Biologická variabilita člověka Genetický základ variability Lidský genom Mendelovy zákony v genetice člověka Atypické způsoby dědičnosti Komplexní znaky, multifaktoriální dědičnost Projekty výzkumu lidského genomu Epigenetický základ variability Modifikace histonů Metylace DNA RNA modifikace

Lidský genom Biliony (1012) až triliony (1018) buněk mRNA Transkripce Sekvence nukleotidů = genotyp mRNA tRNA Protein = fenotyp Transkripce Translace Variabilita DNA = Polymorfismy a mutace SNP inzerce delece inverze Epigenetická variabilita Metylace DNA Modifikace histonů RNA modifikace nu DNA: 46 párů chromozomů (23 matka + 23 otec) 3, 5 miliardy párů bází, ± 20 000 genů Mitochondriální DNA: 16 569 párů bází, 37 genů Chromozom: DNA + histony = chromatin

Vymezení pojmů pro účely studia variability člověka Mutace: 1) Proces změny genetické informace. Způsobují ji mutageny (fyzikální faktory, chemické faktory, biologické) 2) Mutace může způsobit vážné onemocnění nebo polymorfismus - jeden z mechanismů evoluce. 3) Za mutantní alelu považujeme tu, jejíž výskyt je pod 1% v populaci. Somatické mutace Mutace zárodečných buněk Mutace kódující oblasti Mutace nekódující oblasti Samesense (silent) Missense, nonsense Bodové mutace změna v jednom nukleotidu, může se jednat o deleci, inzerci, substituci: tranzice — změna purinu na purin nebo pyrimidinu na pyrimidin (C → T, T → C,A → G,G → A) transverze — změna purinu na pyrimidin nebo naopak (A → T, T → A, C → A, A → C, G → T, T → G, G → C, C → G)

Vymezení pojmů pro účely studia variability člověka Polymorfismus: Stav, kdy v populaci existují pro určitý znak minimálně 2 genetické varianty (alely). Zároveň musí frekvence jeho výskytu přesahovat v populaci 1 %. 1 polymorfismus na 500-1000 párů bází Polymorfismus má základ v sekvenci DNA. Tandemová repetitivní DNA: Satelitní DNA: Minisatelity, mikrosatelity Rozptýlená repetitivní DNA: SINEs (short interspersed nuclear elements) - zejména Alu sekvence LINEs (long interspersed nuclear elements) - zejména LINE-1 Bodový polymorfismus – SNP (single nucleotide polymorphism) rs 12913832 https://www.snpedia.com/index.php/Rs12913832 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP/snp_ref.cgi?rs=12913832

Vymezení pojmů pro účely studia variability člověka Gen: Je základní genetická jednotka, úsek DNA se specifickou funkcí, který je schopen utvářet při dělení buňky svoje vlastní přesné kopie, které se přenáší do dalších generací. Geny rozlišujeme na geny strukturní, geny pro RNA a geny regulační. Gen = úsek DNA kódující bílkovinu Genotyp: Soubor všech alel v buňce daného jedince Fenotyp: V širším pojetí je to soubor pozorovatelných a definovatelných znaků jedince V užším pojetí je to projev konkrétního genu Fenotyp = genotyp + epigenetickými faktory + vlivy prostředí Genom: Soubor všech genů daného jedince Lokus: Konkrétní umístění genu na chromozomu. Je neměnné. Gen = úsek DNA kódující protein

Vymezení pojmů pro účely studia variability člověka Alela: Konkrétní formy genu, varianty genu na molekulární úrovni, kdy každá alela má nepatrný rozdíl v sekvenci nukleotidů DNA. Geny se buď vyskytují v populaci v jedné formě, ve dvou formách, tzn. že existují dvě odlišné alely daného genu, nebo ve více formách . Alela zajišťuje konkrétní fenotypový projev genu. Homozygot (AA, aa): u jedince mohou na homologních jaderných chromozomech být přítomny pouze dvě alely. Když jsou v párových lokusech obě alely shodné, jde buď o dominantního homozygota (AA) nebo o recesivního homozygota (aa). Heterozygot (Aa): Stav, kdy jsou na párových chromozomech v daném lokusu přítomny že její obecné vlastnosti budou platit. Phenylthiokarbamid a  6-n-propylthiouracil  „chutnačství“ TAS2R38 receptor 

Atypické způsoby dědičnosti u člověka A) Platí Mendelovy zákony - interakce mezi alelami jednoho genu, interakce mezi alelami více genů Letální genotyp Alelová heterogenita Neúplná dominance Epistáze Penetrance Expresivita Pleiotropie Genetická heterogenita B) Mendelovy zákony neplatí Mitochondriální DNA X- vázané geny Geny ve vazbě https://www.omim.org/ Penetrance „model vše nebo nic“ genotyp se exprimuje buď úplně nebo vůbec Polydaktylie Expresivita Variabilní expresivita genu říká, že tentýž (parciální) genotyp se u různých jedinců žijících v různých prostředích může do fenotypu promítnout různě silně. Variabilní expresivita genu říká, že tentýž (parciální) genotyp se u různých jedinců žijících v různých prostředích může do fenotypu promítnout různě silně. Podobně jako pojem penetrance tedy nahrazuje neznámé nebo příliš složité vztahy uvnitř genotypu a mezi genotypem a prostředím. Fenylketonurie Pleiotropie Polymorfní gen má celou řadu fenotypových projevů. Neúplná dominance Bombajský fenotyp

Komplexní znaky, polygeny a vlivy prostředí, multifaktoriální dědičnost Majorgeny - geny velkého účinku, mají obecně velký účinek na fenotyp. Vliv prostředí na jejich expresi je obvykle nevýznamný, nebo málo významný. Kódují tzv. kvalitativní znaky - tj. znaky kódované jedním nebo jen několika málo geny (barva očí, tvar ušního boltce, barva hrachových semen, struktura hemoglobinu). Minorgeny - geny malého účinku mají obecně malý účinek na fenotyp a týkají se zpravidla vlastností kódovaných mnoha geny a alelami (celková velikost organismu, dojivost…) - tzv. kvantitativní znaky. Jejich mezialelové interakce jsou velmi složité. Jeden gen samotný zpravidla nemá valný význam. Účinky jednotlivých alel různých genů (ale někdy i alel téhož genu) se s dominantním účinkem podobného typu (alely podporující růst například) často sčítají nebo násobí. Komplexní znaky, polygeny a multifaktoriální dědičnost Ovlivněny genetickými faktory a faktory prostředí Genetický faktor komplexních znaku je dán několika až mnoha geny a několika až mnoha alelami Mnoho komplexních znaku vykazuje v populaci kontinuální průběh (variabilitu) Tato variabilita muže být kvantifikována měřením daného znaku u vzorku jedinců v populaci, znak je pak vyjádřen číslem Měřitelné znaky se nazývají kvantitativní, opakem jsou kvalitativní, které jsou rozděleny do tříd Fenotypová hodnota (P) vlastnosti je výsledkem působení genotypové hodnoty (G) a prostředí (E). Z grafů popisujících kvantitativní vlastnosti vyplývá hlavní koncept kvantitativní genetiky (~ příčiny způsobující variabilitu vlastnosti), který navrhl Johannsen již v roce 1909: fenotyp = genetické faktory + faktory prostředí P = G + E

Rozdělení vlastností na kvalitativní a kvantitativní diskontinuální, nespojitá (diskrétní) variabilita kontinuální, spojitá variabilita podmíněna 1 nebo několika málo geny podmíněna mnoha geny na více lokusech monogenní (popř. poligenní) dědičnost polygenní dědičnost mendelistické poměry v F1 poměry v F1 nejsou mendelistické lze určit fenotypovou hodnotu každého genotypu rozdělení fenotypů vykazují více nebo méně kontinuální variabilitu (lze určit rozmezí hodnot)  vlastnosti jsou hodnoceny podle kvality projevu (krevní skupiny, chutnačství)  vlastnosti jsou kvantifikovány měřením, vážení, počítáním… geny s interakčními účinky (dominance, epistáze)  vlastnosti jsou determinovány geny velkého účinku (nepřispívají kvantitativně) a větším počtem genů malého účinku (polygeny), většina genů má aditivní účinek na projev vlastnosti nemá vliv prostředí projev vlastnosti modifikuje vliv prostředí lze detekovat efekt jednotlivých genů podílejících se na vlastnosti nelze rozpoznat účinek jednotlivých genů podílejících se na vlastnosti

Typy kvantitativních vlastností Vlastnosti prahové – projev nemoci (schizofrenie, cukrovka), výskyt dvojčat... (jednotlivé fenotypové třídy lze odlišit, buď se projeví, nebo neprojeví, ale vlastnost je determinována polygenní dědičností a modifikována prostředím Vlastnosti meristické – počet zubů Vlastnosti s plynulou kontinuální proměnlivostí – výška, IQ, krevní tlak

Heritabilita H2 Dědivost - heritabilita v širokém smyslu udává, jak velká část proměnlivosti znaku je zapříčiněna genetickými faktory, takže ji lze vypočítat jako podíl variance (rozptylu) fenotypu způsobený genetickými faktory (VG) a celkového rozptylu hodnot fenotypu (VP). H2 = 0 až 1 H2 = 0 – pouze faktor prostředí H2 = 1 - pouze faktor genetický Heritabilitu lze vypočítat, či spíše odhadovat pomocí řady postupů, např. regresí v rodinách, studiem dvojčat atp.

Studie na dvojčatech Minnesotská studie dvojčat Minnesotská univerzita Dvojčata po narození oddělena a vychovávána nezávisle Dosud 130 párů dvojčat MZ a DZ https://mctfr.psych.umn.edu/twinstudy/ Závěry: Genetické faktory mají zřetelný vliv na variabilitu chování. Vliv výchovy ve stejném prostředí je u mnoha psychologických znaku zanedbatelný Rozpor s předpoklady psychologů a sociologů!

Projekty výzkumu lidského genomu Human Genome Project, HGP 1990 – 2000 (2003) Ministerstvo energetiky Spojených států, ředitelem  James D. Watson,  Francis Collins. Projekt probíhal v USA, UK,  Japonsku, Francii a Německu. Od roku 1998 probíhal paralelně soukromý projekt společnosti Celera, kterou založil biolog a podnikatel Craig Venter. http://videocast.nih.gov/summary.asp?Live=9009&bhcp=1

Projekty výzkumu lidského genomu 1000 Genomes Project 2008 – 2015, konec pilotní fáze 2010 Cílem byl výzkum lidské genetické variability, sestavení mapy genů člověka a veřejně přístupné databáze a studium spojitosti polymorfismů s multifaktoriálními onemocněními. Tým složený z institucí v Číně, Itálii, Keni, Nigérii, Peru, UK, USA Celkem osekvenováno 1092 genomů z různých etnik Technologický rozvoj, snížení ceny a větší dostupnost sekvenovacích metod. http://www.1000genomes.org/ http://www.nature.com/collections/dcfqmlgsrw The Genographic Project https://genographic.nationalgeographic.com/ ENCODE, EuroPhysiome, Human Brain Project, Human Connectome Project, Human Cytome Project, Human Variome Project

Nature vs. Nurture? Epigenetika studuje změny v genové expresi (a tedy obvykle i ve fenotypu), které nejsou způsobeny změnou nukleotidové sekvence DNA Epigenom je označení pro genom včetně epigenetických změn Nature vs. Nurture? https://www.youtube.com/watch?v=JMT6oRYgkTk https://www.youtube.com/watch?v=clGePC9A7Ko https://www.youtube.com/watch?v=i9a-ru2ES6Y https://www.youtube.com/watch?v=Tj_6DcUTRnM

Epigenetika DNA metylace Diferenciace buněk a tkání, tvorba fenotypu Inaktivace chromozomu X v samičích savčích buňkách - lyonizace Metylace je dědičná, princip není objasněn Demetylace DNA: pasivně při replikaci nebo aktivně na replikaci nezávislým způsobem (v zygotách a v pluripotentních zárodečných buňkách , určité oblasti DNA u neuronů či T lymfocytech) Rozdíly metylace promotorů mezi europoidní, afroamerickou a čínskou populací (Heyn et al., 2013) Metylace promotorů vede ke změně míry exprese Metabolismus xenobioitik, faktory ovlivňující imunitu, růstové faktory, geny spojené s růstem keranocytů, melanogeneze, cukrovky, Parkinsonovy choroby, nemocí jater, náchylnosti na enterobakterie… Remodelace chromatinu Histony – kovalentně se vážou na DNA Modifikace histonů: metylace acetylace, fosforylace, ubiquitinace Pomocí enzymů jsou na histon připojeny proteinové komplexy, histony mění svou strukturu a tedy i vlastnosti DNA, která je na ně navázána. Například acetylace histonů způsobí rozvolnění kondenzovaných chromozomů, které jsou přístupné pro transkripční faktory. Jejich navázání na DNA vede ke genové expresi.

Epigenetika Modifikace RNA, miRNA , microRNA Jednovláknové řetězce nekódující RNA o délce 21-23 nukleotidů, regulaci genové exprese. miRNA vznikají transkripcí z genů v DNA, ale následně nedochází k jejich translaci v protein, primární transkript miRNA (tzv. pri-miRNA) se páruje s některými vlastními komplementárními bázemi a nakonec se mění na plně funkční miRNA. Tyto molekuly jsou částečně komplementární k určitým molekulám mRNA vyskytujícím se v buňce a jsou schopné regulovat (konkrétně snižovat) tímto výrobu proteinů, které tyto mRNA kódují. Onkologické onemocnění Kardiovaskulární choroby Duševní choroby Alkoholismus Obezita

Populační genetika člověka Alelová četnost Pravidlo „A“ Pravidlo „NEBO“ Hardy – Weinbergova rovnováha p2 + 2pq + q2 = 1

Populační genetika člověka HWE – vychýlení populace z rovnováhy Síly bez evolučního potenciálu Inbreeding Řízená selekce Evoluční síly Mutace Selekce Migrace Genový posun