Általános Genetika
Egygénes öröklődés Mendel első törvénye
a genetika születése
(1865, 1900)
Hogyan igazolható, hogy egy mutáns jelleg oka egyetlen gén megváltozása?
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...) pl. vad típusú növény – patogén szenzitív
ritka (mutáns) változat – patogén rezisztens
Ezt a szabályszerűséget 150 éve tudjuk
2
A fejlődésre vonatkozó információkat a szülőktől az utódokba diszkrét faktorok közvetítik (vs pángenezis...)
A genetika születését Johann Gregor Mendel munkásságához kötjük
nincs még egy tudományterület, melynek kezdeteinél ennyire sziklaszilárdan egyetlen személy állna
1865 – „Kísérletek növényhibridekkel”
Ágoston-rendi papi személy, természettudományokat tanult
Lényegében a kromoszómák átörökítését modellezte a rajtuk található marker gének segítségével
Ivarosan szaporodó fajokra általános érvényű megállapításokat tett
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...)
Johann Gregor Mendel apáti díszben
(1822-1884)
Mendel Múzeum, Brünn
4
Pisum sativum
A borsó hímnős virága
Zárt virág, önbeporzó, de keresztezni is lehet Rövid generációs idő, sok utód
Némely jelleg öröklődése még abban az évben kiértékelhető Sok változata elérhető
Tiszta vonalak (a jelleget sok generáción keresztül örökíti)
Egy tulajdonságpár vizsgálata – MONOHIBRID keresztezések
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)
6
Hibrid: tiszta vonalak keresztezésével létrejövő utód
nem átfedő reakciónormájú tulajdonságok (egyértelműen elkülöníthető alternatív jellegek)
Az F1 nemzedék csak az egyik szülő tulajdonságait mutatta
(UNIFORMITÁS szabálya) (a keresztezés irányától függetlenül ugyanez az eredmény) Szülői vagy parental (P) nemzedék
Első utód vagy filial (F1)
nemzedék (monohibrid)
Nem keverednek a szülői jellegek!
Lila virágú borsó keresztezése fehér virágúval
Reciprok keresztezések
Az F1 nemzedéket önbeporzással beltenyésztette
Az F2 növények között fehér virágúakat is talált
Az F1 növények tehát hordozzák a képességet, hogy fehér virágú növényeket hozzanak létre
8
MEGSZÁMOLTA!
F2 nemzedékben 929 borsó növényt kapott, melyből 705 lila és 224 fehér virágú volt
Az F1 nemzedéket önbeporzással beltenyésztette
Ez közel 3 : 1 - es arány
Szülői
fenotípusok F1 F2 F2
fenotípusarány
sárga x zöld szem mind sárga 6022 sárga; 2001
zöld 3,01 : 1
sima x ráncos szem mind sima 5474 sima; 1850
ráncos 2,96 : 1
zöld x sárga hüvely mind zöld 428 zöld; 152 sárga 2,82 : 1 felfújt x becsípett
hüvely
mind felfújt 882 felfújt; 299
becsípett 2,95 : 1
lila x fehér sziromlevél
mind lila 705 lila; 224 fehér 3,15 : 1 magas x alacsony
szár
mind magas 787 magas; 277
alacsony 2,84 : 1
axiális x terminális virágos hajtás
mind axiális 651 axiális; 207
terminális 3,14 : 1
Megismételte a keresztezéseket a többi tulajdonságra is
Mindig 3 : 1 arányt kapott az F2-ben
DOMINÁNS és RECESSZÍV tulajdonságok
10P sárga x zöld F1 mind sárga
F2 519 sárga (3/4) 175 zöld (1/4)
Hogyan magyarázható a 3 : 1 arány?
P sárga x zöld F1 mind sárga
F2 519 sárga (3/4) 175 zöld (1/4)
F3 166 : 353 : 175
mind sárga, sárga+zöld, mind zöld
F2 arány: 1/4 : 2/4 : 1/4
Hogyan magyarázható a 3 : 1 arány?
> megvizsgálta az F2 utódok önmegtermékenyítéséből származó F3 utódokat is:
12
Az F3 nemzedék vizsgálata tisztázta, hogy az F2 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
Valójában az 1 : 2 : 1 arányt kell megmagyarázni!
Az összes többi vizsgált tulajdonságpár 3:1 aránya is 1:2:1-nek bizonyult
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?
½
½
Első húzás
½
½
½
½
Második húzás
Kapott
pár Valószínűség:
½
x½ = ¼
½
x½ = ¼
½
x½ = ¼
½
x½ = 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
Kapott
pár Valószínűség:
½
x½ = ¼
½
x½ = ¼
½
x½ = ¼
½
x½ = ¼
2/4
1/4 tiszta vonalú sárga
3/4 sárga
2/4 „nem-tiszta”
sárga
1/4 zöld 1/4 tiszta vonalú zöld
A borsó kísérlet a véletlenszerű párképzés szabályát követte
A tulajdonságokat párokba rendeződő „részecskék” határozzák meg
Diszkrét öröklődési egységek!
156. 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.
Mendel öröklődésre vonatkozó modellje – mai terminológiával – az alábbi megállapításokat foglalja magába:
16
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 / jel 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
7. Az ivarsejtek tehát minden génből csak egy allélt tartalmaznak
8. Megtermékenyítéskor a gaméták random fúzionálnak, függetlenül attól, mely allélokat hordozzák
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
Y / Y Y / y y / y
Y/Y x y/y
Y y
P
ivarsejtek F1
csakis csakis
Y/y
hímivarsejtek
1
Y
2 12
y
petesejtek
1 2 1
2
Y
y
F2 arány:
1 Y/Y : 2 Y/y : 1 y/y1
4 1
4
1 4
Y/Y Y/y
Y/y
1
4
y/y
18
A monohibrid keresztezésből származó számarány kétféleképpen is felírható:
¼ Y/Y
2/
4Y/y ¼ y/y
¾ Y/- ¼ y/y
1.
2.
Az elmélet ellenőrzése tesztelő keresztezéssel (test cross)
Ha a modell helytálló, akkor
a sárga F1 borsószemekből nevelt növényeket zöld magból nevelt növényekkel keresztezve 1 : 1 arányban kell utódként sárga és zöld borsószemeket kapni
Az 1:1 arány Mendel kísérletében beigazolódott
Mendel modellje helytállónak bizonyult, mert tökéletesen alátámasztotta és előrejelezte a kísérletes eredményeket
sárga zöld
becsült utódarány:
Y/y y/y
1 Y
2 1 y
2
mind y
1 2 Y/y
1 2 y/y
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?
22
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
(PsSGR) 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).
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
24
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.
pl. Arabidopsis:
ABC – gén, vad típusú allél
ABC1, ABC2, ABC3 – különböző gének vad típusú alléljai abc – mutáns allél
abc1-1, abc1-2… – ABC1 gén recesszív (a vadhoz képest) mutáns alléljai abc1-3D - ABC1 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/nomenclature3.html
C. elegans http://www.wormbase.org/about/userguide/nomenclature#68b3dgf074ea21hc59ji--10
A génekre, allélokra, fehérjékre vonatkozó jelölések az egyes
szervezetekben eltérőek
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?
