Poulační genetika Poulační genetika ORGANISMUS Součást výše organizované soustavy oulace POPULACE Soubor jedinců jednoho druhu Genotyově heterogenní V určitém čase má řirozeně vymezený rostor Velký očet generací GENOFOND POPULACE Soubor všech genů v daných lokusech od všech jedinců, kteří tvoří oulaci GAMETOVÝ FOND Soubor všech genů v gametách ZYGOTOVÝ FOND Geny obsažené v zygotách Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost Platí v anmiktické oulaci za ředokladu omezujících odmínek Castle-Hardy-Weinbergova zákonitost Základní vztah ro systém se dvěma alelami sledovaného genu Velká oulace Nedochází k mutacím Nedochází k selekci Nedochází k migraci Vztah alel: úlná dominance / recesivita ( AA) + q ( Aa ) + q ( aa ) ( A + ) a q( ) ( ) - A q (a) Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel Odhady frekvencí nežádoucích (recesivních) alel ( AA) + q ( Aa ) + q ( aa ) choroba zkratka výskyt v oulaci fenylketonurie PKU /800 q očet recesivníc h homozygotů očet všech osob ve vzorku frekvence v oulaci cystická fibróza (mukoviscidóza) CF /500
Odhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel Odhad frekvencí fenotyů v ABO systému choroba výskyt v oulaci q odhad - q q q alela A B O frekvence q r + q + r + r + q + qr + r + q PKU CF /800 /500 /90 /50 89/90 49/50 x x /90 /45 x x /50 /5 a) 0.3 q 0. Očekávaná četnost krevní skuiny B b) q 0. r 0.5 Očekávaná četnost krevní skuiny A c) q 0. 0.3 Očekávaná četnost krevní skuiny O 0.4 0.56 0.5 B BB + BO A AA + AO O OO AB AB d) q 0. r 0.6 Očekávaná četnost krevní skuiny AB 0.06 Přímý výočet frekvence jedné alely Výočet frekvence alel systému MN Alelní vztah: kodominance, neúlná dominance očet homozygotů ( AA) + očet heterozygotů ( AB) očet všech jedinců ve vzorku Fenoty Počet osob M 406 MN 744 N 33 Výočet - frekvence alel systému MN fenoty očet jedinců genoty očet alel M očet alel N M 406 MM 8 0 MN 744 MN 744 744 N 33 NN 0 664 48 556 408 406 + 744 556 0,55 48 964 q - 0, 475 Rh systém Osoby Rh- genoty dd Osoby Rh+ genoty DD nebo Dd Ve zkoumané oulaci je 6% osob Rh- A) Proveďte odhady genových frekvencí a vyočítejte zastouení jednotlivých genotyů v oulaci B) Jaká je ravděodobnost, že ženě Rh- se narodí dítě Rh+? C) Jaká je ravděodobnost, že ženě Rh- se vždy narodí dítě Rh+? DD Dd q dd q DD Dd q dd q
Rh systém DD Dd q dd q DD Dd q Dd q Dd q 3 dd q 3 dd q a) q 0.6 q 0.4 0.6 0.36 q 0.48 b) q + q 3 q (+q) q 0.096 c) q 0.058 v oulaci ovlivňuje relativní rerodukční schonost organismu s určitým genotyem a tím i frekvenci říslušného genu Relativní rerodukční schonost w i růměrný očet otomků genotyu i : růměrný očet otomků nejlodnějšího genotyu w i ; o selekci w i s s selekční koeficient (rozmezí 0 ) Normalizující selekce vylučování odchylek Balancující selekce udržuje olymorfismus na říklad reference heterozygotů (nař. srkovitá anemie) roti AR fenotyu Působí ouze roti recesivním homozygotům má menší účinnost než selekce roti dominantní alele + q + q (-s) q s ři s + q roti AD fenotyu A) Úlná selekce roti dominantnímu fenotyu v následující generaci dominantní alela vymizí s (-s) + q(-s) + q q B) Neúlná selekce roti dominantnímu fenotyu rychle snižuje frekvenci alely roti oběma tyům homozygotům reference heterozygotů - ani jedna alela určitého lokusu není eliminovaná - frekvence se udržují na stejné úrovni balancovaný olymorfismus - Naříklad srkovitá anémie velký význam ro evoluci zdroj adatace na nové odmínky rostředí (-s ) + q + q (-s ) - s - q s (-s) + q(-s) + q - s qs Náhodná trvalá dědičná změna genetického materiálu Chromosomová (nař. zlom) Genová (nař. bodová mutace) tolerované (řírodní výběr) neutrální (neovlivňují rerodukční schonost nositele) výhodné (zvyšují rerodukční schonost nositele, zlešují stávající funkce nař. dulikace genů nevýhodné (ztráta nebo orucha funkce genu) zakázané (letální neschonost rerodukce) Každý jedinec genů s nevýhodnými recesivními mutacemi - z nich 3-5 genů v homozygotní formě je letálních Frekvence mutací u lidí 0-6 0-5 Mutagenní faktory sontánní: chyby ři relikaci bodové mutace inekvální crossing-over delece, dulikace oruchy mitózy/meiózy monosomie, trisomie Indukované: vyvolané zevními vlivy (mutageny) fyzikální - ionizující záření (gamma, rtg), UV chemické - olycyklické aromatické uhlovodíky, nitrosaminy, mykotoxiny, těžké kovy (chrom, nikl, arsen, rtuť), azbest biologické nař. ailoma viry, některé adenoviry a heres-viry 3
Bodové mutace Záměny basí a) Neutrální (tiché mutace) b) Záměna aminokyselin v olyetidu c) Předčasná terminace Delece osun čtecího rámce Inserce osun čtecího rámce Dulikace Působením mutací mohou vznikat a) nové alely daného genu variabilita znaku b) škodlivé mutace c) letální mutace na úrovni úseků DNA Delece Inserce Translokace Dulikace Delece Inverse, aracentrická Pár akrocentrických chromosomů Dulikace Isochromosom Translokace Robertsonská fúze Genetický kód 5' UUU 3' Phe 5' UCU 3' Ser 5' UAU 3' Tyr 5' UGU 3' Cys UUC Phe UCC Ser UAC Tyr UGC Cys UUA Leu UCA Ser UAA sto UGA sto UUG Leu UCG Ser UAG sto UGG Tr 5' CUU 3' Leu 5' CCU 3' Pro 5' CAU 3' His 5' CGU 3' Arg Posun čtecího rámce Lys Glu Lys Ile Gly Thr Arg Ser CUC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg CUA Leu CCA Pro CAA Gln CGA Arg CUG Leu CCG Pro CAG Gln CGG Arg 5' AUU 3' Ile 5' ACU 3' Thr 5' AAU 3' Asn 5' AGU 3' Ser AUC Ile ACC Thr AAC Asn AGC Ser AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg.. AAA GAA AAG ATT GGA ACT AGG TCA.. Nonsence mutace (bez smyslu) Terminace translace AUG Met(start) ACG Thr AAG Lys AGG Arg 5' GUU 3' Val 5' GCU 3' Ala 5' GAU 3' As 5' GGU 3' Gly GUC Val GCC Ala GAC As GGC Gly GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly GUG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly Leu Gln Gly... GTG CAG T GGT.. Leu Term Start start kodon ; sto sto kodon (terminační kodon, nonsense - kodon) Missence mutace (měnící smysl) Záměna aminokyseliny Ala Arg His... GCC TAGG CAC.. Ala Tr His... AAA GAT TGG AAC TAG Lys As Tr Asn Term Genetický kód 5' UUU 3' Phe 5' UCU 3' Ser 5' UAU 3' Tyr 5' UGU 3' Cys UUC Phe UCC Ser UAC Tyr UGC Cys UUA Leu UCA Ser UAA sto UGA sto UUG Leu UCG Ser UAG sto UGG Tr 5' CUU 3' Leu 5' CCU 3' Pro 5' CAU 3' His 5' CGU 3' Arg CUC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg CUA Leu CCA Pro CAA Gln CGA Arg CUG Leu CCG Pro CAG Gln CGG Arg 5' AUU 3' Ile 5' ACU 3' Thr 5' AAU 3' Asn 5' AGU 3' Ser AUC Ile ACC Thr AAC Asn AGC Ser AUA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg AUG Met(start) ACG Thr AAG Lys AGG Arg 5' GUU 3' Val 5' GCU 3' Ala 5' GAU 3' As 5' GGU 3' Gly GUC Val GCC Ala GAC As GGC Gly GUA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly GUG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly Start start kodon ; sto sto kodon (terminační kodon, nonsense - kodon) Testování mutagenních účinků nových sloučenin Genotoxické účinky testování interakce látky s genetickým materiálem buňky Stanovení mutagenních účinků na bakteriích Amesův test: Salmonella tyhimurium; mutace ro tvorbu histidinu rostou v rostředí, které histidin obsahuje. Kultivace bez histidinu + jaterní oxydasa (mění testovanou látku na aktivní metabolit) + testovaná látka ůvodní mutanti nerostou, rostou noví mutanti, kteří vznikli o ůsobení testované látky tvoří histidin Testování mutagenních účinků nových sloučenin Cytogenetické hodnocení chromosomového oškození a) Chromosomální aberace b) Mikrojaderný test s blokádou cytokinese. Mikrojádra jsou mimojaderná tělíska vznikající z fragmentů chromosomů bez centromery nebo z chromosomů, které v anafázi mitózy nedoutovaly ólům. c) FISH In vivo testy na definovaných kmenech laboratorních zvířat ostihují jak ovlivňuje testovanou látku adsorbce a distribuce, metabolismus, exkrece aod. Jsou nezastuitelné ro testování teratogenních účinků. 4
Náhodný genový osun - drift Náhodný genový osun - drift Genový fond / gametový fond / zygotový fond Vznik zygotového fondu je náhodný roces během generací se mohou měnit genové frekvence Genový drift je změna frekvencí alel v genofondu malých oulací zůsobená náhodnými říčinami Závisí na velikosti oulace změny jsou neředvídatelné V růběhu generací kolísá frekvence alel Krajní mez fixace nebo aliminace některých alel genetická homozygotizace genová fixace ustálení jedné alely v oulaci / eliminace alternativní alely Úloha v oulaci nová oulace se liší od ůvodní mateřské oulace Efekt zakladatele vysvětluje mimořádně vysoké frekvence některých chorob v suboulacích Nař. Tay-Sachsova choroba vrozená vada metabolizmu (AR) s neurologickou symtomatologií vyskytuje se s vysokou frekvencí u židů ůvodem z východní Evroy Evoluce Evoluce V biologii roces změn dědičných vlastností (res. frekvence alel) mezi organismy. Postuný vývoj života na zemi k mnoha různým formám. Solečné rysy ve struktuře genetického kódu. Makroevoluce vyšších taxonomických kategorií (řád, kmen); vývoj nových druhů Mikroevoluce menší evoluční změny (nař. změny frekvence alel v oulacích) během kratšího časového období. Fylogenetický strom Genetický rozdíl mezi lidmi a šimanzem % Poslední ředek lidí a šimanzů 4-7 milionů let; Solečný ředek moderních lidí řed cca 00 000 roky Člověk a evoluce Evoluce se rojevuje změnami v genech Genetický drift DNA se může měnit vlivem nahodilých mutací mutace jsou usměrňovány a) řírodním výběrem (v souvislosti se změnami životního rostředí); b) b) sexuálním výběrem Pro současného člověka není řírodní výběr jediným evolučním faktorem (nař. genetické inženýrství, cílená léčba ) Vzájemné ůsobení mezi činností mozku a lidskými geny Dva geny okračující evoluce u člověka: a) gen kódující mikrocefalin (AR mutace mikrocefalie) kontroluje množení buněk v mozku; b) gen ASMP (Abnormal Sindle-like Microcehaly; AR mutace v tomto genu rimární mikrocefalie) exrimován v mozkové kůře během neurogeneze 5