Genetyka i przyszłość człowieka. Prezentacja:

Transkrypt

1 Genetyka i przyszłość człowieka Prezentacja:

2 Pierwsze próby opisania dziedziczenia Zjawisko dziedziczenia zauważyli i próbowali wyjaśniać klasycy filozofii greckiej

3 Hipokrates i jego szkoła Dziedziczy się fizyczny materiał z poszczególnych narządów Elementy z narządów poprzez krew gromadzą się w nasieniu i krwi menstruacyjnej wcześniej uważano, że tylko mężczyzna przekazuje cechy potomstwu Dziedziczenie cech nabytych - rozwinięte mięśnie zapaśnika wytworzą wiele nasion mięśni w nasieniu ~460 p.n.e p.n.e

4 Arystoteles Zauważył, że: kaleka może mieć zdrowe dzieci niektóre cechy (np. siwe włosy czy skłonność do łysienia) objawiają się późno nie mogą być przekazywane przez materialne nasiona Dziedziczy się forma nadająca kształt materii Dziedziczenie nie ukształtowanej materii, ale programu 384 p.n.e p.n.e D. Henry. J. Hist. Biol. (2006) 39:425-55

5 Przeskakiwanie pokoleń Kuzari (Kitab al Khazari, Księga argumentów na korzyść pogardzanej religii ) Obserwujemy podobne zjawisko w naturze. Wielu ludzi nie przypomina swych ojców, ale podobni są do dziadków. Nie może więc być wątpliwości, że ta natura i podobieństwo były ukryte u ojca, ale nie były na zewnątrz widoczne (יהודה הלוי) Juda HaLevi

6 Genetyka klasyczna 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. Rozdział alleli zachodzi z jednakowym prawdopodobieństwem Gregor Mendel ( ) Gdy organizm posiada dwa warianty (allele) danego genu, w fenotypie ujawnia się tylko jeden z nich - dominacja

7 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

8 Metoda kwadratu Punnetta Gamety T t T TT Tt t Tt tt

9 xkcd.com

10 Człowiek mendlowski?

11 Fenotypy badane w genetyce człowieka W większości choroby jednogenowe (Mendlowskie) wieloczynnikowe nowotwory (mutacje somatyczne) zaburzenia chromosomowe Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej) jednogenowe (rzadko) wieloczynnikowe np. inteligencja, cechy behawioralne

12 Odziedziczalność Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji

13 Badania bliźniąt - przykład Wikimedia Commons

14 Agregacja rodzinna Czy prawdopodobieństwo wystąpienia cechy jest znacząco wyższe u bliskich krewnych osób mających tę cechę w stosunku do całej populacji

15 Cechy jednogenowe Prosty wzór dziedziczenia Bardzo wysoka odziedziczalność (często ~100%) Oprócz chorób nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny, smak PTC, itp. rude włosy (80% - recesywny allel genu MC1R) markery immunologiczne (grupy krwi) układ AB0, czynnik Rh markery molekularne

16 Choroby jednogenowe Znanych jest bardzo wiele (~5800) chorób jednogenowych Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000-1/2000 urodzeń) W sumie ~4/1000 żywych urodzeń Dane wg.

17 Choroby dziedziczne Znane od starożytności Talmud, Yebamoth 64b - jeżeli pierwszych dwóch synów kobiety umrze po obrzezaniu, nie może poddać obrzezaniu kolejnych synów - hemofilia Az-Zahrawi Abu Al-Kasim (Abulcasis, ) - opis hemofilii i jej dziedziczenia Nieszczęsne dziecko, które pocałowane w czoło zostawia na ustach słony smak. Jest nawiedzone przez złe duchy i wkrótce umrze (saga skandynawska z IX w.) - mukowiscydoza

18 Geny człowieka i ewolucja

19 Przepowiednie Rozwój medycyny doprowadzi do utraty naturalnej odporności człowieka? Pomaganie chorym na schorzenia genetyczne doprowadzi do pogorszenia puli genowej? eugenika - czy to może działać? Podziały społeczne doprowadzą do powstania dwóch gatunków człowieka?

20 Przepowiednie Rozwój medycyny doprowadzi do utraty naturalnej odporności człowieka? Nie. Gatunek ludzki, jak każdy inny, podlega ewolucji biologicznej. Tempo ewolucji biologicznej człowieka jest znacznie niższe, niż tempo przemian kulturowo - cywilizacyjnych.

21 Dlaczego? Cechy recesywne - aby się ujawniły, zmienione muszą być obie kopie (allele) genu. Jeżeli częstość allelu wynosi q, to w populacji osób mających oba takie allele to q 2. Przykład: mukowiscydoza chorzy (Europa północna) ~1/2000 urodzeń nosiciele (jeden z dwóch alleli z mutacją) ~ 1/23 osoby! Losy chorych (homozygot) nieistotne dla puli allelu zmutowanego

22 CCR5 i AIDS u człowieka Gen CCR5 koduje receptor cytokin (sygnały układu odpornościowego Białko CCR5 jest wykorzystywane przez wirusa HIV przy wnikaniu do komórki (w roli pomocniczej)

23 Allel CCR5-Δ32 Rzadko spotykany Homozygoty Δ32/Δ32 są oporne na infekcję HIV Allel najczęściej występuje w Europie, w Afryce jest rzadki

24 Allel CCR5-Δ32 Epidemia AIDS trwa zbyt krótko, by wpłynąć na częstości allelu (u człowieka 1 pokolenie to ~25 lat) Możliwe przyczyny takiego rozmieszczenia Allel pojawił się w Skandynawii i rozprzestrzeniał po Europie podczas najazdów Wikingów (VIII-X w.) Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

25 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? Wysoka częstość początkowa i silny dobór p = 0,2 (najwyższa notowana wartość) 25% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa A1A1: w11 = 1 A1A2: w12 = 0,75 A2A2: w22 = 0,75

26 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? Wartości te nie są realistyczne p = 0,2 tylko w niektórych populacjach w Europie (Aszkenazyjczycy) 25% śmiertelność tylko w niektórych rejonach Afryki (Botswana, Namibia, Zmimbabwe)

27 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? Wysoka częstość początkowa i słaby dobór p = 0,2 (najwyższa notowana wartość) 0,5% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa A1A1: w11 = 1 A1A2: w12 = 0,995 A2A2: w22 = 0,995

28 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? p = 0,2 (najwyższa notowana wartość) 0,5% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa Wartości te są realistyczne dla Europy

29 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? Niska częstość początkowa i silny dobór p = 0,01 25% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa A1A1: w11 = 1 A1A2: w12 = 0,75 A2A2: w22 = 0,75

30 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? p = 0,01 25% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa Wartości te są realistyczne dla niektórych części Afryki

31 Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka? Nie w czasie najbliższych kilkustet lat

32 Czy wyginą rudowłosi Rude włosy, jasna nieopalająca się skóra - recesywny allel genu MC1R 4% populacji europejskiej (Szkocja - 13%) W 2007 r. artykuły w prasie codziennej sugerujące, że cecha w niedalekiej przyszłości zaginie Źródło Oxford Hair Foundation

33 Czy wyginą rudowłosi Rude włosy, jasna nieopalająca się skóra - recesywny allel genu MC1R 4% populacji europejskiej (Szkocja - 13%) Przy rzadkich allelach recesywnych większość puli allelu u heterozygot - fenotyp pozostaje rzadki, ale allel nie ginie Źródło Oxford Hair Foundation Fundacja stworzona przez producenta farb do włosów (Procter&Gamble)

34 Eugenika Poprawa jakości gatunku ludzkiego poprzez kierowanie rozrodczością pozytywna - kojarzenie ludzi o pożądanych cechach negatywna - redukcja rozrodczości ludzi o cechach niepożądanych Zastosowanie praktyk hodowli zwierząt gospodarskich do człowieka

35 Francis Galton Jako pierwszy zastosował statystykę w antropologii, badał odziedziczalność inteligencji Hereditary Genius (1869) Eugenics Education Society (1909)

36 Eugenika w Wielkiej Brytanii Nie była organizowana przez państwo, ale była wspierana przez wielu znanych ludzi: John Maynard Keynes George Bernard Shaw Herbert G. Wells Winston Churchill John B.S. Haldane Ustawa Mental Deficiency Act (1913) - przymusowa sterylizacja - nie wprowadzona w życie

37 Eugenika w USA ~1925

38 Eugenika w USA American Breeder s Association (1906) Eugenics Record Office (1911) Charles Davenport: ograniczenia imigracji przymusowa sterylizacja Musimy osuszyć źródła, zatamować napływ zdefektowanej, zdegenerowanej protoplazmy

39 Eugenika w USA Henry H. Goddard, 1914 Opóźnienie umysłowe 1% populacji Alexander G. Bell - proponował przymusową sterylizację głuchoniemych Na konferencji oftalmologów w latach 20. propozycja wyeliminowania wszystkich noszących okulary William Robinson (lekarz, urolog) w 1917 o dzieciach osób niepełnosprawnych Najlepiej byłoby te dzieci delikatnie uśpić chloroformem, albo podać im dawkę cyjanku potasu.

40 Eugenika w USA Przymusowe sterylizacje - w sumie ponad osób Ograniczenia imigracyjne! Carrie Buck z matką w domu opieki społecznej Przymusowa sterylizacja wyrokiem sądu w 1927

41 Szwecja Ustawa o sterylizacji, 1934 W latach : ponad osób w Europie więcej tylko w III Rzeszy

42 Eugenika Henry H. Goddard, 1914 Opóźnienie umysłowe 1% populacji, co daje q = 0,1

43 Eugenika Pomijając kwestie etyczne czy to ma sens? Przymusowe sterylizacje w USA opóźnienie umysłowe, ~1% populacji, q = 0,1 Po 10 pokoleniach q = 0,05 Po 40 pokoleniach q = 0,02

44 Eugenika? Opóźnienie umysłowe to nie jest jednolita, jednogenowa choroba Najczęstsza (w Europie) choroba jednogenowa mukowiscydoza: 1/2000 urodzeń Założenie, że wszyscy chorzy giną bezpotomnie, po 500 latach: 1/4400 urodzeń Nie bierze pod uwagę pojawiania się nowych mutacji Wniosek: dla rzadkich cech recesywnych sukces reprodukcyjny homozygot ma nieznaczny wpływ na pulę genową!!

45 Zmienność genetyczna człowieka

46 Polimorfizmy sekwencyjne Zmapowano obecnie ok pozycji, w których występują zmiany Szacuje się, że w genomie może być w sumie do takich pozycji Większość to neutralne polimorfizmy, ale poszukuje się asocjacji z różnymi fenotypami (choroby i cechy wieloczynnikowe)

47 Różnorodność genetyczna człowieka Projekt 1000 genomów poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób) Wstępne dane (2010) 15 mln. miejsc zmiennych Czy to dużo 0,5-1% genomu Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży Ale...

48 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji

49 Asocjacja Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową? Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną? Czy asocjacja odkrywa gen na...?

50 Geny na...?

51 A w rzeczywistości... Ryzyko u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5% (posiadający wariant) >95% posiadających wariant nie zachoruje

52 Ważne!! Asocjacja to nie jest gen na...! Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego Zależnie od częstości w populacji (dla rzadkich mniej) Może być przydatny w diagnostyce różnicowej Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne

53 O korelacji i wynikaniu

54 Genom i wzrost Na zróżnicowanie wzrostu człowieka wpływają warianty ponad 150 genów GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature (7317):832-8.

55 Jeden gen jedna cecha? Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów Powstają złożone sieci współzależności złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów składowych

56 Informacja w biologii Informacja genetyczna nie jest gotowym opisem, jest przepisem

57 Tymczasem

58 Czy powierzyć swój genom google?

59 Problem ras ludzkich Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka Czy biologia uzasadnia podziały rasowe? Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth

60

61 Georges Cuvier Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798) podział ludzkości na trzy rasy: kaukaską, mongolską i etiopską Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i aktywności

62 Arthur de Gobineau Essai sur l'inégalité des races humaines (1853) Twórca koncepcji rasy aryjskiej

63 A Darwin? Używał terminu rasa wobec odmian zwierząt i roślin U człowieka rozróżnienie kulturowe, a nie biologiczne dzicy i cywilizowani Podkreślał, że człowiek to jeden gatunek

64 Zagadnienie ras ludzkich Argument Lewontina (1972) zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami cechy jednoznacznie odróżniające rasy - ~6% zmienności

65 Kontrargument Edwardsa (2003) Analiza Lewontina dotyczyła pojedynczych genów Korelacja zmienności dla większej liczby genów pozwala na rozróżnianie populacji z różnych kontynentów

66 Zmienność a rasy Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja) nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy dają różne wyniki zależnie od wybranych do analizy genów

67 Zagadnienie ras ludzkich Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach, które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu wpływ doboru

68 Rasy a taksonomia Przy analizie genetycznej wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem jednej z grup afrykańskich Różnorodność największa w Afryce

69 Zagadnienie ras ludzkich Zmienność i zróżnicowanie genetyczne to fakt Istnieją genetyczne wyróżniki poszczególnych populacji, związane z ich historią Łączenie różnych populacji w duże zgrupowania na podstawie koloru skóry, zamieszkiwanego kontynentu itp. nie ma sensu biologicznego Współcześni biolodzy mówiąc o rasach w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, które ma charakter ciągły Patrz:

70 Zagadnienie ras Zmienność genetyczna jest faktem - ma charakter ciągły Ustalanie absolutnych granic jest arbitralne - rasy to konstrukt społeczny, a nie biologiczny Rasy u zwierząt odpowiadają znacznie większym różnicom między osobnikami, niż u człowieka Nie ma dowodów na determinowane biologicznie różnice predyspozycji fizycznych na poziomie ras niekiedy są na poziomie mniejszych populacji nie ma dowodów na różnice w cechach charakteru

71 Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka Analiza mtdna Analiza ndna Przyczyna szybka ekspansja populacji

72 Różne geny - różne historie mtdna chr. Y

73 Przepowiednie Podziały społeczne doprowadzą do powstania dwóch gatunków człowieka? Biorąc pod uwagę to, że: bariery wewnątrz gatunkowe są mniejsze, niż kiedykolwiek w historii, a wyjściowa pula zmienności jest niewielka, jest to wątpliwe.

74 Czy jest się czego bać? Biorąc pod uwagę dużą liczebność populacji (równoważy niewielką różnorodność) i trendy demograficzne, przyczyną ewentualnej ekstynkcji człowieka nie będzie struktura genetyczna populacji inne przyczyny: przeludnienie, zmiana klimatu

75 Uzasadnione obawy Kwestie prywatności danych genetycznych szerszy problem prywatności danych osobistych Poglądy o wyższości ras czy grup nad innymi nie mają uzasadnienia naukowego, ale ludzie je wyznający są realnym zagrożeniem Prezentacja: