ltalnos Genetika Egygnes rklds Mendel els trvnye a

Általános Genetika Egygénes öröklődés Mendel első törvénye a genetika születése (1865, 1900) 1

Hogyan igazolható, hogy egy mutáns jelleg oka egyetlen gén megváltozása? pl. vad típusú növény – patogén szenzitív ritka (mutáns) változat – patogén rezisztens 1. Vad és mutáns tiszta vonalak keresztezése 2. Az első keresztezés utódait egymás között keresztezni 3. A második keresztezés utódainak fenotípusos megoszlását vizsgálni 3: 1 fenotípusos aránynál örülünk, mert igazolja a patogénrezisztencia egygénes öröklődését (A gént már „csak” jellemezni kell. . . ) Ezt a szabályszerűséget 150 éve tudjuk 2

A genetika születését Johann Gregor Mendel munkásságához kötjük nincs még egy tudományterület, melynek kezdeteinél ennyire sziklaszilárdan egyetlen személy állna Ágoston-rendi papi személy, természettudományokat tanult Modellnövénye a veteményborsó A klasszikus genetikai kísérletek prototípusa. Miért? (jól kézbentartott kísérletek: mivel, hogyan; sok utód, statisztika, ismétel) Absztrakt öröklődési faktorokban gondolkodhatott csupán (szinte semmit sem tudtak akkoriban a tulajdonságok átörökítéséről. . . ) 1865 – „Kísérletek növényhibridekkel” Ivarosan szaporodó fajokra általános érvényű megállapításokat tett Johann Gregor Mendel apáti díszben (1822 -1884) A fejlődésre vonatkozó információkat a szülőktől az utódokba diszkrét faktorok közvetítik (vs pángenezis. . . ) Lényegében a kromoszómák átörökítését modellezte a rajtuk található marker gének segítségével 3

Mendel Múzeum, Brünn 4

A borsó hímnős virága Pisum sativum Zárt virág, önbeporzó, de keresztezni is lehet Rövid generációs idő, sok utód Sok változata elérhető Némely jelleg öröklődése még abban az évben kiértékelhető 5

Egy tulajdonságpár vizsgálata – MONOHIBRID keresztezések Tiszta vonalak (a jelleget sok generáción keresztül örökíti) Hibrid: tiszta vonalak keresztezésével létrejövő utód borsószem színe (sárga vagy zöld) borsószem alakja (sima vagy ráncos) hüvely színe (sárga vagy zöld) hüvely alakja (felfújt vagy becsípett) virág színe (lila vagy fehér) növény magassága (magas vagy alacsony) virágos hajtás elhelyezkedése (axiális vagy terminális) nem átfedő reakciónormájú tulajdonságok (egyértelműen elkülöníthető alternatív jellegek) 6

Lila virágú borsó keresztezése fehér virágúval Szülői vagy parental (P) nemzedék Reciprok keresztezések Első utód vagy filial (F 1) nemzedék (monohibrid) Az F 1 nemzedék csak az egyik szülő tulajdonságait mutatta (UNIFORMITÁS szabálya) (a keresztezés irányától függetlenül ugyanez az eredmény) Nem keverednek a szülői jellegek! 7

Az F 1 nemzedéket önbeporzással beltenyésztette Az F 2 növények között fehér virágúakat is talált Az F 1 növények tehát hordozzák a képességet, hogy fehér virágú növényeket hozzanak létre 8

Az F 1 nemzedéket önbeporzással beltenyésztette MEGSZÁMOLTA! F 2 nemzedékben 929 borsó növényt kapott, melyből 705 lila és 224 fehér virágú volt Ez közel 3 : 1 - es arány 9

Megismételte a keresztezéseket a többi tulajdonságra is Mindig 3 : 1 arányt kapott az F 2 -ben Szülői fenotípusok F 1 F 2 sárga x zöld szem mind sárga sima x ráncos szem mind sima zöld x sárga hüvely mind zöld 6022 sárga; 2001 3, 01 : 1 zöld 5474 sima; 1850 2, 96 : 1 ráncos 428 zöld; 152 sárga 2, 82 : 1 felfújt x becsípett hüvely lila x fehér sziromlevél magas x alacsony szár axiális x terminális virágos hajtás mind felfújt 882 felfújt; 299 becsípett 2, 95 : 1 mind lila 705 lila; 224 fehér 3, 15 : 1 mind magas 787 magas; 277 alacsony 2, 84 : 1 mind axiális 651 axiális; 207 terminális 3, 14 : 1 DOMINÁNS és RECESSZÍV tulajdonságok F 2 fenotípusarány 10

Hogyan magyarázható a 3 : 1 arány? P F 1 F 2 sárga x zöld mind sárga 519 sárga (3/4) 175 zöld (1/4) 11

Hogyan magyarázható a 3 : 1 arány? > megvizsgálta az F 2 utódok önmegtermékenyítéséből származó F 3 utódokat is: P F 1 F 2 sárga x zöld mind sárga 519 sárga (3/4) F 3 166 : 175 zöld (1/4) 353 : 175 mind sárga, sárga+zöld, mind zöld F 2 arány: 1/4 : 2/4 : 1/4 12

Valójában az 1 : 2 : 1 arányt kell megmagyarázni! Az F 3 nemzedék vizsgálata tisztázta, hogy az F 2 nemzedék 3 : 1 aránya valójában 1 : 2 : 1 1/4 tiszta vonalú sárga 3/4 sárga 2/4 „nem-tiszta” sárga 1/4 zöld 1/4 tiszta vonalú zöld Az összes többi vizsgált tulajdonságpár 3: 1 aránya is 1: 2: 1 -nek bizonyult 13

Az 1 : 2 : 1 arány egy jól ismert valószínűségszámítási feladat megoldása Hányféle pár képezhető, és milyen arányban véletlenszerű párosítással egy olyan csoportból, amely kétféle bármiből áll, fele-fele arányban? Első húzás ½ ½ Második húzás Kapott pár Valószínűség: ½ ½x½=¼ 2/4 Egymástól független események együttes előfordulásának valószínűsége egyenlő a külön-külön bekövetkezésük valószínűségének szorzatával. > Ha két esemény együttes bekövetkeztének valószínűsége egyenlő a külön-külön bekövetkezésük valószínűségének szorzatával, akkor a két esemény független egymástól. 14

A borsó kísérlet a véletlenszerű párképzés szabályát követte Kapott pár 1/4 tiszta vonalú sárga Valószínűség: ½x½=¼ 3/4 sárga 2/4 „nem-tiszta” sárga 1/4 zöld 1/4 tiszta vonalú zöld ½x½=¼ 2/4 ½x½=¼ A tulajdonságokat párokba rendeződő „részecskék” határozzák meg Diszkrét öröklődési egységek! Formbildung elementen 15

Mendel öröklődésre vonatkozó modellje – mai terminológiával – az alábbi megállapításokat foglalja magába: 1. Egy diszkrét, „részecsketermészetű” öröklődési faktor, azaz gén szükséges egy tulajdonság kialakításához (mert a tulajdonságok nem keverednek >. . ) 2. Minden egyed ennek a génnek két példányát tartalmazza, azaz minden gén párban van jelen az egyedekben 3. Egy gén két formáját (változatát) az adott gén alléljainak nevezzük Pl. a magszín génjének egyik allélját Y-nal jelöljük (a yellow=sárga angol kifejezés kezdőbetűjéből), ez az allél áll a sárga magszín hátterében, a másik allélt pedig y-nal jelöljük, ez felelős a zöld magszín kialakításáért 4. Egy növény bármely kombinációban hordozhatja egy gén két allélját, azaz lehet: Y/Y, y/y, Y/y (a / jelöli, hogy az általa elválasztott allélok egy génpár tagjai) 5. A Y/y növények fenotípusa meghatározza azt, hogy a sárga a domináns fenotípus, a Y a domináns allél, és y a recesszív allél 6. A génpár tagjai ivarsejtképzéskor szétválva jutnak a gamétákba: a gaméták egyik fele a génpár egyik, másik fele a génpár másik tagját hordozza. Ez Mendel első törvénye, melyet az egyenlő szegregáció törvényeként is ismerünk. 7. Az ivarsejtek tehát minden génből csak egy allélt tartalmaznak 8. Megtermékenyítéskor a gaméták random fúzionálnak, függetlenül attól, mely allélokat hordozzák 16

További fontos fogalmak: Zigóta: a hím és a női ivarsejt összeolvadásából keletkező sejt, amelyből a többsejtű egyed kifejlődik. Homozigóta az adott gén ugyanazon két allélját tartalmazó egyed. Heterozigóta egy gén két különböző allélját hordozó egyed monohibrid, dihibrid…. . homozigóta domináns (pl. Y/Y) heterozigóta (pl. Y/y) homozigóta recesszív (pl. y/y). A fenotípus alapjául szolgáló allélkombinációt genotípusnak nevezzük (tehát Y/Y, Y/y, y/y genotípusok). egyed genotípusa: ivarsejtek genotípusa: Y/Y Y y/y Y Y y y y 17

P x Y/Y ivarsejtek Y y/y y csakis F 1 csakis Y/y hímivarsejtek petesejtek F 2 arány: 1 2 1 2 Y Y 1 4 Y/Y y 1 4 Y/y 1 4 y Y/y y/y 1 Y/Y : 2 Y/y : 1 y/y 18

A monohibrid keresztezésből származó számarány kétféleképpen is felírható: 1. 2. ¼ Y/Y 2/ ¾ Y/- 4 Y/y ¼ y/y 19

Az elmélet ellenőrzése tesztelő keresztezéssel (test cross) Ha a modell helytálló, akkor a sárga F 1 borsószemekből nevelt növényeket zöld magból nevelt növényekkel keresztezve 1 : 1 arányban kell utódként sárga és zöld borsószemeket kapni sárga zöld y/y Y/y mind y 1 y 2 1 Y 2 1 y/y 2 1 Y/y 2 becsült utódarány: Az 1: 1 arány Mendel kísérletében beigazolódott Mendel modellje helytállónak bizonyult, mert tökéletesen alátámasztotta és előrejelezte a kísérletes eredményeket 20

Mendel nem a borsó bizonyos tulajdonságainak genetikai hátterére volt elsősorban kíváncsi, mégis azonosított egy olyan gént, amely a borsószem színéért felel (ez a Y gén), valamint a többi jelleg tekintetében további géneket is. Hogyan határozhatja meg egyetlen gén a borsószem színét, valamint a többi, Mendel által vizsgált sajátságot? 21

141 évvel Mendel kísérletei után: az öregedés során a klorofill enzimatikusan lebomlik. Rizs és Arabidopsis genomban, végül a borsóban is azonosították a folyamat egyik génjét (SGR) A „stay-green” mutáció a klorofill degradációt szabályozó pozitív regulátor fehérje génjét (Ps. SGR) rontja el. Ha a regulátorgén legalább egy működőképes kópiája jelen van (a vad allél), akkor a klorofill lebomlik és a borsó színe sárga lesz (a vad allél domináns). 22

A ráncos borsóban nem működik a keményítő elágaztató enzim (starch-branching enzyme, SBE). nincs amilóz > amilopektin átalakulás Magasabb szacharóz tartalom miatt több vizet vesz fel, mely éréskor vízvesztés miatt ráncosodást okoz 23

Mendel munkásságával megelőzte a korát, eredményeit korának tudóstársadalma nem értette. Az általa leírt szabályszerűségeket 1900 -ban egymástól függetlenül újra publikálta három kutató, Carl Correns, Hugo de Vries és Erich von Tschermak. A tudománytörténet ezeket a munkákat Mendel törvényeinek újrafelfedezéseként tartja számon. Rövid időn belül számos élőlényen tesztelték, és találták érvényesnek Mendel öröklődésre vonatkozó törvényeit. Az egyenlő szegregáció törvénye a kromoszómák meiózisban mutatott szegregációjából fakad. A következőkben ezért áttekintjük az egygénes öröklődés kromoszómális alapjait. 24

A génekre, allélokra, fehérjékre vonatkozó jelölések az egyes szervezetekben eltérőek pl. Arabidopsis: ABC – gén, vad típusú allél ABC 1, ABC 2, ABC 3 – különböző gének vad típusú alléljai abc – mutáns allél abc 1 -1, abc 1 -2… – ABC 1 gén recesszív (a vadhoz képest) mutáns alléljai abc 1 -3 D - ABC 1 gén domináns (a vadhoz képest) mutáns allélja ABC – fehérje Humán http: //www. genenames. org/guidelines. html Egér http: //www. informatics. jax. org/mgihome/nomen/gene. shtml Élesztő http: //www. yeastgenome. org/help/community/nomenclature-conventions Drosphila http: //flybase. org/static_pages/docs/nomenclature 3. html C. elegans http: //www. wormbase. org/about/userguide/nomenclature#68 b 3 dgf 074 ea 21 hc 59 ji--10 25

26

Feladatok az egygénes öröklődésre… 1. Fekete x barna egér a) utódok: mind fekete b) utódok: ½ fekete, ½ barna Miért? Mi a szülők és az utódok genotípusa az egyes esetekben? 2. Drosophila: wt – szürke, black recesszív mutáció – fekete testszín Milyen fenotípusarányt jósolhatunk, ha egy fekete nőstényt olyan szürke hímmel keresztezünk, amelynek az apja fekete volt? 3. Az egyik legszebb ló a Palomino: aranysárga szőrű, a lábak végén kissé világosabb, a sörény és a farok hófehér. Eddig azonban még senkinek sem sikerült tisztán tenyészteni. Palomino lovak keresztezéséből az alábbi utódok születtek: 45 Palomino, 21 Sorrel (gesztenyebarna), 17 albíno. a) Miért nem tenyészthető tisztán a Palomino? b) Milyen a Palomino, Sorrel és albíno egyedek genotípusa? c) Milyen utódok várhatók és milyen arányban a következő keresztezésekből (geno- és fenotípusokkal): Palomino x albíno; Palomino x Sorrel; albíno x Sorrel? 27

A Hardy-Weinberg egyensúly (matematikai modell) Adott (ideális) populációban nemzedékről-nemzedékre a relatív allélgyakoriság állandó Feltételei: 1. A populációt nagy számú egyed alkotja (végtelen) 2. Az egyedek diploidok és ivarosan szaporodnak 3. Nincs mutáció 4. A populáció zárt (nincs migráció) 5. Véletlenszerű párválasztás (pánmixis) 6. Az egyes egyedek túlélési és továbbszaporodási esélye ugyanakkora (nincs természetes szelekció, csak véletlen pusztulás)

Az ivarsejek allélgyakorisága megadja a következő generáció allélkombinációinak az esélyét p+q=1 (p+q)2=1

Allélkombinációk valószínűsége Hardy-Weinberg szerint

Ahol a Hardy-Weinberg nem érvényes: Kis populációk Genetikai sodródás

Folyamatos genetikai sodródás Mintavételi hiba: Az allélkombinációk sztochasztikus változása végül tiszta vonalakat eredményez

„Palacknyak-hatás”

Genetikai sodródás: Az alapító hatás A fajkeletkezés fontos eszközei

Genetikai sodródás hatásai - Korábban polimorf gének fixálódása (allélvesztés) A diverzitás csökkenése Homozigóták arányának növekedése Ritka (néha „hátrányos”) allélek felszaporodása Populációk közötti genetikai távolság növekedése