Sprzężenie genów
Mapy chromosomowe

• Jeśli geny leżą na jednym chromosomie to są sprzężone. oznacza to, że najczęściej dziedziczą się razem (nie segregują), ale mogą też się rozdzielać z niską częstością w wyniku crossing-over (wymiany chromatyd) i nastepnie rekombinacji

% rekombinacji między genami B—V = 130 + 161 x 100% =16.3% 1735

Odległość b → v = 16.3%

Geny są sprzężone, jeśli % rekombinacji jest <50%. Oznacza to, że geny leżą na tym samym chromosomie.

Geny segregują niezależnie, jeśli % rekombinacji jest >50%. Niezależna segregacja oznacza, że geny leżą na różnych chromosomach.

W krzyżówkach testowych podwójnej heterozygoty stosunek fenotypów 1:1:1:1 w wskazuje, że geny są położone na różnych chromosomach

Podwójny crossing-over w regionie A-C

Kolejność działania:

1. Znalezienie genu środkowego na podstawie genotypów rodzicielskich – najbardziej licznych i genotypów powstałych po podwójnym crossing-over, najmniej licznych w populacji.

aBC 2207

Abc 2125

ABC 5

abc 3

______________________________________________________________

Genem środkowym jest gen A/a, bo tylko ten gen zmienia po podwójnym c-o położenie w stosunku do innych genów

BaC 2207

bAc 2125

BAC 5

bac 3

_______________________________________________________________

2. Określenie odległości między genami b – a, czyli obliczenie długości regionu I

BaC 2207

bAc 2125 baC 273

BAc 275

BAC 5

bac 3

____________________________

Odległość w I regionie 273+275+8 = 0,102x100% = 10.2%

5318

Określenie odległości między genami a – b, czyli obliczenie długości regionu II

Odległość w II regionie

Bac 217

bAC 223

BAC 5

bac 3

217+223+8 = 0.084 x 100% = 8.4%

5318

Mapy genetyczne:

• Mapą genetyczną nazywamy graficzne przedstawienie kolejności genów na chromosomie, na której odległości między genami są miarą częstości rekombinacji między tymi genami.

• Jeśli częstość rekombinacji przekracza 50% tzn. że geny leżą na różnych chromosomach.

• Im częstość rekombinacji jest mniejsza tym bliżej siebie geny leżą na chromosomie czyli, że są bardziej sprzężone.

• Jednostką map genetycznych są: 1 cM (centimorgan) lub 1% rekombinacji, czyli odległość fizyczna równa 10⁶ par zasad = 1 Mb

• 1 cM to odcinek DNA w którym zachodzi 1 c-o na 100 możliwych.

• Długość genetyczna chromosomu kobiet jest większa niż mężczyzn:

♀ 1 cM = 2.7 Mb ♂ 1 cM = 1.2 Mb

Mapy fizyczne chromosomu:

• Mapa fizyczna lub restrykcyjna to graficzne przedstawienie cząsteczki DNA przedstawiające miejsca trawienia przez różne enzymy restrykcyjne.

• Geny przedstawione są jako tzw. otwarte ramki odczytu (ORF), które są sekwencją nukleotydów zawierającą informację o produkcie genu, czyli o białku lub RNA.

• Jednostką map fizycznych są pary zasad (pz).

Mutacje genowe i chromosomowe

Tranzycja – zamiana puryny na inną purynę, lub pirymidyny na inną pirymidynę

GC↔AT

Transwersja – zamiana puryny na pirymidynę lub pirymidyny na purynę

GC↔CG AT↔TA

Mikrodelecje – wypadnięcie pojedynczych nukleotydów

Mikroinsercje – wstawienie pojedynczych nukleotydów

Mutacje na poziomie białek

Mutacje nonsensowne – powodują przedwczesne zakończenie syntezy łańcucha polipeptydowego z powodu utworzenia kodonu STOP

UAA – kodon ochre

UGA - kodon opal

UAG - kodon amber

Mutacje zmiany sensu (missense mutation) – powstają w wyniku pojedynczych substytucji nukleotydów – jeden aminokwas jest wymieniany na inny aminokwas. Nie zawsze powodują istotną zmianę w białku.

Mutacje zmiany fazy odczytu (frame shift mutation) – od miejsca delecji lub insercji nukleotydów następuje zmiana fazy odczytu kodonów

Jeśli mutacja nie powoduje żadnych zmian w sekwencji aminokwasów w białku nazywa się milczącą (silent mutation).

Dzięki niejednoznaczności kodu genetycznego jest możliwa zmiana sekwencji nukleotydów (mutacja) bez zmiany aminokwasu

Milcząca, zmiany sensu, nonsensowna

Przyczyną anemii sierpowatej jest transwersja A→T w 6 kodonie β - globiny i mutacja zamiany kwasu glutaminowego w walinę

Mutacja typu tranzycji AT-GC w genie miostatyny-cząsteczki sygnałowej hamującej wzrost mięśni, powoduje rozrost mięśni i przekształcenie sylwetki charta w potężnego psa.W stanie heterozygotycznym pies jest dobrze umięśniony i szybszy od zwykłego charta.

Mutacja zmiany fazy odczytu jest skutkiem delecji różnej ilości nukleotydów. Mikrodelecje i mikroinsercje są przyczyną mutacji zmiany fazy odczytu

Mikroduplikacja (insercja) dwóch par CG w genie receptora melanokortyny w komórkach barwnikowych (melanocytach) powoduje inaktywację genu i jasne ubarwienie świni, kolejne błędne kopiowanie genu (z powodu dużej ilości powtórzeń CG) powoduje delecję tych powtórzeń CG i łaciate umaszczenie skóry

Rewersja jest to powrót mutanta do wyjściowego genotypu (wyjściowej sekwencji).

Pseudorewersja lub supresja mutacji jest to powrót do wyjściowego fenotypu, w wyniku następnej mutacji w tym samym genie – supresja wewnątrzgenowa, lub poza genem – supresja zewnątrzgenowa. Pierwotne miejsce mutacji pozostaje niezmienione.

Supresja międzygenowa kodonów nonsensownych następuje w wyniku mutacji w obrębie antykodonu tRNA. Zmieniony antykodon powoduje wbudowanie aminokwasu w miejsce kodonu STOP

Polimorfizm genetyczny:

Polimorfizm genetyczny oznacza występowanie w populacji dwóch lub więcej alleli w danym locus z częstością większą niż częstość mutacji.

• Powoduje zróżnicowanie genetyczne i zmienność w obrębie gatunku

• Występuje powszechnie w genomie, zwłaszcza w regionach niekodujących z częstością równą ok. 1/300 pz

• Wykorzystuje się jako marker w badaniach genetycznych

• Praktycznie polimorfizm wykorzystuje się w identyfikacji osobników tzw. DNA fingerprinting (genetyczny odcisk palca) w medycynie sądowej (oznaczanie ojcostwa, identyfikacja śladów biologicznych), ale też w diagnostyce medycznej

• Polimorfizm długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP – ang. restriction fragments length polymorhism) jako skutek mutacji typu substytucji (tranzycja, transwersja), które są przyczyną polimorfizmu genetycznego.

• Mutacja zachodząca w miejscu rozpoznawanym przez specyficzną endonukleazę restrykcyjną spowoduje zmianę sposobu trawienia danej cząsteczki DNA przez enzym i powstają inne fragmenty DNA rozpoznawane w elektroforezie.

Polimorfizm genetyczny, czyli występowanie w populacji wielu alleli w danym locus

Mutacje chromosomowe

1. Zmiany struktury chromosomów – aberracje chromosomowe:

a) delecje, deficjencje – ubytki części chromosomu np. Zespół Cru du chat – zespół krzyku kociego – delecja fragmentu krótkich ramion 5 chromosomu

Zespół kociego krzyku:

Niedorozwój fizyczny i umysłowy – płacz dziecka przypomina miauczenie kota.

Zdarzają się również delecje chromosomu 4, lub też mikrodelecje w różnych chromosomach prowadzące do upośledzenia rozwojowego i narządowego.

Nasilenie zmian klinicznych może być bardzo różne.

b) Inwersja – pericentryczna lub paracentryczna – odwrócenie fragmentu chromosomu o 180^o

Inwersja paracentryczna nie obejmuje centromeru

Inwersja pericentryczna obejmuje centromer

c) Translokacja –przemieszczenie fragmentu chromosomu do chromosomu niehomologicznego. Translokacja niewzajemna jest to przeniesienie fragmentu DNA z jednego chromosomu na drugi chromosom. Taka translokacja między 21 i 14 chromosomem może być przyczyną zespołu Downa.

Translokacja wzajemna obejmuje wymianę fragmentu między dwoma niehomologicznymi chromosomami

Wzajemna translokacja między chrom. 9 i 22 oznaczona t(9;22) tworzy bardzo duży chromosom der 9 i krótszy chromosom Philadelphia (Ph1) zawierający fuzję genów abl-bcr. Chromosom Ph1 występuje tylko w białaczkach limfoblastycznych. DNA chrom. 9, które ulega translokacji zawiera proto-onkogen oznaczony c-ABL. Złamanie jakie nastąpiło w chrom. 22 następuje w środku genu oznaczonego BCR. Chromosome Philadelphia zawiera fuzję części genu BCR z c-ABL. Taka translokacja jest przyczyną białaczki.

Molekularne konsekwencje translokacji t(9q+;22q–) prowadzącej do powstania chromosomu Filadelfia kodującego onkogenną kinazę tyrozynową BCR/ABL

Insercja – wstawienie dodatkowego fragmentu DNA do chromosomu np. insercja transpozonu lub innej sekwencji

d) Duplikacja – powtórzenie fragmentu chromosomu

e) Disomia – obydwa chromosomy homologiczne pochodzą od jednego rodzica –disomia ojcowska lub matczyna

Disomie matczyne lub ojcowskie:

(n-1) + (n+1) = 2n – oba chromosomy (lub allele) pochodzą od jednego rodzica; powoduje to schorzenia letalne prenatalnie lub zespoły chorobowe np.

Zespół Pradera-Williego –disomia 15 chromosomu – oba allele są pochodzenia ojcowskiego

Zespół Angelmana – oba allele na chromosomie 15 pochodzą od matki

Duplikacja genów

Powielenie całych genów może prowadzić do powstania różnic między gatunkami, a także osobnikami tego samego gatunku. Genom szympansa żywiącego się przeważnie roślinami zielonymi zawiera jeden gen kodujący amylazę – enzym rozkładający skrobię. Ludzie mogą mieć do 10 kopii tego genu i mogą jeść bardziej zróżnicowany pokarm

f) Mutacje dynamiczne – zmiana długości genu poprzez zwiększenie ilości powtórzeń trinukleotydów

Np. Zespół kruchego chromosomu X – ilość powtórzeń CGG rośnie do ponad 200 (zdrowi ludzie poniżej 50).

Ekspansja trinukletydów prowadzi do złamania chromosomów i do inaktywacji genu co jest przyczyną choroby umysłowej.

Zespół kruchego chromosomu –silny niedorozwój umysłowy. Chorują głównie mężczyźni

Zwiększona ilość powtórzeń powoduje przewężenie chromosomu widoczne w części komórek. Jest to miejsce łamliwe także ze względu na metylację trinukleotydowych powtórzeń.

Zespół Huntingtona ilość powtórzeń CAG rośnie do 37-121 (zdrowi ludzie mają 9 – 34 powtórzeń)

Choroba Huntingtona jest schorzeniem autosomalnym dominującym spowodowanym zwiększeniem ilości powtórzeń CAG, czyli kodonu dla glutaminy.

Ciężka postępująca choroba ośrodkowego układu nerwowego

Utrata kontroli funkcji ruchowych i intelektualnych

Pierwsze objawy w wieku 25-60 lat

Częstość występowania: 1/10 000 – 1/20 000

Zmiana ilości chromosomów

1. Aneuploidia

Nullisomia 2n-2

Monosomia 2n-1 np. Zespół Turnera, częstość 1/5000

Trisomia 2n+1

np. Zespół Downa, trisomia 21, częstość 1/700

Zespół Edwardsa, trisomia 18, częstość 1/4000

Zespół Patau, trisomia 13, częstość 1/5000

Zespół Klinefeltera XXY, częstość 1/700

Tetrasomia 2n+2

Nondysjunkcja jako przyczyna aberracji chromosomalnych

Brak rozdziału chromosomów w I podziale mejotycznym

Brak rozdziału chromosomów w II podziale mejotycznym

Zespół Downa:

Trisomia 21 pary chromosomów

Translokacja między 21 i 14 chromosomem jest dziedziczona

Zespół Klinefeltera – wysoki wzrost, niepłodność z powodu braku spermatogenezy, niedorozwój drugorzędowych męskich cech płciowych. Czasem trudności z uczeniem się.

Zespół Turnera – bardzo niski wzrost, płetwista szyja, niepłodność z powodu braku jajników, wady serca, nerek. Czasem choroba ma postać łagodną.

Najczęstsza aberracja u człowieka. Przeżywa tylko 1/40 zygot – największa letalność embrionów

Częstość (%) występowania poszczególnych trisomii autosomów u 669 płodów trisomicznych z ciąż zakończonych poronieniem samoistnym.

Trisomia u człowieka jest w większości przypadków letalna w pierwszych tygodniach życia płodu.

Powstaje w wyniku nondysjunkcji w mejozie.

b) Euploidia – poliploidia - powielenie całego zestawu chromosomów

Monoploidia n np. trutnie pszczół, mrówek

Diploidia 2n

Poliploidia – triploidia (3n), tetraploidia (4n)

a) autopoliploidia – powielenie całego zestawu chromosomów tego samego gatunku np. komórki szpiku kostnego 8-16 n, regenerująca wątroba,

rośliny uprawne

b) allopoliploidia – powielenie całego zestawu chromosomów różnych gatunków, np. pszenżyto

POLIPLOIDIA

Triploidia

Bardzo często występująca aberracja chromosomowa (15%) u płodów poronionych samoistnie.

Stwierdzona sporadycznie u żywo urodzonych dzieci z poważnymi objawami rozwojowymi

Ciężkie zaburzenia rozwoju, wczesna śmiertelność

• Częstą przyczyną jest dispermia (podwójne zapłodnienie)

• Poliploidia jest szeroko rozpowszechniona wśród roślin kwitnących. Około 47% wszystkich gatunków to poliploidy.

• Jest także podstawowym czynnikiem specjacji (tworzenia nowych gatunków) i ekspansji ekologicznej.

• Zmiany regulacyjne w aktywności genów

• Mutacje w regionach regulacyjnych decydujących o czasie i miejscu ekspresji genów mogą znacznie wpływać na kształtowanie się całych części ciała organizmu.

• Modyfikacje w regionie regulatorowym pojedynczego genu, który kontroluje podział komórek podczas rozwoju łodygi odpowiada za zmianę kształtu pędu krzaczastej trawy teosinte na współczesną kukurydzę o jednej łodydze.

• Inne zmiany w genie tga1 teosinte spowodowały zmianę twardej osłonki nasiona na miękką łatwiejszą do spożycia.