JAK SE DĚDÍ GENY?is.muni.cz/www/184643/nalekarskou/105871915/2_genetika_stude… · Základní...

transcript

JAK SE DĚDÍ GENY? ZÁKLADY GENETIKY

Mgr. Katarína Chalásová, PhD.katarina.chalasova@gmail.com

Genetika – doporučená literatura

OD SPERMISMU K MODERNÍ GENETICE

historie

Představa o odevzdávání genetické informace potomkům

Pythagoras

Aristoteles

preformace

Charles Darwin

Jean-BaptisteLamarck

Johan Gregor Mendel

Hugo deVries

William Bateson

Thomas Morgan

Oswald Avery

Watson, Crick a Franclinová

CO NÁS NAUČIL MENDEL? principy dědičnosti

Základní pojmy diploidie / diploidní buňka, 2n

• chromozomy v somatických eukar. buňkách vždy v párech • shodují se velikostí, tvarem a vazební skupinou

haploidie / haploidní buňka, n • v jádrech specializovaných buněk = gametách • len jedna sada chromozomů• vznik redukčním dělením jádra = meiózou• organismy: ♂ blanokřídlých (včely, vosy, mravenci), některé huby a

řasy polyploidie, >2n

• asi 70% krytosemenných rostlin, cca 5% nahosemenných• metabolicky výnosnější = vyšší výnos• 4n: kukuřice, bavlna, brambor, zelí; 6n: pšenice; 8n: jahodník• u živočichů: některé ryby a obojživelníci• u člověka: jaterní buňky, osteoklasty, megakaryocyty

Základní pojmy

genetika - studium dědičnosti a proměnlivosti

párové založení dědičných vlastností – každý gen ve 2 variantách

alela – konkrétní varianta daného genu (A / a)

homozygotní genotyp – obě alely jsou funkčně shodné (AA / aa)

heterozygotní genotyp – obě alely jsou funkčně odlišné (Aa)

genotyp – soubor alel daného organismu

fenotyp – konkrétní vyjádření daného genotypu v prostředí

dominantní alela – „překryje“ projev druhé (A)

recesivní alela –projeví se jen v nepřítomnosti dominantní (a)

Základní pojmy

úplná dominance - dominantní alela úplně překryje recesivní

neúplná dominance – recesivní alela není plně překryta

kodominance –projeví se obě alely (AB0 systém)

genom – souhrn všech genů buňky

genofond – soubor genů v populaci

genotyp AA A0 BB B0 00 ABfenotyp A A B B 0 AB

Mendlovy zákony

Křížení bělokvěté a červenokvěté odrody hrachu setého

• rodičovská = parentální generace P (homozygoti)

• jejich potomstvo VŽDY stejné, červenokvěté = 1.filiální generace F1

1. Mendlův zákon = zákon o uniformitě hybridů v první generaci

AAa Aa

P: AA x aa

F1: Aa

Mendlovy zákony

Vzájemným křížením heterozygotů vzniká 2. filiální generace F2

• každý z rodičů může předat alelu A nebo a se stejnou pravděpodobností

• vzniká soubor různých kombinací – dochází ke genotypovému a

fenotypovému štěpení = segregaci alel do gamet a kombinaci do 2n

2. Mendlův zákon = zákon o segregaci a kombinaci

- kombinační čtverec:

Aa x Aa → AA Aa Aa aa

AAA Aa

aAa aa

Mendlovy zákony

• monohybrid = kříženec (hybrid) v jednom páru alel (genu)

• fenotyp závisí od dominantnosti

• vznik 2 různých gamet (A a a)

• vznik 3 různých genotypových kombinací

• genotypový štěpný poměr 1:2:1• vznik 2 různých fenotypových kombinací

• fenotypový štěpný poměr 3:1

AAA Aa

aAa aa

Mendlovy zákony

• dihybridní křížení – jedná se o dva páry alel (dva geny)

• heterozygot = dihybrid AaBb

• může tvořit 4 různé typy gamet (AB, Ab, aB, ab)

AaBb x AaBb → 16 kombinací

AB Ab aB ab

AB AABB AABb AaBB AaBb

Ab AABb AAbb AaBb Aabb

aB AaBB AaBb aaBB aaBb

ab AaBb Aabb aaBb aabb

Mendlovy zákony

• vznik 4 různých gamet (22)

• vznik 9 různých genotypových kombinací (32)

• vznik 4 různých fenotypových kombinací (22)

• genotypový štěpný poměr 1 : 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1

• fenotypový štěpný poměr 9 : 3 : 3 : 1

3. Mendlův zákon = zákon o volné kombinovatelnosti alel

AB Ab aB ab

„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl

• volná kombinovatelnost je možná, jen když jsou geny na různých

chromozomech

• jestli dva geny na jednom chromozomu – nejsou volně kombinovatelné,

ale prostorově vázané – „drží se jeden druhého“

1. Morganův zákon = geny na chromozomu lineárně za sebou

2. Morganův zákon = geny je jednom chrom. tvoří vazební skupinu

crossing-over = genetická rekombinace

= náhodní strukturní výměna částí nesesterských chromatid

homologních chromozomů v profázi 1. meiotického dělení (v

bivalentech)

síla vazby = pravděpodobnost náhodného crossing-overu v dané

oblasti je tím vyšší, čím dále od sebe dané úseky jsou

• zpětný křížení (AaBb x aabb) → B1 generace

změna štěpných poměrů

• Batesonovo číslo = poměr mezi fenotypovými četnostmi

nerekombinantních a rekombinantních potomků (pokud 1 = volná

kombinovatelnost)

• Morganovo číslo = percentuálně podíl potomků s rekombinantním

fenotypem (pokud 50% = volná kombinovatelnost)

AaBb x aabb

AB Ab aB abab AaBb Aabb aaBb aabb

a) volná kombinovatelnost = Mendlův zákon 1 1 1 1

b) úplná vazba 1 0 0 1c) „nějaká“ síla vazby poměry dle síly vazby

Bateson Morgan

0 0%? ?

• stanovením síly vazby je možné postupně určit relativní vzdálenost mezi dvojicemi genů = genetická mapa chromozomů = chromozomová mapa

„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl jeden znak ≠ jeden gen ! genové interakce

KOMPLEMENTARITA:• barva květu u hrachoru – dva geny:1) C – enzym katalyzující vznik bezbarvého prekurzoru barvy2) R – enzym katalyzující změnu prekurzoru na červený antokyan

• pro červenou barvu potřebné oba enzymy v dominantním fenotypu• stačí jeden v recesivním fenotypu (cc nebo rr) → bíla barva• změna fenotypového štěpného poměru: 9 : 7 ( 9 : 3 : 3 : 1 )

„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl KOMPLEMENTARITA:

AB Ab aB ab

EPISTAZE

• jeden produkt genu (epistatický) potlačuje projev druhého podřízeného páru alel

dominantní epistáze• epistatický vlohový pár potlačuje vliv jiných párů účinkem své

dominantní alely (A-)• barva květu jiřiny

o gen pro žlutou barvu A nadřazený genu pro krémovou Bo fen.š.p. 12 : 3 : 1

( 9 : 3 : 3 : 1 )AB Ab aB ab

EPISTAZE

• jeden produkt genu (epistatický) potlačuje projev druhého podřízeného páru alel

recesivní epistáze• je k potlačení potřeba homozygotně recesivní konfigurace (aa)• barva květu u šalvěje

o gen A = syntéza antokyanů o gen B = přeměna červeného barviva na fialovéo fen.š.p. 9 : 3 : 4

( 9 : 3 : 3 : 1 )

AB Ab aB ab

INHIBICE

• jedna alela potlačuje účinek druhé (B = barva, E=inhibitor) • barva peří u kuřat gen B = syntéza pigmentu, gen E = inhibitor pigmentu všechno bb → bez barvy všechno E- → bez barvy černá barva jenom v případě B-ee fen.š.p. 13 : 3

( 9 : 3 : 3 : 1 )

EB Eb eB eb

EB EEBB EEBb EeBB EeBb

Eb EEBb EEbb EeBb Eebb

eB EeBB EeBb eeBB eeBb

eb EeBb Eebb eeBb eebb

DUPLICITNÍ (MULTIPLICITNÍ) INTERAKCE

• k vyjádření stačí jedna dominantní alela

• aabbccDdeeff = aAbbccDdeeff = aabbccddeeFF = aaBBCCDDeeff

• odlišný fenotyp jenom u aabbccddeeff

• fen.š.p. 15 : 1 ( 9 : 3 : 3 : 1 )

KUMULATIVNÍ MULTIPLICITNÍ INTERAKCE

• čím víc dominantních alel, tím výraznější účinek

u králiků délka uší – 3 geny, každá dom alela + 2cm

aabbcc = 10cm → aABbcc = 14cm → AABBCC = 22cm

JAK SE DĚDÍ NEMOCI? typy dědičnosti

Geneticky podmíněné nemoci

A. Nemoci způsobené mutací v genu

B. Nemoci způsobené aberaci chromozomů

C. Polygenní nemoci

A) Nemoci způsobené mutací v genu

1) Autozomálně recesivní dědičnost/nemoci

2) Autozomálně dominantní dědičnost/nemoci

3) Gonozomálně recesivní dědičnost/nemoci

4) Gonozomálně dominantní dědičnost/nemoci

5) Další

A) Nemoci způsobené mutací v genuA1) Autozomálně recesivní nemoci

Recesivní alela = vyvolává vznik příslušného znaku pouze v homozygotním stavu (aa)

- postižený jedinec / nositel znaku (proband) je recesivní homozygot

- rodiče většinou heterozygoti = zdraví – přenašeči

- postižení / znak v rodině sporadicky – bez kontinuálního sledu

- znak u probandových sourozenců s 25% pravděpodobností

nemoc přenašeč zdravý

aa Aa AA

A) Nemoci způsobené mutací v genuA1) Autozomálně recesivní nemoci

1 rodič postiženýa) druhý přenašeč – kolik (%) potomků postižených? b) druhý zdraví homozygot – kolik (%) potomků postižených?

oba rodiče postižení - kolik (%) potomků postižených?

Fenylketonurie

Alkaptonurie

Albinismus

Cystická fibróza

• porucha transportu Cl- do buněk → hromadění hlenu v plících a na sliznicích

• postihuje dýchací a trávicí soustavu

• záněty dýchacího ústrojí bakteriemi

• frekvence výskytu v ČR 1: 2 000 – 1: 3 000 žnd

• každý 25. člověk přenašeč

• 98 % postižených mužů je neplodných

A1) Autozomálně recesivní nemoci

Fenylketonurie

• porucha přeměny fenylalaninu na tyrosin

• mutace nejčastěji v genu pro fenylalaninhydroxylázu

• vysoká hladina fenylalaninu v těle → toxický účinek na mozek ve vývoji

• neléčené děti – mentální retardace, epileptické záchvaty, apatie, poruchy chování

• léčba – dieta s nízkým obsahem fenylalanínu

• frekvence výskytu v ČR 1:10 000 žnd

A1) Autozomálně recesivní nemoci

A) Nemoci způsobené mutací v genuA2) Autozomálně dominantní nemoci

Dominantní alela = vyvolává vznik příslušného znaku i v heterozygotním stavu (Aa)

• proband se znakem má alespoň jednoho rodiče se znakem

• znak v rodokmenu v souvislým generačním sledu

nemoc zdravý

AA Aa aa

A) Nemoci způsobené mutací v genuA2) Autozomálně dominantní nemoci

1 rodič postižený (heterozygot) - kolik (%) potomků postižených?

1 rodič postižený (homozygot!!!) - kolik (%) potomků postižených?

oba rodiče postižení (heterozygoti) - kolik (%) potomků postižených?

oba rodiče zdraví - kolik (%) potomků postižených?

Huntingtonova choroba

chondrodystrofie

polydaktylie

Huntingtonova choroba

• neurodegenerativní onemocnění mozku

• mutace v genu pro huntingtin – znásobení kodonu CAG

• nekoordinované trhavé pohyby těla

• snížením mentálních schopností

• incidence asi 7:100 000

A2) Autozomálně dominantní nemoci

A) Nemoci způsobené mutací v genuA3) Gonozomálně recesivní nemoci

zdravá nemocná přenašečka

XAXA XaXa XAXa

XX X●X● X●X

zdravý nemocný přenašeč

XAY XaY -XY X●Y -

• u ♀kompenzováno druhou, dominantní alelou = přenašečka

• u ♂ jenom jeden X = zdravý/nemocný

Hemofilie

Syndrom fragilního X

Daltonismus

Hemofilie

• porucha srážlivosti krve

• porušen koagulační faktor VIII, IX nebo XI

• spontánní krvácení

• léčba aplikací chybějícího faktoru

A3) Gonozomálně recesivní nemoci

Daltonismus

• jedna z příčin barvosleposti

• žádná nebo omezená schopnost rozlišit červenou a zelenou barvu

A3) Gonozomálně recesivní nemoci

zdravá nemocná

XAXA XaXa XAXa

XX X●X● X●X

A4) Gonozomálně dominantní nemoci

• projeví se i u heterozygotních žen

vitamin D rezistentní rachitis

A) Nemoci způsobené mutací v genuA5) Další

Pohlavím ovládané znaky

• geny lokalizované na autozomech, ale projev závisí od pohlaví

sekundární pohlavní znaky nebo předčasná plešatost

AA Aa aa

A) Nemoci způsobené mutací v genuA5) Další

Holandrická dědičnost

• patrilineární – z otce na syna

• vázaná na chromosom Y

• nemoci u člověka velmi vzácné (málo genů na Y)

Mimojaderná dědičnost

• mtDNA v mitochondriích

• neřídí se mendelovskou dědičností

• matroklinita = materální dědičnost

Penetrace = „pronikavost“ = uplatnění znaku v populaci

• vyjadřuje % jedinců (z celkového, kde se to očekává podle genetických pravidel), u kterých se projeví znak

• př.: karcinom prsu – gen BRCA – projev ne u všech nositelek mutantního genu – pravdepodobnost 80%

Expresivita = vyjádření genu ve fenotypu

• př.: Cistická fibróza – nemusí mít tak závažný průběh – někdy mírnější forma

B) Nemoci způsobené aberací chromozomů

1) Numerické aberace

2) Strukturní aberace

• polyploidie

• aneuploidie

o trizomie, tetrazomie, monozomie, nulizomie

Downův syndrom

Edwardsův syndrom

Pataův syndrom

Klinefelterův syndrom

Turnerův syndrom

Syndrom Triple X , Syndrom XYY

B1) Numerické aberace

Downův syndrom

• trizomie 21 47,XX,+21 / 47,XY,+21

• nejznámější syndrom způsobený chromozomální aberací

• nejčastější vrozenou příčinou mentální retardace

• vrozené vady srdce, svalová hypotonie, vývojové vady orgánů

• deformity rukou a nohou - krátké široké ruce s krátkými prsty, čtyřprstová rýha

• typický vzhled

Edwardsův syndrom

• trizomie 18 (47,XX,+18 / 47,XY,+18)

• intrauterinní růstová retardace

• četné vrozené vývojové vady – rozštěp rtu a patra, ustupující brada, malformace některých vnitřních orgánů, malá ústa a nos,

• těžká psychomotorická retardace, opožděný duševní vývoj

• typickým rysem jsou tzv. „overlapping fingers" – prsty, překládající se jeden přes druhý

• 90 % postižených umírá do 12 měsíců po narození

Pataův syndrom

• trizomie 13 (47,XX,+13 / 47,XY,+13)

• rozštěpy rtu a patra, mikrocefalie, anomálie obratlů, polydaktylie, hypotonie.

• mikroftalmie, hluchota a anomálie ušních boltců

• mnohočetné vady vnitřních orgánů – srdce, ledvin, mozku a pohlavních orgánů

• těžká psychomotorická retardace

• postižení umírají většinou do 2 měsíců života

Klinefelterův syndrom

• 47, XXY

• mužský fenotyp

• typický eunuchoidní habitus (vysoký vzrůst, dlouhé končetiny)

• intelekt není výrazněji narušen

• malý penis, hypoplastická varlata, azoospermie, infertilita, gynekomastie

• porucha růstu vousů

Turnerův syndrom

• 45, X

• vrozené srdeční vady

• charakteristický vzhled

• malý vzrůst

• amenorrhea

• nedostatečný vývoje sekundárních pohlavních znaků

• bez změny intelektu

Syndrom 3X (Triple X, „Superfemale“)

• karyotyp 47, XXX (popř. více X nebo mozaika)

• mírná mentální retardace (vzácně), omezená plodnost

• minimální fenotypový projev – poddiagnostikováno

Syndrom XYY („Supermale“)

• karyotyp 47, XYY

• někdy vyšší postava, snížená plodnost, mírná mentální retardace

• předpoklady o zvýšených sklonech k agresi nebyly potvrzeny

• minimální fenotypový projev – poddiagnostikováno

• balancované vs nebalancované

• delece, duplikace, inverze, translokace

B2) Strukturní aberace

• specifický typ translokace - reciproká translokace

o Philadelphský chromozom (fúzní gen BCR-ABL )

Syndrom Cri du Chat

Prader-Willi syndrom

Angelmanův syndrom

Syndrom Cri du Chat

• syndrom kočičího křiku

• delece na p raménku (krátkém raménku) 5. chromosomu

• pláč připomínající mňoukání kočky, malformované ušní boltce, mentální retardace, vrozené vady srdce, kognitivní a motorické postižení

• závažnost je variabilní

Prader-Willi syndrom

• delece úseku na paternálním chromozomu 15

• (nebo uniparentální disomie mateřského chrom 15 = oba 15 od matky)

• hypotonie

• strabismus

• psychomotorická retardace

• progresivní obezita vlivem přejídání

Angelmanův syndrom

• delece úseku na maternálním chromosomu 15

• (nebo uniparentální disomie otcovského chrom = oba 15 od otce)

• těžká mentální retardace

• poruchy růstu a vývoje

• „veselý“ výraz obličeje

• křečovité neúčelné pohyby

C) Polygenní nemoci

• geny s velkým účinkem – monogenní nemoci

• geny s malým účinkem – polygenní nemoci

• multifaktoriální nemoci

cukrovka, esenciální hypertenze, ateroskleróza, obezita, rakovina, srdeční choroby, neplodnost, poruchy intelektu…

• Heritabilita = dědivost

PŘEDPOVĚĎBUDOUCNOSTI

Genetické testování

Genetická diagnostika

a) postnatální diagnostika

b) prenatální diagnostika

c) preimplantační diagnostika

A. Cytogenetické vyšetření

• co se vyšetřuje?

• z jakého materiálu?

• jakými technikami?

B. Molekulární genetika

• co se vyšetřuje?

• z jakého materiálu?

• jakými technikami?

Metody cytogenetického vyšetření

• G-pruhování = Giemsovo barvení

• Fluorescenční in situ hybridizace (FISH)

• Spektrální karyotypování (SKY)

Metody molekulární genetiky

• polymerázová řetězová reakce (PCR)

• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)

- mutace v genu XY

- záměna G za A

• voda + pufr

• templátová / testovaná DNA

• primery

• nukleotidy

• enzym DNA polymeráza

• Mg2+

- mutace v genu XY

- záměna G za A

PCR produkt = 822 bp

Bsm I5‘ … CTTACG|N… 3‘

CTTACG

646 bp176 bp

CTTACA

822 bp

CTTACG

CTTACA

646 bp176 bp

822 bp

• gelová elektroforéza

Pacient 1AA

Pacient 2GG

Pacient 3AG

176 bp

646 bp

822 bp

Pacient 1AA

Pacient 2GG

Pacient 3AG

176 bp

646 bp

822 bp

• PCR v reálním čase (RT-PCR)

NEJSME VŠICHNISTEJNÍ Populační genetika

Základy populační genetiky

• populace

• genofond

• autogamická populace

• samooplození = autogamie

• přibývá homozygotů

• inbreeding, příbuzenské sňatky

• panmiktické a alogamická (člověk) populace

• genetická rovnováha

• Hardy-Weinbergův zákon

Hardyho-Weinbergův zákon

• p = frekvence dominantní alely A

• q = frekvence recesivní alely a

p + q = 1

• P = frekvence dominantních homozygotů AA

p2 = P

• Q = frekvence recesivních homozygotů aa

q2 = Q

• H = frekvence heterozygotů Aa

2pq = H

P + Q + H = 1 p2 + 2pq + q2 = 1

Řešení úloh z populační genetiky

v panmiktické populaci bylo zjištěno 9% recesivních homozygotů (aa)

? vypočítejte frekvenci dominantních homozygotů a heterozygotů

JAK SE DĚDÍ GENY?is.muni.cz/www/184643/nalekarskou/105871915/2_genetika_stude… · Základní...

Documents