Genetyka mendlowska - skrót wykładów
Twórcą podstawowych reguł dziedziczenia był Grzegorz Mendel.
W wyniku swoich wieloletnich badań nad dziedziczeniem cech u
roślin wysnuł wniosek, że dziedziczenie polega na przekazywaniu
potomstwu materialnych czynników, które nazwał zawiązkami
cech. Zawiązki w jakiś bliżej nieznany sposób określały postać
cech, inaczej mówiąc, były ich determinantami
Przekazywanie genów w procesie rozmnażania płciowego
. Podstawowym sposobem rozmnażania jest rozmnażanie płciowe.
W diploidalnych organizmach występują dwa zestawy chromosomów: ojcowski
i matczyny. Są to zestawy homologiczne, co oznacza, że chromosomy jednego rodzica dokładnie odpowiadają chromosomom drugiego, choć nie są ich identycznymi kopiami.
Każdy z chromosomów komórki diploidalnej ma więc partnera, z którym tworzy tzw. parę chromosomów homologicznych.
Oba chromosomy w parze mają dokładnie taką samą budowę fizyczną - długość całkowitą, długość ramion, kształt i taki sam układ genów. Każdy gen w komórce jest więc reprezentowany przez dwie kopie: ojcowską i matczyną.
Pozycja zajmowana przez gen w chromosomie nosi nazwę locus (miejsce). Geny zajmujące odpowiadające sobie pozycje w chromosomach homologicznych mogą być albo identyczne, albo nieco się od siebie różnić.
Różnice polegają na niewielkich zmianach w sekwencji DNA i mogą wpływać na cechę, którą dany gen determinuje. Różne postacie tego samego genu nazywamy allelami.
W wyniku mejozy chromosomy homologiczne się rozdzielają. Powstają
haploidalne gamety, które zawierają połowę liczby chromosomów obecnych
we wszystkich pozostałych, diploidalnych komórkach organizmu.
Po zapłodnieniu powstaje zygota, w której następuje odtworzenie diploidalnej
liczby chromosomów w wyniku procesu replikacji.
Mendel nic nie wiedział o procesie mejozy który poprzedza wytwarzanie gamet.
Każda cecha organizmu jest określana przez parę genów, tj. przez gen od ojca i gen od matki. Gameta może zawierać jeden i tylko jeden gen z każdej pary, w przeciwnym razie w każdym kolejnym pokoleniu liczba genów by się podwajała.
Dziś wiemy, że mendlowskie zawiązki to geny niosące informację o budowie białek. Białka jako enzymy, czynniki regulatorowe lub elementy strukturalne komórek wpływają bezpośrednio na postać cech (np. kolor oczu, grupę krwi itd.).
GEN - podstawowa jednostka dziedziczenia przekazywana
potomstwu przez rodziców czyli odcinek DNA znajdujący się
w chromosomie
ALLELE - różniące się nieco od siebie (alternatywne) postacie
genu, zajmujące ten sam locusw chromosomach homologicznych
LOCUS - miejsce zajmowane przez konkretny gen w chromosomie
HOMOZYGOTA - organizm diploidalny, mający (w odniesieniu
do konkretnego genu) identyczne allele w obu chromosomach
homologicznych, tj. w chromosomie od ojca i w odpowiadającym mu
chromosomie od matki
HETEROZYGOTA - organizm diploidalny, mający (w odniesieniu do konkretnego genu) różne allele w chromosomie od ojca i w chromosomie od matki
GENOTYP - zbiór wszystkich alleli zawartych w DNA organizmu .
Genotyp charakteryzuje organizm na poziomie genów.
FENOTYP - uwarunkowane przez genotyp cechy organizmu, które ujawniają się w danym środowisku
ALLEL DOMINUJĄCY - jeśli determinowana przez niego cecha ujawnia się fenotypowo, niezależnie od tego, czy w locus występuje on w postaci homozygoty, czy heterozygoty.
ALLEL RECESYWNY - ujawnia się w fenotypie tylko wtedy, gdy występuje on w postaci homozygoty.
Allel dominujący zawsze maskuje efekt fenotypowy allelu recesywnego.
Krzyżówka jednogenowa i reguła czystości gamet (pierwsze
prawo Mendla)
Mendel zastosował w swoich badaniach analizę statystyczną.
Liczył i zapisywał wyniki setek krzyżówek a następnie szczegółowo badał stosunki ilościowe między potomstwem o różnych fenotypach. Analiza wyników pozwoliła mu wartości średnie, co stało się podstawą podstawą do formułowania wniosków odnoszących się do ogólnych reguł dziedziczenia.
W ten sposób odkrył zasadę dominacji i recesywności, i sformułował regułę czystości gamet (pierwsze prawo Mendla).
Reguła ta stwierdza, że w gametach allele tego samego genu nawzajem się wykluczają, co oznacza, że gameta może zawierać tylko jeden allel danego genu.
Allele oznaczamy za pomocą wielkich i małych liter liter.
- allel dominujący - zapisujemy dużą literą
- allel recesywny zapisujemy małą literą
Gen warunkujący cechę może być w chromosomie reprezentowany przez jeden z dwóch alleli.
DD - genotyp rośliny rodzicielskiej o kwiatach czerwonych (w każdym z chromosomów homologicznych, zawierających gen barwy kwiatów, ten gen jest reprezentowany przez allel D.
dd - genotyp rośliny rodzicielskiej o kwiatach białych (w każdym z chromosomów homologicznych zawierających gen barwy kwiatów, ten gen jest reprezentowany przez allel d)
F1 - pierwsze pokolenie mieszańców (wynik krzyżówki roślin rodzicielskich
Wszystkie rośliny tego pokolenia są mają kwiaty czerwone, reprezentują więc cechę tylko jednego z rodziców.
Po skrzyżowaniu ze sobą roślin pokolenia F1 uzyskujemy pokolenie F2 zwane drugim pokoleniem mieszańców.
W pokoleniu F2 ponownie pojawiają się białe kwiaty, występują one jednak tylko u 1/4 wszystkich roślin. Pozostałe 3/4 roślin Pokolenia F2 mają kwiaty czerwone
Rośliny F1 mogą więc mieć tylko jeden genotyp: Aa. Są one heterozygotami ze względu na gen barwy kwiatów. Z faktu wykazywania przez nie fenotypu czerwonych kwiatów wynika, że allel A,determinujący czerwoną barwę kwiatów jest dominujący w stosunku do allelu a, warunkującego biąłą barwę kwiatów
W pokoleniu F2 pojawiają się rośliny o kwiatach zarówno białych i czerwonych, ponieważ w przypadku heterozygoty połowa gamet żeńskich i męskich ma genotyp A, a połowa d. W wyniku zapłodnienia mogą powstać wszystkie kombinacje gamet, a więc: AA, Aa i aa. Ponieważ allel A ma dominujący charakter, rośliny o kwiatach czerwonych mogą mieć genotyp homozygoty AA albo heterozygoty Aa, natomiast rośliny o kwiatach białych mogą mieć tylko genotyp homozygoty aa. Wyniki krzyżówki możemy zapisać za pomocą szachownicy Punneta co bardzo ułatwia analizę związku między genotypem a fenotypem.
Jest to szachownica, na której dwóch krawędziach wypisujemy genotypy gamet wytwarzanych przez rodziców. To umożliwia natychmiastowe odczytanie geotypów potomstwa i ustalenie, w jakich proporcjach występują. W wypadku dziedziczenia jednogenowego, w sytuacji, gdy jeden z alleli jest dominujący, stosunek fenotypów dominujących do recesywnych w pokoleniu F2 wynosi 3:1.
Krzyżówka testowa
W pokoleniu F2, otrzymanym w krzyżówce rośliny AA
(homozygoty dominujące) i Aa (heterozygoty) mają
identyczny fenotyp - są wysokie. W celu stwierdzenia, czy mamy do czynienia z heterozygotą,czy z homozygotą, musimy wykonać krzyżówkę testową.
Polega ona na skrzyżowaniu organizmu pokolenia F2 (w naszej
krzyżówce: rośliny grochu o dominującym fenotypie wysokiego
wzrostu) z organizmem rodzicielskim będącym homozygotą
recesywną (w naszej krzyżówce: niskie rośliny o genotypie aa).
Jeśli w potomstwie pojawiają się wyłącznie
rośliny wysokie, to znaczy, że mieliśmy do czynienia z
homozygotą AA. Natomiast, jeśli w potomstwie pojawiają się
rośliny zarówno wysokie, jak i niskie, to to oznacza, że badana
roślina byłaheterozygotą Aa.
Wynik krzyżówki testowej wskazuje od razu, czy badana
wysoka roślina pokolenia F2 była homozygotą, czy
heterozygotą.
P: Aa x aa AA x aa
G: A, a x a, a A, A x a, a
F1: Aa, Aa, aa, aa Aa, Aa, Aa, Aa
Analiza rodowodów umożliwia badanie dziedziczenia cech.
Jest możliwa tylko wtedy,gdy istnieją w miarę dokładne dane dotyczące jej historii
i cech fenotypowych przedstawicieli poszczególnych pokoleń. Po prześledzeniu
sposobu dziedziczenia jakiejś cechy w rodzinie będziemy mogli stwierdzić, czy
badana cecha jest determinowana przez allel dominujący (wówczas cecha pojawia
się w każdym pokoleniu u jednej lub więcej osób, wykazują ją bowiem wszystkie
heterozygoty), czy recesywny (taka cecha pojawia się rzadko, np. raz na kilka
pokoleń, ponieważ wykazują ją tylko homozygoty recesywne).
Rodowód to historia danego organizmu uwzględniająca:
- jego pochodzenie
- stosunki pokrewieństwa
- następstwo pokoleń.
W genetyce drzewo rodowe pozwala na śledzenie sposobu dziedziczenia jakiejś konkretnej cechy (lub cech) w ciągu kolejnych pokoleń. Jest to schemat, w którym:
- osobniki żeńskie są oznaczone kółkami, a osobniki męskie kwadratami
- pozioma linia łącząca dwa osobniki oznacza krzyżowanie.
- kolejne pokolenia są oznaczone liczbami rzymskimi
- kolejne osobniki w pokoleniu - liczbami arabskimi
- różne kolory kółek lub kwadratów oznaczają odmienne fenotypy
Analiza rodowodu jakiejś rodziny jest możliwa tylko wtedy, gdy istnieją w miarę dokładne dane dotyczące jej historii i cech fenotypowych przedstawicieli poszczególnych pokoleń. Po prześledzeniu sposobu dziedziczenia jakiejś cechy w rodzinie będziemy mogli stwierdzić, czy na przykład badana cecha jest determinowana przez:
- allel dominujący - cecha pojawia się w każdym pokoleniu u jednej lub więcej osób, wykazują ją bowiem wszystkie heterozygoty
- allel recesywny - taka cecha pojawia się rzadko, np. raz na kilka pokoleń, ponieważ wykazują ją tylko homozygoty recesywne)
Podsumowanie
- krzyżowanie jednogenowe umożliwia badanie dziedziczenia
przeciwstawnych cech determinowanych przez jeden gen
(np. gen determinujący wysokość u grochu)
- w wyniku krzyżowania homozygot rodzicielskich o
przeciwstawnych cechach (tj. homozygoty dominującej z
homozygotą recesywną), w pokoleniu F1 pojawiają się
wyłącznie heterozygoty o fenotypie określonym przez allel
dominujący
-
-wyniku skrzyżowania osobników F1 w pokoleniu F2
pojawiają się osobniki o cechach rodzica będącego
homozygotą recesywną (1/4 potomstwa). Wynik ten wskazuje,
że w gamecie może się znajdować jeden i tylko jeden allel
danego genu. Jest to reguła czystości gamet, czyli
pierwsze prawo Mendla.
- w celu stwierdzenia, czy osobnik o fenotypie dominującym
jest homo-, czy heterozygotą, trzeba wykonać krzyżówkę
testową, polegającą na skrzyżowaniu go z homozygotą
recesywną w danym genie,
P:
Aa x aa AA x aa
G: A, a x a, a A, A x a, a
F1: Aa, Aa, aa, aa Aa, Aa, Aa, Aa
Cechy sprzężone z płcią. Wraz z płcią dziedziczą się cechy determinowane przez geny
znajdujące się w chromosomach płci. Cechy te określa się
jako sprzężone z płcią.
Sposób ich dziedziczenia różni się od dziedziczenia cech
determinowanych przez inne geny.
Większość genów występujących w stosunkowo dużym
chromosomie X nie ma żadnych odpowiedników w
niewielkim chromosomie Y.
Rodzi to poważne konsekwencje dla mężczyzn.
Kobieta, w której genotypie są obecne dwa chromosomy X, ma zawsze do dyspozycji dwa allele każdego znajdującego się w nich genu. Natomiast mężczyzna, który ma pojedynczy
chromosom X, dysponuje tylko jednym allelem każdego
występującego w nim genu.
Pojawienie się w chromosomie X kobiety allelu recesywnego,
którego funkcja jest upośledzona w stosunku do funkcji allelu
normalnego, nie wywołuje na ogół żadnego negatywnego
efektu. Allel recesywny jest bowiem maskowany przez allel
dominujący znajdujący się w drugim chromosomie X.
Jeśli natomiast allel recesywny pojawi się w pojedynczym
chromosomie X mężczyzny, jego negatywny efekt natychmiast
się ujawni.
Typowymi przykładami niekorzystnych cech fenotypowych
sprzężonych z płcią u człowieka są niektóre choroby, np.
-Hemofilia
- daltonizm
dystrofia mięśniowa Duchenne'a.
Odstępstwa od stosunków mendlowskich w krzyżówkach
jednogenowych
. Dominowanie niezupełne i kodominacja
Odkryte przez Mendla zjawisko dominacji i recesywności alleli
nie jest uniwersalne. W wielu wypadkach allele zajmujące ten
sam locus nie wykazują ani dominacji, ani recesywności - są
jednakowo ważne.
Oznacza to, że w heterozygocie fenotypowo przejawiają się efekty obu różniących się alleli.
Pojawia się cecha pośrednia, a takie allele wykazują
dominowanie niezupełne.
Przykładem jest dziedziczenie białej i czerwonej barwy kwiatu
u wyżlinu. Potomstwo uzyskane ze skrzyżowania rośliny
czystej linii o kwiatach białych z rośliną czystej linii o kwiatach
czerwonych nie wykazuje barwy kwiatów żadnego z rodziców,
czego należałoby oczekiwać w sytuacji, gdyby występowało
zjawisko dominacji i recesywności. Okazuje się, że barwa
kwiatów w pierwszym pokoleniu potomstwa jest różowa, co
jest wypadkową barw rodzicielskich.
P: AA x aa
czerwony biały
G: A, a x a, a
F1: Aa, Aa, różowy
Jeśli u potomstwa heterozygotycznego występuje postać
cechy determinowana zarówno przez jeden, jak i przez drugi
allel w danym locus, czyli obie postacie cechy niezależnie od
siebie, to takie allele nazywamy allelami kodominującymi.
Przykładem kodominacji alleli jest dereszowate
umaszczenie u koni i bydła. Charakteryzują się one siwymi
plamami na szyi, tułowiu i nogach (efekt jednego allelu)
na tle jednolitej barwy (efekt drugiego allelu).
Allele wielokrotne
W dużej populacji, zwykle spotykamy więcej niż dwa
rodzaje alleli genu występującego w danym locus.
Pojedynczy osobnik w konkretnym locus nadal
będzie miał najwyżej dwa różne allele, chodzi jednako to,
że mogą one reprezentować kilka różnych rodzajów cech.
Na przykład, jeżeli w populacji występują cztery różne allele
genu X (oznaczmy je: X1, X2, X3 i X4), to można spotkać
takie osobniki, które mają w genotypie:
X1X2, X1X3, X1X4, X2X3, X2X4 lub X3X4.
Jeżeli liczba różnych alleli danego locus, spotykana wśród
osobników populacji, wynosi co najmniej trzy, to takie
allele nazywamy allelami wielokrotnymi.
Przykładem alleli wielokrotnych są allele determinujące główne grupy krwi (ABO) u człowieka.
U ludzi występują trzy różne allele determinujące
rodzaj antygenu na powierzchni krwinek czerwonych:
IA, IB oraz i°
Grupa krwi zależy od kombinacji tych alleli w parze
występującej u danego człowieka.
W wypadku alleli IA oraz IB występuje kodominacja (efekty obu
alleli ujawniają się u heterozygoty niezależnie od siebie),
Allele IA i IB są dominujące, natomiast i° jest allelem
recesywnym.
Plejotropia
Omawiane dotychczas przykłady dziedziczenia dotyczyły prostej relacji między genem a cechą: konkretny gen determinuje konkretną cechę.
W przypadku wielu genów relacje te są znacznie bardziej złożone. Wiemy, że u organizmów o złożonej budowie ciała większość genów wpływa nie na jedną, lecz na wiele cech.
Właściwość polegającą na wywoływaniu przez pojedynczy gen wielu różnorodnych efektów nazywamy plejotropia.
Przykładem jest albinizm; brak barwnika spowodowany
zmianą w pojedynczym locus (czyli efekt pojedynczego
genu) przejawia się w postaci wielu różnych cech
fenotypowych: w barwie skóry, włosów czy tęczówki oka.
Podsumowanie
Proporcje fenotypów w potomstwie krzyżówki jednogenowej nie będą odpowiadać typowym stosunkom mendlowskim gdy:
- allele determinujące przeciwstawne postacie cechy
(np. białą i czerwoną barwę kwiatu) nie wykazują ani
całkowitej dominacji, ani recesywności (zjawisko dominacji
niezupełnej)
- liczba różnych alleli, które mogą zajmować dany locus, jest większa niż dwa (tzw. allele wielokrotne, np. dziedziczenia grup krwi ABO).
Większość genów wykazuje efekt plejotropii, tj. wpływa
jednocześnie na różne cechy.
Dziedziczenie dwugenowe
A - nasiona żółte, a - nasiona zielone
B - nasiona pomarszczone, b - nasiona gładkie
- AABB - rośliny o nasionach żółtych i pomarszczonych
- aabb - rośliny o nasionach zielonych i gładkich
Reguła niezależnej segregacji genów - drugie prawo Mendla:
Na podstawie wyników krzyżówki dwugenowych Mendel
sformułował regułę niezależnej segregacji (drugie prawo
Mendla):
allele dwóch różnych genów są rozdzielane (segregują) do gamet niezależnie od siebie i w sposób całkowicie losowy
Krzyżówka testowa - odróżnianie homozygot od
heterozygot w krzyżówkach dwugenowych
W krzyżówkach dwugenowych również nie można na
podstawie fenotypu odróżnić w potomstwie pokolenia F2
homozygot dominujących od heterozygot.Nie można
wskazać, która roślina pokolenia F2 ma genotyp AABB,
a która AaBb. Skrzyżowanie osobnika dominującego fenotypowo (AABB lub AaBb) z rodzicielską homozygotą recesywną (aabb) (krzyżówka testowa) rozkład fenotypów potomstwa wskaże
nam, czy mieliśmy do czynienia z podwójną homozygotą
dominującą, czy z podwójną heterozygotą. Jeśli w
potomstwie uzyskanym z krzyżówki testowej wszystkie
cztery możliwe fenotypy występują w proporcji 1:1:1:1,
to świadczy to o tym, że badany organizm był podwójną
heterozygotą.
P: AABB x aabb
G: AB, AB x ab, ab
F1: AaBb, AaBb,
P: AaBb x aabb
G: AB, Ab, aB, ab x ab, ab
F1: AaBb, Aabb, aaBb, aabb
1 : 1 : 1 : 1
Geny sprzężone i sposób ich dziedziczenia
Dwa allele genów znajdują się w dwóch różnych
chromosomach. Liczba zawartych w nich genów może sięgać
nawet kilkudziesięciu tysięcy, zatem bardzo wiele genów jest
umiejscowionych w tym samym chromosomie. O takich
genach mówimy, że są sprzężone.
Takich genów nie dotyczy reguła niezależnej segregacji.
Jeżeli np. dla dwóch sprzężonych loci w chromosomie ojcowskim występuje układ alleli eF, a w homologicznym chromosomie matczynym - układ ef, to w gametach allele podczas segregacji chromosomów w mejozie jest wspólny, zatem muszą się one znaleźć w tej samej gamecie - są dziedziczone razem.
Rola crossing-over w dziedziczeniu dwugenowym
Za każdym razem, gdy dochodzi do tworzenia biwalentów w mejozie, część genów sprzężonych zmienia swoje położenie
a przyczyną tego zjawiska jest crossing-over, czyli wymiana (rekombinacja) odcinków między sąsiadującymi chromatydami w parach chromosomów homologicznych. W wyniku crossing-over w gametach pojawiają się nowe kombinacje alleli genów sprzężonych. Kombinacje te nie występują w chromosomach organizmów rodzicielskich. Potomstwo, u którego takie nowe, nierodzicielskie kombinacje alleli występują, określa się mianem rekombinantów.
Częstość crossing-over między dwoma loci w chromosomie jest tym większa, im większa jest fizyczna odległość między nimi.
Prawidłowość ta pozwala na określanie względnej odległości między genami występującymi w tym samym chromosomie, czyli na sporządzanie map genetycznych chromosomów.
Za umowną jednostkę odległości na mapie genetycznej przyjęto wartość odpowiadającą częstości crossing-over równej 1%.
Oznacza to, że jeżeli w krzyżówce badającej dziedziczenie dwóch sprzężonych loci częstość crossing-over wynosi 1%, to te loci leżą w odległości jednej jednostki mapowej zwanej też centi-morganem (cM)
Jeśli znamy odległość między dwoma genami, a także między każdym z nich a genem X, możemy ustalić położenie wszystkich trzech genów na mapie chromosomu.
Mapowanie genów na chromosomach
W przypadku genów sprzężonych krzyżówka testowa
(krzyżówka między podwójną heterozygotą a podwójną homozygotą recesywną) pozwala na wyznaczenie częstości crossing-over.
Dla dowolnych dwóch loci w chromosomie częstość crossing-over jest równa procentowi, jaki stanowią rekombinanty w całkowitej liczbie potomstwa.
P: AABB x aabb
G: AB, AB x ab, ab
F1: AaBb, AaBb, (1 : 1)
P: AaBb x aabb
G: AB, Ab, aB, ab x ab, ab
F1: AaBb, Aabb, aaBb, aabb
1 : 1 : 1 : 1
-A---------------------------------D------------
!0 cM
Częstość c.o. między genami A i B wynosi 10 % (!0 cM)
-A--------X-----------------------D------------
3 cM 7 cM
Częstość c.o. między genami X i D wynosi 7 % (7 cM)
Częstość c.o. między genami X i A wynosi 3 % (3 cM)
To oznacza że gen X leży między genami A i D
-a----------b--------------------------------c-
Częstość c.o. między genami a i b wynosi 1,5 %
Częstość c.o. między genami b i c wynosi 5 %
Wtedy 1,5 % + 5 % = 6,5 %
częstość c.o. między genami a i c wynosi 6,5 %
Krzyżówka testowa
P: AaBb x aabb
G: AB, Ab, aB, ab x ab, ab
F1: AaBb, Aabb, aaBb, aabb
1 : 1 : 1 : 1
Np. w populacji rozkład cech kodowanych przez Aa i Bb nie jest typowy, pojawiaja się, nowe, nietypowe fenotypy jako wynik c. o. w liczbie 5 % jeden i 5 % drugi 45 % + 5 % (jedna cecha) 45 % + 5 % (druga cecha)
Wtedy częstość występowania crossing-over między loci Aa i Bb wynosi 10%. Wartość tę obliczyliśmy, dodając do siebie liczbę rekombinantów obu rodzajów (5+5), a następnie dzieląc uzyskaną sumę przez całkowitą liczbę potomstwa (45+5+5+45) i mnożąc przez 100.
Rodzaje zmienności a cechy organizmu
Zmienność nieciągła
- determinowana jest przez pojedynczy gen reprezentowany przez jeden z dwóch lub (w wypadku grup krwi) większej liczby alleli (między analizowanymi cechami nie było żadnych form pośrednich np. nie było grupy krwi o typie pomiędzy A i AB).
Tego rodzaju zmienność dziedziczy się zgodnie z regułami Mendla.
Zmienność ciągła
- determinowana jest zwykle przez wiele różnych genów (poligeny)których efekty fenotypowe się sumują. Większość cech organizmów ( np. kolor skóry, kształt poszczególnych części ciała czy wysokość) zmienia się w sposób ciągły. Cechy człowieka zmieniają się płynnie między postaciami skrajnymi.
Ogromna liczba możliwych kombinacji alleli w poligenach decyduje o tym, że wśród organizmów występują wszystkie możliwe ilościowe warianty danej cechy.
Dziedziczenie poszczególnych poligenów odbywa się zgodnie z regułami Mendla.
Dziedziczna i niedziedziczna zmienność organizmów (zmienność osobnicza)
zmienność genetyczna - różnice między osobnikami należącymi do tego samego gatunku są dziedziczne
zmienność środowiskowa (zmienność fluktuacyjna) -
różnice między osobnikami należącymi do tego samego gatunku są niedziedziczne
Przyczyny zmienności genetycznej:
- mutacje (drobne różnice między allelami)
- crossing-over mechanizm wtórny w stosunku do mutacji,
- rekombinacja wewnątrzchromosomowa (przetasowanie
genów w chromosomach)
- rekombinacja międzychromosomowa (przypadkowa i
niezależna segregacja chromosomów w mejozie
Zmienność środowiskowa
- wynika z oddziaływania na organizmy różnorodnych czynników np.
- wraz z lepszym odżywianiem się wzrasta średni wzrost ludzi (tylko do maksymalnej wartości określonej przez poligeny warunkujące tę cechę)
- z identycznych dwóch nasion, z których jedno rośnie w podłożu bogatym w sole mineralne, a drugie w podłożu ubogim, wyrosną rośliny znacznie różniące się wysokością.
Ostateczna postać danego organizmu jest więc zawsze wypadkową genotypu (programu zakodowanego w genach) i środowiska, w którym ten organizm się rozwinął i funkcjonuje.
Rodzaje mutacji - przebieg, znaczenie oraz przyczyny ich powstawania
Mutacje - nagłe, skokowe, bezkierunkowe zmiany w DNA, w wyniku których pojawia się organizm zwany mutantem.
Nowo powstałe zmiany w organizmie, jeśli nastąpiły w komórkach płciowych (gametach), są przekazywane z pokolenia na pokolenie.
- mutacje somatyczne (dotyczące komórek ciała)
- mutacje generatywne (dotyczące gamet).
Mutacje somatyczne - np. nierówno zabarwione oczy człowieka, (jedno niebieskie, drugie brązowe lub część oka niebieska, część brązowa), winogrona bez nasion, odmiany jabłoni i gruszy bez nasion. Mutacje somatyczne nie są dziedziczone i występują tylko u danego osobnika.
Mutacje generatywne:
- genowe, dotyczą zmian sekwencji nukleotydów w
obrębie genu. czyli na małym odcinku DNA
- chromosomowe, dotyczą zmian struktury
chromosomów
- genomowe, dotyczą zmian liczby chromosomów.
Mutacje genowe (punktowe) powstają w wyniku zmiany sekwencji nukleotydowej genu (powstaje nowy allel genu)
U organizmów diploidalnych może nie przejawiać się fenotypowo w powstającej heterozygocie.
kodony mRNA -
UUU AUC GUU AAA GUG -
sekwencja aminokwasów w kodowanym białku
insercja nukleotydu G za tripletem UUU
Phe Thr Val Lys Val
UUU GAU CGU UAA AGU G -
sekwencja aminokwasów w kodowanym nowym białku
Phe Asp Arg koniec
PRZYKŁADY PUNKTOWYCH MUTACJI DNA
t r a n z y c j a - zmiana jednej zasady azotowej
danego rodzaju (purynowej lub
pirymidynowej) na drugą tego
samego rodzaju, np. guaniny na adeninę
t r a n s w e r s j a - zamiana zasady purynowej na
pirymidynową bądź odwrotnie
d e l e c j a - wypadnięcia jednego nukleotydu
i n s e r c j a - wstawienia dodatkowego nukleotydu
Przykłady chorób będących wynikiem mutacji jednego genu
Albinizm
Objawy: bielactwo wrodzone
prawdopodobieństwo występowania:
1: 10 000
Leczenie: niemożliwe
Albinizm wywołany jest przez brak enzymu tyrozynazy przekształcającego prekursor melaniny w barwnik melaninę. Warunkuje go gen recesywny homozygotyczny. Cechę tę zalicza się do genetycznych anomalii pigmentacji, która jest niekorzystna dla osobnika.
Alkaptonuria, ochronoza, AKU - rzadka, choroba polegająca na enzymatycznym defekcie metabolicznym w szlaku przemian aminokwasów aromatycznych: tyrozyny i fenyloalaniny. Alkaptonuria jest dziedziczona w sposób autosomalny recesywny i charakteryzuje się wydalaniem z moczem dużych ilości kwasu homogentyzynowego (ciemniejącego na powietrzu), niebieskawo-czarnym zabarwieniem tkanki łącznej (ochronoza) oraz zmianami zwyrodnieniowymi stawów i kręgosłupa
prawdopodobieństwo występowania 1: 10 000
Anemia sierpowata (niedokrwistość sierpowata)
rodzaj wrodzonej niedokrwistości polegającej na nieprawidłowej budowie hemoglobiny
Mutacja punktowa w hemoglobinie powoduje zmianę pojedynczego aminokwasu w sekwencji białka (z kwasu glutaminowego na walinę). Zmieniona Hb charakteryzuje się zmienionymi w porównaniu z hemoglobiną A własnościami fizykochemicznymi.
Choroba dziedziczy się w sposób autosomalny recesywny, z allelem kodominującym. Ten rodzaj dziedziczenia polega na tym, że nosiciele tylko jednej kopii wadliwego genu (heterozygoty), w normalnych warunkach nie mają objawów klinicznych, jednak ich erytrocyty zawierają około 40% zmienionej Hb
Heterozygoty są również w dużym stopniu odporne na malarię. Zjawisko takie nazywa się przewagą heterozygot lub naddominacją.
Naddominacja powoduje, że na terenach występowania malarii mutacja powodująca anemię sierpowatą utrzymuje się w populacji.
Pląsawica Huntingtona - mutacja dominująca
Pląsawica Huntingtona - choroba Huntingtona, HD
atakuje ośrodkowy układ nerwowy, objawy to postępujące zmiany zwyrodnieniowe układu nerwowego, niekontrolowane ruchy oraz otępienie z upośledzeniem umysłowym.
Nasilenie objawów postępuje w czasie. zaburzenia ruchowe i Pląsawica Huntingtona dziedziczona jest autosomalnie dominująco.
prawdopodobieństwo występowania - 1 na 15 000 osób.
Hemofilie (to grupa trzech uwarunkowanych genetycznie skaz krwotocznych, których objawy wynikają z niedoborów czynników krzepnięcia: VIII (hemofilia A), IX (hemofilia B) lub XI (hemofilia C) .
Objawy: samoistne krwawienia, obniżenie krzepliwości krwi wskutek braku zdolności wytwarzania jednego z białek osocza, niezbędnego do krzepnięcia krwi.
Dziedziczenie: cecha recesywna sprzężona z płcią (zmutowany gen na chromosomie X)
Leczenie: podawanie czynnika krzepliwości krwi.
Na hemofilię chorują wyłącznie mężczyźni, kobiety są tylko nosicielkami wadliwego allelu.
Achondroplazja, chondrodystrofia, dwarfizm - wrodzona choroba (o dziedziczeniu autosomalnym dominującym) prowadząca do nieprawidłowego kostnienia śródchrzęstnego, co powoduje zaburzenie rozwoju pewnych kości w organizmie i karłowatość.
Objawy: nieproporcjonalna budową ciała karłowatość, duża czaszka, kończyny skrócone, kręgosłup zniekształcony. Powoduje to chód kaczkowaty. Osoby dotknięte tą chorobą, poza problemami z układem kostnym, nie mają innych wad i ich rozwój intelektualny jest normalny.
W postaci homozygotycznej, jest to mutacja letalna na poziomie zarodkowym - upośledzenie w życiu płodowym. Choroba ta w 80% przypadków powstaje de novo.
częstość występowania w populacji wynosi 1:77000 i wzrasta w przypadku ojca w wieku ok. 35 lat
Leczenie: niemożliwe
Fenyloketonuria, oligofrenia fenylopirogronowa
Objawy: zwiększone stężenie aminokwasu fenyloalaniny w osoczu krwi i płynie mózgowo-rdzeniowym U podłoża choroby leży mutacja genu odpowiedzialnego za aktywność enzymu hydroksylazę fenyloalaninową, który bierze udział w metabolizmie fenyloalaniny.
Długo utrzymujące się podwyższone stężenie fenyloalaniny w płynach ciała powoduje uszkodzenie rozwijającego się układu nerwowego i upośledzenie umysłowe.
Dziedziczenie: cecha recesywna (zmutowany gen na chromosomie 12)
Leczenie: wykluczenie z diety pokarmów zawierających fenyloalaninę.
Choroba Taya-Sachsa (gangliozydoza) choroba z grupy chorób spichrzeniowych, polegająca na gromadzeniu się substancji tłuszczowej - gangliozydu w komórkach mózgu
Objawy: nieprawidłowości w budowie i rozwoju układu nerwowego, upośledzenie umysłowe, ślepota, głuchota, śmierć w wieku 3 - 4 lat
Dziedziczenie: cecha recesywna, zmutowany gen na chromosomie 15.
Występuje głównie u Żydów Aszkenazyjskich, ponieważ co trzydziesty Żyd w tej grupie etnicznej jest nosicielem zmutowanego genu
Leczenie: niemożliwe
U 90% chorych na dnie oka stwierdza się tzw. objaw wisienki. W okresie niemowlęcym dochodzi do zaburzeń neurologicznych.. Możliwa jest diagnostyka prenatalna na podstawie badania aktywności enzymu w kosmkach trofoblastu lub amniocytach pobranych z płynu owodniowego. Stosowana jest także diagnostyka genetyczna.
Deuteranopia, daltonizm
jest jednym z ośmiu rodzajów ślepoty barw, czyli niezdolności do spostrzegania różnic pomiędzy niektórymi lub wszystkimi kolorami.
Nie ma dwu takich samych przypadków daltonizmu. Większość pacjentów nie odróżnia koloru czerwonego od zielonego lub nie widzi jedynie czerwonego. Inni nie są w stanie odróżnić odcieni barw. Są też tacy, którzy widzą świat czarno - białym. Osoba zdrowa rozpoznaje 10 000 kolorów, podczas gdy daltonista jedynie 2 000.
Wada wrodzona, dziedziczoną recesywnie w sprzężeniu z chromosomem X. Z tego też powodu znacznie częściej dotyczy mężczyzn (do 8%) niż kobiet (ok. 0,5%).
Leczenie: niemożliwe
Mukowiscydoza (zwłóknienie torbielowate trzustki), CF- wrodzona choroba ogólnoustrojowa o różnorodnej ekspresji klinicznej. Gruczoły śluzowe wytwarzają lepki śluz. W klasycznej (pełnoobjawowej) postaci objawia się skłonnością do zapalenia oskrzeli i płuc, niewydolnością zewnątrzwydzielniczą trzustki, niepłodnością oraz podwyższonym stężeniem chlorków w pocie.
Choroby dziedziczne sprzężone z płcią
W dorosłych, zróżnicowanych komórkach kobiety jednoczesna aktywność obu chromosomów X jest szkodliwa, dlatego w tych komórkach dochodzi do przekształcenia jednego z dwóch chromosomów X w nieaktywną, silnie skondensowaną strukturę zwaną ciałkiem Barra. Ciałko to jest widoczne pod mikroskopem jako ciemno barwiący się obszar heterochromatynowy. To, który z dwóch chromosomów X danej komórki przekształci się w ciałko Barra, jest przypadkowe. Dlatego w części komórek kobiety aktywny jest chromosom X odziedziczony po matce, a w części - chromosom X odziedziczony po ojcu. Mozaikowość ta uniezależnia kobietę od efektów mutacji w chromosomie X, mimo że ma tylko jedną jego aktywną kopię.
ABERRACJE (MUTACJE) CHROMOSOMOWE
Przykłady chorób genetycznych będących efektem aberracji chromosomowych (zmiana w ilości chromosomów w komórce)
Zespół Dawna
Objawy: charakterystyczny wygląd twarzy, mały nos, często nieprawidłowości w budowie czaszki, skośne oczy, fałdy skóry na szyi. upośledzenie umysłowe, niski wzrost i skrócenie długości życia.
Przyczyna: najczęściej trisomia 21 chromosomu, będąca wynikiem nondysjunkcji podczas wytwarzania komórek jajowych. Prawdopodobieństwo wystąpienia zespołu Downa u dziecka (przeciętnie 1:700) jest zależne od wieku matki (dla kobiet czterdziestoletnich 1:50).
Leczenie: niemożliwe.
Zespół Turnera - uwarunkowany genetycznie zespół wad
wrodzonych spowodowany całkowitym lub częściowym brakiem jednego z chromosomów X we wszystkich komórkach organizmu lub w pewnej ich części. Najważniejsze cechy występujące u osób z zespołem Turnera to: niski wzrost, słabo zaznaczone cechy żeńskie i wrodzona dysgenezja gonad powodująca w większości przypadków bezpłodność.
Prawdopodobieństwo wystąpienia - 1 : 2500 urodzonych dziewczynek.
Zespół Klinefeltera - grupa chorób spowodowanych aberracją chromosomalną (przynajmniej jeden dodatkowy chromosom X w części lub we wszystkich komórkach organizmu mężczyzny (47,XXY)
Główne objawy: ginekomastia (powiększenie sutków i rozwój tkanki gruczołowej a nawet wydzielanie mleka), azoospermia (brak dojrzałych plemników), zwiększone stężenie gonadotropin i postępujące szkliwienie kanalików krętych jądra
Prawdopodobieństwo wystąpienia: 1:500 noworodków płci męskiej
Zespół Edwardsa jest to zespół wad wrodzonych spowodowany trisomią chromosomu 18 (47,XX,+18 albo 47,XY,+18). Około 95% płodów z trisomią 18 ulega spontanicznemu poronieniu. 30% żywo urodzonych dzieci z zespołem Edwardsa umiera w pierwszym miesiącu życia, tylko 10% przeżywa 1 rok.. Częstość zespołu Edwardsa
Prawdopodobieństwo wystąpienia: 1:8.000 , wzrasta z wiekiem matki, 4 razy częściej dotyczy dziewczynek niż chłopców
Zespół Pataua
Zespół Pataua) - zespół wad wrodzonych spowodowany trisomią chromosomu 13 (kariotyp 47,XX,+13 albo 47,XY,+13).
Zespół wad wrodzonych, większość dzieci umiera w pierwszym roku życia.
Prawdopodobieństwo wystąpienia: 1:5000
Wady powstające w wyniku mutacji chromosomowych
Delecja (deficjencje) - utrata odcinka chromosomu (utrata części genów bywa letalna
Inwersja - chromosom pęka w dwóch miejscach, a wyodrębniony odcinek włączony zostaje ponownie, ale już po odwróceniu o 180 stopni
Translokacja - w czasie pękania chromosomu dołączony zostaje odcinek z niehomologicznego chromosomu
Chromosom pierścieniowy - powstaje, kiedy ramiona chromosomu łączą się tworząc pierścień; zazwyczaj towarzyszy temu delecja fragmentów położonych na końcach chromosomu
Chromosom pierścieniowy oznacza się jako r, po czym w nawiasie podaje się numer tego chromosomu Występowanie chromosomów pierścieniowych łączy się z niektórymi chorobami genetycznymi człowieka, np. chromosom pierścieniowy X może być przyczyną zespołu Turnera, a pierścieniowy chromosom 18 charakteryzuje fenotyp zespołu pierścieniowego chromosomu 18.
1