Biologie
8. Základy genetiky
Doc. RNDr. Jan Hošek, Ph.D.
hosek@mail.muni.cz
Ústav molekulární farmacie
FaF MU
2
Historie genetiky 10 000
př.n.l.
• neolitická revoluce – vznik zemědělství
• selekce nejvhodnějších jedinců pro další chov/pěstování
460-370
př.n.l.
• Hippokrates
• „Rodí li se z flegmatika flegmatik, z cholerika cholerik,
dozajista se rodí epileptik z rodičů epileptických…“
1820
• C.F. Nasse
• popsal dědičnost hemofilie - vazba na pohlaví
1822-
1884
• Johann Gregor Mendel
• Položeny základy genetiky
1900
• de Vries, Tschermak a Correns
• znovuobjevení Mendelových zákonů
1906
• William Bateson
• použil termín genetika, heterozygot a homozygot, F1 a F2
aj.
3
Historie genetiky
o 1900 de Vries, Tschermaka Correns - znovuobjevili Mendelovy zákony
o 1906 William Bateson - použil termín genetika, heterozygot a homozygot
o Wilhelm Johannsen - zavádí pojmy gen, genotyp a fenotyp
o Thomas Hunt Morgan - práce o chromozomech (Chromosomes and
heredity)
• modelový organismus používal octomilku (Drosophila melanogaster)
• nových poznatky o genech a genové vazbě
• 1933 se stal prvním genetikem, který získal Nobelovu cenu
• geny jsou vždy uloženy na chromosomu lineárně za sebou
• geny jednoho chromosomu tvoří vazebnou skupinu
• mezi geny homologického páru chromosomu může prostřednictvím crossing-overu
probíhat genová výměna. Frekvence crossing-overu je úměrná vzdálenosti genů
4
Historie genetiky
5
Historie genetiky
6
Historie genetiky
7
Genetika
o je věda zabývající se dědičností a proměnlivostí živých soustav (a jejich
příčinami)
o sleduje variabilitu, rozdílnost a přenos druhových a dědičných znaků
mezi rodiči a potomky i mezi potomky navzájem
GENETIKA
nauka o dědičnosti
replikace DNA segregace, kombinace
rekombinace
podobnost rozmanitost
8
Co je to z funkčního hlediska „gen“?
• Geny (faktory, znaky) = konstantní
faktory řídící fenotypové znaky
1866
J. G.
Mendel
• „Jeden mutantní gen = jeden
metabolický blok“
cca 1900
A. Garrod
• „Jeden gen = jeden enzym“
30. léta 20. stol.
G. Beadle a E. Tatum
• „Jeden gen = jeden polypeptid“
Druhá
polovina
20. stol.
9
Trocha terminologie
o genotyp – soubor
konkrétních genů (alel)
organismu
o fenotyp – projev znaků
Geny, vlohy znaky
genotyp fenotyp
vliv
prostředí
o gen – úsek DNA, který
kóduje jeden funkční
transkript (mRNA, rRNA,
tRNA, siRNA, lncRNA,…)
o alela – konkrétní forma genu
10
„Klasická“ (mendelovská) dědičnost
o Dědičnost kvalitativních znaků
Mezialelické vztahy I.
o úplná dominance - dominantní alela úplně
potlačí projev recesivní alely
• dominantní alela je tedy taková, která se projeví i v
heterozygotní kombinaci
o neúplná dominance - dominantní alela
nepotlačuje recesivní alelu úplně, recesivní
alela se také částečně projeví
11
Mezialelické vztahy I.
https://user.mendelu.cz/urban/vsg1/mendel/klas_interakce1.html
12
13
Mezialellické vztahy II.
o Kodominance - obě přítomné alely se u
heterozygota projeví v celé míře a navzájem
se neovlivňují
o Superdomianance - Heterozygot (Aa)
vykazuje silnější formu znaku než oba typy
homozygotů (aa, AA)
• Heterózní efekt – využití hlavně v zemědělství (např.
F1 hybridi rajčat)
• Heterózní efekt je způsoben nahromaděním dominantních heterozygotních
genů od obou rodičů u potomka (F1). Například jeden rodič má AABBccdd,
druhý rodič má aabbCCDD, potomek s heterózním efektem má AaBbCcDd.
Teorie dominance předpokládá, že dominantní alely jsou lepší než
recesivní. Kdo má víc genů s dominantními alelami, má lepší výsledky.
14
Mendelovy zákony dědičnosti
o První experimenty na hrachu setém (Pisum sativum) = vhodný
experimentální model
o pracoval s čistými rodičovskými liniemi (homozygoti)
o monohybridismus
o aplikace matematiky a statistiky
15
Mendelovy experimenty
16
1. zákon o uniformitě hybridů F1
o Křížíme-li dva homozygoty, jsou jejich potomci F1 generace v
sledovaném znaku všichni stejní. Reciproká křížení u jakýchkoliv
jedinců F1 generace dávají shodné výsledky
2. zákon o štěpení v potomstvu hybridů
o Při křížení heterozygotů lze genotypy a fenotypy vzniklých jedinců
vyjádřit poměrem malých celých čísel. Vzniká genotypový a
fenotypový štěpný poměr. U potomstva se projeví recesivní znak.
17
Punnettův čtverec
18
3. Zákon o samostatnosti alel
o Genotyp je soubor samostatných genů určujících znaky. Každý znak
je určen dvojicí samostatných alel
4. Zákon o segregaci alel
o Dvojice samostatných alel se při zrání rozcházejí a do každé gamety
přechází jedna z obou alel
19
5. zákon nezávislého výběru
o zahrnuje více znaků → alely se
navzájem neovlivňují, vzniká tedy
spektrum různých kombinací
n=1 n=2 obecně
Počet druhů gamet hybrida 2 = 2
1
4 = 2
2
2
n
Počet druhů zygot 3 = 3
1
9 = 3
2
3
n
Počet různých homozygotů* 2 = 2
1
4 = 2
2
2
n
Počet šlechtitel. novinek 0=2
1
-2 2=2
2
-2 2
n
-2
Genotypový poměr v F2 (1:2:1)
1
(1:2:1)
2
(1:2:1)
n
Fenotypový poměr v F2** (3:1)
1
(3:1)
2
(3:1)
n
* v obou alelových párech
** při úplné dominanci ve všech alelových párech
Zobecnění pro n- hybridismus
Shrnutí Mendelových poznatků
1. Jednotky dědičnosti (geny) jsou materiální povahy
a předávají se z generace na generaci
2. P homozygotní - F1 uniformní
3. Identita reciprokých křížení
4. Vlohy (alely) jsou párové
5. Alely jednotlivých genů se rozcházejí do gamet
PRINCIP SEGREGACE
6. Nezávislá kombinace alel různých genů v gametách
PRINCIP KOMBINACE
7. Dominance a recesivita - Aa, AA mají stejný fenotyp
8. Neúplná dominance - genotyp = fenotyp
21
Odchylky od mendelovských štěpných poměrů
o situace, kdy Mendelovy zákony úplně neplatí
o odchylky od mendelovýchpravidel (vztaženo na genetiku lidského
jedince):
o Snížená vitalita (letalita) gamet a zygot
o Vazba genů
o Interakce genů
o Vazba na pohlaví
o Mimojaderná dědičnost
o Polygenní dědičnost
o Variabilní exprese
22
Snížená vitalita (letalita) gamet a zygot
vitální > subvitální > semiletální > letální
recesivní letalita AA Aa aa
recesivní letalita dominantní alely AA Aa aa
dominantní letalita AA Aa aa
gamety - haplontická selekce zygoty - diplontická selekce
23
Recesivní letalita dominantní alely
o Manská kočka
o MM –letální
o Mm –bezocasé
o mm -normální
24
Vazba genů
o při vazbě dvou genů neplatí volná kombinovatelnost = odchylky od fenotypového
štěpného poměru 9:3:3:1 v F2 a 1:1:1:1 v B1 generaci
o geny na jednom chromozomu jsou vzájemně vázané
o trans fáze - dihybrid AaBb, který má geny A a B uloženy na různých párech
chromozomů, tvoří gamety genotypů AB – Ab – aB – ab v poměru 1 : 1 : 1 : 1
o cis fáze - dihybrid AaBb, který má geny A i B uloženy v jednom páru chromozomů,
tvoří gamety typu AB – Ab – aB – ab v odlišných poměrech
o příčinou je crossing-over mezi nesesterskými chromatidami
• vznikají gamety s nerekombinovanými (AB, ab) a rekombinovanými (Ab, aB) genotypy
• pravděpodobnost crossing-over klesá se vzdáleností obou sledovaných genů
o síla vazby (= vzdálenost mezi geny) se určuje Morganovým číslem, které vyjadřuje
podíl rekombinant a udává se v centimorganech (1 cM = 1 % rekombinant), k
rekombinačnímu procesu dochází s relativně nízkou pravděpodobností
25
Vazbová fáze cis/trans
26
Dvě možnosti výměn mezi nesesterskými
chromatidami
chromozomový pár gamety
https://user.mendelu.cz/urban/vsg1/mendel/klas_vazba1.html
27
Možnosti rekombinace chromatid
Inkorporace BrDU
během S-fáze
28
Interakce genů
o Reciproká interakce
• interakce bez změny štěpného poměru, sledovaný znak se vyskytuje ve
více formách, z nichž každá je determinována jednou z kombinací alel
rodičovských genů
o Epistáze
o Inhibice
o Komplementarita
29
P
F1
F2
FFOO ffoo
FfOo
FFOO
ffoo
FfOo
FfOo
FfOo
FfOo
FFOo
FFOo
FfOO
FFoo Ffoo
Ffoo
FfOO ffOO ffOo
ffOo
9 : 3 : 3 : 1
F-O- : F-oo : ffO- : ffoo
Reciproká interakce
(a)
Wyandottky
R- pp
(b)
Brahmanky
rr P-
Hybrid
(a) x (b)
R- P-
Leghornky
rr pp
31
Interakce genů
o Reciproká interakce
o Epistáze
• gen, kódující příslušný znak, nemá šanci se projevit, protože jemu
nadřazený gen to nedovolí
• Štěpný poměr je pozměněn
o Inhibice
o Komplementarita
32
Epistáze dominantní
o U dominantní epistáze stačí, aby byla v epistatickém vlohovém páru
přítomna aspoň jedna dominantní alela k potlačení účinku podřízeného
alelického páru. Dominantní homozygoti i heterozygoti v epistatickém
páru mají tedy shodný fenotyp bez na to, jaké vlohy nesou na páru
hypostatickém.
epistatický gen (alela) Y
hypostatický gen I, i
Y…intenzivně žlutý flavon
I… krémově žlutý flavon
Dahlia
variabilis
33
Epistáze recesivní
o U recesivní epistáze se tlumící účinek epistatického vlohového páru
projeví jen tehdy, je-li v tomto znaku jedinec recesivní homozygot.
Salvia viridis
var. horminum
P… růžový antokyan
A… růžový → fialový
pp > A-
34
Inhibice
o Inhibice se v mnohém podobá dominantní epistázi. Nadřazený vlohový pár ale nemá
žádný samostatný fenotypový projev, jeho dominantní alela pouze blokuje účinek
jiných vloh. Ty se proto mohou projevit pouze je-li inhibiční alelický pár v recesivně
homozygotním stavu.
C … červené zbarvení
I … inhibitor zbarvení
35
Komplementarita
o Je-li pro určitý fenotypový projev potřeba spolupůsobení dominantních
alel ze dvou či několika vlohových párů, jedná se o tzv. komplementaritu,
nebo též dvojitou či duplicitní recesivní epistázi.
Lathyrus odoratus
C… prekursor barviva
R… enzym
36
Vazba na pohlaví
o Gen se nalézá na gonozómech →
fenotypový projev v závislosti na pohlaví
37
Další odchylky od Mendelových štěpných
poměrů
o Mimojaderná dědičnost – mitochondriální DNA pouze od matky
• u rostlin chloroplastová DNA pouze od samičí rostliny
o Polygenní dědičnost – znak je kódován více geny → platí zde
současně pravidla pro n-hybridy a crossing-over
o znak má neúplnou penetranci - nemusí se projevit u 100%
jedinců, ale u některých osob k projevu nedojde, nebo je znak
zastřený a nesnadno pozorovatelný
o znak má variabilní expresi - u lidí se stejným genotypem
pozorujeme různě intenzivní projevy téhož znaku
38
39
Dědičnost kvantitativních znaků
o Projev znaku
nabývá různých
hodnot → plynulá
variabilita
Kvalitativní znak vs. kvantitativní znak
nízký vysoký malý velký
průměr
Mendelův
pokus
s výškou
rostlin
Galtonův pokus
s průměrem
semen
40
Dědičnost kvantitativních znaků
o pro výzkum polygenní a multifaktoriální dědičnosti lidských dědičných znaků
je obzvláště užitečné sledování dvojčat
• dizygotní dvojčata, vyrůstající ve stejném prostředí, nám podávají obrázek o tom, jak
působí stejné vnější faktory na dva jedince s odlišným (byť mírně) genotypem
• monozygotní dvojčata nám poskytují unikátní možnost hodnotit dva jedince se stejným
genotypem
• pokud tato monozygotní dvojčata navíc vyrůstají každé v jiném prostředí, můžeme
hodnotit vliv různého prostředí na jedince se stejným genotypem
o hodnotíme:
• konkordanci pro určitý znak (shoda - oba jedinci mají sledovaný znak)
• diskordanci pro určitý znak (neshoda - jedno z dvojčat daný znak nemá)
• heritabilita (dědivost) je hodnota, udávající, do jaké míry je hodnota znaků závislá na
genotypu jedince a nakolik je konečná hodnota znaku výsledkem působení vnějších
faktorů
Znak heritabilita HB (%)
myš délka ocasu 60
velikost vrhu 15
drozofila počet abdominálních chloupků 52
délka křídla 45
člověk astma 80
diabetes 70
Odhady heritability pro různé znaky (%)
Konkordance některých znaků
u jednovaječných (MZ) a dojvaječných (DZ) dvojčat
Znak Konkordance (%)
MZ DZ
Krevní skupiny 100 66
Barva očí 99 28
Mentální retardace 97 37
Spalničky 95 87
Idiopatická epilepsie 72 15
Schizofrenie 69 10
Krevní tlak 63 36
Diabetes 65 18
Identická alergie 59 5
Tuberkulóza 57 23
Rozštěp rtu 42 5
Křivé nohy 32 3
Rakovina prsu 6 3
43
Epigenetika
o Epigeneze - vysvětluje princip individuálního vývoje : výsledný organismus
není preformován, nýbrž vzniká kreativně na základě zděděné informace a
vnitřních i vnějších vlivů.
o Epigenetika - studuje dědičné změny genové exprese, ke kterým dochází
beze změny sekvencí DNA. Epigenetické procesy jsou obvykle způsobeny
represí transkripce řízenou modulací chromatinu
o Genomový imprinting - reverzibilní proces, kdy pohlavně specifická
modifikace genů v parentální generaci vede k funkčním rozdílům mezi
paternálními a maternálními genomy (alelami) v potomstvu
44
Mechanismy imprintingu
o Metylace DNA
o Acetylace histonů
45 Schagdarsurengin, U., Steger, K. Epigenetics in male reproduction: effect of paternal diet on sperm quality and offspring
health. Nat Rev Urol 13, 584–595 (2016). https://doi.org/10.1038/nrurol.2016.157
postižený/á normální normální
( přenašeč )
děti :
rodiče :
mutantní otec zdraví rodiče mutantní matka
Maternální imprint mutovaného lokusu vede
k odlišnému fenotypu potomstva
Chybný imprint P-alely (insulinový růstový faktor) či M-alely (růst
suprimující H19-RNA) vede k Beckwith-Wiedemannově syndromu
(aneb příběh Otesánka)
P
M
P
M
normál
BWS
Igf2 H19
(J. B. Beckwith & H. R. Wiedemann 1964)
48
Front. Genet., 27 August 2018
Sec. Epigenomics and Epigenetics
Volume 9 - 2018 | https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00342
49
Front. Genet., 27 August 2018
Sec. Epigenomics and Epigenetics
Volume 9 - 2018
| https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00342