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