SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV KATEDRA GENETIKY A ŠĽACHTENIA RASTLÍN

Transkript

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV KATEDRA GENETIKY A ŠĽACHTENIA RASTLÍN Prednáška zo Všeobecnej genetiky Mutačná premenlivosť. prof. RNDr. Milan BEŽO, CSc.

2 Mutácia prirodzene alebo zámerne vyvolaná zmena vlastností a znakov organizmov alebo nebunkových biologických systémov s genetickými následkami (náhla dedičná zmena). 2

3 Mutant Jedinec alebo nebunkový biologický systém s jedným alebo viacerými mutačne zmenenými znakmi alebo vlastnosťami. Mutagén Fyzikálny faktor, chemická látka alebo biologická zložka, ktorá spôsobuje mutáciu. 3

4 Mutácia Norma Mutant Mutácia, náhla dedičná zmena Norma je fenotypový prejav nezmutovanej alely. 4

5 Mutagény fyzikálne Neionizujúce žiarenie UV žiarenie (priame zmeny štruktúry nukleotidov, vznik radikálov). Ionizujúce žiarenie X, gama, beta, žiarenie (chemické zmeny v molekule DNA). Iné fyzikálne faktory Tepelné šoky, ultrazvuk (zmeny na úrovni štruktúry chromozómov). 5

6 Mutagény chemické Akridínové farbivá Proflavín a iné, vyvolávajú zmeny poradia dusíkatých báz. Antimetabolity 5 brómuracil (5 Bu), zastupuje dusíkatú bázu, pričom sa môže porušiť párovanie dusíkatých báz, 5 Bu : adenín ale aj 5 Bu : cytozín). Kyseliny dusitá Deaminácia dusíkatých báz (deamináciou cytozínu vzniká uracil). Alkylačné látky Dimetylsulfát (DMS), dietylsulfát (DES), etylmetansulfonát (EMS) prenášajú alkylové skupiny. Alkylovaný guanín sa chybne páruje s tymínom. 6

7 Mutagény biologické Vírusy, satelity Začlenením do genómu organizmu ovplyvňujú aktivitu génu. Transpozóny (nestabilné pozície genómu) Presunom na novú pozíciu v genóme ovplyvňujú aktivitu iného génu alebo génov. 7

8 Klasifikácia mutácií 1. Podľa spôsobu vzniku Spontánne Náhodne vznikajúce v organizme alebo nebunkovom systéme. Zámerné Vyvolané zámernou činnosťou človeka pomocou mutagénov. Usmernené Cieľavedomá zmena alely určitého génu technikami molekulovej biológie a genetiky. 8

9 Klasifikácia mutácií 2. Podľa miesta vzniku v organizme Telové (somatické) Vznikajú v telových bunkách. Gametické Vznikajú v bunkách, z ktorých sú odvodené pohlavné bunky alebo priamo v pohlavných bunkách. 9

10 Somatická mutácia Zmena zafarbenia srsti ovce. 10

11 Klasifikácia mutácií 3. Podľa pôsobenia na organizmus Vitálne Zvyšujú životaschopnosť organizmu. Neutrálne Neovplyvňujú životaschopnosť organizmu. Semiletálne Znižujú životaschopnosť organizmu. Letálne Spôsobujú zánik organizmu. 11

12 Klasifikácia mutácií 4. Podľa smeru vzniku Priame Alela génu so štandardným fenotypovým prejavom sa zmení na alelu mutovanú. Spätné Alela génu s fenotypovým prejavom mutanta sa zmení na alelu štandardnú. Mnohonásobný alelizmus Alela génu štandardná mutuje na viac alel. 12

13 Mutant, biela farba očí. Norma, červená farba očí, normálne krídla. Mutant, krátke krídla. Mutácie farby oka a tvaru krídla drozofily 13

14 Norma Mutant Mutácia priama. Mutant Norma Mutácia spätná. Priame a spätné mutácie 14

15 Mnohonásobný alelizmus a kodominancia Mnohonásobný alelizmus Tri alely (I A, I B, I 0 ) jedného génu v systéme krvnej skupiny AB0 človeka. Kodominancia Fenotypový prejav (krvná skupina AB) alel I A I B jedného génu v systéme krvnej skupiny AB0 človeka. 15

16 Mnohonásobný alelizmus Jednoduchý gén (gén veľkého účinku) má viac ako dve alely. Fenotyp (krvná skupina) Genotyp A I A I A, I A I 0 B I B I B, I B I 0 AB I A I B 0 I 0 I 0 Genetika AB0 krvnej skupiny človeka 16

17 CC c h c h c a c a Dedičnosť farby srsti králika. CC čierna, c h c h himalájska, c a c a biela (albín). Mnohonásobný alelizmus 17

18 Klasifikácia mutácií 5. Podľa rozsahu zmien genetického materiálu Génové mutácie Zmena štruktúry DNA v jadre bunky. Chromozómové mutácie Zmena štruktúry chromozómov v jadre bunky. Genómové mutácie Zmena počtu chromozómov v jadre bunky. Mimojadrové mutácie Zmena DNA v plastidoch a mitochondriách. 18

19 Génové mutácie Chromozómové mutácie Genómové mutácie Mimo jadrové mutácie Typy mutácií podľa miesta vzniku v bunke 19

20 Génové mutácie Génové mutácie vznikajú výmenou, presunom, stratou alebo pridaním nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny. Génové mutácie sú zdrojom variability rastlín. Fenotypovo sa génová mutácia prejaví ako zmena jedného znaku. Génové mutácie sú náhodné a môžu byť spontánne, zámerné, vitálne, letálne prípadne vedú k mnohonásobnému alelizmu. 20

21 CGA Arginín Mutácia bez zmyslu UGA STOP AGA Arginín Tichá mutácia AAA Lyzín Mutácia meniaca zmysel Typy mutácií podľa zmien poradia báz v kodóne mrna 21

22 T G T T G Nepoškodená molekula DNA. A C A A C T G T T G Diméry tymínu v DNA. A C A A C T A C A A G C Strata nukleotidov v DNA. Poškodenie DNA pri génových mutáciách 22

23 T G T T G Nepoškodená molekula DNA. A C A A C 5 Bu T A G C T A T A G C 5 brómuracil nahradí tymín, (5 Bu : A ale aj 5 Bu : C). T G T T G Jednoreťazcový zlom molekuly DNA. A C A A C Poškodenie DNA pri génových mutáciách 23

24 Génová mutácia farby oka drozofily 24

25 Chromozómové mutácie Chromozómové mutácie, alebo chromozómové aberácie sú poškodenia molekuly DNA, ktoré sa prejavujú na úrovni organizácie chromatínu. Fenotypovo sa chromozómové mutácie prejavujú zmenami viacerých znakov s vážnym dosahom na životnosť mutanta. Zmeny štruktúry chromozómov sa uskutočňujú v rámci jedného chromozómu (vnútrochromozómové mutácie) alebo medzi rôznymi chromozómami (medzichromozómové mutácie). 25

26 Rozpad chromozómu. Strata vnútorného úseku chromozómu, delécia. Strata koncového úseku chromozómu, deficiencia. Metafázový chromozóm Prehľad chromozómových mutácií 26

27 Zdvojenie úseku chromozómu, duplikácia. Chromozóm s dvoma centromérami, dicentrický chromozóm. Chromozóm bez centromér, acentrický chromozóm. Metafázový chromozóm Prehľad chromozómových mutácií 27

28 Kružnicový (prstencovitý) chromozóm Výmena úseku medzi nehomologickými chromozómami, translokácia. Metafázový chromozóm Prehľad chromozómových mutácií 28

29 Genómové mutácie Genómové mutácie sú zmeny počtu chromozómov v jadre bunky. Medzi genómové mutácie patria: polyploidia, aneuploidia, haploidia. 29

30 Polyploidia Prítomnosť viac, ako dvojnásobku haploidného počtu chromozómov jadre bunky. Polyploidia môže byť: autopolyploidia, alopolyploidia. 30

31 Autopolyploidia Násobné zmnoženie celej chromozómovej sústavy v jadre bunky. diploid triploid tetraploid Autopolyplodia repy cukrovej: 2n = 2x = 18 AA 3n = 3x = 27 AAA 2n = 4x =36 AAAA Symbolom A je označený genóm repy cukrovej (n = 9, x = 9). n haploidný, x základný počet chromozómov. 31

32 Triploid 3n = 3x = 6 Diploid 2n = 2x = 4 Tetraploid 4n = 4x = 8 Genómová mutácia polyploidia n haploidný, x základný počet chromozómov 32

33 Diploid 2n = 2x = 22 Tetraploid 4n = 4x = 44 Triploid 3n = 3x = 33 Polyploidia rastlín Dyňa červená (Citrullus lamatus THUMB. MANSF.). n haploidný, x základný počet chromozómov 33

34 Alopolyploidia Násobné zmnoženie chromozómovej sústavy rôzneho druhového pôvodu, nachádzajúcej sa v jednom jadre bunky. oktoploid Alopolyploidia tritikale (hybrid pšenica raž): 2n = 8x = 56 AABBDDRR A, B, D genóm pšenice letnej (n = 21, x = 7) R genóm raže siatej (n = 7, x = 7). n haploidný, x základný počet chromozómov 34

35 Získavanie a význam polyploidov Pri rastlinách sa polyploidy získavajú pôsobením alkaloidu kolchicínu (c mitóza) na rastový vrchol. Kolchicín blokuje činnosť deliaceho vretienka pri nepriamom delení jadra bunky. Polyploidné rastliny majú väčšie bunky, mohutnejší vzrast, často zníženú plodnosť. 35

36 Mitóza 2n = 2, 2x = 2, diploid 2n = 2, 2x = 2, diploid G 1 S G 2 Mi P Mi M Mi A Mi T C mitóza 4n = 4, 4x = 4, polyploid Tvorba polyploidov c mitózou. V jadre bunky je znázornený len jeden pár zo súboru chromozóv. G1, S, G2 štádia interfázy Mi P profáza mitózy. Mi M metafáza mitózy, Mi A anafáza mitózy, Mi T telofáza mitózy n haploidný, x základný počet chromozómov 36

37 Aneuploidia Počet chromozómov v jadre bunky nie je presným násobkom haploidného počtu chromozómov. Aneuploidy: nulizomik 2n - 2, monozomik 2n -1, trizomik 2n + 1, tetrazomik 2n + 2. Aneuploidy pšenice letnej (2n = 6x = 42): nulizomik 2n - 2 = 40, monozomik 2n - 1 = 41, trizomik 2n + 1 = 43, tetrazomik 2n + 2 = 44. n haploidný, x základný počet chromozómov 37

38 Nulizomik 2n = 2x - 2 = 2 Monozomik 2n = 2x - 1 = 3 Diploid 2n = 2x = 4 Trizomik 2n = 2x + 1 = 5 Genómová mutácia aneuploidia n haploidný, x základný počet chromozómov 38

39 Vznik a význam aneuploidov Aneuploidy vznikajú pri poruche rozostupovania chromozómov v meióze prípadne v mitóze. Aneuploidy majú zníženú plodnosť. Hybridizáciou aneuploidov niektorých druhov rastlin sa cieľavedome vymieňajú chromozómy medzi jednotlivými genotypmi, chromozómové inžinierstvo. 39

40 n + 1 n - 1 Nerozostupovanie chromozómov v meióze I. Vznik aneuploidov n + 1 n - 1 n Nerozostupovanie chromozómov v meióze II. V jadre bunky je znázornený len jeden pár zo súboru chromozóv. n haploidný počet chromozómov 40

41 Haploidia V jadrách telových buniek je polovičný počet chromozómov. (Pohlavné bunky majú haploidný počet chromozómov.) Haploidy sa získavajú z mikrospór v kultúre in vitro (v skúmavke). Haploidy sú hemizygotné (majú len jednu alelu génu). Ich diploidizáciou sa získavanú homozygotné organizmy. Nemôžu sa rozmnožovať pohlavne. 41

42 Haploid n = x = 2 Diploid 2n = 2x = 4 Genómová mutácia haploidia n haploidný, x základný počet chromozómov 42

43 G 1 S G 2 Me 1 Me 2 2n = 2, 2x = 2, diploid Meióza Kultúra in vitro Mitóza n =1, x = 1, haploid n =1, x = 1, haploidné mikrospóry Vznik haploidov v kultúre in vitro V jadre bunky je znázornený len jeden pár zo súboru chromozóv. Me meióza. n haploidný, x základný počet chromozómov 43

44 Haploidná rastlina Mikrospóry v kultúre in vitro Regenerácia rastlín z nikrospór Tvorba haploidov rastlín v kultúre in vitro 44

45 Nemutačná premenlivosť Teratogény Teratogény sú chemické látky, fyzikálne faktory, alebo infekčné mikroorganizmy (baktérie, huby), ktoré pôsobia na metabolické dráhy aktívnych génov v organizmoch a tým vyvolávajú fenokópie (nededičné zmeny), alebo spôsobujú vývinové poruchy zárodku. 45

46 Nemutačná premenlivosť Prehľad teratogénov pôsobiacich na ľudí Látka alebo faktor Fyzikálny faktor Chemická látka Infekčné mikroorganizmy Choroby matka Teratogén Radioaktívny spád, X žiarenie a iné Etylalkohol, tetracyklíny, chlorobifenyly a iné Cytomegalovírus, herpesvírus II, virus rubeoly a iné Fenylketonúria, cukrovka, zhubná transformácia a iné 46

47 Ďakujem za pozornosť