Podstawy genetyki I. Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna

Transkrypt

1 Podstawy genetyki I Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna

2 Wykładowcy } prof. dr hab. Paweł Golik Instytut Genetyki i Biotechnologii } podstawy genetyki, genetyka klasyczna, genetyka człowieka } prof. dr hab. Dariusz Bartosik Instytut Mikrobiologii } Biologia molekularna i genetyka Prokaryota } dr hab. Marta Koblowska, dr Roksana Iwanicka-Nowicka Instytut Biologii Eksperymentalnej Roślin } Biologia molekularna i genetyka Eukaryota 2

3 Podręczniki } Podstawy biologii molekularnej L.A. Allison } Genomy TA Brown, wyd. 3 } Genetyka molekularna P Węgleński (red.), wyd. 2 3

4 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 4

5 Informacje } } 5

6 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 6

7 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. 7

8 Dwa oblicza genetyki } Pytania o mechanizmy dziedziczenia i funkcjonowania genów } Genetyka sensu stricte } 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 8

9 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. 9

10 Podstawowe koncepcje genetyki } Mutacja } Komplementacja } Supresja (i inne interakcje genetyczne) } Rekombinacja } Regulacja 10

11 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 11

12 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. 12

13 Mylenie pojęć 13

14 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 ) 14

15 Podstawowe pojęcia } Genotyp } Informacja genetyczna w postaci konkretnych alleli wszystkich genów } Fenotyp } Zbiór obserwowalnych cech organizmu } Produkt interakcji genotypu i środowiska 15

16 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 16

17 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 środowiska w tworzeniu fenotypu } Dziedziczenie wieloczynnikowe 17

18 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)? 18

19 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 19

20 Anton van Leeuwenhoek ( ) } Odkrył plemniki (animaculae) w nasieniu 20

21 Preformizm } Plemniki (lub komórki jajowe) zawierają w pełni ukształtowany zarodek (homunculus) } Nie dochodzi do mieszania cech rodziców 21 N. Hartsoecker 1695

22 Epigeneza } Rozwój następuje przez tworzenie nowych struktur } Przeciwieństwo preformizmu } Prekursor Arystoteles } Caspar F. Wolff ( ) Theoria Generationis 22

23 Dziedziczenie mieszane } Cechy potomstwa są wypadkową, uśrednieniem cech rodziców X 23

24 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 24

25 Gregor Mendel ( ) } Wybór organizmu modelowego } Starannie zaprojektowane eksperymenty } Statystyczna obróbka danych 25

26 Model doświadczalny Mendla Groszek (Pisum sativum) 26 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

27 Mendlowska krzyżówka jednogenowa 27

28 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 28

29 Metoda kwadratu Punnetta Gamety è ê T T TT t Tt t Tt tt 29

30 Człowiek jako obiekt w genetyce klasycznej } Analiza rodowodów Mężczyzna (chory) Mężczyzna (zdrowy) Kobieta (chora) Kobieta (zdrowa) Płeć nieokreślona Cecha recesywna, autosomalna Rodzice są heterozygotami (nosiciele) 30

31 Genetyka człowieka m m X m + mm mm + Rodzice są nosicielami Prawdopodobieństwo urodzenia się chorego dziecka: ¼ nosiciela: ½ zdrowego (homozygoty): ¼ Prawdopodobieństwo, że osoba (przykładowo) 1,3 jest nosicielem?? 2/3! m + mm + m + m + 31

32 32 xkcd.com

33 Jak odróżnić homozygotę dominującą od heterozygoty? Krzyżówka testowa (wsteczna), backcross TT x tt ê Tt TT Tt x tt Tt x tt ê Tt, tt (1:1) 33

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

35 Krzyżówka dwugenowa: kwadrat Punnetta 9:3:3:1 35 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

36 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 36

37 Od Mendla do współczesnej 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 37

38 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 38

39 Kodominacja } fenotyp heterozygoty pośredni pomiędzy homozygotami fenotyp pośredni Stosunek 1:2:1 39

40 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 40

41 Allele letalne wt (agouti) mutant yellow agouti agouti è same agouti agouti yellow è ½ yellow i ½ agouti yellow yellow è 2/3 yellow i 1/3 agouti AA AA è AA AA AA Y è A A Y ; AA AA Y AA Y è 1 AX Y A Y ; 2 A A Y ; 1 AA } Allel A Y dominujący pod względem koloru, recesywny letalny 41

42 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 42

43 Mutacje jako źródło 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 43

44 Przykłady mutantów Drosophila w/w w + /w + albo w + /w 44

45 45

46 Mutacje rozwojowe } Antennapedia 46

47 Mutacje rozwojowe } Ultrabithorax 47

48 Mutacje Drosophila 48

49 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,

50 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,

51 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,

52 Chromosomy płci } 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 52

53 Sprzężenie z płcią w wt (w + ) W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005 Thomas H. Morgan

54 Sprzężenie z płcią - interpretacja W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall,

55 Sprzężenie } Geny leżące na różnych chromosomach spełniają II prawo Mendla Dla 2 genów: 4 równoliczne klasy gamet 55 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

56 Sprzężenie } Allele genów leżących na tym samym chromosomie dziedziczą się razem sprzężenie Dla 2 genów: 2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich 56 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

57 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 57 W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall, 2005

58 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,

59 Mapowanie genów } Prawdopodobieństwo crossing-over pomiędzy genami jest proporcjonalne do odległości między nimi na chromosomie } Liczebność klas rodzicielskich w potomstwie jest miarą odległości genetycznej } U Drosophila najlepiej mapować za pomocą heterozygotycznej samicy i samca recesywnego 59

60 Przykład mapowania W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8 th edition, Prentice Hall,

61 Przykład mapowania y w y w + + y w gamety: y w; y+ w+ y w; y+ w; y w+ W tego typu krzyżówce fenotypy potomstwa bezpośrednio odzwierciedlają układ gamet samicy W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall,

62 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 62

63 Podwójny c-o jeszcze bardziej złożony W. S Klug, M.R Cummings Concepts of Genetics 8th edition, Prentice Hall, 2005 } Powstanie średnio 50% rekombinantów. Podobnie dla potrójnych itp. 63

64 Funkcja mapowa zależność odległości genetycznej od częstości rekombinacji } } } Zajście wielokrotnych c-o według rozkładu Poissona Funkcja mapowa Haldane a d=-0,5 ln(1-2 θ) } } odległość d w centymorganach (cm) nie uwzględnia interferencji w crossing-over } } } } Funkcja mapowa Kosambiego d=0,25 ln[(1+2 θ)/(1-2 θ)] } } odległość d w centymorganach (cm) uwzględnia interferencję crossing-over zmniejsza prawdopodobieństwo drugiego w pobliżu szeroko stosowana } Dla małych wartości θ: d θ 64

65 Funkcja mapowa } Wraz ze wzrostem odległości częstość c-o dąży do 0,5 } Dla genów niesprzężonych rekombinantów jest 50%, podobnie jak dla genów leżących w dużej odległości 65

66 Mapy genetyczne człowieka i innych organizmów } Całkowita mapa mężczyzny = 2851cM } Całkowita mapa kobiety = 4296cM (wyłączając X) } Dla 3000Mb genomu autosomalnego 1 cm u mężczyzny 1,05 Mb 1 cm u kobiety 0,88Mb } } 1 cm u Drosophila 0,5 Mb 1cM u drożdży 3 kb 66

67 Krzyżówka trzypunktowa } Mapowanie dla trzech loci jednocześnie } Heterozygota wytwarza 8 klas gamet } 2 klasy rodzicielskie } 2 klasy c-o między pierwszym a drugim locus } 2 klasy c-o między drugim a trzecim locus } 2 klasy podwójny c-o (najrzadsze) } Umożliwia ustalenie kolejności genów 67

68 Krzyżówka trzypunktowa 68

69 Komplementacja } Wiele mutacji dających taki sam, lub podobny fenotyp } Czy są to mutacje w tym samym genie, czy w różnych 69

70 Podwójne heterozygoty cis i trans m1, m2 mutacje (bez znaczenia, czy w tym samym genie, czy w różnych m1 m2 m1 + m2 + m1 + m2 + m1 m2 Układ cis Otrzymywanie: m1,m2 x wt (czyste linie) Układ trans Otrzymywanie: m1 x m2 (czyste linie) 70

71 Komplementacja m1 m2 m1 m2 + m1 + m2 + m1 + m2 W układzie cis fenotyp zawsze dziki, niezależnie od tego, czy m1 i m2 są w tym samym genie, czy w różnych. Warunek m1 i m2 recesywne. 71

72 Komplementacja m1 + m2 m1 + m2 + m1 m2 Jest funkcjonalny allel jednego i drugiego genu + m1 m2 Oba allele niefunkcjonalne W układzie trans test daje odpowiedź Warunek m1 i m2 recesywne. 72

73 Komplementacja Peter J. Russell, igenetics: Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. 73

74 Komplementacja } white i cherry to allele tego samego genu } white i garnet to allele w różnych genach } Ile jest genów w tym doświadczeniu? Który gen ma wiele alleli? 74

75 Test komplementacji } 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 75

76 Cistron } Eksperymenty Benzera na bakteriofagach Łysinki fagowe 76

77 Cistron } Mutacje w obrębie tego samego cistronu nie komplementują 77 Peter J. Russell, igenetics: Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

78 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) 78

79 Krzyżówka wewnątrzgenowa Copyright Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings. 79

80 Mapowanie struktury genu 80

81 Delecje w mapowaniu 81

82 Mapa obszaru rii faga T4 82 Odkrycie liniowej struktury genu

83 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 83