2012-11-05
1
Biologiczne podstawy zachowań;
genetyka zachowania
Robert K. Filipkowski
filipkowski@vizja.pl
chromosom
chromatyda
chromatyda
kariotyp,
2n
(23 + 23)
46, XX lub 46,XY
genom człowieka:
- ok. 3 mld nukleotydów
- ok. 2 m długości
Mitoza
1 x 2n
2 x 2n
rozmnażanie bezpłciowe – funkcja, zalety
rozmnażanie płciowe – funkcja, zalety
X
2012-11-05
2
2n
2 x 1n
2 x 1n
4 x 1n
Mejoza
1 x 2n
4 x 1n
Mejoza
wymiana odcinków chromatyd siostrzanych
!
Crossing-over
Przykłady mejozy
SPERMATOGENEZA
OOGENEZA
pary chromosomów – diploidalna liczba chromosomów (2n), n = 23
pary genów – geny identyczne lub różne
autosomy i chromosomy płciowe
Dziedziczenie płci u człowieka
XY
XX
chromosomy płci – X, Y
chromosomy autosomalne
(autosomy) – 22 pary
kariotyp: 46, XY
kariotyp: 46, XX
Dziedziczenie płci u człowieka
XY
XX
X
X
X
X
X
2012-11-05
3
Dziedziczenie płci u człowieka
XY
XX
XY
XX
X
Dziedziczenie płci u człowieka
XY
XX
XY
XX
XY
XX
50%
fenotypy:
genotypy:
50%
50%
50%
X
Chromosomy X i Y a autosomy
!
Gen / białko SRY determinuje płeć męską
Cechy sprzężone z płcią (determinowane przez geny na chromosomach płci):
- hemofilia,
- daltonizm,
- dystrofia mięśniowa Duchenne’a
- zespół łamliwego chromosomu X
gen dystrofii
SRY jest czynnikiem
transkrypcyjnym.
gen daltonizmu
gen hemofilii
gen FMR1
gen SRY
Chromosomy Y i X
para chromosomów – para chromosomów homologicznych
para chromosomów – para chromosomów homologicznych
2012-11-05
4
a
a
B
B
c
c
d
d
E
E
A
A
B
B
C
C
d
d
e
e
gen zajmuje miejsce
zwane locus
wersje genu, np. e, E
to allele
w odniesieniu do genu w
danym locus osobnik
może być homozygotą
lub heterozygotą
mówimy o allelach
dominujących i
recesywnych
gen
– podstawowa jednostka dziedziczenia przekazywana potomstwu przez rodziców
– odcinek DNA znajdujący się w chromosomie
– koduje odcinek ... ?
allele
– różniące się od siebie wersje genu, zajmują ten sam locus w chromosomach
homologicznych
locus
– miejsce zajmowane przez konkretny gen w chromosomie
homozygota (w odniesieniu do konkretnego genu)
– organizm diploidalny, który ma identyczne allele w obu chromosomach homologicznych
heterozygota (w odniesieniu do konkretnego genu)
– organizm diploidalny, który ma różne allele w obu chromosomach homologicznych
genotyp
– zestaw wszystkich alleli organizmu
fenotyp
– zestaw wszystkich cech organizmu (zewnętrzny wyraz genotypu)
allel dominujący
– przejawia się w fenotypie, gdy występuje w stanie heterozygotycznym lub
homozygotycznym
allel recesywny
– przejawia się w fenotypie, gdy występuje tylko w stanie homozygotycznym
a
a
B
B
c
c
d
d
E
E
A
A
B
B
C
C
d
d
e
e
mejoza (m.in. crossing-over)
rekombinacja
Otrzymujemy określone chromosomy
od matki lub ojca, ale przekazujemy
dalej chromosomy złożone z
przemieszanych fragmentów
ojcowskich i matczynych!
Powstaje potomstwo o
nierodzicielskich kombinacjach alleli
-
rekombinanty
1. Losowe rozchodzenie się
chromosomów
2. Crossing-over
3. Mutacje!
Źródła zmienności genetycznej
Reguły dziedziczenia cech
I. Prawo czystości gamet
(do gamety przechodzi tylko jeden allel)
2012-11-05
5
AA
AA
AA
AA
100%
fenotypy:
genotypy:
100%
X
Dziedziczenie w przypadku homozygot (dominujących)
aa
aa
aa
aa
100%
fenotypy:
genotypy:
100%
X
Dziedziczenie w przypadku homozygot (recesywnych)
Aa
aa
Aa
aa
50%
Dziedziczenie allelu dominującego
fenotypy:
genotypy:
50%
50%
50%
X
Aa
Aa
Aa
Aa
aa
AA
25%
Dziedziczenie cechy determinowanej przez allel recesywny
fenotypy:
genotypy:
25%
25%
50%
75%
homozygota, heterozygota?
X
Aa
Aa
Aa
Aa
Dziedziczenie jednej pary cech (dziedziczenie alleli recesywnych)
A
a
A
a
A
A
a
A
A
a
a
a
X
Reguły dziedziczenia cech
II. Prawo niezależnej segregacji alleli
(różne cechy są dziedziczone niezależnie)
geny sprzężone – występujące na tym samym chromosomie
2012-11-05
6
CcEe
ccee
X
CE, Ce, cE, ce
ce
pokolenie rodzicielskie
gamety
CcEe, Ccee, ccEe, ccee (w równych proporcjach)
Dziedziczenie dwóch par alleli
c
c
e
e
C
C
E
E
c
e
C
E
?
c
e
c
E
C
e
C
E
rodzicielski
rodzicielski zrekombinowany
c
c
e
e
c
c
e
e
c
e
krzyżówka testowa;
proporcje fenotypów odzwierciedlają
odległość genów na chromosomie
X
Choroby genetyczne / mutacje chromosomowe i genowe:
- brak lub nadmiar chromosomów
- brak lub nadmiar części chromosomów
- mutacje pojedynczych genów/loci
Choroby genetyczne / mutacje chromosomowe i genowe:
- brak lub nadmiar chromosomów
- brak lub nadmiar części chromosomów
- mutacje pojedynczych genów/loci
Zaburzenia kariotypu na skutek nieprawidłowego
rozejścia się chromosomów w mejozie
monosomie i trisomie
zespół trisomii 13 (zespół Patau) – liczne wady
rozwojowe, śmierć przed ukończeniem 3 miesięcy,
zespół trisomii 18 (zespół Edwardsa) – liczne wady
rozwojowe, śmierć przed ukończeniem 1. roku życia,
zespół Downa, trisomia 21. chromosomu
zespół Klinefeltera – kariotyp 47, XXY lub 48, XXXY
zespół Turnera – kariotyp 45, X0
zespół trisomii 13 (zespół Patau) – liczne wady
rozwojowe, śmierć przed ukończeniem 3 miesięcy,
zespół trisomii 18 (zespół Edwardsa) – liczne wady
rozwojowe, śmierć przed ukończeniem 1. roku życia,
ważne – na niebiesko!
Zaburzenia kariotypu na skutek nieprawidłowego
rozejścia się chromosomów w mejozie
zespół Downa, trisomia 21. chromosomu
najważniejsza pojedyncza przyczyna upośledzenia umysłowego
2012-11-05
7
Zespół Downa
-
trzy chromosomy 21
,
-
opóźnienie w rozwoju psychicznym i fizycznym
o różnym
nasileniu (
zazwyczaj umiarkowane upośledzenie umysłowe
),
- przyczyna: nieprawidłowa mejoza w komórkach żeńskich,
-
ryzyko rośnie z wiekiem matki
(1/1000 u kobiet 25-letnich, 1/32 u
kobiet 45-letnich; średnio 1/700),
- charakterystyczny wygląd (płaski profil twarzy, szeroko
rozstawione, nieco skośne oczy z fałdą powiekową, mały nos,
mała żuchwa, wysunięty język, małe małżowiny uszne, nisko
osadzone, często zniekształcone, niski wzrost, długi tułów, krótkie
kończyny),
- częste wady wrodzone serca, przewodu pokarmowego, układu
moczowego, padaczka, zaćma, białaczka,
przedwczesne starzenie
się, choroba Alzheimera
Zespół Klinefeltera
-
kariotyp
47, XXY
lub
48, XXXY
,
- 1 : 1000 noworodków płci męskiej,
-
ryzyko urodzenia zwiększa się wraz z wiekiem matki
,
-
mężczyźni
(ze względu na obecność chromosomu Y),
-
niepłodni
,
- rzadko diagnozowane w wieku dziecięcym,
- długie kończyny (względem tułowia), szeroka
miednica, niedorozwój gruczołów płciowych,
zaburzenia dojrzewania płciowego (niski poziom
testosteronu, ginekomastia – powiększenie sutków),
-
u 20% upośledzenie umysłowe
,
Zespół Turnera
- kariotyp 45, X0,
- 1 : 5000 noworodków
płci żeńskiej
,
- ryzyko urodzenia zwiększa się wraz z wiekiem matki
,
- kobiety (ze względu na brak chromosomu Y),
- niedorozwój wewnętrznych i zewnętrznych narządów płciowych,
- niski wzrost (do 150 cm; brak przyspieszenia wzrostu w okresie
dojrzewania),
- wcześniejszy proces degeneracji jajników prowadzący do ich
zaniku i włóknienia,
- niepłodność
,
- u większości – niska linia owłosienia na czole i karku, niedorozwój
żuchwy, tyłozgryz, płetwiasta szyja, nisko osadzone małżowiny
uszne,
- częste wady serca, układu moczowego, anomalie kostne,
- u części chorych lekkie upośledzenie umysłowe,
- problemy psychologiczne,
- leczenie estrogenami (umożliwia jedynie rozwój wtórnych cech
płciowych)
Choroby genetyczne / mutacje chromosomowe i genowe:
- brak lub nadmiar chromosomów
- brak lub nadmiar części chromosomów
- mutacje pojedynczych genów/loci
Choroby genetyczne / mutacje chromosomowe i genowe:
- brak lub nadmiar chromosomów
- brak lub nadmiar części chromosomów
mutacje dotyczące fragmentów chromosomów:
- delecja
- duplikacja
- inwersja
- translokacja
Translokacyjna forma zespołu Downa (dziedziczna!):
materiał genetyczny chromosomu 21
łączy się z chromosomem 14
osobnik zdrowy
nosiciel
chory
chromosomy 14
chromosomy 21
chromosom 14/21
2012-11-05
8
Zespół miauczenia kota (cri-du-chat syndrome)
- przyczyna – delecja fragmentu ramion krótkich
chromosomu 5.,
- 1 : 50000 urodzeń,
- stwierdzany u 1%
upośledzonych umysłowo
,
- charakterystyczny płacz w okresie noworodkowym,
- dystrofia wewnątrzmaciczna, małogłowie,
niedorozwój żuchwy, nisko osadzone małżowiny
uszne, obniżenie napięcia mięśniowego,
- liczne wady rozwojowe układu krążenia i
moczowego,
-
głębokie upośledzenie umysłowe
Choroby genetyczne / mutacje chromosomowe i genowe:
- brak lub nadmiar chromosomów
- brak lub nadmiar części chromosomów
-
mutacje pojedynczych genów/loci
Rodzaje dziedziczenia
Dziedziczenie autosomalne recesywne
np. fenyloketonuria
Osoby chore przeważnie nie mają chorych
rodziców. U rodzeństwa osoby chorej
prawdopodobieństwo choroby = 25%. Rodzice
są nosicielami, dziecko musi mieć oba allele
fenyloketonurii, by zachorować.
Dziedziczenie autosomalne dominujące
np. choroba Huntingtona
Osoby chore mają jednego chorego rodzica.
Około połowy potomstwa chorego rodzica
choruje.
Choroby dziedziczne – choroby wynikające
z mutacji genowych
(mutacje w pojedynczym genie)
- anemia sierpowata,
- fenyloketonuria,
- mukowiscydoza,
- galaktozemia
- choroba Huntingtona,
obowiązują reguły
recesywności / dominacji
,
dziedziczenie autosomalne
poradnictwo genetyczne (ważne w przypadku historii choroby w
rodzinach osób np. planujących małżeństwo)
Fenyloketonuria
Fenyloketonuria
- mutacja w genie kodującym enzym katalizujący przekształcenie
fenyloalaniny w tyrozynę,
- występuje
nagromadzenie się fenyloalaniny
(jeden z aminokwasów)
uszkadzające rozwijający się układ nerwowy
leczenie
-
leczenie zapobiegawcze – dieta uboga w fenyloalaninę
(wcześnie
wprowadzona i ściśle stosowana zapewnia prawidłowy rozwój,
występują jednakże
drobne defekty intelektualne
),
nieleczona („przeoczona”)
- upośledzenie umysłowe i opóźnienie w rozwoju,
- śmiertelna przed upływem 20. roku życia (nieleczona),
- cecha autosomalna, recesywna
Choroba Huntingtona
-
degeneracja układu nerwowego
- objawia się między 35. a 45. rokiem życia,
- warunkuje ją gen kodujący białko
huntingtynę
,
który zawiera
wielokrotne powtórzenia CAG
huntingtyna jest niezbędna do transportowania neuroprzekaźników z ciała
komórki poprzez akson do synapsy, zmutowana huntingtyna jest
dłuższa/większa i toksyczna dla komórki
-
prowadzi do choroby psychicznej
, śmiertelna,
- cecha autosomalna, dominująca
2012-11-05
9
Galaktozemia
- niedobór lub brak enzymów przekształcających galaktozę w glukozę,
- akumulacja galaktozy we krwi (w nadmiarze toksyczna),
-
w ciężkich przypadkach opóźnienie w rozwoju somatycznym i
psychicznym
,
-
leczenie – dieta
eliminacyjna
- cecha autosomalna, recesywna
Dziedziczenie
pozachromosomowe
Od kogo masz więcej genów, od mamy czy taty?
Mitochondria – mają DNA, dziedziczone po matce
zdrowy
syn
chory
syn
zdrowa
córka
córka
nosicielka
zdrowy
ojciec
matka
nosicielka
zdrowy
nosiciel
chory
Choroby dziedziczne sprzężone z płcią
Hemofilia
zdrowy
syn
chory
syn
zdrowa
córka
córka
nosicielka
zdrowy
ojciec
matka
nosicielka
zdrowy
nosiciel
chory
X
H
Y
X
H
X
h
X
H
Y
X
h
Y
X
H
X
H
X
H
X
h
- krew hemofilików nie
krzepnie,
- mutacja recesywna w
genie w chromosomie X,
- chorują wyłącznie
mężczyźni, kobiety są
nosicielkami,
- płody X
h
X
h
nie przeżywają
Daltonizm
zdrowy
syn
chory
syn
zdrowa
córka
córka
nosicielka
zdrowy
ojciec
matka
nosicielka
zdrowy
nosiciel
chory
X
D
Y
X
D
X
d
X
D
Y
X
d
Y
X
D
X
D
X
D
X
d
- daltonizm = ślepota na
barwy czerwoną i zieloną,
- mutacja recesywna w genie
w chromosomie X,
- 8% mężczyzn, 0,4% kobiet
(X
d
X
d
)
Druga najczęstsza przyczyna upośledzenia umysłowego
2012-11-05
10
Zespół łamliwego chromosomu X
- 1 : 1250 mężczyzn
- 1 : 2500 kobiet, objawia się u połowy kobiet,
(dominacja o ograniczonej penetracji)
- mutacja występuje w genie fmr1 w chromosomie X,
- chromosom X z mutacją ma tendencję do pękania
(wykrywane badaniem cytogenetycznym),
- miejsce łamliwe zawiera
wielokrotne powtórzenia CGG
,
- choroba ujawnia się u dziewcząt z dwoma uszkodzonymi chromosomami X i u części z
jednym -
połowa dziewcząt ujawnia lekkie zaburzenie; lekki stopień upośledzenia,
trudności w uczeniu się,
słabo zaznaczone cechy fenotypowe (jeden chromosom X jest
u kobiet nieaktywny)
- u chłopców – upośledzenie umysłowe (od umiarkowanego do głębokiego), nietypowa
mowa, drżenie rąk, słaby kontakt wzrokowy, częste zachowania autystyczne,
wydłużona
twarz, wystająca szczęka, asymetria twarzy, wydatne guzy czołowe, duże/odstające uszy,
zniekształcenia kręgosłupa, obniżenie napięcia mięśniowego, powiększenie jąder
Powielanie trójnukleotydowych powtórzeń
Powielanie krótkich odcinków DNA może być przyczyną chorób
- choroba Huntingtona
powtórzenia CAG w genie huntingtyny:
10-35 powtórzeń – norma
40 powtórzeń – choroba
im więcej powtórzeń, tym wcześniej pojawiają się objawy.
przypadek 95 powtórzeń – napady padaczkowe, obniżenie
zdolności poznawczych i zaburzenia nerwowo-mięśniowe przed
ukończeniem 3 lat, śmierć w wieku 11 lat.
Powielanie krótkich odcinków DNA może być przyczyną chorób
- zespół łamliwego chromosomu X
powtórzenia CGG w genie fmr1:
6-54 powtórzeń – norma
55-200 powtórzeń – premutacja (nie wywołuje choroby, ale
prowadzi do niej w kolejnym pokoleniu)
ponad 200 powtórzeń – upośledzenie umysłowe
Powtórzenia występują w rejonie promotorowym genu fmr1.
Powodują zaburzenia transkrypcji genu fmr1 i powstania
hamującego czynnika regulującego translację – białka FMRP
(fragile X mental retardation protein).
Powielanie trójnukleotydowych powtórzeń