Úvod do obecné genetiky 2008

Dědičnost - genetika termín „genetika“ se poprvé objevuje v r. 1905 1909: pojem „gen“ 1911 termín „gen“ proniká do kontinentální Evropy

Johann Gregor Mendel 1822-1884 narozen 22. června 1822 v Hynčicích ve Slezsku 1843 vstup do augustiniánského kláštera na Starém Brně 1851 – 1853 studia ve Vídni 1856 počátek experimentů s hrachem, celkem okolo 28 000 rostlin 1865 Versuche über Pflanzen-Hybride 1868 zvolen opatem 6. ledna 1884 umírá 1900 Mendelova práce znovuobjevena: Hugo de Vries (Nizozemí), Erich von Tschermak (Rakousko), Carl Correns (Německo)

Genetické křížení J.G. Mendel 1862 J.G. Mendel 1880

Znovuobjevení mendlových zákonů zatímco Mendelovi předchůdci se snažili zkoumat velký počet znaků u jedněch rodičů a zkoumali, jak se v potomstvu mísí… Mendel naopak zkoumal velmi malý počet znaků na velké populaci potomstva

Důležité termíny každá „dědičná vlastnost“ je u diploidního organismu řízena dvěma geny; jeden jsme zdědili od otce, druhý od matky výjimkou jsou u muže geny na chromozómu X a na chromozómu Y. (Pozn. genů na chromozómu Y je velmi málo)

Důležité termíny Alely = různé varianty téhož genu. Pro jeden gen máme v našem těle dvě alely; jednu jsme zdědili od otce, druhou od matky. Hovoříme např. o genu pro barvu květů, a o alele způsobující fialovou barvu a o alele způsobující bílou barvu květu. To ale neznamená, že v populaci jsou vždy jen dvě alely. Známe např. tři alely pro dědičnost krevních skupin, IA, IB, i. V konkrétním člověku jsou vždy pouze dvě z nich. V populaci kolují všechny tři.

Alely lokus = konkrétní místo na chromozómu, na kterém se nachází určitý gen

Homologní chromosomy Žluté tečky označují jistý gen – a jeho lokus – na homologních chromosomech. Tyto chromosomy jsou již zreplikované po S fázi – což je poznat z toho, že na každém z obou homologních chromosomů jsou žluté tečky dvě.

Důležité termíny genom = kompletní genetický materiál daného organismu genotyp = soubor alel, které má organismus k dispozici fenotyp = fyzické a fyziologické rysy daného organismu (=to, jak organismus aktuálně vypadá) čistá linie = rostliny, které při samoopylení vykazují opakovaně stejnou variantu sledovaného znaku (jsou homozygotní)

Základní Mendelův pokus P generace = parentální, rodičovská F1 generace = první filiální generace (filius = syn) F2 generace = druhá filiální generace

Mendelovy úvahy dědičný faktor pro bílou barvu květů v F1 generaci nezmizel, jen ustoupil znaku pro fialovou barvu. fialová barva květu je tedy dominantní znak bílá barva květu je recesívní znak bílá barva květu se znovu objevuje u F2 generace. Znak pro bílou barvu tedy nebyl v F1 generaci ztracen, jen koexistoval spolu se znakem pro fialovou barvu

Mendel zkoumal u hrachu celkem 7 znaků barva květů fialová x bílá 705:224 3,15:1 pozice květů axiální terminální 651:207 3,14:1 barva semen žlutá zelená 6022:2001 3,01:1 tvar semen kulatý svraštělý 5474:1850 2,96:1 tvar lusku nafouklý obtažený 882:299 2,95:1 barva lusků 428:152 2,82:1 výška stonku vysoký nízký 787:277 2,84:1

„Mendelovy zákony“ (Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) Alternativní verze genů (odlišné alely) odpovídají za rozdílnosti ve zděděných rysech gen pro barvu květů existuje ve dvou verzích, jeden odpovídá za fialovou barvu, druhý za bílou barvu. tyto alternativní verze genu se nazývají alely

„Mendelovy zákony“ (Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) pro každou „dědičnou vlastnost“ má organismus dvě alely, jednu získanou od otce, druhou od matky diploidní organismus má páry homologních chromozómů, jeden chromozóm z každého páru pochází od otce, druhý od matky. Genový lokus je tak v diploidní buňce přítomen dvakrát. Tyto homologní loci mohou obsahovat stejné alely, jako např. u čistých linií P generace hrachu z Mendelova pokusu, nebo se mohou lišit, jako v F1 generaci z tohoto pokusu

„Mendelovy zákony“ (Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) Pokud se obě alely liší, pak jedna, zvaná dominantní alela, se plně vyjádří ve vzhledu organismu, druhá, zvaná recesívní alela, nebude mít žádný pozorovatelný efekt na vzhledu organismu v Mendelově pokusu mají rostliny v F1 generaci fialové květy, přestože je v každé z nich krom alely pro fialovou barvu květu i alela pro bílou barvu květu

„Mendelovy zákony“ (Mendel žádné zákony nikdy neformuloval) Dvě alely pro každou dědičnou vlastnost segregují (oddělují se od sebe) během vzniku gamet vajíčko i spermie obsahují pouze polovinu genetického materiálu, přítomného v somatické diploidní buňce. Homologní chromozómy se od sebe v průběhu meiózy oddělují. Pokud jsou obě alely na homologních chromozomech stejné, pak ve všech gametách se bude nacházet tatáž alela pro daný znak. Pokud se budou alely lišit, pak polovina gamet bude obsahovat dominantní alelu a polovina gamet recesívní alelu. Tento „zákon“ se nazývá „zákon o segregaci alel“

Zákon o segregaci alel Čisté linie obsahují totožné alely, PP nebo pp. Gameta obsahuje jen jednu alelu pro barvu květu, buď P nebo p. Spojením rodičovských gamet vznikne hybrid s kombinací Pp. Protože P alela je dominantní, budou mít všichni hybridi z F1 generace fialové květy. Nyní necháme hybridy z F1 zkřížit mezi sebou. V F2 generaci získáme ¾ potomků fialových a ¼ bílých.

Fenotypový a genotypový štěpný poměr Fenotypový štěpný poměr pro F2 generaci je 3:1 (tři fialové : jeden bílý) Genotypový štěpný poměr pro F2 generaci je 1:2:1 (1PP:2Pp:1pp)

Genotypový a fenotypový štěpný poměr v F2 generaci

Užitečné termíny homozygot = organismus, který má pro daný znak obě alely identické (např. PP nebo pp). Pokud má organismus obě alely dominantní pro sledovaný znak, užíváme termín dominantní homozygot (PP), pokud jsou obě alely recesívní, užíváme termín recesívní homozygot heterozygot = organismus, který má obě alely pro sledovaný znak odlišné (Pp)

Analytické zpětné křížení (testcross) pokud máme hrách s fialovými květy, nevíme, zda se jedná o homozygota (PP) nebo o heterozygota (Pp) pomůžeme si křížením této rostliny s bělokvětým hrachem jednalo-li se o heterozygota (Pp), potom polovina potomstva bude fialová a polovina bílá jednalo-li se o dominantního homozygota, pak bude potomstvo uniformě fialové křížení organismu s neznámým genotypem s recesívním homozygotem nazýváme analytické zpětné křížení. Je užitečné zejména u živočichů, kde nelze provést samoopylení

Analytické zpětné křížení = u živočichů = křížení s recesívním rodičem

Monohybridismus a dihybridismus Doposud jsme sledovali pouze jediný znak - fialovou nebo bílou barvu květů. Hovoříme o monohybridismu co kdybychom si všímali zároveň dvou znaků? Mendel v jedné variantě pokusu sledoval zároveň barvu semen (žlutá x zelená) a tvar semen (kulatý x svraštělý). Hovoříme zde o dihybridismu.

Dihybridismus s dominancí Y - žlutá barva semen (yellow) y - zelená barva semen R - kulatá semena (round) r - svraštělá semena Fenotypový štěpný poměr: 9:3:3:1 Genotypový štěpný poměr: 1:2:1:2:4:2:1:2:1 tyto výsledky jsou známy jako „zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel“ Pokud bychom zkoumali tyto znaky odděleně, dostali bychom obvyklý poměr 3:1 (resp.1:2:1)

Dihybridismus s dominancí

„Mendelovy zákony“ Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první generace potomků) generace. Zákon o náhodné segregaci genů do gamet. Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel. Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme-li 2 polyhybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab).

Rozšíření Mendelových výzkumů Mendel díky své genialitě (nebo štěstí či spíše dokonalé znalosti hrachu) si vybral 7 znaků, u nichž je kompletní dominance - fialová či bílá, nula nebo jednička každý z těchto sedmi znaků je kódován jen jedním genem, pro který existují jen dvě alely (s výjimkou postavení květu - tento znak kódují dva geny) vztah mezi genotypem a fenotypem je v přírodě málokdy tak jednoduchý...

Nekompletní dominance U tohoto typu dědičnosti vypadá hybrid z F1 jako průměr obou rodičů zde u hledíku má hybrid méně červeného pigmentu než dominantní rodič v F2 generaci je genotypový i fenotypový štěpný poměr totožný: 1:2:1

Neúplná dominance

Kodominance Zde ovlivní dvě alely heterozygota fenotyp nejedná se ale o neúplnou dominanci, heterozygot má svou zvláštní kombinaci, kde se uplatní vedle sebe obě alely příkladem je dědičnost krevních skupin M,N a MN. Jedná se o určité molekuly na povrchu erytrocytů. Jedinci MM budou mít jeden typ molekuly, zatímco lidé NN budou mít druhý. Heterozygoti MN budou mít na povrchu erytrocytů oba typy těchto molekul MN není průměrem mezi M a N - vyjádří se jen obě alely nezávisle na sobě.

vztah mezi alelami dominance – dominantní alela převládá nad ostatními a projeví se vždy ve fenotypu recesivita –recesivní alela je překryta účinkem dominantní formy, ve fenotypu se projeví pouze v homozygotním stavu neúplná dominance – obě alely se ve fenotypu projeví současně kodominance – alely se projeví ve fenotypu nezávisle na sobě (krevní skupiny) superdominance – heterozygotní konstituce je aktivnější než obě homozygotní

základní studijní a pracovní metodou je křížení (HYBRIDIZACE) křížení = vzájemné oplozování organizmů s různými genotypy Průběh křížení zapisujeme do tzv. genetického zápisu, jehož součástí je mendelistický čtverec.

Křížení rozlišujeme: MONOHYBRIDNÍ – křížení jedinců lišících se v jednom znaku DIHYBRIDNÍ - křížení jedinců lišících se ve dvou znacích znaku POLYHYBRIDNÍ - křížení jedinců lišících se ve více znacích ZPĚTNÉ křížení – křížení potomka s jedním z rodičů, popř. s takovým jedincem, který má stejný genotyp jako jeden z rodičů TESTOVACÍ křížení – křížení jedince s dominantní variantou znaku s jedincem recesivně homozygotním

Značení P – rodičovská generace (z lat. parentes) F – generace potomků (z lat. filius, filia) číselný index označující pořadí F1 – první filiální generace po křížení rodičů F2 – druhá filiální generace vzniklá křížením hybridů F1 B1 – výsledek křížení hybrida F1 – s některou rodičovskou variantou (B – backcross)

Mendelovy zákony o uniformitě jedinců F1 generace 2. o identitě reciprokých křížení 3. o čistotě vloh a štěpení 4. o volné kombinovatelnosti vloh

Podmínky platnosti MZ 1 gen = 1 znak geny neleží na pohlavních chromozómech (autozomální dědičnost) každý gen leží na jiném chromozómu

Mendelovy pravidla dědičnosti o uniformitě jedinců F1 generace o identitě reciprokých křížení o čistotě vloh a štěpení o volné kombinovatelnosti vloh

1. pravidlo o uniformitě hybridů F1 x BB bb gamety: B B b b potomci F1 Bb Bb Bb Bb

2. pravidlo o identitě reciprokých kříženců bb BB gamety: b b B B potomci F1 Bb Bb Bb Bb

3. čistota vloh a štěpení: segregace geny heterozygota se předávají další generaci v „čisté“ podobě segregace je důsledkem redukčního dělení gamet Aa A a P (A/A) = P(A) x P(A) = 0.5 x 0.5 = 0.25 P (A/a) = P(A) x P(a) = 0.5 x 0.5 = 0.25 P (a/A) = P(a) x P(A) = 0.5 x 0.5 = 0.25 P (a/a) = P(a) x P(a) = 0.25 tj. genotypový štěpný poměr 1 AA : 2Aa : 1aa fenotypový štěpný poměr 3 dominantní : 1 recesivní

zpětné křížení důkaz, že monohybrid tvoří 2 druhy gamet v poměru 1 : 1 křížení hybrida F1 generace s některým z homozygotních rodičů nebo s jedincem nesoucí rodičovský genotyp

x P1: bb BB F1 : Bb x x B1 BB x Bb B1 bb x Bb BB Bb Bb bb

neúplná dominance: P1 WW ww F1 Ww x 1WW 2Ww 1ww

4. pravidlo volné kombinovatelnosti vloh sledujeme více než 1 gen rozchod alel různých genů nezávisle na sobě při gametogenezi vzniká tolik typů gamet, kolik je možných kombinací, tj. monohybrid 2 typy gamet 1 : 1 dihybrid 4 typy gamet 1 : 1 : 1 : 1

G – žlutý W - kulatý g - zelený w - svraštělý P1: GGWW x ggww nebo GGww x ggWW gw gw Gw Gw gW gW GW GW F1 : GgWw GW Gw gW gw gamety:

F2 : Mendelistický čtverec GW Gw gW gw GGWW GGWw GgWW GgWw GGww Ggww ggWW ggWw ggww genotypový štěpný poměr 1: 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1 fenotypový štěpný poměr 9 : 3: 3 : 1 šlechtitelské novinky úhlopříčka homozygotů úhlopříčka heterozygotů