Biologie a genetika
pro bakaláře

Genetika - kompletní přehled (teorie)

Mendelismus, monohybridismus

GEN je úsek DNA nesoucí dědičnou informaci pro tvorbu proteinů (gen strukturní) nebo tvorbu tRNA a rRNA.

ALELA je konkrétní forma genu.

LOKUS je místo na chromozomu, kde je lokalizován určitý gen. Místa uložení genů v buňce jsou genofory (jaderné chromozomy, mitochondriální a chloroplastové chromozomy, plazmidy).

GENOM je soubor veškeré DNA v jádře (příp. v mitochondriích – mitochondriální genom a v chloroplastech – chloroplastový genom).

GENOTYP je soubor všech alel (forem genů) organizmu.

FENOTYP je soubor všech pozorovatelných vlastností (znaků) organizmu.

HOMOZYGOT je organizmus, jehož obě alely zkoumaného genu jsou stejné. Může být dominantní (dvě dominantní alely) nebo recesivní (dvě recesivní alely).

HETEROZYGOT je organizmus, jehož obě alely zkoumaného genu jsou navzájem různé.

P GENERACE (parentální) je rodičovská generace s odlišnými homozygotními genotypy (dominantní a recesivní).

F₁ GENERACE (první filiální) je první generace potomků, vzniká křížením (hybridizací) dvou jedinců z P generace za vzniku heterozygotů.

F₂ GENERACE (druhá filiální) je druhá generace potomků, vzniká křížením dvou jedinců z F₁ generace.

B₁ GENERACE je první generace zpětného křížení (back crossing), křížení homozygotního rodiče a heterozygota.

ÚPLNÁ DOMINANCE platí, jestliže dominantní alela přítomná v homozygotní nebo heterozygotní sestavě má stejný fenotypový projev.

NEÚPLNÁ DOMINANCE (semidominance) má rozdílný projev dominantní alely v homozygotní a heterozygotní sestavě.

MONOHYBRIDISMUS je sledování dědičnosti jednoho kvalitativního znaku.

MENDELOVA PRAVIDLA (ZÁKONY)

1. uniformita hybridů F1 generace (heterozygoti)
2. identita reciprokých křížení
3. čistota vloh a jejich štěpení (princip segregace vloh)
4. vzájemná volná kombinovatelnost vloh

Platí za podmínek, že se jedná o monogenní dědičnost (1 znak je kódován 1 genem), autozomální dědičnost (geny leží na autozomech) a každý gen je na jiném chromozomu.

CHÍ KVADRÁT TEST (χ² test) je statistická metoda, která se používá pro stanovení významnosti nalezené odchylky mezi skutečně získanými (empirickými) a očekávanými (teoretickými) údaji pro podíly z celku. V genetice se používá pro ověřování štěpných poměrů.

χ2(N)	= ∑	(xi - ei)2
		ei

xi ... získaná (empirická) hodnota ei ... očekávaná (teoretická) hodnota N ... počet stupňů volnosti (počet tříd štěpných poměrů zmenšený o jednu třídu)

Vypočtenou hodnotu porovnáme s tabulkovou hodnotou pro N stupňů volnosti na hladině významnosti α = 0,05 (tabulková hodnota). Jestliže je vypočtená hodnota χ² menší než tabulková, pak rozdíl mezi získanými a očekávanými údaji není statisticky významný a můžeme říci, že se sledovaný znak vyštěpil v očekávaném poměru.

ÚKOLY - Mendelismus, monohybridismus (viz úkoly)

---

Dihybridismus, polyhybridismus a rozvětvovací metoda

DIHYBRIDISMUS sleduje dědičnost dvou kvalitativních znaků.

Vzorový příklad 1: U slepic jsou opeřené nohy F dominantní nad holými f a hráškovitý tvar hřebínku P dominantní nad jednoduchým p. Dva kohouti A a B byli pářeni se dvěma slepicemi C a D. Všichni čtyři jedinci měli opeřené nohy a hráškovité hřebínky. Kohout A dal s oběma slepicemi všechno potomstvo opeřené s hráškovitým hřebínkem. Kohout B se slepicí C dal potomstvo opeřené i neopeřené, avšak pouze s hráškovitým hřebínkem; se slepicí D však dal všechny potomky opeřené, avšak část s hráškovitým a část s jednoduchým hřebínkem. Jaké byly genotypy obou kohoutů a slepic?

Postup: Máme odvodit genotypy rodičů z jejich fenotypů a fenotypů jejich potomků. Základem postupu je zapsat si genotypy/alely, které víme jistě, a postupně odvozovat a doplňovat doposud nejisté alely. Přitom s jistotou víme, že jedinec s recesivním fenotypem musí být recesivní homozygot, jedinec s dominantním fenotypem může být buď dominantní homozygot, nebo heterozygot. Možný postup je potom např. následující:

1. Všichni čtyři jedinci – A, B, C i D – vykazovali v obou sledovaných znacích dominantní fenotyp, v obou příslušných genech tedy museli nést přinejmenším jednu dominantní alelu, což můžeme zapsat jako F-P-. Musíme tedy vždy zjistit, jaká je ta druhá alela.
2. Z křížení B x D bylo získáno pouze potomstvo s jednoduchým hřebínkem, což je recesivní fenotyp a příslušní potomci tedy musí být recesivní homozygoti. Aby se to mohlo stát, oba rodiče museli být schopni recesivní alelu p poskytnout – a tedy museli být heterozygoti. O jedincích B a D tedy víme, že jsou genotypu F-Pp.
3. Z křížení B x C bylo získáno pouze potomstvo s hráškovitým hřebínkem (dominantní fenotyp). Víme, že kohout B je v příslušném genu heterozygot. Aby se v potomstvu heterozygota vyskytoval pouze dominantní fenotyp, musí tento heterozygot být křížen s dominantním homozygotem. Slepice C tedy je genotypu F-PP.
4. Kohout A dal s oběma slepicemi potomstvo s dominantním projevem v obou sledovaných znacích; slepice D je ale přitom v genu P heterozygot. Je-li v jejich potomstvu pouze dominantní fenotyp, musí být kohout A v genu P dominantní homozygot, tj. F-PP. Nyní už známe genotypy všech čtyř jedinců, co se týče genu P.
5. Z křížení B x C – tedy dvou opeřených jedinců – vzniká obojí potomstvo, tj. i neopeření (recesivní fenotyp, recesivní homozygoti). Aby dva jedinci s dominantním fenotypem měli potomstvo recesivního fenotypu, musí být (analogicky k bodu 2) oba heterozygoti. Genotyp kohouta B je tedy FfPp, genotyp slepice C je tedy FfPP.
6. Z křížení B x D – tedy opeřeného heterozygota s opeřenou slepicí, vzešlo pouze opeřené potomstvo. Analogicky k bodům 3 a 4 tedy musí slepice D být dominantní homozygot a její genotyp je tedy FFPp.
7. Z křížení A x C – tedy opeřeného kohouta s opeřenou heterozygotkou – také vzešlo pouze opeřené potomstvo. Analogicky k bodu 6 tedy musí být kohout A dominantní homozygot a jeho genotyp je tedy FFPP.

POLYHYBRIDISMUS sleduje dědičnost více než dvou kvalitativních znaků.

DIHYBRIDNÍ KOMBINAČNÍ ČTVEREC zachycuje 16 zygotických kombinací vzniklých při vzájemném křížení dvou dihybridů v F₁ generaci.

F1 generace:	AaBb	×	AaBb
gamety:	AB:Ab:aB:ab		AB:Ab:aB:ab
F2 generace:	Gamety AB Ab aB ab AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb aB AaBB AaBb aaBB aaBb ab AaBb Aabb aaBb aabb

Při psaní kombinačního čtverce je třeba dodržovat pravidla zápisu pořadí gametických genotypů. Při zápisu genotypového či fenotypového štěpného poměru začínáme z levého horního rohu čtverce a pokračujeme úhlopříčně směrem k pravému dolnímu rohu. Proto zápis dihybridního genotypového štěpného poměru v F₂ generaci je následující: 1AABB : 2AABb : 1AAbb : 2AaBB : 4AaBb : 2Aabb : 1aaBB : 2aaBb : 1aabb. Zápis dihybridního fenotypového štěpného poměru F₂ generace při úplné dominanci obou znaků je následující: 9 A-B- : 3 A-bb : 3 aaB- : 1 aabb (místo pomlčky v zápise genotypů je možné doplnit jak dominantní alelu, tak alelu recesivní; fenotypový projev se v obou případech shoduje). Čtyři zygotické genotypy dihybridů (AaBb) leží v úhlopříčce, která se nazývá úhlopříčka heterozygotů. Z levého horního rohu čtverce pak vychází úhlopříčka homozygotů (AABB, AAbb, aaBB, aabb). Z prostředních 2 zygotických genotypových kombinací (AAbb, aaBB) se vytváří fenotypy, které se dosud při křížení P a F₁ generace nevyskytly a označují se jako pěstitelské a chovatelské novinky.

ZÁVORKOVÁ METODA

Principem je nejdříve zjistit štěpné poměry pro jednotlivé geny a následně tyto štěpné poměry vynásobit mezi sebou jako závorky. Lze použít pro stanovení genotypových i fenotypových štěpných poměrů.

Vzorový příklad 1: Aabbcc × AaBbCC (u všech genů je mezi alelami vztah úplné dominance).
Aa x Aa ... AA, 2Aa, aa = štěpný poměr (1:2:1)
bb x Bb ... Bb, bb = štěpný poměr (1:1)
cc x CC ... Cc = 1
(1:2:1) x (1:1) x 1 = 1:1:2:2:1:1

ROZVĚTVOVACÍ METODA

Umožňuje odvodit štěpné poměry, aniž bychom použili kombinační čtverec. Tato metoda je vhodná zvláště pro zjišťování štěpných poměrů v potomstvech vícenásobných hybridů (polyhybridů). Principem je postupné větvení jednotlivých alternativ párů vloh (větví se heterozygoti).

Vzorový příklad 1: Za použití rozvětvovací metody stanovte genotypy gamet jedince s genotypem AaBBCc

Jedinec s výše uvedeným genotypem může vytvářet gamety se 4 různými genotypy.

Vzorový příklad 2: Pomocí rozvětvovací metody určete genotypový štěpný poměr a zastoupení genotypů u potomstva po křížení rodičů s genotypy: Aabbcc × AaBbCC (u všech genů je mezi alelami vztah úplné dominance).
Aa x Aa ... AA, 2Aa, aa
bb x Bb ... Bb, bb
cc x CC ... Cc

Křížením rodičů s výše uvedenými genotypy mohou vznikat potomci s 6 různými genotypy v štěpném poměru 1 : 1 : 2 : 2 : 1 : 1.

ÚKOLY - Dihybridismus, polyhybridismus a rozvětvovací metoda (viz úkoly)

---

Polymorfní geny

POLYMORFNÍ GENY jsou geny, které mají ? 2 alely, nebo geny, jejichž nejčastěji se vyskytující alela má frekvenci menší než 99 %.

MNOHOTNÝ ALELISMUS - gen může být u různých jedinců v populaci vyjádřen celým souborem různých alel (např. u genu kontrolujícího barvu srsti u myší, barvu očí u drozofil, u genu krevní skupiny systému AB0 u člověka).

KODOMINANCE - žádná z rozdílných alel v heterozygotním genotypu nepřevládá a obě se podílejí při tvorbě fenotypu stejnou měrou (např. u krevních skupin).

DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN U LIDÍ - u člověka je známo více než 30 systémů krevních skupin. Každý systém je přitom kontrolován jedním genovým lokusem nebo dvěma či více blízce příbuznými homologními geny s nízkou či nulovou pozorovatelnou rekombinací. Mezi nejvýznamnější patří systémy AB0, Rh či MNS. Určování krevních skupin u lidí bylo vysvětleno v kapitole Určování krevních skupin

Systém AB0 - systém AB0 je řízen jediným genem, který se nachází na chromozomu 9. Tento gen má tři základní alely (I^A, I^B, i). Alely I^A a I^B jsou navzájem kodominantní (tj. jsou-li u jedince-heterozygota přítomny obě současně, obě se také projeví ve fenotypu), alela i je vůči oběma předchozím recesivní. Alela I^A kóduje enzym, který z příslušného prekurzoru vytváří aglutinogen A, alela I^B obdobně vytváří aglutinogen B. Recesivní alela i kóduje variantu enzymu, která ztratila enzymatickou aktivitu.

Systém Rh (pojmenovaný podle aglutinace lidských červených krvinek sérem připraveným s použitím krve opic druhu makak rhesus) je definován jako systém asi 40 antigenů, z toho 5 hraje významnější roli (C, D, E, c, e). Nejsilnější a navenek se nejvíce projevující je antigen D, k němuž se vztahuje běžné používané označení "Rh faktor". Je-li přítomen, krev se označuje jako Rh+, v opačném případě Rh-. Přítomnost/nepřítomnost antigenu je determinována jediným genem, přičemž genotypy DD a Dd podmiňují fenotypový projev Rh+, genotyp dd podmiňuje fenotyp Rh-. V Evropě se udává následující zastoupení: 84 % Rh+, 16 % Rh- (v Asii ale např. zcela převládá Rh+).

Rh systém je spojen s patologickým stavem označovaným jako hemolytická nemoc novorozenců: pokud má žena Rh- potomka s mužem Rh+ (a dítě příslušnou alelu od otce zdědí), v jejím těle se vytváří protilátky anti-D, které pak mohou ohrozit nový Rh+ plod. U prvního těhotenství nic nehrozí, protože za normálních podmínek krvinky plodu neprocházejí přes placentu do krevního oběhu matky, a naopak. Při porodu však krvinky plodu s Rh+ mohou proniknout do krevního oběhu matky, tělo matky je rozezná jako cizorodou látku a začne tvořit protilátky anti-D. Ty pak zůstávají v těle matky a při dalším těhotenství mohou pronikat přes placentu do krevního oběhu plodu s Rh+, kde způsobují hemolýzu a poškození plodu. S každým dalším těhotenstvím se zvyšuje tvorba protilátek anti-D, proto i poškození plodů je větší a může dojít k odumření plodu. V současnosti se však používá účinná prevence: po porodu je matkám injekčně podán imunoglobulin (protilátka) anti-D, který naváže fetální erytrocyty v krevním oběhu matky dříve, než její imunitní systém začne protilátky sám aktivně produkovat.

Obvykle se spojuje systém AB0 se systémem Rh, např. A+, AB- apod.

DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN U KOČEK – u koček jsou rozeznávány tři krevní skupiny: A, B a AB. Krevní skupiny A a B jsou definovány jedním genem s dvěma alelami: dominantní A a recesivní b. Genotypy AA a Ab tedy vykazují krevní skupinu A, genotyp bb vykazuje krevní skupinu B. Krevní skupina AB je vzácná (méně než jedno procento) a její genetická determinace dosud nebyla zcela objasněna; jednou z možností je, že jde o jedince genotypu AB, u kterých hraje roli nějaký jiný gen, který umožní koexpresi obou alel. Novější studie navrhují, že se jedná o další recesivní alelu označovanou jako a^ab, která je vůči alele A recesivní a vůči alele b dominantní (existuje zde tedy alelová série A > a^ab > b). Znalost krevních skupin u koček je opět důležitá v případě nutnosti transfúze (možnost vzniku transfúzní hemolytické reakce) a z hlediska neonatální isoerytrolýzy u koťat. Při podání krve skupiny A příjemci s krevní skupinou B dochází během několika minut až hodin k destrukci erytrocytů skupiny A. Neonatální isoerytrolýza nastává zejména u koťat, která se narodila kočce s krevní skupinou typu B spářené s kocourem krevní skupiny typu A. Koťata s krevní skupinou A sice nejsou ovlivněna protilátkami z krve matky v průběhu březosti (u koček je placenta přirozenou bariérou). Problém nastává až po porodu, kdy koťata (s krevní skupinou A) z kolostra, kterým jsou po porodu vyživována, dostávají anti-A protilátky, které způsobí destrukci jejich erytrocytů. Hlavní prevencí je tedy zjištění krevní skupiny kočky a kocoura, se kterým bude kočka spářena.

DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN U PSŮ - u psů je rozlišováno sedm hlavních systémů krevních skupin, které jsou souhrnně označovány jako systém DEA (Dog Erythrocyte Antigen): DEA 1 až 7. Pro každý tento systém s výjimkou DEA 1 může být pes pozitivní (jeho erytrocyty nesou příslušný antigen) nebo negativní (antigen se na krvinkách nenachází). Některé z těchto antigenů se vyskytují téměř u všech psů (DEA 4 a 6 u 98 % pozitivních psů), jiné jsou velmi vzácné. Nejvýznamnější je systém DEA 1, rozpadající se do dvou subsystémů DEA 1.1 a DEA 1.2. Každý pes může být vzhledem k těmto subsystémům pozitivní v jednom z nich nebo negativní v obou; nemůže být dvojnásobně pozitivní. Psům DEA 1.1- se nikdy nesmí dávat krev DEA 1.1+, neboť hrozí podobný problém jako u Rh systému a to senzitizace a následná hemolýza při další transfúzi. Zajímavé je, že po senzitizaci antigenem DEA 1.1 hrozí hemolýza i při podání krve lišící se v jiném systému než DEA 1.

ÚKOLY - Polymorfní geny (viz úkoly)

---

Dědičnost a pohlaví

DĚDIČNOST VÁZANÁ NA POHLAVÍ (sex-linked) - geny leží na GONOZOMECH (pohlavních chromozomech). Je porušena podmínka Mendelových zákonů o autosomální dědičnosti.

1. úplně pohlavně vázaná dědičnost - geny leží na heterologních segmentech pohlavních chromozomů.
   1. gen na heterologním segmentu Y - dědičnost holandrická (znak se dědí z otců na syny), př. hypertrichosis auriculae (chlupatost uší člověka).
   2. gen na heterologním segmentu X - př. hemofilie člověka, barva očí u octomilek.
      • V P generaci dominantní alela u homogametického pohlaví XX - uniformita F₁ generace
      • V P generaci dominantní alela u heterogametického pohlaví XY - dědičnost křížem.
2. neúplně pohlavně vázaná dědičnost - geny leží na homologních částech pohlavních chromozomů (rekombinace je teoreticky možná, ale crossing-over je často blokován).
   

   Obr.: Pohlavní chromozomy X a Y s vyznačením homologních a heterologních částí.

DĚDIČNOST POHLAVÍM PODMÍNĚNÁ (sex-limited) - geny jsou na autozomech obou pohlaví, ale znak se projeví jen u jednoho pohlaví, který k tomu má anatomické predispozice (př. kryptorchismus – nesestoupení varlat do šourku).

DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLÁDANÁ (sex-controlled) - geny jsou na autozomech obou pohlaví, ale jejich fenotypový projev v heterozygotním a dominantně homozygotním stavu je ovládán pohlavím hostitele. Znak se vyskytuje jen u jednoho pohlaví (př. vousy mužů).

DĚDIČNOST POHLAVÍM OVLIVNĚNÁ (sex-influenced) - geny jsou na autozomech obou pohlaví, ale jejich fenotypový projev v heterozygotním stavu je ovlivněn pohlavím nositele. Znak se vyskytuje u obou pohlaví (př. plešatost u člověka).

HEMIZYGOT – určitý gen má jen jednu alelu. Tento případ nastane např. v genotypu muže, který má odlišné pohlavní chromozomy a alely na nich uložené nemají své párové protějšky, proto se projeví ve fenotypu, ať jsou dominantní nebo recesivní).

ÚKOLY - Dědičnost a pohlaví (viz úkoly)

---

Genové interakce

GENOVÉ INTERAKCE představují uplatnění 2 či více genů na fenotypové realizaci jednoho znaku, tím je porušena podmínka platnosti Mendelových pravidel o monogenní dědičnosti.

RECIPROKÁ INTERAKCE je interakce bez změny štěpného poměru, sledovaný znak se vyskytuje ve více formách, z nichž každá je determinována jednou z kombinací alel rodičovských genů.

DOMINANTNÍ EPISTÁZE - dominantní alela epistatického genu potlačuje fenotypový projev hypostatického genu.

RECESIVNÍ EPISTÁZE - homozygotně recesivní sestava alel epistatického genu potlačuje fenotypový projev hypostatického genu.

INHIBICE - dominantní alela genu inhibitoru potlačuje funkci jiného genu, ale sama nemá žádný účinek na fenotyp.

KOMPLEMENTARITA - dominantní alely dvou či více genů se vzájemně doplňují při realizaci fenotypového znaku (znak se vytváří teprve tehdy, jsou-li přítomny obě dominantní alely).

KOMPENZACE - funkce dominantních alel dvou různých genů je protisměrná, čímž se jejich fenotypové účinky vzájemně vylučují.

DUPLICITA - na projevu znaku se podílí dominantní alely genu a intenzita projevu znaku záleží na vzájemných vztazích těchto genů. U duplicity kumulativní se účinky všech dominantních alel sčítají (duplicita kumulativní s dominancí nebo duplicita kumulativní bez dominance) u duplicity nekumulativní se nesčítají.

• Duplicita nekumulativní - jedna dominantní alela vyvolá projev znaku a celkový počet dominantních alel neovlivňuje intenzitu znaku. Existují dva odlišné fenotypy.
• Duplicita kumulativní s dominancí (mezi alelami je úplná dominance) závisí na počtu alelových párů v nichž jsou dominantní alely. Pokud je dominantní alela v obou genech, je projev znaku maximální, pokud je jen v jednom genu a je jedno ve kterém, je projev znaku poloviční. Existují tři odlišné fenotypy.
• Duplicita kumulativní bez dominance (mezi alelami je neúplná dominance) se účinek dominantních alel sčítá a intenzita znaku je dána počtem dominantních alel. Existuje pět odlišných fenotypů.

LETÁLNÍ GENY - geny, které způsobují svému nositeli smrt. Dominantní letální gen z populace vymizí, neboť nositel zemře, i když je heterozygot. Recesivní letální gen zabíjí nositele v homozygotní kombinaci a u heterozygota je v populaci udržován. Zvláštním případem je tzv. recesivní letalita dominantní alely, kdy stejně jako u dominantní letality škodí dominantní alela, ale pouze v homozygotním stavu (tj. heterozygoti přežívají).

Odvození štěpných poměrů u jednotlivých typů genových interakcí:

ÚKOLY - Genové interakce (viz úkoly)

---

Vazba genů

VAZBA GENŮ souvisí s umístěním rozdílných genů na stejném chromozomu, čímž je porušena podmínka platnosti Mendelových pravidel, že každý gen je na jiném chromozomu. Geny na stejném chromozomu tvoří vazbovou skupinu.

• Úplná vazba – geny leží na chromozomu blízko sebe, silná vazba, nemůže dojít ke crossing-overu mezi alelami různých genů.
• Neúplná vazba – geny leží na chromozomu daleko od sebe, slabá vazba, může dojít ke crossing-overu.

MORGANOVY ZÁKONY:

1. geny jsou na chromozomech uloženy lineárně za sebou
2. počet vazbových skupin je roven počtu páru homologních chromozomů

SÍLA VAZBY vyjadřuje pravděpodobnost vzniku crossing-overu mezi alelami různých genů, které jsou ve vazbě. Čím blíže jsou geny, tím je vazba silnější a tím je menší pravděpodobnost, že dojde ke crossing overu. Síla vazby se vyjadřuje následujícími čísly:

BATESONOVO ČÍSLO (c) je poměr četnosti gamet s rodičovským uspořádáním alel a s nerodičovským (tj. rekombinovaným) uspořádáním alel.

MORGANOVO ČÍSLO (p) udává podíl gamet s rekombinovaným genotypem k celkovému počtu potomků. Je udáváno v centimorganech (cM), kde 1cM je definován jako 1 % pravděpodobnost vzniku crossing-overu mezi testovanými geny.

TESTOVACÍ KŘÍŽENÍ je obdoba zpětného křížení (křížení heterozygota s homozygotem), kdy lze podle fenotypového štěpného poměru v potomstvu zjistit četnosti jednotlivých genotypových kombinací. Při tříbodovém testovacím křížení (sledují se tři geny) můžeme sledovat štěpení genotypů v potomstvu. Např. při křížení AaBbCc x aabbcc, je možné rozlišit a zapsat 2 vazbové fáze:

Vzorový příklad 1: Určete vzájemnou lokalizaci genů RST a sílu vazby mezi sousedními geny na základě genetické analýzy potomstva vzniklého z testovacího křížení: RrSsTt × rrsstt.

Postup:

1. Stanovit skutečné pořadí genů podle fenotypu, který má nejmenší četnost, tj. vznikl dvojitým crossing-overem. Nejmenší četnost má čtvrtý fenotyp, ale nevznikl dvojitým crossing-overem (viz obr.), je proto potřeba změnit pořadí genů v rámci téhož chromozomu, tak aby vznikl dvojitý crossing-over a tím zjistíme i správné pořadí genů (v tomto případě to je RTS).
2. Změnit pořadí genů u všech odlišných fenotypů (viz obr.)
3. Vypočítat sílu vazby pro geny RT a TS (síla vazby souvisí s četností crossing-overu, proto sečteme četnosti, kde mezi danými geny došlo ke crossing-overu (viz obr. po úpravě). Síla vazby pro geny RT: p(RT) = 6,7 + 0,4 = 7,1 cM; a pro geny TS: p(TS) = 14,4 + 0,4 = 14,8 cM.
4. Sestavit chromozomovou mapu (jak jsou geny řazeny za sebou a jaká je mezi nimi vzdálenost).

ÚKOLY - Vazba genů (viz úkoly)

---

Nemendelistická dědičnost

MATERNÁLNÍ DĚDIČNOST - Ačkoli je podstatná část genomu uložena v jaderné DNA, řada strukturních genů je součástí cirkulárního mitochondriálního genomu, v případě rostlin navíc genomu chloroplastového. Dědičnost znaků kódovaných mitochondriálním (mitochondriální dědičnost) a chloroplastovým (chloroplastová dědičnost) genomem jsou příkladem nemendelistické (nemendelovské) dědičnosti (tedy takového typu dědičnosti, pro který neplatí Mendelovy zákony). Na rozdíl od mendelovské dědičnosti, při pohlavním rozmnožování je v tomto případě nositelem genetické informace vždy samičí gameta. Potomstvo má dědičný znak matky, proto se tento typ dědičnosti také označuje jako maternální či matroklinní.

MITOCHONDRIÁLNÍ DĚDIČNOST – s mutací mtDNA je spojena řada závažných dědičných genetických chorob např. Leberova optická neuropatie, Kearns-Sayreův syndrom. Jedinci postižení mitochondriální nemocí mohou být muži i ženy, ale tyto nemoci se mohou v rodinách přenášet jen po mateřské linii. Dítě zdědí mitochondriální DNA pouze od matky. Tomu odpovídá i typický maternální přenos chorob způsobených mutacemi mtDNA v rodokmenu.

Obr.: Mitochondriální typ dědičnosti (Leberova optická neuropatie způsobující částečnou slepotu u dospělých středního věku). Černá značí jedince s chorobou, bílá zdravého jedince. Mutace v mitochondriální DNA se dědí pouze po matce, proto všechny děti otce s mitochondriálně dědičnou chorobou budou zdravé.

CHLOROPLASTOVÁ DĚDIČNOST. Maternální dědičnost vykazuje znak panašování (skvrnitost) listů nocenky jalapenské (Mirabilis jalapa). U této rostliny je zbarvení listů v F1 generaci dané zbarvením samičí rostliny, protože pyl neobsahuje prakticky žádnou cytoplazmu a tudíž ani chloroplasty s genetickou informací. V případě, že je samičí rostlina zelená (převaha chloroplastů), potomstvo bude zelené, je-li žlutá až bílá (vysoká převaha leukoplastů), potomstvo bude bílé. Panašované rostliny mají zhruba ekvivalentní počet chloroplastů a leukoplastů. V důsledku nerovnoměrné distribuce těchto organel během mitózy mají panašované rostliny zelené, žluté a bílé skvrny na listech. Nerovnoměrná distribuce chloroplastů a leukoplastů nastává také při meióze, takže samičí rostlina produkuje 3 typy pohlavních buněk - zelené, panašované a bílé. Generace F1 tedy není uniformní a odchyluje se tak od zákonů mendelovské dědičnosti.

MATERNÁLNÍ EFEKT souvisí s vývojem oocytu v mateřském organizmu. Při maternálním efektu je fenotyp kódován genetickou informací v jádře (tj. odlišně od maternální dědičnosti). Při genové expresi vznikají podle této genetické informace proteiny, které jsou přeneseny do oocytu ještě před oplozením. Tyto proteiny přímo ovlivňují vývoj embrya v časném stádiu vývoje. Fenotyp zygoty je tedy ovlivněn produkty jaderných genů mateřského organizmu. Konkrétním příkladem je vinutí ulity plovatky toulavé (Lymnaea peregra).

Vzorový příklad 1: Směr vinutí ulity plovatky toulavé je dán alelami jaderného genu. Genotyp (DD, Dd) s dominantní alelou D určuje pravotočivou ulitu (P), genotyp (dd) s recesivními alelami d určuje levotočivou ulitu (L). Mezi alelami je úplná dominance. Fenotyp potomka (bez ohledu na jeho genotyp) závisí na genotypu matky (bez ohledu na její fenotyp). Princip: již před fertilizací je v oocytu přítomen protein (produkt genu matky), který ovlivňuje orientaci mitotického vřeténka v první mitóze po fertilizaci a tím ovlivňuje vynutí ulity (doprava nebo doleva) u potomka.

P generace: křížení samice s pravotočivou ulitou a samce s levotočivou ulitou.

F₁ generace: vzniká uniformní potomstvo s genotypem pro pravotočivost, fenotypově jsou všichni pravotočiví po matce.

F₂ generace: vzniká potomstvo s třemi různými genotypy (DD, Dd, dd), fenotypově jsou ale všichni pravotočiví po matce, která měla genotyp pro pravotočivost (Dd).

F₃: matka s genotypem (DD a Dd) produkuje pravotočivé potomstvo, matka s genotypem (dd) produkuje levotočivé potomstvo. Genotypově vzniká poměr 1:2:1, fenotypově 3:1.

Obr.: Maternální efekt při dědičnosti vinutí ulity plovatky toulavé (Lymnaea peregra). Směr vinutí ulity ovlivňuje pár alel: D – dominantní pro pravotočivost, d – recesivní pro levotočivost (P = pravotočivost, L = levotočivost).

ÚKOLY - Nemendelistická dědičnost (viz úkoly)

---

Kvantitativní genetika

ZNAKY KVANTITATIVNÍ - projevují se kontinuitní (plynulou) proměnlivostí, dědí se na principu polygenní dědičnosti.

Celková fenotypová variance (V_p) = variance podmíněná dědičností (V_G) + prostředím (V_E)

• variance podmíněná dědičností = variance podmíněná aditivním působením genů, tj. sčítaným účinkem jednotlivých polygenů + variance podmíněná dominancí + variance podmíněná interakcí genů + variance podmíněná interakcí genotypu a prostředí
• variance podmíněná prostředím = variance podmíněná permanentně působícími vlivy prostředí + variance podmíněná dočasně působícími vlivy prostředí + variance podmíněná interakcí genotypu a prostředí

POLYGENY jsou alelové páry s malým účinkem, tvořící mnohočetné genové série, polygeny mají aditivní (někdy multiplikativní) účinek na fenotyp.

HERITABILITA (dědivost) - vztah mezi dědičnou a nedědičnou složkou proměnlivosti znaku (= podíl dědičně podmíněné složky na konečném fenotypovém projevu znaku).

KOEFICIENT HERITABILITY (h²) - ukazatel heritability, podíl geneticky podmíněné variability na celkové fenotypové variabilitě určitého znaku. Hodnoty jsou v rozmezí od 0 (celá proměnlivost znaku je způsobena faktory prostředí) do 1 (celá proměnlivost znaku je dána geneticky). Může být nízká dědivost (hodnoty nižší než 0,2), střední dědivost (0,2 - 0,5) a vysoká dědivost (hodnoty nad 0,5). Vypočítává se z porovnání znaků ve skupinách: rodiče ´ potomci, sourozenci ´ polosourozenci, identická a neidentická dvojčata, jedinci ve skupinách při selekčních experimentech.

• Heritabilita v širším pojetí h²_B (broad sense heritability), kde V_G je genetická variabilita, V_P je fenotypová variabilita.
• Heritabilita v užším pojetí h²_N (narrow-sense heritability), kde V_A je aditivní genetická variabilita, V_P je fenotypová variabilita.

h2B	=	VG
		VP

h2N	=	VA
		VP

Základní statistické charakteristiky používané při studiu dědičnosti kvantitativního znaku:

PRŮMĚR x (aritmetický průměr, angl. mean)

ROZPTYL S² a SMĚRODATNÁ ODCHYLKA S (angl. variance, standard deviation) udávají rozpětí, jak jsou hodnoty rozděleny kolem průměru.

x	=	∑(xi)
		n

s2	=	∑(xi - x)
		n - 1

s = √s2

KORELACE udává, zda existuje vztah mezi proměnnými hodnotami (kvantitativními znaky), vyjadřuje ji korelační koeficient r. Korelační koeficient nabývá hodnoty -1 až 1. Čím blíže od 0 k 1 (příp. -1), tím je korelace silnější. Korelace může být pozitivní (kladná hodnota, mezi dvěma znaky je přímá úměra), nebo negativní (záporné hodnoty, mezi dvěma znaky je nepřímá úměra). Pro výpočet se používají následující vzorce:

covxy	=	∑(xi - x)(yi - y)	=	∑xiyi - 1/n(∑xi ∑yi)
		n - 1		n - 1

r	=	covxy
		sxsy

REGRESNÍ KOEFICIENT k se používá k výpočtu heritability v užším pojetí h²_N. Nabývá hodnot od 0 do 1 (0 = plný aditivní účinek, 1 = žádný aditivní účinek genu na fenotypovou variabilitu).

k	=	covxy
		s2x

ÚKOLY - Dědičnost kvantitativních znaků (viz úkoly)

---

Populační genetika

POPULACE - je soubor jedinců téhož biologického druhu, kteří se mezi sebou vzájemně kříží (na určitém místě v určitém čase), mají plodné potomky a pocházejí od společného předka.

GENOFOND - je soubor veškeré genetické informace v populaci.

GAMETOVÝ FOND – všechny gamety vytvořené jedinci populace.

ALELOVÁ (GENOVÁ) FREKVENCE - relativní četnost určité alely v souboru všech alel stejného genu v populaci.

GENOTYPOVÁ FREKVENCE – relativní četnost určitého genotypu v souboru všech genotypů v populaci.

HETEROZYGOTNOST POPULACE – podíl heterozygotů v populaci.

PANMIXIE – ničím neomezená možnost vzájemného křížení kteréhokoliv jedince s kterýmkoli dalším členem populace – každá samčí gameta má stejnou pravděpodobnost setkání s kteroukoliv samičí gametou.

PANMIKTICKÁ POPULACE – populace, u které dochází k panmixii.

HARDYŮV-WEINBERGŮV ZÁKON (HW zákon) – vyjadřuje matematický vztah mezi alelovými a genotypovými frekvencemi, kdy genotypové frekvence jsou binomickou funkcí alelových frekvencí. V dostatečně velké panmiktické populaci se alelové a genotypové frekvence z generace na generaci nemění za předpokladu, že nedochází k selekci, mutaci, genetickému posunu a toku genů.

Vztah alelových frekvencí:

p(A) + q(a) = 1

(kde p je frekvence dominantní alely A, q je frekvence recesivní alely a)

Vztah genotypových frekvencí:

P(AA) + H(Aa) + Q(aa) = 1

(kde P je frekvence dominantních homozygotů AA, H je frekvence heterozygotů Aa, Q je frekvence recesivních homozygotů aa)

Hardyův-Weinbergův zákon

Pro gen s dvěma alelami:

Pro gen s třemi alelami:

(p + q + r)² = p² + 2pq + q² + 2pr + 2qr + r² = 1

Pokud známe frekvenci alel, odvodíme frekvenci genotypů a opačně.

Vzorový příklad 1: Albinismus je neschopnost syntézy pigmentu melaninu. Je to recesivně dědičné onemocnění. V populaci se vyskytuje jeden albín (aa) na 10 000 obyvatel (0,0001). Vypočítejte četnost alely a pro albinismus. Kolik % přenašečů albinismu (Aa) je v populaci?

Postup:

1. Nejprve je třeba si převést slovní zadání do symboliky zápisu alelových a genotypových četností. V tomto případě ze zadané genotypové frekvence recesivních homozygotů Q(aa) máme spočítat četnost recesivní alely q(a).
2. Pokud je populace v rovnováze podle HW zákona (a není-li řečeno jinak, předpokládáme, že ano), pak platí, že Q = q² a tedy alelová četnost recesivní alely je rovna druhé odmocnině z četnosti recesivních homozygotů, tj. q(a) = 0,01.
3. 3) Dále máme spočítat četnost přenašečů, tj. genotypovou četnost heterozygotů v populaci H(Aa). Podle HW zákona platí, že H = 2pq. K provedení tohoto výpočtu si ale napřed musíme spočítat četnost dominantní alely p(A). Protože součet četností obou alel vždy dává dohromady 1 (p + q = 1), pak p = 1 – q = 0,99. Hledaná genotypová četnost heterozygotů H = 2*0,99*0,01 = 0,019 8, tj. 1,98 %.

ÚKOLY - Populační genetika (viz úkoly)

Tyto výukové materiály byly spolufinancovány Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.