PoPopulapulační genetikační genetika

Populační genetikaPopulační genetika

ORGANISMUS Součást výše organizované soustavy populace

POPULACE Soubor jedinců jednoho druhu Genotypově heterogenní V určitém čase má přirozeně vymezený prostor Velký počet generací

GENOFOND POPULACE Soubor všech genů v daných lokusech od všech jedinců, kteří tvoří

populaci

GAMETOVÝ FOND Soubor všech genů v gametách

ZYGOTOVÝ FOND Geny obsažené v zygotách

Castle-Hardy-Weinbergova zákonitostCastle-Hardy-Weinbergova zákonitost

Platí v panmiktické populaci za předpokladu omezujících podmínek

• Velká populace• Nedochází k mutacím• Nedochází k selekci• Nedochází k migraci• Vztah alel: úplná dominance / recesivita

12 2)()(

2)( aaAaAA qpqp

Castle-Hardy-Weinbergova zákonitostCastle-Hardy-Weinbergova zákonitost

Základní vztah pro systém se dvěma alelami sledovaného genu

)(aq1)( Ap

1)()( aA qp

OOdhady frekvencí nežádoucích dhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel(recesívních) alel

populaci vfrekvence

vzorku veosobh počet všec

homozygotůh recesivnícpočet

q

12 2)()(

2)( aaAaAA qpqp

OOdhady frekvencí nežádoucích dhady frekvencí nežádoucích (reces(recesiivních) alelvních) alel

choroba zkratkavýskyt

v populaci

fenylketonurie PKU 1/8100

cystická fibróza (mukoviscidóza)

CF 1/2500

OOdhady frekvencí nežádoucích dhady frekvencí nežádoucích (recesívních) alel(recesívních) alel

odhad

49/50 = 1

89/90 = 1

p = 1 - q

1/50

1/90

q

1/2500

1/8100

výskytv populaci

CF

PKU

choroba2pq = 2q

2 x 1 x 1/50= 1/25

2 x 1 x 1/90= 1/45˙

˙

˙

Odhad frekvencí fenotypů v ABO systémuOdhad frekvencí fenotypů v ABO systému

alela frekvence

A p

B q

O r

p + q + r = 1

p2+ 2pr + q2 + 2qr + r2 + 2pq =1

a) p = 0.3 q = 0.2Očekávaná četnost krevní skupiny B =

b) q = 0.1 r = 0.5Očekávaná četnost krevní skupiny A =

c) q = 0.2 p = 0.3Očekávaná četnost krevní skupiny O =

d) q = 0.1 r = 0.6Očekávaná četnost krevní skupiny AB =

0.24

0.56

0.25

0.06

B = BB + BOA = AA + AOO = OOAB = AB

PPřímý výpočet frekvence jedné alelyřímý výpočet frekvence jedné alely

vzorkujedinců veh počet všec2

)(tů heterozygopočet )( homozygotůpočet 2

ABAAp

Alelní vztah: kodominance, neúplná dominance

Výpočet fVýpočet frekvence alel systému MNrekvence alel systému MN

Fenotyp Počet osob

M 406

MN 744

N 332

Výpočet - Výpočet - frekvence alel systému MNfrekvence alel systému MN

fenotyp počet jedinců genotyp počet alel M počet alel N

M 406 MM 812 0

MN 744 MN 744 744

N 332 NN 0 664

1482 1556 1408

525,09642

5561

48212

7444062

p 475,01 pq

Rh systRh systémém

Osoby Rh- = genotyp dd Osoby Rh+ = genotyp DD nebo Dd

Ve zkoumané populaci je 16% osob Rh- A) Proveďte odhady genových frekvencí a vypočítejte zastoupení

jednotlivých genotypů v populaci B) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se narodí dítě Rh+? C) Jaká je pravděpodobnost, že ženě Rh- se vždy narodí dítě Rh+?

DD p2 Dd 2pq dd q2

DD p2

Dd 2pq

dd q2

Rh systémRh systém

a) q2 = 0.16 q = 0.4 p = 0.6 p2 = 0.36 2pq = 0.48

DD p2 Dd 2pq dd q2

DD p2 Dd p2q2

Dd 2pq Dd pq3

dd pq3

dd q2

b) p2q2 + pq3 = pq2 (p+q) = pq2 = 0.096 c) p2q2 = 0.058

SelekceSelekce

Selekce v populaci ovlivňuje relativní reprodukční schopnost organismu s určitým genotypem a tím i frekvenci příslušného genu

Relativní reprodukční schopnost wi = průměrný počet potomků genotypu i : průměrný počet potomků nejplodnějšího genotypu

wi = 1; po selekci wi = 1 – s s = selekční koeficient (rozmezí 0 – 1)

Normalizující selekce – vylučování odchylek Balancující selekce – udržuje polymorfismus

na příklad preference heterozygotů (např. srpkovitá anemie) Selekce proti AR fenotypu

Působí pouze proti recesivním homozygotům má menší účinnost než selekce proti dominantní alele

p2 + 2pq + q2(1-s) = 1 – q2s při s = 1 p2 + 2pq

SelekceSelekce

• Selekce proti AD fenotypu

A) Úplná selekce proti dominantnímu fenotypu v následující generaci dominantní alela vymizís = 1

p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = q2

B) Neúplná selekce proti dominantnímu fenotypu rychle snižuje frekvenci alely

p2(1-s) + 2pq(1-s) + q2 = 1- p2s – 2pqs

• Selekce proti oběma typům homozygotům– preference heterozygotů

- ani jedna alela určitého lokusu není eliminovaná- frekvence se udržují na stejné úrovni balancovaný

polymorfismus- Například srpkovitá anémie velký význam pro evoluci zdroj

adaptace na nové podmínky prostředí

p2(1-s1) + 2pq + q2 (1-s2) = 1 - p2 s1 - q2 s2

SelekceSelekce

Náhodná trvalá dědičná změna genetického materiálu• Chromosomová (např. zlom)• Genová (např. bodová mutace)

Mutace• tolerované (přírodní výběr)neutrální (neovlivňují reprodukční schopnost nositele)výhodné (zvyšují reprodukční schopnost nositele, zlepšují stávající funkce – např. duplikace genů

• nevýhodné (ztráta nebo porucha funkce genu)

• zakázané (letální – neschopnost reprodukce)

Každý jedinec –12 genů s nevýhodnými recesivními mutacemi -z nich 3-5 genů v homozygotní formě je letálních

Frekvence mutací u lidí – 10-6 – 10-5

MutaceMutace

Mutagenní faktoryMutagenní faktory

Mutace spontánní: chyby při replikaci – bodové mutace inekvální crossing-over – delece, duplikace poruchy mitózy/meiózy – monosomie, trisomie …

Indukované: vyvolané zevními vlivy (mutageny) fyzikální - ionizující záření (gamma, rtg), UVchemické - polycyklické aromatické uhlovodíky,

nitrosaminy, mykotoxiny, těžké kovy (chrom, nikl, arsen, rtuť), azbest

biologické – např. papiloma viry, některé adenoviry a herpes-viry

Bodové mutaceBodové mutace

Záměny basí a) Neutrální (tiché mutace)b) Záměna aminokyselin v polypeptiduc) Předčasná terminace Delece → posun čtecího rámce Inserce → posun čtecího rámce Duplikace Působením mutací mohou vznikat a) nové alely daného genu → variabilita znakub) škodlivé mutacec) letální mutace

Mutace na úrovni úseků DNAMutace na úrovni úseků DNA

Delece Inserce Translokace Duplikace

DuplikaceInverse, paracentrická

Delece

Isochromosom

Translokace – Robertsonská fúze

Pár akrocentrických chromosomů

MutaMutaccee

…. …. …. GCC AGG CAC … …. ….

Ala Arg His

TAla Trp His Leu Term

…. …. …. GTG CAG GGT … …. ….

Leu Gln Gly

Nonsence mutace (bez smyslu)Terminace translace

Missence mutace (měnící smysl)Záměna aminokyseliny

T

Genetický kód

5'UUU3' = Phe 5'UCU3' = Ser 5'UAU3' = Tyr 5'UGU3' = Cys

UUC = Phe UCC = Ser UAC = Tyr UGC = Cys

UUA = Leu UCA = Ser UAA = stop UGA = stop

UUG = Leu UCG = Ser UAG = stop UGG = Trp

5'CUU3' = Leu 5'CCU3' = Pro 5'CAU3' = His 5'CGU3' = Arg

CUC = Leu CCC = Pro CAC = His CGC = Arg

CUA = Leu CCA = Pro CAA = Gln CGA = Arg

CUG = Leu CCG = Pro CAG = Gln CGG = Arg

5'AUU3' = Ile 5'ACU3' = Thr 5'AAU3' = Asn 5'AGU3' = Ser

AUC = Ile ACC = Thr AAC = Asn AGC = Ser

AUA = Ile ACA = Thr AAA = Lys AGA = Arg

AUG = Met(start) ACG = Thr AAG = Lys AGG = Arg

5'GUU3' = Val 5'GCU3' = Ala 5'GAU3' = Asp 5'GGU3' = Gly

GUC = Val GCC = Ala GAC = Asp GGC = Gly

GUA = Val GCA = Ala GAA = Glu GGA = Gly

GUG = Val GCG = Ala GAG = Glu GGG = Gly

Start = start kodon ; stop = stop kodon (terminační kodon, nonsense - kodon)

MutaMutaccee

…. …. AAA GAA AAG ATT GGA ACT AGG TCA … …. ….

Lys Glu Lys Ile Gly Thr Arg Ser

…. …. …. AAA GAT TGG AAC TAGLys Asp Trp Asn Term

Posun čtecího rámce

Genetický kód

5'UUU3' = Phe 5'UCU3' = Ser 5'UAU3' = Tyr 5'UGU3' = Cys

UUC = Phe UCC = Ser UAC = Tyr UGC = Cys

UUA = Leu UCA = Ser UAA = stop UGA = stop

UUG = Leu UCG = Ser UAG = stop UGG = Trp

5'CUU3' = Leu 5'CCU3' = Pro 5'CAU3' = His 5'CGU3' = Arg

CUC = Leu CCC = Pro CAC = His CGC = Arg

CUA = Leu CCA = Pro CAA = Gln CGA = Arg

CUG = Leu CCG = Pro CAG = Gln CGG = Arg

5'AUU3' = Ile 5'ACU3' = Thr 5'AAU3' = Asn 5'AGU3' = Ser

AUC = Ile ACC = Thr AAC = Asn AGC = Ser

AUA = Ile ACA = Thr AAA = Lys AGA = Arg

AUG = Met(start) ACG = Thr AAG = Lys AGG = Arg

5'GUU3' = Val 5'GCU3' = Ala 5'GAU3' = Asp 5'GGU3' = Gly

GUC = Val GCC = Ala GAC = Asp GGC = Gly

GUA = Val GCA = Ala GAA = Glu GGA = Gly

GUG = Val GCG = Ala GAG = Glu GGG = Gly

Start = start kodon ; stop = stop kodon (terminační kodon, nonsense - kodon)

Testování mutagenních účinků nových sloučeninTestování mutagenních účinků nových sloučenin

Genotoxické účinky – testování interakce látky s genetickým materiálem buňky

Stanovení mutagenních účinků na bakteriích – Amesův test:

Salmonella typhimurium; mutace pro tvorbu histidinu – rostou v prostředí, které histidin obsahuje.

Kultivace bez histidinu + jaterní oxydasa (mění testovanou látku na aktivní metabolit) + testovaná látka → původní mutanti nerostou, rostou noví mutanti, kteří vznikli po působení testované látky → tvoří histidin

Testování mutagenních účinků nových sloučeninTestování mutagenních účinků nových sloučenin

Cytogenetické hodnocení chromosomového poškození

a) Chromosomální aberace

b) Mikrojaderný test s blokádou cytokinese. Mikrojádra jsou mimojaderná tělíska vznikající z fragmentů chromosomů bez centromery nebo z chromosomů, které v anafázi mitózy nedoputovaly pólům.

c) FISH In vivo testy na definovaných kmenech laboratorních

zvířat → postihují jak ovlivňuje testovanou látku adsorbce a distribuce, metabolismus, exkrece apod. Jsou nezastupitelné pro testování teratogenních účinků.

Náhodný genový posun - driftNáhodný genový posun - drift

Genový fond / gametový fond / zygotový fond Vznik zygotového fondu je náhodný proces během generací se mohou

měnit genové frekvence

Genový drift je změna frekvencí alel v genofondu malých populací způsobená náhodnými příčinami

Závisí na velikosti populace – změny jsou nepředvídatelné V průběhu generací kolísá frekvence alel Krajní mez – fixace nebo aliminace některých alel genetická

homozygotizace genová fixace ustálení jedné alely v populaci / eliminace alternativní alely

Úloha v populaci nová populace se liší od původní „mateřské“ populace

Efekt zakladatele vysvětluje mimořádně vysoké frekvence některých chorob v subpopulacích

Např. Tay-Sachsova choroba vrozená vada metabolizmu (AR) s neurologickou symptomatologií vyskytuje se s vysokou frekvencí u židů původem z východní Evropy

Náhodný genový posun - driftNáhodný genový posun - drift

EvoluceEvoluce

V biologii → proces změn dědičných vlastností (resp. frekvence alel) mezi organismy.

Postupný vývoj života na zemi k mnoha různým formám.

Společné rysy ve struktuře genetického kódu.

Makroevoluce → vyšších taxonomických kategorií (řád, kmen); vývoj nových druhů

Mikroevoluce → menší evoluční změny (např. změny frekvence alel v populacích) během kratšího časového období.

EvoluceEvoluce

Fylogenetický stromFylogenetický strom

Genetický rozdíl mezi lidmi a šimpanzem – 2%Poslední předek lidí a šimpanzů – 4-7 milionů let; Společný předek moderních lidí – před cca 200 000 roky

Člověk a evoluceČlověk a evoluce

Evoluce se projevuje změnami v genech Genetický drift DNA se může měnit vlivem nahodilých mutací → mutace jsou

usměrňovány

a) přírodním výběrem (v souvislosti se změnami životního prostředí);

b) b) sexuálním výběrem Pro současného člověka není přírodní výběr jediným evolučním

faktorem (např. genetické inženýrství, cílená léčba …) Vzájemné působení mezi činností mozku a lidskými geny Dva geny – pokračující evoluce u člověka:

a) gen kódující mikrocefalin (AR mutace → mikrocefalie) – kontroluje množení buněk v mozku;

b) gen ASMP (Abnormal Spindle-like Microcephaly; AR mutace v tomto genu – primární mikrocefalie) – exprimován v mozkové kůře během neurogeneze