Genetyka
• Nauka o dziedziczności i zmienności organizmów, wyjaśniająca prawa rządzące podobieństwami i różnicami pomiędzy osobnikami spokrewnionymi przez wspólnego przodka
– Dziedziczność – przekazywanie cech rodziców potomstwu
– Zmienność – występowanie różnic pomiędzy różnymi osobnikami tego samego gatunku
Grzegorz Mendel (1822-84) Opublikowanie w 1866 roku pracy „Badania nad mieszańcami roślin”
GENETYKA
• 1900 – powtórne odkrycie praw Mendla przez Corrensa, Tschermarka i DeVriesa (niezależnie)
• 1909 – pojęcie genu, genotypu i fenotypu (Johanssen)
• 1927 – wykazanie, że promienie X wywołują mutacje (Muller)
• 1919 – chromosomowa teoria dziedziczności (Thomas Morgan,1866-
1945)
• 1927 – odkrycie ruchomych elementow genetycznych – Barbara McClintock
BIOLOGIA MOLEKULARNA
• 1928 – Frederick Griffith
• 1952 – Alfred Hershey i Martha Chase
• 1953 – Rosalind Franklin,JamesWatson, Francis Crick
• 1953 – odkrycie struktury DNA (Watson, Crick, Wilkins, Franklin)
• 1966 – rozszyfrowanie kodu genetycznego (Nirenberg, Holley, Khorana)
• 1971 – odkrycie enzymów restrykcyjnych (Arber, Nathans, Smith)
• 1973 – powstanie inżynierii genetycznej (Berg, Boyer, i inni)
• 1975 – opracowanie metod sekwencjonowania DNA (Sanger, Maxam i Gilbert)
• 1986 – opracowanie Reakcji Łańcuchowej Polimeryzacji (PCR; Mullis)
Genetyka mendlowska
• Genetyka cech jakościowych (klasyczna)
– Genetyka zajmująca się dziedziczeniem cech warunkowanych przez jedno locus (cech mendlowskich)
• Genetyka cech kumulatywnych (ilościowa)
– Dział zajmujący się badaniem dziedziczenia cech warunkowanych przez wiele genów (cech ilościowych)
• Genetyka populacyjna
– Dział genetyki zajmujący się krążeniem genów w populacji jako całości w oderwaniu od stosunku „przodek-potomek”
• Genetyka hodowlana
– Dział genetyki zajmujący się doskonaleniem genetycznym populacji zwierząt hodowlanych
Genetyka niemendlowska
Dział genetyki zajmujący się badaniem dziedziczenia cech przekazywanych niezgodnie z prawami Mendla
• Dziedziczenie cytoplazmatyczne
• Konwersja genów
• Dziedziczenie infekcyjne
• Imprinting rodzicielski
• Mozaikowatość
• Dziedziczenie powtórzeń trzynukleotydowych
Epigenetyka
• Dział biologii zajmujący się wpływem czynników pozagenowych na
powstawanie dziedzicznych cech organizmów
– Wpływ struktury chromatyny
– Wpływ cząsteczek RNA i kodowanych przez nie białek
– Wpływ prionów
– Wpływ czynników teratogennych
Genetyka
• Genetyka biochemiczna
• Genetyka molekularna
• Ekogenetyka
• Genetyka ewolucyjna
• Inżynieria genetyczna
• Biotechnologia
Genetyka mendlowska
• Genetyka mendlowska (klasyczna) zajmuje się badaniem zasad dziedziczenia cech warunkowanych przez określone geny.
Dziedziczenie niemendlowskie
• Dział genetyki zajmujący się dziedziczeniem cech/genów, które nie
podporządkowuje się prawom Mendla/Morgana
• Chociaż dziedziczenie u wirusów, bakterii i grzybów jest w zasadzie zawsze niemendlowskie, terminu tego używa się do dziedziczenia cech u eukariontów.
Dziedziczenie niemendlowskie
• Dziedziczenie cytoplazmatyczne
• Dziedziczenie infekcyjne
• Konwersja genów
• Imprinting rodzicielski
• Dziedziczenie powtórzeń trzynukleotydowych
Choroby mitochondrialne
• Powstają przy występowaniu mutacji w genach mitochondrialnych kodujących białka łańcucha oddechowego
• Objawy chorobowe występują gdy mutacja występuje w wystarczająco dużej liczbie mitochondriów (efekt progowy)
• Najcięższe objawy powstają w obrębie układu nerwowego, gdyż komórki tego układu są bardzo uzależnione od dostaw energii
Choroby mitochondrialne
• Choroba Lebera (wrodzona neuropatia wzrokowa)
– Wczesna utrata wzroku
– Objawy podobne do stwardnienia rozsianego
• Zespół Leigha
– Napady padaczkowe
– Zaburzenia świadomości
– Demencja
– Zaburzenia oddychania
• NARP
– Neuropatia
– Ataksja
– Barwnikowe zwyrodnienie siatkówki
– Opadanie powiek
Konwersja genów
• Konwersja genów jest procesem zachodzącym w okresie crossing-over podziału mejotycznego.
• W wyniku różnic sekwencji nukleotydów 2 alleli dochodzi do wymuszenia zmiany sekwencji jednego allelu na sekwencję obecną w drugim allelu
• Za proces ten odpowiedzialne są mechanizmy naprawy mutacji
• Proces ten skutkuje powstaniem gamet posiadających identyczne allele, pomimo tego, że organizm rodzicielski był heterozygotą
Dziedziczenie infekcyjne
• Dziedziczenie infekcyjne polega na przekazywaniu czynnika zakaźnego
poprzez cytoplazmę komórki jajowej zakażonej matki.
• Jeśli zakażenie powoduje zmianę fenotypu, lub pojawienie się objawów
chorobowych, to wtedy stan ten będzie dziedziczony tylko po matce.
Imprinting
• Zjawisko imprintingu rodzicielskiego polega na przekazywaniu przez jednego rodzica (matke, lub ojca) ZAWSZE nieczynnej kopii genu,
podczas gdy drugie z rodziców ZAWSZE przekazuje czynną kopię
genu.
• Unieczynnienie genu dokonywane jest w drodze metylacji reszt cytozynowych.
• Stan metylacji genu znajdującego się w zygocie po zapłodnieniu jest
następnie „dziedziczony” przez komórki organizmu.
• Stan metylacji jest „wymazywany” w linii komórek płciowych i zastępowany stanem zależnym od płci osobnika.
• Przykładem jest gen IGF2, którego aktywny allel jest zawsze
przekazywany przez ojca, zaś matka zawsze przekazuje allel nieaktywny
Imprinting genowy (rodzicielski)
W przypadkach niektórych genów aktywna jest tylko kopia pochodząca od ojca, lub od matki. Wtedy komórka produkuje tylko jeden rodzaj czasteczki białkowej kodowanej przez gen.
Dziedziczenie powtórzeń trzynukleotydowych
• Zespół łamliwego chromosomu X
– Powtórzenie motywu CGG
• Normalnie 5-54
• Nosiciele 60-230
• Chorzy 230-4000
– Objawy
• Upośledzenie umysłowe
• Zniekształcenie twarzy
• Makroorchidyzm u mężczyzn
• Choroba Huntingtona
– Powtórzenie motywu CAG
• Normalnie 9-35
• Chorzy ponad 35
– Objawy
• Upośledzenie ruchowe (niezborność)
• Zaburzenia kognitywne
• Depresja, agresywność
Dziedziczenie powtórzeń trzynukleotydowych
• Obecnie znanych jest 14 chorób wywoływanych zmienną liczbą powtórzeń trzy-nukleotydowych w różnych białkach.
• Wszystkie te białka są związane z funkcjonowaniem układu nerwowego.
• W dziedziczeniu powtórzeń trzy-nukleotydowych występuje zjawisko antycypacji genetycznej, polegające na zwiększeniu prawdopodobieństwa wystąpienia choroby w miarę przekazywania genu z pokolenia na pokolenie.
Choroba Huntingtona
• Gen Hd koduje białko zwane huntingtyną. W normalnej formie białka wystepuje 6-35 reszt glutaminy. U ludzi chorych na HD wystepuje 35-
155 reszt glutaminy.
• Huntingtyna jest czynnikiem transkrypcji odpowiedzialnym za ekspresję BDNF (mózgowego czynnika neurotroficznego)
Choroba Huntingtona
• Modele transgeniczne
• Knock-out genu Hd
• Gatunek: myszy
– Zwierzęta -/- - mutanty letalne
• Transfer genu Hd ze zwiększoną liczbą powtórzeń CAG
• Gatunek: myszy
– (CAG)115 – objawy w wieku 1 roku
– (CAG)145 – objawy w wieku 5 miesięcy
– (CAG)155 – objawy w wieku 2 miesięcy
Epigenetyka
• Gałąź biologii badająca dziedziczenie pozagenowe, w szczególności
dziedziczenie cech nie determinowanych przez sekwencję DNA.
• Bada powstawanie i przekazywanie cech nie związanych ze zmianami w sekwencji DNA
Epigenetyka
• Epigenom – całkowity stan procesów zachodzących w komórce, determinujących jej właściwości
• Kod epigenetyczny – całość czynników determinujących określony fenotyp w konkretnej komórce
Epigenetyka
• Metylacja DNA
– Dodanie reszt metylowych do cząsteczek cytozyny w miejscach CpG, co wpływa na aktywność DNA w procesie transkrypcji
• Modyfikacja białek histonowych w nukleosomach
– Acetylacja histonów może wpływać na aktywność transkrypcyjną chromatyny
• Acetylacja
• Metylacja
• Ubikwitynacja
Epigenetyka
• Wpływ matczynych RNA
– Cząsteczki mRNA zdeponowane w oocycie (pochodzenia matczynego) mogą wpływać na aktywność genów zarodka i determinowac jego ważne cechy
• Wpływ matczynych białek
– Zdeponowane w oocycie białka pochodzenia matczynego wpływają na cechy rozwijającego się organizmu
Epigenetyka
• Paramutacja – interakcja pomiedzy dwoma allellami w jednym lokus, gdy
jeden alleli indukuje w drugim allelu zmianę przenoszącą się z pokolenia na
pokolenia, nawet gdy allel wywołujący tę zmianę nie został odziedziczony
• Paramutacja zwykle jest skutkiem odziedziczenia produkowanych przez ten allel regulatorowych cząsteczek RNA
Epigenetyka
• Wyciszanie genów
– Wyłączanie genów na poziomie transkrypcji lub translacji
• Na poziomie transkrypcji
– Modyfikacja histonów i zmiana stanu chromatyny
• Na poziomie translacji
– Niszczenie specyficznych mRNA przez regulatorowe kwasy rybonukleinowe iRNA
Epigenetyka
• Efekt pozycyjny – zmiana ekspresji genu wywołana zmianą jego lokalizacji na chromosomie (w wyniku translokacji, lub rekombinacji)
• Powodowany jest stanem chromatyny w miejscu, w którym gen znajduje się w danym momencie, lub działaniem lokalnych sekwencji wzmacnia-jących i/lub wyciszających należących do innych pobliskich genów
Epigenetyka
• Transwekcja – zjawisko oddziaływania na siebie alleli w jednym lokus polegające na aktywowaniu lub wyciszaniu jednego allelu przez drugi.
• Przykładem jest tzw. ekskluzja alleliczna genów kodujących przeciwciała
zachodząca w dojrzewających limfocytach B, umozliwiająca im produkcję tylko jednego rodzaju immunoglobulin
Rodzaje genów letalnych
• Geny letalne na poziomie gamet
– Uniemożliwiają wytwarzanie żywotnych gamet
– wywołują bezpłodność
• Geny letalne na poziomie zygoty
– Uniemożliwiają rozwój zygoty lub upośledzają żywotność organizmu
Rodzaje genów letalnych
• Letalne - śmierć min. 90% osobników
• Semiletalne - śmierć 50-90% osobników
• Subwitalne - śmierć 10-50% osobników
• Quasi-letalne - śmierć mniej niż 10% osobników
• Warunkowo letalne - efekt letalny zależy od warunków otoczenia
Choroba białego źrebięcia - zaburzenia unerwienia końcowego
odcinka okrężnicy, a często wręcz brak końcowego odcinka okrężnicy.
Śmierć następuje zwykle po 48 godzinach w wyniku zaburzeń w pasażu pokarmu. Warunkowana przez recesywny gen autosomalny.
Choroba Chediak-Higashi
• Rzadka choroba warunkowana genem recesywnym
• Mutacja w genie regulatora transportu lizosomalnego, LYST, powoduje uposledzenie funkcji lizosomow w granulocytach (upośledzenie odporności
przeciwbakteryjnej). W cytotoksycznych limfocytach T dochodzi do upośledzenia uwalniania cytotoksyn z pęcherzyków cytoplazmatycznych (upośledzenie odporności przeciwwirusowej)
• Objawy: neutropenia, częściowy albinizm, zmniejszona odporność, zaburzenia krzepnięcia krwi
Rodzaje genów letalnych
• Dominujące
– Autosomalne
– Sprzężone z płcią
• Recesywne
– Autosomalne
– Sprzężone z płcią
Autosomalne geny letalne
• Gen zlokalizowany na jednym z autosomów
• Sposób dziedziczenia genu jest niezależny od płci rodzica przekazującego gen letalny
• Ryzyko postania choroby u potomstwa jest niezależne od jego płci
Geny letalne dominujące
• Mutacje w genach białek strukturalnych
– Kolagen
• Mutacje w genach białek regulatorowych o precyzyjnej regulacji ekspresji
– Morfogeny
– Protoonkogeny
• Mutacje przekształcające białka normalne w białka toksyczne
– Białko prionowe
Geny letalne – autosomalne
dominujące
• AAx Aa 100%
• Aa x Aa 75%
• Aa x aa 50%
• aa x aa 0%
Do powstania objawów choroby wystarczy przekazanie jednej kopii genu
letalnego przez jednego z rodziców. Objawy opisywane jako typowe dla danej choroby dotyczą HETEROZYGOT. Najczęściej homozygoty dominujące są całkowicie niezdolne do życia i giną na wczesnych etapach rozwoju zarodkowego. W przypadku dominujących genów letalnych niemożliwy jest stan nosicielstwa.
Geny letalne recesywne
• Mutacje w genach białek enzymatycznych
– Proteaza protokolagenu
• Mutacje w genach białek receptorowych
• Mutacje w genach białek kanałów jonowych
– Białko CFTR (mukowiscydioza)
• Mutacje w genach białek supresorowych
– Rb, p53 (antyonkogeny)
• Mutacje w genach białek przenośnikowych
Geny letalne – autosomalne
recesywne
• AA x Aa 00%
• Aa x Aa 25%
• Aa x aa 50%
• aa x aa 100%
Do powstania objawów choroby konieczne jest przekazanie po jednej
kopii genu letalnego przez każdego z rodziców. Objawy opisywane jako typowe dla danej choroby dotyczą HOMOZYGOT RECESYWNYCH. Najczęściej heterozygoty nie wykazują żadnych uchwytnych objawów, a czasami wręcz wykazują cechy korzystne. W przypadku recesywnych genów letalnych geny te są rozprzestrzeniane w populacji przez bezobja-wowych heterozygotycznych nosicieli.
Geny dominujące sprzężone z płcią
• Chorują samice i samce
• Chory samiec ma tylko chore córki i tylko zdrowych synów
• Chore samice (heterozygoty) przekazują cechę 50% swego potomstwa
• Chore samice (homozygoty) przekazują cechę całemu potomstwu
• Choroba występuje dwa razy częściej u samic niż u samców
Geny recesywne sprzężone z płcią
• Choroba nie musi ujawniać się w każdym pokoleniu
• Choroba występuje znacznie częściej u samców niż u samic, które są najczęściej nosicielkami genu
• Samiec nie może być nosicielem genu
• Chory samiec nigdy nie przekazuje cechy synom, a wszystkie jego córki są nosicielkami
• 50% synów nosicielki jest chora, a 50% córek staje się nosicielkami
Geny letalne
• Powstają w wyniku mutacji genów normalnych
• Mutacja może zmienić strukturę produktu kodowanego przez gen, czyniąc go nieprzydatnym, lub szkodliwym
• Mutacja może zablokować ekspresję genu nie dopuszczając do syntezy jego produktu
• Dziedziczne wady metabolizmu (bloki)
– Cytrulinemia (bydło)
– Anemia hemolityczna (pies)
– Porfirie (bydło)
• Dziedzicznie warunkowane wady rozwojowe
– Achondroplazja (bydło)
– Skrócenie żuchwy (bydło)
– Brak kończyn (świnia)
Wady rozwojowe
• Badaniem wad rozwojowych zajmuje się teratologia
• Wady rozwojowe to znaczące odstępstwa od prawidłowej budowy narządów i układów organizmu upośledzające jego funkcjonowanie
• Wady rozwojowe mogą być wynikiem działania genów letalnych, lub czynników pozagenetycznych (środowiskowych)
Niegenetyczne przyczyny zaburzeń rozwojowych
• Infekcje wirusowe (różyczka u ludzi)
• Pierwotniaki (toksoplazmoza u ludzi)
• Zaburzenia metaboliczne u matki
• Niedobory mikroelementów i witamin (A)
• Zatrucia (ciemiężyca, łubin - wodogłowie)
• Związki teratogenne (Contergan, Methalibur)
• Wstrząsy, brak wentylacji u ptaków w czasie wylęgu
Rozprzestrzenianie genów letalnych
• Przeważająca część genów letalnych to geny recesywne (autosomalne i sprzężone z płcią)
• Mała grupa genów letalnych to geny dominujące
• Recesywne geny letalne przekazywane są przez bezobjawowych nosicieli (heterozygoty)
• Obecność genu letalnego może się nie ujawniać przez długi czas, potrzebny do pojawienia się w populacji wystarczającej liczby nosicieli.
• Gen ujawnia się dopiero w potomstwie nosicieli u homozygot recesywnych.
Rozprzestrzenianie genów letalnych
• W przypadku genów autosomalnych głównym wektorem przenoszącym geny są samcereproduktory
• Przy zastosowaniu sztucznej inseminacji jeden buhaj może dać w ciągu roku 50000 cieląt
• W przypadku genów sprzężonych z płcią wektorem może być tylko samica – bezobjawowa nosicielka (heterozygota)
• Samiec nigdy nie może być nosicielem genu letalnego sprzężonego z płcią
Sposoby testowania na nosicielstwo choroby dziedzicznej
• Samiec x znane nosicielki (11-16)
• Samiec x córki nosicieli (17-26)
• Samiec x córki jednego nosiciela (24-35)
• Samiec x własne córki (24-35)
• Samiec x przypadkowe samice
Sposoby testowania na nosicielstwo choroby dziedzicznej
• B=Vn
– B – prawdopodobieństwo wystąpienia nosicielstwa u testowanego samca
– V – prawdopodobieństwo wystąpienia prawidłowego fenotypu u potomstwa powstałego w wyniku kojarzeń
– n – liczba otrzymanego potomstwa
Wpływ warfaryny na procesy krzepnięcia krwi
•Czynniki krzepnięcia II,VII,IX i X potrzebuja do swojej aktywacji witaminy K
• Aktywacja czynników krzepnięcia jest związana z oksydacją witaminy K
• Utleniona forma witaminy K jest w wątrobie regenerowana przez reduktazę ubichinonową
• Warfaryna (o budowie podobnej do wit. K) hamuje aktywność reduktazy ubichinonowej w wątrobie
• Warfaryna zmniejsza ilość zredukowanej formy wit. K, a w związku z tym utrudnia aktywację czynników krzepnięcia
Oporność na warfarynę u szczurów
• Warfaryna jest stosowana jako rodentycyd, gdyż nie wywołuje natychmiastowego efektu toksycznego, a tylko wywołuje śmiertelne krwawienia w wypadku urazów.
• U szczurów wytworzyła się oporność na warfarynę związana z obecnością zmodyfikowanej formy reduktazy ubichinonowej, niewrażliwej na hamujące działanie warfaryny
• Ta forma reduktazy jest jednak mniej efektywna w regeneracji witaminy K i zwierzęta mające zmutowaną formę enzymu potrzebują 20 razy więcej
wit. K w pożywieniu, niż zwierzęta normalne.
Oporność na warfarynę u szczurów
• Oporność na warfarynę warunkowana jest autosomalnym alllelem dominującym
• S – normalna forma reduktazy ubichinonowej
• R – oporna na warfarynę forma reduktazy
• RR – oporne na warfarynę, ale bardzo wrażliwe na niedobór wit. K
• RS – oporne na warfarynę, mniej wrażliwe na niedobór wit. K
• SS – wrażliwe na warfarynę, oporne na niedobór wit. K
• W warunkach stosowania warfaryny jako rodentycydu wybiórczo przeżywają osobniki heterozygotyczne
Dziedziczenie wieloczynnikowe
• Na wartość cechy wpływa
– Komponenta genetyczna - wspólne oddziaływanie wielu (najczęściej jest to liczba nieznana) genów, a konkretnie ich alleli.
– Komponenta środowiskowa – szeroko rozumiany wpływ środowiska, a więc czynników takich, jak: Żywienie, Temperatura, Klimat itp.
Cechy ilościowe
• Cechy ciągłe – wartość cechy w populacji może przybierać dowolną wartość pomiędzy maksimum i minimum. Wartość cechy u danego
osobnika może plasować się w dowolnym miejscu tego zakresu. Z tego powodu liczba możliwych fenotypów jest praktycznie nieograniczone
• Cechy takie to:
– Wydajność mleczna
– Ciśnienie krwi
– Poziom cholesterolu
• Cechy skokowe – wartość cechy wyrażana jest poprzez liczbę określonych jednostek. Chociaż w populacji cecha przyjmuje wartości od
minimalnej do maksymalnej, to wartość cechy u konkretnego osobnika musi wyrażać się całkowitą liczbą jednostek.
• Cechy takie to:
– Liczba składanych jaj
– Liczba młodych w miocie
• Cechy progowe – cechy warunkowane przez wpływ wielu genów i czynników środowiskowych, ale przybierające dwie, lub zaledwie kilka, form fenotypowych. Ten model dziedziczenia charakterystyczny jest dla wielu chorób, gdy mamy do czynienia z podziałem populacji na osobniki „zdrowe” i „chore”. W przypadku tych cech zmienność ciągłą wykazuje tzw. „skłonność”
Dystrybucja cechy
• Jest to parametr opisujący populację informujący jaka część osobników danej populacji wykazuje każdą z możliwych wartości cechy (każdy możliwy fenotyp).
• Opis dystrybucji cechy zależy od liczby klas fenotypowych.
• Im większa liczba fenotypów, tym trudniejszy opis dystrybucji cechy.
Dystrybucja progowa
• Opisuje się liczebność poszczególnych (najczęściej 2) klas fenotypowych
Dystrybucja skokowa
• Opisuje się liczebność poszczególnych klas fenotypowych
Dystrybucja ciągła
• Rozkład fenotypów (wartości cechy) charakteryzowany jest przez krzywą
Gaussa
Rozkład ciągły
• Charakteryzowany jest przez parametry
– Średnia (szczytowa wartość dystrybucji)
– Wariancja (średni kwadrat odchyleń od średniej)
– Odchylenie standardowe (pierwiastek kwadratowy z wariancji)
Przyczyny zmienności
• Korelacja genetyczna
– Wpływ genotypu na fenotyp
• Korelacja środowiskowa
– Wpływ środowiska na fenotyp
• Korelacja genotyp-środowisko
– Zależność między genotypem a stopniem wpływu środowiska
• Asocjacja genotyp-środowisko
– Wpływ selekcyjny środowiska na występowanie pewnych genotypów
Odziedziczalność
• Parametr wskazujący względny wpływ czynników genetycznych na powstawanie wartości cechy.
• Jest stosunkiem wariancji genetycznej do wariancji całkowitej (sumy wariancji genetycznej i środowiskowej)
• Wariancja genetyczna jest sumą wariancji addytywnej, nieaddytywnej
(naddominancja) i epistatycznej
Odziedziczalność
• Niska (0,01-0,3)
– Cechy związane z rozrodem (Plenność, Mleczność)
• Średnia (0,32-0,6)
– Cechy użytkowe (Wydajność wełny, Zawartość tłuszczu w mleku)
• Wysoka (0,61-1,0)
– Pewne cechy morfologiczne (Wysokość w kłębie)
QTL (loci cech ilościowych)
• Gen wpływający na cechę ilościową
• Polimorfizm DNA sprzężony z cechą ilościową
– Wykazuje sprzężenie z genem wpływającym na cechę ilościową
– Różne formy alleliczne polimorfizmu sprzężone są z określonymi allelami genu cechy ilościowej
– Formy alleliczne polimorfizmu mogą wskazywać na obecność w genomie określonego allelu genu cechy ilościowej, a więc pozwalają przewidywać wartość cechy ilościowej u danego osobnika
Geny o dużym efekcie
• Gen o dużym efekcie identyfikowany jest gdy u przeciwstawnych homozygot wartość cechy różni się przynajmniej o jedno odchylenie standardowe
• Geny o dużym efekcie identyfikowane są przypadkowo, albo poprzez poszukiwanie QTL dla określonej cechy.
• Czasami utożsamia się pojęcia QTL i genów o dużym efekcie.
Gen receptora rianodyny
• Mutacja w genie RYR1 powoduje zwiększoną mięśność tuszy, ale
predysponuje do występowania tzw. złośliwej gorączki, powodowanej
stresem i niektórymi lekami (halotan, suksametonium)
• Mutacja występuje u świń rasy Pietrain, ale została przeniesiona na inne rasy mięsne w wyniku krzyżowania ze świniami rasy Pietrain
Gen hypertrofii mięśniowej bydła
• Mutacja w genie miostatyny (chromosom 2) bydła powoduje zwiększoną ilość mięsa w tuszy, ale wpływa niekorzystnie na płodność.
• Cielęta, ze względu na wysoką masę urodzeniową muszą przychodzić na świat drogą cesarskiego cięcia.
• Mutacja występuje u błękitnego bydła belgijskiego, ale stwierdzono występowanie innych, niezależnych, mutacji u innych ras bydła.
Gen hypertrofii mięśniowej owiec
• Mutacja w genie callipyge powoduje wzrost masy mięśniowej i spadek
zawartości tłuszczu w tuszy.
• Gen wykazuje zjawisko imprintingu – gen CLPG wywołuje hypertrofię tylko wtedy, gdy przekazywany jest od ojca.
Inne geny o dużym efekcie
Gen wysokiej plenności u świn
– Wystepuje u świn ras azjatyckich. Mutacja występuje w genie receptora estrogenowego alfa. Świnie mają statystycznie o 1,0-1,4 prosięcia więcej.
Gen kappa-kazeiny
– Mleko krów z wariantem B kappa-kazeiny ma większą zawartość białka i lepszą przydatność technologiczną do produkcji serów
Ekogenetyka
• Dział genetyki badający genetyczne zróżnicowanie wrażliwości na czynniki środowiskowe (Klimat, Pożywienie, Czynniki toksyczne i rakotwórcze, Leki i inne)
• Wyróżniamy w niej (Toksykogenetykę, Farmakogenetykę, Nutrigenetykę)
Toksykogenetyka i farmakogenetyka
• Toksykogenetyka bada genetyczne zróżnicowanie wrażliwości na czynniki toksyczne, zaś farmakogenetyka bada genetyczne zróżnicowanie
wrażliwości na leki.
• Dziedziny te zazębiaja się, gdyż wynikiem zróżnicowanej wrażliowści na leki mogą być efekty toksyczne u niektórych, specjalnie wrażliwych, osobników.
Wrażliwość na warfarynę u człowieka
• Warfaryna jest środkiem hamującym krzepnięcie krwi, stosowanym jako lek przeciwzakrzepowy u ludzi.
• Normalna dawka dla dorosłego człowieka wynosi 5- 10 mg/dzień
• U niektórych ludzi efekt przeciwzakrzepowy warfaryny występuje dopiero przy dawce 150 mg/dzień.
• Oporność na warfarynę jest u człowieka warunkowana autosomalnym allelem dominującym
Wpływ warfaryny na procesy krzepnięcia krwi
• Czynniki krzepnięcia II, VII, IX i X potrzebuja do
swojej aktywacji witaminy K
• Aktywacja czynników krzepnięcia jest związana z
oksydacją witaminy K
• Utleniona forma witaminy K jest w wątrobie
regenerowana przez reduktazę ubichinonową
• Warfaryna (o budowie podobnej do wit. K) hamuje
aktywność reduktazy ubichinonowej w wątrobie
• Warfaryna zmniejsza ilość zredukowanej formy wit.
K, a w związku z tym utrudnia aktywację czynników
krzepnięcia
Oporność na atropinę u królików
• Atropina jest toksyną roślinną obecną w pokrzyku wilczej jagodzie, blokującą aktywność układu przywspółczulnego
• U królików stwierdzono oporność na działanie atropiny wywołaną
autosomalnym genem dominującym
• Gen ten koduje enzym nazywany esterazą atropinową, występujący w osoczu krwi i innych tkankach u ok. 30% królików (występują duże różnice
rasowe)
Wrażliwość na iwermektynę u psów
• Iwermektyna jest środkiem przeciwpasożytniczym stosowanym w zwalczaniu inwazji robaków płaskich i obłych, jak również stawonogów (pajęczaki i owady)
• Ivermektyna blokuje u robaków i stawonogów kanały chlorkowe w układzie nerwowym i komórkach mięśniowych, wywołując uogólnione porażenie
• W obwodowym układzie nerwowym ssaków brak jest kanałów jonowych
blokowanych przez iwermektynę
• Kanały takie występują u ssaków w centralnym układzie nerwowym, ale iwermektyna jest z CUN usuwana przez tzw. glikoproteinę P, będącą
aktywnym elementem bariery krew-mózg
• Wrażliwość na iwermektynę warunkowana jest autosomalnym genem recesywnym
• Normalna forma glikoproteiny P kodowana jest przez gen MDR1 (multi-drug resistance). Nieaktywna forma glikoproteiny P kodowana jest przez gen mdr1-1delta
• Gen mdr1-1delta występuje u owczarków szkockich, owczarków szetlandzkich, owczarków angielskich i owczarków niemieckich.
• Około 25% owczarków szkockich jest homozygotami pod względem genu mdr1-1delta. U tych osobników podanie iwermektyny wywołuje silne działanie depresyjne na centralny układ nerwowy (senność, utrata przytomności, wstrzymanie akcji oddechowej)
• Homozygotyczność pod względem genu mdr1-1delta związana jest ze zmienioną wrażliwością na wiele innych leków
– Loperamid (przeciwbiegunkowy)
– Doxorubicyna (cytostatyk)
– Vincrystyna (cytostatyk)
– Vinblastyna (cytostatyk)
– Cyklosporyna (immunosupresant)
– Digoksyna (nasercowy)
– Acepromazyna (uspokajający)
– Butorfanol (przeciwbólowy)
• Zidentyfikowano 9 ras u których występuje gen mdr1- 1delta, u których częstotliwość homozygot wynosi od 9 do 46%
Wrażliwość na alkohol etylowy
• Etanol przekształcany jest w organizmie przez 2 enzymy
– Dehydrogenaza alkoholowa (ADH) – przekształca etanol w aldehyd octowy. Występuje w formie 5 izoenzymów. Najaktywniejsza jest forma B
– Dehydrogenaza acetaldehydowa (ALDH) – przekształca aldehyd octowy w kwas octowy
• 85% Japończyków i Chińczyków posiada bardzo wysoką aktywność ADH, zaś 45-53% populacji Japonii i Chin pozbawionych jest aktywności ALDH
• Występuje u nich toksyczny wpływ alkoholu związany ze spadkiem ciśnienia wywołanym akumulacją aldehydu octowego
Niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu
• Do utrzymania prawidłowej struktury erytrocytu potrzebny jest zredu-kowany glutation powstający w dalszej konsekwencji działania DG6P.
• Brak zredukowanego glutationu powoduje łatwą hemolizę erytrocytów
• W niedoborze DG6P hemoliza wywoływana jest przez aspiryne, sulfonamidy, leki antymalaryczne, chloramfenikol, niektóre pokarmy
(bób, fasola)
• Warunkowana genem recesywnym sprzężonym z płcią
• Wystepuje z częstotliwością 1:100 (Europa Środkowa) do 1:10
(Amerykańscy Murzyni)
Wrażliwość na sukcynylocholinę
• Sukcynylocholina jest lekiem zwiotczającym mięśnie stosowanym w chirurgii.
• Okres jej działania wynosi tylko kilka minut
• U pewnej grupy ludzi sukcynylocholina wywołuje długotrwały, kilkugodzinny efekt
• Stan ten jest wywołany autosomalnym allelem recesywnym kodującym formę tzw. pseudocholinesterazy metabolizującej sukcynylocholinę
• Ludzie wrażliwi na sukcynylocholinę są homozygotami recesywnymi pod względem tego genu
Wrażliwość na ozon
• Niedobór aktywności alfa-1- antytrypsyny powoduje zwiększona skłonność do uszkadzania pęcherzyków płucnych przez ozon, z powstawaniem obrzęku płuc
• Niedobór alfa-1-antytrypsyny powodowany jest autosomalnym allelem recesywnym
• Choroba wystepuje u homozygot recesywnych
Wrażliwość na niridazol
• Niridazol jest lekiem stosowanym w leczeniu robaczyc wykazującym toksyczność dla układu nerwowego
• U myszy występują różnice we wrażliwości na niridazol uzależnione od szczepu
• U myszy C57BL/6J (B6) LD50 wynosi 200 mg/kg, zaś u myszy DBA/2J (D2) LD50 wynosi tylko 146 mg/kg.
• Stwierdzono, że u mieszańców B6/D2 LD50 wynosi 172 mg/kg, co jest dokładnie średnią arytmetyczną z obu wartości charakterystycznych dla szczepów B6 i D2
Wrażliwość na niektóre czynniki rakotwórcze
• Receptor Ahr jest receptorem wiążącym ksenobiotyki – związki chemiczne dostające się do organizmu z zewnatrz.
• Liczne ligandy receptora Ahr znane są z silnej rakotwórczości
• Nasilniejszym ligandem receptora Ahr jest tetrachlorodibenzodioksyna
(TCDD), ale receptor ten wiąże również benzopiren, dibenzoantracen,
metylocholantren, aflatoksyny i inne
• Pobudzenie receptora Ahr indukuje ekspresje hydroksylazy węglowodorów aromatycznych (AHH), należącej do grupy cytochromu P450, biorącej udział w metabolizowaniu ksenobiotyków
• Ludzie z wysoko-indukowalną formą AHH wykazują 10-30-krotny wzrost zachorowalności na raka płuc wywołanego paleniem tytoniu
Zaburzenia naprawy DNA
• Ataxia telangiectasia
– Czynnik: promieniowanie gamma
– Nowotwory: limfoma
– Objawy: niezborność ruchów (ataksja), rozszerzenie naczyń krwionosnych w skórze i oczach, aberracje chromosomowe, niedobór odporności.
• Xeroderma pigmentosum
– Czynnik: promieniowanie UV, mutageny chemiczne
– Nowotwory: raki skóry, czerniaki
– Objawy: rogowacenie skóry,wrażliwość skóry i oczu na światło słoneczne
• Syndrom Blooma
– Czynnik: czynniki alkilujące
– Nowotwory: raki, limfomy, białaczki
– Objawy: Wrażliwość na światło, rozszerzenie naczyń w skórze twarzy, aberracje chromosomowe
• Anemia Fanconiego
– Czynnik: czynniki sieciujące
– Nowotwory: białaczki
– Objawy: anemia hypoplastyczna, zaburzenia rozwojowe
• Zespół Cockayne’a
– Czynnik: promieniowanie UV
– Nowotwory: różne
– Objawy: karłowatość, zanik siatkówki, wrażliwość na światło, progeria, głuchota
Antyonkogeny
• Antyonkogeny są genami białek odpowiedzialnych za regulację podziałów komórkowych.
• Antyonkogeny hamują podziały komórkowe, stanowiąc rodzaj „bezpiecznika” uniemożliwiającego niekontrolowany podział komórki
• Czynniki wzrostu, poprzez całą kaskadę regulacyjną hamują działanie antyonkogenów, umożliwiając przeprowadzenie procesu mitozy
• Antyonkogeny są nazywane „onkogenami recesywnymi”, gdyż potrzebne jest wyłączenie obu kopii antyonkogenu, aby wywołać chorobę nowotworową
• Mutacje w genach przeciwnowotworowych prowadzą do powstawania nowotworów w młodym wieku
• Antyonkogeny sa odpowiedzialne za dziedziczne formy nowotworów
• P53 (zespół Li-Fraumeni) – liczne nowotwory różnych tkanek
• BRCA1 i BRCA2 – nowotwory sutka
• Antyonkogeny sa odpowiedzialne za dziedziczne formy nowotworów
• APC, MCC, DCC – nowotwory jelita grubego i odbytu
• Antyonkogeny sa odpowiedzialne za dziedziczne formy nowotworów
• Rb – retinoblastoma
Cytogenetyka
• Cytogenetyka jest działem biologii zajmującym się strukturą genomu rozumianego jako zbiór chromosomów.
• Cytogenetyka zajmuje się również strukturą pojedynczych chromosomów
• Obiektem zainteresowania są również zaburzenia struktury całego genomu, jak i pojedynczych chromosomów
Genom eukariotyczny
• Pojedynczy zestaw chromosomów zawierających geny:
– Genom haploidalny
– Genom diploidalny
– Genom triploidalny itd.
Chromatyna
• Kompleks składający się z DNA, białek histonowych i niehistonowych
znajdujący się w jądrze komórkowym.
Czynniki umożliwiające upakowanie DNA w komórce eukariotycznej
• Białka histonowe
– Umożliwiają wygięcie cząsteczki DNA
– Neutralizują ujemny ładunek DNA
• H1, H2A, H2B, H3, H4
• Białka niehistonowe
– Topoizomerazy - umożliwiają zachowanie porządku w jądrze komórkowym
• Topoizomeraza I
• Topoizomeraza II
• Inne (topoizomeraza III, p53)
– Białka macierzy jądrowej
Rodzaje chromosomów:
• Chromosom metacentryczny
• Chromosom submetacentryczny
• Chromosom akrocentryczny
Rodzaje prążków
• Prążki Q – uzyskiwane w wyniku barwienia chromosomów barwnikami fluorescencyjnymi (oranż akrydynowy, quinakryna). Wykrywają regiony bogate w pary A-T
• Prążki G – uzyskiwane w wyniku barwienia chromosomów barwnikiem Giemsy po trawieniu proteolitycznym.
• Prążki T – uzyskiwane w wyniku barwienia chromosomów barwnikiem Giemsy w podwyższonej temperaturze.
• Prążki R – uzyskiwane w wyniku barwienia chromosomów barwnikiem Giemsy po denaturacji termicznej.
Liczba chromosomów u różnych gatunków ssaków
Koza 60, Bydło 60, Owca 54, Koń 64, Świnia domowa 38, Pies domowy 78, Kot domowy 38, Królik domowy 44, Mysz domowa 40, Szczur wędrowny 42
Aberracje chromosomowe
• Diagnostyka cytogenetyczna rozwinęła się w latach 50-tych I 60-tych XX wieku kiedy stwierdzono bezpośredni związek między nieprawidłowym kariotypem a pewnymi zespołami wad rozwojowych takich jak zespół Turnera, Klinefeltera, czy zespół Downa.
• Impuls do rozwoju diagnostyki cytogenetycznej zwierząt domowych dało
odkrycie, że połączenia (fuzje) chromosomów u bydła powodują obniżenie płodności. Od tego czasu rozpoczęto rutynowe diagnozowanie chromoso-mów u różnych gatunków zwierząt domowych,a szczególnie u bydła i świńi.
Aberracje chromosomowe
• Aberracje strukturalne – dotyczące jednego lub kilku chromosomów
– Deficjencja, Translokacja, Duplikacja, Inwersja
Aberracje chromosomowe
• Mutacje chromosomowe liczbowe
– Aneuploidalne
• monosomie
• trisomie
– Euploidalne
• autopoliploidy
• allopoliploidy
Deficjencja
• Deficjencja polega na utracie fragmentu chromosomu. Jeżeli chromosom pęknie, a jego fragment nie zostanie przyłączony do innego chromosomu, to fragment ten zostanie utracony.
• Wpływ deficjencji na organizm zależy od charakteru genów utraconych z fragmentem chromosomu
• Z reguły deficjencja tego samego fragmentu w obu chromosomach jest aberracją letalną
• Deficjencja małego fragmentu w jednym chromosomie może nie wywoływać skutków negatywnych
• Usunięcie dużego fragmentu tylko w jednym z chromosomów może uniemożliwiać prawidłowy rozwój organizmu
Translokacja wzajemna
• Translokacja wzajemna (wymiana fragmentów chromatyd pomiędzy
chromosomami niehomologicznymi)
Translokacja tandemowa
• Translokacja tandemowa (fuzja tandemowa) - przeniesienie fragmentu
chromosomu lub całego chromosomu na inny chromosom niehomologiczny
Translokacja robertsonowska
• Translokacja robertsonowska (fuzja centromerowa) - połączenie dwóch
niehomologicznych chromosomów akrocentrycznych ich centromerami.
Powstaje z nich jeden chromosom (sub)metacentryczny
Translokacja
• Translokacja nie wywołuje z reguły zaburzeń rozwojowych organizmu. Najczęściej jedynym objawem jest obniżona (nawet o 90%) płodność
• Zaburzenia płodności wynikają z nieprawidłowej koniugacji i dysjunkcji (segregacji) chromosomów w czasie mejozy.
• Osobniki posiadające dwa identyczne chromosomy z translokacją mają płodność prawidłową, ale przekazując translokację potomstwu obniżają jego płodność
• Translokacje wzajemne, a szczególnie fuzje centromerowe (translokacje robertsonowskie) są normalnym procesem ewolucji kariotypu. Przykładem
takim jest kariotyp dzika i świni domowej.
Duplikacja
• Duplikacja powstaje w momencie przeniesienia fragmentu chromosomu na inny chromosom homologiczny.
• Duplikacja z reguły nie wywołuje efektów letalnych.
• Z powodu obecności zwiększonej liczby kopii genów znajdujących się w powielonym fragmencie chromosomu organizm może (ale nie musi) przejawiać obecność charakterystycznych cech patologicznych
Inwersja
• Inwersja powstaje w momencie gdy fragment chromosomu ulega obróceniu i jest ponownie włączany do tego samego chromosomu lub
chromosomu homologicznego
• Inwersja może nie powodować żadnych widocznych efektów
• Inwersja może jednak inaktywować geny normalnie aktywne, lub aktywować geny normalnie nieaktywne, przenosząc je w pobliże
sekwencji aktywujących
• Inwersja może powodować deficjencję części chromosomu w czasie mejozy
Aneuploidie
• Monosomia - polega na nieobecności jednego chromosomu danej pary. Powstaje w wyniku połączenia gamet z których jedna pozbawiona była jednego chromosomu. Taka gameta powstaje w wyniku non-dysjunkcji, czyli zaburzonego rozdziału chromosomów w czasie mejozy.
• Monosomie są zwykle letalne dla organizmu. Stwierdza się je prawie wyłącznie w poronionych płodach. Wyjątkiem są monosomie chromosomu X. Osobniki wykazujące monosomię X są fenotypowo samicami. U zwierząt zwykle jedynym objawem patologicznym jest bezpłodność.
• Monosomia Y (brak chromosomu X przy występowaniu chromosomu Y) jest bezwzględnie latalna (nie stwierdzano takich żywych osobników)
• Trisomia - polega na obecności dodatkowego, trzeciego chromosomu w danej parze. Powstaje w wyniku połączenia normalnej gamety z gametą posiadającą dwa chromosomy homologiczne. Taka gameta powstaje w wyniku nondysjunkcji.
• Osobniki wykazujące obecność dodatkowego chromosomu (trisomiki) są bardziej żywotne niż monosomiki. Wykazują jednak obecność szeregu zaburzeń rozwojowych.
• Trisomia chromosomu 21 u człowieka nazywana jest zespołem Downa.
• Trisomie dotyczą także chromosomów płci.
• Znane są osobniki żeńskie wykazujące obecność 3 chromosomów X.
• Osobniki męskie mogą posiadać jeden chromosom X i 2 chromosomy Y.
• Najczęściej spotykanym patologicznym kariotypem jest kariotyp XXY.
Euploidie
• Autopoliploidie - zwielokrotnienie tego samego zestawu chromosomów które są ściśle homologiczne. Wyróżniamy triploidy, tetraploidy, pentaploidy, itd.
• Allopoliploidie - komórki zawierają sumę diploidalnych liczb chromosomów form rodzicielskich.
Chimeryzm
• Chimerą nazywamy organizm zawierający dwie, lub więcej linii komórkowych o odmiennym składzie chromosomowym
• Najczęściej spotykanym chimeryzmem jest chimeryzm limfocytarny bydła zwany frymartynizmem.
Frymartynizm
• Frymartynizm występuje u cieląt różnej płci pochodzących z ciąż bliźniaczych.
• W wyniku połączenia krwiobiegów byczka i jałówki w obrębie łożysk dochodzi do wymiany komórek krwiotwórczych.
• W limfocytach można w wyniku tego stwierdzić kariotyp zarówno 60,XX jak i 60,XY
• U jałówek pochodzących z różnopłciowych ciąż bliźniaczych dochodzi do
zaburzeń funkcji rozrodczych. Charakteryzuje je niedorozwój układu rozrodczego I niepłodność. Te zmiany wywołane są wpływem rozwijającego sie, połączonego z jałówką krwiobiegiem byczka-bliźniaka
• Chimeryzm limfocytarny nie jest przyczyną zaburzeń funkcji rozrodczych u jałówki, a tylko wskazuje na połączenie krwiobiegów bliźniąt w okresie
płodowym.
• Przyczyną zaburzeń są substancje o działaniu hormonalnym, (testosteron
oraz hormon powodujący degenerację żeńskiego układu rozrodczego -MIF)