Dědičnost a genetika člověka

Dědičnost a genetika člověka

Dědičnost mnohobuněčných organismů, genetika člověka

Základy genetiky

· mnohobuněčné eukaryotní organismy jsou schopny se množit pohlavně, což umožňuje diferenciaci potomků (nejsou to klony)

· dědičnost: proces, ve kterém potomek (buňka nebo organismus) získává vlastnosti nebo predispozice k vlastnostem rodičovské buňky nebo organismu

· genetika vzešla z poznatků J. G. Mendela o dědičnosti kvalitativních znaků

· vertikální přenos: přenos genů z generace na generaci

· základní metodou výzkumu dědičnosti je pokusné křížení (experimentální hybridizace)

· křížení (hybridizace)

– cílové pohlavní rozmnožování dvou vybraných jedinců

– cílem je analýza znaků potomků – genetický význam

– nebo vytvoření hybridů s žádoucí kombinací rodičovských znaků – šlechtitelský záměr

– křížit lze jen jedince téhož druhu, pokud je křížení mezidruhové je hybrid sterilní (kůň s oslem – mezek nebo mula – oba sterilní)

– u rostlin jsou podmínkou mezidruhového křížení velmi podobné karyotypy a tudíž i genomy (pšenice a žito – lze)

· symbolika

– křížení……x

– rodičovská (parentální) generace……P

– potomci generace P – první filiální generace……F1

– potomci generace F1 – druhá filiální generace……F2

– dominantní alela……A

– recesivní alela……a

– zápis se vhodně provádí kombinačním čtvercem

· kvalitativní znak

– obvykle monogenní

– fenotypové vyjádření určují dvě párové alely genu „velkého účinku“ – velký účinek na fenotyp

– jen nepatrně ovlivněny vlivy prostředí

– nejeví plynulou proměnlivost

· kvantitativní znak

– je jich mnohem více

– mají plynulou proměnlivost mezi jednotlivci

– ovlivněny prostředím

– fenotypové vyjádření určuje mnoho alel genů „malého účinku“ – malý účinek na fenotyp

– fenotypové účinky těchto genů se sčítají – aditivní působení

– mezialelové interakce jsou velmi složité – jeden samotný gen nemá význam

– polygenní systém: soustava malých genů funkčně spřažená k fenotypovému určení míry znaku

– dědičnost kvantitativních znaků nelze z fenotypu vyjádřit

– četnosti jejich hodnot vykazují při grafickém vyjádření křivku normálního rozdělení

– proto se nadále budeme zabývat jen dědičnosti genů velkého účinku a jimi vykazovanými kvalitativními znaky

· homozygot: jedinec, který zdědil po obou svých rodičích tutéž alelu určitého genu (AA, aa)

· heterozygot: jedinec se dvěma různými alelami daného genu (Aa)

· při vzniku gamet (při meióze) probíhá segregace párových chromozomů, a tím také segregace všech vazbových skupin genů, všech párových alel v jejich genových lokusech – do každé gamety se dostane vždy jedna alela každého genu (otcovská nebo mateřská)

– homozygot vytváří všechny gamety se stejnou alelou daného genu

– heterozygot vytváří gamety s dvěma rozlišnými alelami v poměru 1:1

· spojování gamet při oplození je náhodný, a tudíž statistický jev

· není významné, který z rodičů předá potomkovi jakou alelu (kromě dědičnosti na chromozomu X)

· dvě alely jedince, určující genotypově daný gen mohou být ve vztahu

– dominance

• úplná: A nad a; heterozygot Aa se ve fenotypovém znaku neliší od homozygota AA

• neúplná: heterozygot Aa se v daném znaku od homozygota odlišuje; jeví kvalitu znaku, která je někde mezi kvalitou homozygota AA a homozygota aa; na vytváření heterozygota Aa znaku se podílí obě alely, ale A více (AA – žlutá, aa – bílá, Aa – světle žlutá)

• dána schopností syntézy určitého proteinu, enzymu a tudíž schopností realizovat určitý metabolický řetězec (recesivita je tohoto neschopna)

– recesivita
• úplná: a vůči A; u heterozygota Aa se recesivní alela ve fenotypu neprojevuje; forma znaku, který kóduje, se ve fenotypu projeví jen za nepřítomnosti dominantní alely
• neúplná: heterozygot Aa se v daném znaku od homozygota odlišuje; jeví kvalitu znaku, která je někde mezi kvalitou homozygota AA a homozygota aa; na vytváření heterozygota Aa znaku se podílí obě alely, ale a méně (AA – žlutá, aa – bílá, Aa – světle žlutá)

– kodominance: párové dominantní alely se u heterozygota AB projeví obě stejnou měrou (příkladem jsou krevní skupiny)
• lze vyloučit otcovství, či určit pravděpodobnost krevních skupin potomků

· obecně dominantní alela potlačuje fenotypový projev recesivní alely

· latentní geny: geny jejichž určité alely homozygotní kombinaci neumožňují život svých nositelů

Autozomální dědičnost

· znaky podmíněné geny umístěnými v autozomech (nepohlavních chromozomech)

· dědičnost s úplnou dominancí

– křížením dvou stejných homozygotů vzniká čistá linie – potomci jsou stejní jako rodiče
P: AA x AA aa x aa
F1: AA aa

– křížením dvou různých homozygotů vzniká uniformní potomstvo – všichni potomci jsou heterozygoti
P: AA x aa
F1: Aa fenotypově stejní jako dominantní rodič

– křížením heterozygota s homozygotem se potomstvo štěpí na obě rodičovské formy v poměru 1:1
P: Aa x aa
F1: Aa, aa, Aa, aa

– při úplné dominanci nelze fenotypově rozeznat heterozygota od dominantního homozygota, což je pro šlechtitelství důležité, proto se využívá zpětného křížení
• jedinec, jehož genotyp je nutno zjistit, se zkříží s recesivním homozygotem (fenotypová identifikace je snadná)
• pokud je potomstvo uniformní, musí být analyzovaný jedinec dominantní homozygot
• pokud se potomstvo štěpí v poměru 1:1 je analyzovaný jedinec heterozygot

· štěpný poměr

– číselný poměr, ve kterém se potomstvo určitého křížení štěpí

– jedná se o statistický poměr – uplatní se jen při dostatečném množství potomků (pokud je množství potomků malé, štěpný poměr se od ideálního více či méně liší)

– všechny štěpné poměry jsou v genetice založeny na zákonech velkých čísel

· Mendelovy fenotypové zákony

1. Zákon o uniformitě hybridů – Zákon o uniformitě hybridů F1 generace homozygotů

– křížíme-li dominantního homozygota s recesivním homozygotem, jsou jejich potomci F1 generace v sledovaném znaku všichni stejní

– zpětná křížení u jakýchkoliv jedinců F1 generace dávají shodné výsledky

2. Zákon o štěpení v potomstvu hybridů

– při křížení heterozygotů lze genotypy a fenotypy vzniklých jedinců vyjádřit poměrem malých celých čísel

– vzniká genotypový a fenotypový štěpný poměr

– genotypový štěpný poměr 1:2:1 a fenotypový štěpný poměr 1:3

· Mendelovy genotypové zákony

1. Zákon o samostatnosti alel

– genotyp je soubor samostatných genů určujících znaky

– každý znak je určen dvojicí samostatných alel

2. Zákon o segregaci alel

– dvojice samostatných alel se při zrání rozcházejí a do každé gamety přechází jedna z obou alel.

3. Zákon o nezávislé kombinaci alel – Zákon o volné kombinovatelnosti alel s výjimkou genů ve vazbě

– vzájemným křížením polyhybridů (vícenásobných heterozygotních hybridů) vzniká genotypově i fenotypově nejednotné potomstvo s tolika kombinacemi genů, kolik je možných matematických kombinací mezi dvěma matematickými veličinami

· dědičnost s neúplnou dominancí

– na znaku se uplatňují obě alely

– F1: uniformita generace – fenotypový přechod mezi dominantním a recesivním znakem

– F2: genotypový štěpný poměr je stejný jako fenotypový štěpný poměr – 1:2:1

· dihybridismus

– sledování dvou vzájemně nevázaných párů alel Aa, Bb

– segregace jednoho páru alel do gamet nezávisí na segregaci druhého páru – kombinace alel v gametách

– dvojitý hybrid AaBb tvoří 4 typy gamet AB, Ab, aB, ab

– F1: počet možných genotypů je 9 a fenotypů 4

– F2: při úplné dominanci je fenotypový štěpný poměr 9:3:3:1

– obecně lze při nezávislé dědičnosti n genů získat v F2 – 3n genotypů a 2n fenotypů

Gonozomální dědičnost

· vztahuje se ke genům lokalizovaným v heterologické (nestejné) části chromozomu

· fenotypový projev alel tohoto typu nezávisí jen na jejich dominanci nebo recesivitě, ale i u které pohlaví se vyskytují

– u jedince typu XY (muže) se všechny alely projeví ve fenotypu nezávisle na tom, zda jsou dominantní nebo recesivní

– u jedince typu XX (ženy) na tom záleží; alely se chovají stejně jako alely autozomální

– na chromozomu Y nejsou párové alely příslušných genů, které by jejich fenotypový projev ovlivňovaly – takový organismus je pro tyto geny monoploidní

· výsledky zpětného křížení nejsou stejné pro obě pohlaví

· příkladem je dědičnost barvy očí drozofily

– dominantní alela …… XD – karmínová barva

– recesivní alela …… Xd – bílá barva

1. Křížení bělookého samečka s homozygotně recesivní samičkou
P: XdY x XDXD
F1: XDY, XDXd všichni potomci jsou červenoocí

2. Křížení červenookého samečka s bělookou samičkou
P: XDY x XdXd
F1: XDXd, XdY samičky jsou červenooké a samečci běloocí

3. Křížení heterozygotní červenooké samičky s červenookým samečkem
P: XDXd x XDY
F1: XDXD, XDY, XDXd, XdY samičky jsou červenooké a samčci běloocí nebo
červenoocí v poměru 1:1

4. Křížení heterozygotní červenooké samičky s bělookým samečkem
P: XDXd x XdY
F1: XDXd, XDY, XdXd, XdY obě pohlaví jsou červonooká nebo bělooká ve
stejném poměru 1:1

· u člověka se jsou takovouto dědičností charakterizovány geny, jejichž mutací vzniká hemofilie (chorobná krvácivost) nebo daltonismus (mutací genu pro barvocit; člověk nerozliší červenou a zelenou barvu – obě jsou šedé) – pohlavně vázané znaky (pohlavně řízené znaky jako funkce pohlavních žláz patří mezi jsou určeny autozomálně)

· většina znaků podmíněných alelami v heterologické části chromozomu X se mnohem častěji vyskytuje u jedinců typu XY

Genové interakce

· interakce nepárových alel (dědičnost kvantitativních členů)

· spoluúčast více genů na jednom znaku

· reciproká interakce: dědičnost barvy srsti u potkana – homozygotně černý a homozygotně žlutý potkan mají šedé potomky

· epistáze: určitá alela jednoho genu potlačuje projev jiného genu

– dominantní a recesivní

· hypostáze: gen je potlačen jinou alelou

· duplicitní kumulativní interakce: čím víc je alel, tím silnější je znak (sytější barva); nejvíce jedinců má střed

· komplementarita: spolupráce více genů na vzniku znaku (jeden gen vytvoří prekurzor pro bezbarvou barvu květu, druhý gen změní prekurzor na modrou barvu)

– alely musí být dominantní

Populační genetika

· populace je soubor jedinců žijících v daném čase na určitém přírodním území

· jedinci populace se mnohou vzájemně neomezeně křížit

· v souboru všech gamet všech jedinců populace je obsažen její genofond – lze analyzovat

· genová struktura populace se určuje ze zastoupení dvou alel velkého účinku A, a

– možnosti genotypové kombinace těchto alel jsou: AA, Aa, aa

– p......frekvence alely A
q……frekvence alely a p + q = 1

– pro zjištění frekvence alely jsou důležité: velikost populace (aby bylo číslo vypovídající, musí být dostatečně velká), obvyklý způsob výběru partnera

· ve stabilní populaci se udržuje stálé složení genového fondu pro neomezený počet generací

– Hardyův-Weinbergův zákon: p2 + 2pq + q2 = 1
P2……frekvence homozygotů AA
q2……frekvence homozygotů aa
2pq……frekvence heterozygotů Aa

Genofond

· v průběhu střídání generací počet homozygotů stoupá a počet heterozygotů klesá, až nakonec úplně zmizí

· v malých populacích neplatí Hardyův-Weinbergův zákon – dochází k náhodným posunům – některé alely jsou v genofondu zcela fixovány, jiné eliminovány či ztraceny

– navíc během několika generací vzrůstá příbuznost jedinců a začíná se uplatňovat příbuzenské křížení

· všechny změny alelových frekvencí probíhají tím rychleji a tím jsou výraznější, čím jsou populace menší