Genové interakce Marie Černá Přednáška No 406-D

Mendelovská genetika: 1 vlastnost = 1 gen Geny segregují nezávisle na sobě Genové interakce: 1 vlastnost = dva a více genů Interakce dvou genů – genotyp. štěpný poměr jako u dihybridizmu – méně fenotypových tříd

Genové interakce Reciproká interakce Epistáze - dominantní a recesivní Inhibice Komplementarita Multiplicita

Reciproká interakce = Interakce beze změny fenotypového poměru F2: 9 : 3 : 3 : 1, B1: 1 : 1 : 1 : 1 Jeden a týž znak se může vyskytovat ve více různých nezávislých formách, z nichž každá je determinována jedním genem. gen 1 = A1 Fenotyp A2 = gen 2

Reciproká interakce Barva plodů papriky: Gen 1: alela R – antokyan = červené zbarvení Gen 2: alela Cl – rozklad chlorofylu = žlutý pigment Fenotyp 1: R-Cl- – červená (antokyan) Fenotyp 2: R-clcl – hnědá (červená + zelená) Fenotyp 3: rrCl- – žlutá Fenotyp 4: rrclcl – zelená (chlorofyl)

RRClCl rrclcl RRclcl rrClCl P 1) x 2) F1 RRClCl rrclcl RRclcl rrClCl RrClcl R-Cl- R-clcl rrCl- rrclcl 9 : 3 : 3 : 1 F2

Epistáze Jedna z alel epistatického genu potlačuje fenotypový projev genu hypostatického. Jde tedy o jednostranný vztah - mezi alelami dvou různých genů (M > N) - mezi alelami více různých genů (M > N > R > S)

Dominantní epistáze Epistatický účinek má dominantní alela jednoho genu. Dominantní alely obou genů umožňují zpracování téhož prekurzoru sice ve stejném směru, avšak na různé konečné produkty. Epistatický účinek bude mít dominantní alela toho z obou genů, která může vést biosyntetickými procesy k výraznější formě znaku a tím překryje účinek dominantní alely genu hypostatického.

Dominantní epistáze Barva květů jiřiny: je dána stupněm hydroxylace bezbarvého prekurzoru flavonového barviva Gen 1: alela Y – vyšší stupeň = žluté zbarvení Gen 2: alela I – nižší stupeň = nažloutlé zbarvení (slonovinově bílé) Fenotyp 1: Y-I-, Y-ii – žlutá Fenotyp 2: yyI- – nažloutlá Fenotyp 3: yyii – bílá

P YYII yyii YYii yyII F1 YyIi F2 Y-I- Y-ii yyI- yyii 9 : 3 : 3 : 1 1) x 2) F1 YYII yyii YYii yyII YyIi Y-I- Y-ii yyI- yyii 9 : 3 : 3 : 1 12 : 3 : 1 F2

Příklady dominantní epistáze u člověka Determinace zbarvení očí - závisí na typu a hustotě pigmentu v duhovce oka hnědé zbarvení (melanin) gen EYCL3 = BEY2 na chr.15 ? světlohnědé, oříškové zbarvení gen EYCL2 = BEY1 na chr.15 geny dominantně epistatické vůči „lipochrom“ genu zelené zbarvení (lipochrom) gen EYCL1 = GEY na chr.19 ? 2. gen gen dominantně hypostatický vůči „melanin“ genu 11

Determinace zbarvení očí BEY > GEY B-G-, B-gg _hnědé → intenzita závisí na množství pigmentu bbG- _zelené bbgg _modré (albinotické) → neschopnost tvorby pigmentu Jací rodiče mohou mít jaké děti? 12

Příklady dominantní epistáze u člověka Determinace zbarvení vlasů - závisí na typu a hustotě pigmentu ve vlasovém vlákně eumelanin = tmavé barvivo - černé/hnědé vlasy gen HCL3 na chr.15 - asociace s hnědým zbarvením očí gen BRHC na chr.19 - asociace se zeleným zbarvením očí gen dominantně epistatický vůči dalším dvěma genům pheomelanin = červeno-žluté barvivo - zrzavé vlasy gen RHC na chr.4 gen dominantně epistatický vůči „blond“ genu ? gen x → nízká hustota - blond vlasy 13

Determinace zbarvení vlasů HCL3 (BRHC) > RHC > x H-rr _černé (↑ pigmentu) / hnědé (↓ pigmentu) H-R- _tmavohnědé hhR- _zrzavé hhrrX- _blond hhrrxx _bílé (albinotické) → neschopnost tvorby pigmentu _šedé → rozkladné produkty pigmentu Jací rodiče mohou mít jaké děti? 14

Recesivní epistáze Epistatický účinek má recesivní alela jednoho genu v homozygotním stavu. Dominantní alely obou spolupůsobících genů se podílejí na vícestupňové syntéze stejného konečného produktu. Avšak dominantní alela epistatického genu působí při některé z počátečních fází biosyntézy, kdežto dominantní alela genu hypostatického působí teprve při některé z jejích pozdějších fází.

Recesivní epistáze Barva květů šalvěje: je dána stupněm hydroxylace bezbarvého prekurzoru flavonového barviva Gen 1: alela P – nižší stupeň = růžové zbarvení Gen 2: alela A – vyšší stupeň = fialové zbarvení Fenotyp 1: P-A- – fialová Fenotyp 2: P-aa – růžová Fenotyp 3: ppA-, ppaa – bílá

P PPAA ppaa PPaa ppAA F1 PpAa F2 P-A- P-aa ppA- ppaa 9 : 3 : 3 : 1 1) x 2) F1 PPAA ppaa PPaa ppAA PpAa P-A- P-aa ppA- ppaa 9 : 3 : 3 : 1 9 : 3 : 4 F2

Příklady recesivní epistáze u člověka Systém krevních skupin AB0 metabolit antigeny Prekurzor H, A H H, B - (nezměněný prekurzor) alely H nebo h jsou recesivně epistatické vůči alelám A nebo B genotype hh kóduje krevní skupinu 0 dokonce i v přítomnosti alel A nebo B hh = Bombay alela transferáza H transferáza A transferáza B hh 18

Recesivní epistáze se manifestuje v případě genu pro sekreci antigenů A, B, H: Genotypy SS, Ss sekretují antigeny do slin a tělních tekutin Genotyp ss nesekretuje žádné antigeny, dokonce i když jsou přítomné v erytrocytech

Epistáze - jednostranný vztah Dominantní substrát Y -------> P1 I -------> P2 Recesivní substrát B A -------> P0 -------> P

Inhibice Je jistou obdobou dominantní epistáze. Ale na rozdíl od ní nemá inhibující alela I žádný jiný účinek na fenotyp, než schopnost potlačovat účinek alela A. Barva peří kura domácího: Gen 1: alela C = červené zbarvení Gen 2: alela I = inhibuje účinek alely C Fenotyp 1: C-I-, ccI-, ccii – bezbarvý Fenotyp 2: C-ii – barevný

P CCII ccii CCii ccII F1 CcIi F2 C-I- C-ii ccI- ccii 9 : 3 : 3 : 1 1) x 2) F1 CCII ccii CCii ccII CcIi C-I- C-ii ccI- ccii 9 : 3 : 3 : 1 13 : 3 F2

Komplementarita a Multiplicita geny jsou si rovné – žádná podřízenost vzájemný vztah alel spolupůsobících genů

Komplementarita Jde o vzájemný vztah alel spolupůsobících genů. Dominantní alely komplementárních genů umožňují vznik dvou nebo více nezastupitelných složek, jimiž je tvořen konečný produkt. Každá z těchto složek je kvalitativně rozdílná a vzniká různými biosyntetickými procesy. Proto záměna kterékoli z dominantních alel komplementárních genů za recesivní vede k tomu, že se konečný produkt netvoří.

Komplementarita Barva květů hrachoru: Gen 1: alela C – tvorba bezbarvého prekurzoru Gen 2: alela R – tvorba aktivačního enzymu, který mění prekurzor na barevnou sloučeninu Fenotyp 1: C-R- – červená (antokyan) Fenotyp 2: C-rr, ccR-, ccrr – bezbarvá

P CCRR ccrr CCrr ccRR F1 CcRr F2 C-R- C-rr ccR- ccrr 9 : 3 : 3 : 1 1) x 2) F1 CCRR ccrr CCrr ccRR CcRr C-R- C-rr ccR- ccrr 9 : 3 : 3 : 1 9 : 7 F2

Multiplicita Jde o vzájemný vztah alel spolupůsobících genů, ale na rozdíl od komplementarity, každá jednotlivá dominantní alela kteréhokoli z těchto genů, již sama o sobě, postačuje k tomu, aby se odpovídající znak objevil. V tomto smyslu jsou tyto jednotlivé dominantní alely identické. Tyto alely odpovídají za biosyntézu identických konečných produktů, avšak kvalitativně rozdílnými způsoby.

Multiplicita Nekumulativní – plný projev odpovídajícího znaku je vyvolán jedinou dominantní alelou dané multiplicitní řady a přítomnost dalších členů řady již intenzitu fenotypu nemění. Kumulativní – intenzita fenotypového projevu je přímo úměrně závislá na počtu přítomných dominantních členů multiplicitní řady.

Duplicita nekumulativní Tvar šešule kokošky: Gen 1: alela T1 – normální (srdčitý) Gen 2: alela T2 – normální (srdčitý) T1+T2 – normální (srdčitý) Fenotyp 1: T1-T2-, T1-t2t2, t1t1T2- – normální Fenotyp 2: t1t1t2t2 – válcovitý

P T1T1T2T2 t1t1t2t2 T1T1t2t2 t1t1T2T2 F1 T1t1T2t2 F2 1) x 2) F1 T1T1T2T2 t1t1t2t2 T1T1t2t2 t1t1T2T2 T1t1T2t2 T1-T2- T1-t2t2 t1t1T2- t1t1t2t2 9 : 3 : 3 : 1 15 : 1 F2

Duplicita kumulativní s dominancí intenzita znaku je dána počtem genů Barva obilek ječmene: Gen 1: alela P1 – hnědočervené zbarvení (poloviční) Gen 2: alela P2 – hnědočervené zbarvení (poloviční) P1+P2 – tmavohnědé zbarvení (maximální) Fenotyp 1: P1-P2- – maximální Fenotyp 2: P1-p2p2, p1p1P2- – poloviční Fenotyp 3: p1p1p2p2 – nulový (bílé)

P P1P1P2P2 p1p1p2p2 P1P1p2p2 p1p1P2P2 F1 P1p1P2p2 F2 1) x 2) F1 P1P1P2P2 p1p1p2p2 P1P1p2p2 p1p1P2P2 P1p1P2p2 P1-P2- P1-p2p2 p1p1P2- p1p1p2p2 9 : 3 : 3 : 1 9 : 6 : 1 F2

Duplicita kumulativní bez dominance intenzita znaku je dána počtem alel Barva obilek pšenice: Gen 1: alela R1 – růžové zbarvení (čtvrtinový) Gen 2: alela R2 – růžové zbarvení (čtvrtinový) Fenotyp 1: R1R1R2R2 – tmavočervené (maximální) Fenotyp 2: R1R1R2r2, R1r1R2R2 – červené (tříčtvrtinový) Fenotyp 3: R1R1r2r2, R1r1R2r2, r1r1R2R2 – poloviční Fenotyp 4: R1r1r2r2, r1r1R2r2 – růžové (čtvrtinový) Fenotyp 5: r1r1r2r2 – bílé (nulový)

Davenportova hypotéza o syntéze pigmentu u člověka: Stupeň pigmentace je kódován počtem dominantních alel 2 alelických párů / genů černá - 4 dominantní alely  A1A1A2A2 hnědá - 3 dominantní alely mulat - 2 dominantní alely světlá - 1 dominantní alela bílá - žádná dominantní alela  a1a1a2a2

1 : 4 : 6 : 4 : 1 P A1A1A2A2 x a1a1a2a2 F1 A1a1A2a2 F2 A1A1A2A2 1 1 : 4 : 6 : 4 : 1 černá hnědá mulat světlá bílá

Vzájemný vztah alel spolupůsobících genů Komplementarita alely ≥2 genů R ∩ S ↓ ↓ A1 A2 ↘ ↙ A fenotyp Multiplicita alely ≥2 genů T1 ∪ T2 ↘ ↙ A fenotyp

GENOVÉ INTERAKCE - SOUHRN typ interakce fenotypový štěpný poměr v F2 generaci reciproká interakce 9 3 3 1 dominantní epistáze 12 3 1 recesivní epistáze 9 3 4 inhibice 13 3 komplementarita 9 7 duplicita nekumul. s dominancí 15 1 duplicita kumul. s dominancí 9 6 1 duplicita kumul. bez dominance 1 4 6 4 1 Mendelovská dědičnost 9 3 3 1 37

Význam genových interakcí u multifaktoriálních chorob hlavní genetický mechanizmus predispozice k nemocím Princip kumulativní multiplicity = dědičnost kvantitativních znaků - polygenní dědičnost

Význam genových interakcí u monogenních chorob nízká penetrance penetrance = pravděpodobnost exprese dominantní alely ve fenotypu - nemocní nebo zdraví lidé odlišná expresivita expresivita = intenzita fenotypové manifestace - závažné nebo mírné klinické příznaky