Genetika mnohobuněčných ogranismů, populací a člověka

Genetika mnohobuněčných ogranismů, populací a člověka

 

Dědičnost mnohobuněčného organismu

Přenos genetické informace z generace na generaci se děje při rozmnožování:

Nepohlavní rozmnožování

  • potomci = klony – geneticky shodní s rodiči
  • pokud se něčím odlišují, tak díky působení vnějšího prostředí
  • praktické využití: v zemědělské výrobě – udržení určitých výhodných znaků organismů

Pohlavní rozmnožování

  • potomek získává geny od obou rodičů, alely vytvářejí nové kombinace – * nové znaky vlastností
  • příbuzenské křížení = inbreeding (pokud je žádoucí udržet získané vlastnosti)
  • křížení = hybridizace
  • kříženec = hybrid
  • monohybridní křížení = 2 jedinci lišící se 1 znakem
  • dihybridní křížení – liší se 2 znaky
  • trihybridní křížení – liší se 3 znaky
  • polyhybridní křížení = jedinci se liší velkým počtem znaků
  • Rodičovská generace = první pár, který křížíme, sledujeme znak (parentální;P)
  • Dceřinná generace = * z rodičovských generací, dceřinná F1 – F2 (filiální;F)
  • Zpětné křížení – dceřinné s rodičovskými – F+P

Dědičnost monogenních znaků

  • -vývoj znaku je určen jedním genem
  • -kvalitativní znaky
  • -autozomální dědičnost = chromozomy nerozhodují o vzniku pohlaví

Mendelovy zákony

  1. Mendelův zákon: zákon o jednotnosti 1. generace kříženců (F1)
    • zákon o uniformitě F1 generace
    • Při křížení rodiče homozygotně dominantního s rodičem homozygotně recesivním vznikají genotypově i fenotypově shodní heterozygotní potomci = UNIFORMNÍ
  • Semena budou kulatá – při úplné dominanci
  • heterozygoty
  1. Mendelův zákon: zákon o nestejnorodosti 2. generace kříženců (F2) – Při vzájemném křížení heterozygotů vznikají genotypově různorodí jedinci(potomci), jejichž genotypový štěpný poměr je 1 : 2 : 1 a fenotypový je 3 : 1
  1.   Mendelův zákon: zákon o volné kombinovatelnosti alel
    • geny, leží na dvou různých chromozomech a jejich alely se rozcházejí do gamet nezávisle na sobě = jsou volně kombinovatelé
    • Křížení 2 jedinců, při nemž sje sledována dědičnost 2 genů = dihybridismus s úplnou dominancí

Dědičnost kvalitativních znaků:

  • vytváří větší počet odlišných variant (př: tvar semen, barva květů)

Dědičnost kvantitativních znaků:

  • vytvářejí plynulou řadu variant (př.: váha, výška, velikost chodidla,….)
  • vyjadřuje se Gaussovou křivkou
  • – na tvorbě kvalitativních znaků se podílí malý počet genů(často jeden) = Monogenní znaky
  • – na tvorbě kvantitativních znaků se podílí velký počet genů = Polygenní znaky

Dědičnost vázaná na pohlaví = gonozomální dědičnost

  • geny leží na pohlavních chromozomech = gonozomech → jejich dědičnost závisí na pohlaví jedince
  • = soubor genů 1 organismu je rozložen do charakteristických počtů chromozomů. Které jsou v jádře tělních buněk
  • párové chromozomy = homologní chromozomy
  • vše stejné, jenom ne počet alel
  • heterologní chromozomy = chromozomy z růchných párů chrom.
  • karyotyp = přesný obraz chromozomů v jádře buňky
  • u člověka: 23 párů – z toho 1 pár pohlavní chromozomy nebo heterochromozomy, gonozomy
  • 22 párů u obou pohlaví stejné – autozomy – neovlivňují pohlaví jedince
  • gonozomy – ve všech buňkách organismu, liší se navzájem tvarem, strukturou a souhrnem genů, jsou navzájem homologní jen z části
  • homologií části – části chromozomů se stejnými geny
  • ve zbývající délce se chromozmy liší = heterologní části
  • geny s homologií č. se řídí podle Mendlových zákonů
  • ostatní geny se podle nich neřídí; dědičnost genů v heterolog. č. chromozomů je závislá na pohlaví rodičů
  • u dědičnosti vázané na pohlaví jedince nezáleží pouze na dominantní a recesivní alele, ale i na pohlaví jedince

Chromozomové ničení pohlaví:

  • savčí typ – člověk, savci a většina hmyzu, nekteří obojživelníci,plazi, některé dvoudomé rostliny
    • XX – samičí kombinace(pohlaví)
    • XY – samčí kombinace
  • – ptačí typ – ptáci, motýli, některé ryby,…
    • XX – samčí kombinace
    • XY – samičí kombinace
    • = přesně naopak než u savčího typu
  • typ protenor – chybí Y ( samčí je jenom X, samičí XX – vosy, kobylky)

Dědičnost polygenních znaků

= znaky, které jsou určeny skupinou genů( př.: kvantitativní znaky – výška, váha jedince)

-dědičnost kvantitativních znaků je složitá→ geny, které řídí vývoj kvantitativních znaků se navzájem ovlivňují – díky malému fenotypovému účinku → říká se jim geny malého účinku – tvoří polygenní systém

a) – čím větší počet genů, tím je větší možnost volné kombinovatelnosti genotypů a fenotypů

b) – 2 typy alel: Neutrální – neovlivňují základní hodnotu znaku, ale podílejí se na něm

Aktivní – základní hodnotu znaku nepatrně zvyšují nebo snižují

→Výsledná hodnota znaku vznikne vzájemným působením všech alel

(neutrální + aktivní)k ………..k = počet alel

– oba typy alel se na potomky přenášejí podle pravidel mohohybridismu

– projev znaku v populaci jze znázornit Gaussovou křivkou.

– fenotypový projev genů je snadno ovlivnitelný faktory životního prostředí

– počet genotypů (mají-li geny poze 2 alely) je dán vzorečkem 3n

Proměnlivost organismu (variabilita)

– opak dědičnosti( je protikladná)

– schopnost organismu měnit své vlastnosti

– zajišťují odlišnost mezi organismy

– příčiny: 1) GENETICKÉ

– segregace(přemístění,rozchod) chromoz. do gamet

– k segregaci dochází při meioze

– kombinace chromozomů v gametách i v zygotě

– Crossing-over (rekombinace genetického materiálu)

– mutace – proces, při kterém se mění kvalita a kvantita genů(alel)

2) VLIV PROSTŘEDÍ→vnější proměnlivost

– hodně působí na kvantitativní znaky

MUTACE – při mutaci dochází ke změně gen. informací

→ vyvolávají ji ● mutagenní faktory: a) fyzikální – jedná se o různé typy záření, které na organismy působí- γ-záření, RTG,UV,…

b) chemické – org. látky (pesticidy,yperit,konzumční látky), anorg. látky( těžké kovy,peroxidy)

Mutace: a) spontánní(neovlivnitelné) – nahodilé u mikroorganismů

b) indukované(u rostlinných org.) – záměrně vyvolané člověkem

– rozlišení mutací podle rozsahu:

1) genové mutace – na molekulární úrovni(DNA, RNA)

– mění se kvalita genů

Příčiny: – zařazení nadpočetného nukleotidu

– záměna nukleotidu

– zařazení nefunkčního nukleotidu

– mění se při nich triplety→ změna genet. informace→chyba v proteosyntéze (zařazení jiné aminokys. do bílkoviny. Při změně většího počtu tripletů→ vede k vyřazení genu z funkce

– buňky mohou do určité míry zmírnit mutaci = • reparace (oprava mutace)

– mutantní bývají recesivní alely genotypu→působí ztrátu pro organismus

2) chromozomové mutace (aberace) – postižena struktura chrom.

– mění se počet a pořadí genu

– způsobeny zlomem na chromoz. (crossing–over)

Příčiny: – může dojít ke ztrátě úlomku = • delece

– zdvojení úlomku = • duplikace

– záměna úlomku

– přetočení, překroucení úlomku = • inverze

– chromozom se rozpadne na více částí = • fragmentace

– v důsledku se poruší průběh mekoty a výsledkem je vznik nefunkčních gamet → ty když jsou při oplodnění a oplodní se, tak se nevyvíjí – vzniklá zygota je neschopná života

3) genomové mutace – mění se počet chromoz. v buňce

a) mění se počet celých chromozomových sad; znásobení celé sady = • euploidie

– dojde ke znásobení – 3n, 4n = • polyploidie (….normální stav je 2n)

b) mění se počet jednotlivých chromozomů v chromoz. sadě = • aneuploidie

– 2n + 1; 2n – 2; …2n – 1;….

– setkáváme se s tím u člověka → těžké poruchy, neplodnost

– Příčiny: porucha při meioze pohlavních buněk – málo, hodně chromoz. →vážné poruchy organismu, neplodnost

Genetika populací

Populace = určitá skupina lidí v určitém čase a místě

  • genetika populace – zkoumá dědičnost a proměnlivost populace v průběhu generací
  • výskyt znaků v populaci ovlivňuje velikosti populace(velká, malá populace) a způsob výběru partnerů
  • velká populace – stovky, tisíce,…
  • malá populace – pár desítek
  1. AUTOGAMIE = samooplození

– charakteristické pro některé hermafrodity (vnitřní parazité, samosprašné rostliny,…)

  1. ALOGAMIE = splývají gamety z různých jedinců

→ náhodné párování • panmixie (člověk)

  • většina hermafroditů, gonochoristé, cizosprašné rostliny,
  • kterákoliv samčí gameta se může spojit s kteroukoliv samičí gametou se stejnou pravděpodobností
  • soubor všech genů v jedné populace je • genofond
  • každý gen má v populaci konkrétní zastoupení. Alely téhož genu jsou v genofondu zastoupeny různou měrou
  • konkrétní forma genu, kterou představuje alela, má svou četnost výskytu alel → na tom závisí četnost výskytu genotypů a fenotypů – vyjadřuje se v % nebo desetinných číslech

Genetická struktura generací

Př.: velká panmiktická populace

Gen velkého účinku→ A, a (zastoupeny 2 typy alel)

→ různé genotypy = AA, Aa, aa

četnost výskytu alel  A = p    AA = P           aa = Q→ četnost výskytu genotypů

a = q            aa = H

Součet četností alel v populaci:

p + q = 1 = 100% výskytu

P + H + Q = 1

p = P + ½ H

q = Q + ½ H

– ve velké panmiktické populaci se udržuje stálý poměr frekvencí jednotlivých alel i genotypů; stabilnost těchto frekvencí alel a genotypů vyjadřuje matematický zákon:

• Hardyho – Weinbergův zákon        p2 + 2pq + q2 = 1 = 100%

Procesy narušující genetickou rovnováhu:

  1. Selekce (přírodní výběr) = důležitá role vnějšího prostředí, kdy v rámci populace se udržují alely, které jsou výhodnější( rychle se šíří dominantní alely),

– nevýhodné alely postupně ubývají, dominantní mizí rychleji

  1. Mutace = pokud probíhají v rámci jedné generace → neprojeví se. Pokračují-li po dalších generacích → vede ke změně četnosti alel daného genu

→projeví se v závislosti na selekci

  1. Genetický posun (drift) = dochází k němu tehdy, když se velká panmiktická generace rozpadne na menší populace
  2. Migrace (přesun) = přesun org. z místa na místo, ale se zpětným návratem. Obohacení nebo ochuzení genofondu

Malá populace

  • rovnováha četnosti alel a genotypů neplatí
  • omezený výběr partnerů → vede k příbuzenskému křížení → inbreeding – snižuje se variabilita alel
  • velkou roli zde hraje náhoda → jsou vyvolány působením okolního prostředí a může vyvolat změnu četnosti alel
  • mohou se objevit dědičné choroby(př.: šlechtické rody)
  • roste četnost výskytu homozygotů a klesá četnost heterozygotů

Autogamická populace

  • autogamie = samooplození
  • vyšší četnost homozygotů(čistá linie) ; četnost heterozygotů z generace do generace klesá

AA1       :             Aa2             :           aa1

(25%)                  (50%)                     (25%)

AA          Aa             aa

……………..

Genetika člověka

  • samostatný obor (platí obecné zákony genetiky)
  • člověk má ve svém genotypu 50000 genů( v jádře každé tělní buňky → 46-23 párů chromozomů = 2 chromozomové sady→v každé sadě 35000 lokusů,…)
  • v r. 1990 byl vyhlášen Mezinárodní náročný výzkum = lidský genom – cílem bylo úplné poznání genomů člověka
  • specifické metody:
    1. Pozorovací metody – sledujeme fenotypové projevy

1) studium rodokmenů = genealogické metody

2) studium dvojčat – dvojvaječná = dizygotní ; jednovaječná = monozygotní – jednop vajíčko, jedna spermie→ * 2 blastomery a vyvíjí se 2 plody

– 1 za 80 porodů (dvojčata)

– dvojvaječná – asi 50% stejných alel (podobnost)

– jednovaječná – 100% stejných alel – stejné pohlaví a podobnost úplná

3) výzkum populací – pozorují se panmiktické populace, kde se sleduje četnost alel → viz. Hardyho – Weinbergův zákon

– významný z hlediska výskytu genetických chorob (jak hodně jich je)

       B) Metody molekulárně genetické – studují molekuly jedné DNA – ta se nejčastěji izoluje z lymfocytů z periferní krve člověka

– analýza umožňuje přečíst veškeré informace o určitém jedinci → nejmodernější metoda

– možno odhalit odchylky od standardní situace, která * v důsledku genových mutací (mohou být příčinou dědičných chorob)

       C) Metody cytogenetické – zkoumají karyotyp člověka (= přesný obraz chromozomů v jádře člověka)

– nejčastěji metody barevného proužkování (objevují se odlišnosti ve struktuře buňky)

– zjišťuje se přítomnost sexchromatinu – pouze u žen

– objevení genetických chorob

Dědičnost některých znaků u člověka

1. Dědičnost monogenních znaků

= znak řízen jedním genem

a) dědičnost krevních skupin → dědičnost autozomální → geny, které řídí vývoj na autozomu(22)

– řízena systémem mnohotných alel = na vytváření krevních skupin se podílí 3 alely označující se I a mají příslušný horní index – IA, IB, I0

– AB – plně dominantní alela

– 0 – plně recesivní alela

krevní skupiny : A  :  IAIA ; IAI0

B  :   IBIB ; IBI0

AB : IAIB→ kodominance

0   :  I0I0

Př.: Urči jakou krevní skupinu může mít dítě rodičů , kteří mají krevní skupinu AB,0…?

AB – IAIB

0 – I0I0

P: IAIB       x        I0I0

F1:

I0 I0
IA IAI0 IAI0
IB IBI0 IBI0

A – 50%

B – 50%

b) dědičnost levorukosti → autozomální dědičnost ; dědí se v recesivní formě

c) dědičnost hemofílie →X gonozomální dědičnost (na gonozomech ; v recesivní formě)

d) krátkoprstost = brachydaktylie → autozomální dědičnost ; dědičnost v dominantní formě

e) daltonismus = barvoslepost → X gonozomální dědičnost ; v recesivní formě

2. Dědičnost polygenních znaků

– na * třeba více genů (př.: výška, váha, velikost chodidla, množství pigmentace, inteligence, talent,…)

Dispozice a dědičné choroby

dispozice(předpoklad) = k nějakému onemocnění, kdy u nás to onemocnění nemusí vypuknout ; většinou se onemocnění objevuje až působením vnějšího prostředí = expoziční faktory (Př.: alergeny, potrava, počasí, psychická zátěž)

  • nejčastější dispozice k : alergiím, neurózám, infekčním chorobám:příušnicím, angíně, některé formy hypertenze,  vředům
  • většinou se týká více členů v rodině
  • dispozice jsou polygenního charakteru
  • projevům lze předcházet vyloučením expozičních faktorů = rodinný, ochranný režim

• dědičné choroby = * jako důsledek mutací;  v největší míře se jedná o genové mutace

– vliv prostředí je minimální

Gonozomální dědičné choroby

● Hemofílie = porucha srážení krve (viz. Dědičnost vázaná na pohlaví jedince)

  • dědí se v recesivní formě
  • př.: alela pro hemofilii h je umístěna v chromozomu X. Otec dívky je postižen hemofílií, zatímco matkaje zdravá a pochází z rodiny, ve které se tato choroba nikdy nevyskytla. Jací mohou být synové a dcery této dívky, jestliže se provdá za zdravého muže?

P:      XhY          x            XHXH

F1:

XH XH
Xh XHXh XHXh
Y XHY XHY

→ není hemofilička, ale je přenašečka

→ synové budou zdraví

P2:    XHY         x             XHXh

F2:

XH Xh
XH XHXH XHXh
Y XHY XhY

→dcery: 25% zdravé; 25% přenašečky

→synové: 25%zdraví; 25%hemofilici

● Daltonismus = barvoslepost; špatně rozeznávají červenou a zelenou barvu

  • dědí se v recesivní formě

● Turnerův syndrom – trpí jim ženy

  • chybí jeden z pohlavních chromozomů – X0 – 45 chromozomů
  • ženy jsou malého vzrůstu
  • jsou neplodné
  • někdy mohou být duševné zaostalé

● Klinefelterův syndrom – muži

  • jeden z pohlavních chromozomů navíc – XXY – 47 chromozomů (i XXXY)
  • vysoká postava, duševní zaostalost, snížená plodnost
  • do 10 let se nic nepozná, ale potom dochází k pozastavení vývoje pohlavních orgánů

● Syndrom XYY (supermale)

  • muži (supermuž)
  • vyšší postava, projevuje se agresivita, asociální chování, retardace, snížená plodnost

● Syndrom XXX (superfemale), i XXXX

  • ženy (superžena)
  • duševně zaostalé, snížená plodnost

Autozomální dědičné choroby

  • geny musí být umístěny na autozomech
  • nezáleží na pohlaví
  • patří sem: ○ MOLEKULÁRNÍ CHOROBY (* genovou mutací) :

● Albinismus – * v důsledku neschoponosti organismu vytvářet melanin

– jsou celí bílí

– dědí se v recesivní formě

● Coeliakie – neschopnost organismu trávit lepek

● Fenylketonurie – porucha metabolismu

  • nedochází k přeměně aminokyseliny • fenylalanin na tyrosin
  • projevuje se počkozením mozku, světlá barva pleti, očí, vlasů, nedostatek motoriky
  • charakteristický zápach potu – myšina
  • recesivní forma dědění

○ NEMOLEKULÁRNÍ CHOROBY

● Srůsty prstů – v dominantní formě

● Krátkoprstost (brachydaktylie) – neprobíhá správně vývoj prstů 2. a 3. článku

– dominantně

● Víceprstost (polydaktylie) – nadbytečný prst

– dominantní forma

● Rozštěpy patra a rtů – dědičnost má polygenní charakter

● Downův syndrom – * v důsledku trisonie chromozomu č. 21

  • jedinec s Downových syndromem má 47 chromozomů
  • charakteristický vzhled: malá hlava, drobné rty a nos, zešikmělé oční štěrbiny, větší jazyk, ušní boltce nižší(někdy i deformace), kratší končetiny a prsty, širší dlaně, zvýšená kloubní pohyblivost a snížené svalové napětí, duševní zaostalost
  • vyskytuje se často (1 za 600-800 porodů)
  • pravděpodobnost vzrůstá s věkem rodičů (matky nad 35 let)

● Syndrom kočičího mňoukání – novorozenci brzy umírají

  • delece (ztráta části chromozomu č. 5 ) 5. chromozomu
  • dítě vydává zvláštní zvuky

Genové inženýrství

  • Genové inženýrství se zabývá přípravou umělých kombinací genů nebo vytvářením pozměněných či nových genů a jejich zavádění do genomu organizmů.
  • Cílem je rekonstruovat (upravit či doplnit) jejich genetickou výbavu.
  • Metodickým základem jsou manipulace s DNA in vitro (ve zkumavce) založené na přípravě rekombinantních molekul DNA a jejich klonování.