Genetika – doporučená literatura
OD SPERMISMU K MODERNÍ GENETICE
historie
Představa o odevzdávání genetické informace potomkům
Pythagoras
Aristoteles
preformace
Charles Darwin
Představa o odevzdávání genetické informace potomkům
Jean-BaptisteLamarck
Johan Gregor Mendel
Představa o odevzdávání genetické informace potomkům
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
a a
AAa Aa
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
A a
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
A a
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
x
AB Ab aB ab
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
„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
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
crossing-over = genetická rekombinace
= náhodní strukturní výměna částí nesesterských chromatid
homologních chromozomů v profázi 1. meiotického dělení (v
bivalentech)
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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)
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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
1 50%
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
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
AB Ab aB ab
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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
AB AABB AABb AaBB AaBb
Ab AABb AAbb AaBb Aabb
aB AaBB AaBb aaBB aaBb
ab AaBb Aabb aaBb aabb
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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
„výjimky“ - o čem Mendel nevěděl
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
AaAa
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
A) Nemoci způsobené mutací v genu
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
A) Nemoci způsobené mutací v genu
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- 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
A) Nemoci způsobené mutací v genu
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
ženy
zdravá nemocná přenašečka
XAXA XaXa XAXa
XX X●X● X●X
muži
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
A) Nemoci způsobené mutací v genu
Hemofilie
• porucha srážlivosti krve
• porušen koagulační faktor VIII, IX nebo XI
• spontánní krvácení
• léčba aplikací chybějícího faktoru
A3) Gonozomálně recesivní nemoci
A) Nemoci způsobené mutací v genu
Daltonismus
• jedna z příčin barvosleposti
• žádná nebo omezená schopnost rozlišit červenou a zelenou barvu
A3) Gonozomálně recesivní nemoci
A) Nemoci způsobené mutací v genu
ženy
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
A) Nemoci způsobené mutací v genu
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
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
• 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
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
Turnerův syndrom
• 45, X
• vrozené srdeční vady
• charakteristický vzhled
• malý vzrůst
• amenorrhea
• nedostatečný vývoje sekundárních pohlavních znaků
• bez změny intelektu
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B1) Numerické aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
• balancované vs nebalancované
• delece, duplikace, inverze, translokace
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
• balancované vs nebalancované
• delece, duplikace, inverze, translokace
• specifický typ translokace - reciproká translokace
o Philadelphský chromozom (fúzní gen BCR-ABL )
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
• balancované vs nebalancované
• delece, duplikace, inverze, translokace
• specifický typ translokace - reciproká translokace
o Philadelphský chromozom (fúzní gen BCR-ABL )
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
• balancované vs nebalancované
• delece, duplikace, inverze, translokace
• specifický typ translokace - reciproká translokace
o Philadelphský chromozom (fúzní gen BCR-ABL )
Syndrom Cri du Chat
Prader-Willi syndrom
Angelmanův syndrom
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B2) Strukturní aberace
B) Nemoci způsobené aberací chromozomů
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
B2) Strukturní aberace
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
Genetická diagnostika
A. Cytogenetické vyšetření
• co se vyšetřuje?
• z jakého materiálu?
• jakými technikami?
Genetická diagnostika
B. Molekulární genetika
• co se vyšetřuje?
• z jakého materiálu?
• jakými technikami?
Metody cytogenetického vyšetření
• G-pruhování = Giemsovo barvení
Metody cytogenetického vyšetření
• Fluorescenční in situ hybridizace (FISH)
Metody cytogenetického vyšetření
• Spektrální karyotypování (SKY)
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
- mutace v genu XY
- záměna G za A
G
G
A
G
A
A
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• voda + pufr
• templátová / testovaná DNA
• primery
• nukleotidy
• enzym DNA polymeráza
• Mg2+
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
- mutace v genu XY
- záměna G za A
G
G
A
G
A
A
X
X
PCR produkt = 822 bp
X
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
Bsm I5‘ … CTTACG|N… 3‘
CTTACG
CTTACG
646 bp176 bp
CTTACA
CTTACA
822 bp
CTTACG
CTTACA
646 bp176 bp
822 bp
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
• gelová elektroforéza
Pacient 1AA
Pacient 2GG
Pacient 3AG
176 bp
646 bp
822 bp
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
• gelová elektroforéza
Pacient 1AA
Pacient 2GG
Pacient 3AG
176 bp
646 bp
822 bp
Metody molekulární genetiky
• polymerázová řetězová reakce (PCR)
• polymorfizmus délky restrikčních fragmentů (RFLP)
• gelová elektroforéza
• 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