DĚDIČNOST KVALITATIVNÍCH ZNAKŮ
– kvalitativní znaky organismů jsou obvykle podmiňovány jedním genem
– monogenní znak – znak podmíněný jediným genem (genem velkého účinku)
Monohybridní křížení s úplnou dominancí
– sleduje se jeden znak, který je monogenně podmíněný
– gen je tvořen párem alel A/a
– genetické křížení hrachu setého s kulatými svraštělými semeny
Monohybridní křížení s neúplnou dominancí
– u mnoha alelových párů se neprojevuje úplná dominance jedné a recesivita druhé alely – vzniklý heterozygot není fenotypově shodný s žádným s rodičů
– kodominance – vztah, kdy žádná z rozdílných alel v heterozygotním genotypu není
dominantní a ve fenotypu se projevují funkce obou alel nezávisle na sobě
– alely jsou v intermediárním vzájemném vztahu
– křížení různých variet rostlin nocenky
Zpětné křížení
– křížení hybrida F1 generace s jedním z rodičů
– při vhodné volbě rodiče (recesivně homozygotního) lze prokázat, že heterozygot vytváří dva typy gamet ve stejném množství, a zda sledovaný znak u hybrida je založen homozygotně nebo heterozygotně
– analytické zpětné křížení = křížení hybrida s homozygotně recesivním rodičem
Volná kombinovatelnost genů (alel)
– geny (páry alel), které jsou uloženy v různých párech homologických chromozomů, jsou volně kombinovatelné
– mezi jejich alelami je možných tolik kombinací, kolik je teoreticky možných matematických kombinací mezi vzájemně nezávislými veličinami
MENDELOVY ZÁKONY
1. Zákon o uniformitě hybridů
– kříženci (hybridi) ze vzájemného křížení dvou rozdílně homozygotních rodičů jsou vždy heterozygotní, fenotypově stejní
- Zákon
– Při křížení heterozygotních rodičů lze genotypy i fenotypy nově vzniklých jedinců vyjádřit poměrem malých celých čísel
-1. a 2. zákon = monohybridní křížení – sledujeme jeden znak
- Zákon – křížení dihybridů
– sledujeme 2 znaky, každý monogenně podmíněný, tedy přenos dvou párů alel A/a B/b
– při vzájemném křížení vícenásobných heterozygotních hybridů (polyhybridů) vznikne mezi alelami sledovaných genů tolik kombinací, kolik je teoreticky možných matematických kombinací mezi vzájemně nezávislými veličinami
AUTOZOMÁLNÍ DĚDIČNOST
– týká se genů umístěných na nepohlavních chromosomech – autozomech
– dědičnost znaků či chorob, jejichž geny jsou umístěny na autozomech a jejichž dědičnost není ovlivněna pohlavím autozom
– 2 alely genu leží v odpovídajících úsecích homologních chromozomů
– stejné => homozygot – dominantní AA, recesivní aa
– různé => heterozygot – Aa
GONOZOMÁLNÍ DĚDIČNOST
– monozomy (heterochromozomy) se liší od autozomů nejen tím, že nesou geny pro určité pohlaví, ale také svým tvarem a genovým vybavením
– geny lokalizované v homologních částech monozomů podmiňují znaky označované jako neúplně na pohlaví vázané
– úplně na pohlaví vázané – u genů umístěných na heterologních monozomů X a Y
– hemizigotní organismus – geny lokalizované na heterologní části Y chromozomu, nemají
svou párovou alelu
– projevují se ve fenotypu vždy jen u toho pohlaví, které Y chromozom má (z
otce na syna) = dědičnost přímá
– při jednom směru křížení je F1 stejnorodá a F2 se štěpí v poměru 3:1
– při reciprokém křížení dochází ke štěpení již v F1 na dvě fenotypové kategorie (znak otce přechází na dceru a znak matky na syna) = dědičnost křížem
– v F2 dochází ke štěpení v poměru 1:1 u obou pohlaví
VAZBA GENŮ
– jsou-li geny (páry alel) neseny jedním a týmž párem homologických chromozomů, pak jsou ze vzájemné volné kombinovatelnosti vyloučeny a jsou ve vzájemné vazbě
– je-li jeden z rodičů genotypu AABB a druhý z rodičů je genotypu aabb (tzv. křížení ve fázi cis), je v F1 situace následující:
– pokud při meióze u příslušníka F1 nedojde ke crossing-overu, pak takový dihybrid bude vytvářet pouze dva typy gamet, stejné jako byly gamety, které vytvářejí jeho rodiče (AB, ab) = vazba úplná
– pokud při meióze u příslušníka F1 je možná crossing-over, pak takový dihybrid bude vytvářet čtyři genotypově se lišící typy gamet v poměru odlišném od poměru 1:1:1:1
– v uvedeném případě dihybrid genotypu AaBb vytváří větší množství (více než 50%) gamet rodičovského typu AB; ab a menší množství (méně než 50%) rekombinovaných gamet typu Ab; ab vzniklých crossing-overem = vazba neúplná
– jestliže jeden z křížených rodičů byl genotypu AAbb a druhý z rodičů genotypu aaBB – křížení ve fázi trans, pak by dihybrid (příslušník F1) genotypu AaBb produkoval při neúplné vazbě větší množství rodičovských gamet typu Ab; aB a menší množství rekombinovaných gamet typu AB; ab, vzniklých crossing-overem
Pro vazbu vloh platí následující:
– čím blíže k sobě geny na chromozomu leží, tím je pravděpodobnost crossing-overu mezi nimi menší, tím méně mezi nimi vzniká rekombinací a tím je vazba mezi nimi pevnější
– množství rekombinací alel je přímo úměrné vzájemné vzdálenosti genů na chromozomu
– chromozomové mapy – udávají vzdálenost genů (jednotka morgan)
– Morganovo číslo p – stanovuje se zpětných křížením dihybrida AaBb s homozygotně recesivním rodičem aabb
– čím více se hodnota p blíží 50%, tím jsou alely na chromozomu od sebe více vzdálené a vzniká mezi nimi více překřížení (crossing-overů)
– dosáhne-li hodnota 50%, jedná se o volnou kombinovatelnost
– nevzniknou-li rekombinované gamety p = 0
– Morganovy chromozomové teorie dědičnost – jevy vazby vloh a jejich vysvětlení
T.H. Morgan (1866 – 1945)
– Američan
– na základě rozborů velkého množství pokusů s octomilkou (Drosophila melanogaster) prokázal, že geny ovládající mendelisticky dědičné znaky jsou umístěny na chromozomech v lineárním pořadí za sebou na lokusech
GENETIKA POPULACÍ
– populace – soubor jedinců téhož druhu, osídlující v daném čase určité přírodní území
– genofond populace – soubor všech alel všech členů populace
Genetický struktura populace
– podle velikosti:
– velké populace – složené z několika set až desítek tisíc jedinců
– malé populace – pouze z několika desítek jedinců
– podle partnerských vztahů při oplození je v populacích mnoho přechodů mezi dvěma krajními typy:
– samooplození (autogamie) – hermafroditní živočichové, samosprašné rostliny
– náhodné párování (panmixie) – gonochoristé, cizosprašné rostliny
Hardyho-Weinbergův zákon
– podíl jednotlivých alel se v panmiktické populaci nemění
– v případě, že pro daný gen existuje pouze systém dvou alel, znamená to (dle úzu značíme četnost dominantní alely p a recesivní q):
1. p + q = 1 (tj. 100 %)
2. Pravděpodobnost vzniku homozygota dominantního je p × p, homozygota
recesivního je q × q; a u heterozygota to je 2pq. Celkové genotypové složení populace
tedy lze vyjádřit s pomocí vzorce:
p² + 2pq + q² = 1
Vývoj genofondu v autogamní populaci
– při samooplození (autogamii) potomci genotypu AA a genotypu aa zůstanou homozygoty, potomci genotypu Aa se opět štěpí v poměru 1:2:1 -> přibude homozygotů a ubude heterozygotů, jejich zastoupení v generaci F2 bude:
AA : Aa : aa
37,5% : 25% : 37,5%
– po deseti autogamních generacích heterozygoti z populace téměř vymizí – zcela beze zbytku z generace nevymizí nikdy
– čisté linie znaků – po dostatečném počtu autogamních generací bude populace složená téměř
výlučně z homozygotů pro každý gen
Vliv selekce na genofond populace
– výběr (selekce) – nositelé výhodných znaků mají v průměru více potomků než nositelé
nevýhodných znaků. Příspěvek některých genotypů do genofondu populace
následující generace může být tedy vyšší než příspěvky genotypů ostatních
Vývoj genofondu v populacích
– odlišné podmínky prostředí – selekční tlaky – dochází k adaptivním změnám fenotypu a genotypových četností
– genetický posun – změna četnosti alel
– inbreeding (příbuzenské křížení) – tendence ke zvyšování podílů dominantních i recesivních
homozygotů na úkor heterozygotů
– uplatňuje se zvýšenou měrou v malé populaci
– heterozygotnost populace – význam pro přežití druhu
– plemena (rasy), u rostlin: odrůdy (variety) – populace téhož druhu, lišící se vzájemně svými
genofondy
– příslušníci různých plemen téhož druhu se mohou křížit vzájemně a jejich potomstvo
je dále plodné
– ekotyp – každá populace, která je optimálně dědičně přizpůsobená specifickými
podmínkami prostředí svého areálu
GENETIKA ČLOVĚKA
– řídí se obecně platnými genetickými zákony, odlišuje se jen metodickými postupy
– dědičnost člověka nelze zkoumat experimentální metodou – pokusným křížením (hybridizací)
– používá se metoda pozorovací – sledují se, popisují a statisticky vyhodnocují fenotypové
znaky osob
Výzkum:
– genealogický – zkoumá určitý rod v několika generací
– populační – zkoumá výběrový, náhodně vybraný vzorek určité populace
– gemellilogický – zkoumá dědičnost členů párů dvojčat
– doplnění – zkoumání karyotypu – vyšetření mikroskopického obrazu chromozomů
DĚDIČNÉ CHOROBY A DISPOZICE
– genotyp člověka podmiňuje i jeho zdravotní stav
Rozlišujeme:
a) dědičné dispozice k chorobám
b) dědičné choroby
- a) Dědičné dispozice k chorobám
– choroba má genotypové podmínění (dispozici), ale k jejímu vzniku je potřeba působení (expozice) určitého činitele prostředí
– vyvolávající činitel prostředí je specifický – určitá složka potravy, určitá látka v prostředí,
sluneční záření, …
– chorobu vyvolá pouze působení obou složek
– patří sem: alergie, neurózy, vysoký krevní tlak … - b) Dědičné choroby
– způsobeny odchylkami genotypu
– vyvolány mutacemi genovými, chromozomovými, genomovými
– podíl vlivu prostředí na vznik dědičné choroby je téměř nulový, někteří specifičtí činitelé prostředí se však mohou podílet na jejich vývoji (patogeneze)
– dědičné vývoje vady – vznikají během nitroděložního vývoje a znamenají zpravidla
postižení jedince na celý život
– rozštěp patra
– eufenický zásah – upravuje příslušný fenotyp, ale neodstraní mutací postižený genotyp
– lékařská genetika – snaha o to, aby genotypy s dědičnými základy vážných chorob nebyly
přenášeny na další generace – genetická prevence
– včasné poznání a léčení chorob s dědičnou dispozicí a dědičných chorob
Příklady:
Galaktosemie – genová (molekulární) choroba
– postižený organismus není schopen vytvářet enzym (galaktózo-1
uridyltransferáza)
– u homozygotů se veškerá galaktóza z mléčné potravy nerozkládá a
zůstává ve formě galaktózo-1-fosfátu, který se v organismu hromadí
v růstných orgánech -> poškození
– pleiotropní účinek – genetická informace jediné alely se promítá do
celé řady chorobných znaků
Srpkovitá anemie – genové onemocnění s pleiotropiím účinkem
– příčina úmrtí postižených jedinců před dosažením dospělosti
– alela mutovaného genu – HbS – příčina snadno pozorovatelných
fenotypových znaků:
a) červené krvinky mají protáhlý, srpkovitý tvar, obsahují
nefunkční vláknité molekuly hemoglobinu
b) proudění krve v krevních kapilárách je blokováno, tkáně jsou
nedostatečně zásobeny O2 -> bolest kloubů, břicha
c) slezina je zvětšená, neboť v ní dochází k odbourávání a
odstraňování srpkovitých krvinek
d) celkový počet červených krvinek se zmenšuje o nefunkční
srpkovité krvinky a dochází k letální anemii
e) heterozygotní jedinci HbAHbS jsou odolní proti malárii. Tito
jedinci produkují normální i nefunkční molekuly hemoglobinu.
Původci malárie napadají přednostně srpkovité krvinky, které
jsou zničeny ve slezině, zatímco normální krvinky procházejí
slezinou beze změny
Klinefelterův syndrom – sterilní, infantilní muž s intersexuálními znaky (XXY)
– 47 chromozomů
Turnerův syndrom – sterilní, infantilní ženy (X0)
– 45 chromozomů
– genomové choroby – důsledkem chybného oddělování chromozomů
(nondisjukce) při meióze
Downův syndrom – genomová choroba
– příčinou vzniku je trisomie 21. chromozomového páru
– opožděný duševní vývoj, snížená inteligence, charakteristické tělesné
znaky
Super ženy – trisomie – XXX – XXXXX
– 47 chromozomů
– snížená inteligence
– poruchy plodnosti
Super muž – XXY
– 47 chromozomů
– vysoký, psychická labilita, agresivita
Hemofilie – chorobná nesrážlivost krve
– chybí gen, který vytváří bílkoviny, které přeměňují protrombin na trombin
– trombin katalyzuje přeměnu fibrinogenu na fibrin
– sebemenší poranění à možnost vykrvácení (vnějšího i vnitřního)
– často krvácení do kloubů à poškozování pohybového aparátu
– léčba: dříve – transfúze krve à hemofiliků nakaženo HIV, hepatitidou, …
nyní – genové inženýrství (izolace genu, který řídí vznik faktoru à
vložení do genomu bakterie à výroba faktorů) à pravidelné injekce
Daltonismus – objevitelem John Dalton (autor atomové teorie – 1808)
– pohlavně vázaná choroba
– „barvoslepost“
– neschopnost rozpoznat červenou barvu od zelené (jeví se jako šedá)
Plešatost – pohlavně řízena
– předčasné vypadávání vlasů
– autozomální dědičnost, ale projev záleží na pohlaví
– alely: P – dominantní (plešatost)
p – recesivní (vlasový porost)
– dle pohlaví: muži – PP, Pp à plešatost; pp à normální porost
ženy – PP à plešatost; Pp, pp à normální porost
– změna dominance a recesivity alel v závislosti na pohlaví
GENOVÉ INŽENÝRSTVÍ
Základní postupy genového inženýrství:
1. Izolace nukleové kyseliny
– po rozpuštění plazmatické a jaderné biomembrány
– DNA se oddělí od bílkovin, polysacharidů a lipidů vhodně zvoleným postupem
2. Podélné štěpení DNA účinkem vyšší teploty
– okolo 95°C dochází k zániku vodíkových vazeb mezi bázemi a dsDNA se rozpadá na
dvě samostatná vlákna ssDNA (denaturuje)
– opakovaným ochlazením se obě vlákna ssDNA opět spojují (renaturují) vodíkovými
vazbami na základě komplementarity bází
3. Příčná štěpení (restrikce) DNA
– příčné rozdělení umožňují enzymy – restrikční endonukleázy
– endonukleázy štěpí DNA v místě určitých sekvencí nukleotidů -> vznikají „lepivé
konce“
– lepivé konce lze opět spojit účinkem působení enzymů – DNA-ligáz
4. Třídění fragmentů DNA
– fragmenty DNA lze dělit podle jejich délky (molekulové hmotnosti) elektroforézou
v agarózovém gelu (metoda PAGE)
– délka molekul je určována srovnáváním se současně děleným standardem určité
molekulové hmotnosti
5. Klonování DNA a její pomnožení
– klonovací vektory – plazmidy, bakteriofágy, umělé chromozomy kvasinek
6. Sekvenování DNA (zjišťování pořadí nukleotidů ve zkoumané molekule DNA)
(Sangerova metoda)
– založeno na syntéze komplementárního řetězce DNA podle neznámé ssDNA
(jednovláknová, templátová DNA)
– na počátku přidán primér (očko) – umožňuje nasednutí DNA-polymerázy
7. Polymerázová řetězová reakce (PCR)
– technika umožňující přímo množit zvolený úsek DNA vymezený vazbou dvou
jednovláknových oligonukleotidů, tzv. primerů
– využívá vlastnosti termostabilních DNA-polymeráz, izolovaných z termofilních
bakterií, žijících v podmínkách vysokých teplot