D ědičnost

1. Dědičnost Mikroevoluce a makroevoluce 2014

2. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

3. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

4. DNA DNA-RNA 5’ 3’ 5’ 3’ T T A A D R D D P P P P C C G G D R D D P P P P T U A A D R D D P P P P C C D R D D G G 3’ 5’ 3’ 5’ Genetická informace – návod na ontogenezi

5. Evoluční paměť druhu (populace)

6. cistron 1 cistron 2 DNA transkripce pre mRNA sestřih mRNA translace pre protein sestřih proteinů Protein vytváření terciální struktury glykoprotein protein 3D modifikace proteinů oligomerizace protein - oligomer 98% transkriptů netranslatováno třetina genetich chorob způsobena ovlivněním splicingu

7. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

8. Gen • Základní jednotkou genetické informace je gen • Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce • Evoluční gen – kterýkoli úsek DNA, který by mohl kompetovat s jiným úsekem o zastoupení v budoucím genofondu (G.C. Williams 1966) • Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce

9. Cis-trans test a) b)

10. Gen • Základní jednotkou genetické informace je gen • Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce • Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce • Rekombinace uvnitř genu • Regulační oblasti (šimpanz jako 99% člověk)

11. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

12. Gen 1 Znak 1 Gen 1 Znak 1 Znak 2 Znak 2 Gen 2 Gen 2 Znak 3 Znak 3 Gen 3 Gen 3 Gen 4 Znak 4 Gen 4 Znak 4 Složitost vztahu gen-znak EPISTÁZE PLEIOTROPIE Redundance (haploidní kvasinka jen 1100 z 6200 ztrátových mutací letálních)

13. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

14. 1,0 frekvence alely dominantní 0,5 recesivní semidominantní 500 1000 čas (generační doby) Dominance-recesivita • Interakce alel stejného lokusu • Vliv na průběh selekce

15. Dominance-recesivita • Interakce alel stejného lokusu • Vliv na průběh selekce • Recesivita ztrátových mutací • robusticita metabolických drah • regulační geny • Dominance ve vztazích starých alel a nových mutací • Haldaneovo síto (znevýhodnění recesivních mutací) • modifikátory dominance

16. Epistáze • projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem alely jiného lokusu

17. Kontextově podmíněné projevy genů epistáze pleiotropie Znak 1 Gen 1 Znak 1 Gen 1 Znak 2 Znak 2 Gen 2 Gen 2 Znak 3 Znak 3 Gen 3 Gen 3 Gen 4 Znak 4 Gen 4 Znak 4

18. Kontextově podmíněné projevy genů epistáze pleiotropie Gen 1 Znak 1 Gen 1 Znak 1 Znak 2 Znak 2 Gen 2 Gen 2 Znak 3 Znak 3 Gen 3 Gen 3 Gen 4 Znak 4 Gen 4 Znak 4

19. Epistáze • projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem alely jiného lokusu, magnitudová x směrová (16%) epistáze • Positivní epistáze – antagonistické vlivy škodlivých mutací a synergetické vlivy užitečných mutací (opak – negativní epistáze) • hlavní efekty genů a genové interakce (problém s experimentálním studiem) • vliv epistáze na účinnost selekce

20. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

21. Genetika –věda o dědění znaků • Mendelismus – původně spíše antidarwinistický • Řešení problému měkké dědičnosti (H.Ch. Fleeming Jenkin)

22. Mendlovy zákony • zákon segregace: dvě alely kteréhokoliv genu přítomné u rodičovského jedince se v každé generaci rozcházejí do nezávislých gamet, aniž by došlo k jejich změně a tedy aniž by se navzájem nějak ovlivnily • zákon nezávislé kombinovatelnosti vloh: jednotlivé dvojice alel různých genů rozcházejí do gamet nezávisle jedna na druhé a způsob distribuce jedné dvojice alel tedy nijak neovlivní způsob distribuce dvojice jiné.

23. Nezávislá kombinovatelnost vloh a1a1b1b1 a1a2b1b1 a2a2b1b1 a1a1b1b2 a1a2b1b2 a2a2b1b2 a1a1b2b2 a1a2b2b2 a2a2b2b2

24. Geny vázané na pohlavní chromosomy XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX XY XX

25. Geny vázané na pohlavní chromosomy • rozdíly v efektivní velikosti populace (pravděpodobnost fixace různých typů mutací) • absence rekombinace a evoluční (genetické) svezení se (polymorfismus) • celkově různá doba v genomech samců a samic – hájení zájmů vlastního pohlaví • pohlavní rozdíly v genové dózi X-chromosom 1098 genů, 99 proteinů exprim. ve varlatech. Imprinting genů exprimovaných v mozku • výsledek – mnoho genů pro genetické choroby (u člověka 307 z 3199 známých, přitom zde jen 4% genů).

26. Cytoplasmatická dědičnost • Genomy organel (mitochondrií a plastidů) • vnitrobuněčné konflikty (absence meiozy) • odpovědnost za řadu genetických poruch • Dědičnost buněčných struktur (membrány, jejich receptorová výbava, cytoskelet, enzymatická výbava, regulační sítě genové exprese) = epigenetická dědičnost

27. Genetická vazba • Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh • zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy • morgan (1 % rekombinací) 2pq p2 q2 p q

28. 0,25 0,20 c = 0,05 0,15 vazebná nerovnováha (d) c = 0,1 0,10 c = 0,2 0,05 c = 0,3 c = 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 čas (počet generací) c –pravděpodobnost rekombinace v úseku mezi sledovanými geny d = (fn1 fn2) – (fr1 fr2)

29. Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy zpomaluje odpověď na selekci vytváří předpoklad vzniku supergenů mimeze (Heliconius numata) selekční plató, genetická homeostáze Genetická vazba

30. Genetická homeostáze t1

31. Omezuje platnost zákona nezávislé kombinovatelnosti vloh zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy rovnováhy zpomaluje odpověď na selekci vytváří předpoklad vzniku supergenů mimeze selekční plató, genetická homeostáze inverze a selekce na úrovni pregerminálních buněk Genetická vazba

32. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

33. Dědivost • Většina znaků podmíněna velkým počtem genů (QTL). Schizofrenie – 7855 genů, naprostá většina má malý efekt O.R.<1,2 • Dědivost znaku vyjadřuje podíl jeho geneticky podmíněné variability na celkové, tedy i prostředím podmíněné variabilitěvtomto znaku • dědivost v úzkém slova smyslu (h2) – aditivní dědivost (dominance, epistáze, interakce jednotlivých složek)

34. Odhad dědivosti na základě korelace vlastností rodičů a potomků a c b velikost znaku u potomka velikost znaku u rodiče

35. Odhad dědivosti na základě korelace vlastností rodičů a potomků • Francis Galton, zákon regrese k průměru velikost znaku u potomka velikost znaku u rodiče

36. Odhad dědivosti na základě odpovědi na selekci S Generace 1 S –selekční diferenciál R R –selekční odpověď Generace 2 h2 = R/S

37. Dědivost různých kategorií znaků • Vyšší dědivost mají znaky podmíněné menším počtem genů • Vyšší dědivost mají znaky pouze nepřímo spjaté s biologickou zdatností jedince (se schopností podléhat evoluci je to opačně) • Vyšší dědičnost naměříme za kontrolovaných podmínek • Vyšší dědivost naměříme u znaků přesněji měřitelných (morfologie x chování)

38. Problémy s měřením dědičnosti • Změna dědičnosti v čase (selekční plató, interakce s prostředím – 1.5 mil. Švédů vzestup dědivosti BMI o 4% za 32 let) • sdílení prostředí sourozenci • sdílení genetického pozadí • rozdíly ve výsledcích získaných oběma metodami • Široké 95% intervaly spolehlivosti, například 4800 jedinců je třeba aby pokrývaly pouze 0,25 intervalu mezi 0 a 1. (Obvykle pokrývají celý interval…) • Vztah mezi dědivostí a schopností podléhat evoluci je dosti volný, vhodnější by bylo standardizovat průměrem než celkovou variabilitou

39. Chybějící dědivost • BMI dedivost 60% ale celogenomové SNP studie našly geny vysvětlujícíé pouze 17 % • Multigenové nemoci – schizofrenie silně dědičná, přesto nejsilnější „gen pro schizofrenii má OR asi 1,2 • Důvody – epistáze, vzácné alely ve vzájemně zastupitelných lokusech? • Metoda detekce – pravděpodobnost zachycení je úměrná druhé mocnině velikosti efektu vynásobené frekvenci alely v populaci • Nereprodukovatelnost výsledků na jiných populacích (jiné vzácné alely)

40. Schopností podléhat evoluci • V mnoha znacích kontinuální evoluční změna, viz. brojleři 1957-2001 • V některých žádná změna rekordy v chrtích či koňských dostizích se nezměnily za posledních 50 let. Změna téměř vždy provázena poklesem fitness a viability 1957 Stáří 43, 57, 71, 85 dnů 2001

41. Utajená genetická variabilita • vývojová kanalizace • geny modifikátory (stabilizující selekce) • pufrování mutací – HSP • SOS mutace, HSP90 (maturace regulač. proteinů) • rozviklaná dědičnost • genetická asimilace (Conrad Hal Wadington, fenokopie)

42. Maskování mutace díky působení modifikátorových genů

43. Utajená genetická variabilita • vývojová kanalizace • geny modifikátory (stabilizující selekce) • pufrování mutací – HSP • SOS mutace, HSP90 (více funkcí, Piwi-interagující RNA – aktivita transposomů) • rozviklaná dědičnost

44. Vliv vegetativní hybridizace na genotyp ?

45. Utajená genetická variabilita • vývojová kanalizace • geny modifikátory (stabilizující selekce) • pufrování mutací – HSP • SOS mutace, HSP90 • rozviklaná dědičnost • genetická asimilace (Conrad Hal Wadington, fenokopie)

46. Mutace crossveinless u D. melanogaster

47. Genetická asimilace u D. melanogaster

48. Obsah • Materielní podstata dědičnosti • Různá pojetí genu • Geny a znaky (pleiotropie a interakce) • Dominance a epistáze • Genetické zákony • Dědivost • Epigenetická informace

49. Epigenetická informace • Genetická informace a aparát pro její interpretaci – změna znaku může mít původ v modifikaci obojího • Evoluční význam epigenetické informace • možnost reakce na vlivy prostředí • problém s dědivostí(někdy naopak výhoda) • priony, regulační sítě • Význam epigenetické informace v ontogenezi

50. Mechanismus dědičnosti metylace metylovaná DNA replikace metylace hemimetylovaných pozic metyláza původní stav