Εισαγωγή στη Γενετική και τις αρχές της Κληρονοµικότητας

Ανδρονίκη Παπουτσή

Επίκ. Καθηγήτρια Βιολογίας-Γενετικής

Θεσσαλονίκη 2013

Επιπτώσεις, Θέµατα: Το χρώµα του δέρµατος

� Για το χρώµα του δέρµατος υπεύθυνη είναι η µελανίνη• Παράγεται από µελανοκύτταρα στο δέρµα• Περισσότερα από 100 γονίδια επηρεάζουν άµεσα ή έµµεσα την ποσότητα της µελανίνης στο δέρµα ενός ατόµου�οδηγεί σε πολλές παραλλαγές στο χρώµα του δέρµατος

Βασικές Έννοιες Κληρονοµικότητας

� Τα γονίδια παρέχουν τις οδηγίες για όλα τα ανθρώπινα χαρακτηριστικά, συµπεριλαµβανοµένων των φυσικών χαρακτηριστικών και τον τρόπο µε τον οποίο λειτουργούν τα µέρη του σώµατος

� Κάθε άτοµο κληρονοµεί ένα συγκεκριµένο µίγµα των µητρικών και πατρικών γονιδίων

Βασικές Έννοιες Κληρονοµικότητας (1)

� Γονίδια

• Οι άνθρωποι έχουν περίπου 21,500

• Βιοχηµικές οδηγίες για τη δόµηση πρωτεϊνών

• Γονιδιακός τόπος (locus): καθορισµένη θέση ενός γονιδίου σε συγκεκριµένο χρωµόσωµα

� Τα διπλοειδή κύτταρα περιέχουν δύο αντίγραφα του κάθε γονιδίου στα ζεύγη των οµολόγων χρωµοσωµάτων

� Αλλήλιο ή αλληλόµορφο: κάθε διαφορετική «εκδοχή» έκφρασης ενός γονιδίου

Ορισµένοι βασικοί γενετικοί όροι

Πολλά γενετικά χαρακτηριστικά έχουν και τις επικρατείς και τις υποτελείς µορφές

Βασικές Έννοιες Κληρονοµικότητας (2)

� Οµόζυγη κατάσταση: πανοµοιότυπα αλλήλια

� Ετερόζυγη κατάσταση : διαφορετικά αλλήλια

� Επικρατές ή υπερέχον αλλήλιο• Επικαλύπτει την έκφραση του υποτελούς ή υπολειπόµενου αλληλίου όταν συνδυάζεται µε αυτό (επίδραση «µάσκας») στο γονότυπο

Βασικές Έννοιες Κληρονοµικότητας (3)

� Γενετικοί αντιπροσωπευτικοί όροι• Οµόζυγο επικρατές (AA)• Οµόζυγο υποτελές (aa)• Ετερόζυγο (Aa)

� Γονότυπος

• Τα κληρονοµήσιµα αλληλόµορφα

� Φαινότυπος

• Παρατηρήσιµα λειτουργικά ή σωµατικά χαρακτηριστικά

Σύγκριση Γονότυπου και Φαινότυπου

Πίνακας: γονότυπος & φαινότυπος

Γονότυπος αναφέρεται ως Φαινότυπος

ΕΕ Οµόζυγο επικρατές Ελεύθερος ωτικός λοβός

ΕeΕτερόζυγο (ένα από κάθε αλλήλιο, παρατηρείται η επικρατής µορφή

του χαρακτηριστικού)Ελεύθερος ωτικός λοβός

ee Οµόζυγο υποτελέςΠροσκολληµένος ωτικός

λοβός

Ένα χρωµόσωµα, ένα αντίγραφο του γονιδίου

� Κληρονοµούµε ζεύγη ενός γονιδίου (αλληλόµορφα) σε ζεύγη χρωµοσωµάτων, αλλά ένας γαµέτης λαµβάνει µόνο ένα γονίδιο από κάθε ζεύγος

� ∆ιασταύρωση µονοϋβριδισµού

• Καταδεικνύει τον τρόπο κληρονόµησης ενός χαρακτηριστικού

� ∆ιαχωρισµός

• Ζεύγη αλληλοµόρφων διαχωρίζονται κατά τη διάρκεια σχηµατισµού των γαµετών

Το χαρακτηριστικό της σχισµής στο πηγούνι, προκύπτει από ένα αλληλόµορφο ενός γονιδίου

Κάθε ζεύγος αλληλίων διαχωρίζεται και τα δύο αλληλόµορφα καταλήγουν σε διαφορετικούς γαµέτες

Γενετικά Εργαλεία: ∆ιασταυρώσεις και Πιθανότητες

� Όταν οι δυνητικοί γονείς ανησυχούν για πιθανή µετάδοση ενός επιβλαβούς χαρακτηριστικού σε ένα παιδί, οι γενετικοί σύµβουλοι θα πρέπει να προσπαθούν να προβλέψουν το πιθανό αποτέλεσµα της σύζευξης.

� Κανένα συµβάν δεν έχει µεγαλύτερη πιθανότητα να συµβεί απ’ ότι κάποιο άλλο.

� ∆εν µπορούµε να προβλέψουµε το ακριβές αποτέλεσµα ενός συγκεκριµένου γεγονότος.

� Όσο περισσότερες δοκιµές διενεργούνται, τόσο πιο κοντά βρίσκονται τα πραγµατικά αποτελέσµατα στα προσδοκώµενα αποτελέσµατα.

Πιθανότητα

� Μέτρο της πιθανότητας ότι κάποιο συγκεκριµένο αποτέλεσµα θα προκύψει

� Βασικός παράγοντας στην κληρονοµικότητα µονογονιδιακών χαρακτηριστικών

� ∆ιασταύρωση CC x cc• Όλοι οι απόγονοι θα είναι ετερόζυγοι, Cc

� ∆ιασταύρωση Cc x Cc• ¼ CC, ½ Cc, και ¼ cc

Ένα τετράγωνο Punnett µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να προβλέψει το αποτέλεσµα µιας γενετικής διασταύρωσης

� Punnett square• χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό πιθανών αποτελεσµάτων των γενετικών διασταυρώσεων

• εφαρµόζεται ο κανόνας των πιθανοτήτων διότι η γονιµοποίηση είναι ένα τυχαίο γεγονός

• η πιθανότητα µπορεί να εκφραστεί µαθηµατικά, π.χ., µεταξύ 0% και 100%

� Το πιο πιθανό αποτέλεσµα δεν ειναι απαραίτητο να συµβεί

� Σε µια δεδοµένη κατάσταση, η πιθανότητα δεν αλλάζει

Ένα τετράγωνο Punnett µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να προβλέψει το αποτέλεσµα µιας γενετικής διασταύρωσης

∆ιαφορετικά πιθανά γενετικά αποτελέσµατα στη δεύτερη γενιά µετά το ζευγάρωµα µονοϋβριδισµού

Μια διασταύρωση ελέγχου (Testcross ), µπορεί να αποκαλύψει Γονότυπους

� ∆ιασταύρωση ελέγχου

• Αναγνώριση γονοτύπου (µη ανθρώπινου) οργανισµού

• ∆ιασταύρωση του προς εξέταση οργανισµού µε οµόζυγο υποτελή οργανισµό (αα)

• Εάν όλοι οι απόγονοι είναι Αα, ο γονέας ήταν µάλλον AA

• Αν κάποιοι από τους απογόνους έχουν το κυρίαρχο χαρακτηριστικό και κάποιοι έχουν το υπολειπόµενο χαρακτηριστικό, ο γονέας ήταν Αα

Πώς κατανέµονται στους γαµέτες τα γονίδια για διαφορετικά χαρακτηριστικά;

� Όταν εξετάζουµε περισσότερα από ένα χαρακτηριστικά, παρατηρούµε ότι το γονίδιο για κάθε χαρακτηριστικό κληρονοµείται ανεξάρτητα των γονιδίων για τα υπόλοιπα γνωρίσµατα

� Σηµείωση: µε τη βασική προϋπόθεση ότι τα γονίδια δεν είναι συνδεδεµένα, δηλαδή δε βρίσκονται στο ίδιο χρωµόσωµα

Πώς τα γονίδια για διαφορετικά χαρακτηριστικά κατανέµονται στους γαµέτες;

� Ανεξάρτητος συνδυασµός

• Εµφανίζεται κατά τη διάρκεια της µείωσης

• Ένα συγκεκριµένο χρωµόσωµα και τα γονίδιά του κατανέµονται τυχαία στους γαµέτες

• µετάφαση I• µετάφαση II

� ∆ιασταύρωση µεταξύ ετερόζυγων ατόµων για δύο χαρακτηριστικά, παράγει 16 διαφορετικά είδη γονοτύπων

• Οι πιθανοί γονότυποι µπορούν να απεικονιστούν χρησιµοποιώντας το τετράγωνο του Punnett

Τι είναι ο ανεξάρτητος συνδυασµός;

Τα αλληλόµορφα διαχωρίζονται ανεξάρτητα κατά τη διάρκεια του σχηµατισµού των γαµετών.

Μια από τις δύο πιθανές ευθυγραµµίσεις χρωµοσωµάτων

Η µοναδική άλλη πιθανή ευθυγράµµιση

a. Αρχική χρωµοσωµική ευθυγράµµιση (Μετάφαση Ι)

b. Προκύπτουσες ευθυγραµµίσεις (Μετάφαση ΙΙ)

c. Πιθανοί συνδυασµοί αλληλόµορφων στους γαµέτες: AB ab Ab aB

CcDd CcDdmeiosis,

gamete formationmeiosis,

gamete formation

1/4 CD

1/4 Cd

1/4 cD

1/4 cd

1/4 CD

1/16 CCDD

1/16 CCDd

1/16 CcDD

1/16 CcDd

1/4 Cd

1/16 CCDd

1/16 CCdd

1/16 CcDd

1/16 Ccdd

1/4 cD

1/16 CcDD

1/16 CcDd

1/16 ccDD

1/16 ccDd

1/4 cd

1/16 CcDd

1/16 Ccdd

1/16 ccDd

1/16 ccdd

Adding up the combinations possible:9/16 or 9 chin fissure, dimples3/16 or 3 chin fissure, no dimples3/16 or 3 smooth chin, dimples1/16 or 1 smooth chin, no dimples

Εππτώσεις µονογονιδιακής κληρονοµικότητας

� Πολύ λίγα ανθρώπινα χαρακτηριστικά ελέγχονται από ένα µόνο γονίδιο

� Τα χαρακτηριστικά, όπως το ύψος ή το χρώµα του δέρµατος ελέγχονται από πολλά γονίδια που ενεργούν από κοινού

� Εκείνα τα χαρακτηριστικά τα οποία ελέγχονται από ένα µόνο γονίδιο είναι συνήθως υπεύθυνα για κληρονοµικές ασθένειες & σύνδροµα

Γενετικές ανωµαλίες

� Κυστική ίνωση (υπολειπόµενο). Αδένες του πεπτικού σωλήνα παράγουν µια παχιά βλέννα που επηρεάζει την αναπνοή, την πέψη και την ευαισθησία σε λοιµώξεις στο θώρακα

� Αχονδροπλαστικός νανισµός (κυρίαρχο). Το κεφάλι και ο κορµός αναπτύσσονται κανονικά, αλλά τα άκρα παραµένουν κοντά

� Αλφισµός (υπολειπόµενο). Τα αλφικά άτοµα δεν µπορούν να παράγουν χρωστική στο δέρµα, στα µαλλιά ή στην ίριδα

� Πολυδακτυλία (κυρίαρχο *). Ένα επιπλέον δάχτυλο µπορεί να εµφανιστεί στα χέρια ή στα πόδια

� ∆ρεπανοκυτταρική αναιµία (υπολειπόµενο). Τα ερυθρά αιµοσφαίρια παραµορφώνονται όταν η συγκέντρωση του οξυγόνου ελαττώνεται. Έχουν την τάση να µπλοκάρουν τα τριχοειδή αιµοφόρα αγγεία στις αρθρώσεις.

Μονά γονίδια, ποικίλες επιδράσεις

� Μερικά µονογονιδιακά χαρακτηριστικά έχουν σαφώςεπικρατείς και υποτελείς µορφές

� Για τα περισσότερα χαρακτηριστικά, όµως, η ιστορία δεν είναι τόσο απλή...

• Πολλαπλά αλληλόµορφα (ΑΒΟ, χρώµα µατιών Drosophila)

• Τροποποιήσεις σχέσεων επικράτησης (ατελής, συνεπικράτηση)

• Αλληλεπιδράσεις γονιδίων (νέοι φαινότυποι, επίσταση)

• Θνησιγόνα αλληλόµορφα & απαραίτητα γονίδια

• Πλειοτροπισµός

• Γονιδιακή έκφραση και περιβάλλον (∆ιεισδυτικότητα, Εκφραστικότητα, περιβαλλοντικές επιδράσεις – φύλο, ηλικία, θερµοκρασία, χηµικές ενώσεις)

Πολλαπλά αλληλόµορφα

� Η ύπαρξη δύο ή περισσότερων αλληλοµόρφων του ίδιου γονιδίου είναι γνωστή ως πολλαπλή αλληλοµορφία

� ß σφαιρίνη - πάνω από 500 διαφορετικά αλληλόµορφα, εποµένως, η ικανότητα µεταφοράς οξυγόνου στον άνθρωπο είναι πολυµορφική

� Οµάδες αίµατος του ανθρώπου: Α, Β, ΑΒ και Ο

Ατελής επικράτηση

� Το R, είναι ένα ένζυµο που παράγει µωβ χρωστική

� το r, παράγει ένα δυσλειτουργικό ένζυµο

� Στους ετεροζυγώτες, περιορισµένη δραστικότητα του ενζύµου παράγει ενδιάµεσο φαινότυπο

Συνεπικράτηση: εκφράζονται περισσότερα από ένα αλληλόµορφο ενός γονιδίου

� Συνεπικράτηση

• Ετεροζυγωτία για ένα χαρακτηριστικό, αλλά εκφράζονται και τα δύο αλληλόµορφα

• Παράδειγµα: τα αλληλόµορφα για τον τύπο αίµατος καθορίζουν την παρουσία ή απουσία των πολυσακχαριτικών αντιγόνων στην επιφάνεια των ερυθρών αιµοσφαιρίων

• ΙΑ και ΙΒ: συνεπικρατούν όταν συνδυάζονται µεταξύ τους

� Πολλαπλό σύστηµα αλληλοµόρφων• Ένα γονίδιο που έχει τρία ή περισσότερα αλληλόµορφα

Υπάρχουν διάφοροι πιθανοί συνδυασµοί αλληλόµορφων για το σύστηµα ABO

Νέοι φαινότυποι από αλληλεπιδράσεις γονιδίων

� Τέσσερις διαφορετικοί φαινότυποι του λειριού στα κοτόπουλα, οι οποίοι είναι αποτέλεσµα όλων των πιθανών συνδυασµών ενός επικρατούς και ενός υποτελούς αλληλοµόρφου σε καθέναν από δύο γενετικούς τόπους.

� (α) Ροδοειδές λειρί (R/– p/p).

� (β) Καρυδόσχηµο λειρί (R/– P/–).

� (γ) Λειρί σχήµατος µπιζελιού (r/r P/–)

� (δ) Μονό λειρί (r/r p/p).

∆ηµιουργία νέων φαινοτύπων µέσω της αλληλεπίδρασης γονιδίων στα κοτόπουλα

� Οι γενετικές διασταυρώσεις αποκαλύπτουν την αλληλεπίδραση γονιδίων για τον προσδιορισµό του σχήµατος του λειριού.

� (α) Η διασταύρωση ενός αµιγούς πτηνού µε ροδοειδές λειρί, µε ένα αµιγές πτηνό µε λειρί σχήµατος µπιζελιού, δίνει στην F1 γενιά αποκλειστικά απογόνους µε καρυδόσχηµο λειρί.

Επίσταση (υποτελής & επικρατής)

� Υποτελής επίσταση στα λαµπραντόρ.

� Αριστερά: Μαύρο λαµπραντόρ γονότυπος B/– E/–

� Μέση: Κίτρινο λαµπραντόρ γονότυπος –/– e/e

� ∆εξιά: Σοκολατί λαµπραντόρ γονότυπος b/b E/–

Επίσταση ονοµάζεται το φαινόµενο της αλληλεπίδρασης µεταξύ δύο ή περισσότερων γενετικών τόπων για την εκδήλωση συγκεκριµένου φαινοτύπου, κατά την οποία ένας γενετικός τόπος εµποδίζει ή τροποποιεί τη φαινοτυπική έκφραση ενός άλλου γενετικού τόπου

Επίσταση (υποτελής & επικρατής)

� Επικρατής επίσταση. Στο άλογο, ένα επικρατές αλληλόµορφο ευθύνεται για το σταδιακό γκριζάρισµα του τριχώµατος καθώς το ζώο µεγαλώνει.

� Ένα άλογο ράτσας Lipizzaner σε ηλικία 4 ετών (αριστερά) και 7 ετών (δεξιά).

Θνησιγόνα

αλληλόµορφα

� Κληρονόµηση του θνησιγόνου γονιδίου AY σε ποντίκια.

� Η διασταύρωση µεταξύ δύο κίτρινων ποντικιών δίνει:

• 1/4 µη κίτρινα (µαύρα) ποντίκια

• 1/2 κίτρινα ποντίκια και

• 1/4 νεκρά έµβρυα.

� Τα κίτρινα ποντίκια είναι ετερόζυγα AY/A, ενώ τα νεκρά έµβρυα είναι οµόζυγα AY/AY.

Ένα γονίδιο µπορεί να επηρεάσει πολλά χαρακτηριστικά – Πλειοτροπισµός

� Πλειοτροπισµός

• Ένα γονίδιο επηρεάζει δύο ή περισσότερα χαρακτηριστικά – πλειοτροπικά γονίδια

• ∆ρεπανοκυτταρική αναιµία, φαινυλκετονουρία, αχονδροπλασία στα ποντίκια

� ∆ρεπανοκυτταρική αναιµία• Μια υποκατάσταση αµινοξέος στην αιµοσφαιρίνη

• Βαλίνη (Val) αντί του γλουταµινικού οξέος (glu)

• πλειοτροπικές επιδράσεις• θεραπεία

Απλή γενετική αλλαγή οδηγεί σε πολλές φυσιολογικές συνέπειες στη δρεπανοκυτταρική αναιµία

Γονιδιακή έκφραση και Περιβάλλον

� ∆ιεισδυτικότητα (Penetrance)• Η συχνότητα µε την οποία εκδηλώνεται φαινοτυπικά στα άτοµα ενός πληθυσµού ένα επικρατές ή υποτελές αλληλόµορφο, ονοµάζεται διεισδυτικότητα

• Πλήρης ή ατελής – εξαρτάται από τη γενετική σύσταση ενός οργανισµού και από το περιβάλλον

• Κυστική ίνωση (Cystic fibrosis)• Οµόζυγο υποτελές• 100% διεισδυτικό

• Πολυδακτυλία (Polydactyly)• Υπερέχον αλληλόµορφο για επιπλέον δάχτυλα• Ατελώς διεισδυτικό

Οι άνθρωποι µε Πολυδακτυλία έχουν επιπλέον δάχτυλα στα χέρια ή τα πόδια τους

Γονιδιακή έκφραση και Περιβάλλον

� Εκφραστικότητα (expressivity)• Η εκφραστικότητα αφορά το βαθµό στον οποίο ένα αλληλόµορφο (ή γονότυπος) προκαλεί την εµφάνιση ενός φαινοτύπου σε ένα άτοµο

• Σταθερή ή µεταβλητή – εξαρτάται από τη γενετική σύσταση ενός οργανισµού και από το περιβάλλον

• Σε µοριακό επίπεδο, µπορεί να εννοηθεί ως το αποτέλεσµα διαφορετικού βαθµού λειτουργικότητας της πρωτεΐνης που κωδικοποιεί το γονίδιο

• Ατελής οστεογένεση, αυτοσωµικό επικρατές (µπλε χρώµα

σκληρού χιτώνα µατιών, εύθραυστα οστά, κώφωση)

• Νευροϊνωµάτωση, αυτοσωµικό επικρατές (café-au-lait κηλίδες,

νευροϊνώµατα ποικίλου µεγέθους, όγκοι στο µάτι, κλπ)

Μεταβλητή εκφραστικότητα σε άτοµα µε νευροϊνωµάτωση

(Α): Κηλίδα café-au-lait.

(Β): Κηλίδα café-au-lait και φακίδες.

(Γ): Μεγάλος αριθµός επιδερµικών νευρινωµάτων (νεοπλασίες).

(Α)

(Β) (Γ)

Υποθετικά παραδείγµατα διαφορών στη διεισδυτικότητα και στην εκφραστικότητα

� (α) Σύγκριση ατελούς και πλήρους διεισδυτικότητας.

� (β) Σύγκριση µεταβλητής και σταθερής εκφραστικότητας.

� (γ) Ατελής διεισδυτικότητα & µεταβλητή εκφραστικότητα

(α) (β)

(γ)

Φυλοεπηρεαζόµενη κληρονόµηση της ανδρογενούς αλωπεκίας στον άνθρωπο

Περιβαλλοντικές επιδράσεις

� Επιδράσεις της θερµοκρασίας επί της γονιδιακής έκφρασης

� το ch αλληλόµορφο παράγει την τυροσινάση που είναι υπεύθυνη για την παραγωγή µελανίνης

� το ch είναι ενεργό µόνο όταν οι θερµοκρασίες είναι περίπου 25ο C

Επίδραση της θερµοκρασίας στη γονιδιακή έκφραση

Τα Πολυγονιδιακά γνωρίσµατα προέρχονται από συνδυασµό διαφόρων γονιδίων

� Πολυγονιδιακά γνωρίσµατα

• Συνδυασµένη έκφραση πολλών γονιδίων

• Χρώµα µατιών και δέρµατος, πολλές παραλλαγές που οφείλονται στην ποσότητα και την κατανοµή της µελανίνης

� Συνεχής ποικιλοµορφία

• Οι πληθυσµοί δείχνουν ένα φάσµα από συνεχείς διαφορές σε χαρακτηριστικά

• Πιο εµφανής σε χαρακτηριστικά που µπορούν να µετρηθούν, π.χ., ύψος

Το χρώµα των µατιών είναι ένα από τα πολλά ανθρώπινα Πολυγονιδιακά γνωρίσµατα

Το περιβάλλον µπορεί να επηρεάσει φαινοτύπους

� Ύψος • ∆ίαιτα χαµηλή σε πρωτεΐνη• Ασθένεια ή τραυµατισµός που εµποδίζει την κανονική απελευθέρωση της αυξητικής ορµόνης

�Χρώµα δέρµατος • Μαύρισµα

� Καλές επιλογές στον τρόπο ζωής• Μπορούν να περιορίσουν τις πιθανότητες ότι ένα επιβλαβές γονίδιο θα εκφραστεί µελλοντικά

Το γνώρισµα “Tongue-Roller” οφείλεται σε επικρατές αλληλόµορφο

Βιβλιογραφία – ηλεκτρονικές πηγές

� Introduction to Genetics. Human Biology, eighth edition, Chapter 19, Cecie Starr et al.

� iGenetics, Peter J. Russel, Ακαδηµαϊκές Εκδόσεις 2009

� Intro to Genetics (2003). www.cc040.k12.sd.us

� Mendel traits. www.faculty.rcc.edu