Genetika – Úvod do genetiky

Genetika – Úvod do genetiky

Genetika – je veda o dedičnosti a premenlivosti živých organizmov.

• dedičnosť zaisťuje podobnosť medzi rodičmi a potomkami
• premenlivosť je podmienená rozdielmi v génoch (genetickápremenlivosť) a faktormi vonkajšieho prostredia (negenetickápremenlivosť)

Johan Gregor Mendel (1822-1884) – opát v kláštore v Brne – zakladateľ genetiky:

nededia sa znaky a vlastnosti, ale čosi, čo ich vznik podmieňuje – gény (1909)

Stavba a funkcia každého organizmu sú podmienené: dedičnými faktormi (gén, genotyp)

a vonkajším prostredím.

• nositeľom genetickej informácie u všetkých prokaryotických a eukaryotických organizmov je DNA a u niektorých vírusov RNA

Gén = dedičná vloha

• základná funkčná jednotka dedičnosti
• úsek molekuly DNA, ktorý nesie úplnú genetickú informáciu

pre biologickú vlastnosť alebo funkciu

• má viac foriem, ktoré nazývame alely (konkrétnr formy génu)
• alely podmieňujú rozdielny prejav znaku (žlté, zelené sfarbenie)

Genotyp – súbor génov živého organizmu, ktoré sa u neho vyskytujú v konkrétnych formách, alelách – pri eukaryotických organizmoch je každý gén reprezentovaný jedným alelickým párom (jedna alela je od otca, druhá od matky)

lokus – konkrétne miesto génu na chromozóme

jadrová dedičnosť – chromozómy sú lokalizované v jadre

mimojadrová dedičnosť – chromozómy sú lokalizované mimo jadra (plastidy, mitochondrie)

diploidný počet chromozómov – 2n – diploidná bunka – vznikla splynutím samčej a samičej pohlavnej bunky

• autozómy – nepohlavné chromozómy
• gonozómy – pohlavné chromozómy – môžu byť rovnaké alebo rôzne homo- alebo heterochromozómy
• haploidná pohlavná bunka – n – má len jeden chromozóm z každého páru

znak – prejav génu

znaky delíme na:

• kvalitatívne – dedia sa génmi veľkého účinku (farba očí, krvná skupina) – silný fenotypový účinok (nedajú sa ovplyvniť prostredím)
• kvantitatívne – dedia sa génmi malého účinku (hmotnosť, inteligencia) – slabý fenotypový účinok (dajú sa ovplyvniť prostredím)

Fenotyp – súbor všetkých znakov živého organizmu

• fenotyp je vonkajším prejavom všetkých dedičných informácii

fenotyp = genotyp + pôsobenie všetkých génov a ich dôsledky + vplyv prostredia a vývoj

homologické chromozómy – chromozómy jedného chromozomového páru (jeden chromozóm je od otca, druhý od matky) – majú rovnaké gény na rovnakých lokusoch, alely toho istého génu môžu mať rôzne (napr. alela jedna pre modrú a druhá pre hnedú farbu očí)

nehomologické chromozómy – chromozómy rôznych párov

homozygot – jedinec, ktorý má pre daný znak dve rovnaké alely (AA, bb, OO)

heterozygot – jedinec, ktorý má pre daný znak rôzne alely (Aa, Bb, AB, AO)

dominantná alela – nadradená – (A, B) podmieňuje rovnaký fenotypový prejav znaku u homozygota (AA, BB) i heterozygota (Aa, Bb)

recesívna alela – podradená – (a, b) prejaví sa len u homozygota (aa, bb), u heterozygota nie (Aa, Bb)

Molekulové základy dedičnosti

– nositeľom genetickej informácie je DNA a u niektorých vírusov RNA

V roku 1869 ich objavil Švajčiar Miescher a v roku 1953 ich model navrhli Watson a Crick.

Základnou stavebnou jednotkou je nukleotid, zložený z kyselinyfosforečnej, cukru (pentózy) a dusikatejbázy(v DNA A-adenín, G-guanín, C-cytozín, G-guanín, T-tymín – v RNA nahradený U-uracilom).V DNA je komplementárne spojené vodíkovými väzbami A-T a C-G.

Úlohou DNA je uchovávať a odovzdávať genetickú informáciu (o poradí aminokyselín v bielkovinách), ktorá je zapísaná v jej primárnej štruktúre.

Úlohou RNA je zabezpečovať realizáciu genetickej informácie z poradia nukleotidov v DNA do poradia aminokyselín v bielkovinách.

Schéma ústrednej dogmy molekulovej biológie

(prenosu genetickej informácie na molekulovej úrovni):

DNA ------------------prepis------- mRNA ------- preklad ------ bielkovina

zdvojenie=replikácia transkripcia translácia

DNA realizácia genetickej informácie v bunke (expresia génu)

Replikácia DNA:

Gén – rôzne dlhý reťazec molekuly DNA (aj 1000 nukeotidov) ktorý určuje príslušný znak – vonkajší prejav (farbu očí, kvetov a pod.) Gény sa nachádzajú na chromozómoch, v mitochondriách, chloroplastoch a v prokaryotických organizmoch i v plastidoch.

Replikácia prebieha v S-fáze bunkového cyklu pri prenose genetickej informácie z materskej do dvoch dcérskych buniek. Prebieha pred každým mitotickým delením bunky. U mnohobunkových organizmov replikácia zabezpečuje prenos kompletného súboru genetických informácií do všetkých buniek.

Ako matrica slúžia obe vlákna DNA, ktoré sa rozpletajú tým, že sa porušia vodíkové väzby medzi nukleotidmi a k obnaženým reťazcom sa na základe komplementarity pripájajú vodíkovými väzbami voľné nukleotidy. Energia sa získava z ATP. Výsledkom replikácie sú dve nové molekuly, z ktorých každá obsahuje jeden reťazec z pôvodnej molekuly a jeden novosyntetizovaný, t. j. dcérsky.

GENETICKÝ KÓD – zašifrovanie genetickej informácie, uloženej v DNA, podľa určitého kľúča. Genetický kód je tripletový (trojica nukleotidov z A, G, C, T – kodón) určuje zaradenie jednej amonokyseliny do polypeptidového reťazca.

Genetický kód je degenerovaný (nadpočetný – je 20 aminokyselín, ale až 64 kodónov, z toho 61 kóduje niektorú aminokyselinu, ukončovacie-terminačné sú UAA, UAG, UGA, iniciačný je AUG + metionín), neprekrývajúci a univerzálny pre všetky organizmy.

Gén je základná jednotka genetickej informácie. Gény poznáme:

• štruktúrne gény – určujú poradie aminokyselín v bielk. reťazci, prepisujú sa do mRNA
• gény pre RNA – prepisujú sa len do tRNA a rRNA, ich informácia sa neprenáša do poradia aminokyselín v bielkovinách
• regulačné gény – majú regulačnú funkciu, určujú aktivitu iných génov, zodpovedajú za difereciáciu bunie

Transkripcia, syntéza RNA:

• je vlastne syntézou mRNA
• je prvým stupňom expresie génov
• je aj syntézou tRNA a rRNA

Matricou je jedno vlákno DNA, kde sa v jeho istej časti porušia vodíkové vázby, podľa komplementarity báz sa vytvárajú nové vodíkové vázby a to k T-A, k C-G, k G-C a k A-U. Vlákno RNA prechádza do cytoplazmy na ribozómy.

Translácia genetickej informácie:

• je zavŕšením expresie génov
• je to preklad genetickej informácie z mRNA do poradia aminokyselín v bielkovinách
• prebieha v cytoplazme na ribozómoch (zložených z rRNA a bielkovín) a zúčastňujú sa jej aj tRNA, ktoré majú dôležitý koncový triplet (vždy CCA), na ktorý sa viaže aminokyselina a ďalší triplet tzv. antikodón, ktorý je komplementárny s kodónom na mRNA, dočasne vzniká väzba medzi kodónom a antikodónom
• tRNA sa potom z ribozómu uvoľní a medzi aminokyselinami sa vytvára postupne peptidová väzba

Genetický kód:

UUU, UUC – fenylalanín (phe), UUA, UUG – leucín (leu), UCU, UCC, UCA, UCG – serín (ser), UAU, UAC – tyrozín (tyr), UAA, UAG, UGA – „bodka“, UGU, UGC – cysteín (cys), UGG – tryptofán (trp), CUU, CUC, CUA, CUG – leucín (leu), CCU, CCC, CCA, CCG – prolín (pro), CAU, CAC – (his), CAA, CAG – glutamín (glu), CGU, CGC, CGA, CGG – arginín (arg), AUU, AUC, AUA – isoleucín (ile), AUG – metionín (met) – začiatok, ACU, ACC, ACA, ACG – treonín (tre), AAU, AAC – asparagín (asn), AAA, AAG – lyzín (lyz), AGU, AGC – serín (ser), AGA, AGG – arginín (arg), GUU, GUC, GUA, GUG – valín (val), GCU, GCC, GCA, GCG – alanín (ala), GAU, GAC – kyselina asparágová (asp), GAA, GAG – kyselina glutámová (glu), GGU, GGC, GGA, GGG – glycín (gly).

Genetika prokaryotov

• prokaryotické bunky nemajú typické jadro, ich genetická informácia je uložená v štruktúre nukleoid, ktorý nie je oddelený od cytoplazmy membránou, je to prokaryotický chromozóm – kruhová DNA, stabilizovaná molekulami bielkovín, neprechádzajúca mitotickým delením

Základnými transkripčnými jednotkami baktérií sú OPERÓNY, tvorené štruktúrnymi génmi, podriadenými regulačným génom.

• štruktúrne gény určitého operónu sa prepisujú do jednej molekuly mRNA
• okrem nepohlavného rozmnožovania sa baktérie dokážu rozmnožovať spôsobom podobným pohlavnému rozmnožovaniu eukaryotov, ale nesplýva celý obsah buniek, iba jednosmerne prechádza molekula DNA z bunky darcu do bunky príjemcu – volá sa to konjugácia
• jednosmerný prenos izolovaných molekúl DNA z buniek darcu do buniek príjemcu sa nazýva transformácia
• jednosmerný prenos DNA pomocou bakteriofágov sa nazýva transdukcia

PLAZMIDY – kratšie kruhové molekuly DNA

• nie sú pre baktérie nevyhnutné na prežitie, ale v niektorých podmienkach môžu byť pre nich prospešné
• majú niekoľko až sto génov, dokážu sa samostatne replikovať, nezávisle na replikácii chromozómu
• gény v nich sú usporiadané lineárne
• môžu obsahovať gény podmieňujúce rezistenciu proti antibiotikám, ťažkým kovom a iným látkam toxickým pre baktérie
• svojou prítomnosťou rozhodujú, proti akému antibiotiku bude príslušná baktéria rezistentná (odolná)
• do plazmidov sa včleňujú a opäť vyčleňujú iné gény a aj plazmidy sú schopné včleňovať a vyčleňovať sa z chromozómov, čo je základom pre génové manipulácie (význam pre génové inžinierstvo)

Bunkové základy dedičnosti

• prokaryotické bunky po replikácii DNA sa delia priamo
• eukaryotické bunky po replikácii DNA sa delia nepriamo (mitózou, meiózou)

Genetika eukaryotickej bunky:

Chromozómy – štruktúry bunkového jadra, v ktorých je zapísaná genetická informácia.

• každý obsahuje jednu lineárnu molekulu DNA
• jadrové gény v chromozóme majú presnú polohu vo väzbovej skupine (=súbor génov jedného chromozómu)
• chromozómy sú charakteristické počtom, tvarom a veľkosťou
• bunky každého druhu majú konštantný počet chromozómov
• základný je počet chromozómov v pohlavných bunkách = jeden súbor chromozómov, haploidný (n)
• všetky telové bunky daného organizmu obsahujú dva chromozómové súbory, sú diploidné (2n) – dvojice chromozómov jedného páru=homologické chromozómy (rovnaký genetický obsah, štruktúra a tvar), chromozómy z rôznych párov sú nehomologické
• párové chromozómy=autozómy + jeden pár pohlavných chromozómov (gonozómov)
• v nedeliacom sa jadre (interfázovom) sú dešpiralizované a geneticky aktívne
• v priebehu bunkového delenia sa skracujú, špiralizujú, hrubnú
• v metafáze pozostávajú z dvoch chromatíd spojených centromérou
• podľa polohy centroméry môžu byť chromozómy rovnoramenné a nerovnoramenné
• základnou stavebnou jednotkou eukaryotického chromozómu je chromatínové vlákno – chromatín (DNA a bielkoviny)
• základnou štrukturálnou jednotkou chromatínu je nukleozóm, dva susediace nukleozómy sú spojené vláknom DNA (pripomína to korálky navlečené na šnúrke)
• súbor chromozómov jednej somatickej bunky charakteristický pre danú systemetickú skupinu organizmov sa nazýva karyotyp
• karyotyp človeka má 46 chromozómov, ktoré tvoria 23 párov, zaraďujú sa podľa veľkosti a tvaru do 7 skupín

BUNKOVÉ DELENIE eukaryotov má genetickú podstatu a zásadné genetické dôsledky, ktoré sa prejavujú predovšetkým –

REDUKCIOU, SEGREGÁCIOU, KOMBINÁCIOU a REKOMBINÁCIOU chromozómov počas reprodukcie buniek.

Eukaryotické organizmy sa rozmnožujú pohlavne a nepohlavne.

Nepohlavné je zabezpečené mitótou a pohlavné meiózou.

Mitóza a jej genetické dôsledky

• je to nepriame delenie bunkového jadra
• je to proces, pri ktorom z jednej diploidnejmaterskej bunky počas štyroch fáz (profáza, metafáza, anafáza, telofáza) vznikajú dvedcércke bunky s takým istým počtom chromozómov, ako mala materská bunka (2n 2n)
• vlastnému deleniu bunky – karyokinéze a cytokinéze – predchádza interfáza, kde v rámci syntetickej fázy bunkového cyklu dochádza k zdvojeniu genetickéhomateriálu – replikácii DNA výsledkom sú dve rovnaké kópie chromozómu – sesterské chromatidy, čo umožňuje presné rozdelenie materského genetického materiálu medzi dve dcérske bunky
• pre všetky typy nepohlavného rozmnožovania ide o priame pokračovanie už existujúcej bunky (jedinca), pričom sa genetická informácia nemení (môže len mutáciou) a novovzniknuté bunky alebo organizmy s rovnakým genetickým materiálom nazývame klon

Meióza a jej genetické dôsledky

• bunkové delenie, pri ktorom vznikajú gaméty s haploidným počtom chromozómov (gametogenéza – diferenciácia haploidných buniek na gaméty)
• preto, že pri pohlavnom rozmnožovaní sa zlučujú súbory chromozómov od otca a od matky, je biologicky nevyhnutná redukcia počtu chromozómov ešte pred oplodnením, aby sa po oplodnení znovu obnovil diploidný počet chromozómov
• meióze predchádza tiež interfáza a zdvojenie chromozómov – replikácia DNA
• meióza prebieha v dvoch za sebou idúcoch deleniach, meióza I. a meióza II.

Meióza I.:

• redukčné delenie, počet chromozómov sa zredukuje z 2n na n
• v profáze Isa párové – homologické chromozómy, zložené z dvoch chromatíd, prikladajú k sebe a vytvárajú bivalenty (vytvorí sa tetráda chromatíd)
• nastáva crossing-over (prekríženie) – neseterské chromatidy si recipročne vymenia svoje homologické časti, čoho dôsledkom je vznik rekombinácií
• rekombinácia je vznik chromozómov, ktoré majú skombinované gény otcovského a materského pôvodu
• v anafáze Inastáva segregácia – rozchod párových chromozómov – k opačným pólom bunky, čoho dôsledkom je redukcia počtu chromozómov na polovicu
• ktorý z dvojice párových chromozómov odíde ku ktorému pólu, je len vecou náhody

Meióza II.:

• prebieha tak, ako mitóza, ale na haploidnej bunke

Genetický význam meiózy:

• segregácia a náhodná distribúcia chromozómov
• redukcia počtu chromozómov na polovicu
• po meióze má každé jadro dcérskej bunky náhodnú kombináciu chromozómov, t. j. od matky a od otca
• crosssing-ouver rozširuje kombinačnú premenlivosť v pohlavných bunkách
• prostredníctvom meiózy a oplodnenia sa udržuje rovnaký počet chromozómov v generáciách pohlavne sa rozmnožujúcich organizmov, zachováva sa druhová stálosť

Mitóza – k zdvojeniu chromozómov dôjde raz, k rozdeleniu bunky raz

• z jednej diploidnej materskej bunky vzniknú dve totožné dcérske diploidné bunky

Meioza – k zdvojeniu chromozomov dôjde raz, k rozdeleniu bunky dvakrát

• z jednej diploidnej bunky vzniknú najprv dve haploiné bunky so zdvojenými chromozómami a potom štyri haploidné bunky s jednochromatidovými chromozómami

Mendelevove zákony

• skúmal vlastnosti, ktoré sa vyskytujú v alternatívnej podobe (teda buď-alebo, červené alebo biele kvety hrachu, žlté alebo zelené semená, guľaté alebo hranaté semená)
• rastliny krížil a vyberal tak dlho, kým nezískal línie, ktoré pri ďalšom krížení mali len jednu z párových vlastností (dnes ich nazývame čisté línie)
• potom krížil čistú líniu jedincov s červených kvetov s jedincami s bielymi kvetmi a dostal len jedincov s červenými kvetmi
• v ďalšej generácii sa však krížením týchto jedincov s červenými kvetmi objavili aj jedinci s bielymi kvetmi
• zistil, že vlastnosť, ktorá v prvej genarácii zmizla, sa objavila v druhej generácii v štvrtine prípadov
• na základe týchto skúseností sformuloval pravidlá dedičnosti kvalitatívnych znakov, ktoré dnes poznáme ako Mendelove zákony
• základná metóda, ktorú pri svojom výskume používal, sa dnes nazýva kríženie – hybridizácia, t. j. sledovanie znakov potomstva získaného pohlavným rozmnožovaním
• všeobecne sa pod týmto pojmom chápe párenie dvoch jedincov s odlišnými genotypmi a ich potomok sa nazýva kríženec, hybrid
• mendelizmus vysvetľuje, ako sa dedia kvalitatívne znaky a ako sa budú správať v nasledujúcich generáciách po krížení
• kvalitatívne znaky sa väčšinou dedia monogénne (podmieňuje ich jeden gén)
• tento gén sa môže vyskytovať v rozličných formách – alelách
• v diploidnom organizme je každý gén zastúpený dvoma alelami – jedna je od otca, druhá od matky

Označenie alel:

• A, a – ak má gén dve alely, jedna je dominantná, druhá recesívna
• A₁, A₂, A₃ – ak má gén viac alel
• W, w – z anglickégo white, farba oči ovocnej mušky, medzinárodné označenie

Označenia generácií:

• P – rodičovská generácia, parentálna
• F – generácia potomkov, (F₁, F₂ – prvá filiálna, druhá filiálna)

Dve alely jedného génu môžu byť vo vzájomnom vzťahu:

• úplnej dominancie, úplnej recesivity (AA má rovnaký fenotyp ako Aa)
• neúplnej dominancie, neúplnej recesivity (AA má iný fenotyp ako Aa)
• neúplá dominancia – intermediarita – obe alely sa podieľajú na vytvorení znaku približne rovnakou intenzitou (to sa vyskytuje len výnimočne, napríklad kvet nocovky AA je červený, Aa ružový, aa biely)

Mono-, di-, poly-hybridizmus – proces kríženia, pri ktorom sledujeme dedičnosť jedného, dvoch, viacerých znakov, v ktorých sa líšia rodičia.

1. Mendelov zákon (zákon o jednotnosti prvej generácie krížencov) (zákon uniformity prvej generácie)

= kríženie homozygota s homozygotom

• Ak sú obaja rodičia rovnakí homozygoti (AA x AA alebo aa x aa), budú potomkovia opäť homozygotní.

P: AA x AA aa x aa

G: A A a a

F₁: AA aa

• Ak sú rodičia homozygotní, ale jeden je AA a druhý je aa, potom sú všetci potomkovia heterozygotní Aa. Celá generácia je uniformná a nazýva sa prvá filiálna generácia.

P: AA x aa

G: A a

F₁ Aa

1. Mendelov zákon – zákon o segregácii alel a ich kombinácii v druhej generácii krížencov

= kríženie heterozygotov

• štiepením dvoch heterozygotov z F₁ vzniká súbor jedincov, ktorí tvoria druhú filiálnu generáciu F₂, ktorá nie je jednotná, dochádza v nej k rôznej kombinácii alel a objavia sa v nej znaky oboch rodičov. Genotypový štiepny pomer je 1 : 2 : 1

P: Aa x Aa

G: A,a A,a

F₁: AA Aa Aa aa – počet genotypov 3

GŠP: 1 : 2 : 1

FŠP: 3 : 1 (úplá dominancia) – počet fenotypov 2

1 : 2 : 1 (neúplná dominancia) – počet fenotypov 3

( AA – dominantný homozygot, Aa – heterozygot, aa – recesívny homozygot)

Mendelove zákony – dihibridné kríženie

• kríženie, pri ktorom sa rodičia odlišujú v dvoch sledovaných znakoch
• potomstvo, ktoré vznikne z takéhoto kríženia sa nazýva dihybrid

• Mendelov zákon – zákon o voľnej kombinovateľnosti alel rôznych alelických párov
• sledujeme dedičnosť dvoch párov alel, ktoré podmieňujú vznik dvoch znakov
• každý pár sa správa samostatne a riadi sa pravidlami, ktoré platia pri monohybridizme
• medzi alelami génov, ktoré ležia na rôznych chromozómoch existuje voľná a nezávislá kombinovateľnosť
• dihybrid vytvára 4 typy gamét

P: AABB x aabb alebo AAbb x aaBB

G: AB ab Ab aB

F₁: AaBb AaBb

AaBb x AaBb

G: AB,Ab,aB, AB AB,Ab,aB,ab

F₂: vznikne 16 kombinácií týchto gamét

G: AB Ab aB ab

AB AABB AABb AaBB AaBb šľachtiteľské novinky:

Ab AABb AAbb AaBb Aabb Aabb, aaBB

aB AaBBAaBb aaBB aaBb

ab AaBbAabb aaBb aabb

• vznikne 9 rôznych genotipov:

AABB, AABb, Aabb, AaBB, AaBb, Aabb, aaBB, aaBb, aabb

• GŠP: 1 : 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1
• FŠP: D1D2 : D1R2 : R1D2 : R1R2

9 : 3 : 3 : 1 (4 rôzne fenotypy)

Spätné kríženie – je kríženie heterozygota s homozygotom

• Aa x AA (s dominantným) alebo Aa x aa (s recesívnym – testovacie kríženie,

AA, AA, Aa, Aa, Aa, Aa, aa, aa či Aa je čistokrvný)

(nie je, lebo sa objavili 2 rôzne fenotypy)

(AA x aa – objavil by sa len 1 fenotyp)

Kodominancia

• vzťah medzi dvoma alelami, keď sa vo fenotype prejavuje účinok obidvoch
• príkladom je dedičnosť krvných skupín človeka v systéme ABO
• alely: A, B, O
• genotypy: AA, AO, BB, BO, AB, OO
• fenotypy: krvné skupiny A, B, AB, O
• genotyp +udí s krvnou skupinou AB sa nazýva kodominantný, každá alela sa vo fenotype realizujw samostatne

Platnosť Mendelových zákonov

• majú všeobecnú platnosť (pre mikroorganizmy, rastliny, živočíchy aj pre človeka)

Platia za predpokladu:

• jeden gén kóduje jeden znak (monogénna dedičnosť)
• gény sú lokalizované v autozómoch – autozómová dedičnosť
• ak sledujeme viac ako jeden znak, každý gén leží na inom chromozóme
• rodičia musia byť homozygotní, jeden dominantný, druhý recesívny

Dedičnosť a pohlavie

• pri pohlavnom rozmnožovaní vzniká nový jedinec náhodným splynutím gamét rodičov, preto je potomstvo genotypovo rôznorodé
• genetická výbava v jadre telových buniek obsahuje polovicu chromozómov od otca a polovicu od matky
• každý typ chromozómov je zastúpený dvakrát, sú to párové autozómy a jeden pár navzájom rozdielnych chromozómov, ktoré nazývame pohlavné chromozómy (gonozómy) označované X a Y
• o génoch, ktoré sú umiestnené na pohlavných chromozómoch, hovoríme, že sú viazané na pohlavie
• pohlavné chromozómy sa podieľajú na genetickej determinácii, určení pohlavia
• chromozóm Y je obyčajne menší ako chromozóm X
• niektorým organizmom chromozóm Y chýba, označujeme ich XO
• pohlavné chromozómy sú rôzneho tvaru, preto ich nazývame heterochromozómy
• XX – homogametné pohlavie – produkuje len jeden typ gamét s chromozómom X
• XY – heterogametné pohlavie – produkuje s rovnakou pravdepodobnosťou dva typy gamét – gaméty s chromozómom X a s chromozómom Y
• dcéra má vždy dva chromozómy X, jeden od matky, jeden od otca
• syn má vždy chromozóm Y od otca a X od matky

Dedičnosť viazaná na pohlavie

• chromozóm Y je menší, preto má podstatne menší počet génov
• pohlavné chromozómy majú homologické a nehomologické úseky
• nehomologické úseky sú tie, ktoré sa nachádzajú na chromozóme X a nenachádzajú na chromozóme Y a naopak
• alela lokalizovaná na nehomologickom úseku X nemá preto párovú alelu na chromozóme Y
• muž bude mať teda pre gény lokalizované na nehomologickom úseku len jednu alelu, bude teda hemizygot (nie homozygot ani heterozygot)
• v tom prípade sa recesívna alela sa vo fenotype prejaví vždy, aj keď je jedna
• u žien sa recesívna alela vo fenotype prejaví len vtedy, ak sú dve, ak nie je prítomná dominantná alela na druhom chromozóme
• ženy sú preto prenášačkami tejto recesívnej alely, prenášačkami chorôb ako heterozygoti (XX^h, XX^d)

Podľa toho, v ktorom úseku chromozómu sú lokalizované gény, rozlišujeme:

• dedičnosť viazanú na chromozóm X – gény sú lokalizované na jeho nehomologickú časť
• dedičnosť viazanú na chromozóm Y – gény sú lokalizované na nehomologickú časť chromozómu Y
• dedičnosť neúplne viazanú na pohlavie – gény sú lokalizované v homologickom úseku chromozómov X a Y

Najznámejšou je dedičnosť viazaná na chromozóm X:

Pr. Daltonizmus u človeka

Alely: X – dominantná, X^d – recesívna

Genotypy: XX – dominantný homozygot, X X^d – heterozygot, X^d X^d – recesívny homozygot

XY, X^dY – hemizygoti

Fenotypy: XX – zdravá žena XY – zdravý muž

X X^d – zdravá žena, prenášačka X^dY – chorý muž

X^d X^d – chorá žena

P: XX x X^dY reciproké X^dX^d x XY

F1: XX^d XX^d XY XY kríženie XX^d XX^d X^dY X^dY

zdravé dcéry zdraví synovia zdravé dcéry chorí synovia

prenášačky prenášačky

• výsledky reciprokého kríženia nie sú rovnaké
• prejavuje sa dedičnosť krížom , znaky po matke dedí syn, po otcovi dcéra
• muž nikdy neodovzdáva genetickú informáciu synovi v X chromozóme

Pr. Otec je hemofilik, matka je zdravá, syn je hemofilik. Po kom zdedil syn chorobu?

X^dY x XX^d Syn zdedil chorobu po matke, matka bola zdravá, prenášačka.

X^dY Od matky dostal X^d a od otca Y.

Typy heterogametnosti

• typ drozofila (cicavčí) – sem patrí aj človek, samička XX (tvorí jeden typ gamét s X), samček XY (tvorí dva typy gamét, s X aj s Y)
• typ abraxas (vtáčí) – vtáky, ryby, motýle, samička XY (tvorí dva typy gamét, s X aj s Y), samček XX (tvorí jeden typ gamét s X)

Väzba génov

Výskyt dvoch alebo viacerých lokusov na jednom chromozóme sa nazýva väzba génov. Súbor génov ležiacich na jednom chromozómovom páre vytvára jednu väzbovú skupinu.Pravidlá o väzbe génov zaviedol Morgan.

• gény lokalizované v jednom chromozóme sa dedia spoločne (génová väzba)
• gény v chromozóme sú uložené lineárne
• medzi homologickými chromozómami môže prebehnúť crossing-over

Mimojadrová dedičnosť

• časť genetickej informácie je uložená aj mimo jadra, a to v mitochondriách a chromozómoch
• tieto gény sa podieľajú na riadení tvorby mitochondrií a chloroplastov
• pri tejto dedičnosti neplatia Mendelove pravidlá
• príkladom tejto dedičnosti je dedičnosť panašovaných – pestrofarebných rastlín

Mutácie

• dedičnosť a premenlivosť je základnou podmienkou evolúcie života
• premenlivosť (variabilita) je základnou charakteristikou živých bytostí

Príčiny premenlivosti sú dedičné a nededičné.

• dedičná premenlivosť je spôsobená rozdelením alel do gamét počas meiózy, rekombináciami ako výsledok crossing-overu, pohlavným rozmnožovaním, mutáciami
• nededičná premenlivosť je spôsobená vonkajším prostredím

Mutácie sú dedičné zmeny, ktoré sa prejavujú ako trvalé a jedinečné zmany znakov a vlastností organizmu, ktoré sú podmienené zmenami v ich DNA.

• súvisia so zmenou genotypu, ale nemusia sa aj fenotypovo prejaviť
• pre evolúciu sú najpodstatnejším zdrojom rozšírenia prirodzenej variability
• vo väčšine prípadov sú pre nositeľa nepriaznivé a škodlivé
• sú základom vzniku nových druhov v prírode
• mutanty – jedince, ktoré nesú zmenenú genetickú informáciu
• mutagény – látky alebo faktory, ktoré zvyšujú početnosť mutácií
• rozdeľujeme ich na fyzikálne (ÚV žiarenie), chemické (rôzne chemické látky) a biologické (onkovírusy)
• antimutagény – látky znižujúce frekvenciu mutácií, spravidla antioxidanty, teda látka zabraňujúce tvorbe voľných radikálov, napr. vitamín C a E, karotenoidy, selén

Rozdelenie mutácií:

1. podľa spôsobu vzniku: spontánne a indukované
2. podľa typu zasiahnutej bunky: gametické a somatické
3. podľa veľkosti genetickej informácie, ktorú zasiahnú:

• génové – zmeny v molekule DNA
• chromozómové – zmeny v štruktúre a tvare chromozómov
• genómové – zmeny v počte chromozómov alebo chromozómových sád

Génové mutácie

• dedičné zmeny v jednom géne, ktoré vznikajú vsunutím alebo vypadnutím jedného alebo viacerých nukleotidov, alebo zámenou jedného alebo viacerých nukleotidov v molekule DNA
• sú príčinou vrodených porôch metabolizmu (podľa chybného génu sa nesyntetizuje určitý enzým) – fenylketonúria, hemofília, alkaptonúria
• génové mutácie poznáme – substitúcia (zámena), delécia (strata), inzercia (vsunutie) jedného alebo viacerých nukleotidov

Chromozómové mutácie – vzniká jeden alebo viac zlomov v chromozóme

• strata časti chromozómu (delécia)
• zdvojenie úseku chromozómu (duplikácia)
• otočenie určitej časti o 180^o (inverzia)
• výmena úsekov medzi mehomologickými chromozómami

Genómové mutácie

• polyploidia – zvýšenie počtu chromozómových sád (u človeka a u cicavcov sa nevyskytuje) – u rastlín má pozitívny šľachtiteľský význam
• haploidia – typická pre pohlavné bunky, počet chromozómov je redukovaný na polovicu
• aneuploidia – jeden alebo viac chromozómov chýba, alebo je naviac (do počtu chromozómov jednej chromozomovej sady)
• najznámejšie aneuploidie sú Downov syndrom – trizomia 21 chromozómu, Edwardov syndróm – trizomia 18 chromozomu, Turnerov syndrom – chýbanie jedného z X chromozomov, Klinefelderov syndrom – zdvojenie X chromozomu muža

Dedičnosť kvantitatívnych znakov

znak – každá vlastnosť živého organizmu, ktorá je dedične podmienená

znaky podľa fenotypového prejavu delíme na: kvalitatívne a kvantitatívne

kvalitatívne znaky:

• pri krížení v nasledujúcej ganarácii vytvárajú presné vymedzené fenotypové kategórie
• krvné skupiny, niektoré dedičné choroby, sfarbenie
• znak je alebo nie je prítomný (normálne alebo zakrpatené krídla, krvná skupina A, B, AB alebo O, andulka je modrá, žltá alebo zelená)
• hovoríme o alternatívnej premenlivosti
• sú podmienené jedným génom, príslušné gény, ktoré kódujú kvalitatívne znaky, sa nazývajú gény veľkého účinku
• vplyvprostredia pre kvalitatívne znaky je zanedbateľný (gény veľkého účinku majú silný fenotypový účinok)

kvantitatívneznaky:

• telesné rozmery, inteligencia, rastové schopnosti, úžitkové vlastnosti
• sú podmienené viacerými génmi – polygénmi, tzv. gény malého účinku (každý gén sa podieľa na vytvorení určitého fenotypu svojím malým podielom)
• fenotypová premenlivosť je podmienená okrem genotypového založenia účinkamivonkajšiehoprostredia(majú slabý fenotypový účinok)
• pre kvalitatívne znaky sa vytvára veľký počet genotypov (lebo sa dedia veľkým počtom génov z rôznych lokusov)
• kvantitatívna genetika používa preto pri analýzach matematické metódy
• súčasťou polygenného systému sú aktívne a neutrálne alely
• Gaussova krivka (krivka normálneho rozloženia) vyjadruje výskyt jedincov s určitou hodnotou daného kvantitatívneho znaku, najvyšší počet jedincov je okolo priemernej hodnoty a odtiaľ v oboch smeroch klesá
• pri kvantitatívnych znakoch platí: genotyp + fenotyp = fenotyp

Dedivosť

• označuje sa h² a hodnoty sú od 0 po 1
• ak h² = 0, 25 , na premenlivosti sa genotyp podieľa 25% a fenotyp 75%
• ak h² = 0, 7, na premenlivosti sa genotyp podieľa 70% a fenotyp 30%

Populačnágenetika

• študuje dedičnosť a premenlivosť veľkých skupín jedincov

Populácia – spoločenstvo organizmov jedného druhu, ktoré sa pohlavne rozmnožujú, majú plodné potomstvo a sú časovo a priestorovo oddelené od iných príslušníkov toho istého druhu

• populácia je genotypovo a fenotypvo polymorfná

genofond – súbor všetkých génov všetkých členov určitej populácie

v konkrétnych formách, alelách

• populácie poznáme veľké (vyše 100 členov) a malé, rozhodujúci je však počet členov, ktorí sú schopní žiť a rozmnožovať sa v určitom prostredí
• malé populácie nie sú schopné zabezpečiť vytvorenie reprezentatívnej vzorky génov
• vznikajú obyčajne rozdelením veľkej populácie na menšie celky (subpopulácie)

genetické izoláty – malé populácie, niekoľko generácii izolované od ostatných populácií (najčastejšie v dôsledku geografickej izolácie)

• genetická variabilita v týchto populáciách je znížená, majú malý počet jedincov
• čím je populácia izolovanejšia, tým je menšia pravdepodobnosť, že sa prispôsobí zhoršujúcim sa podmienkam prostredia

panmixia – ak v populácii prebieha náhodné párenie, každý jedinec má rovnakú

pravdepodobnosť spáriť sa s ktorýmkoľvek jedincom opačného pohlavia

• v ľudskej populácii panmixia neexistuje
• panmixia udržiava konštanntný pomer genotypov v populácii

autogamia – samičia gaméta je oplodnená samčou gamétou z toho istého jedinca

(samoopelenie rastlín)

inbríding – kríženie medzi príbuznými jedincami, ktorí majú spoločného predka

• autogamia a imríding znižujú genetickú heterogenitu populácie a prispievajú k homogenite (zvyšuje počet homozygotov, heterozygotov redukuje, až vymiznú)
• panmixia zabezpečuje náhodnosť kríženia a tým dostatočnú rôznorodosť jedincov v populácii

Predmetom štúdia populácie môžu byť kvalitatívne i kvantitatívne znaky.

Genetická štruktúra populácie

• príklad jedného autozómového, monogénne podmieneného znaku
• alely A, a
• genotypy AA, Aa, aa
• N-celkový počet jedincov populácie, D-počet domintných homozygotov AA,

H – počet heterozygotov Aa, R-počet recesívnych homozygotov aa

D + H + R = N

– P – početnosť AA (D/N) p – početnosť dominantnej alely

– H – početnosť Aa (H/N) P + H + Q = 1 q – početnosť recesívnej alely

– Q – početnosť aa (R/N) p²+2pq+q²=1 p + q = 1

Hardyho-Weinbergov zákon (zákon o populačnej rovnováhe)

P = p²

H = 2pq p²+2pq+q²=1

Q = q²

Početnosť jednotlivých genotypov v panmiktickej populácii je stála. Platí p²+2pq+q² = 1

Zákon platí ak:

• populácia je dostatočne veľká, panmiktická
• jedinci všetkých genotipov sú plodní
• rovnováha v nej nie je narušená mutáciami, selekciou a migráciou

Pr. Cystická fibróza sa vyskytuje v našej populácii s frekvenciou 1 : 2000. Aké sú frekvencie výskytu všetkých genotypov a alel.

frekvencia recesívnych homozygotov Q = 1/2000 = 0,0005

frekvencia recesívnej alely q = √Q = √0,0005 = 0,023

frekvencia dominantnej alely p = 1 – q = 1 – 0,023 = 0,977

frekvencia dominantných homozygotov P = p² = 0,9772 = 0,9545 = 95,45 %

frekvencia heterozygotov H = 2pq = 2. 0,977. 0,023 = 0,045 = 4,5 %

Pr. 16 % ľudí na Slovensku má rh negatív. Aké sú početnosti výskytu všetkých genotypov a alel. (alely R, r, genotypy RR, Rr, rr)

početnosť recesívnych homozygotov rr Q = 0,16

početnosť recesívnych alel r q = √Q = √0,16 = 0,4

početnosť dominantnej alely R p = 1 – q = 1 – 0,4 = 0,6

početnosť dominantných homozygotov RR P = p² = 0,62 = 0,36

početnosť heterozygotov Rr H = 2pq = 2.0,6. 0,4 = 0,48

V populácii na Slovensku je 36 % RR, 48 % Rr, 16 % rr, 60 % alel R, 40 % alel r.

Getika človeka

• samostatný vedný odbor
• zaoberá sa dedičnosťou normálnych ľudských znakov (napr. krvné skupiny) a dedične podmienenými chorobami a odchýlkami
• klinická genetika študuje geneticky podmienené odchýlky, choroby (zameriava sa na diagnostiku, liečbu a prevenciu)
• cytogenetika študuje zmeny počtu a štruktúry chromozómov a ich klinické prejavy
• molekulová genetika rieši nové poznatky z oblasti štruktúry a regulácie funkcie génov, genetického inžinierstva a génovej terapie
• pre človeka platia tie isté zákony dedičnosti ako pre iné organizmy, ale genetika človeka má špecifickémetódyvýskumu a praktickej aplikácie poznatkov, lebo:
• človeka nemožno zámerne krížiť z hľadiska etiky a morálky
• človek má malý počet potomkov a generačná doba človeka je dlhá (20 – 25 rokov), maximálne možno posúdiť 2 – 4 generácie
• človek má zložitý genotyp, väčšina znakov je polygénna, vplyv prostredia si človek dokáže korigovať (lekárska starostlivosť, úprava stravy, sociálne podmienky)
• človek je viac ako rastliny a živočíchy ovplyvňovaný sociálnym prostredím, výchovou, kultúrou, zamestnaním
• pri práci v oblasti genetiky človeka sa musia rešpektovať právne predpisy, ktoré sú záväzné pre lekársku prax (zodpovednosť za zverejňovanie informácií)
• napriek tomu dosiahla genetika pozoruhodné výsledky, ktoré prispeli k zdokonaľovaniu diagnostiky, liečenia i prevencie

Metódy genetiky človeka

• rodokmeňová metóda (genealogická)
• výskum dvojčiat (gemelologický výskum)
• populačný výskum
• študuje karyotypy
• genetické a biochemické metódy

Molekulová genetika človeka

• ľudský genóm obsahuje asi 30 000 až 40 000 génov
• v súčasnosti sa uskutočňuje celosvetový projekt štúdia ľudského genómu, ktorého cieľom je prečítať si vlastnú genetickú informáciu
• molekulová DNA diagnostika umožňuje určiť dedičné vlohy v ktoromkoľvek štádiu vývinu – z buniek blastuly, plodu, placenty (prenatálna diagnostika), z ktorýchkoľvek buniek po narodení (postnatálne)
• molekulová diagnostika sa využíva pri chorobách zapríčinených mutáciami jednotlivých génov (monogénne ochorenia), keď zmena funkcie enzýmu vedie k zmene metabolizmu, výsledkom je patologický stav
• molekulová diagnostika sa uplatňuje aj pri nádorových ochoreniach, ktoré vznikajú ako dôsledok mutácie v jednej bunke, ktorá sa pod jej vplyvom začne nekontrovĺovateľne deliť a vznikne nádor

Štúdium karyotypov človeka

• štúdium zastavy a štruktúry chromozómov je súčasťou lekárskej cytogenetiky
• chromozómy sa rozdeľujú do 7 skupín (A až G)
• karyotyp ženy je 46, XX, karyotyp muža je 46, XY
• využívajú sa prúžkovacie metódy, pri ktorých sa využíva to, že po farbení sa časti chromozómov farbia nerovnomerne a tak na nich vznikajú širšie a užšie rôzne zafarbené prúžky, typické pre každý chromozóm
• ľudské chromozómy sa najčastejšie vyšetrujú z krvných buniek, z kostnej drene alebo z kože, dajú sa vyšetriť aj prenatálne z plodovej vody (amniocentéza – v 10 až 14 týž.)
• umožňujú diagnostiku mnohých dedičných a genetických chorôb
• bunky sa využívajú aj pre DNA testy, kde sa preukáže, kto je nositeľom určitého dedičného ochorenia
• mnohé genetické choroby sú podmienené chromozómovými mutáciami, ich počet rastie s vekom matky (napr. Downov syndróm – trizómia 21. páru chromozómov vzniká chybnou meiózov buniek matky)
• genetický skríning – dlhodobé sledovanie rizikových ľudí a rodín, umožňuje postupné odhaľovanie liečenia dedičných chorôb

Rodokmeňová analýza

• študujú sa rodokmene, skúmaná osoba sa nazýva proband
• zostavujú sa schémy, muž sa označuje štvorčekom, žena krúžkom, postihnutí majú plnú značku, zdravé osoby prázdnu značku, bodka v značke znamená heterozygota, manželstvo sa značí čiarou spájajúcou oboch manželov, jedna generácia je zachytená v jednom riadku, generácie sa označujú rímskymi číslicami, členovia jednej generácie arabskými číslicami
• dominantne autozomálne dedičné choroby sú viacprstosť – polydaktylia, krátkoprstosť – brachydaktylia
• recesívne autozomálne dedičné sú galaktozémia – neschopnosť odbúravať galaktózu (spôsobuje poškodenie obličiek, sleziny a spomalenie psychického vývinu), fenylketonúria – fenylalanín sa nemení na tyrozín (vyvoláva to pomalé poškodenie mozgu), celiakia – neschopnosť stráviť lepok (vážne metabolické ochorenie, vyvoláva poruchy tráviacej sústavy, pacienti musia mať bezlepkovú diétu), albinizmus – neschopnosť syntetizovať melanín
• recesívnadedičnosťviazanánapohlavie – hemofília – neschopnosť zrážania krvi, daltonizmus – neschopnosť rozlišovať zelenú a červenú farbu

Genetické poradenstvo a prenatálna genetická diagnostika

• poznanie zákonov dedičnosti umožňuje predvídať vznik patologického znaku – choroby
• genetické poradenstvo umožňuje ľuďom získať informácie o dedičnosti, väčšinou dedičnosti choroby a pravdepodobnosť jej výskytu u seba, potomkov, príbuzných
• vyšetrenie spočíva v zhotovení rodokmeňa, stanovení klinickej a genetickej diagnózy a odporučenia postupu, ktorý by prípadné riziko znížil, či vylúčil – prevencia
• vyšetrujú sa aj chromozómy, analyzuje sa DNA, používajú sa ďalšie metódy
• návšteva genetickej poradne je dobrovoľná, údaje podliehajú lekárskemu tajomstvu
• o výsledku genetického vyšetrenia má byť podaná informácia pravdivo a v plnom rozsahu, ukončenie gravidity z genetických dôvodov sa len odporučí do 24. týždňa

pri vážnom poškodení plodu, rozhodnitie matky je dobrovoľné

• k preventívnym opatreniam patrí konzultácia pri výbere partnera, ochrana pred mutagénmi, vyhľadávanie a vyšetrovanie osôb a rodín

Dedičnosť normálnych znakov

• význam má výskum znakov, ktoré určujú genetickú identitu jedinca – dôležité pre identifikáciu osôb (daktyloskopia – odtlačky prstov, dedičnosť krvnýchskupín

pri určovaní otcovstva, sfarbenie pokožky a vlasov)

• študuje sa aj správanie sa človeka, dedičné dispozície k tučnote, neuróze a pod.

Génové manipulácie a ich praktické využitie

• vytváranie umelých organizmov určených na produkciu významných ľudských, živočíšnych, bakteriálnych alebo vírusových bielkovín (hormóny, vakcíny, enzýmy)
• konštrukcia mikroorganizmov, ktoré by rozkladali látky znečisťujúce prostredie, chránili by pred škodcami, využívali by atmosférický dusík, produkovali bielkoviny s vyšším obsahom amnokyselín