cis-trans

Podstawy genetyki I
Podstawowe pojęcia i genetyka klasyczna
Podręczniki
 
“Genomy” TA Brown, wyd. 3
 
“Genetyka molekularna” P Węgleński (red.), wyd. 2
2
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
Informacje
 
 
4
http://wiki.biol.uw.edu.pl/ - tu będą udostępniane
materiały z wykładów
http://www.igib.uw.edu.pl/
Czym jest genetyka?
 
Badanie mechanizmów dziedziczenia i powstawania
dziedzicznej zmienności
 
 
 
 
5
Mechanizmy dziedziczenia i kodowania cech fenotypowych
Molekularne mechanizmy działania genów
Współdziałanie genów w tworzeniu fenotypu (interakcje
genetyczne)
Naturalna i sztuczna zmienność genetyczna
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
Dwa oblicza genetyki
 
Pytania o mechanizmy dziedziczenia i funkcjonowania
genów
 
 
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.
 
 
 
7
Genetyka sensu stricto
Medycyna
Ekologia
Archeologia
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
Podstawowe koncepcje genetyki
 
 
 
 
 
9
Mutacja
Komplementacja
Supresja (i inne interakcje genetyczne)
Rekombinacja
Regulacja
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
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
Mylenie pojęć
12
Podstawowe pojęcia
 
Gen
 
Podstawowa jednostka dziedziczności
 
 
 
 
Allel
 
 
Konkretny wariant danego genu
Genom
 
 
“Jeden gen, jedna cecha”?
“Jeden gen, jeden enzym”?
“Jeden gen, jeden produkt molekularny (białko/RNA)”?
Całokształt informacji genetycznej organizmu
Transkryptom, proteom, metabolom interaktom (i inne “–
omy”)
13
Podstawowe pojęcia
 
Genotyp
 
 
Informacja genetyczna w postaci konkretnych alleli wszystkich
genów
Fenotyp
 
 
14
Zbiór obserwowalnych cech organizmu
Produkt interakcji genotypu i środowiska
Historia
 
 
 
Selekcja w hodowli zwierząt, co najmniej 10 000 lat temu
Sztuczne zapłodnienie (np. drzewa daktylowe) 1000 lat
temu
Starożytni o dziedziczeniu
 
 
 
 
15
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
Starożytni o dziedziczeniu
 
 
Suśruta (Sushruta) – Indie ok. 500 lat p.n.e.
Opisał cukrzycę i podał przyczyny
 
 
 
16
sanhaja: defekt “nasion” (bija) rodziców
apathaja: “z umiłowania jadła i gnuśnego życia”
Współdziałanie genotypu i fenotypu
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
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
Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)
 
Odkrył plemniki (animaculae) w nasieniu
19
http://www.ucmp.berkeley.edu/history/leeuwenhoek.html
Preformizm
 
 
Plemniki (lub komórki jajowe) zawierają w pełni ukształtowany
zarodek (homunculus)
Nie dochodzi do mieszania cech rodziców
N. Hartsoecker 1695
20
Epigeneza
 
 
 
 
Rozwój następuje przez tworzenie nowych struktur
Przeciwieństwo preformizmu
Prekursor – Arystoteles
Caspar F. Wolff (1733-1794) – “Theoria Generationis”
21
Dziedziczenie mieszane
 
Cechy potomstwa są wypadkową, uśrednieniem cech
rodziców
X
22
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
Gregor Mendel (1822-1884)
 
 
 
Wybór organizmu modelowego
Starannie zaprojektowane eksperymenty
Statystyczna obróbka danych
24
Model doświadczalny Mendla
Groszek (Pisum sativum)
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
25
Mendlowska krzyżówka jednogenowa
26
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
Metoda kwadratu Punnetta
T
t

TT
Tt
T
Gamety "
t Tt tt
28
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)
29
30
xkcd.com
Jak odróżnić homozygotę dominującą od
heterozygoty?
TT
Krzyżówka testowa
(wsteczna), backcross
TT x tt
"
Tt
31
Tt
x tt
Tt x tt
"
Tt, tt (1:1)
Krzyżówka dwugenowa
GGWW
ggww
GgWw
GGww
ggWW
GgWw
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
32
Krzyżówka dwugenowa: kwadrat Punnetta
9:3:3:1
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
33
Krzyżówka dwugenowa
GgWw x GgWw
Fenotyp: żółty, gładki
żółty,pomarszczony
zielony, gładki
zielony, pomarszczony
p = ¾ × ¾ = 9/16
p= ¾ × ¼ = 3/16
p= ¼ × ¾ = 3/16
p= ¼ × ¼ = 1/16
II prawo Mendla – allele różnych genów dziedziczą się niezależnie
prawdopodobieństwa zdarzeń niezależnych się mnoży
34
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
 
 
35
Analiza sprzężeń
Dziedziczenie płci i sprzężenie z płcią
Genetyka neo-Mendlowska
 
Czynniki modyfikujące proste, mendlowskie stosunki
fenotypów
 
 
Inne relacje genotyp-fenotyp (kodominacja, allele wielokrotne)
Inne relacje dla układów wielogenowych
 
 
36
Sprzężenie
Interakcje genetyczne w tworzeniu fenotypu
Kodominacja
 
fenotyp heterozygoty pośredni pomiędzy homozygotami
fenotyp pośredni
http://www.thinkquest.org
Stosunek 1:2:1
37
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
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 IA oraz IB – kodominujące, i0 – recesywny
Genotypy i fenotypy
  IAIA; IAi0
 
 
 
39
– grupa A, przeciwciała anty-B
IBIB; IBi0 – grupa B, przeciwciała anty-A
IAIB – grupa AB, nie wytwarza przeciwciał przeciwko A ani B
i0i0 – grupa 0 – przeciwciała anty-A oraz anty-B
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:
 
 
40
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
Przykłady mutantów Drosophila
w/w
w+/w+ albo w+/w
41
42
Mutacje rozwojowe
 
Antennapedia
43
Mutacje rozwojowe
 
Ultrabithorax
44
Mutacje Drosophila
45
Geny i chromosomy
 
Dwa allele genu – dwa chromosomy homologiczne u
organizmów diploidalnych
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
46
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” 8th edition, Prentice Hall, 2005
47
Geny i chromosomy
 
Niezależne dziedziczenie alleli różnych genów –
niezależna segregacja różnych chromosomów
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
48
Chromosomy płci
 
 
U wielu (ale nie wszystkich) organizmów płeć jest
determinowana przez specjalną parę chromosomów
Ssaki łożyskowe
 
XX ♀; XY ♂
 
 
Drosophila
 
 
 
Y niezbędny do rozwoju fenotypu męskiego, X0 (zespół Turnera) fenotypowo
kobiecy
XX ♀; XY ♂
Fenotyp determinowany przez stosunek X do autosomów, X0
fenotypowo samiec (niepłodny u D. melanogaster)
Ptaki, owady, niektóre jaszczurki
 
49
ZW ♀; ZZ ♂
Sprzężenie
 
Geny leżące na różnych chromosomach spełniają II prawo
Mendla
Dla 2 genów:
4 równoliczne klasy gamet
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
50
Sprzężenie
 
Allele genów leżących na tym samym chromosomie
dziedziczą się razem – sprzężenie
Dla 2 genów:
2 równoliczne klasy gamet rodzicielskich
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
51
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
W. S Klug, M.R Cummings “Concepts of Genetics” 8th edition, Prentice Hall, 2005
52
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” 8th edition, Prentice Hall, 2005
53
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
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
Komplementacja
 
 
Wiele mutacji dających taki sam, lub podobny fenotyp
Czy są to mutacje w tym samym genie, czy w różnych
56
Komplementacja
trans
b+
a
cis
a+
b+
=====
======
a+ b
a
57
b
Test komplementacji zwany też testem cis-trans:
Tylko w układzie trans da odpowiedź – w układzie cis
zawsze fenotyp dziki
Komplementacja
Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.
58
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 + m1 m2
>
+ m2
+
+
Fenotyp bliższy dzikiemu
Porównanie cis i trans pozwala wykluczyć efekt podwójnej haploinsuficjencji
€ilości produktów dwóch genów może dać fenotyp, którego nie da
(zmniejszenie
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
Cistron
 
Mutacje w obrębie tego samego cistronu nie komplementują
Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.
60
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
 
 
61
mikroorganizmy – np. drożdże, grzyby nitkowate
bakteriofagi (np. T4)
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
 
 
62
Krzyżówki wewnątrzgenowe dla mapowania miejsc mutacji
Mapowanie genetyczne u mikroorganizmów