Genetyka
11
Inżynieria genetyczna,
chromosomowa, genomowa
Dziedziczenie poligeniczne,
Programy selekcyjne
B-23
INŻYNIERIA GENETYCZNA
transfer genów z jednych gatunków na inne
INŻYNIERIA CHROMOSOMOWA
konstruowanie funkcjonalnych sztucznych chromosomów
Ł� wektorów transferujących duże zespoły genów
INŻYNIERIA GENOMOWA
operowanie haploidalnymi genomami
INŻYNIERIA GENETYCZNA
B-23
wektor ekspresji i elementy jego DNA
* wektor plazmidowy z genem markerowym (amp) umożliwiającym selekcję wektorów oraz z miejscem
początku replikacji DNA (ori),
* elementy enhancer/promotor (E oraz P),
* miejsce poliklonalne (PCS), do którego wstawiany jest transgen,
* element intronowy (I),
* sekwencja terminacyjna, zawierająca miejsce poly(A), umożliwiające rozszczepianie/dodawanie fragmentów
B-23
mikroiniekcja
do zygoty
jednokomórkowy
zarodek
wypełniony
cytoplazmą
ta sama zygota po wirowaniu:
- cytoplazma w dolnej części
- w środku odsłonięte przedjądrza
- pipeta wprowadzona do przedjądrza męskiego
B-23
Gene-gun
New Scientist 1988
B-23
B-23
B-23
Schemat produkcji białek plazmy ludzkiej
przez gruczoł mlekowy transgenicznej świni
(TAB - Transgenic Animal Bioreactor )
" do zarodka wprowadza się regulacyjną sekwencję genu białka mleka połączoną z kodującą sekwencją białka plazmy
" to ukierunkowuje ekspresję genu obcogatunkowego białka w komórkach gruczołu mlekowego TAB
" dodatkowe wprowadzenie drugiego genu (processing enzyme) zwiększa wydajność posttranslacyjnego przetwarzania
docelowego białka plazmy
" ekspresja genu wywoływana jest podczas laktacji, a dojrzałe białko plazmy krwi wydzielane jest z mlekiem
B-23
zmodyfikowany rzodkiewnik
(Arabidopsis halleri)
sygnalizuje obecność trotylu (TNT)
w glebie
zmianą zabarwienia liści
Świat nauki, maj 2004
B-23
INŻYNIERIA CHROMOSOMOWA
B-23
chromosom
człowieka
telomer
modyfikacja chromosomu i
telomer
dodanie genu terapeutycznego
transfekcja i włączenie do
albo
centromer
linii komórkowej
gen
syntetyczna
terapeutyczny
seria
ą-satelitarna
HEC + gen komórka pacjenta z
terapeutyczny uszkodzonym genem
wprowadzenie HEC do komórki pacjenta
albo
funkcjonalne białko
komórka pacjenta z HEC
zawierającym funkcjonalny gen
B-23
Irvine et al. 2005
B-23
Irvine et al. 2005
B-23
Irvine et al. 2005
INŻYNIERIA GENOMOWA
B-23
a
b
b
c
f
e
d
B-23
A
uczyński 2008
a
a
b
c
pb II
d
pb I
f
e
B-23
A
uczyński 2008
b
c
a
B-23
A
uczyński 2008
b
c
a
B-23
A
uczyński 2008
A
B
C
D
E
B-23
A
uczyński 2008
A - normalne zaplemnienie i zapłodnienie
B  udar mejotyczny - triploidayzacja
C  udar mitotyczny - tetraploidyzacja
D  samica 2n x samiec 4n = triploidyzacja interploildalna
E  samica 4n x samiec 2n = triploidyzacja interploildalna
F  inaktywacja jądrowego genomu plemnika 
- zygota haploidalna
G  inaktywacja jądrowego genomu plemnika + udar mejotyczny -
 gynogeneza heterozygotyczna
H  inaktywacja jądrowego genomu plemnika + udar mitotyczny 
- gynogeneza homozygotyczna
I  inaktywacja jądrowego genomu jaja + udar mitotyczny 
- androgeneza homozygotyczna
B-23
F
G
H
I
B-23
A
uczyński 2008
napromieniowane nasienie
heterozygotyczne
gynogenoty diploidalne
udar termiczny
zarodki XX
kuracja hormonalna
metylotestosteron
neosamiec
zapłodnienie
następny cykl
zarodki XX
produkcja
przemysłowa
B-23
Konrad DABROWSKI
Dabrowski, Konrad
Professor
School of Natural Resources
College of Food, Agricultural
and Environmental Sciences
473D Kottman Hall
2021 Coffey Rd
Columbus, OH 43210
614/292-4555
Email address: [e-mail]
Research Interests
Fish physiology, particularly nutritional biochemistry of larval stages of freshwater
species cyprinids, coregonines, salmonids, esocids, and percids
Fish nutrition, particularly metabolism and requirement of ascorbic acid and
tocopherol.
Evolutionary aspects of ascorbic acid synthesis in aquatic animals' aquaculture
methods in reproduction and rearing of freshwater fishes with emphasis on fish
bioenergetics in intensive systems, ponds, and lake cages
Sperm physiology, mechanisms of sperm-egg interaction in lamprey, sturgeon and
teleost fish.
Sperm cryopreservation.
B-23
322
B-24
DZIEDZICZENIE
POLIGENICZNE
PROGRAMY
SELEKCYJNE
Genetyka ilościowa
" dotyczy cech, które są determinowane przez wiele loci
" są to cechy poligeniczne (polygenic traits)
" cechy poligeniczne pozostają zwykle także pod wpływem środowiska, na
przykład zmienność masy ciała dorosłego człowieka wynika częściowo
ze zmienności genetycznej między osobami a częściowo ze stopnia
wytrenowania i poziomu odżywiania
" wyróżnia się trzy główne typy cech poligenicznych:
- cechy ciągłe (continuous traits) (mierzalne, metryczne), które
stanowią kontinuum fenotypów (masa ciała, mleczność krów)
- cechy merystyczne (meristic trais) (policzalne, merystyczne), których
fenotypy układają się w odrębne (discrete) (nieciągłe) kategorie
(liczba prosiąt w miocie, liczba szczecin na odwłoku muchy)
- cechy progowe (threshold traits), które są obecne lub nie u wszystkich
osób/osobników populacji (u człowieka: cukrzyca, schizofrenia)
" genetyka ilościowa to badanie genetycznych zasad dziedziczności cech
poligenicznych; jest ważną składową nowoczesnej hodowli roślin
uprawnych i zwierząt gospodarskich (bywała i bywa używana, czasem
B-24
niewłaściwie, do analizy cech poligenicznych człowieka)
ż
Pokolenie P
AABBCC a a b b c c
Pokolenie F1
ż
Aa B bCc
Aa B bCc
Gamety
Gamety
Pokolenie F2
Zabarwienie skóry u człowieka kontrolują allele co najmniej czterech różnych
B-24
loci (tu zasadę zilustrowano na przykładzie trzech niesprzężonych loci)
Dużymi literami
oznaczono allele
determinujące ciemne
20/64
zabarwienie skóry,
cechę przejawiającą
dominację niezupełną.
15/64
Im więcej alleli 15/64
oznaczonych dużą
literą występuje u
danej osoby, tym jej
skóra jest
ciemniejsza, ponieważ
geny warunkujące tę
6/64
6/64
cechę są genami
Osoby o zupełnie
kumulatywnymi.
jasnej skórze mają
Osoby o
genotyp aabbcc.
najciemniejszej
1/64
1/64
skórze mają
genotyp
AABBCC.
B-24
Szympans Jamboo
z ogrodu zoologicznego w
Leicestershire (UK) w 1997
w wyniku nieznanego
schorzenia stracił niemal
wszystkie włosy 
widoczne naturalne jasne
zabarwienie skóry
zwierzęcia
[dygresja: wyleczony
dopiero przez zielarza]
B-24
Ubarwienie skóry a ewolucja człowieka (zarys)
" nasz gatunek rozwijał się jako niezależna linia małp człekokształtnych od
przynajmniej 7 milionów lat, kiedy bezpośredni przodkowie człowieka
oddzielili się od szympansów (naszych najbliższych krewnych)
" małpy zmieniły się w ciągu milionów lat znacznie mniej niż ludzie; badając
małpy można uzyskać pewne informacje o tym, jaka była anatomia i
fizjologia ówczesnych hominidów
" skóra szympansa jest jasna i prawie całkowicie owłosiona
" pierwsi ludzie niemal na pewno mieli jasną, owłosioną skórę
" wykształcenie pigmentacji skóry nastąpiło w toku ewolucji póz
niej niż utrata
włosów
" w związku z trybem życia i koniecznością odbywania długich marszów w
postawie wyprostowanej, pierwotni ludzie musieli się uporać z
problemem przegrzania
" udało się to dzięki zwiększeniu liczby gruczołów potowych oraz prawie
całkowitej utracie owłosienia
następny slajd
B-24
 kontynuacja poprzedniego slajdu
" wtedy pojawiło się następne wyzwanie: konieczność ochrony skóry przed
szkodliwym promieniowaniem UV
" u szympansów i ludzi nieowłosiona skóra zawiera melanocyty, które w
odpowiedzi na naświetlanie UV syntezują melaninę
" melanina jest naturalnym filtrem przeciwsłonecznym
" cząsteczki melaniny pochłaniają część promieniowania UV, a ponadto
neutralizują wolne rodniki, pojawiające się w wyniku działania UV
" dowiedziono, ze znaczne zwiększenie się poziomu melaniny u ludzi
zamieszkujących obszary tropikalne to przystosowanie chroniące
przed rozwojem nowotworów skóry
" ale: wszystkie typy nowotworów skóry związane z ekspozycją na UV
rozwijają się zwykle po okresie rozrodczym, ich występowanie nie
mogło zatem w toku ewolucji wywierać na tyle silnej presji
selekcyjnej, by pigmentacja wykształciła się u człowieka jedynie jako
zabezpieczenie przed tego rodzaju nowotworami
następny slajd
B-24
 kontynuacja poprzedniego slajdu
" wykazano, że po ekspozycji na ostre światło słoneczne ludzie o jasnej
skórze mieli obniżony poziom kwasu foliowego we krwi
" niedobór kwasu foliowego u kobiet w ciąży jest związany z podwyższonym
ryzykiem wystąpienia u dziecka defektów cewy nerwowej (i szeregu
innych uszkodzeń)
" ciemny kolor skóry pojawił się więc u człowieka jako ochrona zasobów
kwasu foliowego przed ich zniszczeniem
" pierwotni przedstawiciele Homo sapiens, który powstał w Afryce
120-100 tysięcy lat temu, mieli ciemną skórę przystosowaną do
natężenia promieniowania UV w strefie przyrównikowej
" póz
niej ludzie zaczęli zasiedlać coraz wyższe szerokości geograficzne,
gdzie otrzymywali znacznie niższe dawki UV
" tu czarna skóra okazała się cechą niekorzystną, gdyż tylko niewielka część
UV o niższej intensywności mogła przenikać w głąb skóry
" tymczasem UV spełnia też ważną pożyteczną rolę: zapoczątkowuje w
skórze wytwarzanie witaminy D
B-24
następny slajd
 kontynuacja poprzedniego slajdu
" witamina D bierze udział w absorpcji wapnia z przewodu pokarmowego
(kościec, układ odpornościowy)
" dla osób o ciemnej skórze ale zamieszkujących wyższe szerokości
geograficzne jedynym wyjściem była znaczna redukcja pigmentacji
" powierzchnię kuli ziemskiej można podzielić na trzy strefy, różniące się pod
względem potencjalnych możliwości syntezy witaminy D przez
organizm ludzki:
1. krainy tropikalne (międzyzwrotnikowe), gdzie poziom
promieniowania UV umożliwia wytwarzanie witaminy D przez cały rok
2. rejony o klimacie subtropikalnym i częściowo umiarkowanym, gdzie
co najmniej przez miesiąc rocznie światło słoneczne zawiera zbyt
mało promieniowania UV by człowiek mógł syntezować wystarczające
ilości witaminy D
3. tereny leżące powyżej 45� szerokości geograficznej (N i S), gdzie
niemal przez cały rok poziom promieniowania UV jest zbyt niski by
pobudzać syntezę witaminy D
następny slajd
B-24
 kontynuacja poprzedniego slajdu
" wyjaśnia to, dlaczego ludność tropików jest zazwyczaj ciemnoskóra, ludność
subtropików i stref umiarkowanych ma skórę jasną ale zachowującą
zdolność opalania się, a ludzie stref podbiegunowych są zwykle jaśni
a ich skóra łatwo ulega poparzeniom słonecznym
" Eskimosi Ameryki mają skórę nieco ciemniejszą niż wynikałoby to z
natężenia promieniowania UV na ich terenach, gdyż:
1. są oni stosunkowo nowymi mieszkańcami tych ziem (przybyli do
Ameryki mniej więcej 5000 lat temu)
2. jedzą pokarmy bardzo bogate w witaminę D, co usuwa problemy z
jej syntezą i umożliwia zachowanie stosunkowo ciemnej karnacji
" skóra ludzi, którzy od tysiącleci zamieszkują określone obszary
przystosowała się tak, żeby jednocześnie umożliwić organizmowi
syntezę witaminy D i chronić zasoby kwasu foliowego
" muszą upłynąć tysiące lat, nim odcień skóry nowo przybyłych imigrantów
dostosuje się do nowych warunków
" zanim to nastąpi, przybyszom o zbyt jasnej karnacji grozi zachorowanie na
raka, a gdy skóra jest zbyt ciemna  niedobór witaminy D
B-24
patrz: następny slajd
B-24
Genetyczna determinacja wzrostu człowieka
" model dziedziczenia koloru skóry u człowieka jest jednym z najprostszych
przykładów dziedziczenia wielogenowego (ekspresja tych genów nie
podlega wpływom środowiska)
" w dziedziczeniu wzrostu człowieka bierze udział ponad 10 par alleli różnych
loci
" wskutek zaangażowania tak wielu genów oraz wskutek tego, że ekspresja
(wyrażanie się) tych genów pozostaje pod wpływem środowiska,
rozpiętość wzrostu wśród dorosłych mężczyzn (przepraszam panie,
kiedyś mężczyzn częściej mierzono: umundurowanie, parametry broni
strzeleckiej, środków transportu& ) jest bardzo duża, od około 125 do
około 215cm
" oczywiście najwięcej jest mężczyzn o wzroście przeciętnym (krzywa rozkładu
normalnego)
B-24
Liczba osób
Wysokość
(w calach)
Wysokość (w calach) kompanii poborowych USA w roku 1911
" wiele cech ilościowych (wysokość człowieka, liczba jaj składanych przez samicężółwia)
wykazuje dzwonowaty (bell-shaped) rozkład wśród zbiorowiska osób/osobników
" rozkład normalny (normal distribution) ( następny slajd) to krzywa matematyczna,
odpowiadająca takiemu dzwonowatemu rozkładowi
B-24
Średnia
Odsetek
poborowych
-1,96s -0,67s +0,67s +1,96s
58% pow.
95% pow.
Wartość cechy fenotypowej, x
(wysokość w calach)
do �! poprzedniego slajdu
" zaznaczono średnią i odchylenie standardowe dla grupy (próby) 175 mężczyzn
" liczba mężczyzn znajdujących się w zakresie średniaą1,96s wynosi 163 (93% grupy)
" teoretycznie w tym przedziale powinno się znalez
ć 95% rekrutów
" mimo że próba 175 rekrutów nie jest bardzo liczna, obserwujemy dobrą zgodność
między wartościami obserwowanymi i spodziewanymi B-24
Sztuczna selekcja
" celowy wybór grupy osobników (selektów) w celu użycia ich do rozrodu
" najpowszechniejszym programem sztucznej selekcji jest selekcja
kierunkowa (directional selection), w której do rozrodu są wybierane
najbardziej wartościowe zwierzęta albo rośliny
" znane nam dziś reguły sztucznej selekcji umożliwiają przewidywanie, jak
szybko i o ile można zmienić populacje zwierząt albo roślin w
pojedynczym pokoleniu (lub podczas niewielkiej liczby pokoleń)
" sztuczna selekcja w outbredowych populacjach heterozygotycznych jest
zasadniczo zawsze skuteczna w takim sensie, że średnia wartość
cechy fenotypowej zmienia się w kolejnych pokoleniach w kierunku, w
którym prowadzi się selekcję (zakładając że populacja nie była
przedtem poddawana wielopokoleniowej selekcji w kierunku zmiany
wartości danej cechy) (przykłady na dwóch kolejnych slajdach)
" z drugiej strony selekcja w zinbredowanych i wysoce homozygotycznych
liniach zazwyczaj kończy się niepowodzeniem; średnia wartość cechy
fenotypowej genetycznie jednorodnej populacji nie może zostać
zmieniona metodami sztucznej selekcji gdyż zmienność genetyczna
B-24
populacji jest podstawowym warunkiem postępu selekcyjnego
Zawartość tłuszczu w
nasionach kukurydzy
(%)
Pokolenia
Wyniki sławnego wielopokoleniowego doświadczenia nad sztuczną selekcją
kukurydzy w kierunku wysokiej i niskiej zawartości tłuszczu w nasionach.
Eksperyment założono w 1896 roku (University of Illinois). Widać stały,
liniowy wzrost zawartości tłuszczu w nasionach (górna krzywa). Dolna
krzywa zaczyna się z grubsza jako liniowa, ale póz
niej postępy spowalniają,
prawdopodobnie dlatego że 0 procent tłuszczu to absolutna dolna granica
wartości tej cechy.
B-24
Średnia masa
6-tygodniowych
myszy (g)
Skumulowany postęp selekcyjny
Liniowy postęp skumulowanego postępu selekcyjnego myszy
selekcjonowanych w kierunku większej masy osobniczej potomstwa (górna
krzywa) jest około dwukrotnie dłuższy niż odcinek dolnej krzywej tego
wskaz
nika (w tym przypadku ograniczeniem jest to, że w miarę
zmniejszania się masy ciała zanika płodność myszy).
B-24
Równanie prognostyczne (prediction equation)
" następny slajd ilustruje program selekcyjny zwany selekcją progową
(selekcja odboru) (truncation selection)
" górna krzywa przedstawia rozkład normalny wartości cechy fenotypowej, a
jej zacieniowane prawe skrzydło (na prawo od T = wartości progowej)
to osobniki wyselekcjonowane do rozrodu
" średnia cechy fenotypowej dla całej populacji = ź, a dla selektów = źs
" gdy selekty zostaną ze sobą skrzyżowane losowo, ich potomstwo wykaże
rozkład wartości cechy fenotypowej zgodny z dolną krzywą, ze
średnią = ź
" następny slajd zawiera wynik doświadczalnej selekcji w kierunku większej
masy ziarna fasoli: punkt progowy T = 650mg, ź = 403.5mg,
źs = 691,7mg, ź = 609,1mg, różnica selekcyjna S = 288,2mg,
a postęp selekcyjny R = 205,6mg
" widzimy że ź jest większe niż ź ale mniejsze niż źs (z pokolenia selektów do
pokolenia potomstwa transmitowane są pojedyncze allele a nie pary
alleli danych loci)
kontynuacja na następnym slajdzie tekstowym B-24
średnia wartość poprawianej cechy w całej
populacji, z której pochodzą selekty
średnia wartość poprawianej cechy
cała populacja, z której w grupie selektów
wzięto rodziców
(selekty) następnego
rodzice (selekty)
pokolenia
następnego pokolenia
różnica selekcyjna (S)
punkt progowy (T) (truncation point)
postęp selekcyjny (R)
średnia wartość poprawianej cechy
w populacji następnego pokolenia
populacja następnego
pokolenia
B-24
Liczba ziaren
fasoli
Przeciętna masa ziarna (mg)
B-24
 kontynuacja poprzedniego slajdu tekstowego
" stosunek R/S to tak zwana odziedziczalność zrealizowana (h2)
Równanie prognozowanej skuteczności selekcji R = Sh2
R Ł� postęp selekcyjny [response (gain or loss) per generation]
S Ł� różnica selekcyjna [selection differential albo reach
(the superiority or inferiority of the selected broodstock
over the population average)]
h2 Ł� odziedziczalność zrealizowana [realized heritability]
" wskaz
nik odziedziczalności może przybierać wartości od 0 do1, często jest
wyrażany w procentach (od 0 do 100)
" wartość h2 = 0 gdy istnieje stan całkowitego braku zmienności genetycznej w
linii/stadzie; wtedy wyższa wartość  selekcjonowanej cechy jest
wynikiem tylko wpływów środowiska i nie ma żadnego sposobu
przekazania jej na potomstwo
" h2 = 1 gdy zmienność selekcjonowanej cechy nie podlega w ogóle wpływom
środowiska (w pewnych przypadkach do takich cech można zaliczyć
umaszczenie zwierzęcia)  taka cecha jest w pełni odziedziczalna
B-24
Odziedziczalność, h2 (heritability, h2)
" w genetyce każde równanie, opisujące zależność między różnicą selekcyjną
S (selection differential; reach) i postępem selekcyjnym R (response to
selection) to tak zwane równanie prognostyczne
" w znacznej liczbie przypadków można z dużą pewnością przewidzieć skutki
planowanej selekcji o ile znana jest wartość h2 danej cechy ilościowej
" genotypy o h2e"0,25 mogą być dość łatwo zmieniane drogą selekcji
indywidualnej (czyli masowej więcej o tym w skryptach podanych
podczas pierwszego wykładu)
" cechy ilościowe o h2d"0,15 nie sąłatwe do doskonalenia metodami selekcji
" choć nie istnieje jakaś określona wartość h2, powyżej której selekcja staje się
bezwzględnie efektywna, to im większa wartość h2 tym łatwiej będzie
zmienić daną cechę ilościową metodą selekcji
" przykładem fenotypów o niskich wartościach odziedziczalności są cechy
związane z rozrodem
" przetrwanie gatunku jest zależne od powodzenia rozrodu, więc dobór
naturalny już niemal całkowicie wyselekcjonował wszystkie allele, które
w najlepszy możliwy sposób gwarantują powodzenie rozrodu
B-24
bydło owce drób świnie kukurydza
grubość
słoniny
grzbietu
zawartość
białka (%)
wysokość
w mleku
masa
roślin
ciała
Oszacowana
odziedziczalność
(h2)
liczba
prosiąt
w
plenność
liczba jaj u
miocie
kury
wysiadującej
częstotliwość
zacieleń
Odziedziczalność oszacowana dla cech niektórych zwierząt gospodarskich i kukurydzy
(cechy decydujące o powodzeniu rozrodu = dostosowaniu, mają zwykle niską
odziedziczalność �! zmienność tych cech została już zoptymalizowana przez ewolucję
B-24
= dobór naturalny, selekcję naturalną , więc nie ma już co  poprawić )
Rozkład zmienności cechy w całej populacji
B-24
Rozkład zmienności cechy w:
AA
AA
A A
T = punkt odboru (progowy)
(truncation point)
B-24
B-24