„Jednoduché“ mendelovské fenotypy – srpkovitá anémie Většina „jednoduchých“ mendelovských systémů ve skutečnosti mnohem složitější srpkovitá anémie: zpravidla jako jednonukleotidový znak – substituce v 6. kodonu genu pro b-řetězec hemoglobinu: Glu ® Val Þ alela A ® S (S zpravidla považována za „recesivní“ vůči A) http://huberb.people.cofc.edu/www/Classroom%20Visuals/101%20Visuals/Chapter%202%20Images/sickled%20 red%20blood%20cells.jpg + Fenotypy spojené s alelou S: 1. Pohyblivost v elektrickém poli AA AS SS obě alely jsou kodominantní start 2. Srpkovitost nízký parciální tlak O2 ® alosterická změna – vazba na a-řetězec, tvorba dlouhých řetězců Þ deformace krvinky srpkovitost u SS i AS jedinců Þ z hlediska deformace je S dominantní http://media1.razorplanet.com/share/510611-8783/siteImages/HOPE%20Initiative/sicklecell_11316005374 .jpg http://medicalassessment.net/images/sickle-cell-anemia.jpeg Fenotypy spojené s alelou S: 3. Srpkovitá anémie u jedinců SS řetězce delší Þ větší deformace krvinek Þ fatálnější dopady na organismus: rozpad krvinek (anémie), ucpávání cév atd. pleiotropie, velký rozptyl fenotypových projevů http://img.breakingmuscle.com/sites/default/files/imagecache/full_width/images/bydate/20121106/shut terstock95528164.jpg Fenotypy spojené s alelou S: Výsledek obrázku pro oxycephaly 3. Srpkovitá anémie u jedinců SS řetězce delší Þ větší deformace krvinek Þ fatálnější dopady na organismus: rozpad krvinek (anémie), ucpávání cév atd. pleiotropie, velký rozptyl fenotypových projevů klinický syndrom jen u SS Þ alela S vůči A recesivní 4. Rezistence vůči malárii zimnička tropická (Plasmodium falciparum) komáři Anopheles odstraňování srpkovitých erytrocytů slezinou rozpad defektních buněk z hlediska rezistence alela S dominantní III.2.tif File:Plasmodium falciparum 01.png http://ucce.ucdavis.edu/files/repository/calag/img6102p58b.jpg Fenotypy spojené s alelou S: 4. Viabilita nemalarické prostředí: S recesivní malarické prostředí: SS – silná anémie; AA – malárie; AS – žádná anémie, slabá malárie Þ alela S je superdominantní Alela S může být dominantní, recesivní, kodominantní nebo superdominantní v závislosti na měřeném fenotypu a na prostředí. Dominance/recesivita není vnitřní vlastností alely – ve vztahu genotypu a fenotypu je rozhodující kontext! Fenotypy spojené s alelou S: fenylalanin hydroxyláza: Phe ® Tyr ... několik mutací způsobujících ztrátu funkce kk homozygot: fenylketony v moči bledší pokožka (Tyr ® melanin) mentální retardace potrava bez Phe ® bez retardace po ukončení vývoje mozku PKU nezpůsobí retardaci Þ interakce genotypu kk s prostředím se během ontogeneze mění „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – fenylketonurie (PKU) http://i.ytimg.com/vi/8HG7AXV6YQI/hqdefault.jpg díky dietě můžou mít kk matky děti, ale v krvi velké množství Phe a fenylketonů Þ potomci Kk, za normálních okolností bez retardace, se rodí s mentálním postižením Þ z genotypu nelze predikovat fenotyp Þ nedědí se znak mentální retardace, ale odpověď na prostředí (potrava, maternální prostředí) „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – fenylketonurie (PKU) Přestože kurděje jsou stejně jako PKU způsobeny geneticky, PKU považována za genetickou poruchu, kdežto kurděje za chorobu vyvolanou prostředím ® PROČ? http://dietsinfo.org/wp-content/uploads/2013/05/Scurvy.jpg „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – fenylketonurie (PKU) Protože jsme všichni homozygotní pro neschopnost syntézy vitaminu C a nedostatek vit. C je vzácný, naopak frekvence homozygotů kk je nízká a Phe v potravě prakticky všudypřítomný. Þ Vzácnější komponenta na populační úrovni způsobuje silnější asociace s fenotypem: u kurdějí = prostředí (tj. absence vit. C), u PKU = genotyp (tj. homozygot kk) http://dietsinfo.org/wp-content/uploads/2013/05/Scurvy.jpg Na populační úrovni nesledujeme kauzalitu fenotypů, ale příčiny fenotypové variability. nelze oddělit „nature vs. nurture“ lze oddělit „nature vs. nurture“ „Jednoduché“ mendelovské fenotypy – fenylketonurie (PKU) http://guestblog.scientopia.org/wp-content/uploads/sites/35/2012/07/10-03.gif http://media-3.web.britannica.com/eb-media/96/118096-004-547374A3.jpg http://guestblog.scientopia.org/wp-content/uploads/sites/35/2012/07/10-03.gif W. Bateson T.H. Morgan http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/49/Sexlinked_inheritance_white.jpg http://www.nature.com/scitable/content/ne0000/ne0000/ne0000/ne0000/6738821/EssGen_WhiteandRedEyedFl ies_MID_0.jpg mendelisté http://www.prlog.org/11826906-how-to-easily-increase-height.jpg F. Galton K. Pearson http://img.sparknotes.com/figures/A/a3aa6bb95c7d70781cc0089d17f9160f/direct.gif biometrikové R.A. Fisher vliv prostředí Ronald A. Fisher (1918) R.A. Fisher Ronald A. Fisher (1918) více genů např. 6 lokusů s úplnou dominancí ® 7 fenotypových tříd (0, 1, 2,…, 6 dominantních alel) http://blog.scs.sk.ca/bwapple/image18.png Jsou všechny mendelovské znaky skutečně „kvalitativní“? Centrální limitní věta (central limit theorem) normální rozdělení průměr (m) rozptyl (s2) marble-run.jpg Normal.tif Galtonova deska FENOTYP = GENOTYP + PROSTŘEDÍ sP2 = sG2 + sE2 sG2 = sA2 + sD2 + sE2 = podíl celkové fenotypové variability, kterou lze vysvětlit genotypem aditivní rozptyl dominanční rozptyl pokud více lokusů: sP2 = sA2 + sD2 + sI2 + sE2 epistatický rozptyl + kovariance genotypu s prostředím, případně další kovariance Pozor, „dominance“ a „epistáze“ jsou rezidua, tj. nemají stejný význam jako v mendelovské genetice: sE2 = sP2 - sG2 E = vše, co nelze vysvětlit genotypem sD2 = sG2 - sA2 D = část genetického rozptylu, který nelze vysvětlit aditivním rozptylem sI2 = sG2 - sA2 - sD2 I = část genetického rozptylu, který nelze vysvětlit aditivním ani dominančním rozptylem Heritabilita (dědivost), h2 v širším smyslu: v užším smyslu: V praxi se heritabilita zpravidla uvažuje jen v užším smyslu 9.2.tif selekční diference = intenzita selekce: S = mP - m průměr selektovaných rodičů průměr celé populace selekční odpověď: R = mO - m průměr potomků selektovaných rodičů průměr celé populace odpověď na selekci je dána její silou váženou dědivostí: R = Sh2 Þ heritabilita: h2 = R/S Heritabilitu lze vyjádřit i pomocí selekční diference a selekční odpovědi: protíná osu x v bodě celkového průměru m znaky spojené s fitness (přežívání, počet potomků) fyziologické (např. účinnost metabolismu, procento tuku v mléce, koncentrace sérového cholesterolu) behaviorální (např. rodičovská péče, rozmnožování, fototaxe) morfologické (např. velikost těla, výška, počet štětin) nízké heritability vysoké heritability Důvod? • dlouhodobý selekční tlak vyčerpal aditivní variabilitu u znaků spojených s fitness, ale ne u morfologických znaků • relativní rozsah VA, VD a VI je různý; ve skutečnosti nižší heritabilita znaků spojených s fitness způsobena vyšší úrovní VD, VI a VE, ne nižším stupněm VA Pozor, heritabilita v jedné populaci může být odlišná od heritability v jiné populaci téhož druhu! Různé populace ® může být odlišný fenotyp jiné alely? jiné frekvence alel? jiná prostředí? jiný vztah genotyp-fenotyp? nebo jejich vzájemné kombinace? Fisherovská kvantitativní genetika založena na odchylkách od průměru Þ Protože heritabilita je vnitropopulační veličina, nemůže vysvětlit biologické příčiny fenotypových rozdílů mezi populacemi! ´ Přesto často tvrzení, že když je znak dědivý v populacích s odlišnými průměry, je tento rozdíl dán (také) geneticky Rozdíly v inteligenčním kvocientu (IQ): Znamenají vysoké hodnoty dědivosti IQ, že mezipopulační rozdíly jsou způsobeny genetickými rozdíly? Skodak & Skeels (1949): porovnání IQ adoptovaných dětí s jejich adoptivními i biologickými matkami vysoká korelace mezi IQ dětí a jejich biologických matek r = 0,44 Þ h2 = 0,88 Þ ve skupině adoptovaných dětí je hlavním determinantem genetická složka Je IQ určeno geneticky i na individuální úrovni? Žádné vlivy prostředí? http://i2.ytimg.com/vi/q6O8AcX9WQI/mqdefault.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/Atr-x.jpg globální průměr IQ = 100 průměr IQ biologických matek adoptivních dětí = 86 Þ intenzita selekce S = 86 – 100 = -14 při heritabilitě 0,88 je selekční odpověď R = -14 ´ 0,88 = -12,32 Þ očekávané průměrné IQ adoptivních dětí by mělo být 100 + R = 87,68 ´ ve skutečnosti prům. IQ dětí = 107, tj. skoro o 20 bodů víc » prům. IQ jejich adoptivních matek globální průměr IQ = 100 průměr IQ biologických matek adoptivních dětí = 86 Þ intenzita selekce S = 86 – 100 = -14 při heritabilitě 0,88 je selekční odpověď R = -14 ´ 0,88 = -12,32 Þ očekávané průměrné IQ adoptivních dětí by mělo být 100 + R = 87,68 ´ ve skutečnosti prům. IQ dětí = 107, tj. skoro o 20 bodů víc » prům. IQ jejich adoptivních matek Proč? biologické matky ze spodních socioekonomických příček ´ adoptivní matky z horních příček Þ prostředí adoptivních rodičů mělo signifikantní dopad na vzrůst průměrného IQ adoptivních dětí Závěr: • IQ má vysokou dědivost a fenotypová variabilita u adoptovaných dětí je způsobena především genetickou variabilitou • IQ těchto dětí je silně ovlivněno prostředím Jak to jde dohromady? korelační koeficient měří párová srovnání ve vztahu k příslušnému populačnímu průměru Þ matky s IQ pod průměrem 86 budou pravděpodobněji mít děti s IQ pod dětským průměrem 107 a naopak prvním krokem výpočtu korelačního koeficientu je odečtení průměrů (86, 107) Þ heritabilita je ovlivněna pouze odchylkami od průměru, ne průměrem samotným Odlišná reakce genotypů na prostředí: Clausen et al. (1948): řebříček (Achillea) Aspen Valley: 1950 m n.m. ® nařízkování a přesazení do různých nadmořských výšek 3050 m 1400 m 30 m 7 různých genotypů VG: ve stejném prostředí různé fenotypy VE: průměrný fenotyp různý v odlišných prostředích VG´E: genotypy na různá prostředí reagovaly odlišným způsobem Fenotypová odpověď genotypu na faktory prostředí = norma reakce Fenotypová variabilita řebříčku v různých prostředích měla 3 příčiny – kombinace fenotypových rozdílů mezi genotypy fenotypových rozdílů mezi prostředími rozdílů ve fenotypové změně genotypů pro odlišná prostředí Selekce působící na kvantitativní znaky: usměrňující stabilizující disruptivní Lokusy kvantitativních znaků = QTL (quantitative trait loci) asociace znaku s variantami molekulárních markerů (LD) markery by neměly být součástí QTL a měly by být selekčně neutrální nutná velká hustota markerů (< 5 cM) problémy: mnoho genů s malým účinkem, epistáze někdy slabá korelace genetické a fyzické vzdálenosti (hlavně při podrobnějším mapování) Linkage_2.jpg vazba mezi nejvzdálenějšími markery! absence vazby mezi nejbližšími markery! problémy: oblasti s častými mutacemi (většinou se předpokládá infinite-alleles model, stejná mutační rychlost v různých částech sekvence a stejná pravděpodobnost pro různé typy substitucí) Þ výhodné vybírat populace, které prošly bottleneckem nebo efektem zakladatele rozhodující míra fenotypového dopadu QTL (major loci, minor loci) a míra rekombinace mezi markerem a QTL Lokusy kvantitativních znaků = QTL (quantitative trait loci) Mapování QTL pomocí jednotlivých markerů F2 design (recombinant inbred line design): 2 inbrední linie s odlišným fenotypem i markery všichni jedinci heterozygotní pro QTL i markery rekombinace LOD skóre*) = log10 [L(H1)/L(H0)] … L = věrohodnost (likelihood) H0 = hypotéza, že v oblasti rX není QTL, H1 = QTL přítomen korekce pro vícečetné testy Mapování QTL pomocí mnoha markerů Intervalové mapování (flanking-marker QTL analysis): *) logarithm of the odds Storchová et al., Mammalian Genome (2004): a = 0,63 a = 0,05 a = 0,001 konfidenční intervaly chromozom X QTL, nebo QTR (quantitative trait regions)? kandidátní geny (bohužel jen geny, které jsou známy) problémy: pleiotropie a epistáze např. lokus ApoE (apolipoprotein E): hladina sérového cholesterolu, sérového b-lipoproteinu a sérových glyceridů; onemocnění srdečních cév (CAD), Alzheimer, onemocnění periferních cév, vývoj neuronových synapsí, náchylnost k roztroušené skleróze, optická neuropatie chronického glaukomu (zeleného zákalu), kognitivní funkce, riziko demence a periferní neuropatie po infekci HIV-1, věk propuknutí Huntingtonovy choroby, makulární degenerace, věk propuknutí schizofrenie, riziko poruchy z důvodu fetální jódové deficience, riziko a věk propuknutí Parkinsonovy choroby, sklon ke snížení kognitivních schopností po úrazu hlavy, odpověď na specifické typy virových nákaz a rezistence vůči malárii, reakce na léky, obezita atd.