GENETIKA Monogenní dědičnost (Mendelovská) Polygenní dědičnost Multifaktoriální dědičnost

Transkript

1 GENETIKA vědecké studium dědičnosti a jejich variant studium kontinuity života ve vztahu ke konečné délce života individuálních organismů Monogenní dědičnost (Mendelovská) Polygenní dědičnost Multifaktoriální dědičnost

2 HISTORIE GENETIKY 1. NEJSTARŠÍ OBDOBÍ Děti připomínají rodiče Domestikace zvířat a rostlin - Sumerské koně - Egyptské záznamy o palmách - Bible a hemofilie

3 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ 1859 Charles Darwin Teorie evoluce a úloha genetiky

4 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ 1866 J. Gregor Mendel Základy genetiky

5 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ 1871 Friedrich Miescher Izolace nukleových kyselin z buněk.

6 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ 1900: Mendel znovuobjeven Robert Correns, Hugo de Vries a Erich von Tschermak

7 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ do : A. Garrod alkaptonurie 1904: G. Bateson termín genetika 1910: T. H. Morgan geny na chromosomech (Drosophila) 1918: R. A. Fisher kvantitativní genetika (geny a prostředí) 1926: H. J. Muller rentgen a mutace 1944: O. Avery, C. MacLeod a M. McCarty DNA je dědičný materiál

8

9 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ druhá polovina 1953: J. Watson a F. Crick struktura DNA 1966: M. Nirenberg genetický kód 1972: S. Cohen a H. Boyer první klonování 1990: projekt HUGO 1998: I. Wilmuth ovečka Dolly

10 HISTORIE GENETIKY STOLETÍ 2001: sekvence lidského genomu : Genová terapie Klonování Kmenové buňky : lidské embryonální buňky fůzují s buňkami jiného druhu legální ve VB

11 HISTORIE GENETIKY : celogenomové sekvenování 2012: epigenom A co dále?

12 Johanus Gregor MENDEL 22. července 1822 Hynčice u Nového Jičína gymnázium v Opavě filosofie v Olomouci, ve Vídni 1843 augustin. klášter v Brně 1868 opat kláštera 6. ledna 1884, Brno

13 Gregor Johan Mendel ( ) křížení rostlin zákonitosti vzniku hybridů a přenosu genetické informace křížení hrachu Gen, lokus, alela Homozygot, heterozygot Dominance, recesivita Genotyp, fenotyp

14 TERMINOLOGIE dominantní, resp. recesivní dědičnost způsob přenosu určitého znaku z generace na generaci zákonitosti rekombinace alel při sexuální reprodukci poprvé odhalil J. G. Mendel chromosomy ještě neznal předpokládal jednotky, v nichž jsou vlohy přenášeny do gamet vloha = alela

15

16 Mendlova zahrada

17 Příčiny úspěchu G. Mendla vhodný modelový objekt - hrách setý sledoval 7 monogenních znaků: tvar semen, barva děloh, barva květů, tvar a barva lusků, postavení květů, délka stonku

18 Příčiny úspěchu G. Mendla pracoval s čistými rodičovskými liniemi (dominantní a recesivní homozygoti) aplikoval matematiku a statistiku monohybridismus dihybridismus až polyhybridismus

19 Mendlova pravidla a zákony Pravidlo o uniformitě hybridů F1 Pravidlo o zákonitém štěpení v potomstvu hybridů Zákon o samostatnosti vloh (alel) Zákon o čistotě gamet (o štěpení vloh) Zákon o volné kombinovatelnosti alel různých alelových párů

20 UNIFORMITA HYBRIDŮ P AA x aa F 1 Aa x Aa A a A a F 2 AA Aa Aa aa v F 1 generaci fenotyp a genotyp v F 2 generaci fenotyp a genotyp

21 SEGREGACE ALEL heterozygoti dávají gamety s alelou A nebo a - ty se mohou kombinovat do 3 různých genotypů A a A AA Aa a Aa aa Mendelovský rekombinační čtverec genotypový štěpný poměr: 1 : 2 : 1 fenotypový štěpný poměr: 3 : 1 - úplná dominance 1 : 2 : 1 - neúplná dominance

22

23 VOLNÁ NEZÁVISLÁ KOMBINOVATELNOST ALEL RŮZNÝCH ALELOVÝCH PÁRŮ 3 n = počet různých genotypů 2 n = počet různých fenotypů při dihybridismu vzniká se stejnou pravděpodobností 16 zygotických kombinací - z toho je 9 různých genotypů, ale pří úplné dominanci jen 4 různé fenotypy v poměru: 9 : 3 : 3 : 1

24 DIHYBRIDISMUS P AABB x aabb F 1 AaBb x AaBb Gamety AB ab Ab ab F 2 AB Ab ab ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb ab AaBB AaBb aabb aabb ab AaBb Aabb aabb aabb Genotypový štěpný poměr: 1:2:1:2:4:2:1:2:1 Fenotypový štěpný poměr: 9 : 3 : 3 : 1

25 Příčiny neúspěchu G. Mendla

26 Thomas Hunt Morgan Drosophila melanogaster potomstvo chov generační čas pozorování chromosomy Drosophila s bílýma očima

27 Drosophila melanogaster 3 páry autosomů a 1 pár gonosomů Určení pohlaví stejné jako u člověka: samec XY samice XX

28 Morganův experiment - samec XY - samice XX Podobné Mendelovi F2 generace 3:1 Bílé oči pouze samci!

29 Morganovy závěry Gen pro bílé oči chromosom X Alela je recesivní samice s bílýma očima jsou. A samci..

30 Genová vazba 1 chromosom mnoho genů Lokusy v těsné vazbě nízká pravděpodobnost separace Oba geny- jedna gameta Genová segregace není náhodná (vzdálenost)

31 1. MORGANŮV ZÁKON všechny geny lokalizované na jednom chromozomu tvoří vazbovou skupinu (tyto geny jsou ve vazbě) počet vazbových skupin je charakteristický pro každý druh (u člověka v 1 sadě je 23 vazbových skupin) Morgan opravil 3. Mendelův zákon: volně kombinovatelné jsou geny různých vazbových skupin

32 2. MORGANŮV ZÁKON geny vazbové skupiny jsou uspořádány za sebou v určitých lokusech mezi geny jedné vazbové skupiny nenastává segregace změna alelické sestavy v rámci vazbové skupiny - tzv. rekombinace - je možná jenom při crossing-overu

33 2. MORGANŮV ZÁKON AaBb alely AB v jedné skupině a alely ab v homologní druhé skupině: gamety AB nebo ab v důsledku crossing-overu mohou být i rekombinované gamety Ab, ab pravděpodobnost crossing-overu je tím větší, čím jsou geny na chromozomu dále od sebe - tzv. síla vazby - je mírou relativní vzájemné vzdálenosti genových lokusů

34 četnost nerekombinovaných a rekombinovaných gamet lze zjistit zpětným křížením AaBb x aabb AaBb : aabb : Aabb : aabb = 1 :1 : 1 : 1 (vznikají stejně často) oba alelové páry jsou volně kombinovatelné, jsou na různých chromozomech častější původní rodičovské kombinace AaBb, aabb než rekombinované genotypy oba alelové páry jsou ve vazbě

35 VAZBA GENŮ A A a a B B b b A A a a B B b b 2 AB bez crossing-overu 2 ab A a A B B b A a A B B b AB ab Ab crossing-over rekombinanty a b a b ab

36 VAZBA GENŮ sílu vazby MORGANOVO ČÍSLO (hodnoty 0-50): procentuální zastoupení rekombinantních potomků v souboru všech jedinců zpětného křížení čím je větší podíl rekombinant (= vyšší Morganovo číslo), tím je síla vazby slabší

37 MORGANOVO ČÍSLO vyjadřuje relativní vzdálenost mezi geny v chromozomové mapě jednotkou této vzdálenosti (tj. síly vazby) - 1 cm pravděpodobnost 1 %, že mezi sledovanými geny nastane crossing-over, respektive je to 1 % četnosti rekombinant v potomstvu zpětného křížení s rostoucí vzdáleností genových lokusů roste pravděpodobnost vícenásobného crossing-overu

38 Rekombinační frekvence genetická mapa genetická mapa = lineární sekvence genů na chromosomu (Alfred Sturtevant)

39 Genetická mapa Some genes far away 50% - pravděpodobnost rekombinace (=volné) Nezávislá segregace probíhá když Geny na oddělených chromosomech Jsou geny syntenní, ale daleko od sebe

40 Genetická mapa chromosom II

41 Vybrané problémy s genovými mapami Pravděpodobnost crossing overu není uniformní Některé oblasti - inhibice Rekombinační hot-spots (80% u ¼ genomu) U člověka vyšší u žen

42 Fyzická mapa 1 cm = 1 Mb DNA

43 Cytogenetická mapa Pozice genů selektivní barvení Sekvence a pozice genů location

44 GENY A CHROMOSOMY geny na chromosomech A. autosomální dědičnost B. gonosomální dědičnost X-vázaná Y-vázaná (holandrická)

45 Chromosomy Chromo = barva; Soma = tělo poprvé popsány Strausbergerem roku 1875 Chromosom poprvé použit Waldeyerem roku 1888.

46 VELIKOST GENOMU E. coli Kvasinka Hlístice Octomilka Ryba Čolek Člověk Arabidopsis Fritillaria VELIKOST bp x % kódující DNA

47 POČET GENŮ V GENOMU HIV 10 Mycoplasma 517 E. coli 4,300 Streptomyces 8,000 Kvasinka 6,000 Škrkavka 18,000 Octomilka 14,000 Komár 14,000 Myš 30,000 Člověk 23,000 Arabidopsis 25,000

48 Počet chromosomů v buňce Druhy Druhy Octomilka 8 Kukuřice 20 Ploštěnka 16 Řasa 20 Žába 26 Brambora 48 Kočka 38 Myš 40 Makak 42 Kvasinka 32 Člověk 46 Plíseň 4 Pes 78

49 1 pár (2/somatickou buňku) Myrmecia pilosula

50 630 párů (1260/somatická buňka) Ophioglossum reticulatum

51 TYPY DĚDIČNOSTI AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST GONOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST

52

53 Symboly rodokmenů

54 AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST dědičnost znaků, jejichž geny jsou na autosomech řídí se Mendelovými a Morganovými zákony rodiče AA x AA AA x Aa AA x aa Aa x Aa Aa x aa aa x aa děti AA Aa aa 1 0,5 0,5 1 0,25 0,5 0,25 0,5 0,5 1 dominantní znak recesivní znak

55 Charakteristiky autosomální dědičnosti znak se vyskytuje stejně často u jedinců obou pohlaví při dominantní dědičnosti se znak vyskytuje v souvislém generačním sledu při recesivní dědičnosti znak může přeskočit i více generací, vyskytuje se u více jedinců jedné generace frekvenci výskytu recesivního znaku zvyšují příbuzenské sňatky

56 Autosomální dominantní dědičnost I. II. III.

57 Autosomální recesivní dědičnost I. II. III.

58 DĚDIČNOST POHLAVNĚ VÁZANÁ geny na pohlavních chromozomech řídí vznik primárních pohlavních znaků přenos genů na potomky je vázán na přenos pohlavních chromozomů chromozomy X a Y se liší tvarem i velikostí v malém úseku krátkých ramen jsou vzájemně homologní

59 1) geny na homologním úseku X a Y chromosomu - dědí se podobně jako geny na autosomech = tzv. pseudoautosomální dědičnost 2) geny na heterologní části Y chromosomu - předávají se pouze z otců na syny, nemohou být předány dcerám = tzv. holandrická dědičnost 3) geny na heterologní části X chromosomu = tzv. gonosomální dědičnost u mužů se vždy projeví ve fenotypu - tzv. hemi-zygot - XY, xy (u recesivních znaků dochází k pseudodominanci)

60 GONOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST u ženy XX se geny chovají jako na autosomech (XX, Xx, xx) rodiče XX x XY Xx x XY xx x XY XX x xy Xx x xy xx x xy dcery synové XX Xx xx XY xy 1 1 0,5 0,5 0,5 0, ,5 0,5 0,5 0,5 1 1 znak znak znak znak domin. reces. domin. reces. 3 : 1 1 : 1

61 Gonosomální recesivní dědičnost recesivní znak u žen je velice vzácný žena heterozygot = tzv. přenašečka - recesivní alelu předává svým synům znak se častěji vyskytuje u mužů exprimující muž nemůže znak předat svým synům I. II. III. IV.

62 Dědičnost pohlavně ovládaná některé znaky obratlovců se fenotypovým projevem výrazně liší u samců a samic geny jsou na autosomech - jejich exprese je ovlivněna pohlavními hormony např. všechny sekundární pohlavní znaky v pubertě se tyto znaky diferencují u obou pohlaví různě, i když ze stejného tkáňového základu

63 Dědičnost pohlavně ovlivněná geny jsou na autosomech u heterozygotů: u jednoho pohlaví se znak jeví jako dominantně děděný u druhého pohlaví jako recesivně děděný např. předčasná plešatost u člověka - častější je u mužů: obě patologické alely v genotypu - znak je u obou pohlaví jedna patol. alela - znak se projeví jen u mužů (zesilující účinek testosteronu)

64 Polygenní dědičnost Znaky ne diskrétní, ale kvantitativní Kontinuum Geny malého účinku

65 Gausovské rozdělení

66 Příroda versus příhoda Výška, barva kůže, svaly Monozygotická dvojčata Genotypy bariéry kontinua

67 Multifaktoriální dědičnost Genetické pozadí + vlivy prostředí

68 GENETICKÉ ZÁKONITOSTI V POPULACI HARDY-WEINBERGŮV ZÁKON

69 DEFINICE POPULACE soubor jedinců téhož druhu žijí v určitém čase, na určitém místě mohou se vzájemně mezi sebou křížit

70 DEFINICE POPULACE genofond = soubor všech alel v gametách všech členů populace frekvence každé alely v populaci ovlivňuje frekvenci genotypů i fenotypů genetika populací - zkoumá genofond populace a faktory, které ho mohou ovlivňovat během střídání generací

71 AUTOGAMIE samooplození (jen samosprašné rostliny) podobný efekt má příbuzenské křížení (inbreeding) heterozygoti tvoří potomky různých genotypů v poměru 1:2:1 (AA : Aa : aa) v každé generaci se snižuje počet heterozygotů populace se homozygotizuje, tj. je tvořena 2 čistými liniemi homozygotů AA, aa, heterozygotů Aa je velmi málo alelová frekvence se nemění, mění se genotypové frekvence

72 PANMIXIE náhodné párování jedinců (gonochoristé, cizosprašné rostliny) alelové frekvence a jim odpovídající genotypové frekvence jsou stálé, neměnné ideální panmiktická populace: dostatečně velká nepůsobí mutace neprobíhá selekce nedochází k migraci je náhodné párování a úplné střídání generací

73 HARDY-WEINBERGŮV ZÁKON frekvence alely A = p p+q = 1 frekvence alely a = q pro genotypové složení panmiktické populace platí: p 2 + 2pq + q 2 = 1 evolučně stagnuje zákon platí i pro alely na gonosomech

74 Využití HW zákona frekvence cystické fibrózy (AR) v populaci 1 : q 2 = 1:2500 = 0,0004 = 0,04 % q = 0,0004 = 0,02 p = 1- q = 1-0,02 = 0,98 2pq = 2. 0,98. 0,02 = 0,0392 = 0,04 = 4 % p 2 = 0,98 2 = 0,96 = 96 % frekvence hemofilie A (GR) 1 : mužů muži xy q = 1 : ženy xx q 2 = 1 :

75 Vlivy narušující HW rovnováhu nenáhodné párování (důsledky podobné jako autogamie či inbreeding) mutace mění četnost alel v genofondu, tomu odpovídá změna genotypového složení populace adaptivní hodnota F (tj. jaká je jeho reprodukční schopnost), vyplývá z působení selekčního tlaku letální geny: s = 1, F = 0 (genetická smrt) selekce a mutace ovlivňují složení genofondu populace

76 MUTACE Mutace Zpětné Rekurentní

77

78 Populační genetika, ostražitá genetika a eugenika Sir Francis Galton Charles Davenport Margaret Sanger A. Hitler Newton Morton

79 MIMOJADERNÁ DĚDIČNOST (DĚDIČNOST MATROKLINNÍ)

80 semiautonomní organely - mitochondrie a plastidy - mají svou DNA mimojaderná DNA je cirkulární, nahá bez histonů, replikuje se nezávisle na replikaci jaderné DNA organely mají vlastní proteosyntetický aparát mimojaderné geny se neřídí Mendlovými zákony kódují znaky spjaté s funkcí dané organely

81 Mitochondriální DNA (mtdna) molekula dlouhá asi pb nese informaci: pro některé enzymy dýchacího řetězce pro některé podjednotky dehydrogenázy NADH pro ATPázu pro 2 rrna pro 22 trna ostatní enzymy kódovány jadernými geny

82 MATROKLINITA mimojaderné geny se dědí po matce vajíčko přináší do zygoty hodně cytoplazmy (včetně mitochondrií) při mitóze se rozcházejí mitochondrie do buněk náhodně u heterozygotů nejsou žádné charakteristické štěpné poměry heteroplazmie

83 MITOCHONDRIÁLNÍ CHOROBY u člověka několik chorob podmíněných defekty v mtdna - např. Leberova atrofie optiku výskyt 1 : , oboustranná slepota 2 bodové mutace v genu pro podjednotku NADH dehydrogenázy je snížená aktivita transportu elektronů, vázne oxidativní fosforylace bývají postiženy tkáně citlivé na nedostatek energie (zrakový nerv, CNS, svaly)

84 Mimojaderná dědičnost u baktérií PLAZMIDY nejsou životně nezbytné, pouze zvýhodňují životnost baktérie nesou řadu genů: R plazmidy Col plazmidy F plazmidy

85 1. KONJUGACE BAKTÉRIÍ přítomnost F plazmidu umožní vytvořit pilus, kterým se F + baktérie přichytí k F - baktérii cytoplazmatickým můstkem se F plazmid může přenést ve směru F + F -

86 KONJUGACE BAKTÉRIÍ F plazmid se může včlenit do bakteriálního chromozomu při konjugaci bude můstkem přecházet vedle plazmidu i kopie bakteriálního chromozomu (jen část) - vzniká nová bakteriální rekombinanta

87 PLAZMIDY JAKO VEKTORY do DNA plazmidů lze včlenit cizorodé geny takto rekombinovaný plazmid slouží jako vektor pro přenos cizorodé DNA do jiných buněk plazmidy se využívají v genových manipulacích k vytvoření rekombinovaného plazmidu jsou nutné restrikční endonukleázy (bakteriální enzymy štěpící DNA)

88 Restrikční endonukleázy Eco RI Escherichia coli 5 GAATTC 3 3 CTTAAG 5 Hind III Haemophilus 5 AAGCTT 3 influenzae 3 TTCGAA 5 Hind II 5 CAG CTG 3 3 GTC GAC 5

89 2. TRANSDUKCE jako vektory cizích genů lze využít BAKTERIOFÁGY mírný (lyzogenní) bakteriofág lyzogenní cyklus při uvolnění fága z DNA hostitele vezme s sebou část molekuly DNA a přenese ji do jiného hostitele (opět lyzogenní cyklus)