Gienetyka ćw. 3 23.10.2012
Temat: genetyczne uwarunkowania zdolności motorycznych człowieka ( genetyka sportu)
Zagadnienia:
Dziedziczenie zdolności motorycznych
Geny warunkujące zdolność organizmu do wysiłku fizycznego
Doping genowy
Genetyka zdolności motorycznych
Typy dziedziczenia
-autosomalne dominujące i recesywne
-sprzężone z chromosomem X - dominujące i recesywne
Dziedziczenie mitochondrialne
Aberracje chromosomowe
Dziedziczenie wieloczynnikowe ( kompleksowe)
Cechy dziedziczne mogą być uwarunkowane
-jednogenowo
-poligenowo
-wielogenowo - uwarunkowane wzajemnym oddziaływaniem genów nieallelicznych
Cecha uwarunkowana wieloczynnikowo powstaje w efekcie współoddziaływania czynników genetycznych i niegenetycznych
Cechy wieloczynnikowe wykazują rodzinne występowanie ale ich rozkład w rodzinach nie odpowiada dziedziczeniu mendlowskiemu
Kilka lub więcej genów współdziałają ze sobą, z udziałem lub bez udziału czynników środowiskowych, prowadząc do zwiększenia lub zmniejszenia prawdopodobieństwa ujawnienia się danej cechy
Wieloczynnikowy model dziedziczenia
Dzielą się na 2 zasadnicze grupy
-cechy ilościowe - ciągle - można je zmierzyć, przedstawia się liczbowo ( wzrost, masa ciała, pigmentacja skóry, ciśnienie tętnicze krwi, iloraz inteligencji, stężenie glukozy, cholesterolu we krwi, wartość ciśnienia tętniczego)
-cechy jakościowe -
Geny warunkujące cechy ilościowe
- geny kumulatywne / poligeny
Częstość występowania cech ilościowych w populacji podlega prawu rozkładu normalnego
Rozkład normalny - cechy poza średnią są rzadkością
Im więcej genów składających się na cechy tym mniejsza szansa na podobieństwa tej cechy u rodziców
Cechy jakościowe - charakter zero-jedynkowy) albo jest albo nie)
- zmienność skokowa
- przy dziedziczeniu cech wieloczynnikowych jakościowych występuje tzw. próg wrażliwości genetycznej
Geny odpowiedzialne za wystąpienia cechy jakościowej stwarzają predyspozycje do wystąpienia danej cechy
Cecha pojawia się po przekroczeniu wartości progowej
O podatności danej osoby na wystąpienie cechy wieloczynnikowej decydują czynniki genetyczne i środowiskowe
Odziedziczalność
Genetyczny składnik całkowity zmienności fenotypowej cechy[%]
Określa jaka część zmienności cechu zależy od wpływu genów a jaka od środowiska
Całkowita zmienność fenotypowa cechy Vp
Vp=Vg +Ve
Vg - zmienność uwarunkowana genetycznie
Ve- zmienność spowodowana czynnikami środowiskowymi
Wskaźnik odziedziczalności H
Odziedziczalność cechy H
H = Vg/Vp x 100%
Lub H = Vg/Vg+Ve x 100%
Vp całkowita zmienność fenotypowa cechy
Vg zmienność uwarunkowana genetycznie
Ve - zmienność spowodowana czynnikami środowiskowymi
Rozwój cech somatycznych ( wysokość i masa ciała, kształt i proporcje ciała) jest uwarunkowany genetycznie z różnym wpływem czynników środowiskowych
Czynniki środowiskowe warunkujące wzrost to : odżywianie i wysiłek fizyczny
Maksymalny pobór tleny Vo2max - silne uwarunkowania genetyczne
Duże zróżnicowanie wpływu genów i środowiska w stosunku do ilości tkanki tłuszczowej
Silnie uwarunkowane genetycznie są wymiary kości, średnio obwody ciała a słabo masa tkanki tłuszczowej
Wpływ czynników genetycznych rodzinnych i środowiskowych na niektóre cechy somatyczne i psychomotoryce
Wysoko ciała
Statyczna siłą mięśniowa siła ekspozywna
Szybkość ruchów
Prosty czas
Typy włókien mięśniowych
3 typy włokien mięśniowych
-wolnokurczące się, tlenowe ST - typ I - duża odporność na zmęczenie, mała siła skurczu
-Szybkokurczące się tlenowo glikoli tyczne FTA typ IIa - pośredni miedzy 1 i 2, czerwone, dużo mioglobiny, mitochondria, zawartość glikogenu średnia, szybko kurczą i silnie, odporne Ne zmęczenie, średnia siła skurczu
-Szybkokurczące się glikoli tyczne FTB typ IIB - białe włókna, niska zawartość hemoglobiny mało mitochondriów, dużo glikogenu, silne włókna, dużo miofibrylli, szybko kurczą się, duża wrażliwość na zmęczenie, duża siła skurczu
Proporcja poszczególnych typów włókien mięśniowych jest uwarunkowana genetycznie
Trening siłowy - część włókien typu IIB nabiera cech włókien typu IIa
Trening wytrzymałościowy - część włókien IIb przekształca się we włókna typu IIA, a część włókien typu IIA we włókna typu I
Dziedzinie zdolności motorycznych
Talent sportowy?
Specyficzne dla każdego predyspozycje genetyczne
Odczytanie pełnej sekwencji ludzkiego genomu 2003
Rozwój genetyki wysiłku fizycznego
Ilość genów warunkujących zdolności motoryczne rośnie dynamicznie
2001 - 29 genów
2006 >170 i 17 genów modna
2012 > 200 genów
Czynniki genetyczne warunkują zdolność człowieka do wykonywania wysiłków siłowych lub wytrzymałościowych
Podstawą genetycznego zróżnicowania zdolności do wysiłku jest występowanie w populacji różnych alleli danego genu, z których przynajmniej jeden będzie zdecydowanie zwiększał tolerancję na różnego rodzaju wysiłku fizycznego
Polimorfizm genetyczny
Alternatyw formy genów które występują często w badanej populacji
Mutacja de Novo- selekcja pozytywna wzrost częstości zmutowanego allela w populacji - polimorfizm genetyczny
Polimorfizm a mutacja
Mutacja - wariant genetyczny (allel) jest obecny u mniej niż jednego procenta populacji
Polimorfizm - częstość występowania wariantu genetycznego w populacji występuje części niż jeden procent
Polimorfizm jednonukleotydowy SNP
Zamiana nukleotydu na inny nukleotyd w określonej sekwencji genomu
Może przyczyniać się do wystąpienia cechy wieloczynnikowej
Geny warunkujące zdolność organizmu do wysiłku fizycznego
Najczęściej analizowane geny w sporcie warunkujące cechy
Budowę ciała
Fenotyp hemodynamiczny
Siłę mięśniową
Funkcjonowanie układu ścięgien
Wytrzymałość
Metabolizm glukozy i insuliny
Metabolizm lipidów i gospodarkę tłuszczową
Gen ACE
Koduje konwertazę angiotensyny I 0 enzym ACE
-działa w obrębie ukłądu renina -a angiotensyna ( RAS)
- katalizuje powstawanie angiotensyny II - silnego czynnika naczynioskurczowego
-degraduje rozszerzającą naczynia bradykininę
Locus 17q23.3
Polimorfizm insercyjno/delecyjny genu aCE
Obecność ( allel inercyjny - insertion - I ) lub brak (allel delecyjny delection - D) fragment DNA o długości 287 bp w intronie 16 genu ACE
Wyróżnia się 3 genotypy
Homozygota DD - najwyższa aktywność enzymu ACE
Homozygot II - najniższa aktywność enzymu ACE
Heterozygota ID - aktywność pośrednia
Allel D
Wzrost siły sprinterskiej i mocy mięsni
-wzrost siły mięśni czworogłowego uda
-wzrost efektywno sic kurczenia się pod wpływem 10-tygodniowego treningu izometryczno-siłowego
Allel I
-wzrost wytrzymałości mięsni
-wzrost efektywności ich kurczenia pod wpływem treningu
-zwiększenie liczny włókien mięśniowych typu I w mięśniach osób nietrenujących
Badanie polimorfizmu I/D genu ACe
Przykładowy wynik analizy polimorfizmu I.D genu konwertazy angiotensyny (ace) metodą PCR
Gen BDKRB2
Kodujące receptor beta 2 bradykininy
Locus 14q32/1-32.2
Efektor receptora - bradykinina
Aktywacja receptora - silne rozszerzenie naczyń krwionośnych za pośrednictwem NO
Polimorfizm jeno nukleotydowy 58T/C genu BDKRB2
Zamiana tranzycja tyminy T na cytozynę C w pozycji 58
Allel T - wzrost ekspresji genu - większa liczba cząsteczek receptora - sprawna regulacja ciśnienia tętniczego krwi
Allel C - obniżenie ekspresji genu - mniejsza ilość białka receptorowego dla bradykininy - wzrost ryzyka nadciśnienia tętniczego i przerostu lewej komory serca
Genotyp TT - duża efektywność metaboliczna mięsni szkieletowych
Polimorfizm inercyjno/delecyjny (+9/-9) genu BDKRB2
Obecność allel +9 lub brak allel -9 sekwencji 9 nukloetydowej w aksonie 1
Genotyp -9/-9 największa ilość cząsteczek receptora
Allel -9
-Mniejsze ryzyko nadciśnienia tętnicze-
-Wyższa efektywności metaboliczna mięśni szkieletowych
-Lepsze wyniki w sportach wytrzymałościowych wymagająca wysiłku tlenowego
Genotyp +9/+9 ryzyko przerostu lewej komory serca w odpowiedzi na wysiłek
Gen NOS3
Koduje synteza 3 tlenku azotu
Locus 7q6
NO pośredniczy w procesie rozkurczania naczyń krwionośnych
Polimorfizm SNP (G894T) - (Glu 298Asp)
Allel T - obniżenie aktywności enzymu NOS3 - zmniejszenie ilości powstającego w naczyniach NO - podwyższ oczne ryzyko chorób naczyniowych
Allel G - prawidłowa aktywność NOS3 - właściwy poziom NO
Genotyp GG - poprawienie wskaźników wytrzymałościowych u sportowców przez zwiększenie pojemności tlenowej mięśni na skutek wzrostu przepływu krwi zależnego od rozszerzającego naczynia NO
Receptory adrenergiczne
Receptory adrenergiczne alfa
-pobudzane przez noradrenaline
Biorą udział w regulacji ciśnienia tętniczego krwi
Receptory adrenergiczne beta
-pobudzane przez adrenalinę
Regulują kurczliwość mięśnia sercowego i napięcia mięśni gładkich
Białek receptorowe adrenergicznych kodowane sa przez 9 genów. W 8 z nich z wyjątkiem genu ADRA1D stwierdzono występowanie polimorfizmów z których część ( ARDRA2A. ADRA2C, ADRB1, ADRB2 ADRB3 ) może mieć wpływ na osiąganie wyniki sportowe oraz zmiany w organizmie
Gen AACTN3
Koduje alfa- aktyninę 3
Locus 11q13.1
Alfa-akttynina - ()!AA - 901 aminokwasów
-należy do rodziny białek wiążących aktynę w miofibryllach komórek mięśni poprzecznie prąąkowanych
Występuje w obrębie linii Z
Ulega ekspresji wyłącznie we włóknach szybkokurczliwych typu II
Funkcje
odpowiada za
-Przenoszenie siły na błonę. Z podczas szybkich skurczów mięśnia
-powstawanie włókien mięśniowych typu II
-Minimalizację uszkodzeń powstających podczas skurczów mięśni
Wpływa na metabolizm węglowodanów w odpowiedzi na trening
Polimorfizm Arg577 STOP ( r577x) powstawanie krótszego białka
Allel R - prawidłowy
Allel X zmutowany
Genotyp XX - brak biosyntezy alfa aktyniny 3
-bardzo rzadki u sporterów
-poprawia wydolność wytrzymałościowa
-częsty u sportowców dyscyplin wytrzymałościowych
Genotyp RR - pełna biosynteza alfa aktyniny 4
-związany ze wzrostem wydolności sprinterskiej
0czesty u sprinterów
Gen MSTN
Koduje miostatynę - transformujący czynnik wzrostu TGF
Negatywny regulator wzrostu mięśni
Gen ulega ekspresji wyłącznie w mięśniach szkieletowych we włóknach typu I i typu II
Mutacje punktowe - tranzycie SNP, delecje, inwersje - powstawanie nieaktywnego białka - przerost mięśni na drodze hiperplazji i hipertrofii
Gen PPAR-alfa
Koduje jądrowe receptory aktywowane proliferatorami peroksysomów typu alfa
Locus 22q12-q13.1
Czynnik transkrypcyjny kontrolujący ekspresje genów enzymów biorących udział w metabolizmie lipidów
Pobudzanie beta oksydacji kwasów tłuszczowych
Ekspresja : wątroba, tkanka tłuszczowa, mięsnie szkieletowe, mięsień sercowy
Gen PGC-1
Koduje koatywator receptora PPARy
Locus 4p
Gen AMPD1
Koduje mięśniowa deaminazę AMP
Locus 1p13-p21
Deaminaza AMP - ważny regulator metabolizmu energetycznego mięśnia w czasie wysiłku
Ekspresja genu AMPD1 aktywoawana jest w trakcie długotrwałego wysiłku powodującego wzrost poziomu AMP w mięśniach szkieletowych
AMPD umożliwia wydajna produkcje ATP
Polimorfizm
Tranzycja C34T
Allel T - powstawanie kodonu STOP
Występuje z częstością 15-20% u rasy białej
2x rzadziej u sportowców
Całkowity brak deaminazy AMP (homozygota TT - znaczne obniżenie wydolności organizmu
U heterozygot CT można mieć spoko wyniki
Gen CK
Koduje kinazę keratynową
CK katalizuje reakcję przeniesienia grupy fortranową z fosfokreatyny na ADP-ATP
Podjednostki M- mięśniowa - mięśnie szkieletowe i serce
B - Mozgowa - mięsień sercowy
Dimery - MM Lub BB - i hetero dimery MB
2 podjednostki
Polimorfizm
a/g - rozpoznany przez enzym
genotyp AA - 6krotnie wyższy poziom kinazy kreatyninu w odpowiedz na trening
predyspozycja do uprawniania sportów szybkościowo-siłowych, podatnością na zmęczenie
genotyp GG - zwiększona odporność na zmęczenie i zwiększona pojemność tlenowa mięśni
zwiększenie wydolności sercowo - oddechowej i pobieranie tlenu w czasie 20tyg wysiłku
doping genowy
terapia genowa
wprowadzenie prawidłowego genu do komórki w której brakuje określonego genu lub występuje on w zmutowanej formie cel terapii genowej - to usunięcie lub skorygowanie defektu genetycznego
doping genowy
nieterapeutyczne zastosowanie terapii genowej w celu zwiększenia szans na osiąganie sukcesu sportowego
dupa dupa dupa dupa dupa dupa
doping genowy
korekcja uszkodzonych genów
uzupełnienie ich wrodzonego braku przez wprowadzenie pożądanej sekwencji DNA do genomu organizmu poddanego dopingowi genowemu
doping genowy wg WADA - użycie komórek, genów, elementów genetycznych lub modyfikacji ekspresji genów do celów nieterapeutycznych, mających na celu zwiększenie osiągnięć sportowych.
Strategie terapii genowej
Strategia In vivo
Dostarczanie genów terapeutycznych w sportach do organizmu pacjenta
Strategia ex vivo
-pobranie komórek pacjenta
-Modyfikacja genetyczna
-Namnożenie
-wprowadzenie do organizmu pacjenta
Do wprowadzenia genu stosuje się odpowiednie wektory
Ogólne zasady działania terapii genowej
Z genomu wirusa usuwa się geny chorobotwórcze a na ich miejsce wstawiane techniczne DNA
Zmienionym wirusem zaraza się pacjenta
Lecznicze wirusy docierają do komórek , gdzie odczytywany jest przeniesiony na nie gen. Komórki podejmują normalną funkcję
Rodzaje terapii genowej
Dodawanie genów
- gen uszkodzony pozostają w swoim locus a gen terapeutyczne jest wprowadzony w inne miejsce chromosomu
Zamiana genów - wymiana genu zmutowane na genie prawidłowy w procesie tzw. somatycznej rekombinacji
Metody wprowadzenia
Metody biologiczne
Wektory wirusowe - RNA retrowirusy
DNA - adenowirusy
Plazmidy
Metody fizyko-chemiczne
Fuzja DNA z liposomami
Elektroporcja
Mikroiniekcja dojądrowa
Zastosowanie terapii genowe j w sporcie
W leczeniu urazów i kontuzji
Wprowadzenie bezpośrednio w miejsce urazów, genów odpowiednich czynników wzrostu ( IGH1 EGF - znacznie przyspiesza regeneracje chrząstek stawowych, więzadeł, ścięgien
Stosowanie dopingu genowego w sporcie
Podanie genu kodującego erytropoetyne EPO - stymulator erytropoezy - wzrost liczby czerwonych krwinek, lepsze ukrwienie i utlenowanie mięśni
Podanie genu VEGF - kodującego czynnik wzrostu śródbłonka naczyń - zwiększenie ilości naczyń krwionośnych - poprawa ukrwienia i utlenowania mięśni
Inne
Gen kodujący insulinopodobny czynnik wzrostu IGF-1
Gen miostatyny MSTN
gen hormonu wzrost GH
Geny czynników indukowanych hipoksją HIF
Doping genowy posiada potencjał stworzenia super sportowca kosztem zasad etyki sportowej i zdrowia sportowca
Temat 2
Dziedziczenie mendlowskie
Zagadnienia
Dziedziczenie jednej cechy
Dziedziczenie dwóch cech niezależnych
Dziedziczenie dwóch cech sprzężonych ze sobą
Dziedziczenie cech sprzężonych z płcią
Wykonywanie krzyżówek na dziedziczenie wyżej wymienionych cech.
Gen - fragment DNA charakteryzujący się określoną sekwencją nukleotydów które warunkują daną cechę.
Sekwencję różnych genów różniących się od siebie to allele.
Allel to gen należący do określonej pary genów warunkujących różnią odmianę tej samej cechy.
Allele zajmują to samo loci
Locus - pozycja zajmowana przez gen na chromosomie.
Genom - to suma genów w organizmie
Genotyp - genetyczna budowa danej jednostki, informacja zawarta materiale genetycznym organizmu
Fenotyp - zespół cech organizmu które ujawniają się na zewnątrz, jest on efektem działania genów i środowiska
Gen dominujący - to gen warunkujący dana cechę ujawniającą się w fenotypie, maskuje on działanie genu recesywnego
Gen recesywny - to gen warunkujący ujawnienie się danej cechy w fenotypie jeżeli jest ot układ homozygotyczny
Chromosomy homologiczne - to takie chromosomy które w tych samych loci posiadają geny warunkujące tę samą cechę.
Zygota może być :
Homozygotą dominującą
Homozygotą recesywną
Heterozygota
Dziedziczenie jednej cechy A czerwona. A białe
P AA x aa
G A A a a
F1 Aa Aa
Pierwsze prawo menda
Prawo czystości gamet - mówi ono o tym że gameta zawiera jeden allel danej pary; do każdej gamety przechodzi po jednym genie z danej pary
Jeżeli mamy heterozygota w 4 parach alleli homozygote w jednej parze alleli to ile rodzajów gamet wyprodukuje takich osobnik?
AaBbCcDdEE
Wyprodukuje 16
Wzór na liczbę gamet 2 do N (liczba par genów w układzie heterozygotycznym
Jak jest homozygota EEGG 2 do zera = 1
Krzyżówka na dwie cechy niezależne( geny warunkujące te cechy leżą na 2 różnych parach chromosomów
A zioła zielone B gładkie b szorstkie
P AABB x aabb
G AB AB ab
F1 AaBb
Fenotyp żółte gładkie
P AaBb x AaBb
G AB ab
Druga reguła mendla
Reguła niezależności dziedziczenia się - mówi o tym, ze cecha uwarunkowana jedna para genów dziedziczy się niezależnie od cechy uwarunkowanej druga parą genów pod warunkiem, że geny warunkujące te cechy leżą na dwóch różnych parach chromosomach.
Przypadek 1.
Geny leża na dwóch różnych parach chromosomów
AABB x aabb
Przypadek 2 geny warunkujące cechy leżą na tej samej parze chromosomów
Jeżeli w zadaniu jest powiedziane ze geny są na 2 różnych parach albo dziedziczą się nie zależnie to wzór 2 do n wtedy wyjdzie 9:3:3:1
Jeżeli 2 geny warunkujące cechy leżą na tym samych chromosomie to 1:2:1
Dziedziczenie cech sprzężenie z płcią
Cechy sprzężone z płcią to cechy uwarunkowane przez geny leżące na chromosomach płci.
Muszka owocowa ma dominujący
+czerwone, w - białe
Chromosom y odwrotna jedynka
Hemofilia
Kobieta której ojciec miał hemofilie miała zdrowa matkę, poślubiła zdrowego faceta, jakie jest prawdopodobieństwo, ze dzieci będą chore.
Kobieta z normalnym wzrokiem miała ojca ślepego na barwę czerwoną ma dzieci z mężem o wzroku normalnym, jaki wzrok będą miały dzieci