Podstawy genetyki I. Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna

Transkrypt

1 Podstawy genetyki I Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna

2 Podręczniki Genomy TA Brown, wyd. 3 Genetyka molekularna P Węgleński (red.), wyd. 2 2

3 Podręczniki dodatkowe Advanced Genetic Analysis: Finding Meaning In A Genome RS Hawley, MY Walker Concepts of Genetics WS Klug, MR Cummings, C Spencer, wyd 8 lub 9 Molecular biology of the gene JD Watson i wsp., wyd. 5 lub 6 3

4 Informacje - tu będą udostępniane materiały z wykładów 4

5 Czym jest genetyka? Badanie mechanizmów dziedziczenia i powstawania dziedzicznej zmienności Mechanizmy dziedziczenia i kodowania cech fenotypowych Molekularne mechanizmy działania genów Współdziałanie genów w tworzeniu fenotypu (interakcje genetyczne) Naturalna i sztuczna zmienność genetyczna 5

6 Czym jest genetyka? Genetyka klasyczna i molekularna Badanie dziedziczenia określonych cech i ich zestawów (klasyczne) Biologia molekularna genu We współczesnej genetyce podział ten uległ zatarciu istotne są stawiane pytania, a nie stosowane metody. 6

7 Dwa oblicza genetyki Pytania o mechanizmy dziedziczenia i funkcjonowania genów Genetyka sensu stricto Wykorzystanie wiedzy o funkcjonowaniu genów do badania wszelkich procesów biologicznych (biologia molekularna) Ogromna część biochemii, biologii komórki Znaczna część neurobiologii, fizjologii Genetyka jako narzędzie to też np. Medycyna Ekologia Archeologia 7

8 Czy to wciąż genetyka? Użycie genu dla wyprodukowania białka do badań enzymologicznych Porównywanie genów dla ustalenia filogenezy itp. Trudno obecnie znaleźć dział biologii, w którym nie sięga sie do poziomu genu. Genetyka jest to sztuka izolowania, identyfikowania i badania mutantów. 8

9 Podstawowe koncepcje genetyki Mutacja Komplementacja Supresja (i inne interakcje genetyczne) Rekombinacja Regulacja 9

10 Genomika, biologia systemów Genomika badanie na skale całych genomów zjawisk, którymi na poziomie pojedynczych genów i procesów zajmuje się genetyka i biologia molekularna Biologia systemów m. in. badanie interakcji (w tym genetycznych) na skalę całych systemów biologicznych 10

11 Podstawowe pojęcia Informacja genetyczna Przekazywana z podziałem komórki informacja umożliwiająca odtworzenie całej struktury komórkowej. Materiał genetyczny Nośnik fizyczny informacji genetycznej. W komórkach jest nim DNA. Kod genetyczny Mechanizm przełożenia informacji genetycznej zapisanej w sekwencjach DNA i RNA na sekwencję aminokwasową białka. Zasadniczo taki sam u wszystkich organizmów żywych. 11

12 Mylenie pojęć 12

13 Podstawowe pojęcia Gen Podstawowa jednostka dziedziczności Allel Jeden gen, jedna cecha? Jeden gen, jeden enzym? Jeden gen, jeden produkt molekularny (białko/rna)? Konkretny wariant danego genu Genom Całokształt informacji genetycznej organizmu Transkryptom, proteom, metabolom interaktom (i inne omy ) 13

14 Podstawowe pojęcia Genotyp Informacja genetyczna w postaci konkretnych alleli wszystkich genów Fenotyp Zbiór obserwowalnych cech organizmu Produkt interakcji genotypu i środowiska 14

15 Historia Selekcja w hodowli zwierząt, co najmniej lat temu Sztuczne zapłodnienie (np. drzewa daktylowe) 1000 lat temu Starożytni o dziedziczeniu Arystoteles: nasienie męskie miesza się z żeńskim Teofrast (uczeń Arystotelesa): u roślin kwiaty męskie powodują dojrzewanie żeńskich Hipokrates: nasiona wytwarzane w różnych narządach, mieszają się przy poczęciu Ajschylos: mężczyzna przekazuje cechy dziedziczne, kobieta jedynie się nimi opiekuje 15

16 Starożytni o dziedziczeniu Suśruta (Sushruta) Indie ok. 500 lat p.n.e. Opisał cukrzycę i podał przyczyny sanhaja: defekt nasion (bija) rodziców apathaja: z umiłowania jadła i gnuśnego życia Współdziałanie genotypu i fenotypu 16

17 Czego dawniej nie wiedziano? Wkład obojga rodziców, czy tylko jednego? Jak (i czy w ogóle) mieszają się cechy rodziców? Jak przebiega rozwój? Dlaczego czasami objawiają się cechy niewidoczne u rodziców, ale widoczne u dziadków (przeskakiwanie pokoleń)? Co jest fizycznym nośnikiem dziedziczności? 17

18 Pangeneza Wychodzi z koncepcji Hipokratesa o nasionach (pangenach) w każdym narządzie Pangeny przekazywane są do krwi, z krwią do genitaliów, stamtąd do dzieci Stąd określenia pełnej krwi, arystokratyczna krew czy krewny 18

19 Anton van Leeuwenhoek ( ) Odkrył plemniki (animaculae) w nasieniu 19

20 Preformizm Plemniki (lub komórki jajowe) zawierają w pełni ukształtowany zarodek (homunculus) Nie dochodzi do mieszania cech rodziców 20 N. Hartsoecker 1695

21 Epigeneza Rozwój następuje przez tworzenie nowych struktur Przeciwieństwo preformizmu Prekursor Arystoteles Caspar F. Wolff ( ) Theoria Generationis 21

22 Dziedziczenie mieszane Cechy potomstwa są wypadkową, uśrednieniem cech rodziców X 22

23 Dziedziczenie Mendlowskie Każdy z rodziców ma wkład w dziedziczenie Za dziedziczenie każdej cechy odpowiadają wyodrębnione jednostki (geny), które się nie mieszają i nie zmieniają Każdy organizm posiada dwie kopie (allele) każdego genu Każda gameta wytwarzana przez organizm posiada tylko jeden allel z danej pary alleli genu (I prawo Mendla). Rozdział alleli do gamet zachodzi z jednakowym prawdopodobieństwem Gdy organizm posiada dwa warianty (allele) danego genu, w fenotypie ujawnia się tylko jeden z nich - dominacja 23

24 Gregor Mendel ( ) Wybór organizmu modelowego Starannie zaprojektowane eksperymenty Statystyczna obróbka danych 24

25 Model doświadczalny Mendla Groszek (Pisum sativum) 25 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

26 Mendlowska krzyżówka jednogenowa 26

27 Mendlowska krzyżówka jednogenowa Roślina wysoka produkuje gamety T Roślina niska produkuje gamety t Roślina F1 to heterozygota, objawia się allel dominujący T Heterozygoty produkują gamety T oraz t (po 50%) Stosunek fenotypów 3:1 Stosunek genotypów 1:2:1 27

28 Metoda kwadratu Punnetta Gamety " T T TT t Tt t Tt tt 28

29 Cz owiek jako obiekt w genetyce klasycznej Analiza rodowodów Mężczyzna (chory) Mężczyzna (zdrowy) Kobieta (chora) Kobieta (zdrowa) Płeć nieokreślona Cecha recesywna, autosomalna Rodzice są heterozygotami (nosiciele) 29

30 30 xkcd.com

31 Jak odróżnić homozygotę dominującą od heterozygoty? Krzyżówka testowa (wsteczna), backcross TT x tt " Tt TT Tt x tt Tt x tt " Tt, tt (1:1) 31

32 Krzyżówka dwugenowa GGWW ggww GGww ggww GgWw GgWw W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

33 Krzyżówka dwugenowa: kwadrat Punnetta 9:3:3:1 33 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

34 Krzyżówka dwugenowa GgWw x GgWw Fenotyp: żółty, gładki p = ¾ ¾ = 9/16 żółty,pomarszczony p= ¾ ¼ = 3/16 zielony, gładki p= ¼ ¾ = 3/16 zielony, pomarszczony p= ¼ ¼ = 1/16 II prawo Mendla allele różnych genów dziedziczą się niezależnie prawdopodobieństwa zdarzeń niezależnych się mnoży 34

35 Od Mendla do wspó czesnej genetyki Prace Mendla odkryto ponownie na początku XX wieku Mutacje jako źródło nowych alleli, allel dziki Test komplementacji Gen jako cistron (Benzer 1955) Niepełna dominacja Interakcje genetyczne (supresja, epistaza) Teoria chromosomowa Analiza sprzężeń Dziedziczenie płci i sprzężenie z płcią 35

36 Genetyka neo-mendlowska Czynniki modyfikujące proste, mendlowskie stosunki fenotypów Inne relacje genotyp-fenotyp (kodominacja, allele wielokrotne) Inne relacje dla układów wielogenowych Sprzężenie Interakcje genetyczne w tworzeniu fenotypu 36

37 Kodominacja fenotyp heterozygoty pośredni pomiędzy homozygotami fenotyp pośredni Stosunek 1:2:1 37

38 Haploinsuficjencja Efekt ilościowy Zbyt mała ilość produktu genu w heterozygocie, pojedynczy dziki allel nie wystarcza całkowita: mutacja dominująca częściowa: kodominacja Heterozygota wytwarza czerwony barwnik, ale w mniejszej ilości 38

39 Allele wielokrotne Układ grup krwi AB0 Antygeny A, B układ odpornościowy wytwarza przeciwciała przeciwko antygenom obcym tzn. posiadacz antygenu A nie będzie miał przeciwciał anty-a. 0 brak antygenu (przeciwciała anty-a i anty-b Allele I A oraz I B kodominujące, i 0 recesywny Genotypy i fenotypy I A I A ; I A i 0 grupa A, przeciwciała anty-b I B I B ; I B i 0 grupa B, przeciwciała anty-a I A I B grupa AB, nie wytwarza przeciwciał przeciwko A ani B i 0 i 0 grupa 0 przeciwciała anty-a oraz anty-b 39

40 Mutacje jako źród o nowych alleli Dziki allel najczęściej spotykany w populacji fenotyp Dawniej uważano, że naturalne popoulacje są jednorodne genetycznie, obecnie raczej kwestia umowy Notacja: mutacja recesywna a, allel dziki a + (albo + a ), genotypy a + /a + ; a + /a; a/a mutacja dominująca A, allel dziki (recesywny) A + genotypy A + / A + ; A + /A; A/A 40

41 Przyk ady mutantów Drosophila w/w w + /w + albo w + /w 41

42 42

43 Mutacje rozwojowe Antennapedia 43

44 Mutacje rozwojowe Ultrabithorax 44

45 Mutacje Drosophila 45

46 Geny i chromosomy Dwa allele genu dwa chromosomy homologiczne u organizmów diploidalnych W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

47 Geny i chromosomy Segregacja alleli do gamet (I prawo Mendla) koreluje z zachowaniem chromosomów podczas mejozy W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

48 Geny i chromosomy Niezależne dziedziczenie alleli różnych genów niezależna segregacja różnych chromosomów W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

49 Chromosomy p ci U wielu (ale nie wszystkich) organizmów płeć jest determinowana przez specjalną parę chromosomów Ssaki łożyskowe XX ; XY Y niezbędny do rozwoju fenotypu męskiego, X0 (zespół Turnera) fenotypowo kobiecy Drosophila XX ; XY Fenotyp determinowany przez stosunek X do autosomów, X0 fenotypowo samiec (niepłodny u D. melanogaster) Ptaki, owady, niektóre jaszczurki ZW ; ZZ 49

50 Sprzężenie Geny leżące na różnych chromosomach spełniają II prawo Mendla Dla 2 genów: 4 równoliczne klasy gamet 50 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

51 Sprzężenie Allele genów leżących na tym samym chromosomie dziedziczą się razem sprzężenie Dla 2 genów: 2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich 51 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

52 Sprzężenie Crossing-over (rekombinacja chromatyd niesiostrzanych) Dla 2 genów: 2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich 2 równoliczne klasy gamet zrekombinowanych Klasy zrekombinowane mniej liczne od rodzicielskich 52 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

53 Mapowanie genów Aby powstały gamety zrekombinowane, crossing-over musi zajść pomiędzy genami (loci) powstają gamety zrekombinowane W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

54 Mapowanie genów Prawdopodobieństwo crossing-over pomiędzy genami jest proporcjonalne do odległości między nimi na chromosomie Liczebność klas rodzicielskich w potomstwie jest miarą odległości genetycznej 54

55 Mapowanie Jednostka cm (centymorgan) = 1% rekombinacji W rzeczywistości zależność nie jest liniowa Podwójny crossing-over gamety typu rodzicielskiego Interferencja zajście crossing-over w danym miejscu wpływa na prawdopodobieństwo zajścia kolejnego w pobliżu 55

56 Komplementacja Wiele mutacji dających taki sam, lub podobny fenotyp Czy są to mutacje w tym samym genie, czy w różnych 56

57 Komplementacja trans cis a b + a + b + ===== ====== a + b a b Test komplementacji zwany też testem cis-trans: Tylko w układzie trans da odpowiedź w układzie cis zawsze fenotyp dziki 57

58 Komplementacja Peter J. Russell, igenetics: Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. 58

59 Test komplementacji test cis-trans Dotyczy alleli recesywnych Jeżeli heterozygota trans ma fenotyp bliższy fenotypowi recesywnemu niż hetrozygota cis, to mutacje są w tym samym cistronie Silniejszy fenotyp mutanta m1 + + m2 > m1 m2 + + Fenotyp bliższy dzikiemu Porównanie cis i trans pozwala wykluczyć efekt podwójnej haploinsuficjencji (zmniejszenie ilości produktów dwóch genów może dać fenotyp, którego nie da zmniejszenie ilości produktu pojedynczego genu) Test komplementacji dotyczy funkcji genu, nie daje informacji o pozycji mutacji. Stwierdzenie, czy dwie mutacje, ktore nie komplementują są w różnych miejscach krzyżówka wewnątrzgenowa 59

60 Cistron Mutacje w obrębie tego samego cistronu nie komplementują 60 Peter J. Russell, igenetics: Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

61 Krzyżówka wewnątrzgenowa Crossing-over pomiędzy miejscami mutacji w obrębie tego samego genu jest możliwy, ale bardzo rzadki (b. mała odległość) Przy liczbie potomstwa takiej, jak u Drosophila czy roślin prawie niezauważalne Widoczne w doświadczeniach z bardzo dużą liczbą osobników potomnych mikroorganizmy np. drożdże, grzyby nitkowate bakteriofagi (np. T4) 61

62 Czy genetyka klasyczna ma dziś znaczenie? Wciąż aktualne metody: Izolacja i charakterystyka mutantów Test komplementacji Interakcje genetyczne! jedna z podstaw biologii systemów Konstrukcje organizmów (głównie mikroorganizmy) przez odpowiednio dobrane krzyżówki Dziedziczenie mendlowskie w medycynie poradnictwo genetyczne. Metody probabilistyczne Metody częściowo historyczne Mapowanie genów przez rekombinację Wyjątkiem genetyka człowieka, gdzie wciąż stosowane do zlokalizowania mutacji odpowiadającej za fenotyp na chromosomie Znaczenie historyczne Krzyżówki wewnątrzgenowe dla mapowania miejsc mutacji Mapowanie genetyczne u mikroorganizmów 62