historie genetiky

GENETIKA
“vědecké studium dědičnosti a jejich variant”
“studium kontinuity života ve vztahu ke konečné
délce života individuálních organismů”
• Monogenní dědičnost (Mendelovská)
• Polygenní dědičnost
• Multifaktoriální dědičnost
HISTORIE GENETIKY
1. NEJSTARŠÍ OBDOBÍ
•
•
Děti připomínají rodiče
Domestikace zvířat a rostlin
- Sumerské koně
- Egyptské záznamy o palmách
- Bible a hemofilie
http://www.historyguide.org/ancient/lecture2b.html
HISTORIE GENETIKY
2. 19. STOLETÍ
•
1859 Charles Darwin
Teorie evoluce a úloha genetiky
http://www.firstscience.com/site/articles/darwin_hl.asp
HISTORIE GENETIKY
2. 19. STOLETÍ
• 1866 J. Gregor Mendel
Základy genetiky
http://web.quick.cz/pvzubri/mendel.html
HISTORIE GENETIKY
2. 19. STOLETÍ
•
1871 Friedrich Miescher
Izolace „nukleových kyselin“ z
buněk.
http://www.fmi.ch/members/marilyn.vaccaro/ewww/fm-6.jpg
HISTORIE GENETIKY
3. 20. STOLETÍ
1900: „Mendel znovuobjeven“
– Robert Correns, Hugo de
Vries a Erich von Tschermak
HISTORIE GENETIKY
3. 20. STOLETÍ – do 1950
1902: A. Garrod – alkaptonurie
1904: G. Bateson – termín “genetika”
1910: T. H. Morgan – geny na chromosomech (Drosophila)
1918: R. A. Fisher – kvantitativní genetika (geny a
prostředí)
1926: H. J. Muller – rentgen a mutace
1944: O. Avery, C. MacLeod a M. McCarty – DNA je
dědičný materiál
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Griffith_experiment.svg
HISTORIE GENETIKY
4. 20. STOLETÍ – druhá polovina
1953: J. Watson a F. Crick – struktura DNA
1966: M. Nirenberg – genetický kód
1972: S. Cohen a H. Boyer – první klonování
1990: – projekt HUGO
1998: I. Wilmuth – ovečka Dolly
HISTORIE GENETIKY
5. 21. STOLETÍ
2001: sekvence lidského genomu
2001-2006: Genová terapie
Klonování
Kmenové buňky
2007-2008: – lidské embryonální buňky
fůzují s buňkami jiného druhu –
legální ve VB
http://www.geo.ed.ac.uk/scotgaz/people/moreppix1482.ht
HISTORIE GENETIKY
2008-2009: celogenomové sekvenování
2012: epigenom
A co dále?
http://www.jcvi.org/
http://www.time.com/time/specials/2007/top10/article/0,30583,1686204_1686252_1690928,00.html
Johanus Gregor MENDEL
22. července 1822
Hynčice u Nového Jičína
gymnázium v Opavě
filosofie v Olomouci, ve Vídni
1843 augustin. klášter v Brně
1868 opat kláštera
† 6. ledna 1884, Brno
Gregor Johan Mendel (1822 - 1884)
• křížení rostlin
• zákonitosti vzniku hybridů a přenosu genetické
informace
• 1865 - křížení hrachu
•
•
•
•
Gen, lokus, alela
Homozygot, heterozygot
Dominance, recesivita
Genotyp, fenotyp
TERMINOLOGIE
• dominantní, resp. recesivní dědičnost
způsob přenosu
určitého znaku z generace na generaci
• zákonitosti rekombinace alel při sexuální reprodukci poprvé
odhalil J. G. Mendel
• chromosomy ještě neznal
• předpokládal jednotky, v nichž jsou vlohy přenášeny do
gamet
• vloha = alela
Mendlova zahrada
http://www.mendelianum.cz/
Příčiny úspěchu G. Mendla
• vhodný modelový objekt - hrách setý
• sledoval 7 monogenních znaků:
tvar semen, barva děloh, barva květů, tvar a barva lusků,
postavení květů, délka stonku
Příčiny úspěchu G. Mendla
• pracoval s čistými rodičovskými liniemi (dominantní a recesivní
homozygoti)
• aplikoval matematiku a statistiku
• monohybridismus
• dihybridismus až polyhybridismus
Mendlova pravidla a zákony
• Pravidlo o uniformitě hybridů F1
• Pravidlo o zákonitém štěpení v potomstvu hybridů
• Zákon o samostatnosti vloh (alel)
• Zákon o čistotě gamet (o štěpení vloh)
• Zákon o volné kombinovatelnosti alel různých alelových párů
UNIFORMITA HYBRIDŮ
P
F1
AA
Aa
A a
F2
AA
Aa
x
x
aa
Aa
A a
Aa
v F1 generaci – fenotyp a genotyp
v F2 generaci – fenotyp a genotyp
aa
SEGREGACE ALEL
• heterozygoti dávají gamety s alelou A nebo a - ty se mohou
kombinovat do 3 různých genotypů
Mendelovský rekombinační
A
a
čtverec
A AA Aa
a Aa aa
genotypový štěpný poměr: 1 : 2 : 1
fenotypový štěpný poměr: 3 : 1 - úplná dominance
1 : 2 : 1 - neúplná dominance
VOLNÁ NEZÁVISLÁ KOMBINOVATELNOST
ALEL RŮZNÝCH ALELOVÝCH PÁRŮ
3n = počet různých genotypů
2n = počet různých fenotypů
při dihybridismu vzniká se stejnou pravděpodobností
16 zygotických kombinací - z toho je
9 různých genotypů, ale pří úplné dominanci jen 4 různé
fenotypy v poměru: 9 : 3 : 3 : 1
DIHYBRIDISMUS
P
F1
AABB
AaBb
Gamety
F2
AB
Ab
aB
ab
AB
AB
AABB
AABb
AaBB
AaBb
aB
x
x
aabb
AaBb
Ab
Ab
AABb
AAbb
AaBb
Aabb
ab
aB
AaBB
AaBb
aaBB
aaBb
ab
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
Genotypový štěpný poměr: 1:2:1:2:4:2:1:2:1
Fenotypový štěpný poměr: 9 : 3
:
3
: 1
Příčiny neúspěchu G. Mendla
Thomas Hunt Morgan
• Drosophila melanogaster
–
–
–
–
–
potomstvo
chov
generační čas
pozorování
chromosomy
Drosophila s bílýma očima
Drosophila melanogaster
• 3 páry autosomů a 1 pár gonosomů
• Určení pohlaví stejné jako u člověka:
– samec XY
– samice XX
Morganův experiment
- samec XY
- samice XX
Podobné Mendelovi –
F2 generace 3:1
Bílé oči pouze samci!
Morganovy závěry
• Gen pro bílé oči – chromosom X
• Alela je recesivní – samice s
bílýma očima jsou ….
• A samci…..
Genová vazba
•
•
•
•
1 chromosom – mnoho genů
Lokusy v těsné vazbě – nízká pravděpodobnost separace
Oba geny- jedna gameta
Genová segregace není náhodná (vzdálenost)
1. MORGANŮV ZÁKON
• všechny geny lokalizované na jednom chromozomu tvoří
vazbovou skupinu (tyto geny jsou ve vazbě)
• počet vazbových skupin je charakteristický pro každý druh
(u člověka v 1 sadě je 23 vazbových skupin)
• Morgan opravil 3. Mendelův zákon: volně kombinovatelné
jsou geny různých vazbových skupin
2. MORGANŮV ZÁKON
• geny vazbové skupiny jsou uspořádány za sebou v
určitých lokusech
• mezi geny jedné vazbové skupiny nenastává segregace
• změna alelické sestavy v rámci vazbové skupiny - tzv.
rekombinace - je možná jenom při crossing-overu
2. MORGANŮV ZÁKON
• AaBb alely AB v jedné skupině a alely ab v homologní druhé
skupině:
– gamety AB nebo ab
– v důsledku crossing-overu mohou být i rekombinované
gamety Ab, aB
• pravděpodobnost crossing-overu je tím větší, čím jsou geny na
chromozomu dále od sebe - tzv. síla vazby - je mírou relativní
vzájemné vzdálenosti genových lokusů
• četnost nerekombinovaných a rekombinovaných gamet lze
zjistit zpětným křížením
AaBb x aabb
• AaBb : aaBb : Aabb : aabb = 1 :1 : 1 : 1 (vznikají stejně
často)
oba alelové páry jsou volně kombinovatelné, jsou
na různých chromozomech
• častější původní rodičovské kombinace AaBb, aabb než
rekombinované genotypy
oba alelové páry jsou ve vazbě
VAZBA GENŮ
A
B
A
B
2 AB
A
A
B
a
b
B
a
b
bez crossing-overu
2 ab
a
b
A
B
a
a
b
A
B
a
B
A
b
B
b
A
a
b
a
b
AB
aB
Ab
ab
crossing-over
rekombinanty
VAZBA GENŮ
• sílu vazby MORGANOVO ČÍSLO (hodnoty 0 - 50):
procentuální zastoupení rekombinantních potomků v souboru
všech jedinců zpětného křížení
• čím je větší podíl rekombinant (= vyšší Morganovo číslo), tím
je síla vazby slabší
MORGANOVO ČÍSLO
• vyjadřuje relativní vzdálenost mezi geny
mapě
v chromozomové
• jednotkou této vzdálenosti (tj. síly vazby) - 1 cM
• pravděpodobnost 1 %, že mezi sledovanými geny nastane
crossing-over, respektive je to 1 % četnosti rekombinant v
potomstvu zpětného křížení
• s rostoucí vzdáleností genových lokusů roste
pravděpodobnost vícenásobného crossing-overu
Rekombinační frekvence –
genetická mapa
• genetická mapa = lineární sekvence genů na
chromosomu (Alfred Sturtevant)
Genetická mapa
• Some genes far away
• 50% - pravděpodobnost rekombinace (=volné)
• Nezávislá segregace probíhá když
– Geny na oddělených chromosomech
– Jsou geny syntenní, ale daleko od sebe
Genetická
mapa
chromosom II
Vybrané problémy s
genovými mapami
• Pravděpodobnost crossing overu není uniformní
• Některé oblasti - inhibice
• Rekombinační hot-spots (80% u ¼ genomu)
• U člověka – vyšší u žen
Fyzická mapa
1 cM = 1 Mb DNA
Cytogenetická mapa
• Pozice genů – selektivní barvení
• Sekvence a pozice genů
http://ghr.nlm.nih.gov/handbook/howgeneswork/gene
location
GENY A CHROMOSOMY
geny na chromosomech
A. autosomální dědičnost
B. gonosomální dědičnost
X-vázaná
Y-vázaná (holandrická)
Chromosomy
• Chromo = barva; Soma = tělo
• poprvé popsány Strausbergerem roku
1875
• “Chromosom” poprvé použit Waldeyerem
roku 1888.
VELIKOST GENOMU
VELIKOST
bp x 109
% kódující DNA
E. coli
0.004
95
Kvasinka
0.01
70
Hlístice
0.1
25
Octomilka
0.2
30
Ryba
140
0.1
Čolek
19
0.5
Člověk
3
2
Arabidopsis
0.2
30
Fritillaria
130
0.02
POČET GENŮ V GENOMU
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
HIV
Mycoplasma
E. coli
Streptomyces
Kvasinka
Škrkavka
Octomilka
Komár
Myš
Člověk
Arabidopsis
10
517
4,300
8,000
6,000
18,000
14,000
14,000
30,000
23,000
25,000
Počet chromosomů v buňce
Druhy
Octomilka
Ploštěnka
Žába
Kočka
Myš
Makak
Člověk
Pes
Druhy
8
16
26
38
40
42
46
78
Kukuřice
Řasa
Brambora
Kvasinka
Plíseň
20
20
48
32
4
1 pár (2/somatickou buňku)
Myrmecia pilosula
630 párů (1260/somatická buňka)
Ophioglossum
reticulatum
TYPY DĚDIČNOSTI
AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
GONOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
Symboly rodokmenů
AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
• dědičnost znaků, jejichž geny jsou na autosomech
• řídí se Mendelovými a Morganovými zákony
rodiče
AA x AA
AA x Aa
AA x aa
Aa x Aa
Aa x aa
aa x aa
AA
1
0,5
0,25
děti
Aa
0,5
1
0,5
0,5
dominantní znak
aa
0,25
0,5
1
recesivní znak
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. hemi-zygot - XY, xY
(u recesivních znaků dochází k pseudodominanci)
GONOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST
• u ženy XX se geny chovají jako na autosomech (XX, Xx, xx)
rodiče
XX x XY
Xx x XY
xx x XY
XX x xY
Xx x xY
xx x xY
dcery
XX
Xx
xx
1
0,5 0,5
1
1
0,5 0,5
1
znak
znak
domin. reces.
3
:
1
synové
XY
xY
1
0,5
0,5
1
1
0,5
0,5
1
znak
znak
domin. reces.
1
:
1
Gonosomální recesivní dědičnost
• recesivní znak u žen je velice vzácný
• žena heterozygot = tzv. přenašečka - recesivní alelu předává
svým synům
• znak se častěji vyskytuje u mužů
• exprimující muž nemůže znak předat svým synům
I.
II.
III.
IV.
Dědičnost pohlavně ovládaná
• některé znaky obratlovců se fenotypovým projevem výrazně
liší u samců a samic
• geny jsou na autosomech - jejich exprese je ovlivněna
pohlavními hormony
• např. všechny sekundární pohlavní znaky
• v pubertě se tyto znaky diferencují u obou pohlaví různě, i
když ze stejného tkáňového základu
Dědičnost pohlavně ovlivněná
• geny jsou na autosomech
• u heterozygotů:
– u jednoho pohlaví se znak jeví jako dominantně děděný
– u druhého pohlaví jako recesivně děděný
• např. předčasná plešatost u člověka - častější je u mužů:
– obě patologické alely v genotypu - znak je u obou
pohlaví
– jedna patol. alela - znak se projeví jen u mužů (zesilující
účinek testosteronu)
Polygenní dědičnost
• Znaky ne diskrétní, ale kvantitativní
• Kontinuum
• Geny malého účinku
Gausovské rozdělení
Příroda versus příhoda
• Výška, barva kůže, svaly
• Monozygotická dvojčata
• Genotypy – bariéry kontinua
Multifaktoriální dědičnost
• Genetické pozadí + vlivy prostředí
GENETICKÉ ZÁKONITOSTI
V POPULACI
HARDY-WEINBERGŮV
ZÁKON
DEFINICE POPULACE
• soubor jedinců téhož druhu
• žijí v určitém čase, na určitém místě
• mohou se vzájemně mezi sebou křížit
DEFINICE POPULACE
• genofond = soubor všech alel v gametách všech členů
populace
• frekvence každé alely v populaci ovlivňuje frekvenci
genotypů i fenotypů
• genetika populací - zkoumá genofond populace a faktory,
které ho mohou ovlivňovat během střídání generací
AUTOGAMIE
• samooplození (jen samosprašné rostliny)
• podobný efekt má příbuzenské křížení (inbreeding)
• heterozygoti tvoří potomky různých genotypů v poměru
1:2:1 (AA : Aa : aa)
v každé generaci se snižuje počet
heterozygotů
• populace se homozygotizuje, tj. je tvořena 2 čistými liniemi
homozygotů AA, aa, heterozygotů Aa je velmi málo
• alelová frekvence se nemění, mění se genotypové
frekvence
PANMIXIE
• náhodné párování jedinců (gonochoristé, cizosprašné
rostliny)
• alelové frekvence a jim odpovídající genotypové frekvence
jsou stálé, neměnné
• ideální panmiktická populace:
– dostatečně velká
– nepůsobí mutace
– neprobíhá selekce
– nedochází k migraci
– je náhodné párování a úplné střídání generací
HARDY-WEINBERGŮV ZÁKON
• frekvence alely A = p
• frekvence alely a = q
p+q = 1
• pro genotypové složení panmiktické populace platí: p2 +
2pq + q2 = 1
• evolučně stagnuje
• zákon platí i pro alely na gonosomech
Využití HW zákona
frekvence cystické fibrózy (AR) v populaci 1 : 2 500
q2 = 1:2500 = 0,0004 = 0,04 % q =
p = 1- q = 1 - 0,02 = 0,98
0,0004 = 0,02
2pq = 2 . 0,98 . 0,02 = 0,0392 = 0,04 = 4 %
p2 = 0,982 = 0,96 = 96 %
frekvence hemofilie A (GR) 1 : 10 000 mužů
muži xY
q = 1 : 10 000
ženy xx
q2 = 1 : 100 000 000
Vlivy narušující HW rovnováhu
• nenáhodné párování (důsledky podobné jako autogamie či
inbreeding)
• mutace mění četnost alel v genofondu, tomu odpovídá
změna genotypového složení populace
• adaptivní hodnota F (tj. jaká je jeho reprodukční
schopnost), vyplývá z působení selekčního tlaku
• letální geny: s = 1, F = 0 (genetická smrt)
• selekce a mutace ovlivňují složení genofondu populace
MUTACE
• Mutace
• Zpětné
• Rekurentní
Populační genetika, „ostražitá
genetika“ a eugenika
•
•
•
•
•
Sir Francis Galton
Charles Davenport
Margaret Sanger
A. Hitler
Newton Morton
MIMOJADERNÁ
DĚDIČNOST
(DĚDIČNOST MATROKLINNÍ)
• semiautonomní organely - mitochondrie a plastidy - mají
svou DNA
• mimojaderná DNA je cirkulární, nahá bez histonů, replikuje
se nezávisle na replikaci jaderné DNA
• organely mají vlastní proteosyntetický aparát
• mimojaderné geny se neřídí Mendlovými zákony
• kódují znaky spjaté s funkcí dané organely
Mitochondriální DNA (mtDNA)
http://cellbio.utmb.edu/cellbio/mitoch2.htm
• molekula dlouhá asi 16 500 pb
• nese informaci:
– pro některé enzymy dýchacího řetězce
– pro některé podjednotky dehydrogenázy NADH
– pro ATPázu
– pro 2 rRNA
– pro 22 tRNA
• ostatní enzymy kódovány jadernými geny
MATROKLINITA
• mimojaderné geny se dědí po matce
• vajíčko přináší do zygoty hodně cytoplazmy (včetně
mitochondrií)
• při mitóze se rozcházejí mitochondrie do buněk náhodně
u heterozygotů nejsou žádné charakteristické štěpné
poměry
• heteroplazmie
MITOCHONDRIÁLNÍ CHOROBY
• u člověka několik chorob podmíněných defekty v mtDNA např. Leberova atrofie optiku
výskyt 1 : 50 000, oboustranná slepota
2 bodové mutace v genu pro podjednotku NADH
dehydrogenázy
je snížená aktivita transportu elektronů,
vázne oxidativní fosforylace
• bývají postiženy tkáně citlivé na nedostatek energie (zrakový
nerv, CNS, svaly)
Mimojaderná dědičnost u baktérií
• PLAZMIDY
• nejsou životně nezbytné, pouze zvýhodňují životnost
baktérie
• nesou řadu genů:
– R plazmidy
– Col plazmidy
– F plazmidy
1. KONJUGACE BAKTÉRIÍ
přítomnost F plazmidu umožní vytvořit pilus, kterým se F+
baktérie přichytí k F- baktérii
cytoplazmatickým můstkem
se F plazmid může přenést ve směru F+
F-
http://www.arches.uga.edu/~mgray23/mechanisms.htm
KONJUGACE BAKTÉRIÍ
F plazmid se může včlenit do bakteriálního chromozomu
při
konjugaci bude můstkem přecházet vedle plazmidu i kopie
bakteriálního chromozomu (jen část) - vzniká nová bakteriální
rekombinanta
http://www.arches.uga.edu/~mgray23/mechanisms.htm
PLAZMIDY JAKO VEKTORY
• do DNA plazmidů lze včlenit cizorodé geny
• takto rekombinovaný plazmid slouží jako vektor pro přenos
cizorodé DNA do jiných buněk
• plazmidy se využívají v genových manipulacích
• k vytvoření rekombinovaného plazmidu jsou nutné restrikční
endonukleázy (bakteriální enzymy štěpící DNA)
Restrikční endonukleázy
Eco RI
Escherichia coli 5’…GAATTC…3’
3’…CTTAAG…5’
Hind III
Haemophilus
influenzae
Hind II
5’…AAGCTT…3’
3’…TTCGAA…5’
5’…CAG CTG…3’
3’…GTC GAC…5’
2. TRANSDUKCE
http://www.arches.uga.edu/~mgray23/mechanisms.htm
• jako vektory cizích genů lze využít BAKTERIOFÁGY
• mírný (lyzogenní) bakteriofág
• lyzogenní cyklus
• při uvolnění fága z DNA hostitele vezme s sebou část
molekuly DNA a přenese ji do jiného hostitele (opět lyzogenní
cyklus)