Dědičnost komplexních a kvantitativních znaků KBI / GENE Mgr. Zbyněk Houdek
Komplexní znaky Komplexní fenotypy mohou být ovlivněny genetickými faktory a faktory prostředí. Mezi komplexní znaky patří např. vnímavost k nemocem, velikost těla, projevy chování atd. Genetický faktor komplexních znaků je dán několika až mnoha geny. Jejichž jednotlivé účinky se dají metodami konvenční genetické analýzy těžko rozpoznat.
Kvantifikace komplexních znaků Mnoho uvedených komplexních znaků vykazuje v populaci kontinuální průběh (variabilitu) 1 fenotyp přechází v další. Mezi tyto znaky náleží velikost těla, tělesná výška a hmotnost, aktivita enzymů, krevní tlak nebo reprodukční schopnosti. Tato variabilita může být kvantifikována měřením daného znaku (měřitelnost) u vzorku jedinců v populaci. Znak je pak vyjádřen nějakým číslem a tato čísla jsou dále statisticky zpracovávána. Tyto měřitelné znaky se nazývají kvantitativní.
Variabilita Variabilita kvantitativního znaku je ovlivněna genetickými a enviromentálními faktory. Genetická složka variability může zahrnovat účinky více různých genů. Svou variabilitu mají i nemoci např. srdce : Rizikové faktory: tělesná hmotnost, míra tělesné aktivity, strava, hladina cholesterolu, kouření a výskyt srdeční choroby v rodině. Všechny tyto faktory se podílejí na proměnné, kterou nazýváme náchylnost (liability). Pokud náchylnost překročí určitou mez znak ve fenotypu prahový znak.
Výzkum dvojčat Zkoumají se dvouvaječná i jednovaječná dvojčata. Jednovaječná dvojčata = přírodní klony (vznikají z jedné zygoty - mají stejnou genetickou informaci - naprosto shodnou DNA). Tento shodný genotyp automaticky neznamená stejný fenotyp obou jedinců!!! Zaznamenávání takovýchto rozdílů pomáhá zjistit, co a do jaké míry ovlivňují geny a co závisí na podmínkách, ve kterých jedinec vyrůstá = podíl vlivu prostředí a genetické výbavy na vznik fenotypového projevu.
Minnesotská studie dvojčat Jedná se o projekt genetiků Minnesotské univerzity, kteří sledují dvojčata jež byla po narození oddělena a vychovávána nezávisle na sobě. Projekt byl zahájen již v r. 1979 a poskytuje informace o vlivu genomu na soubor znaků chování (inteligence, osobnostní rysy, profesní zájmy a sociální postoje). Dosud bylo studováno 130 párů dvojčat monozygotních a dizygotních. Závěry: Genetické faktory mají zřetelný vliv na variabilitu chování. Vliv výchovy ve stejném prostředí je u mnoha psychologických znaků zanedbatelný. Rozpor s předpoklady psychologů a sociologů.
Konkordance u dvojčat Nejvíce jsou si podobná jsou 1-vaječná (monozygotní-mz) dvojčata. Méně podobná jsou již 2-vaječná (dizygotní-dz) dvojčata. Právě podobnost prahových znaků mezi dvojčaty nám určuje konkordance podíl počtu párů dvojčat, kde mají tento znak obě dvojčata z celkového počtu dvojčat, kde má tento znak pouze 1. Konkordance byla objevena ve 40 % u rozštěpu rtů u MZ dvojčat, ale pouze ve 4 % u DZ dvojčat. U schizofrenie 30-60 % pro MZ dvojčata a 6-18 % pro DZ dvojčata.
Kontinuální variabilita Kontinuální variabilita je charakteristická pro kvantitativní znaky v populaci. Pro charakterizaci znaku v populaci používáme statistický popis. Multifaktoriální hypotéza kvantitativní znaky jsou výsledkem různých faktorů prostředí a genotypu (R. A. Fischer 1918). T = m + g + e T konkrétní hodnota kvantitativního znaku; m - průměr v populaci; g průměrnou odchylku danou genotypem; e eviromentální průměrnou odchylku.
Distribuce četností Prvním krokem při studiu kvantitativního znaku je sběr výsledků měření znaku u jedinců v populaci. Většinou sledujeme znak pouze část jedinců populace výběr (výběrový soubor). Takto získané údaje můžeme znázornit graficky jako distribuce (rozdělení) četností: Osa x naměřené hodnoty znaku. Osa y četnosti jednotlivých pozorování v každém intervalu.
Průměr a modální třída Jednou ze základních statistických veličin vypočítaných z naměřených dat je aritmetický průměr střed distribuce = typická hodnota. Výběrový průměr (X) vypočteme sečtením všech naměřených hodnot výběru a vydělením počtem pozorování (n): X = (Σ X k ) / n. Modální třída výběru je fenotypová třída s největším počtem pozorovaných hodnot. Normální rozdělení distribuce četností v souborech, které mají křivku ve tvaru zvonu, kde se průměr a modální třída nacházejí ve středu křivky.
Variance a směrodatná odchylka Jednotlivé hodnoty v konkrétním souboru rozdělení četností mohou být rozptýlené nebo mohou naopak tvořit shluk blízkých hodnot. K vyjádření rozdílnosti naměřených hodnot používáme statistickou hodnotu rozptylu (variance s 2 ). Pokud jsou hodnoty v souboru sobě blízké, pak je variance nízká a naopak: s 2 = Σ (X k X) 2 / (n-1) (X k X) 2 je druhá mocnina odchylek mezi konkrétní hodnotou průměrem souboru. Směrodatná odchylka (s): s = s 2
Fenotypová variance Pro vyjádření variability kvantitativního znaku je užívána statistická veličina variance (V T ) = rozptyl. Tu získáme součtem genetické (V g ) a enviromentální variance (V e ): V T = V g + V e Celkově se jedná o analýzu variance. Důležité je také zjistit jak velká část z fenotypové variance v dané populaci je dána genetickými rozdíly (heritabilita H 2 ): H 2 = V g / V T = V g / (V g + V e ).
Heritabilita Hodnoty heritability se pohybují 0 1. Je-li blízká 0 malá část pozorované variability je dána genetickými rozdíly. Naopak blíží-li se 1 pak rozhodující vliv mají právě genetické rozdíly v populaci. Kvantitativní znak je určen mnoha geny polygenní znak. Poloha genu kvantitativní znaku na chromozomu se nazývá lokus pro kvantitativní znak (QTL).
Umělá selekce Distribuce četností kvantitativního znaku u rodičů při umělé selekci se pohybuje kolem 20. Pokud známe heritabilitu kvantitativního znaku rodičů (selekce rodičů), pak jsme schopni předpovědět fenotyp jejich potomků v určitém znaku. Jde o postup, který se používá ve šlechtění rostlin a zvířat.
Lokusy kvantitativních znaků Moderní molekulární techniky umožnily vyhledávání lokusů QT v genomech různých druhů. Využívá se metody chromozomových map, které se sestavují na základě příbuznosti organismů a specifity restrikčních enzymů polymorfismus délky restrikčních fragmentů (RFLP) pomocí Southernova přenosu. Takto byly zjištěny QT lokusy na konkrétních chromozomech laboratorních a zemědělských zvířat (octomilka, myš). Sledovanými znaky byly počty chloupků u octomilky, obezita u myší, mléčná užitkovost u skotu, podíl tuku u prasat a u člověka vnímavost k nemocem.
Southernův přenos Metoda která využívá hybridizace DNA se také nazývá Southern blotting. Využívá kapilární přenos DNA pufrem, který prostupuje gelem a hybridizační membránou (např. nylonová mem.) do savého materiálu (např. filtrační papír).
Korelace mezi příbuznými Kvantitativní analýza podobnosti mezi příbuznými může sloužit k odhadu heritability. Obvyklým postupem je sledovat určitý znak u rodičů a potomků nebo sourozenců vlastních i nevlastních. Analýzou těchto údajů je možno zjistit, zda je tento znak geneticky založen nebo ne. Pokud má tento znak genetický základ je možno určit geny, jejich lokusy a nakonec i molekulární složení. U komplexních znaků, které jsou určovány mnoha geny je to velmi obtížný úkol.
Korelační koeficient Příkladem kvantitativního znaku a jeho podobnosti u příbuzných je výška u MZ dvojčat. MZ dvojčata jsou si svou výškou velice podobná. Tento typ podobnosti nazýváme pozitivní korelace a vyjadřujeme ho statistickou veličinou korelační koeficient r. Hodnota korelačního koeficientu může dosáhnout -1 až +1. Hodnota -1 odpovídá absolutní negativní korelaci mezi znaky jedinců, naopak +1 znamená absolutní pozitivní korelaci. Když se hodnota blíží 0, tak není mezi naměřenými hodnotami žádný korelace. MZ dvojčata mají r = 0,84, což je hodnota blízká 1 silná pozitivní korelace.
Enviromentalita MZ dvojčata vyrůstající odděleně mají identické genotypy, ale byla vychovávána v různém prostředí, pak jejich korelace je rovna podílu genetických rozdílů mezi páry dvojčat na celkové fenotypové varianci = je rovna heritabilitě (H 2 ). MZ dvojčata vyrůstající společně ve stejném prostředí a mají i identické genotypy. Korelace mezi nimi je dána součtem heritability (H 2 ) a společnými enviromentálními faktory enviromentalita (C 2 ). U DZ dvojčat je korelační koeficient menší nebo roven (1/2) H 2. U nepříbuzných jedinců nebude korelace zahrnovat genetickou část, ale pokud vyrůstali společně, pak bude obsahovat vliv prostředí (C 2 ).
Kvantitativní genetika a inteligence člověka Inteligence soubor duševních schopností (verbální a matematické dovednosti, paměť, řešení problémů, prostorovou orientaci atd.). Inteligenci popisuje inteligenční kvocient (IQ) na základě různých testů inteligence. Měřítko hodnot IQ je nastaveno tak, že průměr populace je 100 a směrodatná odchylka 15. Nejzajímavější data byla získána opět studiem MZ a DZ dvojčat. U MZ vyrůstajících společně nebo odděleně se korelační koeficienty pohybují vysoko 0,7-0,8. Naopak u DZ dvojčat jsou korelační koeficienty nízké a korelační k. nepříbuzných jedinců jsou, pak téměř nulové. Větší vliv na IQ má biologická (genetická) vazba mezi rodiči a dětmi než prostředí.
Kvantitativní genetika a lidská osobnost Pro zkoumání osobnostních rysů používají psychologové také různé testy (osobnostní charakteristiky, profesní a společenské zájmy). Nejrozsáhlejší genetická analýza osobnosti byla provedena v rámci Minnesotské studie dvojčat vyrůstajících odděleně. Výsledky této studie jsou, že genetické rozdíly mohou vysvětlit významný podíl celkové variability lidské osobnosti (možná až 50 %). U MZ dvojčat vyrůstajících odděleně se korelační koeficient u osobnostních rysů a psychologických zájmů pohyboval od 0,39-0,50. Odhad heritability v širším smyslu se u osobnostních rysů pohyboval v rozmezí 34-50 %. Také bylo zjištěno, že MZ dvojčata vykazují větší podobnost při výskytu maniodepresivní psychózy, schizofrenie a alkoholismu než DZ dvojčata.