Előadások témája: néhány terület ismétlése, ill. bővebb tárgyalása és a modell élőlények genetikája

Átírás

1 GENETIKA biológus MSc Előadások témája: néhány terület ismétlése, ill. bővebb tárgyalása és a modell élőlények genetikája Az előadások anyaga PDF-ben: Genetika / Hallgatóknak (oktatási anyagok) usrname/passwd: genetika/mendel Előadásokra járni kötelező, de nincs névsor olvasás. ZH kétszer : október 19., november 30. az óra elején ZH anyaga: zh kérdések a honlapon és genetika feladatok (hasonló példák az órákon) Vizsgázni az jöhet, aki a két ZH-t legalább 50%-ra teljesíti! (pót ZH alkalom lesz) Neandervölgyi SEGÍTSÉG A TANULÁSHOZ: Genetika Tsz. web jegyzet: Deák Veronika: Általános genetika Maróy Péter: Haladó genetika JATEPress, 2010 ; korábbi változat itt: ( ) Molecular Biology of the Gene: James D. Watson, Tania A. Baker, Stephen P. Bell, Alexander Gann, Michael Levine, Richard Losick, Inglis CSHLP ( ) Genetics: From Genes to Genomes : Leland Hartwell, Leroy Hood, Michael Goldberg, Ann Reynolds, Lee Silver: 4th ed. McGraw-Hill, New York, NY ( ) 1-1

2 Mai tudomány a géneket tartja varázslatos csodák eléréséhez,megfelelő eszköznek,régen meg hittek a különféle főzetek csodatévő erejében.az hogy a mai modern ember milyen alfajokból jött létre érdekes,mégis olyan semmitmondó.nem akarom lebecsülni a kutatók munkáját de szerintem zsákutca a géneknek oly nagy (sokszor túlzó)jelentőséget tulajdonítani. (kommentelő, ORIGO) We are academic scientists working in the field of synthetic biology, and we left all that behind to start a company, move to Ireland, and make flowers that change color throughout the day. We're linking the plant's circadian clock to pigment modifying proteins, so that the flower will cycle between colors - red to blue and back again

3 A GENETIKA: biológiai informatika biológiai információ tárolás, másolás, megváltozás, átadás, kifejeződés, szabályozás A biológiai információ tárolása elsősorban a DNS molekulákban A biológiai funkció elsősorban a fehérjéken keresztül jut érvényre A komplex biológiai rendszerek alapja a génműködést meghatározó szabályozási hálózatok kialakulása, működése Minden élőlény rokon, azonos eredetű, minden ismeretünk az evolúciót bizonyítja. A genomok moduláris felépítése (exonok) a biológiai komplexitás gyors fejlődését, evolúcióját teszi lehetővé. A genetikai technikák lehetővé teszik a komplexitás elemzését, részekre bontását. 1-3

4 A biológiai információ hordozója a DNS A DNS hélix egyik szálán a nukleotidok sorrendje szabadon változhat nagy mennyiségű információ tárolására alkalmas Lineáris és digitális elolvasható, digitálisan továbbítható és újra szintetizálható - NÉGY DIMENZIÓhoz információ A pontos másolás lehetőségét a komplementer bázispárosodás biztosítja A:T, G:C A DNS szerkezete A változás, mutáció, így az evolúció már a bázisok molekuláris szerkezetéből adódik: keto/enol, amino/imino tautomer forma! A gének DNS-szakaszok melyek fehérjék vagy funkcionális RNS molekulák szerkezetét ÉS termelésük szabályozását meghatározzák. Tehát a génterméket kódoló részleten kívül a génműködést irányító elemek is a gén részét képezik. (promóter és szabályozó DNSszakaszok, intronok, pszeudogénekben hiányoznak) Génműködés = mindig RNS átírással kezdődik (mrns, trns, rrns, snrna, mirns, stb.) A gének és a genom felépítése Genom: a teljes genetikai állomány, a teljes DNS-szekvencia E. coli 4,7x106 bp, ember 3x109 bp A genom: a teljes DNS állomány, kódoló és nem kódoló szakaszok. A kromoszóma: egy szerkezeti, kapcsoltsági egységbe felfűzött genom részlet, DNS és fehérjék A kromoszómák szerkezete 1-4

5 A biológiai funkció elsősorban a fehérjéken keresztül jut érvényre Az egy gén egy enzim túlzottan egyszerüsítő. Pontosítások: RNS végtermékek is fontos szerepet töltenek be (enzimatikus aktivitásuk is lehet!) A legtöbb gén valóban fehérjét kódol, de ezek csak részben enzimek Regulátor és struktúr fehérjék. 20 különböző aminosav, háromdimenziós szerkezet A komplex biológiai rendszerek alapja a génműködést meghatározó szabályozási hálózatok kialakulása, működése 1011 neuron 1018 szinapszis 1-5

6 Minden élőlény rokon, azonos eredetű 4 milliárd éves élet RNS eredet, három dimenziós szerkezet. Specializáció: DNS stabilabb, információ tárolás, fehérjék nagyobb szerkezeti variáció és stabilitás. RNS köztes funkció, információ szállítás, fehérje bioszintézis, de a katalitikus szerep is több helyen megmaradt, szabályozó RNS-ek (mirna)!. (molekuláris reliktumok) A biológiai funkció elsősorban a fehérjéken keresztül jut érvényre. Minden élőlény rokon, azonos eredetű. A genetikai kód univerzális. Sok gén felcserélhető: pl. élesztő sejtciklus mutánsok humán génekkel menekíthetők Molekuláris óra: a DNS és fehérje szekvenciák változásai tükrözik az evolúciós távolságot. A genetikai kódszótár A redundancia miatt a fehérje kódoló DNS szekvenciák jobban különbözhetnek, mint a fehérje szekvenciák. Különböző eredetű citokróm C fehérje szekvenciák 1-6

7 A szabályozási hálózatok is közös eredetűek. A Pax6 gén esete jó példa erre. Embernél és egérnél a Pax6 hibája a szem fejlődésében rendellenességet okoz. Kiderült, hogy hasonló központi szerepe van minden gerincesben. Sőt, Drosophilában is! Tehát hasonló funkciót lát el már a rovaroknál is! A kétféle szem kifejlődése mégsem teljesen függetlenül (konvergens evolúció) ment végbe, mivel strukturálisan rokon mechanizmusok, fehérjék azonos szereppel bírnak mindkét esetben. A humán Pax6 gén expressziója Drosophilában szem differenciációt eredményez. 1-7

8 A kambriumi robbanás: az élőlények sokféleségének gyors megjelenése egy rövid időszak alatt. A genomok moduláris felépítése a biológiai komplexitás gyors fejlődését, evolúcióját teszi lehetővé. Jelentős morfológiai változások következhetnek be a génszabályozás, a szabályozási hálózatok megváltozásakor. 1-8

9 A genomok moduláris felépítése a biológiai komplexitás gyors fejlődését, evolúcióját teszi lehetővé. (a) Gén duplikáció és specializáció (5 humán hemoglobin gén és fehérje) (b) gén duplikáció és a doméneket kódoló exon modulok kipróbálása (exon shuffling) 1-9

10 Evolúció: sokszor a szabályozás megváltozása. Jelentősebb eltéréseket okozhat, mint a struktúrgének mutációi. A négyszárnyú, ősi forma az evolúció során megváltozott, a második pár szárny billérré alakult. A szárny kialakulásának szabályozásában részt vevő gén hibája miatt négyszárnyú rovar jöhet létre. 1-10

11 A genomprojektek egyre több információt halmoznak fel a genomok felépítését, fejlődését illetően. Jelenleg: 2629 komplett prokarióta genom (Genome list:23402) 201 eukarióta szekvencia kész 877 majdnem kész (Genome list: 3532) Új generációs szekvenálás DNS-chip technológia sok gén expressziójának vizsgálatát biztosítja. Külső és belső tényezők hatásának elemzése. Egyedi humán genom szekvenálás Rendellenességet okozó domináns vagy recesszív allélok, betegségre hajlamosító allélek kimutatása. Etika és üzlet. 1-11

12 1-12

13 Honnan jutottunk el eddig? 1-13

14 MENDEL: az öröklődő jellegek alapvető tulajdonságai Mi öröklődik? Hogyan öröklődik? Jól átgondolt kísérletek: 1) modellnövény a borsó önbeporzó, de keresztezni is könnyű, nagy számú utód, rövid generációs idő 2) egyértelműen elkülöníthető alternatív jellegek, egyértelmű követhetőség 1-14

15 3) tiszta vonalak, a kiválasztott jellegeket sok generáción keresztül örökítik (önbeporzás) 4) Jól kézbentartott kísérletek, önbeporzás vagy keresztezés, reciprok keresztezés a szülők felcserélésével Meghatározó a pollen vagy a petesejt anyaga? 5) nagyszámú utód és statisztikai elemzés, számol! 6) Praktikus kísérletező. A legtöbb jelleg öröklődése ugyanabban az évben kiértékelhető volt. MONOHIBRID keresztezések A hibridek (F1) nem középformák, az egyik jelleg elfedi a másik jelleget Domináns jelleg, amit a hibridben (F1) észlelhet. Nem függ a szülőtől (pollen vagy petesejt) A másik jelleg nem tűnik el, csak nem jut érvényre (recesszív), mert a következő generációban (F2) megjelenik (3:1 arányban). Feltételezés és jelölés: domináns A; recesszív a : az ivarsejtek csak egy determinánst tartalmaznak és a megtermékenyített petesejtben lesz újra kettő A/A A/a a/a a/a 2. kísérlet: 258 hibrid növényről (F1, sárga magokból) 8023 mag (F2) sárga 6022 zöld az arány: 3,01:1 (3:1) A zöld magokból több generáción keresztül csakis zöld magokat hozó növények származtak (önbeporzással!) a sárga magok két félék: i) csak sárga magokat hozó növények ii) sárga és zöld magokat hozók (3:1) 1-15

16 Az első generációra az uniformitás jellemző, minden utód a domináns jellegnek megfelelő fentípust mutatja. A második generációnál szegregáció figyelhető meg. Megjelenik az elfedett recesszív jellegnek megfelelő fenotípus is 1:3 arányban. Mendel valójában az apai és anyai eredetű homológ kromoszómák ivarsejtekbe történő random és egyenlő arányban való eloszlását, és az új utódban való véletlen kombinálódását figyelte meg. A választott jellegek többsége más és más kromoszómán helyezkedett el. 1-16

17 Pisum sativum genom 7 kromoszóma, 4,300 Mb 1-17

18 A stay-green mutáció 141 évvel Mendel kísérletei után: az öregedés során a klorofill enzimatikusan lebomlik. A folyamatban szerepet játszó egyik gént azonosították Festuca pratensisben (réti csenkesz), majd a rizs genomban és igazolták Arabidopsisban. Végül ugyanazt a gént azonosították a borsó mutánsban. A stay-green mutáció a klorofill degradációt szabályozó pozitív regulátor fehérje génjét (PsSRG) rontja el. Az érett borsóban nem bomlik le a klorofill, ezért zöld marad. Ha a regulátorgén legalább egy működőképes kópiája jelen van (domináns), akkor a klorofill lebomlik és a borsó színe sárga lesz. 1-18

19 starch branching enzyme, SBE1 A ráncos borsó recesszív mutációt hordoz, homozigóta formában, a keményítő elágaztató enzim (starch branching enzyme, SBE1) génjében. A borsószem magasabb szacharóz tartalma miatt több vizet vesz fel, ami az éréskor, vízvesztés miatt ráncosodást okoz. Amilóz amilopektin SBE1 1-19

20 Le lókusz, GA4 gén, gibberellin-3-hidroxiláz Le le allélnál Ala Thr helyettesítés az aktív centrum közelében! csökkent enz. aktivitás 1-20

21 MENDELI ÖRÖKLŐDÉS EMBERBEN RECESSZÍV ALLÉLEK TÜNET GYAKORISÁG Thalassaemia csökkent hemoglobin, anémia, csont, lép nagyobbodás α- és β-thalassaemia, 4 ill. 2 allél, deléciók Malária szelektál a hordozókra! 1/10 is lehet Olaszország egyes részein Cisztás fibrózis légzési és mirigyműködési hibák... CFTR gén hibája 1/2000 kaukázusiaknál Sarlósejtes vérszegénység abnormális hemoglobin és vörösvértest, β-globin gén pontmutációi kolinearitás, Vernon INGRAM Malária ellenállóság! 1/625 afroamerikaiaknál Fenilketonúria fenilalanin anyagcsere zavar 1/ kaukázusiaknál Albinizmus, kretenizmus, tirozinózis, alkaptonúria fenilalanin-tirozin anyagcsere lásd Garrod, BSc genetika anyag 1-21

22 DOMINÁNS ALLÉLOK TÜNET GYAKORISÁG Huntington kór neurológiai, mentális leépülés (40-70 év között) 1/ kaukázusiak között (1/ Mo) Hiperkoleszterolémia magas koleszterin, anyagcsere hiba (infarktus 50 év körül) 1/122 francia kanadaiak Embernél genetikai kísérletek végzése etikátlan, de nem is praktikus Hosszú generációs idő, kevés utód. Megfigyelések Modellszervezeteken szerzett tudás alkalmazása. Humán betegség modellek élesztőtől az egérig. Családfa elemzés A vertikális öröklésmenet domináns jellegre utal. 1-22

23 Elszigetelt venezuelai faluban végzett családfa elemzés (5 generáció) eredménye. A betegség tünetei jóval a párválasztás, gyerekszülés után jelentkeznek. Kék szimbólumok jelzik a heterozigóta domináns egyedeket. Ma már molekuláris módszerekkel a HD allél kimutatható. Prenatális diagnózis. feltételezhetően Etikai kérdések. Biztos mindenki heterozigóta? Miért? I-1 lehetséges kivétel. Miért? 1-23

24 A huntingtin fehérje génje 210 kb hosszúságú és 67 exont tartalmaz. Az első exon 5 végén van egy instabil, polimorf trinucleotid repeat (CAG) szakasz, amely poliglutamin szakaszt kódol. Ennek kiterjedése, expanziója (replikációs hiba) okozza a gain of function mutációt (domináns!). Egészséges személyeknél a CAG ismétlődés száma 9-36, ami 250 tagszámra is megnőhet. Minél hosszabb a CAG repeat, annál hamarabb és súlyosabb tünetekkel jelentkezik a betegség. A HD (HTT) gén az idegsejtekben erősen expresszálódik, a fehérje transzkripciós faktor, szerepe pontosan még nem ismert. A normál huntingtin fehérje 3144 AS hosszú (348 kda) 1-24

25 A betegség megjelenésének horizontális mintázata ritka recesszív jellegre utal. Cisztás fibrózis (CF allél) CFTR gén, klorid ion csatorna Mivel az allél ritka, feltételezhető, hogy a következő egyedek CF+/CF+ homozigóták: II-1, II-4, III-1, III-3, IV-1, IV-3 rokon házasság: V. betegség megjelenése: VI Kik a hordozók? biztos: lehetséges: (nem szabvány jelölés) Szociális és morális problémák. pl.: a Huntington kór és a vérzékenység esetén 1-25

26 CFTR gén, kloridion csatorna gén allél genotípus fenotípus diploid homozigóta/ heterozigóta domináns/ recesszív szülők, első és második utódnemzedék test cross (kontroll visszakeresztezés) szegregáció független kombinálódás 1-26

27 DIHIBRID keresztezések A két jelleg a monohibrid keresztezésekből levezethető módon viselkedik F1 nemzedék azonos fenotípusú egyedekből F2 nemzedékben a tulajdonságok egymást nem befolyásolva, függetlenül szétválnak: független kombinálódás a gaméták kialakulásakor A két vizsgált tulajdonságpár az F2 nemzedékben 9:3:3:1 arányban hoz létre véletlenszerűen különböző kombinációkat. REKOMBINÁNSOK (a szülőitől eltérő fenotípust mutató utódok) keletkeznek. A folyamat véletlenszerű. A dihibrid keresztezésekben két, markerekkel jelölt kromoszóma párnak az utódokban való független kombinálódását lehet nyomon követni. Mendel idejében azonban nem láttak még kromoszómát és nem is tudtak annak szerepéről. Két különböző tulajdonságot meghatározó gén csak akkor mutat független szegregációt, ha különböző kromoszómákon helyezkedik el, vagy ha azonos kromoszómán, de egymástól nagy távolságra vannak. Különben a két gén szegregációja nem random, kapcsoltságot mutat lásd kromoszómatérkép 1-27

28 A MENDELI GENETIKA KITERJESZTÉSE inkomplett dominancia kodominancia 1-28

29 Inkomplett dominancia Mirabilis jalapa csodatölcsér Antirrhinum majus oroszlánszáj A heterozigóta fenotípus átmeneti a két másik között. Fele annyi termék keletkezik egy enzimreakcióban a heterozigótában. Ez lehet egy színanyag, de hormon is. Mendel is megfigyelte ezt a korai és késői virágzású borsó vonalak keresztezésénél. 1-29

30 Kodominancia A heterozigótában mindkét fenotípus megjelenik. MN vércsoport antigén a vörösvértesten "M" - genotípus LMLM "N" - genotípus LNLN "MN" - genotípus LMLN AB0 vércsoport több esetre is példa AA vagy BB x 00 AA x BB komplett dominancia kodominancia A, B és 0 allélek - többszörös allélizmus A három allél egy glükoziltranszferáz enzim génjének három változata. IA (NAcGalN) - N-acetil galaktóz amin alegységet ad az allél által meghatározott glükoziltranszferáz a kialakuló felszíni oligoszacharid antigénhez IB (Gal) - egy pontmutáció következtében galaktóz specifikus lesz az enzim (megváltozott funkció). I0 - egy frameshift (1 bp deléció) következtében nincs aktív enzim, az antigén rövidebb marad (H antigén). 1-30

31 -/0 -/0 0/0 Általában 0 vércsoportú utód a fenti séma szerint jöhet létre. B/B H/h H/h A/A A Bombay fenotípus Egy bioszintézis út több pontja érintett A, B és 0 allélek - többszörös allélizmus 0/0 glükoziltranszferáz enzim génjének változata. h/h Látszólag 0 vércsoportú utód születhet akár a fenti szülőktől is, HA h/h recesszív alléleket örököl. Bombay fenotípus. IA (NAcGalN) IB (Gal) I0 - (H antigén) A fukozil transzferáz (FUT1 gén) mutációja miatt nem alakul ki a fukózt tartalmazó H antigén! Látszólag 0 vércsoportú szülőknek lehet A vagy B vércsoportú utóda? h/h ritka: 1/ gyakoriság (India egyes részein 1/7.600) Csak Bombay fenotípusú donortól kaphat vért! 1-31

32 szülők: utódok: AA hh X i i HH Bombay és 0 Ai hh A vércsoport F2 generáció AH ih Recesszív episztázis A h/h recesszív homozigóta háttér megszünteti az AB0 allélek hatását (kifejeződését). Ah Egy bioszintézis vagy szabályozási útvonalon előrébb elhelyezkedő, előbb ható génre utal ez a kölcsönhatás. ih AH A/A H/H ih A/i H/H Ah A/A H/h ih A/i H/h i/a H/H i/i H/H i/a H/h i/i H/h A/A h/h A/i h/h A/A h/h A/i h/h i/a h/h i/i h/h i/a h/h i/i h/h 9:3:4 1-32

33 Domináns episztázis I 12:3:1 A tök színét A/a allélek határozzák meg, ha nincs jelen a domináns B. Ez elfedi az A/a allélek hatását. Domináns episztázis II - 13:3 A csirkék színét A/a allélek határozzák meg, ha nincs jelen a domináns B. Ez elfedi az A/a allélek hatását. 1-33

34 Komplementer öröklésmenet Egy fenotípus kialakításához több fehérje (gén) működése szükséges. Bármelyik gén hibája (homozigóta recesszív eset) a vad fenotípus eltűnését eredményezi. 1-34

35 zöld sárga A fehér B fehér fehér Domináns episztázis I 12:3:1 barna A A fehér fehér fehér B B lila Domináns episztázis II - 13:3 Komplementer öröklésmenet lila AB komplex 1-35

36 Sarlósejtes vérszegénység hemoglobin Hbα / Hbβ Sok allél. HbβA, HbβS (A,S). + közel 400 más mutáns. Hány allél lehet? Pleiotrópia, pleiotróp hatás: egy allél több jelleget befolyásol. S/S: agregáció, vvt forma C, keringés rossz, izomgörcs, légzési zavar, fárdtság, vérszegénység környezet szerepe légköri nyomás, malária Plasmodium falciparum, Az S allél recesszív letális (szív, stroke..), de domináns is (malária rez., gyakori Afrika, mediterrán) dominancia, inkomplett dominancia kodominancia 1-36

37 ÁDÁM és a vércsoportok: Milyen vércsoportú volt Ádám, hogy magyarázni lehessen az emberben jelen lévő AB0 vércsoportokat, és ne keveredjünk ellentmondásba a Bibliával? Lehet, hogy az apám nem is az apám? Lehetséges, hogy a vércsoportom 0, RH-, ha anyám 0, RH+, apám B, Rh+? 1-37

38 1-38