Genetika populací a člověka, využití a význam

Genetika populací a člověka, využití a

význam genetiky

Populace – soubor jedinců téhož druhu ve všech vývojových stádiích, které žijí na tomtéž místě v tomtéž čase.

Genofond – soubor všech genů (alel) všech jedinců populace, zdroj genetické variability Struktura populace – popisuje se četností

zastoupení alela genotypů alel pro dané znaky:

AA (P) – četnost dominantních homozygotů Aa (H) – četnost heterozygotů

Aa (q) – četnost recesivních homozygotů

Podstata genetické

rovnováhy v panmiktické a autogamické populaci

 Populace autogamická – malá, omezená populace

 Její členové se rozmnožují autigamií (samooplození)

 Homozygotní jedinci produkují opět pouze homozygotní potomky, snižuje se variabilita

 Heterozygotní jedinci produkují 50% heterozygotních, 25% dominantních a 25% homozygotně recesivních potomků

 Jedinci se navzájem nekříží

 Populace alogamická - velká populace

 gonochoristé, hermafrodité i lidská populace (omezeně)

 Dochází k volnému křížení

Podstata genetické

rovnováhy v panmiktické a autogamické populaci



Panmiktická populace



Členové se rozmnožují tzv. panmixií – zcela náhodným párováním (cizoprašné rostliny, gonochoristé..)



Neomezená možnost vzájemného křížení – nejde to u člověka



Panmixie udržuje rovnováhu mezi jedinci jednotlivých genotypů (homozygotně

dominantní, recesivní a heterozygoty)



Dva heterozygoti: gamety se párují každá s

každou a vzniká velké množství heterozygotů

Problémy imbrední populace

 Imbreední populace – imbreeding

= příbuzenské křížení

 Uplatňuje se v malých populacích

 Omezený počet partnerů

 Dochází ke zvyšování podílu dominantních a recesivních homozygotů na úkor heterozygotů

 Využívá se ve šlechtitelství

 Důsledky jsou negativní – snížení produkce u rostlin, snížení adaptační schopnosti, u lidí

zvýšení rizika přenosu geneticky podmíněných chorob

 Snížení genotypové rozmanitosti jedince

Hardyho - Weinbergův zákon

 praví, že podíl jednotlivých alel se v panmiktické populaci nemění

 p = frekvence (poměrné zastoupení) dominantní alely

 q = frekvence recesivní alely

 p+q => 1 (100%)

1. Pravděpodobnost vzniku homozygota dominantního: p × p = p²

2. Pravděpodobnost vzniku homozygota recesívního: q × q = q²

3. Pravděpodobnost vzniku heterozygota: (p x q) + (q x p) = 2pq

 Celkové genotypové složení populace tedy lze vyjádřit s pomocí vzorce: p² (AA) + 2pq (Aa) + q² (aa) = 1

 Q = q² ; P = p² ; H = 2pq

Příklad

 V ČR žije 84% s krevní skupinou Rh+

(dominantní) a 16% s krevní skupinou Rh-

(recesvní). Určete četnost genotypu a četnost alel.

Rh+ - RR, Rr (=>84%) Rh- -rr (=>16%)

q² = 0,16 …16% lidí jsou recesivní homozygoti q = 0,4…četnost výskytu r = 40%

p = 1 – q = 0,6 …četnost výskytu R = 60%

p² = 0,36 …36% lidí jsou dominantní homozygoti Četnost heterozygotů: 2pq => 100 – (36 + 6) =

48%

Faktory porušující genetickou rovnováhu v populacích



Mutační tlak



Selekční (výběrový) tlak



Migrace



Genetický drift

Mutace

Proměnlivost (variabilita) jedinců

Neusměrněné a náhodné změny genotypu, zpravidla nežádoucí

Výhodný gen vzniklý mutací je náhodný

Jsou poměrně vzácné, dochází při nich ke změně struktury DNA – ke změně genetické informace

Rozlišujeme je podle způsobu vyvolání:

∙Spontání mutace (nahodilé) – vznikají samovolně s velmi malou pravděpodobností, jako důsledek

náhodných chyb při replikace DNA působením mutagenních faktorů, nejsou ovlivněny člověkem

∙Indukované mutace (vyprovokované) – jejich četnost je vyšší, mohou být smrtelné (letální), vyvolané lidskou činností a mutageny

Mutace

 Mutageny – faktory, které jsou schopny narušit a změnit molekuly DNA, rozlišujeme mutageny fyzikální, chemické a biologické

∙ Mutageny fyzikální – jedná se o různé druhy záření, které

poškozují DNA, neionizující - UV záření (brzdí růst rostlin, způsobuje rakovinu kůže, poškozuje vazivo, tvoří vitamín D z

provitamínu);ionizující – rentgenové záření nebo gama záření, zachycováno ozonosférou

∙ Mutageny chemické – nejrůznější organické i anorganické látky (chlor-deriváty arenů, ionty těžkých kovů);

 kyslíkové radikály, látky, kterým chybí elektron a způsobují poškození buněk (nádory) a mutace (antioxidant – vitamín jim poskytne elektron a tím je „zneutralizují“);

 kolchicin, prudce jedovatý alkaloid, narušuje správný rozchod chromozomů při mitóze, napadá mkrotubuly dělícího vřeténka, používá se při šlechtění rostlin (polyploidie). Při otravě – průjem, dehydratace, poškození krvetvorby (smrtelná dávka = 0,02 g)

Mutace

∙ Mutageny biologické – viry, pozměňují DNA, napadené buňky většinou zahynou nebo v nich vir způsobí mutaci

 onkoviry, herpesviry, HPV (lidský papilomavirus), adenoviry, RNA viry

 Aflatoxiny, jedy vytvářené houbami, plísněmi –

nezpůsobují otravu ihned, ale mutaci, která se projeví později

 Mutační tlak

∙ změna nukleové kyseliny

∙ Náhodné a neusměrněné změny genotypu

∙ Vznik zcela nových alel, změna dominantních a recesivních alel

∙ Změny se během 1 generace téměř neprojeví

Rozdělení mutací podle rozsahu

(jak velkou část genotypu poškodí)

 Mutace genové (bodové)

∙ probíhají na molekulární úrovni, zahrnují změny struktury jediného genu (jediné alely), mění se struktura DNA, ale nenarušuje se celistvost stavby chromozomu

∙ změna pořadí nukleotidů = inverze

∙ ztráta (1 a více) nukleotidů = delece

∙ zařazení nadbytečného nukleotidu = inzerce

∙ záměna nukleotidů = substituce

∙ posun vodíků v bázích = tautomerie A=C, G=T

∙ opakování = repetice

∙ zdvojování, zapojí se dva nukleotidy = duplikace

∙ buňky mají do určité míry schopnost rozpoznat a pomocí reparačních enzymů tyto mutace opravit (reparovat) – kontrolní uzel g0 – s fáze cyklu

∙ mutantní alely bývají obvykle recesivní (100:1)

∙ nemoci: hemofilie, cystická fibróza, albinismus, srpková anémie, daltonismus..

∙ mohou zasáhnout také regulační geny, tyto mutace bývají jednou t příčin nádorového onemocnění

Rozdělení mutací podle rozsahu

(jak velkou část genotypu poškodí)

Mutace chromozomové (aberace)

∙ mutace, která zasahuje do chromozomu a mění jejich tvar a strukturu, geny se nemění, ale mění se jejich pořadí a počet

∙ při crossing-overu se úlomky nespojí v původním pořadí

∙ ztráta části chromozomu (genů) = delece

∙ zdvojení části chromozomu (genů) = duplikace

∙ změna pořadí genů, převrácení úseku chromozomu = inverze

∙ přemístění genů mezi chromozómy – připojení části chromozómu na jiný = translokace

∙ rozpad chromozómu na více částí = fragmentace

∙ ztráta koncových částí chromozomu = deficience

∙ dochází k porušení průběhu meiózy, gamety jsou nefunkční, zygota je

neschopna života – při crossing-overu si vymění nestejně odpovídající kousky

∙ geny jsou přenášeny prostřednictvím virů nebo plazmidů bakterií (rozšíření genomu buňky – může být výhodné pro evoluci; využití v genovém

inženýrství)

∙ pro buňky, ve které vzniknou nemusí mít okamžitý význam, obvykle se objeví až při buněčném dělení

∙ většina těchto aberací stěžuje nebo úplně znemožňuje rovnoměrné rozdělení genetické informace do dceřiných buněk

∙ nemoci: syndrom kočičího hřbetu (cri du chat), digeorgeův syndrom

Rozdělení mutací podle rozsahu

(jak velkou část genotypu poškodí)

 Mutace genomové

∙ Mutace, která se projeví odchylkou od standardního počtu chromozomů

∙ Změna počtu jednotlivých chromozomů v sadě (2n+1 – trisomie; 2n-1 – monosomie) = aneuploidie

∙ Způsobuje vážné poruchy organismu

∙ Znásobení celé chromozomové sady = euploidie, polyploidie – 3n,4n

∙ Častější u rostlin, ale je výhodná jen do určitého stupně

ploidie (jedním z projevů polyploidie je mohutnější vzrůst a lepší životaschopnost)

∙ Může být přenášena do dalších generací

∙ Nemoci: Downův syndrom, Edwardsův syndrom, Patauův syndrom, Turnerův syndrom

Downův syndrom Edwardsův syndrom

Patauův syndrom

Selekce

 Selekční (výběrový) tlak – dochází k němu v případě, jsou-li některé alely zvýhodněny proti jiným

∙ Nositelé výhodných alel – její frekvence bude stoupat = pozitivní selekce (mají více potomků než ostatní jedinci poplace)

∙ Nevýhodné alely postupně ubývají = negativní selekce

∙ Na tomhle principu staví Darwin svou teorii přirozeného výběru: ten s lepší kombinací má větší pravděpodobnost, že bude mít potomky

Genetický drift

 Náhodný posun frekvence alel (genetické rovnováhy) v rámci genofondu

 Uskutečňuje se pouze v malých populacích, pro které neplatí Hardyho-Weinbergův zákon, kvůli nemožnosti inbreedingu

 Z malého počtu rodičovských jedinců vzniká malý

počet potomků, a proto některé alely nejsou předány do další generace, některá alela může být náhodně ztracena a jiná v malé populaci převlýdne =

kulmulativní změny

 Fixace jedné alely, vymizení druhé – disparzivní proces

 Dochází k vytvoření odlišného ekotypu – plemena (zvířata), variety (rostliny) – poddruhy;nový druh

Migrace



Z hlediska genetiky jde o obohacení nebo o ochuzení alel genofondu

populace



Vycestováni ven = emigrace



Cestování zpět (dovnitř) = imigrace



Tam i zpátky = migrace



Dochází k vytváření izolovaných

populací = populační izoláty

Genetika člověka

Genetické zkoumání člověka se značně liší od zkoumání jiných organismů.

 Na člověku nelze z etických důvodů provádět některé experimenty: selekci, křížení

 Člověk má většinou za život velmi malé množství potomků:

genetický drift - rodič neuplatní na potomcích celý genom

 Fenotyp je do velké míry ovlivňován prostředím (sociální podmínky) – polygenní znaky (nemůžeme určit přesnou dědičnost)

 Generační doba člověka je velmi dlouhá (než je plodný).

 Genetik může sledovat maximálně 4 generace

 Složitost lidského genomu

 V minulosti se člověk křížil jenom s jedinci z určité populace (stejný národ, společenská vrstva, jedinci stejného vynání)

Metody výzkumu

 Metoda rodokmenová (genealogická)

∙ Zabývá se sestavováním rodokmenu několika generací.

∙ Znalost způsobu dědičnosti určité odchylky nebo onemocnění napomáhá stanovit vyší rizika

postižení pro členy rodiny nebo pro jejich potomky.

∙ Pro jeho sestavování se používají mezinározně uznávané symboly

∙ Jedinec, který dal podnět k sestavení rodokmenu a od kterého se rodokmen sestavuje, se nazývá proband

Symboly

Metody výzkumu

 Výzkum dvojčat (gemelilogický)

∙ Především výzkum jednovaječných

∙ Dvojčata monozygotní (jednovaječná) – vznikla oplozením jednoho vajíčka jedinou spermií

 Mají stejný genotyp a jsou stejného pohlaví a jakákoliv odlišnost v jejich fenotypu by měla být způsobena nedědičnou složkou

proměnlivosti po narození

 Při vývoji může dojít k neúplnému oddělení blastomer a rodí se tak siamská dvojčata

∙ Dvojčata dizygotní (dvouvaječná) – v těle matky dozrávají současně dvě nestejná vajíčka a každé je oplozeno jinou spermií

 Sourozenci mohou být odlišného pohlaví

 V 50% alel je shoda; 3-4 x častější než monozygotní

 Od normálních sourozenců se liší pouze současným nitroděložním vývojem

 Spojeno zejména s umělým oplodněním, kdy se do matky vkládá více vajíček a většinou dvě se nechávají

Metody výzkumu

 Studium karyotypů

∙ Zabývá se studiem sestavy a morfologie chromozomů

∙ Jednotlivé chromozomy lze od sebe odlišit pomocí speciálních barvicích technik (metoda fis), které umožňují určovat také změny jejich struktury (chromozomové mutace)

∙ Chromozomy člověka se liší svou délkou a polohou centromery

∙ Nepohlavní chromozomy (autozomy) se řadí do sedmi skupin

A – G s označením 1 – 22

∙ Pohlavní chromozomy (monozomy) X a Y se nečíslují

∙ K tomuto výzkumu se nejčastěji používají krevní buňky (lymfocyty), ale také buňky kostní dřeně, kůže nebo nádorové tkáně

∙ Lze vyšetřovat i prenatálně z plodové vody

Chromozomy člověka dělíme podle jejich makrostavby do několika

skupin:

A - Chromozomy 1, 2, 3 jsou velké metacentrické.

B - Chromozomy 4, 5 jsou velké submetacentrické.

C - Chromozomy 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 jsou střední submetacentrické, svou stavbou do této skupiny náleží i pohlavní chromozom X.

D - Chromozomy 13, 14, 15 jsou střední akrocentrické.

E - Chromozomy 16, 17, 18 jsou malé submetacentrické.

F - Chromozomy 19, 20 jsou malé metacentrické.

G - Chromozomy 21, 22, jsou malé akrocentrické, řadí se sem i

chromozom Y, který satelity nenese.

Metody výzkumu



Metody populační genetiky

∙

Aplikují se zde obecné zákonitosti přenosu a rekombinace genetické informace na úrovni populace

∙

Znalost frekvence alel a odhad frekvence heterozygotních přenašečů jsou důležité třeba pro stanovení prognózy recesivně dědičných chorob

∙

Zjišťování dědičných chorob, které

vznikají na základě genetických dispozic

Dědičné choroby a dispozice

 Dědičné choroby jsou podmíněny defektními geny přenesenými na potomka

 Enzym kódovaný tímto genem má změněnou strukturu, stává se proto nefunkčním a může

narušit průběh životně důležité biochemické reakce Dispozice – k projevu nemoci je nutné působení

faktorů prostředí, vyskytuje se často u více členů rodiny (alergie, neurózy, vysoký krevní tlak..)

Choroba = vada – projeví se vždy, vzniká mutací - Syndrom – je pro něj typická určitá kombinace

příznaků (symptomů), neschopnost buněk syntetizovat určitý enzym, neléčitelné

Choroby s dědičnou dispozicí

 Degenerativní stigmata – drobné odchylky od normy, mhou se vyskytovat u zcela zdravých jedinců

(vzdálenost očí, chlupení,opičí rýha..)

 Autozomálně recesivní dědičné choroby (týká se genů umístěných na nepohlavních chromozomech a sleduje se přenos znaku podmíněného recesivní alelou)

GALAKTOSEMIE – chybí enzym pro trávení

monosacharidů galaktosy, následně se hromadí v orgánech a alternativní cestou se metabolizuje na galaktitol, to vede k poškoení ledvin, TS, sleziny atd.

ALBINISMUS – neschopnost tvorby melaninu z tyrosinu SRPKOVÁ ANEMIE – erytrocyty se při dozrávaní zkroutí

do srpku a jsou nefunkční, nepřenášejí kyslík a to vede k chudokrevnosti

Choroby s dědičnou dispozicí



Dědičnost autozomálně dominantní

HUNTINGTONOVA CHOROBA – projeví se

až ve středním věku, neurodegenerativní onemocnění – nekoordinovaný pohyb,

poruchy řeči, nálady, chování, myšlení;

neexistuje léčba



Gonozomálně dědičné choroby

HEMOFILIE, DALTONISMUS, SVALOVÁ

DISTROFIE..

Genetické poradenství

 Je součástí léčebně preventivní péče

 Genetik stanoví riziko genetického postižení

 Při zvýšeném genetickém riziku jsou pak

navrhovány možnosti preventivního opatření

 Úprava životosprávy, přerušení těhotenství, zábrana početí…

Metody biochemické a molekulárně genetické

∙ Biochemické – odběr moči, krve, plodové vody

∙ Genetické – odběr úseku DNA

∙ Transkriptonika – sleduje se DNA

∙ Genominka – obor genetiky, který se zabývá studiem genomů organismu

Eugenika

 věda, která se snaží zlepšit skladbu lidské populace

 Největší rozkvět měla před druhou světovou válkou

 Negativní eugenika – měla zamezit rozmnožování vybraných osob (dědičné choroby)

 Pozitivní eugenika – cíl byl vytvořit skupinu

jedinců nejvhodnějších pro rozmnožování, ti měli zplodit „geneticky lepší“ generace

 Zlepšování genofondu populace snižováním frekvence nežádoucích alel

Genové inženýrství

 Odvětví genetiky, zabývající se přímou manipulací s DNA a v tvářením takových kombinací, které by přirozenými genetickými procesy nemohly vzniknout

 Metoda zahrnuje zavádění cizích genů do daného organismu

 Rekombinantní DNA - uměle syntetizovaná DNA, která vzniká inzercí genu nebo určité části genu jednoho

organismu do genomu jiného – části DNA jsou stříhány a spojovány pomocí enzymů

 Velké využití v rostlinné výrobě a šlechtění rostlin

 Transgenní rostliny - do jejichž dědičného základu byly metodami genového inženýrství vpraveny geny z jiných, nepříbuzných organismů (gen pro syntézu bílkovin

toxických pro škůdce a neškodných pro člověka)

Šlechtitelství

 Cílem je zlepšit přirozenou kvalitu nebo výnos zemědělských odrůd

 Šlechtění rostlin – výnos lze zvyšovat úpravou jejich vnějších podmínek (výživa, ochrana..)

Polyploidizace - metoda, při které dochází k znásobení počtu chromozómových sad v buňce. Nejčastěji je vyvolána

působením kolchicinu, rostlina je větší, mohutnější

Křížení - Křížením dochází ke spojování genetické informace dvou nebo více rodičů, kteří mají odlišný genetický základ pro znaky a vlastnosti

Výběr - z populace rostlin se vyberou ty rostliny, které mají nějakou zajímavou vlastnost

Heteroze – hybridi jsou větší a silnější než rodiče (rajčata, kukuřice)

Roubování - rozmnožování ovocných dřevin nepohlavně

Klonování

 Klon je soubor identických buněk nebo organismů

odvozených od společného předka, nepohlavní cestou – má zcela shodný genotyp i fenotyp

 Dnes důležité v zemědělství a biotechnologických oborech

 Klonování rostlin je jednodušší než klonování živočichů

 Živočichové se klonují:

1. Separací blastomer – každá z nich se může vyvinout v samostatné embryo a samostatný organismus – stejný genotyp

2. Klonování založené na přenosu jader – zbavení vajíčka jeho haploidního jádra, dědičná informace z vajíčka se odstraňuje, na její místo putuje jádro tělní buňky

klonovaného jedince

První naklonované zvíře byla ovečka Dolly -1997

Biotechnologie a geneticky modifikované organismy

 Technologie založené na využívání poznatků z biologie

 V zemědělství, potravinářství a medicíně

 Především využití nižších organismů

 Nejrozvinutější odvětvím jsou genetické manipulace

 Geneticky modifikované organismy (GMO) –

organismus, jehož genetický materiál byl úmyslně změněn

 Medicína – u člověka výroba insulinu pomocí bakterie Escherichia coli a dalších hormonů

 Potravinářství nebo zemědělství – kukuřice a bavlna odolná k hmyzu nebo sója odolná herbicidům