucí hybridizace planých obilovin ze středního východu 2n + 2n = 4n 4n + 2n = 6n Polyploidi vzniklí hybridizací nezávislých druhů mají velmi malou pravděpodobnost, že se chromozomy budou ovlivňovat během meiózy, proto bývají zpravidla fertilní

22 Sprkovitá anémie Změna tvaru je způsobená mutací genu pro hemoglobin. Na 6. pozici v β-řetězci valin místo glutamové kyseliny. Valin je hydrofobní aminokyselina, zatímco glutamová kyselina je hydrofilní. Odlišné vlastnosti hemoglobinu a bez kyslíku se molekuly hemoglobinu shlukují a deformují krvinku

23 Forenzní genetika Vznikla v pondělí 10. září 1984 v laboratoři pro studium DNA Aleca Jeffreyse na univerzitě v Leicesteru. Dříve se používaly sérologické metody vyšetření krevní skupiny. Metoda rozlišení osob na základě analýzy DNA byla v následujícím roce publikována v prestižním vědeckém časopise Nature pod názvem Hypervariable minisatelite regions in human DNA. Díky této převratné metodě se nejprve podařilo určit identitu malého chlapce z Ghany a poté byla v r objasněna vražda dvou mladých dívek v britském hrabství Leicestershire.

24 Co slouží jako zdroj DNA? Vhodné zdroje: Téměř vše, co obsahuje buňky Buňky sliznic obsahují veškeré tělní tekutiny moč, sliny, pot Kosti a zuby jsou také vhodné k analýzám Nevhodné zdroje: savčí červené krvinky, které neobsahují jádro keratinózní útvary ustřižené vlasy, nehty (u zvířat rohy, kopyta, bodliny, ) využitelné jsou buňky, které na těchto útvarech ulpí Forenzní metody pro lidskou genetiku jsou velmi citlivé, postačí 9 buněk pro získání požadovaného výsledku Environmentální DNA tzv. edna Dna je přítomna v prostředí Nejčastěji buňky pokožky

25 Jak se vzorky zpracovávají?

26 Metody zpracování

27 Jak vypadá výsledek?

28 Identifikace osob/jedince V současnosti se využívá systém 20 lokusů Pravděpodobnost shody dvou lidí je 1:10 18 Jednovaječná dvojčata od sebe nelze odlišit Masové hroby Oběti havárie Přírodní katastrofy Ověření archeologických nálezů

29 Využití mimo lidskou genetiku

30 Wildlife crimes