z
OBECNÁ GENETIKA
RNDr. Michaela Klementová, 2017/6
Historie
Johann Gregor Mendel (1822 - 1884)
- zakladatel genetiky
- pokusy s rostlinnými kříženci
- „Mendelovy zákony“
O 40 let později - znovuobjevení
mendelových poznatků:
Hugo de Vriese (1848 - 1935)
Erich Tschermak von Seysenegg (1871 - 1962)
Carl Corrense (1863 - 1933)
Historie
20. století (aplikace mendelizmu):
Walter Starborough Sutton - cytologie mitozy, meiozy
William Bateson (1861 – 1926)
- termín genetika (1906), heterozygot a homozygot
- jako první že geny vedou k tvorbě enzymů
- přinesl spoustu nových poznatků o genech a genové vazbě
Wilhelm Johannsen (1857 - 1927)
- pojmy gen, genotyp a fenotyp
Thomas Hunt Morgan (1866 - 1945)
- práce o chromozomech (Chromosomes and heredity)
- modelový organismus používal octomilku (Drosophila melanogaster).
- Morganovy zákony, 1926; 1933 NP
Historie
1944 Oswald Theodor Awery
- nositelem dědičnosti je DNA
- pokusy se kulturami Steptococcus pneumoniae
- komplementarita bazi (A-T, C-G)
Další poznatky ohledně komplementarity bází přinesl Erwin Chargaff.
1953 James D. Watson, Francis H. Crick
- strukturní model dvoušroubovice DNA
- významným dílem k tomuto objevu přispěly i RTG studie DNA
Maurice H. F. Wilkinse a Rosalindy Franklinové
- 1962 Watson, Crick a Wilkins NP
Francois Jacob, Jacques Monod – řízení proteosyntézy pomocí
regulátorských genů
Historie
Francouz Jerome Lejeune (1926 - 1994) odhaluje chromosomální
podstatu Downova syndromu.
1966 Pracovní skupina Marshall Warren Nirenberg; Sever Ocho, Har
Gobinda Khorany – rozluštění genetického kodu (pořadí
aminokyselin v tripletech) NP
Objev moderních sekvenovacích principů umožnil sekvenování
genomů jednoduchých organismů (1965 - genom kvasinky), s
rozvíjejícím se technickým pokrokem bylo možné sekvenovat stále
větší genomy, což vyvrcholilo sekvenováním lidského genomu (draft
roku 2001, kompletní sekvence roku 2003).
2001 - Konzorcium participujících vědců HUGO oznámilo dokončení
sekvenačního projektu lidského genomu, jenž přečetl lidský genom.
z
Johann Gregor Mendel
1822-1884
 narozen 22. června 1822
v Hynčicích ve Slezsku
 1843 vstup do augustiniánského kláštera na Starém Brně
 1851 – 1853 studia ve Vídni
 1856 počátek experimentů s hrachem, celkem okolo
 28 000 rostlin
 1865 Versuche über Pflanzen-Hybriden
 1868 zvolen opatem
 6. ledna 1884 umírá
 1900 Mendelova práce znovuobjevena: Hugo de Vries
(Nizozemí), Erich von Tschermak (Rakousko), Carl
Correns (Německo)
z
Genetické křížení
J.G. Mendel
1880
z
!
 zatímco Mendelovi předchůdci se
snažili zkoumat velký počet znaků
u jedněch rodičů a zkoumali, jak se
v potomstvu mísí…
 Mendel naopak zkoumal velmi
malý počet znaků na velké
populaci potomstva
z
Genetické křížení
z
GEN = úsek DNA kódující
určitý znak
ALELA = konkrétní forma
genu
ZNAK = konkrétní projev alel
Základní pojmy genetiky
z Alely
 = různé varianty téhož genu. Pro jeden gen máme v našem těle
dvě alely; jednu jsme zdědili od otce, druhou o matky.
Hovoříme např. o genu pro barvu květů, a o alele způsobující
fialovou barvu a o alele způsobující bílou barvu květu.
 každá „dědičná vlastnost“ je u diploidního organismu řízena
dvěma geny
 výjimkou jsou u muže geny na chromozómu X a na
chromozómu Y. (Pozn. genů na chromozómu Y je velmi málo)
 To ale neznamená, že v populaci jsou vždy jen dvě alely.
Známe např. tři alely pro dědičnost krevních skupin, IA, IB, i.
 V konkrétním člověku jsou vždy pouze dvě z nich. V populaci
kolují všechny tři.
z Alely
Lokus = konkrétní místo na chromozómu, na
kterém se nachází určitý gen
z
 genom = kompletní genetický materiál
daného organismu
 genotyp = soubor alel, které má
organismus k dispozici
 fenotyp = fyzické a fyziologické rysy
daného organismu (=to, jak organismus
aktuálně vypadá)
Základní pojmy genetiky
z
Křížení = hybridizace; hybrid = křízenec
 Základní metoda genetiky organismů
 Záměrné pohlavní rozmnožování dvou
vybraných jedinců, při němž sledujeme výskyt
určitého znaku u všech jejich potomků
 Podle počtu sledovaných znaků rozlišujeme:
monohybridizace (jeden znak)
dihybridizace (dva znaky)
 Cíl – genetický výzkum nebo šlechtitelský
záměr
Základní pojmy genetiky
Gen  alela  genotyp  fenotyp
 gen – základní jednotka dědičnosti
 segment molekuly DNA, který obsahuje kód
pro aminokyseliny přísl. polypeptidu a
nezbytné regulační sekvence pro regulaci
své exprese
 exony
 introny
 promotor (5’-konec)
 vazebná místa pro transkripční faktory
 3’ nepřepisovaná oblast (UTR)
 genové rodiny
 sekvenčně podobné geny, které vznikly
zřejmě duplikací během evoluce
 např. geny pro (hemo)globiny, imunoglobuliny,
…
 pseudogeny
 podobné konkrétním genům ale nefunkční
 fenotyp – vnější projev (vyjádření)
genotypu
z
Základní Mendelův pokus
P generace =
parentální, rodičovská
F1 generace = první
filiální generace (filius
= syn)
F2 generace = druhá
filiální generace
z
Mendelovy úvahy
 dědičný faktor pro bílou barvu květů v F1
generaci nezmizel, jen ustoupil znaku
pro fialovou barvu
 fialová barva květu je tedy dominantní
znak
 bílá barva květu je recesívní znak
 bílá barva květu se znovu objevuje u F2
generace. Znak pro bílou barvu tedy nebyl
v F1 generaci ztracen, jen koexistoval
spolu se znakem pro fialovou barvu
z
 homozygot = organismus, který má pro daný znak
obě alely identické (např. PP nebo pp). Pokud má
organismus obě alely dominantní pro sledovaný
znak, užíváme termín dominantní homozygot (PP),
pokud jsou obě alely recesívní, užíváme termín
recesívní homozygot (pp)
 heterozygot = organismus, který má obě alely
pro sledovaný znak odlišné (Pp)
Základní pojmy genetiky
Mendel zkoumal u hrachu celkem 7 znaků
z
z
„Mendelovy zákony“
 1. Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první
generace potomků) generace.
 2. Zákon o náhodné segregaci genů do gamet.
 Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi
předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní)
se stejnou pravděpodobností.
 3. Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel.
 Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže
pravidelné segregaci. Máme-li 2 polyhybridy AaBb
může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab).
z
1. Zákon o uniformitě F1
 Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají
potomci genotypově i fenotypově jednotní.
Pokud jde o 2 různé homozygoty jsou potomci
vždy heterozygotními hybridy.
z
2. Zákon o náhodné segregaci
genů do gamet
 Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána
každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou
pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím
pádem i fenotypovému štěpení = segregaci.
Pravděpodobnost pro potomka je tedy 25% (homozygotně
dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25%
(homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný
poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1, pokud je
mezi alelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový
štěpný poměr štěpnému poměru genotypovému (tj. 1:2:1).
z
2. Zákon o náhodné segregaci
genů do gamet
Obrázek představuje kombinační čtverec,
znázorňující křížení dvou heterozygotů.
Genotypový štěpný poměr je 1:2:1,
fenotypový štěpný poměr je 3:1 při úplné
dominanci nebo 1:2:1 při neúplné dominanci.
z
z
Genotypový a fenotypový štěpný poměr v F2
generaci
z
3. Zákon o nezávislé
kombinovatelnosti alel
 Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže
pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb
může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB,
ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet
vzniká 16 různých zygotických kombinací.
Některé kombinace se ovšem opakují, takže
nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů
(poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1). Nabízí se nám pouze
4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou
znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1.
recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní).
Fenotypový štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento
zákon platí pouze v případě, že sledované geny
se nachází na různých chromozomech, nebo je
jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání
jejich volné kombinovatelnosti.
z
3. Zákon o nezávislé
kombinovatelnosti alel
Obrázek představuje
kombinační čtverec,
znázorňující poměr genotypů
při dvojnásobném křížení.
Stejné zabarvení značí
stejný genotyp.
Obrázek představuje
kombinační čtverec,
znázorňující poměr fenotypů
při dvojnásobném křížení.
Stejné zabarvení značí stejný
fenotyp.
Čtyři základní typy dědičnosti
dominantní recesivní
autosomální autosomálně
dominantní (AD)
autosomálně
recesivní (AR)
X-vázaný X-dominantní (XD) X-recesivní (XR)
z
Vzájemný vztah mezi alelami
 Úplná dominance a recesivita
v heterozygotním genotypu se projeví pouze
dominantní alela, nikoli recesivní
př. alela A určuje fialovou barvu květu, alela a
bílou, jedinec s genotypem Aa bude červený
AA aa Aa
z
Vzájemný vztah mezi alelami
 Neúplná dominance a recesivita
 na vytvoření znaku se podílí obě alely, zpravidla
nestejnou měrou
 jedinec s heterozygotním genotypem se odlišuje
od obou homozygotů
 zvláštním případem – intermediarita (obě se projeví
stejnou měrou
př. alela A určuje fialovou barvu květu, alela a bílou,
jedinec s genotypem Aa bude růžový
AA aa Aa
z
Vzájemný vztah mezi alelami
 Kodominance
 v heterozygotním genotypu se
projeví obě alely vedle sebe, aniž by
se vzájemně potlačovaly
 př. krevní skupiny systému AB0
AA aa Aa
z
Dominantní dědičnost
Monohybridní křížení (sledujeme jeden gen)
a) křížení dvou stejných homozygotů
Rodiče P:
gamety:
Potomci F1:
AA x AA
A A A A
AA AA AA AA
z
Dominantní dědičnost
b) křížení dvou různých homozygotů
Rodiče P:
gamety:
Potomci F1:
AA x aa
A A a a
Aa Aa Aa Aa
Při křížení dominantního a recesivního
heterozygota je potomstvo uniformní.
1. Mendelův zákon
z
Dominantní dědičnost
c) křížení dvou heterozygotů
Rodiče P:
gamety:
Potomci F1:
Aa x Aa
A a A a
AA Aa Aa aaaa
Potomstvo se štěpí v poměru 3 : 1 ve fenotypu.
Genotypový štěpný poměr AA : Aa : aa je 1 : 2 : 1.
z
Dominantní dědičnost
d) křížení homozygota s heterozygotem
Rodiče P:
gamety:
Potomci F1:
Aa x aa
A a a a
Aa Aa aa aa
Potomstvo se štěpí na obě rodičovské formy
v poměru 1 : 1.
Toto tzv. zpětné křížení se užívá ke zjištění
genotypu u jedince s dominantní formou znaku.
aaaaaa
z
Kombinační čtverec
 Užívá se ke zjištění všech možných kombinací
v jejich vzájemném poměru
 Pozor! Štěpný poměr je poměr statistický, tj
uplatní se jen při dostatečném počtu potomků.
Typy gamet vytvářené prvním rodičem
Typy gamet
vytvářené
druhým
rodičem
gamety
gamety
Možné genotypy
A
A
a
a
AA
Aa aa
Aa
aa
z
Dominantní dědičnost
Dihybridní křížení (sledujeme dva geny)
Rodiče P:
gamety:
AABB
AB AB
A a
bB
z
Dominantní dědičnost
Dihybridní křížení (sledujeme dva geny)
a) křížení dvou homozygotů
Rodiče P:
gamety:
Potomci F1:
AABB x aabb
AB AB ab ab
AaBb AaBb AaBb AaBb
A a
bB
AABB
F2 generace
gamety
AB Ab aB ab
AB
Ab
aB
ab
AABb AaBB AaBb
AABb AAbb AaBb Aabb
AaBB AaBb aaBB aaBb
AaBb Aabb aaBb aabb
Fenotypový štěpný poměr 9 : 3 : 3 : 1
z
Kombinační čtverce
Počet fenotypových kombinací: 2n
Počet genotypových kombinací: 3n
n – počet hybridizovaných genů
z
A a b
Kombinace alel různých chromozomových
párů v gametách dihybrida
Každý pár alel se
chová samostatně a
dochází k segregaci
nezávisle na jiném
páru alel →
volná kombinace alel
Gamety
AB Ab aB ab
B
Diploidní
buňka
z
Vazba genů
Častěji se dědí některé alely ve stejné kombinaci, v jaké
spolu byly v genotypu rodiče na jednom chromozomu.
Charakteristika vazby genů
 vazba je jednou z výjimek z Mendelovských zákonů
 společně děděnou kombinaci genů označujeme jako
haplotyp
 změnu uspořádání haplotypu důsledkem crossingoveru
nazýváme rekombinace
 základní představa o vazbě genů vyplynula z
dihybridizačních pokusů W. Batesona s hrachorem.
 T. H. Morgan shrnul základní poznatky o vazbě do tří
zákonů: Morganovy zákony
z
Morganovy zákony
 1. Geny jsou vždy uloženy na chromozomu lineárně
za sebou.
 2. Geny jednoho chromozomu tvoří vazebnou skupinu.
Počet vazebných skupin organismu je shodný s
počtem párů homologních chromozomů příslušného
organismu.
 3. Mezi geny homologického páru chromozomu může
prostřednictvím crossing-overu probíhat genová
výměna. Frekvence crossing-overu je úměrná
vzdálenosti genů.
Tyto zákony tvoří tzv. chromozomovou teorii dědičnosti.
z
3. zákon
 čím jsou geny od sebe vzdálenější, tím je vyšší
pravděpodobnost, že dojde k náhodnému zlomu
mezi nimi
 čím jsou blíže, tím se pravděpodobnost snižuje
 jsou-li lokusy dvou genů těsně vedle sebe na
jednom chromozomu, je malá pravděpodobnost,
že se crossing-over „trefí“ právě mezi ně
 výsledkem je fakt, že se tyto geny dostanou
do gamety zpravidla spolu
z
Vazba genů
Charakteristika vazby genů
 Vazbu můžeme podle míry rekombinace
mezi geny rozdělit na úplnou a neúplnou.
 Úplná vazba nastává, když jsou dva geny
tak blízko sebe, že mezi nimi při meiose
nikdy nedochází ke crossing-overu
(rekombinaci).
 Neúplná vazba je mezi geny přítomna,
pokud mezi nimi dochází ke crossingoveru.
Tím dochází k rekombinaci genů.
z
Vazba genů
Charakteristika vazby genů
 Pokud dojde k rekombinaci, potomkovi
nejsou předány dvě alely ze stejného
chromozomu, ale jedna alela z maternálního
a druhá alela z paternálního chromozomu.
 Míru rekombinace můžeme vyjádřit pomocí
rekombinačního zlomku jako podíl počtu
rekombinovaných jedinců k celkovému
počtu jedinců v potomstvu.
z Rekombinační zlomek
Rekombinační zlomek je v případě úplné
vazby genů roven 0 a geny se dědí vždy
společně.
z
 Při pokusech křížení můžeme podle
četnosti gamet s rekombinovanou sestavou
usuzovat na sílu vazby
 Síla vazby se vyjadřuje pomocí jednotky
centimorgan
 Vazba je v genetice využívána v mapování
či diagnostice
 Podle síly vazby pak lze zpětně sestavit
chromozomovou mapu
Vazba genů
z
Síla vazby
 Batesonovo číslo c1
udává, kolikrát častěji jsou v souboru
zastoupeny gamety s původními genotypy
proti rekombinovaným
 Morganovo číslo p2
určuje poměr zastoupení rekombinovaných
gamet k celému gametickému souboru
z
z
Fáze vazby
Podle uspořádání haplotypu rozlišujeme dvojí
fázi vazby:
 cis-pozice (coupling): na 1 chromosomu jsou
lokalizovány dominantní (resp. recesivní) alely
obou genů (AB/ab);
 trans-pozice (repulsion): na 1 chromosomu je
dominantní alela jednoho genu a recesivní
alela genu druhého (Ab/aB).
z
Pokud není vazba přítomna, platí Mendelův
zákon o volné kombinovatelnosti vloh, takže se
daná kombinace dvou alel přenese se stejnou
pravděpodobností jako kombinace opačná.
Rekombinační zlomek je tedy 0,5. Tato situace
nastává, pokud jsou geny uloženy na jiných
chromosomech, nebo jsou od sebe na stejném
chromosomu velmi vzdáleny.
z
 Klíčová slova:
hybridizace, vztahy mezi alelami, homozygot,
heterozygot, Mendel, Morgan, Watson a Crick