Úvod do obecné genetiky

1. 2008 Úvod do obecné genetiky

2. termín „genetika“ se poprvé objevuje v r. 1905 • 1909: pojem „gen“ • 1911 termín „gen“ proniká do kontinentální Evropy

3. Johann Gregor Mendel1822-1884 • narozen 22. června 1822 v Hynčicích ve Slezsku • 1843 vstup do augustiniánského kláštera na Starém Brně • 1851 – 1853 studia ve Vídni • 1856 počátek experimentů s hrachem, celkem okolo 28 000 rostlin • 1865 Versuche über Pflanzen-Hybride • 1868 zvolen opatem • 6. ledna 1884 umírá • 1900 Mendelova práce znovuobjevena: Hugo de Vries (Nizozemí), Erich von Tschermak (Rakousko), Carl Correns (Německo)

4. Genetické křížení J.G. Mendel 1862 J.G. Mendel 1880

5. zatímco Mendelovi předchůdci se snažili zkoumat velký počet znaků u jedněch rodičů a zkoumali, jak se v potomstvu mísí… • Mendel naopak zkoumal velmi malý počet znaků na velké populaci potomstva

6. Důležité termíny • každá „dědičná vlastnost“ je u diploidního organismu řízena dvěma geny; jeden jsme zdědili od otce, druhý od matky • výjimkou jsou u muže geny na chromozómu X a na chromozómu Y. (Pozn. genů na chromozómu Y je velmi málo)

7. Důležité termíny • Alely = různé varianty téhož genu. Pro jeden gen máme v našem těle dvě alely; jednu jsme zdědili od otce, druhou od matky. Hovoříme např. o genu pro barvu květů, a o alele způsobující fialovou barvu a o alele způsobující bílou barvu květu. • To ale neznamená, že v populaci jsou vždy jen dvě alely. Známe např. tři alely pro dědičnost krevních skupin, IA, IB, i. V konkrétním člověku jsou vždy pouze dvě z nich. V populaci kolují všechny tři.

8. Alely lokus = konkrétní místo na chromozómu, na kterém se nachází určitý gen

9. Homologní chromosomy Žluté tečky označují jistý gen – a jeho lokus – na homologních chromosomech. Tyto chromosomy jsou již zreplikované po S fázi – což je poznat z toho, že na každém z obou homologních chromosomů jsou žluté tečky dvě.

10. 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)

11. Základní Mendelův pokus P generace = parentální, rodičovská F1 generace = první filiální generace (filius = syn) F2 generace = druhá filiální generace

12. Mendelovy úvahy • dědičný faktor pro bílou barvu květů v F1 generaci nezmizel, jen ustoupil znaku pro fialovou barvu. • fialová barva květu je tedy dominantní znak • bílá barva květu je recesívní znak • bílá barva květu se znovu objevuje u F2 generace. Znak pro bílou barvu tedy nebyl v F1 generaci ztracen, jen koexistoval spolu se znakem pro fialovou barvu

13. Mendel zkoumal u hrachu celkem 7 znaků

15. „Mendelovy zákony“(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) • Alternativní verze genů (odlišné alely) odpovídají za rozdílnosti ve zděděných rysech • gen pro barvu květů existuje ve dvou verzích, jeden odpovídá za fialovou barvu, druhý za bílou barvu. tyto alternativní verze genu se nazývají alely

16. „Mendelovy zákony“(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) • pro každou „dědičnou vlastnost“ má organismus dvě alely, jednu získanou od otce, druhou od matky • diploidní organismus má páry homologních chromozómů, jeden chromozóm z každého páru pochází od otce, druhý od matky. Genový lokus je tak v diploidní buňce přítomen dvakrát. Tyto homologní loci mohou obsahovat stejné alely, jako např. u čistých linií P generace hrachu z Mendelova pokusu, nebo se mohou lišit, jako v F1 generaci z tohoto pokusu

18. „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 • v Mendelově pokusu mají rostliny v F1 generaci fialové květy, přestože je v každé z nich krom alely pro fialovou barvu květu i alela pro bílou barvu květu

19. „Mendelovy zákony“(Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) • Dvě alely pro každou dědičnou vlastnost segregují (oddělují se od sebe) během vzniku gamet • vajíčko i spermie obsahují pouze polovinu genetického materiálu, přítomného v somatické diploidní buňce. Homologní chromozómy se od sebe v průběhu meiózy oddělují. Pokud jsou obě alely na homologních chromozomech stejné, pak ve všech gametách se bude nacházet tatáž alela pro daný znak. Pokud se budou alely lišit, pak polovina gamet bude obsahovat dominantní alelu a polovina gamet recesívní alelu. Tento „zákon“ se nazývá „zákon o segregaci alel“

20. Zákon o segregaci alel Čisté linie obsahují totožné alely, PP nebo pp. Gameta obsahuje jen jednu alelu pro barvu květu, buď P nebo p. Spojením rodičovských gamet vznikne hybrid s kombinací Pp. Protože P alela je dominantní, budou mít všichni hybridi z F1 generace fialové květy. Nyní necháme hybridy z F1 zkřížit mezi sebou. V F2 generaci získáme ¾ potomků fialových a ¼ bílých.

21. 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)

22. Genotypový a fenotypový štěpný poměr v F2 generaci

23. Užitečné termíny • homozygot = organismus, který má pro daný znak obě alely identické (např. PP nebo pp). Pokud má organismus obě alely dominantní pro sledovaný znak, užíváme termín dominantní homozygot (PP), pokud jsou obě alely recesívní, užíváme termín recesívní homozygot • heterozygot = organismus, který má obě alely pro sledovaný znak odlišné (Pp)

24. Analytické zpětné křížení(testcross) • pokud máme hrách s fialovými květy, nevíme, zda se jedná o homozygota (PP) nebo o heterozygota (Pp) • pomůžeme si křížením této rostliny s bělokvětým hrachem • jednalo-li se o heterozygota (Pp), potom polovina potomstva bude fialová a polovina bílá • jednalo-li se o dominantního homozygota, pak bude potomstvo uniformě fialové • křížení organismu s neznámým genotypem s recesívním homozygotem nazýváme analytické zpětné křížení. Je užitečné zejména u živočichů, kde nelze provést samoopylení

25. Analytické zpětné křížení = u živočichů = křížení s recesívním rodičem

26. Monohybridismus a dihybridismus • Doposud jsme sledovali pouze jediný znak - fialovou nebo bílou barvu květů. Hovoříme o monohybridismu • co kdybychom si všímali zároveň dvou znaků? Mendel v jedné variantě pokusu sledoval zároveň barvu semen (žlutá x zelená) a tvar semen (kulatý x svraštělý). Hovoříme zde o dihybridismu.

27. 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)

28. Dihybridismus s dominancí

29. „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).

30. Rozšíření Mendelových výzkumů • Mendel díky své genialitě (nebo štěstí či spíše dokonalé znalosti hrachu) si vybral 7 znaků, u nichž je kompletní dominance - fialová či bílá, nula nebo jednička • každý z těchto sedmi znaků je kódován jen jedním genem, pro který existují jen dvě alely (s výjimkou postavení květu - tento znak kódují dva geny) • vztah mezi genotypem a fenotypem je v přírodě málokdy tak jednoduchý...

31. Nekompletní dominance • U tohoto typu dědičnosti vypadá hybrid z F1 jako průměr obou rodičů • zde u hledíku má hybrid méně červeného pigmentu než dominantní rodič • v F2 generaci je genotypový i fenotypový štěpný poměr totožný: 1:2:1

32. Neúplná dominance

33. Kodominance • Zde ovlivní dvě alely heterozygota fenotyp • nejedná se ale o neúplnou dominanci, heterozygot má svou zvláštní kombinaci, kde se uplatní vedle sebe obě alely • příkladem je dědičnost krevních skupin M,N a MN. • Jedná se o určité molekuly na povrchu erytrocytů. Jedinci MM budou mít jeden typ molekuly, zatímco lidé NN budou mít druhý. Heterozygoti MN budou mít na povrchu erytrocytů oba typy těchto molekul • MN není průměrem mezi M a N - vyjádří se jen obě alely nezávisle na sobě.

34. Problémy ve vztahu dominance-recesivita • Tay-Sachsova nemoc je autozomální dědičná choroba, postihující recesívní homozygoty. Mozkové buňky takovéhoto dítěte nejsou schopny metabolizovat jeden typ mozkových lipidů, zvaný gangliosidy, protože enzym, který tuto reakci katalyzuje nefunguje správně. Lipidy se tak hromadí v buňkách, znemožňují jim pracovat a výsledkem je smrt dítěte. • Nemoc postihuje pouze děti, které zdědily obě alely pro Tay-Sachsovu nemoc.

35. Problémy ve vztahu dominance-recesivita • Na úrovni organismu se tedy alela chová jako recesívní a je možno hovořit o úplné dominanci • na biochemické úrovni se však jedná a neúplnou dominanci - v buňkách heterozygotů je snížená hladina funkčního enzymu. I tato snížená hladina enzymu však „utáhne“ všechny potřebné reakce, proto jsou heterozygoti zdrávi • na molekulární úrovni se ale jedná o kodominanci - v buňkách je syntetizován jak funkční, tak nefunkční varianta enzymu v poměru 1:1, vyjadřují se tak obě alely.

36. Problémy ve vztahu dominance-recesivita • Dominance rovněž neznamená, že by dominantní alela nějak přímo potlačovala recesívní alelu; rozdíly mezi oběma alelami jsou v nukleotidových sekvencích daného genu • v příkladu semen hrachu kulatá x svraštělá je kulatost dominantní nad svraštělostí • dominantní alela kóduje enzym, který je schopen přeměnit cukr na škrob; recesívní alela kóduje nefunkční formu tohoto enzymu

37. Problémy ve vztahu dominance-recesivita • U recesívního homozygota se tedy cukr nemůže přeměnit na škrob. Jak se semeno vyvíjí, vysoká koncentrace cukru způsobuje, že osmotickými silami do semena vniká voda. • Když je semeno dospělé, vysouší se a svraskává • je-li přítomna dominantní alela, cukr je proměněn na škrob a dospělé semeno zůstává kulaté. • Jedna varianta zdravé alely stačí, aby se cukr přeměnil na škrob, heterozygoti jsou proto rovněž kulatí

38. Problémy ve vztahu dominance-recesivita • Vztah dominace - recesivita rovněž neznamená, že by dominantích alel bylo v populaci nutně více • v USA se rodí jedno dítě z 400, které má navíc prst u nohy či ruky • tato alela pro polydaktylii je dominantní. • 399 z 400 dětí jsou proto recesívní homozygoti

39. Problémy ve vztahu dominance-recesivitashrnutí Vztah dominance-recesivita: 1. jde od úplné dominance přes různé formy neúplné dominace až ke kodominanci 2. Vyjadřuje mechanismus, jakým jsou specifické alely vyjádřeny ve fenotypu, nikoli to, že by se alely potlačovaly na úrovni DNA 3. Nemá nic společného s frekvencí výskytu alel v populaci

40. Možné porušení Mendelových zákonů?Do popředí se dostává mRNA • Gen Kit způsobuje u černých myší skvrnité ocásky a bílé tlapky • Dominantní homozygoti AA jsou celí černí • Recesívní homozygoti aa umírají • Heterozygoti Aa jsou skvrnití

41. Možné porušení Mendelových zákonů? • Pokud zkřížíme dva heterozygoty Aa a vznikne kombinace AA, mělo by teoreticky jít o zcela černou myš • Myš je ale skvrnitá • Jediné možné vysvětlení je, že by spolu s dominantní alelou šla do gamety i již připravená mRNA získaná přepsáním recesivní alely Možná jsme na stopě fundamentálnímu pravidlu, které je možná v živé přírodě včetně člověka značně rozšířeno

42. Vícealelové systémy • Většina genů je v populaci zastoupena ve více než dvou alelách • příkladem jsou alely pro dědičnost krevních skupin IA, IB a i • alely IA a IB odpovídají za přítomnost dvou cukrů - A substance a B substance na povrchu erytrocytů • člověk může mít na erytrocytech přítomnu jednu z nich (A nebo B), obě (AB), nebo žádnou (O)

43. Dědičnost krevních skupin • Existují tedy 4 typy fenotypů, A,B,AB,O • protože každá osoba má dvě alely, je možných 6 genotypů (IAIA, IB IB,IAIB ,IAi, IB i, ii) • recesívní homozygoti mají skupinu 0, protože žádná substance není na povrchu erytrocytů přítomna • IA a IB jsou k sobě kodominantní • IA a IB jsou ve vztahu k alele i dominantní

44. Dědičnost krevních skupin

45. Dědičnost krevních skupin • Znalost krevních skupin je kritickým faktorem pro transfúzi krve. Imunitní systém příjemce reaguje na jakoukoli cizorodou látku • pokud má krev donora substanci, která je příjemci cizí, nastane imunitní reakce vedoucí ke krevním sraženinám ústící ve smrt příjemce

46. Pleiotropie • Doposud jsme se zabývali případy, kdy jeden gen má jeden účinek na fenotyp organismu. Většina genů se ovšem projeví na fenotypu vícero způsoby • jev, kdy jeden gen ovlivní organismus mnoha způsoby se nazývá pleiotropie • typickým případem u člověka je gen způsobující srpkovitou anémii

47. Srpkovitá anémie – případ pleiotropie

48. Sickle cell disease • The disease results from an altered hemoglobin, in which the aminoacid valin substitutes for glutamic acid at position 6 in the β-globin chain.