Dědičnost na úrovni organismu

Transkript

1 Dědičnost na úrovni organismu MENDELISTICKÁ GENETIKA (výběr z přednášky)

2 CO JE MENDELISMUS? Mendelismus vysvětluje, jak se kvalitativní znaky dědí a jak se budou chovat v následujících generacích Mendelismus je základem hybridologické analýzy analýzy křížení.

3 Hybridizace základní studijní a pracovní metoda hybridologické analýzy Křížení (hybridizace) = (obvykle cílené) pohlavní rozmnožování dvou vybraných jedinců opačného pohlaví, s rozdílnými genotypy (rozdílným genetickým založením) Cíl hybridizace: a) analýza dědičnosti iznaků potomků vzniklých křížením í (hybridů) genetický výzkum b) vytvoření hybridů s požadovanou kombinací rodičovských znaků šlechtitelský záměr

4 Johann Gregor Mendel ( ) - Položil základy moderní genetiky - Uplatnil ve svém bádání experimentální přístup - Vhodně zvolil pokusný materiál (samosprašný hrách) a sledoval konkrétní alternativy (vlohy) vybraných znaků. - Zajímaly jej přesné početní poměry kříženců s jednotlivými vlastnostmi. - Výsledky experimentů podrobně popsal a matematicky vyhodnotil. - Svá zjištění zobecnil do vědecky formulovaných závěrů. (Později uváděna jako základní pravidla dědičnosti Mendelovy zákony). - Objevil částicovou povahu dědičnosti dědičný faktor - Objevil volnou kombinovatelnost vloh a segregaci Objevil volnou kombinovatelnost vloh a segregaci alternativ vloh do pohlavních buněk

5 1866 Mendel publikoval přednášku Experimenty v křížení rostlin

6 Nehodnotil rostlinu jako celek, ale sledoval na rostlině konkrétní alternativu (vlohu) vybraného znaku. Sledované znaky (alternativy): tvar semen: kulatý x hranatý barva semen: žlutá x zelená barva květu: bílá x červená tvar lusků: klenutý x zaškrcený barva děloh: žlutá x zelená postavení květů: úžlabní x vrcholové délka stonku: dlouhý x krátký

7 1krok 1. vytvoření rodičovských čistých linií (alternativy znaku) 2. krok jejich křížení tvorba F 1 generace Sledované znaky (alternativy): tvar semen: kulatý x hranatý barva semen: žlutá x zelená barva květu: bílá x červená tvar lusků: klenutý x zaškrcený barva děloh: žlutá x zelená postavení květů: úžlabní x vrcholové délka stonku: dlouhý x krátký

8 3. krok tvorba F 2 generace samoopylením rostlin 2 generace F1 vedle dominantního znaku se objevil i znak recesivní v poměru 3 : 1 (fenotypový štěpný poměr) podvojné založení znaku přenášené pohlavními buňkami

9 Mendelova pravidla dědičnosti 1. o uniformitě jedinců F 1 generace (první generace kříženců) 2. o identitě reciprokých křížení 3. o čistotě vloh, o segregaci vloh do gamet a jejich kombinaci v F 2 generaci kříženců 4. o volné kombinovatelnosti vloh

10 podmínky platnosti MZ 1 gen = 1 znak autozomální dědičnost (sledované geny neleží na pohlavních chromozómech) každý sledovaný gen leží na jiném chromozómu volná kombinovatelnost tvloh (geny nejsou ve vazbě, nejsou mezigenové interakce)

11 podvojné založení dědičnosti Geny mívají (v populaci) 1 nebo 2, příp. více strukturních variant forem alel. Alely téhož genu jsou vždy ve specifickém chromozómu a na stejném místě (= lokusu). Alela se vyskytuje u každého z páru homologních (stejných) chromozómů. V diploidních (somatických) buňkách jsou dvě stejné (homologní) sady chromozomů, člověk má 2x 23 chromozómů. V haploidních (gametách) buňkách 1 sada chromozómů. Vznik jedince splynutím gamet, jedinec získá jednu sadu chromozómů od otce a druhou od matky v genech tedy po jedné alele (každého z genů) od každého z rodičů. jedinec - vždy dvě alely od každého genu - lokusu. kvalitativně shodné alely - homozygotní genotyp např. AA nebo aa kvalitativně různé alely tvoří heterozygotní genotyp Aa

12 Schématické zobrazení dvou párů homologních chromozómů (autozómů), zvýraznění dvou alel zkoumaných genů A, B platí Mendelovy zákony a A B b chromozomový pár č.2 chromozomový pár č.7

13 Mendelovy zákony neplatí pro zkoumané geny, které leží na stejném chromozómu, mezi geny (alelami) existuje vazba e M E m chromozómvý pár č.5

14 značení P rodičovská generace (z lat. parentes-rodiče) F generace potomků (z lat. filius-syn, filia-dcera) číselný index označující pořadí F 1 první filiální generace kříženců po křížení rodičů P F 2 druhá filiální generace kříženců vzniklá křížením hybridů F 1 B 1 výsledek křížení hybrida F 1 sněkterou rodičovskou variantou (B backcross)

15 zápis křížení Mendelistický (kombinační) čtverec ; (Punnet Square) rodičovská generace: P : AA x aa genotyp matky genotyp otce genomy gamet P generace : A a generace hybridů: F 1 : Aa genomy gamet F 1 generace : A; a F1: Aa x Aa genotyp hybridů genomy samčích gamet generace hybridů: F 2 AA Aa genotypy A a genomy samičích gamet A a Aa aa genotypy jedinců F 2

16 základní pojmy Gen funkční jednotka dědičnosti, sled nukleotidů v DNA nesoucí genetickou informaci např. pro konkrétní polypeptidový řetězec, zaujímající na chromozómu specifický lokus (místo). Alela l je jedna z možných forem genu (odlišující í se od ostatních t fenotypovým projevem) Genotyp konkrétní sestava alel v jednom nebo více genech u jedince, vždy rozsáhlejší než fenotyp určuje č míru fenotypových možností svého nositele. FENOTYP - tvoří všechny (projevené) vnější znaky a vlastnosti jedince. Za obvyklých podmínek vnějšího prostředí odpovídá určitému genetickému faktoru nebo faktorům (genotypu) určitý fenotyp.

17 základní pojmy Kvalitativní znaky často kódovány geny velkého účinku majorgeny. Znak kóduje jeden či několik málo genů. Kvalitativní znaky např. barva květů některých rostlin, některé morfologické znaky (tvar ušního boltce), u skotu barva srsti, krevně skupinový systém (AB0) atd. Hybridizace (křížení) (obvykle cílené) pohlavní rozmnožování dvou vybraných jedinců opačného pohlaví, s různými genotypy. Monohybrid (Aa) je kříženec F 1 (heterozygot) vzniklý spojením homozygotních rodičů odlišných v jednom znaku (genu). Monohybridismus sledování jednoho kvalitativního znaku Dihybrid (Aa, Bb) je kříženec F 1 (heterozygot) vzniklý spojením rodičů homozygotů odlišných ve dvou znacích Dihybridismus sledování dvou znaků současně Ti Tri-polyhybridismus idi sledování ld áí3 a více znaků současněč ě

18 Mendelova pravidla dědičnosti 1. o uniformitě jedinců F 1 generace (první generace kříženců) 2. o identitě reciprokých křížení 3. o čistotě vloh, o segregaci vloh do gamet a jejich kombinaci v F 2 generaci kříženců, 4. o volné (nezávislé) kombinovatelnosti vloh

19 1. pravidlo o uniformitě hybridů F 1 aberdeen angus x BB bb Sledujeme gen gamety: B B zbarvení, b b alely B,b potomci F 1 Bb Bb Bb Bb

20 Křížením rodičovské homozygotně dominantní linie (např. barva srsti) s jinou rodičovskou homozygotně recesivní linií, všichni kříženci generace F 1 budou fenotypově i genotypově stejní heterozygoti.

21 2. pravidlo o identitě reciprokých kříženců bb BB gamety: b b B B potomci F 1 Bb Bb Bb Bb

22 Dvě reciproká křížení dávají stejný výsledek (lze zaměnit pozici otcovské linie za mateřskou jako nositele vloh)

23 3. čistota vloh, segregace do gamet, štěpení v F 2 generaci Vlohy potomstva získané od každého z rodičů jsou čisté é vzájemně ě se nemíchají (nesplývají). Segregace (rozchod) páru vloh genu - důsledek ldkmeiotického itikéh dělení při vzniku gamet (vajíček a spermií). Pohlavní (haploidní) buňky mají jen 1 sadu chromozomů, tedy - jen jednu vlohu každého genu. Aa AA aa A a A A a a Segregace alel do gamet a následné splynutí dvou gamet náhodné události. Mezi vlohami v rámci genu dochází v F 1 generaci k interakci. VF generaci se vlohy kombinují v charakteristických (předvídatelných) V F 2 generaci se vlohy kombinují v charakteristických (předvídatelných) fenotypových a genotypových štěpných poměrech

24 Štěpné poměry v F 2 generaci při monohybridním křížení úplné dominanci F 1 : Aa Gamety: A, a, (A = 50 % pravděp. vzniku a = 50 % pravděp. vzniku) F 2 : Aa x Aa A a 05 0,5 05 0,5 A 0,5 AA 0,5* 0,5= 0,25 Aa 0,5 * 0,5 = 0,25 a 0,5 Aa 0,5*0,5 = 0,25 aa 0,5*0,5 = 0,25 genotypový štěpný poměr v F 2 : 1 (AA) : 2 (Aa) : 1(aa) fenotypový štěpný poměr ě v F 2 : (dominantní) 3 : 1 (recesivní) A- : aa

25 zpětné ékříženíí křížení hybrida F 1 generace s některým z homozygotních rodičů nebo s jedincem nesoucím rodičovský ýgenotyp

26 zpětné testovací křížení Zpětné testovací křížení je zaměřeno na odhalení genotypu testovaného organismu analýza křížení. í Jde o křížení recesivního homozygota s (testovaným) jedincem, který má dominantní fenotyp,alepronásneznámý pro nás neznámý genotyp. Takový organismus může být jak homozygotem dominantním AA nebo i heterozygotem Aa. Skutečnost odhalíme na základě vlastností vzniklých kříženců: pokud ve velkém množství kříženců (potomků) nebude žádný vykazovat recesivní fenotyp (aa) potom lze (s velkou pravděpodobností) říci, že testovaný jedinec je AA. Při jediném výskytu křížence s recesivním fenotypem (aa) je testovaný jedinec Aa (heterozygot)

27 red holstein P 1 : bb BB x holstein F 1 : Bb Zpětné křížení Zpětné testovací křížení: x x B 1: BB x Bb B 1: BB Bb BB Bb bb x Bb Bb bb Bb bb

28 vztah alel uvnitř alelického páru v lokusu intraalelické interakce úplná dominance projev dominantní alely ypřevládá nad ostatními a projeví se vždy ve fenotypu. Heterozygoti mají shodný fenotyp s dominantním homozygotem, projev recesivní alely pouze u recesivního homozygota. neúplná dominance heterozygoti jsou fenotypově odlišní od rodičovských homozygotů, znak je vyjádřen intermediárně (částečný projev recesivní alely) (např. kejklířka skvrnitá Mimulus guttatus dominantní homozygoti červené květy, recesivní homozygoti žluté květy, heterozygoti oranžové květy) Kodominance (nejčastější projev) alely se projeví ve fenotypu ( j j p j ) y p j yp heterozygota samostatně nezávisle na sobě (např. krevní skupina AB kodominance alel I A a I B )

29 Dědičnost - neúplná dominance: shorthornský skot P 1 WW ww F 1 Ww x Ww zbarvení roan 1WW 2Ww 1ww

30 4. pravidlo volné kombinovatelnosti vloh sledujeme 2 a více genů (např.dihybridní křížení) Pokud je zachována volná kombinovatelnost vloh,,pak sledované geny se musí nacházet na různých (nehomologních) chromozómech - nejsou ve vazbě. Rovněžpři gametogenezi - rozchod alel různých genů nezávisle na sobě U jedinců F 1 vzniká tolik typů gamet, kolik je možných kombinací monohybrid (Aa) 2 typy gamet 1 : 1 (A: a) dihybrid (Aa Bb) 4 typy gamet 1 : 1 : 1 : 1 (AB : Ab : ab : ab) trihybrid (AaBbCc) 8 typů gamet 1:1:1:1:1:1:1:1 (ABC : AbC : Abc : ABc : abc : abc : abc : abc) polyhybrid 2 n (n - počet sledovaných genů heterozygotně uspoř. alel)

31 Mendel také prováděl pokusy s rostlinami, které se lišily ve dvou znacích - dihybridní křížení. Křížil rostliny se žlutými a kulatými semeny s rostlinami se zelenými hranatými semeny.

32 Dihybridní křížení: Barva semen hrachu: g - zelený G žlutý; Tvar semen hrachu: W - kulatý w - svraštělý P: GGWW x ggww nebo GGww x ggww GW GW gw gw Gw Gw gw gw F 1 : GgWw gamety: GW Gw gw gw

33 F 2 : GgWw x GgWw GW ¼ Gw ¼ gw ¼ gw 1/4 GW 1/4 Gw 1/4 gw 1/4 gw 1/4 GGWW GGWw GgWW GgWw GGWw GGww GgWw Ggww GgWW GgWw ggww ggww GgWw Ggww ggww ggww genotypový štěpný poměr 1: 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1 fenotypový štěpný poměr 9 : 3: 3 : 1 (9/16; 3/16; 3/16; 1/16) 4 fenotypové třídy šlechtitelské novinky úhlopříčka homozygotů úhlopříčka heterozygotů Výsledek křížení dihybridů, důkaz, že alely segregují v potomstvu nezávisle na sobě

34 zpětné křížení - dihybridní Testovací: ggww x GgWw GGWW x GgWw genotypový štěpný pýpoměr genotypový štěpný poměr 1 : 1 : 1 : 1 1 : 1 : 1 : 1 fenotypový štěpný poměr fenotypový štěpný poměr 1 : 1 : 1 : 1 (4 fenotypy) 1 žlutý kulatý (1 fenotyp) ggww x GgWw GGww x GgWw genotypový štěpný poměr 1:1:1:1 1 : 1 : 1 fenotypový štěpný poměr genotypový štěpný poměr 1:1:1:1 1 : 1 : 1 fenotypový štěpný poměr 1 žlutý kulatý : 1 zelený kulatý 1 žlutý kulatý : 1 žlutý svraštělý (2 fenotypy) (2 fenotypy)

35 Trihybridní křížení P 1 1: AABBCC x aabbcc 1 typ gamet ABC abc 1 typ gamet F 1 AaBbCc gamety ABC Abc 8 typů AbC Abc abc abc abc abc

36 Stanovení výčtu genomů gamet u trihybrida (včetně % zastoupení) (stanovení rozvětvovací metodou) AaBbCc Počet genotypů 2 n = 2 3 = 8 0,5 A 0,5 a 0,5 B 0,5 b 0,5 B 0,5 b 0,5 C ABC 05c 0,5 c ABc 0,5 C AbC 05 0,5 c Abc 0,5 C abc 0,5 c abc 0,5 C abc 05c 0,5 c abc

37 Stanovení fenotypů trihybridů v F 2 křížením F 1 generace : Aa Bb Cc x Aa Bb Cc fenotypový štěpný poměr: 27:9:9:9:3:3:3:1 A nebo a B nebo b C nebo c stěpný poměr fenotyp ¾ (A-) 1/4 (aa) ¾ (B-) ¼ (bb) ¾(B-) ¾ (C-) (3/4)(3/4)(3/4) = 27/64 A-B-C- ¼ (cc) (3/4)(3/4)(1/4) ) = 9/64 A-B-cc ¾ (C-) (3/4)(1/4)(3/4) = 9/64 A-bbC- ¼ (cc) (3/4)(1/4)(1/4) = 3/64 A-bbcc ¾ (C-) (1/4)(3/4)(3/4) = 9/64 aab-c- ¼ (cc) (1/4)(3/4)(1/4) = 3/64 aab-cc ¾ (C-) (1/4)(1/4)(3/4) = 3/64 aabbc- ¼ (cc) (1/4)(1/4)(1/4) = 1/64 aabbcc ¼(bb) Pokud tyto tři geny budou volně kombinovatelné (na různých chromozómech) budou na sobě nezávislé, trihybrida lze rozložit na jednotlivé monohybridy (3+1) 3

38 Trihybridní křížení Aa Bb Cc x Aa Bb Cc Pokud tyto tři geny budou volně kombinovatelné (na různých chromozómech) budou na sobě nezávislé, trihybrida lze rozložit na jednotlivé monohybridy A 0,5 a 0,5 A 0,5 AA 0,25 Aa 0,25 a 0,5 Aa 0,25 aa 0,25 B 0,5 b 0,5 B BB Bb 0,5 0,25 0,25 b Bb bb 0,5 0,25 0,25 C 0,5 c 0,5 C 0,5 CC 0,25 Cc 0,25 Fenotypový poměr Fenotypový poměr Fenotypový poměr A- : aa B- : bb C- : cc 3 : 1 3 : 1 3 : ,75 : 0, ,75 : 0, ,75 : 0, S jakou pravděpodobností vznikne jedinec o fenotypu A-bbC- 0,75 * 0,25 *0,75 = 0, % S jakou pravděpodobností se vyskytne jedinec s genotypem aa BB Cc? 0,25 * 0,25 * 0,5 = 0,031 3 % c 0,5 Cc 0,25 cc 0,25

39 zobecnění pro F 2 generaci Počet č genů ů vzorec n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 (heterozyg.) gametických kombinací Aa AaBb AaBbCc AaBbCcDd 2 n nejmenší úplná generace (teoret.) 4 n genotypů 3 n homozygotů 2 n heterozygotů 2 2n 2 n Fenotypů (platí pro úplnou dominanci) 2 n

40 štěpení v F 2 generaci při úplné dominanci (3 + 1) n fenotypový štěpný poměr (n = počet genů heterozygot.) (3 + 1) 1 3 : 1 (2 fenotypové třídy) (3 + 1) 2 9 : 3 : 3 : 1 (4 fen. tř.) (3 + 1) 3 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1 (8 fen. tř.) 81 : 27 : 27 : 27 : 27 : 9 : 9 : 9 : 9 : 9 : 9: 3 : 3 : 3 : 3 : 1 (3 + 1) 4 (16 fen. tř.)

41 TAB 1 - Přehled základních monohybridních GENOTYPOVÝCH a FENOTYPOVÝCH štěpných poměrů Genotyp GENOTYPOVÝ FENOTYPOVÝ rodičů štěpný poměr štěpný poměr Poznámka AA x AA 100 % AA generace uniformní aa x aa 100 % aa generace uniformní AA x aa 100 % Aa generace uniformní křížení čistých linií homozygotů

42 TAB 2 - Přehled základních monohybridních GENOTYPOVÝCH a FENOTYPOVÝCH štěpných poměrů Genotyp GENOTYPOVÝ FENOTYPOVÝ Poznámka rodičů štěpný poměr štěpný poměr a) úplné dominaci zpětné křížení Aa x AA Aa x aa Aa x Aa 50 % AA : 50 % Aa 1 : 1 50 % Aa : 50 % aa 1 : 1 generace uniformní b) neúplné dominanci 1:1 c) kodominanci 1:1 bez ohledu na způsob dominance 1:1 a) úplné dominaci 3:1 25 % AA: 50 %Aa : 25 % aa b) neúplné dominanci 1 : 2 : 1 1:2:1 c) kodominanci 1:2:1 B1 - backcross zpětné testovací křížení B1 - backcross Poměr Fenotyp=genotypu křížení heterozygotů

43 Dědičnost kvalitativních znaků není náhodná, ale pravidelná. Všechny stěpné poměry v genetice jsou založeny na zákonech velkých čísel. l Štěpný poměr je poměr statistický, tj. uplatní se jen při dostatečném počtu potomků Jestliže je počet potomků malý, štěpný poměr se od ideálních teoretických čísel obvykle více či méně liší.

44 χ 2 test Test pro ověření statistické významnosti rozdílů mezi dvěma štěpnými poměry. test pro ověření shody skutečných (pozorovaných) a teoretických (očekávaných) štěpných poměrů; 2 ( o e ) e d 2 =(oe) (o-e) 2 rozdíl mezi skutečným (o) a očekávaným počtem potomků (e) ve fenotypových třídách 2

45 Genealogie Latinsky GENUS = rod Řecky k LOGOS = věda, výklad Genealogie = rodokmenová metoda = modifikace hybridologické analýzy Rodokmen - zachycený vývoj rodu s vyznačením nositelů sledovaného znaku (např. dědičného postižení) Sestavení rodokmenu o několika generacích pro určitého jedince v němž sledujeme výskyt určitého dědičného znaku

46 Genealogie Rozbory rodokmenů odhalují i výskyt mendelovských modelů dědičnosti u člověka. Genetici nemohou z experimentálních důvodů zasahovat do rozmnožování lidí nemohou jako u hospodářských zvířat provádět testovací křížení. Mohou například analyzovat potomstvo či předky zkoumaného jedince. Snaha nashromáždit co nejvíce jí informací if o výskytu ýkt sledovaného znaku v rodině potom posoudit o jaký způsob dědičnosti se jedná.

47 Zásady pro sestavování rodokmenu Generace označujeme římskými číslicemi Příslušníky generace označujeme arabskými číslicemi Horizontála spojující dvě značky je čára MANŽELSKÁ Mužské pohlaví kreslíme vlevo, ženské pohlaví vpravo Potomstvo se zakresluje zleva doprava dle pořadí narození Jjih Jejich symboly bl jsou spojeny svislicemi ili is horizontální íčárou SOUROZENECKOU Čára manželská a sourozenecká je spojena svislicí - čárou RODOVOU

48 Rodokmenové značky (výběr) Monozygotní dvojčata

49 Rodokmenové značky

50 Alela, která je příčinou určité genetické poruchy, např. kóduje nefunkční bílkovinný produkt (např. enzym). Vpřípadě autozomálně recesivních poruch mívají heterozygotní jedinci (Aa) ve sledovaném genu normální fenotyp, protože jedna normální alela (A) stačí k tvorbě dostatečného množství produktu (např. enzymu) k normální funkci organismu. Tito heterozygotní jedinci (Aa) mohou být zdraví (bez klinických příznaků postižení), ale postižení přenášejí ř na část tsvých potomků. (Nezbytnost vyhledávání takových skrytých nositelů např. mezi plemennými zvířaty např. holštýnský skot BLAD, CVM, Citrulinemie). p ý ý,, ) Zdravotní postižení se projeví jen u homozygotů recesivních (aa), protože jejich obě alely (a) kódují např. pouze nefunkční typ enzymu. Jedinci homozygoti dominantní (AA) budou v tomto případě zcela zdraví.

51 Autozomálně recesivní dědičnost onemocnění a alela nesoucí postižení, člověk: fenylketonurie, aa postižený jedinec cystická fibrosa, Aa zdráv, ale přenašeč postižení skot: BLAD; CVM AA zdráv I. AA Aa Aa AA II. AA Aa Aa AA III. AA aa Aa? Rodiče zdraví heterozygoti (skrytí přenašeči onemocnění). Teoreticky 25 % jejich potomků postižení (aa). V rodokmenu horizontální výskyt postižení není v každé generaci

52 Alela, která je příčinou určité genetické poruchy, např. kóduje nefunkční bílkovinný produkt (např. enzym). Vpřípadě autozomálně dominantních poruch jsou zdraví pouze homozygoti recesivní v daném genu (v genotypu nemají dominantní alely nesoucí postižení). Homozygoti dominantní a heterozygoti jsou postiženi (nositelé dominantní alely postižení).

53 Autozomálně dominantní dědičnost onemocnění A alela postižení Aa nebo AA postižený jedinec aa zdravý jedinec Aa I. aa Člověk : syndaktylie hypercholesterolemie neurofibromatosa Huntingtonova chorea II. aa Aa aa aa III. Aa aa Aa aa aa Vertikální výskyt postižení v rodokmenu - postižení v každé generaci. Heterozygotní (postižený) a homozygotně recesivní (zdravý) rodič - teoreticky 50 % potomků s onemocněním a 50 % zdravých