6. z öröklődés alapjai GENETIK z örökítő anyag szerveződésével és funkciójával, az élőlények tulajdonságinak átöröklődésével foglalkozó tudomány. genesis: : születés, teremtés, keletkezés, származás Elméletek az öröklődésről Preformizmus: ivarsejtekben miniatűr emberkék (humunkuluszok( humunkuluszok) Pángenezis: testi sejtek egy-egy darabka csírát (gemulát( gemulát) ) termelnek, ami beépül az ivarsejtbe, biztosítva az illető sejtnek következő nemzedékbe másolását. (Buffon, Ch.. Darwin) Gregor Mendel (1822-1884) nem kapcsolt tulajdonságok öröklődésének elmélete ma is helytálló! 1
modern genetika ágai mendeli (klasszikus) genetika tulajdonságok átörökítése a következő nemzedékre molekuláris genetika --->genomika az öröklődés biokémiai háttere populációgenetika populációk genetikai összetétele Genetikai alapfogalmak I. Gén: a DNS molekula egy szakasza, amely egy tulajdonság meghatározásáért felelős Gén: Lókusz: a kr Genotípus: Fenotípus kr.. azon szakasza, amin a gén elhelyezkedik Genotípus: egy élőlény génkészlete (egy vagy több gént illetően) Fenotípus: a génkészlet (genotípus) működésének eredményeképpen kialakuló tulajdonságok összessége llélok: egy gén alternatív változatai Vad allél: egy adott génnek a természetben leggyakrabban előforduló változata Letális allél: egy létfontosságú gén olyan változata, amely életképtelenséget vagy ivarérett kor előtti elhalálozást okoz llélok Vad Letális 2
Genetikai alapfogalmak II. Homozigóta: a kr.. pár azonos helyein azonos allélok Heterozigóta: a kr.. pár azonos helyein különböző Hemizigóta: csak egyetlen kópiában hordozza a gént Domináns allél azonos helyein különböző allélok allél: olyan génváltozat, amely fenotípusosan mindig kialakítja a neki megfelelő tulajdonságot (heterozigótákban( is) Recesszív allél: olyan génváltozat, amely fenotípusosan csak homo- és hemizigótákban manifesztálódik Recesszív Jelölések:, a allélek Lehetséges genotípusok:, a, aa Mendel kísérletei Tudományos kísérletezés módszere - alkalmas objektum választása - körültekintő kísérlettervezés - sok adat gyűjtése - matematikai értékelés - következtetések kísérletes ellenőrzése Kísérleti növénye a kerti borsó ( (Pisum sativum) - sok változat - önmegtermékenyítő és könnyen keresztezhető - kis helyigény, rövid tenyészidő 3
Vizsgált tulajdonságok virágszín borsószem alakja sziklevél színe hüvely alakja hüvely színe virágok helyzete szárhossz bíbor - fehér kerek - szögletes sárga - zöld felfújt - szemre simuló zöld - sárga axiális - terminális hosszú - rövid Tiszta vonal : utódok tulajdonságai megegyeznek a szülőkével Hibrid: két tiszta vonalú egyed keresztezéséből származó utód 1. Kísérlet Szülői generáció (P) parentes Első utódgeneráció (F 1 ) generatio filialis Eredmény: csak kerek! 4
Következtetések Uniformitás elve: elve: az első utódnemzedék egyedei egyformák (fenotípusosan és genotípusukat tekintve is) Szegregáció (hasadás) elve: a második utódnemzedékben az eredeti szülői tulajdonságok megjelennek. Magyarázat: z ivarsejtekben tulajdonságokat hordozó faktorok vannak (gének), egyesülésükkor az egyedbe 2-22 2 kerül. heterozigóta egyedek egyforma arányban termelnek mindkét allélt hordozó ivarsejteket. z első utódnemzedék KEREK SZÖGLETES P Meiózis Gaméták Megtermékenyítés F 1 Rr Rr Rr Rr 5
második utódnemzedék Rr F 1 Női gaméták R r Rr Hím gaméták R r RR Rr F 2 Rr rr z utódok fenotípusa: 3/4 : 1/4 z utódok genotípusa: 1/4 RR : 2/4 Rr : 1/4 rr Teszt-keresztezés a aa a a aa a a a a a a a a aa a aa Domináns fenotípusú egyedet recesszív egyeddel keresztezve egyforma (heterozigóta( heterozigóta) ) egyedeket kapunk, ha a szülő homozigóta volt, ha heterozigóta,, akkor fele- fele arányban kapunk domináns és recesszív fenotípusú utódokat. 6
2. Kísérlet független kombinálódás elve Kerek, sárga Szögletes, zöld P Meiózis Gaméták Megtermékenyítés F 1 Kerek, sárga P RRYY rryy RrYy Punnett-tábla F 1 gaméták RrYy RY Ry ry ry RY RRYY RRYy RrYY RrYy RrYy gaméták Ry ry RRYy RRyy RrYy RrYY RrYy rryy Rryy rryy F 2 ry RrYy Rryy rryy rryy z utódok fenotípusa 9/16R-Y- : 3/16R-yy : 3/16rrY- :1/16rryy 9 3 3 1 Figure 10.8a 7
független öröklődés magyarázata a kromoszómaelmélet ismeretében vagy szemszín szőrszín barna szem sötét szőr kék szem vörös szőr barna szem vörös szőr kék szem sötét szőr Domináns - recesszív öröklésmenet Recesszív rendellenességek: fenilketanuria, cisztikus fibrózis,, albinizmus Domináns rendellenességek: akondroplázia (törpeség), polydactylia (hatujjúság), brachidactylia (rövidujjúság), Huntington-kór (vitustánc) Egyéb tulajdonságok: Rh + > Rh -, barna szem > kék szem, lenőtt fülcimpa > nem lenőtt 8
Nemhez kötött öröklődés Kromoszómák: autoszómák (emberben 22 pár) ivari kromoszómák (emlősökben XX,, XY ) Nem-meghatározás XX X X XY X Y XX XY XX XY Nemhez kötött öröklődés Reciprok keresztezés Drosophila melanogaster nya pa T. H. Morgan 1910 nya pa X w+ X w+ X w Y P X w X w X w+ Y Hím gaméták Hím gaméták X w Y X w+ Y Női gaméták X w+ F X w X w+ X w X w+ Y 1 X w+ X w X w Y Női gaméták X w+ : piros szemszín allélt tartalmazó X kromoszóma w+ allél domináns w felett. 9
Példák ivari kromoszómákhoz kötött génekre X vérzékenység (hemofília( hemofília) vörös-zöld színtévesztés D-vitamin rezisztens angolkór Y fülcimpa-szőrösség P Intermedier öröklődés RR X rr piros és fehér virágú csodatölcsérek keresztezése (Carl Correns 1900) z F 1 nemzedék színe egyik szülőére sem hasonlít F 1 F 2 Rr Önmegtermékenyítés 1/4 RR 1/4 Rr 1/4 Rr 1/4 rr köztes (intermedier) öröklődés z F 2 nemzedékben a fenotípusok megoszlása 1 : 2 : 1 genotípus fenotípusosan megjelenik 10
Kodominancia Egy gén több allélja is domináns Heterozigótákban az allélok egymás mellett, egymástól függetlenül megnyilvánulnak Pl. BO vércsoportrendszer I, I B : antigént kódoló allélek i: nem kódol antigént 6-féle genotípus 4-féle fenotípus Véradás olyan csoportnak lehetséges, amelyik nem támadja az adott vér antigénjét/antigénjeit. Genotípus I I I i I B I B I B i I I B i i ntigén Fenotípus B B B, B B - O Vércsoport-meghatározás B Vérminta két cseppjébe kétféle ellenanyagot cseppentenek Idegen ellenanyag kicsapja a vért (fehérje- koaguláció) B Öröklődés I I I B I B 0 I i I i I I ii I I B i I B 11
Kapcsoltság Két gén együtt öröklődik egy kr-n F1 gamétái csak kétfélék ha a gének közel vannak egymáshoz a kr-n F1 B B B P x abb ab a b meiózis, ivarsejtképzés a b 50% B 50% ab a B b Rekombináció (Crossing( over) Kis mennyiségben keletkeznek kevert ivarsejtek a meiózis során végbement crossing over (átkereszteződés) miatt. c.o.. valószínűsége ~ gének távolságával C C C C F1 P c x c acc a ac meiózis, ivarsejtképzés a a c c C Rekombináns a 12
Crossing over Meiózis I Meiózis II Rekombináns gaméták Mennyiség jellegek Heterozygotes have an intermediate phenotype because of a phenomenon known as incomplete dominance. mértékegységgel kifejezhető, folytonos jellegű tulajdonságok Pl. tojáshozam, tejhozam, testmagasság nagy elemszámú vizsgálat esetén az értékek normál eloszlást mutatnak 13
Mennyiségi jellegek öröklődése sok gén vesz részt a jelleg kialakításában a környezeti hatások szerepe szintén jelentős gyakoriság P F 1 Magasság F 2 Dohánynövény magassága P BB X aabb 180 cm 60 cm F 1 abb X abb F 2 B b ab ab B b ab ab BB Bb abb abb Bb bb abb abb abb abb aabb aabb abb abb aabb aabb 14
Mutációk Mutáció: z örökítőanyagban létrejövő, öröklődő változás. Sejttípus szerint - testi sejti változás s egyeden belül - ivarsejti utódban megjelenhet Kiváltó ok alapján - spontán természetes mutáci ciós s ráta: r 10-4 10 - indukált (mesterségesen kiváltott mutagének ) Típusai - génmutáció - kromoszómamutáció 10-10 Génmutációk -CGGGT- -TGCCC- néma új triplett ua. S vagy intronban csendes S-csere fenotípusváltozás nélkül tévesztéses más S funkcióveszt vesztés értelmetlen S STOP lánchosszabbító STOP S frameshift olvasási keret elcsúszása 15
Kromoszómamutációk 1. Számbeli Fajra jellemző kr.. alapkészlet (n)( ) kétszerese helyett több vagy kevesebb kerül az utódba. 2n 8n Poliploidia az alapszám 2-nél 2 nagyobb egész számú többszöröse neuploidia nem a teljes genomból van több, csak bizonyos kromoszómá(k)ból neuploidia kevesebb általában letális triszómia: : egy kr.-ból 3 van autoszómális 21 Down-,, 13 Patau-,, 18 Edwards-szindróma szindróma ivari kromoszóma XXY, XYY, X0 16
Down-szi szindróma 21 kr. triszómiája 1:700 születés értelmi fogyatékos, alacsonyabb átlagéletkor Turner-szindróma (X0) Kleinefelter (XXY) 1:5000 1:2000 alacsony termetű steril nő jellegzetes rövid nyak meddő férfi, nőies vonások 17
Metanő (XXX) 1/2000 születés majdnem mindig meddő normális szaporodóképesség nagyobb bűnözési hajlam (?) 1/2000 születés Szuperférfi (XYY) Kromoszómamutációk 2. Szerkezeti deléció duplikáció inverzió transzlokáció 18
Bepillantás a molekuláris genetikába 1944 very et al. DNS az örökítőanyag 1953 Watson & Crick a DNS szerkezete 1958 Meselson & Stahl szemikonzervatív DNS replikáció 1966 Nirenberg & Khorana genetikai kód megfejtése Térképezés Kromoszóma-térképezés - gének elhelyezkedése a kr-n - keresztezési kísérletek Géntérképezés - fizikai térkép - gének távolsága Szekvenálás - bázissorrend meghatározása 19
restrikciós endonukleázok Génklónozás genetikailag egyforma DNS darabok előállítása 1. DNS bejuttatása egy baktériumba - plazmid segítségével 2. Baktérium elszaporítása 3. DNS kinyerés PCR polimeráz láncreakció kétszálú DNS láncainak szétválasztása primerek hozzáadása DNS-polimeráz komplementer DNS szálakat hoz szintetizál újra szétválasztás (Polimerase Chain Reaction) 20
PCR polimeráz láncreakció kétszálú DNS láncainak szétválasztása primerek hozzáadása DNS-polimeráz komplementer DNS szálakat hoz szintetizál újra szétválasztás centrális dogma, kivételek DNS mrns Sejtmag Citoplazma mrns Riboszóma Fehérje DNS RNS fehérje reverz transzkripció RNS-függő DNS-polimeráz RNS DNS retrovírusok rusok szaporodása sa cdns (kópia) mrns-ről készült DNS-másolat 21
Egyed szintű klónozás szerv szövet sejt sejtmag természetes bimbózás (némely galandféreg, előgerinch.) sarjadzás (szivacsok, csalánozók, mohaállat, zsákállat, növények) ikresedés (giliszta, övesállatok, egypetéjű ikrek) szűznemzés (ászkák, levéltetvek, kabócák, halak, hüllők, madarak) sejtosztódás (baktériumok, élesztők, penészgombák) mesterséges dugványozás oltás szemzés embriófelezés kallusz (ochidea, dohány, sárgarépa) ikresítés (szarvasmarha) embrionális ősivarsejtek teratóma sejtmagátültetés (Xenopus, Dolly bárány, egér, szarvasmarha) Egyedek klónozása 22