KVANTITATIVNA GENETIKA

GENOTIP

SREDINA

FENOTIP

osobine: biohemijske, fiziološke, ponašajne, morfološke...

Genotip u širem smislu – genetička konstitucija celog organizma Genotip u užem smislu – određena kombinacija gena koji determinišu neku osobinu

ekološki faktori sredine, ishrana, starost, stil života, zdravstveno stanje,

DISKONTINUALNO VARIRANJE KVALITATIVNE OSOBINE

• Osobine sa manjim brojem fenotipskih klasa između kojih postoje jasne razlike

• Osobine determinisane manjim brojem gena

• Osobine čije ispoljavanje uglavnom ne zavisi od sredine

• Često se na osnovu fenotipa može pretpostaviti koji je genotip

KONTINUALNO VARIRANJE KVANTITATIVNE OSOBINE

• Osobine sa velikim brojem fenotipskih klasa između kojih ne postoje jasne razlike

• Osobine determinisane većim brojem gena

• Osobine čije ispoljavanje zavisi od sredine

• Često se na osnovu fenotipa ne može pretpostaviti genotip

SLOŽENE OSOBINE KVANTITATIVNE OSOBINE

• Osobine sa kontinualnom raspodelom najčešće opisujemo kvantitativno

1. METRIČKE OSOBINE –

visina, težina, produkcija mleka, prinos zrna

- bilo koja vrednost na skali

2. MERISTIČKE (numeričke) OSOBINE –

broj jaja, broj zrna u klipu kukuruza

- samo celi brojevi

3. OSOBINE SA PRAGOM ISPOLJAVANJA

- visok krvni pritisak, dijabetes,

depresija

- diskretne kategorije fenotipa,

neko oboleva ili ne

- ali rizik oboljevanja ima

kontinualnu raspodelu

SLOŽENE OSOBINE KVANTITATIVNE OSOBINE

SLOŽENE OSOBINE SU POLIGENE OSOBINE

• Veliki broj lokusa

• Herman Nilsson-Ehle 1909. godine

• prvi eksperiment kojim je pokazano da kontinualno variranje ima veze sa poligenim nasleđivanjem

• U P generaciji ukštanje žitarica sa crvenim i sa sivim zrnom

• U F1 dobijen intermedijeran fenotip (rozikasto)

• U F2 generaciji 5 fenotipskih klasa, koje se razlikuju u intenzitetu obojenosti

Aditivan efekat alela

• Svaki genski lokus ima varijantu koja doprinosi (aditivan alel) i varijantu koja ne doprinosi (neaditivan alel) intenzitetu obojenosti

• U zavisnosti od kombinacije alela na oba genska lokusa moguće je razlikovati 5 fenotipskih klasa u F2 generaciji:

- aleli koji doprinose:

4 alela RRR’R’

3 alela RrR’R’, RRR’r’

2 alela RRr’r’, rrR’R’, RrR’r’

1 alel Rrr’r’, rrR’r’

0 alela rrr’r’

• Sa povećanjem broja genskih lokusa se povećava i broj fenotipskih klasa

• Ovde se pretpostavlja aditivan efekat alela

• Ali u genomu postoje i drugi tipovi interakcije alela unutar jednog genskog lokusa, kao i interakcija alela između lokusa

• Realizacija konačnog fenotipa zavisi i od uslova sredine u kojoj se jedinka razvija i živi

Uticaj sredine

• Kad je uticaj sredine manji, onda su preklapanja genotipova i fenotipova manja

• Svaki genotip ima svoju distribuciju fenotipa koji se malo preklapa sa drugim genotipom

• Kad je uticaj sredine veći onda su preklapanja genotipova i fenotipova veoma izražena

• Sa većim broja gena su preklapanja još veća, pa je teže kategorisati fenotipove u diskretne genotipske klase

Uvek simetrična raspodela?

• Distribucija fenotipova zavisi od prirode interakcije među alelima lokusa koji učestvuju u determinaciji osobine

• Normalna distribucija opisuje jedan tip kontinualnog variranja osobina, kada je aditivni efekat alela na više lokusa

Slika 10.4. Fenotipske distribucije za osobinu determinisanu potpunom

dominansom (gornji deo slike) ili epistatičkom interakcijom alela (donji deo slike) (prerađeno iz Hamilton, 2009).

• Interakcije medju alelima i potpuna dominansa menjaju distribuciju fenotipskih učestalosti u odnosu na aditivni model

• alelske učestalosti ostaju iste

• neke fenotipske klase mogu izostati

OPISIVANJE KVANTITATIVNIH OSOBINA

• Normalna distribucija opisuje jedan tip kontinualnog variranja osobina, kada je aditivni efekat alela na više lokusa

• Najveći broj jedinki oko prosečne vrednosti

osnovni parametri distribucije:

• srednja vrednost

• varijansa

• standardno odstupanje

• SREDNJA VREDNOST

• VARIJANSA (S2)

• STANDARDNO ODSTUPANJE (S)

= standardna devijacija

• Oko 95% uzorka unutar 2 standardne devijacije

• 99,7% unutar 3 standardne devijacije

X-3s X-2s X-1s X X+1s X+2S X+3S

Oko 68% uzorka ima vrednost unutar 1 standardne devijacije, levo i desno od srednje vrednosti

jedna standardna devijacija

dve standardne devijacije

tri standardne devijacije

• Različite srednje vrednosti i iste standardne devijacije (A i C)

• Iste srednje vrednosti i različite standardne devijacije (A i B)

• Iste srednje vrednosti i različite varijanse, odnosno standardne devijacije

• Gde je varijansa veća, šira je i fenotipska distribucija, odnosno veći je opseg fenotipskih klasa

• KOVARIJANSA

Poređenje 2 različite osobine

Meri koliko je varijanse zajedničko obema osobinama

• KOEFICIJENT KORELACIJE

- Snaga asocijacije dve osobine

- da li postoji veza neke dve osobine, da li se sa promenama jedne menja druga

- Koeficijent korelacije ne pokazuje odnos uzrok-efekat (to se radi regresionom analizom)

FENOTIPSKA VARIJANSA (Vf)

• GENOTIPSKA VARIJANSA

Vg

• Variranje fenotipova uzrokovano razlikama u genotipu

• SREDINSKA VARIJANSA

Vs

• Variranje fenotipova uzrokovano razlikama u sredini

GENETIČKA VARIJANSA

• Va aditivna genetička varijansa

- varijansa usled prosečne razlike izmedju efekta pojedinačnih alela

- pojedinačni doprinosi alela nisu isti

• Vd dominantna genetička varijansa

- varijansa iz dominanse, usled interakcije alela unutar jednog genskog

lokusa

- potiče od toga što heterozigoti nisu uvek intermedijarni u odnosu na

homozigote

• Ve epistatička genetička varijansa

- rezultat razlika u epistatičkim interakcijama izmedju lokusa

Razlika između aditivnog i dominantnog efekta

Ako jedan od alela kodira za manje aktivan ili za potpuno neaktivan produkt i ako je jedna kopija alela dovoljna za fiziološko funkcionisanje organizma, onda očekujemo kompletnu dominantnost jednog alela nad drugim (+d, -d), kao kod mendelovskih eksperimenata, na primer

Ako je fiziološka aktivnost proporcionalna količini aktivnog genskog produkta, onda očekujemo da heterozigotni fenotip bude tačno intermedijaran izmedju dva homozigota , nema dominanse

• Za većinu kvantitativnih osobina heterozigoti nisu sasvim na sredini već

pokazuju parcijalnu dominansu, bliži su jednom od homozigota.

• Nekada heterozigoti mogu biti fenotipski bolji od svih homozigota što se

naziva overdominansom

Zašto je važna aditivna varijansa?

Aditivni efekti alela su odgovorni za stepen sličnosti između roditelja i potomaka

Aditivni efekti

a = efekat zamene A1 ili A2 alela Odnosno za koliko bi se povećala ili smanjila fenotipske vrednosti zamenom alela

Dominantni A2

A2A2 A1A2 A1A1 a d Samo aditivni 10 8 6 2 0 Dominantni A2 10 10 6 2 2

P: A1A2 x A1A2 F1: A1A1, A1A2, A1A2, A2A2

roditelji = 8 roditelji= 10

potomstvo = 0.25(6)+0.5(8)+0.25(10) = 8 potomstvo = 0.25(6)+0.5(10)+.25(10) = 9

Dominansa uzrokuje da fenotip potomstva odstupa od roditeljskog fenotipa!

Aditivni efekti Dominantni A2

Norma reakcije genotipa

• Jedan genotip može dati više fenotipova

• Visina biljke (fenotip) varira u zavisnosti od temperature na kojoj se gaji neki genotip

• Ako se grafički predstave mereni fenotipovi u zavisnosti od variranja sredine jednog genotipa dobija se norma reakcije

• Sredina utiče na fenotip!

• Variranje sredine utiče na fenotipski varijansu!

• COVgs kovarijansa genotipa i sredine: zajedničko variranje, svi genotipovi

isto reaguju u različitim sredinama; u svim sredinama je jedan

genotip bolji od drugog

• Vgxs interakcija genotipa i sredine: za svaki genotip je neka sredina bolja

COVgs Vgxs Vgxs

• genotipska i sredinska varijansa mogu: izostati, kovarirati, ili biti u interakciji

Vs =0

COVgs

VgxVs Vg=0

Ukupno, komponente fenotipske varijabilnosti

• Vf = Va + Vd+ Vi + Vs + COV gs + Vgxs

I sredinska varijansa može poticati od spoljašnje sredine, unutrašnje sredine i materinskog efekta., pa su Vs = Vsu + Vss + Vm (komponente sredinske varijabilnosti)

• HERITABILNOST U ŠIREM SMISLU

- proporcija fenotiske varijanse

koja potiče od celokupne

genetičke varijanse u

H2= Vg/Vf

• HERITABILNOST U UŽEM SMISLU

- proporcija fenotiske varijanse

koja potiče od aditivne

genetičke varijanse

h2= Va/Vf

HERITABILNOST

• Udeo genetičke različitosti u fenotipskoj različitosti između jedinki ili grupa organizama

• Udeo genetičke varijanse u fenotipskoj varijansi

VAŽNE NAPOMENE ZA HERITABILNOST

• Heritabilnost nije karakteristika jedinke već je karakteristika POPULACIJE u kojoj se heritabilnost meri

• Heritabilnost NIJE UNIVERZALNA ZA OSOBINU, menja se sa promenom sredine

• Karakteristika određene populacije u specifičnoj sredini

• Heritabilnost ne određuje koliko je osobina genetička, već koliko je njeno variranje genetičko

• Heritabilnost je rezultat interakcije genotipa i sredine; promena uzorka ili promena sredine ne menja način na koji geni determinišu osobinu, ali menjaju udeo Vg ili Vs u Vf te osobine, što utiče na procenu heritabilnosti

• Visok koeficijent heritabilnosti ne znači da varijabilnost osobine nije pod uticajem sredine

• Nizak koeficijent heritabilnosti ne znači da geni nisu važni u determinaciji osobine

Kako je fenotipska varijansa jednaka zbiru genetičke i sredinske varijanse, onda

treba biti obazriv u proceni heritabilnosti srodnika, jer fenotipska korelacija može

biti posledica i genetičkih i sredinskih korelacija

- Ako postoji genetička korelacija, odnosno ako genetičke razlike uzrokuju

fenotipske razlike, onda će u proseku, biološki srodnici biti sličniji medjusobno

nego nesrodne jedinke

- Na ovom principu se zasniva procena heritabilnosti

Fenotipske i genetičke korelacije medju srodnicima

PROCENA HERITABILNOSTI

1. Analiza jedinki koje su u nekom stepenu srodstva

PROCENA HERITABILNOSTI

1. Analiza jedinki koje su nekom stepenu srodstva

• Ako su jedinke u nekom stepenu srodstva, heritabilnost se može proceniti na osnovu njihovih fenotipskih sličnosti, jer

AKO JE OSOBINA VISOKO HERITABILNA OČEKUJE SE DA DECA VEOMA LIČE

NA RODITELJE, ili POTOMCI ISTOG RODITELJA

Jer se jedino se aditivni efekat gena prenosi na sledeću generaciju (kroz gamete)!

(Aditivna genetička varijansa je u osnovi sličnosti rođaka)

Dominantni i epistatički se ne prenose usled novih kombinacija alela unutar i između lokusa!

(kad se alel jednog gameta nađe u kombinaciji sa alelom iz drugog gameta fenotip zavisi od nastale kombinacije, od tipa interakcija)

Regresija osobine roditelja na osobinu potomaka

• h2 = 2b

kad je regresija na srednju vrednost jednog roditelja

2

cov

P

OPOP

Vb

Heritabilnost je nagib regresione prave (b) - Procenjuje za koliko se menja vrednost osobine potomka sa promenom osobine roditelja - Pokazuje funkcionalnu povezanost dve osobine

kovarijansa roditelja i potomaka b = varijansa roditelja

Regresija proseka osobine oba roditelja na prosek osobine potomaka

• h2= b

• regresija na srednju vrednost oba roditelja

b = h2 = 0

• Va ne utiče na fenotipsku varijabilnost, nema sličnosti između roditelja i potomaka

b = h2 = 1

• Va je jedina komponenta koja utiče na fenotipsko variranje, nema uticaja sredine

b = h2 = 0.5

• Va i druge komponente utiču na fenotipsko variranje

Korelacije potpunih srodnika

SRODSTVO % GENA KOJI DELE = genetička korelacija = stepen srodnosti

potomstvo i jedan roditelj

50%

potomstvo i oba roditelja

50%

potpuni srodnici 50%

polusrodnici 25%

• U ovom slučaju je manje precizno proceniti heritabilnost. Na sličnost srodnika mogu uticati:

- slične sredine koju dele potpuni srodnici ili polusrodnici (više slične nego roditelji i

potomci)

- dominantna varijansa (zbog nje mogu više ličiti međusobno nego što liče roditelj-

potomak, jer se ovde mogu napraviti iste kombinacije alela kod srodnika)

Tabela 10.8. Analiza kovarijanse fenotipskih vrednosti u zavisnosti od

genetičkih i sredinskih komponenti

srodstvo kovarijansa regresija (b) ili korelacija (t)

potomstvo i jedan roditelj aV

2

1

P

a

V

Vb

2

1

potomstvo i prosek roditelja aV

2

1

P

a

V

Vb

polusrodnici (HS) aV

4

1

P

a

V

Vt

4

1

potpuni srodnici (FS) Ecda VVV

4

1

2

1

P

Ecda

V

VVV

t

4

1

2

1

• Monozigotni blizanci (MZ) su genetički identični, dele 100% gena (jedna fertilizacija) – isti geni i ista sredina

• Dizigotni blizanci (DZ) dele 50% gena (dve zasebne fertilizacije) – pola gena i ista sredina

• Poređenje fenotipskih varijansi monozigotnih i dizigotnih blizanaca

• Procena heritabilnosti u širem smislu

• Studije adopcije:

Monozigotni blizanci koji su odvojeni na rođenju: na prvi pogled drugačija sredina (ali uslovi za usvajanje su takvi da porodice moraju ispunjavati određene kriterijume, pa su sredinski uslovi ipak slični)

Studije blizanaca

• Studije konkordantnosti

Konkordantni blizanci: ako se kod oba javi ili ne javi osobina

Diskonkordantni: ako se kod jednog javi, a kod drugog ne javi osobina

• Konkordantnost se dobija proučavanjem više parova blizanaca

• Poređenjem stepena konkordantnosti za neku osobinu se procenjuje heritabilnost

• Što je razlika između konkordantnosti za MZ i DZ veća to je i heritabilnost veća

• Što su vrednosti konkordantnosti sličnije, to je heritabilnost manja

H2 = 2 x (rMZ – rDZ)

• Bira se određeni fenotip kao roditeljski za neku osobinu (na slici ekstremni fenotipovi)

F1 ima srednju vrednost bližu odabranim roditeljima – varijabilnost osobine ima aditivnu genetičku komponentu

F1 ima srednju vrednosti osobine istu kao ceo uzorak iz kog su uzeti roditelji – varijabilnost osobine nema aditivnu genetičku komponentu

Na ovaj način je moguća procena jer će biti odgovora na selekciju samo u slučaju da postoji heritabilnost, odnosno da postoje genetičke razlike između jedinki date populacije

PROCENA HERITABILNOSTI

2. Veštačka selekcija

h2= R/S

h2= Xrod-Xpop/

XF1-Xpop

S – SELEKCIONI DIFERENCIJAL

R – SELEKCIONI ODGOVOR

Xpop

Xrod

XF1

• Uspešnost selekcije zavisi od prisustva aditivne genetičke varijanse

• Populacija će odgovarati na selekciju dokle god postoji aditivna genetička varijansa

• Jer ako je heritabilnost 0 onda je R takođe 0, odnosno neće biti odgovora na selekciju

• R= h2 x S

Odnos selekcionog odgovora R i selekcionog diferencijala S.

Početak je prosečna vrednost populacije.

Svaka tačka predstavlja par roditelja i njihovo potomstvo, kao prosečne vrednosti

Regresiona linija daje regresiju potomaka na srednju vrednost roditelja

• Efekat razlika u heritabilnosti:

- odgovor populacije na selekciju (R) je manji gde je heritabilnost manja

- isti selekcioni diferencijal u oba slučaja

• Kod vrsta kod kojih je moguće, ukrštanje u srodstvu (inbriding)- formiraju se homozigotni genotipovi

• Genetički iste i genetički različite jedinke se mogu gajiti u istim uslovima sredine

Npr.

P: ukrštanje homozigotnih linija

F1: heterozigoti VF1=Vs

F2: VF2=Vg+Vs

VF2=Vg+VF1

PROCENA HERITABILNOSTI

3. Ukrštanja genetički srodnih jedinki

• Najveći broj inbridingovanih linija se dobija samooplodnjom, ukrštanjem u najvećem stepenu srodstva

• Postiže se homozigotizacija genoma i time dobijaju razlike medju genotipovima

• Veoma važno za oplemenjivačke svrhe

Vg Vg VF2-VF1

h2 = ------ = --------- = ---------------- VF2 Vg+Vs VF1

• Koeficijenti heritabilnosti u širem i užem smislu za pet kvantitativnih osobina povezanih sa krvnim pritiskom.

• Svaki grafik deli ukupnu fenotipsku varijansu na uzročne komponente genotipske varijanse (VD, VA) i na sredinsku Vs (prema Abney i sar., 2011).

QTL-ovi

• QUANTITATIVE TRAIT LOCI

pozicije regiona na hromozomima

koje određuju kvantitativne osobine

• Za sve kompleksne osobine je važno otkriće gena koji doprinose (koji geni, broj gena i efekat gena)

• Posebno važno za bolesti i ekonomski bitne osobine

• Traženje asocijacija između DNK markera i fenotipa

• DNK markeri:

RFLP, mikrosateliti, SNP

• Ako markeri pokazuju asocijaciju sa fenotipskim variranjem onda su i vezani sa QTL

• Markeri nisu direktan uzrok variranja fenotipa ali su blisko locirani sa lokusima (vezani su na istom hromozomu) koji jesu uzrok variranja fenotipova

• jačina vezanosti – blizina lokusa je obično obrnuto proporcionalna rekombinacionoj učestalosti

PRINCIP :

• Ako različiti genotipovi za izabrane markere imaju i različite fenotipove

- tad je QTL vezan za marker

- marker lokusi i QTL-ovi

kosegregiraju (odnosno vezani su)

• QTL ne podrazumeva samo jedan gen, već uglavnom više gena u tom regionu

1. podaci iz rodoslova (čovek)

2. ukrštanja medju linijama (biljke i životinje)

• Npr. Ukrštanje različitih homozigotnih linija

- razlikuju se značajno u fenotipu

za osobinu koja se analizira

• Dobija se F1 generacija

• Da bi se dobila F2 radi se

1. tzv. “back cross” ukrštanje

F1 sa parentalnom generacijom

ili

2. Ukrštanje jedinki F1 generacije međusobno

• U F2 generaciji se dobija veliki broj fenotipskih klasa

• Distance markera i njihova vezanost se određuju na osnovu rekombinacionih učestalosti markera

• Pronalaze se markeri vezani za određeni fenotip posebnim statističkim metodama

• PARADAJZ

• Identifikovano je više od 28 QTL-ova

• Jedan je lokalizovan, identifikovan i kloniran

RFLP markeri i QT lokusi za težinu ploda na 4 hromozoma paradajza.

• fas na 11. hromozomu

• Povećanje broja kompartmana kod paradajza

fw 2.2 na 2. hromozomu – tu je specifičan gen ORFX (aleli ovog lokusa su odgovorni za 30% varijacije u težini ploda)