Klasszikus genetika

1
Klasszikus genetika és evolúciógenetika

• Fedor Anna
• fedoranna_at_gmail.com

2
Félévi tematika

• szept. 10 Müller Viktor Életdefiníció
• szept. 17. Kun Ádám Az élet eredete
• szept. 24. Kun Ádám Anyagcsere
• okt. 1. Fedor Anna Genetika és evolúciógenetika
• okt. 8. Gedeon Gábor Egyedfejlõdés és
  szabályozás
• okt. 15. Gedeon Gábor Egyedfejlõdés
• okt. 22. Zachár István Makrotaxonómia és
  replikátorok
• nov. 5. Garay József Evolúció
• nov. 12. Müller Viktor Immunológia
• nov. 19. Fedor Anna Neurobiológia
• nov. 26. Czárán Tamás Ökológia
• dec. 3. Számadó Szabolcs Kommunikáció,
  kooperáció
• dec. 10. Számadó Szabolcs Kultúra

3
A mai óra témái

• I. Mendel törvényei
• II. Eltérés a mendeli arányoktól
• III. A szex evolúciója
• IV. A nem meghatározás módjai
• V. Az XY rendszer következményei
• VI. Kvantitatív genetika
• VII. Evolúciógenetika

4
I. A genetika alaptörvényei az emlosök
szorszínének példáján

• (gimnáziumi ismétlés egy új példán)

5
A gén sárga sáv a szorszálakban/sima szín

• Az A gén két allélje A és a.
• A ? sárga sáv ? agouti szorszín (grízes szürkés
  kinézet, a fekete szorszálakban sárga sáv jelenik
  meg),
• a ? sima szín ? fekete szorszín
• (A lovak háziasítása során az A allél elveszett,
  tehát az összes ló aa.)

6
Fenotípusok

• Diploid geno- és fenotípusok
• AA genotípus ? agouti fenotípus
• aa genotípus ? fekete fenotípus
• Aa genotípus ? agouti fenotípust eredményez,
  mivel A domináns és a recesszív.
• A_-lal jelöljük a genotípust, ha lehet AA és
  Aa is.

7
Mendel I. Uniformitás

• Tiszta vonalból származó, homozigóta szülok
  keresztezésével nyert utódok egységes geno- és
  fenotípusúak.
• P AA x aa
• F1 Aa

8
Mendel II. Hasadás

• A szüloi tulajdonságokért felelos gének nem
  olvadnak össze az F1 generációban, a szüloi
  tulajdonságok újra megjelennek az F2 nemzedékben.
• F1 Aa x Aa 100 agouti
• F2 ¼ AA, ½ Aa, ¼ aa
• ¾ agouti ¼ fekete

9
B gén fekete/barna alapszín

• B allél ? fekete színanyag
• b allél ? barna színanyag
• Domináns-recesszív öröklodés

10
A és B gén kombinációi

• A_B_ ? agouti (feketében sárga sávok, grízes
  szürkés)
• aaB_ ? fekete
• A_bb ? fahéj (barnában sárga sávok, grízes
  barna)
• aabb ? barna (lovaknál gesztenye)

11
Mendel III. Függetlenség

• Ha egyszerre több tulajdonságban különbözo tiszta
  vonalakat keresztezünk, akkor az F2 generációban
  a szüloi típusoktól eltéro tulajdonság-kombinációk
  at is találunk, ezek a rekombináns utódok.

12
Mendel III. Függetlenség

• P AAbb (fahéj) x aaBB (fekete)
• F1 AaBb (agouti)
• F2 9/16 A_B_ (agouti), 3/16 A_bb (fahéj),
• 1/16 aabb (barna) , 3/16 aaB_ (fekete)
• ? ?
• rekombináns típusok szüloi típusok
• Ugyanezt kapnánk, ha agoutit kereszteznénk
  barnával
• AABB x aabb.

13
Mendel III. Függetlenség

• Ez akkor igaz, ha a két lókusz nem kapcsolt,
  tehát különbözo kromoszómákon helyezkednek el,
  vagy egymástól távol.
• Ha a lókuszok szorosan kapcsoltak, akkor a
  rekombináns utódok aránya nagyon kicsi.

14
II. Eltérések a mendeli arányoktól

• A) Különbözo életképességu genotípusok
• B) Recesszív episztázis
• C) Kapcsoltság

15
A) Letális allélek

• Ritkán elofordulnak világosabb, sárga színu
  egerek. Két sárga egér keresztezésébol származó
  utódok elso ránézésre nem-mendeli arányokat
  mutatnak.
• P sárga x sárga
• F1 2/3 sárga, 1/3 normál agouti

16
Letális allélek

• Magyarázat Az A lókuszon egy harmadik allél is
  megjelenik ritkán, az AY.
• A heterozigóta AYA egerek sárgák, a homozigóta
  AYAY viszont életképtelen.
• P AYA x AYA
• F1 zigóták ¼ AA, ½ AYA, ¼ AYAY
• sávos sárga letális

17
Letális allélek Manx macska
Hasonló MLM farok nélküli, életképes, MLML
életképtelen
18
Különbözo életképességu genotípusok

• Az elobbi példa egy szélsoséges esete annak az
  általános jelenségnek, hogy a különbözo
  genotípusok túlélési esélye eltéro. Így
  zigótakorban a mendeli arányoknak megfeleloen
  (121) oszlanak meg a genotípusok, de mire a
  kísérletezo megszámolja a különbözo utódokat, már
  megváltozhatnak az arányok.
• Általában ilyen kísérleteknél olyan jó
  környezetet biztosítanak, hogy minden genotípus
  túlélése a leheto legjobb legyen, így
  csökkentheto a mendeli arányok torzulása.

19
B) Recesszív episztázis

• A C lókuszon homozigóta recesszív cc genotípusú
  egyedek albínó fenotípust mutatnak, bármely
  allélek is vannak az A ill. B lókuszon.
• A C gén feljebb helyezkedik el a
  genetikai-biokémiai láncban
• C_ B_
• x ? y ? fekete színanyag
• C_ bb
• x ? y ? barna színanyag
• cc
• x ? nincs színanyag

20
Albinizmus, cc genotípus
21
Albinizmus, cc genotípus
22
Recesszív episztázis F2 934

• P BBcc (albínó) x bbCC (barna)
• F1 BbCc (fekete)
• F2 9/16 B_C_, 3/16 bbC_, 4/16 __cc
• fekete barna albínó

23
Recesszív episztázis az aranyszínu Labrador kutya
fekete barna aranyszínu
24
Recesszív episztázis az aranyszínu Labrador kutya

• Az E gén hasonló F2 arányokat okoz, mert az ee
  genotípusban gátolt a pigmentnek a szorszálban
  való lerakódása ? fekete vagy barna szín helyett
  aranyszín.
• P BBee (arany) x bbEE (barna)
• F1 BbEe (fekete)
• F2 9/16 B_E_, 3/16 bbE_, 4/16 __ee
• fekete barna arany

25
ch egy homérsékletérzékeny allél
26
ch egy homérsékletérzékeny allél

• A test melegebb részein a ch a c-hez hasonlóan
  albínó szorszálakat eredményez, de a kiálló,
  hidegebb testrészeken muködik a
  festékszintézisért felelos enzim, ezért azok
  sötétek sziámi macskák, Himalája nyulak és
  egerek stb.

27
Tanulságok

• A gének kifejezodését befolyásolja a genetikai
  környezet, pl. gátolhatják más gének
  (episztázis).
• A gének kifejezodését befolyásolja a fizikai
  környezet (homérséklet).

28
C) Kapcsoltság

• 1910 Morgan 2 lókuszt vizsgált muslicán
• vad típus, dom. (normál szárny, piros szem)
• Mutánsok
• pr ? bíbor szem
• vg ? csökevényes
• szárny

29
Kapcsoltság

• P prpr vgvg x prpr vgvg
• homozigóta vad típusú homozigóta mutáns
• F1 prpr vgvg
• heterozigóta vad típusú

30
A testcross

• Az F1 egyedeit testcross-nak vetette alá, vagyis
  a homozigóta recesszív genotípussal keresztezte
  oket
• F1 prpr vgvg x prpr vgvg
• tester

31
A testcross

• A testcross célja az F1 génjeinek pontos
  megismerése.
• Mivel a tester szülotol csak recesszív
  alléleket kap az F2 utód, ezért a fenotípusa
  egyértelmuen megmutatja a genotípusát, illetve
  hogy milyen alléleket kapott az F1 szülotol
  származó ivarsejttel.

32
Kapcsoltság

• F1 prpr vgvg x prpr vgvg
• F2 fenotípusok
• pr vg 1339 szüloi típus
• pr vg 1159 szüloi típus
• pr vg 151 rekombináns típus
• pr vg 154 rekombináns típus
• (Eltér a várt 1111 aránytól)

33
Kapcsoltság

• A szüloi típusok a várt ¼-es aránynál sokkal
  nagyobb arányban vannak jelen.
• Morgan következtetése a két lókusz egy
  kromoszómán helyezkedik el, egymáshoz közel.

34
Morgan kísérlete az F1 generáció kétszeresen
heterozigóta
35
Morgan kísérlete az F1 generációban lezajló
rekombináció
F1 kromoszómái
F1 gamétaképzése átkeresztezodéssel
36
A kromoszómák független megoszlásából származó
genetikai rekombináció
Testcross utódok
37
A molekuláris rekombinációból származó genetikai
rekombináció
Testcross utódok
38
III. A szex evolúciója
39
Mi a közös?
40
Az ivaros folyamat (szex) nem feltétele a
szaporodásnak

• Valójában annak ellentettje!
• Partenogenezis szuznemzés
• Cnemidophorus uniparens (ostoros farkú gyík)
• Pitypang, szeder, palástfu
• araszoló kerekesférgek (Cl. Rotifera, O.
  Bdelloidea)

41
A szex kétszeres ára

• Ha a szuznemzo és az ivaros változat ugyan annyi
  utódot képes létrehozni, akkor a szuznemzok száma
  minden generációban meg fog kétszerezodni.
• Csak akkor igaz, ha a hímek nem járulnak hozzá az
  utódneveléshez.
• nincs utódgondozás
• anizogámia
• A szex kialakulására nincs hatással, mert az elso
  ivaros eukarióták biztos izogámok voltak.

42
Az ivarosság egyéb költségei

• Összeolvadáshoz szükséges partner keresése
• Gaméták eloállítása meiózissal

43
Az ivarosság elonyei a populációk számára

• gyorsabb evolúció és alkalmazkodás a környezethez
• csökkentheti a káros mutációk gyakoriságát
  motor-váltó elmélet, avagy G. B. Shaw és a
  színészno
• véges pop. Muller kilincskereke (az ivartalan
  pop.kban káros mutációk halmozódhatnak fel)
• végtelen pop. ha a káros mutációk
  szinergisztikusan hatnak
• Ezek hosszú távú elonyök, melyek az ivarosság
  fenntartásában játszhatnak szerepet.

44
Gyorsabb evolúció
45
Az ivarosság elonyei az egyedek számára

• tombola modell eros és kiszámíthatatlan
  szelekció esetén
• kétszálú DNS javítás feltétele a diploídia (bár a
  diploídiának nem feltétele az ivarosság)
• az elobb említett elonyök itt is érvényesek a
  populáción belül

46
Az ivarosság elonyei az önzo gének számára

• transzpozonok (ugráló genetikai elemek) terjedése
• baktérium plazmidok elérik a baktériumsejtek
  összekapcsolódását és ilyenkor átjutnak egyik
  sejtbol a másikba

47
Párosodási típusok kialakulása

• hibrid vigor
• organellumok egyszülos öröklodése
• anizogámia kialakulása
• másodlagos nemi jellegek

48
IV. A nem meghatározás módjai
49
A) Genetikai nem meghatározás szex (ivari)
kromoszómás

• XY kromoszómás emlosök
• A hímek csak 1 példánnyal rendelkeznek az X
  kromoszómás génekbol, vagyis hemizigóták.
• Emiatt a recesszív mutációk nagyobb arányban
  mutatkoznak meg a hímekben (mintha haploidok
  lennének).
• WZ kromoszómás madarak, lepkék
• ? WZ (hemizigóta), ? ZZ (igazi diploid)

50
B) Genetikai nem meghatározás autoszómás

• Autoszóma nem ivari kromoszóma (emberben 22 pár
  van)
• Haplodiploid rendszerek hártyásszárnyúak,
  sáskák, levéltetvek, stb.
• ? (2n), ? (n) megtermékenyítetlen petébol
• XA arány muslica, fonálféreg
• ? 22
• ? 12 kétszer annyi autoszóma készlet mint X
• Autoszómás domináns házilégy

51
C) Környezeti nem meghatározás

• Gammarus duebeninél (rák) a napszakok hossza
  alapján a szezon elején foleg hím, késobb inkább
  nostény
• Trachemys scripta teknosnél a homérséklet szerint
• Alligátorok tojás inkubálási homérséklete
  alapján

52
D) Egyéb nem meghatározási módok

• Életkor alapján (nem váltás)
• pl. egyes csigák fiatalon hímek, idosebben
  nostények
• halaknál fordítottra is van példa
• Fertozés által egyes rovarokban Wolbachia bakt.
  ZZ hímeket nosténnyé alakítja

53
E) Nincs nem meghatározás

• Hermafroditák egyszerre ? és ?
• pl. egyes csigák, földigiliszták
• Partenogenetikus fajok nincsenek hímek, csak
  nostények
• pl. egyes gyíkok, halak, rovarok

54
A nem meghatározás evolúciója miért alakul ki
gyakran az XY rendszer?

• Az XY rendszer lényege, hogy az Y kromoszóma
  génekben elszegényedik, emberben csupán kb. 20
  gént tartalmaz, foleg a hím nemi funkciókért, pl.
  spermatogenezisért felelos géneket.

55
A nem meghatározás evolúciója miért alakul ki
gyakran az XY rendszer?

• A kiindulás egy autoszómás hím-meghatározó allél,
  M így Mm ? hím, mm ? nostény.
• Ha ennek a közelében, kapcsoltan megjelenik egy
  olyan F allél, amely csak hímekben elonyös,
  viszont nostényekben káros, az elterjed a
  populációban.

56
A nem meghatározás evolúciója miért alakul ki
gyakran az XY rendszer?

• Az ilyen csak hímekben elonyös allélek felgyulnek
  az M allél közelében és a kromoszóma egyre
  nagyobb részén gátlódik a rekombináció (így ezek
  az allélek nem kerülhetnek nostényekbe).
• A rekombináció nélküli kromoszómát viszont
  sújtják az ivartalan szaporodás hátrányai,
  felgyulnek a káros mutációk.

57
A nem meghatározás evolúciója miért alakul ki
gyakran az XY rendszer?

• Az Y kromoszóma végül elveszti azokat a géneket,
  amelyek az X kromoszómán is megtalálhatóak,
  hiszen az X kromoszóma a nostényekben
  rekombinálódik, nem gyulhetnek fel rajta a káros
  mutációk.
• Az emberi Y kromoszómán csak egy kis rész maradt
  néhány génnel, amely még rekombinálódik az
  X-szel, a többi rész néhány hím funkcióért
  felelos génen kívül üres, vagyis a mutáció
  által erodált funkcióképtelen géneket tartalmaz.

58
V. Az XY rendszer következményei

• A nemhez kötött öröklodés
• Dóziskompenzáció

59
A nemhez kötött öröklodés a fehér szemu muslicák
60
A nemhez kötött öröklodés felfedezése a fehér
szemu muslicák (Morgan, 1910 körül)

• piros szemu ? X fehér szemu ? Elso pillantásra
  mendeli 31 arányokat találunk az F2
  generációban, de furcsa, hogy csak a hímek fehér
  szemuek!
• Az ún. reciprok keresztezés méginkább meghökkento
  eredményt ad mind az F1-ben, mind az F2 -ben 11
  arányt találunk!
• Csak úgy magyarázható, ha feltételezük, hogy a
  fehér szemszínt okozó allél az X kromoszómán
  helyezkedik el.

61
piros szemu ? X fehér szemu ?
62
A reciprok keresztezésfehér szemu ? X piros
szemu ?
63
A nemhez (X-hez) kötött öröklodés az emberben

• A pedigrében a következo jelek utalnak recesszív
  nemhez kötött öröklodésre
• több férfi érintett (beteg) mint no
• az érintett férfi fiai egészségesek, de lányai
  hordozók, így a lányai által szült fiú-unokák
  fele érintett
• az érintett férfi fiainak utódai mind
  egészségesek, mert a fiúk nem is hordozzák a
  beteg allélt.

64
A nemhez (X-hez) kötött öröklodés az emberben

• Példák (mind recesszív betegségek)
• vérzékenység
• vörös-zöld színtévesztés
• tesztikuláris feminizáció érzéketlenség a férfi
  nemi hormonokra, XY kromoszómákkal noies (de
  steril) fenotípus alakul ki.

65
A dóziskompenzáció lehetoségei
Az X kromoszómán lévo "nem nemi" tulajdonságok
kialakulásáért felelos gének esetében zavarokat
okozhatna, ha a noben mindíg két, a férfiban csak
egy gén muködne.

• emlosök a nostényekben random X
  kromoszóma-inaktiváció történik
  (heterokromatinizálódik?Barr test)
• muslica a hímek X kromoszómájáról gyorsabb az
  átírás (up-regulation, hipertranszkripció)
• fonalféreg a nostények X kromoszómájáról lassabb
  az átírás

66
Az X kromoszóma-inaktiváció

• Az emlos nostények egyedfejlodésének korai
  szakaszában véletlenszeruen inaktiválódik minden
  sejtben az egyik X.
• Emiatt az emlos nostények mind genetikai
  mozaikok, de mivel ez a mozaikosság elég
  finom-szemcséju, így nem látszik.
• Pl. heterozigóta (hordozó) nostényekben vannak
  muködöképes sejtek a test egészét ill. a funkció
  egészét nézve, pl. vannak véralvadási faktort
  termelo sejtek, piros és zöld csapok a retinában.

67
Az X kromoszóma-inaktiváció

• Egyes nemhez-kötött betegségek vagy jellegek
  azonban a kültakarón mozaikosan megfigyelheto
  rendellenességekben, foltokban mutatkoznak meg
  (durva-szemcsés).

68
Az X kromoszóma-inaktiváció

• Ilyen a verejtékmirigyek hiánya. Az X kromoszómás
  A gén szükséges a verejtékmirigyek
  megjelenéséhez.
• XAXA egészséges no
• XAY egészséges férfi
• XaY beteg férfi, nincs verejtékmirigye
• XAXa mozaikos no, foltokban nincs verejtékmirigye

69
Az X kromoszóma-inaktiváció
70
Az X kromoszóma-inaktiváció
Az un. calico macskák heterozigóta nostények,
Oo genotípussal. Azokban a foltokban ahol az O
allélt tartalmazó X kromoszóma marad aktív
narancssárga lesz, ahol az o allél aktív ott
fekete. (A fehér foltokat egy másik gén okozza,
ez nem nemhez kötött.)
71
VI. Kvantitatív genetika
72
Mennyiségi jellegek genetikája(kvantitatív
genetika)

• Kvantitatív (mennyiségi) jellegek azok a
  tulajdonságok, amelyek valamilyen méroszámmal
  jellemezhetok.
• Pl. testmagasság, testsúly, tejtermelés, utódok
  száma, magvak olajtartalma, IQ stb.
• Általában normális eloszlást követnek a
  populációban.

73
Mennyiségi jellegek genetikája(kvantitatív
genetika)

• Sok (10-100), egyenként kis hatású mendelezo gén
  befolyásolja a fenotípust.
• Egy-egy allél befolyása általában a környezet
  hatásával összemérhetoen kicsi, ezért a jelleg
  nem digitálisan, hanem folytonosan változik,
  nehéz meghatározni a genotípust a fenotípusból.

74
A pop. fenotípusos eloszlása
gyakoriság
fenotípus
http//falco.elte.hu/kvanti/
75
Mennyiségi jellegek genetikája(kvantitatív
genetika)

• Minél nagyobb a genetikai meghatározottság, annál
  nagyobb az öröklékenység (heritabilitás). A nagy
  heritabilitás azt jelenti, hogy a populáció
  egyedei foleg azért térnek el egymástól, mert
  különbözik a genotípusuk és csak kisebb arányban
  okozza a különbségeket a környezet.
• Az öröklékenység mindig csak egy adott
  populációra jellemzo, más populációban más (és
  tulajdonságonként is változik).
• Minél nagyobb a heritabilitása egy tulajdonságnak
  annál nagyobb elorehaladást lehet elérni a
  mesterséges szelekcióban (pl. tenyésztésben).

76
VII. Evolúciógenetika
77
A mutáció

• A mutáció a DNS valamilyen megváltozása.
• Általában a mutáció során káros allélok
  keletkeznek.
• Ritkán elonyös mutációk bukkannak fel az
  evolúció nyersanyagát jelento változatosság
  forrása.
• A eukariótákban a mutációk többsége (majdnem)
  semleges
• nem-kódoló szakszokat, intronokat érint
• a kodonok 3. nukleotidjának megváltozása gyakran
  nem okoz változást a kódolt fehérjében

78
A mutáció típusai

• Pont-mutációk
• egy bázispár megváltozása
• egy bázispár beékelodése vagy elvesztése ?
  frame-shift (leolvasási keret) mutációk
• Nagyobb DNS szakaszokat érinto változások
• beékelodés (inszerció)
• elvesztése (deléció)
• megfordulása (inverzió)
• megkettozodése (duplikáció) ? fontos az
  evolúcióban, nyersanyag, gén-családok

79
A mutációk gyakorisága

• Báziscsere valószínusége 10-9 / nukleotid / DNS
  másolás.
• RNS vírusoknál ez sokkal nagyobb 10-4 /
  nukleotid / DNS másolás ? HIV változékonysága
• Lókuszonkénti mutációs ráta 10 -5/ lókusz /
  generáció

80
Az evolúció feltételei

• Szaporodás, öröklodés, változékonyság

81
Az genetikai változatosságot befolyásoló tényezok

• A genetikai változatosságot növelik
• mutáció
• rekombináció (allélgyakoriságot nem bef.!)
• migráció
• A genetikai változatosságot csökkentik
• szelekció
• sodródás (véletlen allél-gyakoriság-változások)

82
Az ideális populáció A Hardy-Weinberg egyensúly

• Legyen A allél gyakorisága p, a allél gyakorisága
  q a gaméták között.
• Annak a valószínusége, hogy egy A gaméta egy
  másik A-val találkozik p2, stb. így a zigóták
  között
• AA gyakorisága p2
• Aa gyakorisága 2pq
• aa gyakorisága q2

83
Mikor nem áll fenn a A Hardy-Weinberg egyensúly?

• Ha nem ideális a populáció
• Ha a mutáció megváltoztatta az arányokat
• Ha a migráció megváltoztatta az arányokat
• Ha a szelekció megváltoztatta az arányokat
• Ha a populáció kicsi ? sodródás
• Ha a párosodás nem véletlenszeru (beltenyésztés)
• Ha a szaporodás ivartalan

84
A rekombináció szerepe az evolúcióban

• A genetikai változatosság növelése,
  prokariótákban ritkább a rekombináció, ivaros
  eukariótákban gyakori.
• A rekombináció a 2 vagy több lókuszos
  genotípusokat tekintve növeli a változatosságot,
  ha csak egy lókuszt vizsgálunk, a rekombináció
  nem játszik szerepet (ld. H-W egyensúly).

85
A sodródás szerepe az evolúcióban

• A genetikai sodródás azt jelenti, hogy az
  allél-gyakoriságok változását a véletlen is
  befolyásolja a szelekció mellett.
• Kis populációkban a véletlen nagyobb szerepet kap
  a szelekcióhoz képest.

86
A sodródás szerepe az evolúcióban

• Átlagosan igaz, hogy a legrátermettebbnek van a
  legtöbb utódja, de az utódok száma ingadozik, kis
  populációkban elofordul, hogy a
  legrátermettebbeknek nem lesz egy utódja sem.
• Nagy populációban többen vannak jelen a
  legrátermettebb genotípussal, kicsi az esélye,
  hogy mindegyik utód nélkül pusztul el valamilyen
  szerencsétlen véletlen miatt.