GENETIKA Mendelistická dědičnost Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

Transkript

1 GENETIKA Mendelistická dědičnost 2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

2 Nauka o DĚDIČNOSTI (HEREDITA) a PROMĚNLIVOSTI (VARIABILITA) termín genetika poprvé použil v r W. BATESON název genetika odvozen z latinského genesis - zrození genetika je těsně svázána s evolucí Rok autor Objev 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 kompletní DNA sekvence člověka (Human Genome Project working draft )

3 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

4 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

5 Johan Gregor Mendel ( ) otec moderní genetiky narozen v Hynčicích, (Rakousko, nyní ČR) 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)

6 GENOVÁ EXPRESE exprese genu (část DNA) prostřednictvím transkripce a translace Co je výsledkem genové exprese? 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 Animace genové exprese: mations.html#

7 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

8 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

9 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 F 1 generace B1 generace - vzniká zpětným kříţením (back crossing), tj. homozygot s heterozygotem (jedinec z P a F1 generace)

10 1. MENDELOVA PRAVIDLA - Mendel je sám neformuloval, vyplynuly z jeho prioritních prací - sledoval přenos znaků z rodičů na potomky - ( ) 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 F 1 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

11 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

12 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)

13 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:

14 DIHYBRIDISMUS P: GGYY x ggyy gamety: F1 : gamety: F2 : genotypový štěpný poměr? fenotypový štěpný poměr? Alternativou je rozvětvovací metoda (viz cvičení)

15 2. GENOVÉ INTERAKCE dva či více genů (major geny) ovlivňují 1 kvalitativní znak pozná se podle změny štěpných poměrů v F 2 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) F 2 : R-C- R-cc rrc- rrcc červená hnědá žlutá zelená 9 : 3 : 3 : 1 Jak rozliším, ţe 9:3:3:1 je genová interakce nebo dihybridismus?

16 DOMINANTNÍ EPISTÁZE dominantní alela epistatického genu potlačuje fenotypový projev hypostatického genu př1. zbarvení jiřin (z cvičení zbarvení dýní) F 2 : Y-I- Y-ii yyi- yyii 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) F 2 : A-P- : A-pp : aap- : aapp fialová bílá růžová bílá 9 : 4(bílá) : 3

17 INHIBICE dominantní alela genu inhibitoru (supresoru, I) potlačuje funkci jiného genu, ale sama nemá ţádný účinek na fenotyp! př. zbarvení peří slepic F 2 : 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

18 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 F 2 : 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

19 Duplicitní faktory nekumulativní s dominancí účinek se nekumuluje, buď je nebo není dominantní alela př.: tvar tobolek u kokošky pastuší tobolky F 2 : ( ) : ( ) 15 : 1 Duplicitní faktory kumulativní s dominancí intenzita projevu znaku závisí na počtu dominantních alel, jejichž účinek se navzájem zesiluje př.: zbarvení obilek ječmene F 2 : 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

20 Odvození štěpných poměrů v F2 generaci A-B- A-bb aab- aabb Reciproká interakce Dominantní epistáze Recesivní epistáze Komplementarita 9 7 Kompenzace Inhibice 13 3 Duplicita nekumulativní 15 1 Duplicita kumulativní s dominancí Duplicita kumulativní bez dominance AABB AaBB AABb AAbb aabb AaBb Aabb aabb aabb

21 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

22 Thomas Hunt MORGAN ( ) 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?

23 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 A cis a A trans 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

24 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 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)

25 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: /posters/chromosome/chooser.shtml

26 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 homologní heterologní homologní

27 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 (X D X D ), v F 2 3:1 dědičnost kříţem, jestliže dominantní alela je na chromozomu X u samce (X D Y), v F 2 1:1 hemizygot

28 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!!!

29 DETERMINACE POHLAVÍ U ŢIVOČICHŮ 1. vliv prostředí - teplota - želvy, krokodýli (t <28 C) (t C) (t >32 C) 2. vliv pohlavních chromozomů Typ Savci (Drosophila) Y-gen SRY zástupci XY XX savci, hmyz, některé ryby, plaz, obojživelníci Ptakopysk Y-gen DMRT1 X 1 Y 1 X 2 Y 2 X 3 Y 3 X 4 Y 4 X 5 Y 5 X 1 X 1 X 2 X 2 X 3 X 3 X 4 X 4 X 5 X 5 ptakopysk Ptačí (Abraxas, ZW) Y-gen DMRT1 ZZ ZW ptáci, motýli, některé ryby, plazi, obojživelníci, rostliny Protenor XO XX ploštice, rovnokřídlý hmyz sady chromozomů n 2n sociální hmyz

30 NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST 2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

31 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. maternální dědičnost (extranukleární) 2. dědičnost vázaná na infekční agens 3. maternální efekt 4. trinukleotidové repetice 5. komplexní znaky

32 MATERNÁLNÍ DĚDIČNOST (cytoplazmatická, extranukleární) objevena v roce 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

33 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.

34 Př.: panašovanost rostlin - geny pro barvu rostlinných chloroplastů leží na cpdna, nezbarvené chloroplasty jsou výsledkem mutace genu cpdna Fenotyp samičí rostliny (vajíčko) Bílý Zelený Panašovaný Fenotyp samčí rostliny (pyl) Bílý Zelený Panašovaný Bílý Zelený Panašovaný Fenotyp potomka Bílý Bílý Bílý Zelený Zelený Zelený Bílý Bílý Zelený Panašovaný Zelený Bílý Zelený Panašovaný Panašovaný Bílý Zelený Panašovaný

35 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

36 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 citlivé kvasinky L virus M virus jen L virus bez virů

37 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!!!!

38 Fenotyp potomka vţdy závisí na genotypu matky! P generace levotočivá pravotočivá F1 generace levotočivá F2 generace všichni potomci pravotočivá F3 generace všichni potomci pravotočivá levotočivá F1 - uniformní F2 - uniformní F3-3 : 1

39 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

40 komplexní znaky se dědí kvantitativně (více genů), ale exprimují se kvalitativně neplatí Mendlovy zákony Při. dysplazie kyčelního kloubů KOMPLEXNÍ ZNAKY více genů, více genotypů kontinuální genetická variabilita vliv vnějšího prostředí (mutageneze)

41 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

42 GRAFICKÉ POROVNÁNÍ ZNAKŮ znak kvalitativní znak dědičnost monogenní malý vliv prostředí kvantitativní znak komplexní znak polygenní polygenní velký velký