Genetyka

1. Prawa genetyczne

• I prawo Mendla (prawo czystości gamet)

Gameta zawiera tylko jeden gen z danej pary allei.

• II prawo Mendla

Cechy dziedziczą się niezależnie. (Warunkiem niezależnego dziedziczenia się cech jest umiejscowienie determinujących je genów w różnych parach chromosomów, lub na jednym chromosomie w dużej odległości od siebie).

• Prawo Hardey'ego-Weinberga (prawo równowagi genetycznej)

W dużej, losowo kojarzącej się populacji, w której frekwencje genów u obu płci są jednakowe, a osobniki charakteryzują się równą płodnością i żywotnością, frekwencje genów i genotypów nie zmieniają się z pokolenia na pokolenie, jeśli nie działają czynniki naruszające równowagę.

2. Ekspresja genu, w jaki sposób ekspresja genu może ulec zmianie

Replikacja

Przebiega w fazie S cyklu komórkowego. Rozpoczyna się w wielu miejscach jednocześnie - replikonach. Relikon zawiera miejsce rozpoczęcia i zakończenia replikacji. Obejmuje dwa etapy: rozplecenie heliksy i dobudowanie komplementarnego łańcucha polinukleotydowego. W ten sposób powstają tzw. widełki replikacyjne. Przyłączanie kolejnych nukleotydów katalizuje polimeraza DNA, która odpowiada za powstanie wiązania estrowego między atomem węgla 3' (wolna grupa -OH) wydłużanego łańcucha i nowym nukleotydem. Kierunek „dobudowywania” nukleotydów jest ściśle określony - 5'->3', przez co tylko na jednym łańcuchu replikacja zachodzi w sposób ciągły (nić prowadząca). Na drugim dobudowywane są krótkie fragmenty - fragmenty Okazaki. Ligaza łączy fragmenty w całość (nić opóźniona). Jest to proces semikonserwatywny, tzn. że nowe cząsteczki DNA składają się z nowego i starego łańcucha.

Transkrypcja

Tak naprawdę jest pierwszym etapem ekspresji genu. Polega na syntezie informacyjnego kwasu rybonukleinowego (mRNA) na matrycowej nici DNA. Rozpoczyna się od rozplecenia podwójnej nici DNA (przez helikazę) i przyłączenia polimerazy RNA do sekwencji promotora, która poprzedza część strukturalną genu (jest to uzależnione od jednoczesnego przyłączenia się w tym miejscu zespołu białek - czynnika transkrypcyjnego - kontrolującego proces). Łańcuch jest syntetyzowany w tym samym kierunku co podczas replikacji, czyli 5'->3', natomiast nić DNA jest odczytywana w kierunku 3'->5'. Następnie musi zajść obróbka potranskrypcyjna pre-mRNA. Zostają wycięte introny (części niekodujące), zostają same eksony (części kodujące). Ten proces to składanie. Podczas obróbki na końcu 3' mRNA dobudowywana jest sekwencja poliA, a na końcu 5' dołączona zostaje 7-metylo-guanozyna (tzw. czapeczka).

Translacja

Po obróbce potranskrypcyjnej mRNA przechodzi do cytoplazmy, łączy się z rybosomami. Synteza łańcucha polipeptydowego rozpoczyna się od aminokwasu metioniny kodowanego przez trójkę AUG znajdującą się na końcu 5' mRNA. Metionina łączy się z właściwym tRNA, taki kompleks jest wiązany z rybosomem, a antykodan tego tRNA wiąże się komplementarnie z pierwszym kodonem na końcu 5', jakim jest zawsze AUG. Następnie do rybosomu dostarczany jest kolejny aminokwas przez właściwe tRNA. Po jego dostarczeniu dochodzi do powstania wiązania peptydowego między nim a metioniną. Łańcuch jest wydłużany od końca NH2 do końca COOH. Zsyntetyzowany dipeptyd jest wiązany z tRNA drugiego aminokwasu a rybosom przesuwa się o jeden kodon w kierunku 3', uwalniając jednocześnie tRNA dla metioniny. I tak w kółko aż do momentu pojawienia się kodonów stop (UAA, UAG lub UGA). Uwolnione mRNA ulega destrukcji a łańcuch aminokwasów ulega modyfikacjom w wyniku których uformowana zostaje ostateczna forma białka. Te modyfikacje obejmują: zmiany dotyczące wiązań chemicznych, modyfikacje końców, modyfikacje łańcuchów bocznych (przyłączanie różnych grup chemicznych). W pęcherzykach aparatu Goldiego występują białka, opiekuńcze, tzw. przyzwoitki, które pilnują aby łańcuch nie zmienił konformacji, sprawdzają jego poprawność a w przypadku wykrycia błędu kierują łańcuch do degradacji (poprzez oznakowanie ubikwityną).

Zmiana ekspresji może zajść w każdym z tych etapów. Od niezauważonej pomyłki podczas replikacji do przyłączenia niewłaściwej grupy chemicznej podczas obróbki łańcucha polipetydowego.

3. Źródła zaburzeń płci u zwierząt

Płeć może zależeć od czynników zewnętrznych (głównie temperatury). Przy takim mechanizmie determinacji płeć zostaje ustalona raz w momencie różnicowania się gonad i nie zmienia przez całe życie. Taki typ determinacji obserwuje się u wielu gat. gadów (wszystkie krokodyle, niektóre żółwie i jaszczurki). U ryb występuje behawioralna determinacja płci. Zwierzęta takie są zazwyczaj obojnakami i zależnie od środowiska społecznego osobnik przejmuje rolę męską lub żeńską. Wiele ryb to tzw. hermafrodyty sekwencyjne, czyli zmieniające płeć w ciągu życia. U ptaków i ssaków płeć zależy od układu chromosomów płci.

Interseksualizm

Hermafrodytyzm

prawdziwy rzekomy (pseudohermafrodytyzm żeński lub męski)

(gonady XX i XY) (gonady jednej płci, cechy zewnętrzne drugiej)

• Frymartynizm

Podczas rozwoju ciąży mnogiej dochodzi do powstania połączeń naczyniowych (anastomoz) między łożyskami rozwijających się płodów. W przypadku bliźniaków różnopłciowych rozwój cech płciowych samicy jest zaburzony co na ogół prowadzi do niepłodności. Związki hormonalne i inne czynniki aktywne wytwarzane przez jądra docierają do samicy co zakłóca różnicowanie się żeńskich cech płciowych. W wykrywaniu frymartynizmu przydatne są badania cytologiczne - skład chromosonalny leukocytów. W wyniku połączenia łożysk komórki macierzyste szpiku od samicy wędrowały do samca i na odwrót. U jednego osobnika występują leukocyty XX i XY (chimeryzm limfocytarny). Chimeryzm (erytrocytarny) dotyczy także grup krwi.

• Mutacje chromosomów płci

• aneuploidie

Monosomia X (zespół chorobowy X0) i trisomia chromosomów płci (zespoły chorobowe XXY, XYY lub XXX). U ludzi monosomia X odpowiada za zespół Turnera, trisomia XXY - zespół Klinefeltera. Aneuploidie chromosomów płci prowadzą przede wszystkim do upośledzenia funkcji gonad. Monosomia chromosomu X opisywana wśród klaczy nie powoduje zmian fenotypowych. U nosicielek ruja nie występuje lub występuje nieregularnie, gonady są niedorozwinięte, brak w nich rozwijających się pęcherzyków. Trisomia XXY u buhajów powoduje gorsze tempo wzrostu, niedorozwinięcie jąder, brak plemników w ejakulacie. Trisomie XXX i XYY zazwyczaj nie prowadzą do nipłodności

• Zespół niewrażliwości na androgeny (zespół feminizujących jąder)

Zwierzęta mają układ chromosomów XY i prawidłowo rozwinięte narządy płciowe żeńskie oraz jądra. Przyczyną jest mutacja zlokalizowanego na chromosomie X genu kodującego receptor dla androgenów.

• Zespół odwróconej płci u koni

Niezgodność między płcią fenotypową a genotypową. Najczęściej diagnozowany u fenotypowych samic mających układ chromosomów XY. Zewnętrzne narządy płciowe są rozwinięte prawidłowo (czasem zdarza się przerost łechtaczki). Również wewnętrzne narządy są rozwinięte prawidłowo, choć czasem zdarza się niedorozwój. Zwierzęta są pozbawione kluczowego dla rozwoju płci męskiej genu SRY. Zdarzają się też przypadki odwróconej płci u osobników XX. Zewnętrzne narządy płciowe są różne: od typowo samczych do samiczych z powiększoną łechtaczka.

• Interseksualizm bezrogich kóz

Bezrożność kóz uwarunkowana jest dominującym allelem P, rogi występują u homozygot pp. Wśród osobników bezrogich często występują zwierzęta obojnacze o układzie chromosomów płci XY lecz bez genu SRY. Gonady zazwyczaj mają strukturę jądra lecz nie zachodzi spermatogeneza, zewnętrzne narządy płciowe często mają prawidłowy charakter żeński, czasem powiększoną łechtaczkę lub fenotyp męski.

• Choroba białych jałowic

Allel R genu Roan (umaszczenie dereszowate u bydła) zakłóca różnicowanie się przewodów Műllera w kierunku żeńskich wewnętrznych narządów płciowych u jałówek (brak lub niedorozwój pochwy, szyjki macicy i macicy, natomiast jajniki rozwinięte prawidłowo).

• Interseksualizm u świń

Większość hermafrodytycznych świń ma kariotyp żeński 38XX. Najczęściej są to zwierzęta z gonadami o strukturze jądra lub jajnikojądra. Są również przypadki interseksualizmu u osobników XY i przypadki chimeryzmu leukocytarnego 38XX/38XY.

4. Markery genetyczne i ich praktyczne znaczenie w hodowli

W klasycznym ujęciu marker genetyczny to cecha jakościowa, uwarunkowana w prosty sposób - tzn. przez jedną parę alleli, przydatna do celów analizy genetycznej. Obecnie markery dzieli się na dwie klasy: klasa I obejmuje klasyczne markery, czyli sekwencje kodujące, klasa II to sekwencje niekodujące. Wśród nich najważniejsze są tandemowo powtarzające się sekwencje mikrosatelitarne, a w mniejszym stopniu minisatelitarne.

Markery znajdują zastosowanie w pracy hodowlanej między innymi w kontroli pochodzenia, ocenie wartości genetycznej zwierząt pod kątem cech użytkowych i selekcji pośredniej, ocenie zmienności genetycznej wewnątrz i między populacjami (liniami) oraz szacowaniu dystansu genetycznego. Informacje o umiejscowieniu loci markerów genetycznych znajdują się w markerowych mapach genomu.

Kontrola pochodzenia jest prowadzona na podstawie układów grupowych krwi i polimorficznych białek, czyli markerów genetycznych klasy I. Coraz częściej wykorzystywane są markery klasy II, jedna oparta na polimorfizmie minisatelitarnym, druga na mikrosatelitarnym. Sekwencje mikrosatelitarne są bardzo pomocne w analizie genetycznych cech ilościowych. Znając sprzężęnie między określonym markerem genetycznym a np. wydajnością białka w mleku, można określić, jaka będzie wartość tej cechy w przyszłości. W metodzie selekcji pośredniej (MAS) kryterium wyboru zwierzęcia jest jego genotyp w locus markera genetycznego wykazującego asocjację z doskonaloną cechą użytkową. Markery II klasy są pomocne w doskonaleniu cech jakościowych. Obecnie na dużą skalę wykorzystuje się je do eliminacji rogatości u bydła (rogatość jest całkowicie dominująca a heterozygoty mają taki sam fenotyp jak homozygoty dominujące). Markery wykorzystuje się również w szacowaniu stopnia zinbredowania poszczególnych populacji (linii).

5. Mapowanie genetyczne i znaczenie różnych rodzajów mapowania

Markerowa mapa genomu jest zbiorem informacji o:

• położeniu loci kodujących, tzn. genów (markery klasy I) i niekodujących, czyli tandemowo powtarzających się sekwencji anonimowych (markery klasy II) w chromosomach.

• stopniu polimorfizmu w obrębie znanych loci (wykaz alleli)

• odległościach genetycznych, wyrażonych w cM (centymorganach), pomiędzy sprzężonymi loci oraz ich uszeregowaniu

Mapa, która wskazuje położenia loci w chromosomach, nazywa się cytogenetyczną lub fizyczną. Mapa opisująca sprzężęnia, uszeregowanie i odległości pomiędzy takimi loci określana jest terminem genetycznej lub sprzężeniowej mapy genomu.

Znaczenie mapowania:

• określenie lokalizacji genów na chromosomie i grup sprzężeń genowych

• poznanie istoty defektów chromosomowych na poziomie molekularnym oraz wczesne ich wykrywanie na drodze diagnostyki prenatalnej

• wyjaśnienie roli chromosomu Y i inaktywacji chromosomu X u samic

• wyjaśnienie ewolucyjnego pochodzenia gatunków

• w hodowli zwierząt - przy poszukiwaniu markerów biochemicznych dla celów produkcyjnych czy odporności na choroby

• poznanie zależności między wirusem a nowotworzeniem czy zezłosliwieniem normalnej komórki.

6. Praktyczne wykorzystanie genetyki cech jakościowych

Do cech jakościowych zalicza się takie, jak: Umaszczenie zwierząt, kolor upierzenia u drobiu, rogatość lub bezrożność bydła, owiec i kóz, układy grupowe krwi itd. Wspólną właściwością tych cech jest to, że identyfikacja różnych wariantów fenotypowych danej cechy jest względnie prosta. Wpływ czynników środowiskowych na ekspresję tych cech jest niewielki i dotyczy nielicznych przypadków, np. umaszczenia.

7. Utrwalanie cech w hodowli (dominującą czy recesywną, autosomalną czy sprzężoną z płcią) (moje własne przemyślenia - nie ma skąd wziąć pewnych odpowiedzi)

Przykładem pełnej dominacji jest bezrożność u bydła. Wszystkie zwierzęta rogate są homozygotami recesywnymi pod względem genu p. Łatwiej się utrwala cechy dominujące-łatwo je zaobserwować w fenotypie, krzyżując z homozygotą recesywną łatwo ustalić czy zwierze jest homo- czy hetero- zygotą. Jeślibyśmy chcieli utrwalić cechę recesywną są trudności w znalezieniu nosiciela tej cechy jeśli nie jest on homozygotą, krzyżować można by go było tylko z inną homozygotą.

Lepiej utrwalać cechę autosomalną gdyż zawsze występuje w dwóch wersjach, natomiast cechy sprzężone z płcią w dwóch wersjach występują tylko u płci homogametycznej (samice u ssaków i samce u ptaków). Gdy płeć heterogametyczna ma cechę dominującą, a płeć homogametyczna cechę recesywną, obserwujemy zjawisko dziedziczenia na krzyż (córki dziedziczą po ojcu, a synowie po matce). Gdy układ jest odwrotny cecha dziedziczy się jak prosta cecha autosomalna. Cechy sprzężone z płcią można wykorzystać np. w hodowli kur do wytworzenia ras lub mieszańców autoseksingowych lub wytworzenia mieszańców z genem karłowatości (po rodzicach DwDw x dw-) które zużywają o wiele mniej paszy a są lżejsze tylko o 3%.

8. Źródła zmienności genetycznej (na podstawie źródeł internetowych)

Zmienność jest to występowanie dziedzicznych i niedziedzicznych różnic między osobnikami należącymi do tej samej populacji, albo między populacjami.

• Zmienność środowiskowa - niedziedziczna, fluktuacyjna - zmiany fenotypu nie przekazywane na następne pokolenia Umożliwia ją plastyczność genotypu osobnika, polegająca na uaktywnieniu określonych grup enzymów, pod wpływem bodźców środowiska. Zmienność fluktuacyjna obejmuje różnice między osobnikami spowodowane m.in: wpływem warunków środowiska zewnętrznego (zmienność adaptacyjna, modyfikacyjna), wiekiem, stadium rozwojowym (rozwój z przeobrażeniem), podziałem funkcji w społeczeństwach owadów, zmianami w sezonie wegetacyjnym (zmienność sezonowa)

• Zmienność genetyczna - dziedziczna, zmiany genotypu przekazywane są z pokolenia na pokolenie

• zmienność mutacyjna - w jej wyniku powstają nowe allele genów

-Mutacje - nagłe zmiany dziedziczne zachodzące w organizmie.

• Mutacje genowe - zachodzą w obrębie jednego genu na poziomie DNA

• tranzycja (zamiana zasady purynowej na inną purynową lub pirymidynowej na inną pirymidynową)

• transwersja (zamiana zasady purynowej na pirymidynową lub odwrotnie)

• addycja (dodanie jednej lub kilku zasad nukleinowych)

• delecja (wypadnięcie jednej lub kilku zasad nukleinowych)

• Zmiany sekwencji:

• mutacje synonimowe

• mutacje zmiany sensu

• mutacje nonsensowne

• mutacje chromosomowe - aberracje - zmiany w strukturze chromosomów

• mutacje genomowe - zmiany w liczbie chromosomów

• zmienność rekombinacyjna - w jej wyniku powstają nowe kombinacje genów

-Rekombinacja - proces, w wyniku którego czynniki genetyczne w układach potomnych są połączone odmiennie niż w układach wyjściowych (rodzicielskich).

• rekombinacja międzychromosomowa - losowa segregacja genów zlokalizowana w niehomologicznych chromosomach (prawa Mendla)

• rekombinacja wewnątrzchromosomowa - wymiana odcinków między chromosomami homologicznymi np. w procesie crossing-over

• uprawniona (homologiczna) między fragmentami DNA wykazującymi homologię przynajmniej na odcinku kilkudziesięciu par zasad (crossing-over)

• nieuprawniona, w której uczestniczą niehomologiczne cząsteczki DNA przy udziale enzymów nacinających nici DNA (np. przemieszczanie transpozonów - ruchomych sekwencji DNA)

DNA

DNA

replikacja

transkrypcja

mRNA

łańcuch aminokwasów

białko

jądro

jądro

translacja

ER

ap. Goldiego

---