Transcript Prezentace aplikace PowerPoint

Dědičnost
Mikroevoluce a makroevoluce 2014
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
DNA
5’
D
T
3’
A
G
D
A
T
3’
G
C
R
A
U
R
P
P
D
D
5’
G
P
D
P
D
C
P
D
P
R
P
D
P
A
3’
P
D
P
T
D
P
C
5’
D
P
D
DNA-RNA
3’
Genetická informace – návod na ontogenezi
G
C
R
5’
Evoluční paměť druhu (populace)
cistron 1
cistron 2
DNA
transkripce
pre mRNA
sestřih
mRNA
translace
pre protein
sestřih proteinů
Protein
glykoprotein
oligomerizace
vytváření terciální
struktury
protein 3D
modifikace
proteinů
protein - oligomer
98% transkriptů netranslatováno třetina genetich chorob způsobena ovlivněním splicingu
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Gen




Základní jednotkou genetické informace je
gen
Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce
Evoluční gen – kterýkoli úsek DNA, který
by mohl kompetovat s jiným úsekem o
zastoupení v budoucím genofondu (G.C.
Williams 1966)
Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce
Cis-trans test
a)
b)
Gen



Základní jednotkou genetické informace je
gen
Gen – forma znaku, rozdíl, ztráta funkce
Gen jako cistron, úskalí z hlediska evoluce


Rekombinace uvnitř genu
Regulační oblasti (šimpanz jako 99% člověk)
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Složitost vztahu gen-znak
EPISTÁZE
PLEIOTROPIE
Gen 1
Znak 1
Gen 1
Znak 1
Gen 2
Znak 2
Gen 2
Znak 2
Gen 3
Znak 3
Gen 3
Znak 3
Gen 4
Znak 4
Gen 4
Znak 4
Redundance (haploidní kvasinka jen 1100 z 6200 ztrátových mutací letálních)
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Dominance-recesivita

Interakce alel stejného lokusu
Vliv na průběh selekce
frekvence alely

1,0
dominantní
0,5
semidominantní
500
recesivní
čas (generační doby)
1000
Dominance-recesivita



Interakce alel stejného lokusu
Vliv na průběh selekce
Recesivita ztrátových mutací



robusticita metabolických drah
regulační geny
Dominance ve vztazích starých alel a nových
mutací


Haldaneovo síto (znevýhodnění recesivních mutací)
modifikátory dominance
Epistáze

projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem
alely jiného lokusu
Kontextově podmíněné projevy genů
epistáze
pleiotropie
Gen 1
Znak 1
Gen 1
Znak 1
Gen 2
Znak 2
Gen 2
Znak 2
Gen 3
Znak 3
Gen 3
Znak 3
Gen 4
Znak 4
Gen 4
Znak 4
Kontextově podmíněné projevy genů
epistáze
pleiotropie
Gen 1
Znak 1
Gen 1
Znak 1
Gen 2
Znak 2
Gen 2
Znak 2
Gen 3
Znak 3
Gen 3
Znak 3
Gen 4
Znak 4
Gen 4
Znak 4
Epistáze




projev alely ovlivněn (podmíněn) vlivem alely
jiného lokusu, magnitudová x směrová (16%)
epistáze
Positivní epistáze – antagonistické vlivy
škodlivých mutací a synergetické vlivy
užitečných mutací (opak – negativní
epistáze)
hlavní efekty genů a genové interakce
(problém s experimentálním studiem)
vliv epistáze na účinnost selekce
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Genetika –věda o dědění znaků


Mendelismus – původně spíše
antidarwinistický
Řešení problému měkké dědičnosti (H.Ch.
Fleeming Jenkin)
Mendlovy zákony


zákon segregace: dvě alely kteréhokoliv genu přítomné
u rodičovského jedince se v každé generaci rozcházejí
do nezávislých gamet, aniž by došlo k jejich změně a
tedy aniž by se navzájem nějak ovlivnily
zákon nezávislé kombinovatelnosti vloh: jednotlivé
dvojice alel různých genů rozcházejí do gamet nezávisle
jedna na druhé a způsob distribuce jedné dvojice alel
tedy nijak neovlivní způsob distribuce dvojice jiné.
Nezávislá kombinovatelnost vloh
a1a1b1b1
a1a2b1b1
a2a2b1b1
a1a1b1b2
a1a2b1b2
a2a2b1b2
a1a1b2b2
a1a2b2b2
a2a2b2b2
Geny vázané na pohlavní
chromosomy
XY
XY XX
XX
XY XX
XY XX
XY
XX
XY XX
Geny vázané na pohlavní
chromosomy





rozdíly v efektivní velikosti populace
(pravděpodobnost fixace různých typů mutací)
absence rekombinace a evoluční (genetické)
svezení se (polymorfismus)
celkově různá doba v genomech samců a samic
– hájení zájmů vlastního pohlaví
pohlavní rozdíly v genové dózi X-chromosom
1098 genů, 99 proteinů exprim. ve varlatech.
Imprinting genů exprimovaných v mozku
výsledek – mnoho genů pro genetické choroby
(u člověka 307 z 3199 známých, přitom zde jen
4% genů).
Cytoplasmatická dědičnost

Genomy organel (mitochondrií a plastidů)



vnitrobuněčné konflikty (absence meiozy)
odpovědnost za řadu genetických poruch
Dědičnost buněčných struktur (membrány,
jejich receptorová výbava, cytoskelet,
enzymatická výbava, regulační sítě
genové exprese) = epigenetická dědičnost
Genetická vazba



Omezuje platnost zákona nezávislé
kombinovatelnosti vloh
zpomaluje ustanovování HardyWeinbergovy rovnováhy
morgan (1 % rekombinací)
2pq
p2
p
q2
q
0,25
vazebná nerovnováha (d)
0,20
c = 0,05
0,15
c = 0,1
0,10
c = 0,2
0,05
c = 0,3
c = 0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
čas (počet generací)
c –pravděpodobnost rekombinace v úseku mezi sledovanými geny
d = (fn1 fn2) – (fr1 fr2)
Genetická vazba




Omezuje platnost zákona nezávislé
kombinovatelnosti vloh
zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy
rovnováhy
zpomaluje odpověď na selekci
vytváří předpoklad vzniku supergenů


mimeze (Heliconius numata)
selekční plató, genetická homeostáze
Genetická homeostáze
t1
Genetická vazba




Omezuje platnost zákona nezávislé
kombinovatelnosti vloh
zpomaluje ustanovování Hardy-Weinbergovy
rovnováhy
zpomaluje odpověď na selekci
vytváří předpoklad vzniku supergenů



mimeze
selekční plató, genetická homeostáze
inverze a selekce na úrovni pregerminálních buněk
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Dědivost



Většina znaků podmíněna velkým počtem
genů (QTL). Schizofrenie – 7855 genů,
naprostá většina má malý efekt O.R.<1,2
Dědivost znaku vyjadřuje podíl jeho
geneticky podmíněné variability na celkové,
tedy i prostředím podmíněné variabilitě
v tomto znaku
dědivost v úzkém slova smyslu (h2) – aditivní
dědivost (dominance, epistáze, interakce
jednotlivých složek)
Odhad dědivosti na základě korelace
vlastností rodičů a potomků
a
velikost znaku u potomka
c
b
velikost znaku u rodiče
Odhad dědivosti na základě korelace
vlastností rodičů a potomků
Francis Galton, zákon regrese k průměru
velikost znaku u potomka

velikost znaku u rodiče
Odhad dědivosti na základě odpovědi na
selekci
S
Generace 1
S –selekční diferenciál
R
R –selekční odpověď
Generace 2
h2 = R/S
Dědivost různých kategorií znaků




Vyšší dědivost mají znaky podmíněné
menším počtem genů
Vyšší dědivost mají znaky pouze nepřímo
spjaté s biologickou zdatností jedince (se
schopností podléhat evoluci je to opačně)
Vyšší dědičnost naměříme za
kontrolovaných podmínek
Vyšší dědivost naměříme u znaků přesněji
měřitelných (morfologie x chování)
Problémy s měřením dědičnosti






Změna dědičnosti v čase (selekční plató, interakce s
prostředím – 1.5 mil. Švédů vzestup dědivosti BMI o 4%
za 32 let)
sdílení prostředí sourozenci
sdílení genetického pozadí
rozdíly ve výsledcích získaných oběma metodami
Široké 95% intervaly spolehlivosti, například 4800
jedinců je třeba aby pokrývaly pouze 0,25 intervalu mezi
0 a 1. (Obvykle pokrývají celý interval…)
Vztah mezi dědivostí a schopností podléhat evoluci je
dosti volný, vhodnější by bylo standardizovat průměrem
než celkovou variabilitou
Chybějící dědivost





BMI dedivost 60% ale celogenomové SNP studie našly
geny vysvětlujícíé pouze 17 %
Multigenové nemoci – schizofrenie silně dědičná, přesto
nejsilnější „gen pro schizofrenii má OR asi 1,2
Důvody – epistáze, vzácné alely ve vzájemně
zastupitelných lokusech?
Metoda detekce – pravděpodobnost zachycení je
úměrná druhé mocnině velikosti efektu vynásobené
frekvenci alely v populaci
Nereprodukovatelnost výsledků na jiných populacích
(jiné vzácné alely)
Schopností podléhat evoluci


V mnoha znacích kontinuální evoluční změna, viz.
brojleři 1957-2001
V některých žádná změna rekordy v chrtích či koňských
dostizích se nezměnily za posledních 50 let. Změna
téměř vždy provázena poklesem fitness a viability
1957
2001
Stáří 43, 57, 71, 85 dnů
Utajená genetická variabilita






vývojová kanalizace
geny modifikátory (stabilizující selekce)
pufrování mutací – HSP
SOS mutace, HSP90 (maturace regulač. proteinů)
rozviklaná dědičnost
genetická asimilace (Conrad Hal Wadington,
fenokopie)
Maskování mutace díky působení
modifikátorových genů
Utajená genetická variabilita





vývojová kanalizace
geny modifikátory (stabilizující selekce)
pufrování mutací – HSP
SOS mutace, HSP90 (více funkcí, Piwiinteragující RNA – aktivita transposomů)
rozviklaná dědičnost
Vliv vegetativní hybridizace na genotyp ?
Utajená genetická variabilita






vývojová kanalizace
geny modifikátory (stabilizující selekce)
pufrování mutací – HSP
SOS mutace, HSP90
rozviklaná dědičnost
genetická asimilace (Conrad Hal
Wadington, fenokopie)
Mutace crossveinless u D. melanogaster
Genetická asimilace u D. melanogaster
Obsah







Materielní podstata dědičnosti
Různá pojetí genu
Geny a znaky (pleiotropie a interakce)
Dominance a epistáze
Genetické zákony
Dědivost
Epigenetická informace
Epigenetická informace


Genetická informace a aparát pro její
interpretaci – změna znaku může mít původ
v modifikaci obojího
Evoluční význam epigenetické informace




možnost reakce na vlivy prostředí
problém s dědivostí (někdy naopak výhoda)
priony, regulační sítě
Význam epigenetické informace v ontogenezi
Mechanismus dědičnosti metylace
metylovaná DNA
replikace
metyláza
metylace
hemimetylovaných
pozic
původní stav
Předávání znaků z generaci na
generaci

Vyznívání epigenetických změn během několika
generací
 Rostliny (len, lnice – metylace a umlčení genu
cycloidea, 250 let)
 živočichové (perloočky – kaprovité ryby, 2 generace)
 U rostlin častější – chybí fáze demytylace
Předávání znaků z generaci na
generaci u člověka



Děti narozené za války podvyživovaným
ženám byly menší a i jejich děti měly nižší
porodní váhy.
Vnoučata dobře za mlada vyživovaných
osob měla větší riziko úmrtí na cukrovku,
potomci osob co zažily hladomor měli menší
riziko oběhových onemocnění (potvrzeno v
pokusech na krysách)
Paramutabilita – předání modifikovaného
stavu z alely na alelu v rámci lokusu (obdoba
genové konverze)
Genomový imprinting

Zápas mezi pohlavími – geny naprogramovány aby
hájily zájmy původního nositele
♂
♀
♂
♀
demetylace DNA
♂
♀
metylace DNA
♂
♀
Poruchy související
s imprintingem u člověka

Beckwith-Wiedemann syndrom
IGF2 (insulinu podobný růstový faktor 2)
z otcovského chromosomu 11 – o 50%
větší porodní váha. Opak: Silver-Russellův
syndrom 1/100 000 osob.
Poruchy související
s imprintingem u člověka


Angelmanův syndrom (pravé obrázky)
– absence
mateřské kopie části chromosomu 15
Prader-Williho syndrom (levé obrázky) (novorozenci a
kojenci podváha, později obezita – absence otcovsky
imprintovaných genů. Geny od více migrujícího pohlaví s
větším rozptylem v počtu potomků – v dospělosti
altruismus.
Poruchy související
s imprintingem u člověka



Angelmanův syndrom – absence
mateřské kopie části chromosomu 15 x
Prader-Williho syndrom
Beckwith-Wiedemann syndrom IGF2 – z
otcovského chromosomu 11
Turnerův syndrom 1/2000 – XO poruchy
v sociální inteligenci když chromosom X
od matky (75-80% případů)
Shrnutí






Dědičnost je nezbytným předpokladem
biologické evoluce
V evoluci hraje ústřední roli kumulace genetické
a epigenetické informace
Pojetí genu v evoluční a molekulární biologii
Rozdíl mezi tvrdou a měkkou dědičností
Význam dědivosti a způsoby jejího měření
Význam epigenetické informace
A to je konec…