Dziedziczenie wieloczynnikowe. Problem przewidywalności

Podobne dokumenty
Podstawy genetyki. Dziedziczenie wieloczynnikowe na przykładzie człowieka. Asocjacje.

Podstawy genetyki człowieka. Cechy wieloczynnikowe

Interakcje genetyczne. Genetyczne podstawy biologii systemów

Czego nie wiedzą genetycy. wyzwania biologii w XXI wieku

Człowiek mendlowski? Genetyka człowieka w XX i XXI w.

Interakcje genetyczne. Genetyczne podstawy biologii systemów

Genetyka dla (trochę) zaawansowanych III. Interakcje genetyczne II, dziedziczenie wieloczynnikowe

Interakcje genetyczne II. Genetyczne podstawy biologii systemów

Podstawy genetyki człowieka

Mutacje i interakcje genetyczne. Ujęcie funkcjonalne

Genetyka człowieka II. Cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

ZARZĄDZANIE POPULACJAMI ZWIERZĄT 1. RÓWNOWAGA GENETYCZNA POPULACJI. Prowadzący: dr Wioleta Drobik Katedra Genetyki i Ogólnej Hodowli Zwierząt

Genetyka człowieka II. Cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Zmienność populacji człowieka. Polimorfizmy i asocjacje

Biologia molekularna z genetyką

Mutacje w ujęciu genetycznym. Dominacja i recesywność

Zmienność genetyczna człowieka

Konspekt do zajęć z przedmiotu Genetyka dla kierunku Położnictwo dr Anna Skorczyk-Werner Katedra i Zakład Genetyki Medycznej

Podstawy genetyki. Genetyka klasyczna, narzędzia badawcze genetyki

Podstawy genetyki. ESPZiWP 2010

PODSTAWY GENETYKI. Prowadzący wykład: prof. dr hab. Jarosław Burczyk

ZARZĄDZANIE POPULACJAMI ZWIERZĄT

GENETYKA. Genetyka. Dziedziczność przekazywanie cech rodziców potomstwu Zmienność występowanie różnic pomiędzy różnymi osobnikami tego samego gatunku

Ekologia molekularna. wykład 14. Genetyka ilościowa

Mapowanie genów cz owieka. podstawy

Analiza sprzężeń u człowieka. Podstawy

Analiza sprzężeń u człowieka. Podstawy

Zmienność populacji cz owieka. Polimorfizmy i asocjacje

Genomika funkcjonalna. Wielkoskalowe analizy genetyczne

Genetyka człowieka II. Zaburzenia chromosomowe, cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

Analiza sprzężeń u człowieka. Podstawy

GENETYKA POPULACJI. Ćwiczenia 1 Biologia I MGR /

Genomika funkcjonalna. Wielkoskalowe analizy genetyczne

Plan wykładów z genetyki ogólnej

Genomika funkcjonalna. Wielkoskalowe analizy genetyczne

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Genetyka człowieka II. Cechy wieloczynnikowe, polimorfizmy i asocjacje

PRAWO CZYSTOŚCI GAMET (I Prawo Mendla) RELACJE MIĘDZY ALLELAMI TEGO SAMEGO GENU

Dziedziczenie poligenowe

a) Zapisz genotyp tego mężczyzny... oraz zaznacz poniżej (A, B, C lub D), jaki procent gamet tego mężczyzny będzie miało genotyp ax b.

lek.wet. Agnieszka Dereczeniuk

Mutacje Interakcje genetyczne I

BLISKIE SPOTKANIA Z BIOLOGIĄ

Biologia medyczna, materiały dla studentów

Zmienność. środa, 23 listopada 11

Mutacje Interakcje genetyczne I

Patrząc na kota, widzimy najpierw jego kolor. Poprzez to, co widzimy, możemy jednak wyciągnąć znacznie więcej wniosków:

Mutacje Interakcje genetyczne I

Zmienność populacji człowieka. Zróżnicowane genetyczne człowieka współczesnego. Polimorfizmy i asocjacje

Ewolucjonizm NEODARWINIZM. Dr Jacek Francikowski Uniwersyteckie Towarzystwo Naukowe Uniwersytet Śląski w Katowicach

Wstęp do genetyki człowieka Choroby rzadkie nie są takie rzadkie

1. Analiza asocjacyjna. Cechy ciągłe. Cechy binarne. Analiza sprzężeń. Runs of homozygosity. Signatures of selection

Czarny EEBB, EeBB, EEBb, EeBb Żółty z czarnym nosem eebb, eebb Żółty z cielistym nosem (NBP) Czekoladowy EEbb, Eebb

Mapowanie genów cz owieka i badania asocjacji. podstawy

[ IMIĘ I NAZWISKO:. KLASA NR.. ] Zadania genetyczne

Selekcja, dobór hodowlany. ESPZiWP

Podstawy genetyki 3. Dziedziczenie jednogenowe i wieloczynnikowe na przykładzie człowieka

Analiza sprzężeń u człowieka. Podstawy

1 Podstawowe pojęcia z zakresu genetyki. 2 Podstawowy model dziedziczenia

Składniki jądrowego genomu człowieka

Bliskie Spotkanie z Biologią. Genetyka populacji

Mutacje i interakcje genetyczne. Mutacje w ujęciu genetycznym. Interakcje genetyczne. Genetyczne podstawy biologii systemów - interaktomika.

Podstawy genetyki populacji. Genetyka mendlowska i ewolucja. Dobór i dryf.

CECHY ILOŚCIOWE PARAMETRY GENETYCZNE

Badania asocjacyjne w skali genomu (GWAS)

Biologia medyczna, lekarski Ćwiczenie ; Ćwiczenie 19

Zadania z genetyki. Jacek Grzebyta. 21.XII.2005 version Powered by Λ. L A TEX 4 Unicode

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

Algorytm genetyczny (genetic algorithm)-

GIMNAZJUM SPRAWDZIANY SUKCES W NAUCE

GENETYKA POPULACJI. Ćwiczenia 4 Biologia I MGR

Podstawy genetyki populacji. Genetyka mendlowska i ewolucja. Dobór i dryf.

wykład dla studentów II roku biotechnologii Andrzej Wierzbicki

Mutacje Interakcje genetyczne I

Dobór naturalny. Ewolucjonizm i eugenika

Podstawy biologii. Informacja, struktura i metabolizm.

II WYDZIAŁ LEKARSKI, II ROK

Sekwencjonowanie nowej generacji i rozwój programów selekcyjnych w akwakulturze ryb łososiowatych

Program ćwiczeń z przedmiotu BIOLOGIA MOLEKULARNA I GENETYKA, część I dla kierunku Lekarskiego, rok I 2015/2016. Ćwiczenie nr 1 (

Dziedziczenie cech sprzężonych, crossing-over i mapy chromosomów

GENETYCZNE PODSTAWY ZMIENNOŚCI ORGANIZMÓW ZASADY DZIEDZICZENIA CECH PODSTAWY GENETYKI POPULACYJNEJ

2. Rozdział materiału genetycznego w czasie podziałów komórkowych - mitozy i mejozy

Genetyka Populacji

Algorytm Genetyczny. zastosowanie do procesów rozmieszczenia stacji raportujących w sieciach komórkowych

WSTĘP. Copyright 2011, Joanna Szyda

Imię i nazwisko...kl...

Metabolizm i biochemia

Mapowanie genów człowieka i badania asocjacji. podstawy

6. Uzupełnij zdanie, wstawiajac w odpowiednie miejsce wyrażenie ujawni się lub nie ujawni się :

Genetyka ekologiczna i populacyjna W8

Spokrewnienie prawdopodobieństwo, że dwa losowe geny od dwóch osobników są genami IBD. IBD = identical by descent, geny identycznego pochodzenia

Informacje. Kontakt: Paweł Golik, Ewa Bartnik. Instytut Genetyki i Biotechnologii, Pawińskiego 5A.

GENETYKA POPULACJI. Fot. W. Wołkow

GENETYKA POPULACJI. Ćwiczenia 5 Biologia I MGR

Ćwiczenie 16/17. Szacowanie częstości mutacji punktowych. Mutacje chromosomowe strukturalne. Mutacje chromosomowe liczbowe.

Ćwiczenie 3/4. Prawa Mendla: zadania, analiza rodowodów Sprzężenia i odległość genetyczna. Kariotypy i chromosomopatie. Prof. dr hab.

Podłoże molekularne NF1 i RASopatii. Możliwości diagnostyczne.

Podstawy genetyki I. Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna

Temat 6: Genetyczne uwarunkowania płci. Cechy sprzężone z płcią.

Transkrypt:

Dziedziczenie wieloczynnikowe Problem przewidywalności

Cechy wieloczynnikowe a mendlowskie Mendlowskie Wieloczynnikowe Proste dziedziczenie, allele pojedynczych genów, wysoka penetracja Złożone dziedziczenie: wiele czynników (genetycznych i środowiskowych), każdy z nich osobno ma niską penetrację Mutacja powoduje chorobę Polimorfizymy genów wpływają na ryzyko (zwiększają albo zmniejszają) Badanie: analiza sprzężeń, sekwencjonowanie Badanie: metody statystyczne, głównie nieparametryczne Rzadkie choroby Wiele częstych chorób i cech prawidłowych

Penetracja allelu Prawdopodobieństwo wystąpienia fenotypu przy wystąpieniu danego allelu w genotypie Przykłady: choroba Huntingtona: penetracja 100% - każdy, kto odziedziczy zmutowany allel zachoruje zespół Li-Fraumeni: u 70% osób, które odziedziczą mutację wystąpią (wcześnie) pewne nowotwory

Asocjacja Typowe badania asocjacyjne: określony wariant danego genu zwiększa/ zmniejsza ryzyko choroby X Błędne interpretacje: To nie znaczy, że każdy z tym wariantem zachoruje! To nie znaczy, że na podstawie zbadania tego wariantu można powiedzieć, że ktoś zachoruje! To nie znaczy, że mechanizm choroby w jakikolwiek sposób jest powiązany z tym genem.

Zesztywniające zapalenie stawów

Asocjacja - przykład HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000 Ryzyko 8% HLA-B27-10 9000 Ryzyko 0,11% test statystyczny Fishera: p 2 10-76 - bardzo wysoka istotność

Zesztywniające zapalenie stawów i HLA-B27 Jedna z najmocniejszych znanych asocjacji ryzyko wzrasta około 80x p 2 10-76 Prawdopodobnie jest związek przyczynowy (choroba autoimmunologiczna i układ odpornościowy) Ale nadal posiadanie allelu HLA-B27 nie oznacza, że choroba na pewno wystąpi (wystąpi u ~8% ludzi z HLA-B27)

Geny na...? Asocjacje są błędnie przedstawiane jako mutacje sprawcze To tylko korelacja - czynnik ryzyka Na tej podstawie tworzone są komercyjne testy

Geny na?

A w rzeczywistości Ryzyko wzrasta 2-3-krotnie Ryzyko w populacji: 2-4% p=0,0057-0,00007

Dla porównania HLA-B27 i choroby autoimmunologiczne, np. zesztywniające zapalenie stawów Chorzy Zdrowi HLA-B27 + 90 1000 Ryzyko 8% HLA-B27-10 9000 Ryzyko 0,11% p 2 10-76 OR = 90 1000 10 9000 = 81

Interpretacje Ryzyko wzrasta trzykrotnie, ryzyko wzrasta o 200% Z 30% do 90% - ważne Z 0,1% do 0,3% -???? Porada praktyczna - testy genetyczne są cennym narzędziem w ręku lekarza. test zlecony przez lekarza i przez niego interpretowany - warto test komercyjny oferowany bezpośrednio odbiorcy - nie warto!

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

Asocjacje i geny na Bardzo wiele doniesień typu odkryto gen odpowiedzialny za w rzeczywistości dotyczy asocjacji Wiele testów predyspozycji genetycznych opiera się na badaniach asocjacyjnych Ich wartość może być wątpliwa Korelacja nie oznacza wynikania Korelowanie cech rzadkich z częstymi jest bezwartościowe

O korelacji i wynikaniu

O korelacji i przyczynowości

O korelacji i przyczynowości

Cechy wieloczynnikowe Choroby jednogenowe są rzadkie lub bardzo rzadkie Jednogenowych cech zmienności prawidłowej jest bardzo niewiele Podstawą do zrozumienia i przewidywania fenotypu (prawidłowego i chorób) u człowieka są cechy wieloczynnikowe np. nowotwory (nie dziedziczne) choroby serca i układu naczyniowego cukrzyca choroby psychiczne prawidłowa zmienność fenotypowa

Genom i wzrost - jak trudny jest problem Na zróżnicowanie wzrostu człowieka wpływają warianty ponad 200 różnych genów GIANT (Genetic Investigation of Anthropometric Traits), Lango et al. Nature. 2010 467(7317):832-8.

Podsumowanie Większość cech zmienności prawidłowej i częstych chorób człowieka to cechy wieloczynnikowe Badanie pojedynczych genów nie pozwala na przewidywanie fenotypu takich cech Genetyka dobrze opisuje i przewiduje dziedziczenie cech jednogenowych Nie ma dobrego opisu teoretycznego pozwalającego na przewidywanie dla cech wieloczynnikowych - wyzwanie na kolejne stulecia

Genetyka zachowania Odziedziczalne aspekty behawioru zwierząt to cechy wieloczynnikowe!

Analiza QTL QTL- quantitative trait loci poszukiwanie loci wykazujących asocjację z daną cechą metoda statystyczna - połączenie analizy sprzężeń z badaniem asocjacji odnalezione tą metodą geny wpływają na dziedziczenie cechy wieloczynnikowej, ale nie w sposób jednogenowy!

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

Właściwości emergentne System jako całość ma właściwości nie będące sumą właściwości elementów składowych Złożoność powstaje z licznych interakcji prostszych składowych Henrietta Lacks 1920-1951

Determinizm genetyczny Czy da się przewidzieć fenotyp na podstawie genotypu? Dla prostszych cech o dużej odziedziczalności - pewnie tak? Dla bardziej złożonych - nierealne? Które cechy należą do tych kategorii?

Determinizm genetyczny? Systemy złożone o wielu składowych i nieliniowych zależnościach są nieprzewidywalne, mimo że ich składowe są deterministyczne Genom to bardzo złożony system Oddziaływanie środowiska wprowadza dodatkowe zmienne

Biologia systemów - wyzwanie Przejście od opisu genów (i ich produktów) do opisu działania całych systemów - genomów i komórek Zrozumienie dziedziczenia wieloczynnikowego wymaga stworzenia systemowego modelu współdziałania genów Przejście od opisu części do opisu całości Właściwości emergentne cechy całego systemu nie będące prostą ekstrapolacją cech jego elementów

AI - koniec nauki? Wykorzystanie sztucznej inteligencji (algorytmy uczące się - machine learning) Coraz skuteczniej przewiduje, ale nic nie wyjaśnia Model równie złożony, co opisywany system, więc równie niezrozumiały Lipperta et al., PNAS, 2017

Oddziaływania genetyczne

Interakcje genetyczne Fenotyp podwójnego mutanta AB nie jest prostym połączeniem fenotypów mutacji A i B Dla ujęcia ilościowego wymagana jest liczbowa miara fenotypu (fitness) Np. czas podziału (czas generacji) czas wymagany do podwojenia liczby komórek w hodowli Ujęcie jakościowe wymaga dobrze zdefiniowanych, dyskretnych (0,1) fenotypów np. letalność

Interakcje Łagodzące, pozytywne (positive, alleviating interactions) Fenotyp podwójnego mutanta lżejszy (bliższy dzikiemu), niż przewidywany dla sumowania fenotypów mutantów pojedynczych Syntetyczne, pogarszające, negatywne (negative, synthetic, aggravating interactions) Fenotyp podwójnego mutanta cięższy, niż przewidywany dla sumowania fenotypów pojedynczych mutantów

Interakcje łagodzace Supresja Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b) Podwójny mutant ab ma fenotyp dziki lub bliski dzikiemu (nie cięższy, niż sam b) Epistaza Fenotyp mutacji (a) maskowany przez mutację w innym genie (b) Podwójny mutant ab ma fenotyp taki sam, jak mutacja b (epistatyczna) obecność mutacji b narzuca fenotyp niezależnie od allelu genu a (hipostatycznego) i maskuje allele genu a epistaza symetryczna pojedyncze mutanty a i b mają taki sam fenotyp, jak podwójny ab

Interakcje syntetyczne Syntetyczne wzmocnienie Fenotyp podwójnego mutanta silniejszy (lub nieoczekiwany) niż suma fenotypów pojedynczych mutacji Syntetyczna letalność Pojedyncze mutacje nie są letalne, podwójny mutant letalny

Problem terminu epistaza Epistaza ( epistasis ), Bateson 1909 jeden z rodzajów interakcji w tym znaczeniu stosowane w genetyce klasycznej Epistaza ( epistacy ), Fisher 1918 - wszelkie interakcje genetyczne w tym znaczeniu używane w genetyce populacji i genetyce ewolucyjnej

Epistaza D. melanogaster mutanty barwy oka wt white vermillion Podwójny mutant white, vermillion ma oczy białe, nieodróżnialne od pojedynczego mutanta white Mutacje white epistatyczne względem vermillion (i wielu innych mutacji barwy oka

Epistaza Przy regulacji pozytywnej (i np. szlakach biosyntezy) mutacja elementu leżącego wyżej w szlaku będzie epistatyczna względem mutacji poniżej Fenotyp podwójnego mutanta taki sam, jak mutanta w genie, którego produkt działa na wcześniejszym etapie szlaku Wykorzystywane do mapowania kolejności etapów w szlakach regulatorowych, rozwojowych i metabolicznych Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35

Podstawowa barwa: geny B i D Gen B allel B - dominujący: barwa czarna allel b: barwa czekoladowa allel b1: barwa cynamonowa gen D homozygoty dd - rozjaśnione

Gen O Leży na chromosomie X dominujący allel O - kolor rudy (orange) Epistatyczny względem genów B i D w obecności O kot jest rudy, niezależnie od tego, czy ma B, b1, b itd. http://www.theperfectcat.com/home/cool-cat-coats/ U heterozygotycznych samic dwa chromosomy X, losowa inaktywacja jednego: plamy rude (aktywny chromosom X O ) albo czarne/czekoladowe itp. (aktywny chromosom X o ) białe plamy - dominujący allel innego genu S

Gen W Dominujący allel W - biała sierść/niebieskie oczy Epistatyczny względem innych genów ubarwienia - blokuje jakiekolwiek wybarwienie to nie jest albinizm http://www.theperfectcat.com/home/cool-cat-coats/

A co z burasami? U ssaków gen agouti odpowiada za jednolitość ubarwienia czarnym barwnikiem Dominujący allel A - niejednolite ubarwienie (ciemniejsze i jaśniejsze pręgi, kolor zależny od genów B, D itp.) Homozygota aa - jednolite ubarwienie (czarne/czekoladowe itp.) U kotów mających allel A (homo- i heterozygot) wzór zależny od alleli genu Mc (pasy, Nie wpływa na barwnik pomarańczowy (O) u kotów O zawsze widoczny wzór https://agiliscattus.pl/podstawy-genetyki-kotow.html

Oddziaływania genetyczne Oddziaływania epistatyczne - najczęściej geny działające w tym samym szlaku, współtworzące tę samą funkcję Oddziaływania syntetyczne - najczęściej równoległe (redundantne) szlaki Dixon et al. 2009, Systematic mapping of genetic interaction networks. Annu Rev Genet 43:601-25

Mapowanie interakcji U niektórych organizmów modelowych poszukuje się interakcji między genami na zasadzie każdy z każdym Na tej podstawie tworzy się sieci i mapy interakcji Analiza matematyczna (network science) Biologia systemów

Sieci interakcji Sieci interakcji biologicznych mają charakter bezskalowy węzły centralne (hubs) z dużą liczbą połączeń węzły peryferyjne, z małą liczbą połączeń węzły centralne częściej odpowiadają genom niezbywalnym (których defekt jest letalny) http://barabasi.com/networksciencebook/

Costanzo i wsp., (2010) Science 327, 425

Wyzwanie złożoności Systematyczne analizy interakcji między genami na razie na poziomie mapowania oddziaływań par genów Analiza interakcji wyższego rzędu (obejmujących setki genów jednocześnie) na razie poza zasięgiem Do analitycznego a nie statystycznego opisu cech wieloczynnikowych (takich, jak behawioralne) bardzo daleko!