GENETIKA

Mendelistická dědičnost

©2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

Rok autor Objev

1856-1863 J.G.Mendel experimenty s hrachem, Mendelovy zákony

1859 Ch. Darwin On the Origin of Species ..., evoluce

1908 G.H.Hardy, W. Weinberg HW zákon

1910 T.H.Morgan Morganovy zákony

1941 G. Beadle, E. Tatum 1 gen - 1 enzym

1953 J. Watson, F. Crick struktura DNA

1977 W. Gilbert, F. Sanger sekvenování DNA

1986 K. Mullis a další PCR

2001 - kompletní DNA sekvence člověka (Human Genome Project „working draft“)

Nauka o DĚDIČNOSTI (HEREDITA) a

PROMĚNLIVOSTI (VARIABILITA)

termín genetika poprvé použil v r. 1905 W. BATESON

název genetika odvozen z latinského genesis - zrození

genetika je těsně svázána s evolucí

1. MOLEKULÁRNÍ GENETIKA

(replikace DNA, genová exprese)

- struktura a exprese genů na molekulární úrovni

- přenos genetické informace z generace na generaci

2. KLASICKÁ GENETIKA - přenos znaků z generace na generaci

MENDELISMUS

NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST

DĚDIČNOST KVANTITATIVNÍHO ZNAKU

3. POPULAČNÍ GENETIKA - variabilita v genech (znacích) v populacích a mezi populacemi

3 části genetiky - 3 přístupy ke studiu:

MENDELISMUS (Mendelistická dědičnost) - studuje

jakoukoliv pravidelnou dědičnost kvalitativního znaku na

úrovni jedince

1822-1884

KLASICKÁ (FORMÁLNÍ) GENETIKA

1. Mendelova pravidla (zákony)

2. Genové interakce

3. Vazba vloh

4. Vazba na pohlaví

Johan Gregor Mendel (1824-1884)

„otec moderní genetiky„ narozen v Hynčicích, (Rakousko, nyní ČR)

1840-43 Fylozofický Institut v Olomouci

1843 Augustiánské opatství Sv. Tomáše v Brně

1851 Univerzita ve Vídni

1853 učitel fyziky, 1868 opat

experimenty s hrachem (Pisum sativum),

jestřábníkem (Hieracium), včelami →

Mendelovy zákony dědičnosti zemřel v Brně (chronická nefritída)

PROTEIN

plní různé funkce (stavební, regulační, katalytická) a tak

vytváří či ovlivňuje různé znaky organizmu. Např:

1) gen pro barvu květu – protein vzniklý expresí genu má funkci

enzymu, který katalyzuje barvu květu

2) gen pro krevní skupiny – kóduje protein (aglutinogen)

přítomný na povrchu erytrocytů a tak vytváří krevní skupinu

(aglutinační reakce)

ZNAK = rys (charakteristika) organizmu

GENOVÁ EXPRESE

exprese genu (část DNA) prostřednictvím transkripce a

translace

Animace genové exprese:

http://highered.mcgraw-

hill.com/sites/0072835125/student_view0/ani

mations.html#

Co je výsledkem genové exprese?

FENOTYP

= běžně používané jako synonymum pro znak

= doslova = stav znaku (konkrétní forma znaku) např. znak = barva očí má fenotypy = modrá, hnědá)

= komplex znaků daného organizmu

KVALITATIVNÍ ZNAK

monogenní dědičnost (znak je ovlivněn jedním MAJOR

GENEM)

dán jen geneticky

fenotyp vytváří různé kategorie

KVANTITATIVNÍ ZNAK

interakce mezi 2 či více MINOR GENY a prostředím

fenotyp se liší v intenzitě (měřitelné)

Uveď příklady kvalitativních a kvantitativních znaků

GEN = jednotka dědičnosti

kóduje protein (strukturální gen) nebo

tRNA a rRNA

Alela = konkrétní forma genu (gen může mít

1, 2 a více alel) – dominantní, recesivní

Lokus = místo genu na chromozomu

GENOTYP - genetická (alelická) konstituce organizmu

Homozygot – jedinec nese 2 stejné alely téhož genu

Heterozygot – jedinec nese 2 různé alely téhož genu

Autozomální - lokus je na nepohlavních chromozomech

Gonozomální - lokus je na pohlavních chromozomech

Kolik má jedinec alel pro daný gen?

Terminologie:

P generace = parentální (rodičovská) generace

- vždy se jedná o dva různé homozygoty

F1 - generace = první generace potomků (filiální)

- vzniká křížením jedinců z P generace za vzniku heterozygotů

F2 - generace = druhá generace potomků (filiální)

- vzniká křížením dvou jedinců z F1 generace

B1 generace - vzniká zpětným kříţením (back crossing), tj. homozygot

s heterozygotem (jedinec z P a F1 generace)

- Mendel je sám neformuloval, vyplynuly z jeho prioritních prací

- sledoval přenos znaků z rodičů na potomky

- (1854-1865) hybridizace hrachu (jestřábník, ovocné stromy)

+ matematický teoretický základ

1. MENDELOVA PRAVIDLA

1. UNIFORMITA HYBRIDŮ F1

jedinci F1 jsou genotypově i fenotypově uniformní,

protože jejich rodiče jsou homozygoti

2. IDENTITA RECIPROKÝCH KŘÍŢENÍ

pro charakteristiku F1 hybridů je jedno, jestli má určitou

alelu v P generaci samec nebo samice, protože geny leží

na autosomech (v autosomech se pohlaví neliší)

*Hybrid = heterozygot

4. VLOHY JSOU VOLNĚ KOMBINOVATELNÉ

(princip kombinace vloh)

protože alely leží na různých chromozomových párech

3. ČISTOTA VLOH A JEJICH ŠTĚPENÍ

(princip segregace vloh)

vlohy jsou u jedinců čisté (nemíchají se)

vlohy se štěpí, protože jde o 2 různé alely leţící na dvou

různých homologních chromozomech a v průběhu

gametogeneze se rozcházejí do různých gamet

PODMÍNKY PLATNOSTI 1. MONOGENNÍ DĚDIČNOST: 1 gen - 1 znak

2. AUTOSOMÁLNÍ DĚDIČNOST: geny jsou na autosomech

3. KAŢDÝ GEN LEŢÍ NA JINÉM CHROMOZOMU

Úplná dominance - heterozygot je fenotypově stejný jako

dominantní homozygot, tj. červený (fenotyp v F2 3:1)

Neúplná dominance - jedna alela se uplatňuje silněji

(heterozygot má květy tmavě růžové) (fenotyp v F2 1:2:1)

Kodominance - společný projev dvou párových dominantních

alel (př. krevní skupiny člověka)

Př. krevní skupiny – kódovány jedním genem (I). U lidí jsou 3

alely (IA, IB, i) a 4 fenotypy (A, B, AB, 0). Alely A a B jsou

kodominantí. (u člověka je také MN krevní systém, který je také kodominantní)

Vztahy mezi alelami

Kombinační čtverec (Punnett square) navrhl Reginald Punnett

používán ke zjištění pravděpodobnosti vzniku potomků s

určitým genotypem

P: BB x bb

gamety:

F1 :

gamety:

F2 :

genotypový štěpný poměr?

fenotypový štěpný poměr?

MONOHYBRIDISMUS

Interaktivní animace kombinačního čtverce:

http://www.dnaftb.org/dnaftb/5/concept/index.html

P: GGYY x ggyy

gamety:

F1 :

gamety:

F2 :

genotypový štěpný poměr?

fenotypový štěpný poměr?

DIHYBRIDISMUS

Alternativou je rozvětvovací metoda (viz cvičení)

dva či více genů (major geny) ovlivňují 1 kvalitativní znak

pozná se podle změny štěpných poměrů v F2 generaci

porušena podmínka 1 gen – 1 znak

2. GENOVÉ INTERAKCE

RECIPROKÁ INTERAKCE

- bez změny fenotypového štěpného poměru

- znak je ve více formách, každá je determinována jednou z

kombinací alel rodičovských genů

př.zbarvení paprik (z cvičení zbarvení andulek)

F2: R-C- R-cc rrC- rrcc červená hnědá žlutá zelená

9 : 3 : 3 : 1

Jak rozliším, ţe 9:3:3:1 je genová interakce nebo dihybridismus?

DOMINANTNÍ EPISTÁZE dominantní alela epistatického genu potlačuje fenotypový

projev hypostatického genu

př1. zbarvení jiřin (z cvičení zbarvení dýní)

F2: Y-I- Y-ii yyI- yyii

žlutá žlutá slonov. bílá

12 : 3 : 1 RECESÍVNÍ EPISTÁZE

homozygotně recesívní sestava epistatického genu potlačuje

fenotypový projev hypostatického genu

př.1: zbarvení květů šalvěje (z cvičení zbarvení myší)

F2: A-P- : A-pp : aaP- : aapp

fialová bílá růžová bílá

9 : 4(bílá) : 3

INHIBICE dominantní alela genu inhibitoru (supresoru, I) potlačuje funkci

jiného genu, ale sama nemá ţádný účinek na fenotyp!

př. zbarvení peří slepic

F2: Č-I- : Č-ii : ččI- : ččii bílé : červené : bílé : bílé

13 (bílé) : 3 (červené)

KOMPENZACE

funkce dominantních alel dvou genů je protisměrná, jejich

fenotypové účinky se vzájemně vylučují

př.: zakřivení lusku u hrachu (zbarvení peří kanárků)

10 : 3 : 3

KOMPLEMENTARITA dominantní alely dvou (či více) genů se vzájemně doplňují při

realizaci fenotypového znaku (znak se vytvoří, jsou-li

přítomny obě dominantní alely)

Př.: zbarvení květů hrachoru

F2: C-R- : C-rr : ccR- : ccrr

červená bílá bílá bílá

9 (červená) : 7 (bílá)

MULTIPLICITA (duplicita) duplicitní geny mají stejný fenotypový účinek

intezita fenotypového účinku závisí na tom, zda se účinek

duplicitních aktivních genů kumuluje a zda je mezi

alelami téhož genu vztah dominance

jednotlivé dominantní alely jsou identické, značí se stejným

písmenem

Duplicitní faktory nekumulativní s dominancí

účinek se nekumuluje, buď je nebo není dominantní alela

př.: tvar tobolek u kokošky pastuší tobolky

F2: ( ) : ( )

15 : 1 Duplicitní faktory kumulativní s dominancí

intenzita projevu znaku závisí na počtu dominantních alel,

jejichž účinek se navzájem zesiluje

př.: zbarvení obilek ječmene

F2: tmavohnědé : hnědočervené : bílé

9 : 6 : 1

Duplicitní faktory kumulativní bez dominance

neprojevuje se dominance a recesivita, intenzita projevu

znaku závisí na celkovém počtu aktivních alel

př.: barva obilek pšenice

F2: tmavočervená : červená :světle červená : růžová : bílá

1 : 4 : 6 : 4 : 1

Odvození štěpných poměrů v F2 generaci

A-B- A-bb aaB- aabb

Reciproká interakce 9 3 3 1

Dominantní epistáze 12 3 1

Recesivní epistáze 9 3 4

Komplementarita 9 7

Kompenzace 10 3 3

Inhibice 13 3

Duplicita nekumulativní 15 1

Duplicita kumulativní s dominancí 9 6 1

AABB

AaBB

AABb

AAbb

aaBB

AaBb

Aabb

aaBb aabb

Duplicita kumulativní bez

dominance 1 4 6 4 1

2 a více genů leží na 1 chromozomu a tvoří vazbovou

skupinu

projeví se změnou očekávaných štěpných poměrů

porušena podmínka – 1 gen na jednom chromozomu

3. VAZBA VLOH (GENŮ)

Kolik vazebných skupin můţe mít člověk?

MORGANOVY ZÁKONY !!! 1. geny jsou uloţeny na chromozomech lineárně za sebou

2. počet vazbových skupin je roven počtu párů

homologních chromozomů

Thomas Hunt MORGAN (1866 - 1945)

americký genetik, embryolog

studoval mutace na octomilce (Drosophila melanogaster)

zjistil, že geny leţí na chromosomech

získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu v roce1933

Drosophila se stala modelovým organizmem v genetice

Kolik gamet produkuje heterozygot AaBb a v jakém poměru?

-------------------------------------------------------------------------------------

Kolik gamet produkuje heterozygot AaBb, jestliže mezi geny A a

B je genetická vazba?

vazbová fáze cis: na 1 chromozomu AB, na druhém ab

vazbová fáze trans: na 1 chromozomu Ab, na druhém aB

A

b

a

B

SÍLA VAZBY – závisí na vzdálenosti mezi geny, tím je dála síla vazby

a pravděpodobnost vzniku crossing-overu mezi 2 geny

vazba úplná – geny leží blízko sebe, vazba je silná, nedochází ke

crossing-overu tj. nevznikají rekombinované genotypy

vazba neúplná – geny leží daleko od sebe, vazba je slabá,

dochází ke crossing-overu tj. vznikají rekombinované genotypy

A

B

a

b

cis trans

Vyjádření síly vazby:

BATESONOVO ČÍSLO (c) = počet gamet s nerekombinovaným

genotypem/počet gamet s rekombinovaným genotypem

MORGANOVO ČÍSLO (p) = 100 x počet gamet vzniklých

rekombinací/celkový počet gamet

1 cM (centimorgan) vyjadřuje 1 % rekombinační frekvenci mezi dvěma geny

na 1 chromozomu

Stanovení síly vazby:

- podle výsledků v F2 generaci

- zpětným křížením (křížení homozygota s heterozygotem)

p

p - 100c

1 c

100pVztah mezi c a p:

TESTOVACÍ KŘÍŢENÍ

podobné zpětnému křížení (heterozygot x homozygot), slouží

ke zjištění frekvence genotypů na základě fenotypového

štěpného poměru u potomků

Tří bodový test (viz. cvičení)

sleduje se interakce mezi 3 geny

slouží k sestavení chromozomové mapy = pořadí genů a

jejich vzdálenost v centimorganech (cM)

Chromozomová mapa:

http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome

/posters/chromosome/chooser.shtml

DĚDIČNOST NA POHLAVÍ VÁZANÁ (sex-linked)

4. VAZBA NA POHLAVÍ

znaky úplně pohlavně vázané - geny leží v nehomologních

částech heterochromozomů (není možný crossing-over)

znaky neúplně pohlavně vázané - geny leží v homologních

částech heterochromozomů (crossing-over možný, ale

často blokován)

geny leží na gonosomech

jeden z rodičů je hemizygot (samec)

porušena podmínka – geny leží na autosomech

homologní homologní

heterologní

heterologní

Znaky úplně pohlavně vázané - geny leží v heterologních

částech pohlavních chromozomů

a) gen leží na gonosomu Y (holandrická dědičnost)

- znak se dědí z otce na syna (hypertrichosis auriculae –

chlupaté uši)

b) gen leží na gonosomu X (hemofýlie, daltonismus u lidí, barva očí u octomilky)

uniformita F1 generace, jestliže dominantní alela je na

chromozomu X u samice (XDXD), v F2 3:1

dědičnost kříţem, jestliže dominantní alela je na

chromozomu X u samce (XDY), v F2 1:1

hemizygot

DĚDIČNOST POHLAVÍM PODMÍNĚNÁ (sex-limited) geny leží na autosomech obou pohlaví, ale znak se projeví jen u

jednoho pohlaví, které má anatomickou predispozici

znak se vyskytuje jen u jednoho pohlaví (př. kryptorchismus – jen u

samce)

DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLIVNĚNÁ (sex-influenced) geny leží na autosomech obou pohlaví, heterozygot je ovlivněn

pohlavními hormony tj. u samce se projeví jinak než u samice

znak se vyskytuje u obou pohlaví (př. zbarvení srsti u ayshirského skotu,

plešatost u lidí)

DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLÁDANÁ (sex-controlled) geny leží na autosomech obou pohlaví, heterozygot a dominantní

homozygot je ovlivněn pohlavními hormony, tj. u samce se projeví

jinak než u samice

znak se vyskytuje jen u jednoho pohlaví (př. sekundární pohlavní

znaky – vousy mužů, velikost ploutví u ryb)

* Umět aplikovat na nějaký příklad z cvičení !!!

Znaky související s pohlavím - geny leží na autosomech

1. vliv prostředí - teplota - želvy, krokodýli ♂♂ (t <28°C) ♀♂ (t 28-32°C) ♀♀ (t >32°C)

2. vliv pohlavních chromozomů

DETERMINACE POHLAVÍ U ŢIVOČICHŮ

Typ zástupci

Savci

(Drosophila) Y-gen SRY

XY XX savci, hmyz, některé

ryby, plaz,

obojživelníci

Ptakopysk Y-gen DMRT1

X1Y1X2Y2

X3Y3X4Y4

X5Y5

X1X1X2X2

X3X3X4X4

X5X5

ptakopysk

Ptačí

(Abraxas, ZW) Y-gen DMRT1

ZZ ZW ptáci, motýli, některé

ryby, plazi,

obojživelníci, rostliny

Protenor XO XX ploštice, rovnokřídlý

hmyz

sady

chromozomů

n 2n sociální hmyz

NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST

©2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.

NEMENDELISTICKÁ DĚDIČNOST

1. maternální dědičnost (extranukleární)

2. dědičnost vázaná na infekční agens

3. maternální efekt

4. trinukleotidové repetice

5. komplexní znaky

znaky, které se dědí jinak, než podle pravidel mendelismu

všechny znaky u hub, virů a bakterií se dědí nemendelisticky

termín se používá spíše pro výjimky u eukaryotických buněk

objevena v roce 1908 - Carl Correns u rostliny Mirabilis

jalapa – nocenka jalapenská

MATERNÁLNÍ DĚDIČNOST (cytoplazmatická, extranukleární)

znaky potomků se nevyštěpují v poměrech odpovídajících

mendelismu

všichni potomci mají fenotyp 1 rodiče (obvykle matky -

množství cytoplazmy v samičí gametě je větší než v samčí

gametě zdrojem mitochondrií (chloroplastů) potomka je

matka)

neplatí identita reciprokých kříţení

samičí gameta samčí gameta

Vysvětlení: Samčí mitochondrie jsou obvykle zničeny po oplodnění. V roce 1999 byl tento

mechanismus objasněn: mitochondrie spermií jsou označeny ubiquitinem, aby byly následně

zničeny v embryu. Některé IVF techniky mohou tento proces narušit.

Př.: panašovanost rostlin

- geny pro barvu rostlinných chloroplastů leží na cpDNA,

nezbarvené chloroplasty jsou výsledkem mutace genu cpDNA

Fenotyp samičí

rostliny (vajíčko)

Fenotyp samčí

rostliny (pyl)

Fenotyp potomka

Bílý

Bílý Bílý

Zelený Bílý

Panašovaný Bílý

Zelený

Bílý Zelený

Zelený Zelený

Panašovaný Zelený

Panašovaný

Bílý Bílý Zelený Panašovaný

Zelený Bílý Zelený Panašovaný

Panašovaný Bílý Zelený Panašovaný

Mitochondriální dědičnost:

mitochondriální onemocnění

ovlivněny buňky mozku, nervy, svaly, ledviny, srdce, oko, uši

příznaky: snížený růst, svalová slabost, problémy se zrakem a

sluchem, mentální retardace, onemocnění jater, ledvin a srdce,

cukrovka, neurologické problémy...

projev závisí na množství mitochondrií s mutací

Příklady:

1) Leber´s hereditary optic neuropathy (LHON) – mutace v genech

mtDNA pro elektron transportní řetězec proteinů → defect v enzymech oxidativní

fosforylace → produkce ATP je zastavena → degenerace n. opticus → ztráta

zraku (častější u mužů)

2) Kearns-Sayre syndrom – delece v mtDNA → odstranění genů tRNA,

narušena translace v mitochondriích → neuromuskulární defekt, paralyza svalů oka,

akumulace abnormálních proteinů v sítnici, chronický zánět a degenerace sítnice

oka, srdeční onemocnění

znaky přenášené symbiotickými viry nebo bakteriemi

lokalizace v cytoplazmě, k přenosu dochází při míchání

cytoplasmy (při fertilizaci)

DĚDIČNOST VÁZANÁ NA INFEKČNÍ AGENS

Př.: symbiotické RNA viry L a M u některých kvasinek

- společně vyvolávají produkci toxinu, který zabíjí kvasinky bez

M viru nebo obou virů (vůči vlastnímu toxinu je kvasinka odolná)

citlivé kvasinky kvasinka

produkující toxin

L virus

jen L virus bez virů

M virus

odlišný od maternální dědičnosti extranukleárních genů!

fenotyp potomka (bez ohledu na jeho genotyp) závisí na

genotypu matky (bez ohledu na její fenotyp) !!!!

princip: před fertilizací je v oocytu přítomen protein (produkt

genu matky), který ovlivňuje orientaci mitotického

vřeténka v první mitóze po fertilizaci a tím ovlivňuje

vynutí ulity (doprava nebo doleva) u potomka

MATERNÁLNÍ EFEKT

Př.: pravotočivé nebo levotočivé vinutí

ulity u plţe plovatky toulavé

(Lymnaea peregra)

Směr vinutí odlivňuje pár alel:

D - dominantní (pravotočivost)

d - recesivní (levotočivost)

* Umět vysvětlit na příkladu !!!!

Fenotyp potomka vţdy závisí na genotypu matky!

P generace

F3 generace

F1 generace

F2 generace

F1 - uniformní

F2 - uniformní

F3 - 3 : 1

levotočivá pravotočivá

levotočivá

všichni potomci

pravotočivá

všichni potomci

pravotočivá levotočivá

onemocnění způsobené zmnožením mikrosatelitů (tandemové

opakování trojice nukleotidů)

zdravý jedinec má malý počet repetic

s každou generací se počet repetic zvyšuje → premutace

(predispozice, že jedinec bude postižen) → postiţení

(jedinec bude mít příznaky onemocnění)

Huntingtonova choroba (HD)= tanec sv. Víta

vzácné autosomálně dominantní neurologické

onemocnění způsobené zmnožením

trinukleotidových repetic v genu kódující

Huntingtin protein

36 repetic (CAG) = práh pro onemocnění

Příznaky: abnormální pohyby (tanec sv. Víta),

špatná koordinace, změna chování

TRINUKLEOTIDOVÉ REPETICE

komplexní znaky se dědí kvantitativně (více genů), ale

exprimují se kvalitativně

neplatí Mendlovy zákony

více genů, více genotypů

kontinuální genetická variabilita

vliv vnějšího prostředí (mutageneze)

Při. dysplazie kyčelního kloubů

KOMPLEXNÍ ZNAKY

rodiče: gghhiijjkk (normální) x GGHHIIJJKK (s dysplazií)

potomek: GgHhIiJjKk

Bude mít potomek dysplazii?

práhem k onemocnění je přítomnost 7 dominantních alel

(které z nich to budou je jedno)

př. ggHHIIJJKk nebo GGHHIIJjkk

Opatření:

zařazovat do chovu jedince bez dysplazie

sourozenci těchto jedinců, jejich rodiče a sourozenci rodičů by

také měli být bez dysplazie

Př. dysplazie je determinována 5 aditivními geny (G, H, I, J, K)

pouze dominantní alely přispívají k dysplazii

znak

dědičnost

vliv

prostředí

kvalitativní

znak

monogenní malý

kvantitativní

znak

polygenní velký

komplexní

znak

polygenní velký

GRAFICKÉ POROVNÁNÍ ZNAKŮ