Úvod do obecné genetiky

Úvod do obecné genetiky
GENETIKA
studuje zákonitosti dědičnosti a
proměnlivosti živých organismů
GENETIKA
dědičnost - schopnost uchovávat
soubor dědičných informací a
předávat je nezměněný potomkům
GENETIKA
proměnlivost (variabilita)
- schopnost organismů
reagovat na měnící se
podmínky prostředí
ZDROJE VARIABILITY?
Genetické
křížení
J.G. Mendel
1862
J.G. Mendel
1880
Důležité termíny
• každá „dědičná vlastnost“ je u diploidního
organismu řízena dvěma geny; jeden od otce,
druhý od matky
• výjimkou jsou u muže geny na chromozómu X
a na chromozómu Y
Důležité termíny
• Alely = různé varianty téhož genu. Člověk jeden gen - dvě alely
• V populaci pro 1 gen může být více alel (IA, IB,
I0)
Alely
lokus = konkrétní místo na chromozómu, na kterém se
nachází určitý gen
Důležité termíny
• genom = kompletní genetický materiál daného
organismu
• genotyp = soubor alel, které má organismus k
dispozici
• fenotyp = fyzické a fyziologické rysy daného
organismu (=to, jak organismus aktuálně vypadá)
• čistá linie = rostliny, které při samoopylení vykazují
opakovaně stejnou variantu sledovaného znaku
(jsou homozygotní)
Základní Mendelův pokus
P generace =
parentální, rodičovská
F1 generace = první
filiální generace (filius
= syn)
F2 generace = druhá
filiální generace
Mendel zkoumal u hrachu
celkem 7 znaků
barva květů
fialová
x
bílá
705:224
3,15:1
pozice květů
axiální
x
terminální 651:207
3,14:1
barva semen
žlutá
x
zelená
6022:2001
3,01:1
tvar semen
kulatý
x
svraštělý
5474:1850
2,96:1
tvar lusku
nafouklý
x
obtažený
882:299
2,95:1
barva lusků
zelená
x
žlutá
428:152
2,82:1
výška stonku
vysoký
x
nízký
787:277
2,84:1
„Mendelovy zákony“
(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval)
• Alternativní verze genů (odlišné alely)
odpovídají za rozdílnosti ve zděděných
rysech
„Mendelovy zákony“
(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval)
• pro každou „dědičnou vlastnost“ má
organismus dvě alely, jednu získanou
od otce, druhou od matky
„Mendelovy zákony“
(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval)
• Pokud se obě alely liší, pak jedna, zvaná
dominantní alela, se plně vyjádří ve vzhledu
organismu, druhá, zvaná recesívní alela,
nebude mít žádný pozorovatelný efekt na
vzhledu organismu
„Mendelovy zákony“
(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval)
• Dvě alely pro každou dědičnou vlastnost segregují
(oddělují se od sebe) během vzniku gamet
• Tento „zákon“ se nazývá „zákon o segregaci alel“
Fenotypový a genotypový
štěpný poměr
• Fenotypový štěpný poměr pro F2 generaci
je 3:1 (tři fialové : jeden bílý)
• Genotypový štěpný poměr pro F2
generaci je 1:2:1 (1PP:2Pp:1pp)
Důležité termíny
• homozygot = organismus, který má pro daný znak
obě alely identické (např. PP nebo pp)
• dominantní homozygot (PP), recesívní homozygot
(pp)
• heterozygot = organismus, který má obě alely pro
sledovaný znak odlišné (Pp)
Analytické
zpětné
křížení
= u živočichů =
křížení s recesívním
rodičem
Monohybridismus a
dihybridismus
• Sledujeme jeden znak - monohybridismus
• Sledujeme dva znaky - dihybridismus
Mendel v jedné variantě pokusu sledoval
zároveň barvu semen (žlutá x zelená) a tvar
semen (kulatý x svraštělý).
Dihybridismus s dominancí
•
•
•
•
•
•
•
Y - žlutá barva semen (yellow)
y - zelená barva semen
R - kulatá semena (round)
r - svraštělá semena
Fenotypový štěpný poměr: 9:3:3:1
Genotypový štěpný poměr:
1:2:1:2:4:2:1:2:1
• tyto výsledky jsou známy jako „zákon o nezávislé
kombinovatelnosti alel“ Pokud bychom zkoumali tyto znaky
odděleně, dostali bychom obvyklý poměr 3:1 (resp.1:2:1)
„Mendelovy zákony“
• Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první generace
potomků) generace.
• Zákon o náhodné segregaci genů do gamet. Při křížení 2
heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou
alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností.
• Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel. Při zkoumání
2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci.
Máme-li 2 polyhybridy AaBb může každý tvořit 4 různé
gamety (AB, Ab, aB, ab).
Neúplná
dominance
Kodominance
• Zde ovlivní dvě alely heterozygota fenotyp
• heterozygot má svou zvláštní kombinaci, kde
se uplatní vedle sebe obě alely
• příkladem je dědičnost krevních skupin A,B a
AB.
• AB není průměrem mezi A a B - vyjádří se
jen obě alely nezávisle na sobě.
Dědičnost krevních skupin
Pleiotropie
• jev, kdy jeden gen ovlivní organismus mnoha
způsoby se nazývá pleiotropie
• typickým případem u člověka je gen
způsobující srpkovitou anémii
Srpkovitá
anémie
– případ
pleiotropie
Epistáze
• = gen na jednom lokusu ovlivní expresi
jiného genu na jiném lokusu (epistáze =
řecky „zastavení“)
Polygenní dědičnost
• mnoho znaků, jako je např. tělesná výška člověka,
odstín barvy kůže, inteligence apod. není v populaci
diskrétních (fialové květy x bílé), ale plynule se
mění
• hovoříme o dědičnosti kvantitativních znaků
• polygenní dědičnost je jev, kdy mnoho genů
ovlivňuje jeden znak (jedná se o opak pleiotropie,
kdy jeden gen ovlivňuje mnoho znaků)
Polygenní dědičnost
odstín barvy kůže u člověka
Výsledná křivka je typická
tzv. Gaussova křivka.
Její konečný spojitý tvar je
ovlivněn environmentálními
faktory, jako je slunění apod.
Gaussova křivka
Nature versus Nurture
environmentální dopad na fenotyp
• u člověka ovlivňuje výživa tělesnou výšku,
opalování barvu kůže, posilování svalovou
hmotu atd.
• i u jednovaječných dvojčat existují rozdíly
díky odlišnému vlivu prostředí
• bonsaje, větší výnosy na pohnojených polích
• genotyp tedy není něco pevně daného, spíše
se jedná o mantinely.
Nature versus Nurture
environmentální dopad na fenotyp
Norma reakce. Barva květu záleží u této rostliny na kyselosti půdy
Thomas Hunt Morgan
• užívá Drosophila melanogaster
– mnoho potomků (cca stovky)
– laciný chov
– krátká generační doba (14 dní)
– relativně snadné pozorování (lupa)
– jen 4 páry chromozómů (2n = 8)
• Morgan po roce experimentování
získal drosophilu s bílýma očima
Drosophila melanogaster
Sameček
Samička
Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster
• 3 páry autozomů a jeden pár gonozomů
• chromosomové určení pohlaví stejné
jako člověk:
– sameček XY
– samička XX
Thomas Hunt Morgan
(1866 – 1945)
„To breed or not to breed.
That´s the question.“
Dědičnost vázaná na
pohlaví
klasický Morganův pokus
Drosophila má totéž
chromosomální určení pohlaví
jako člověk:
XY … sameček
XX … samička
Na první pohled probíhá pokus
přesně podle Mendela – v F2
máme poměr 3:1
Překvapivé ovšem je, že bílé
oči mají vždy pouze samečci!
Vazba genů
• genů je v organismu mnohem víc než chromosomů
– na jednom chromosomu je tedy velké množství
genů
• jsou-li lokusy dvou genů těsně vedle sebe na
jednom chromosomu, je malá pravděpodobnost, že
se crossing-over „trefí“ právě mezi ně
• výsledkem je fakt, že se tyto geny dostanou do
gamety zpravidla spolu
Vazba genů
• geny na jednom chromosomu ovšem
nesegregují zcela náhodně – čím jsou blíže u
sebe, tím je menší pravděpodobnost, že se
mezi ně „trefí“ crossing-over
Z rekombinačních frekvencí
lze zhotovit genetickou mapu
• genetická mapa = lineární sekvence genů na
chromosomu (Alfred Sturtevant)
• … čím jsou gny na chromosomu od sebe dál, tím je
crossing-over mezi nimi pravděpodobnější
• nejvzdálenější geny mají maximální hodnotu – 50%
- frekvence rekombinace (=volná vazba)
Genetická
mapa
Zjednodušená genetická
mapa chromosomu II.
Barvu očí ovlivňuje mnoho
genů
Cytogenetická mapa
• cytogenetická mapa se snaží najít geny v
souvislosti s různě obarvenými místy na
chromosomech
• cílem je určit přesnou sekvenci všech
nukleotidů na chromosomu, délku genů jakož
i vzdálenost mezi jednotlivými geny v párech
bazí
Polyploidie
• polyploidie je relativně častá u rostlin;
spontánní polyploidie je u rostlin zřejmě
důležitou chvílí pro náhlý vznik nového druhu
• řada hospodářských druhů rostlin (pšenice,
kukuřice) jsou polyploidní rostliny
• u živočichů je polyploidie velmi vzácná, i
když je známa u některých ryb a
obojživelníků
Polyploidie u savců
• v Chile byl identifikován zatím první savčí
kandidát na polyploidii, hlodavec viskača
Tympanoctomys barrerae, který je zřejmě
tetraploidní
Panašování u rostlin
Euonymus fortunei. Dvoubarevná mosaika na listech je
způsobena přítomností dvou typů chloroplastové DNA, jedné
normální a jedné způsobující bílé zbarvení. Výsledkem jsou
různě zbarvené listy, nebo méně často, celé rostliny
CHROMOZOMOVÉ URČENÍ
POHLAVÍ
TYP DROSOPHILA
TYP ABRAXAS
URČENÍ POHLAVÍ
• u gonochoristů je pohlaví určeno podle
heterochromozomů
• párový heterochromozom - X
• nepárový heterochromozom - Y
• rozlišují se základní 2 typy
chromozomového určení pohlaví - typ savčí
a typ ptačí
TYPY DĚDIČNOSTI
AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
GONOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
Charakteristiky autosomální
dědičnosti
• znak se vyskytuje stejně často u jedinců obou
pohlaví
• při dominantní dědičnosti se znak vyskytuje v
souvislém generačním sledu
• při recesivní dědičnosti znak může přeskočit i více
generací, vyskytuje se u více jedinců jedné
generace
• frekvenci výskytu recesivního znaku zvyšují
příbuzenské sňatky
Autosomální dominantní
dědičnost
I.
II.
III
.
Autosomální recesivní
dědičnost
I.
II.
III
.
DĚDIČNOST POHLAVNĚ VÁZANÁ
• geny na pohlavních chromozomech
• řídí vznik primárních pohlavních znaků
• přenos genů na potomky je vázán na přenos
pohlavních chromozomů
• chromozomy X a Y se liší tvarem i velikostí
• v malém úseku krátkých ramen jsou vzájemně
homologní
1) geny na homologním úseku X a Y chromosomu dědí se podobně jako geny na autosomech = tzv.
pseudoautosomální dědičnost
2) geny na heterologní části Y chromosomu - předávají
se pouze z otců na syny, nemohou být předány
dcerám = tzv. holandrická dědičnost
3) geny na heterologní části X chromosomu = tzv.
gonosomální dědičnost
u mužů se vždy projeví ve fenotypu - tzv. hemizygot
- XY, xY (u recesivních znaků dochází k
pseudodominanci)
Gonosomální recesivní dědičnost
• recesivní znak u žen je velice vzácný
• žena heterozygot je zdravá = tzv. přenašečka recesivní alelu předává svým synům
• choroba se častěji vyskytuje u mužů
• nemocný muž nemůže znak předat svým synům
I.
II.
III.
IV.
GENETICKÉ ZÁKONITOSTI
V POPULACI
HARDY-WEINBERGŮV
ZÁKON
Genetika populací
Cíl genetiky populací:
poznat genetickou strukturu populace a
hledat příčiny její proměnlivosti či stálosti
během generací.
Genetická struktura populace
závisí na:
1. způsobu výběru a párování gamet při
oplození, tj. způsobu rozmnožování
2. evolučních faktorech ( např. mutace,
selekce, migrace, genetický drift)
Hardy-Weinbergův zákon
Vyjadřuje vztah mezi četnostmi alel a
četnostmi genotypů v dané populaci.
G.H.Hardy
Britský matematik
W. Weinberg
Německý lékař
Podmínky platnosti HW zákona
• populace musí být panmiktická
• nepůsobí v ní selekce
• nedochází k mutacím
• nedochází k migraci jedinců mezi různými
populacemi
• je dostatečně velká (min.1000 jedinců)
b (q)
BB (p2) Bb (pq)
Bb (pq) bb (q2)
B (p)
B (p)
b (q)
f(BB) = p2
f(Bb) = 2pq
f(bb) = q2
p2+2pq+q2=1
= HW zákon rovnováhy
v populacích
HW zákon – slovní formulace
1. Frekvence genotypů v populaci jsou závislé
na alelových frekvencích v předchozí
generaci podle uvedeného vzorce
2. Rovnováha se ustaví během vzniku jediné
generace a trvá, dokud v populaci platí
podmínky rovnováhy