Εισαγωγή στη Γενετική και στη Γονιδιωματική Τι είναι η κληρονομικότητα, και πώς μεταβιβάζεται η πληροφορία από γενιά σε γενιά;

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ /11/2016 Π.Παπαζαφείρη Κεφάλαιο 3 Β μέρος Εισαγωγή στη Γενετική και στη Γονιδιωματική Τι είναι η κληρονομικότητα, και πώς μεταβιβάζεται η πληροφορία από γενιά σε γενιά; Ποια είναι η δομή του DNA, και ποιες είναι οι λειτουργίες του; Πώς εξηγούν την κληρονομικότητα οι μελέτες του Μέντελ; Πόσο έχει βελτιωθεί η αρχική κατανόηση των μελετών του Μέντελ; Ποια είναι η σχέση μεταξύ των γονιδίων και της συμπεριφοράς; Τι είναι η γονιδιακή δεξαμενή, και γιατί εξετάζουμε τη γενετική των πληθυσμών για να κατανοήσουμε την εξέλιξη;

2 DNA: ο γενετικός κώδικας Το DNA αποθηκεύει τις πληροφορίες που αφορούν στην οργάνωση και ολοκλήρωση του κυττάρου Το RNA μεταφέρει την πληροφορία στο κυτταρόπλασμα και συμμετέχει στην κυτταρική ρύθμιση αλλά η σημαντικότερη λειτουργία του είναι η σύνθεση των πρωτεïνών Οι πρωτεΐνες είναι βασικοί παράγοντες όλων των κυτταρικών λειτουργιών (μοριακή αναγνώριση, μεταφορά, ολοκλήρωση σημάτων, ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης...) Προσαρμογή συμβαίνει όταν μια αλλαγή σε επίπεδο DNA εκφράζεται -μέσω πρωτεïνικής μεταβολής- σαν ένα ωφέλιμο χαρακτηριστικό σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Η αλλαγή επικρατεί τελικά κατά την επιλογή με διασπορά μέσα στον πληθυσμό. Έτσι, κάθε τι που ρυθμίζει τις πρωτεΐνες ευθύνεται και για τη προσαρμογή

3 DNA: ο γενετικός κώδικας Προσαρμογή συμβαίνει όταν μια αλλαγή σε επίπεδο DNA εκφράζεται -μέσω πρωτεïνικής μεταβολής- σαν ένα ωφέλιμο χαρακτηριστικό σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Η αλλαγή επικρατεί τελικά κατά την επιλογή με διασπορά μέσα στον πληθυσμό. Έτσι, κάθε τι που ρυθμίζει τις πρωτεΐνες ευθύνεται και για τη προσαρμογή

4 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα

5 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα Τα επτά χαρακτηριστικά που διερεύνησε ο Mendel. Καθένα από αυτά έχει δύο διακριτούς φαινοτύπους Η γενετική πληροφορία κληρονομείται σε διακριτές μονάδες (γονίδια). Οι μονάδες αυτές δεν «ανακατεύονται» σε έναν απόγονο συγκεκριμένη μονάδα κληρονομικότητας (αλληλόμορφο) προκαλεί τη δημιουργία ενός παρατηρήσιμου χαρακτηριστικού σε έναν οργανισμό

6 Η εμφάνιση, ή τα αναγνωρίσιμα χαρακτηριστικά των απογόνων καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από τη σχέση μεταξύ των δύο γονικών αλληλομόρφων.

7 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα Γενετικός τόπος, η ειδική θέση ενός γονιδίου πάνω στο χρωμόσωμα Αλληλόμορφο, η εναλλακτική μορφή (παραλλαγή) ενός γονιδίου η οποία υπάρχει σε ένα συγκεκριμένο γενετικό τόπο. Τα αλληλόμορφα υπάρχουν σε ζευγάρι, ένα σε κάθε χρωμόσωμα

8 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα Ορισμοί Ο νόμος του διαχωρισμού, οι γαμέτες περιέχουν ένα από κάθε ζευγάρι αλληλομόρφων Γονότυπος, τα δύο αλληλόμορφα ενός γενετικού τόπου σε ένα άτομο Ομόζυγος, τα δύο αλληλόμορφα ενός γενετικού τόπου είναι πανομοιότυπα Ετερόζυγος, τα αλληλόμορφα είναι διαφορετικά Φαινότυπος, η εμφάνιση (έκφραση) ενός συγκεκριμένου γονότυπου Επικρατές αλληλόμορφο, καλύπτει το αποτέλεσμα της επιρροής του άλλου αλληλομόρφου σε ένα ετερόζυγο γονότυπο Υπολειπόμενο αλληλόμορφο, η επιρροή του καλύπτεται από το άλλο αλληλόμοφρο σε ένα ετερόζυγο γονότυπο Ισοεπικρατή αλληλόμορφα, αυτά που συνεισφέρουν το ίδιο στην δημιουργία του φαινοτύπου

9 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα ΠΡΟΒΛΕΨΗ της πιθανής κατανομής των γονότυπων και των φαινότυπων στους απογόνους-προϋπόθεση: γνώση της ποιότητας των γοτύπων Κληρονομικότητα στο σύστημα ομάδων αίματος ΜΝ (ισοεπικρατή αλληλόμορφα) και ελέγχου γεύσης Tt (Τ επικρατές- αναλογία 3:1).

10 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα Τα υπολειπόμενα αλληλόμορφα μπορούν να παράγουν ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα: μερικοί απόγονοι είναι δυνατόν να έχουν διαφορετικό γονότυπο αλλά και φαινότυπο και από τους δύο γονείς. Ένα υπολειπόμενο γνώρισμα μπορεί να παραμείνει κρυμμένο για μια γενιά (σημαντικό για γενετικές ασθένειες)

11

12 Ο νόμος του ανεξάρτητου διαχωρισμού

13 Ο Μεντελικός νόμος του ανεξάρτητου συνδυασμού Κάθε άτομο στο παράδειγμαμπορεί να έχει οποιοδήποτε από τα οκτώ πιθανά γεννητικά κύτταρα και από τους δύο γονείς, ο συνολικός αριθμός των συνδυασμών είναι 8x8=64 Ο διαχωρισμός οποιουδήποτε ζευγαριού χρωμοσωμάτων δεν επηρεάζει την πιθανότητα διαχωρισμού οποιουδήποτε άλλου ζευγαριού χρωμοσωμάτων : παρέχει έναν ισχυρό μηχανισμό διαφορετικών συνδυασμών χρωμοσωμάτων και έτσι συνιστά μεγάλο δυναμικό για τη γενετική ποικιλία (στον άνθρωπο υπάρχουν 2 23 δυνατοί συνδυασμοί στα γεννητικά κύτταρα) Τα γονίδια κληρονομούνται ανεξάρτητα αλλά τα συνδεδεμένα αλληλόμορφα δεν κληρονομούνται ανεξάρτητα επειδή βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα

14 Επιχιασμός-ανασυνδυασμός γονιδίων Ο επιχιασμός εμφανίζεται όταν ομόλογα χρωμοσώματα ανταλλάσσουν τμήματα ως αποτέλεσμα της ακραίας δομικής και χημικής ομοιότητάς τους. Στην πραγματικότητα, με την ανάμειξη αλληλουχιών γενετικού υλικού στα χρωμοσώματα, ο επιχιασμός ανασυγκροτεί περιοχές DNA με νέους τρόπους (ανταλλαγή τμημάτων του μητρικού και του πατρικού DNA), αυξάνοντας έτσι την υπάρχουσα γενετική ποικιλομορφία στα χρωμοσώματα. Αυτή η ανακατανομή των τμημάτων DNA παίζει σημαντικό ρόλο στην σύνδεση των γενετικών μονάδων κληρονομικότητας και των χαρακτηριστικών που προκύπτουν από αυτές

15 Επιχιασμός-ανασυνδυασμός γονιδίων Το αποτέλεσμα του επιχιασμού είναι ο ανασυνδυασμός των γονιδίων, δηλαδή η παραγωγή ενός νέου συνδυασμού αλληλουχιών DNA. Ο ανασυνδυασμός δε αλλάζει το γενετικό υλικό. Τα αλληλόμορφα είναι τα ίδια αλλά μπορούν να υπάρξουν σε διαφορετικούς συνδυασμούς γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της γενετικής ποικιλομορφίας

16

17 Πολυμορφισμοί: παραλλαγές σε συγκεκριμένα γονίδια: «απλώς» εναλλακτικές χημικές μορφές του ίδιου γονιδίου Πολυμορφισμός μήκους θραύσματος περιοριστικών ενζύμων, RFLP ( π.χ. EcoRI : G-AATTC) Μικροδορυφορικό DNA (simple tandem repeats). Αφορά στην ανάλυση αλληλουχιών που δεν κωδικοποιούν και εμφανίζονται επαναλαμβανόμενες. Επειδή ο αριθμός των επαναλήψεων είναι πολύ μεταβλητός, η ανάλυσή του χρησιμοποιείται για την ανίχνευση πληθυσμιακών σχέσεων. Προσφύσεις Alu (Alu insertions). Μικρές αλληλουχίες που έχουν αντιγραφεί και μετακινηθεί σε διαφορετικά χρωμοσώματα (περίπου 5% του ανθρώπινου DNA αποτελείται από τέτοια στοιχεία) Πολυμορφισμοί ενός μεμονωμένου νουκλεοτιδίου, SNP. Αφορά στην ανάλυση γενετικών τόπων και στην καταγραφή διαφορών (σε μια μόνο ή σε περισσότερες βάσεις) στην αλληλουχία DNA. Αποτελεί μέρος της χαρτογράφησης του γονιδιώματος.

18 Γενετική και Συμπεριφορά Σε ποιο βαθμό η συμπεριφορά ελέγχεται από γενετικούς παράγοντες;;; -Κοινωνικές επιπτώσεις του ερωτήματος -Παρανόηση των βασικών αρχών της γενετικής -Ποιες πλευρές της ανθρώπινης συμπεριφοράς «μπορούν» να συσχετίζονται με γονίδια;;;

19 Γενετική και Συμπεριφορά Διαμάχη για τη φύση εναντίον της ανατροφής : η ευφυΐα είναι αποτέλεσμα των γονιδίων («φύση») ή αναπτύσεται σε ένα συγκεκριμένο φυσικό και πολιτισμικό περιβάλλον;; (αναγωγισμός, βιολογική αιτιοκρατία) Η άποψη που επικρατεί σε κάθε χρονική περίοδο αντανακλά όχι μόνο τα νέα δεδομένα που προέκυψαν από την επιστημονική έρευνα αλλά και το κοινωνικό και πολιτιστικό (και πολιτικό) κλίμα της εποχής Τελικά, τα πολιτιστικά «πιστεύω» των επιστημόνων επηρεάζουν και σε ποιο βαθμό- τη μεθοδολογία, την ερμηνεία αλλά και την σημασία των επιστημονικών ευρημάτων;;

20 Γενετική και Συμπεριφορά Η διαμάχη ανάμεσα στη φύση και την ανατροφή είναι τελικά ένα «άγονο» ερώτημα Τόσο τα γονίδια όσο και το περιβάλλον έχουν σημαντική επίδραση στην ανθρώπινη συμπεριφορά Επομένως, είναι σημαντικό να διερευνηθεί για κάθε περίπτωση, ποια είναι η αλληλεπίδρασή τους Γενετική επιρροή στην ανθρώπινη συμπεριφορά (ευφυΐα, αυτισμό, διαιτητικές διαταραχές, σχιζοφρένεια, σεξουαλικός προσδιορισμός) δεν σημαίνει ότι η συμπεριφορά προκαλείται από τα γονίδια. Η περιβαλλοντική ποικιλομορφία που σχετίζεται με το φαινότυπο, είναι ΙΣΗ με τη γενετική ποικιλομορφία Η σχετική επιρροή της γενετικής και της περιβαλλοντικής ποικιλομορφίας θα διαφέρει από τον ένα πληθυσμό στον άλλο.

21 Γενετική και Συμπεριφορά Μερικά παραδείγματα: χαρακτήρες που ελέγχονται από απλά γονίδια Φαινυλκετονουρία (πλειοτροπικό γονίδιο) έλλειψη του ενζύμου υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης, συσσώρευση φαινυλαλανίνης στο εγκεφαλονωτιαίο μυελό Τα άτομα εμφανίζουν, εκτός από διανοητική καθυστέρηση, και μικρότερο κεφάλι, ανοικτόχρωμα μαλλιά, εκζέματα Ασθένεια Huntington, προσβάλει τους μετωπικούς λοβούς του παρεγκεφαλικού φλοιού με αποτέλεσμα, βαθμιαία αποικοδόμηση του νευρικού συστήματος και σταδιακή απώλεια κινητικής λειτουργίας και συντονισμού

22 Γενετική και Συμπεριφορά χαρακτήρες που ελέγχονται από απλά γονίδια Tay Sachs, νηπιακή αμαυρωτική ηλιθιότητα -υπολειπόμενο αυτοσωματικό- έλλειψη του ενζύμου εξοζαμινιδάση Α που συμμετέχει στον μεταβολισμό των λιπιδίων (γονίδιο hexa στο χρωμόσωμα 15) Lesch-Nyham, -υπολειπόμενο φυλοσύνδετο- έλλεψη του ενζύμου φωσφορυβοσυλτρανσφεράση υποξανθίνης-γουανίνης που εμπλέκεται στο μεταβολισμό των νουκλεϊνικών οξέων. Εκτός από τη συσσώρευση ουρικού οξέος, προκαλεί διανοητική καθυστέρηση και ανεξέλεγκτους αυτοακρωτηριασμούς των χειλιών και των δακτύλων MAOA, σύνθεση του ενζύμου μονοαμινική οξειδάση Α (αποικοδόμηση νευροδιαβιβαστών) που εδράζεται στο βραχύ βραχίονα του Χ χρωματοσώματος προκαλεί ήπια διανοητική καθυστέρηση, επιθετική συμπεριφορά και έλλειψη παρορμητικού ελέγχου

23 Γενετική και Συμπεριφορά χαρακτήρες που εμφανίζουν πολυγονιδιακή κληρονομικότητα ευφυΐα, ένας σύνθετος χαρακτήρας που περιλαμβάνει την ικανότητα του ατόμου να ορίζει και να αντιλαμβάνεται το νόημα των λέξεων, να σκέφτεται γρήγορα, να αντιλαμβάνεται το χώρο, να αποστηθίζει και να επαναφέρει στη μνήμη... Η γενετική βάση της διχάζει, καθόσον δεν υπάρχει μια ευδιάκριτη αλυσίδα αιτιών και αποτελεσμάτων από το γονότυπο στο φαινότυπο. παραδοχή : είναι ένας ποσοτικός χαρακτήρας που επηρεάζεται από μεγάλο αριθμό γονιδίων

24 Γενετική και Συμπεριφορά χαρακτήρες με άγνωστη γενετική βάση Δυσλεξία, δυσαριθμία, δυσπραξία, αριστεροχειρία Σχιζοφρένεια Μανιοκατάθλιψη (Διπολική συναισθηματική διαταραχή) Η παρουσία των διαταραχών σε μέλη της ίδιας οικογένειας υποδηλώνει μια γενετική βάση χωρίς όμως να έχει ανιχνευτεί η σύνδεση μεταξύ χαρακτήρα και γενετικών σημάνσεων Ρόλος της ηλικίας ;;; Προσδιορισμός του φαινοτύπου ;;; (κυρίως για τις ψυχικές ασθένειες Υπάρχει μια πολύπλοκη και μη-γραμμική σχέση ανάμεσα στα γονίδια και τη συμπεριφορά!

25 Γενετική των σύνθετων φυσικών χαρακτηριστικών Πολλά χαρακτηριστικά δεν είναι αποτέλεσμα της έκφρασης ενός διακριτού γενετικού τόπου (χρώμα δέρματος, μέγεθος σώματος, εγκεφάλου, ευφυΐα) αλλά έχουν σύνθετο τρόπο κληρονομικότητας επειδή ένα ή περισσότερα γονίδια μπορεί να συνεισφέρουν στο φαινότυπο και επηρεάζονται από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Έτσι προκύπτει η συνεχής κατανομή αυτών των χαρακτηριστικών στον πληθυσμό. Τα σύνθετα χαρακτηριστικά τείνουν να παράγουν περισσότερα άτομα με μέσες τιμές παρά με ακραίες τιμές

26 Πληθυσμιακή γενετική Ποια είναι η προέλευση των βασικών μονάδων της γενετικής ποικιλίας σε γονιδιακό και χρωματοσωματικο επίπεδο; Ποια είναι τα αίτια μεταβολής των συχνοτήτων αυτών των μονάδων σε έναν πληθυσμό; οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα μπορούν να δοθούν μόνο κατά προσέγγιση πληθυσμιακή γενετική : μελέτη της κατανομής της γενετικής ποικιλότητας εντός και μεταξύ των πληθυσμών

27 Ο ορισμός του πληθυσμού Ένας αναπαραγωγικός πληθυσμός είναι μια ομάδα οργανισμών που έχει την τάση να επιλέγει συντρόφους μέσα στην ομάδα Διάκριση πληθυσμών με πολιτικά και γεωγραφικά όρια...αλλά δεν χαρακτηρίζει σωστά τις σύγχρονες μεγαλουπόλεις που αποτελούνται από «υποπληθυσμούς» που διακρίνονται κυρίως με βάση την εθνικότητα, τη θρησκεία, την κοινωνική τάξη Πολλές φορές, η ίδια η μελέτη θέτει περιορισμούς στον ορισμό του πληθυσμού (χωρική ποικιλομορφία, «εθνική» ποικιλομορφία) Πάντως, ο αναπαραγωγικός πληθυσμός είναι μικρότερος από τον συνολικό πληθυσμό, γεγονός που μπορεί να έχει κάποια εξελικτική σημασία όταν μελετώνται μικροί πληθυσμοί απομονωμένων περιοχών.

28 η εξέλιξη μπορεί να μετρηθεί μόνο μέσα στους πληθυσμούς και μεταξύ των γενεών. Τα άτομα δεν εξελίσσονται κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Η εξέλιξη συμβαίνει από γενιά σε γενιά ως αποτέλεσμα πολλών παραγόντων πληθυσμός ένα σύνολο ατόμων του ίδιου είδους που καταλαμβάνει μια καθορισμένη γεωγραφική περιοχή και συζευγνύονται πιο συχνά με άτομα του ίδιου συνόλου παρά με άτομα από άλλα σύνολα γονιδιακή δεξαμενή όλα τα αλληλόμορφα ενός πληθυσμού Η γονιδιακή δεξαμενή αντιπροσωπεύει τη συνολική γενετική ποικιλομορφία που είναι διαθέσιμη στον εν λόγω πληθυσμό και, συνεπώς, τη δεξαμενή της ποικιλομορφίας επί της οποίας δρα η εξέλιξη. Καθώς η γενετική ποικιλομορφία των πληθυσμών μειώνεται - υπάρχουν λιγότερα διαφορετικά αλληλόμορφα ανά γενετικό τόπο και όλα τα άτομα του πληθυσμού έχουν τα ίδια αλληλόμορφα σε κάθε γενετικό τόπο - οι δυνατότητες για γενετικές προσαρμογές (αποκρίσεις στις περιβαλλοντικές πιέσεις) μειώνονται.

29 Συχνότητες γονότυπων και αλληλόμορφων γονιδίων Γονοτυπικές συχνότητες: ΜΝ=40/250=0,16 ΜΝ=120/250=0,48 ΝΝ=90/250=0,36 0,16+0,48+0,36=1

30 Σταθερότητα των γονιδιακών συχνοτήτων Είναι δυνατόν, το ανακάτεμα των γονιδίων με το διαχωρισμό και τον ανασυνδυασμό να οδηγήσουν σε εξέλιξη;;;; Η απάντηση είναι αρνητική. Οι γονιδιακές συχνότητες παραμένουν σταθερές «Εξελιξιμότητα» : ένα μεγάλο μέρος του DNA μπορεί να λειτουργεί σαν αποθεματικό για μελλοντικές εξελικτικές πιέσεις

31 Πολυγονιδιακά χαρακτηριστικά και πλειοτροπία Πολλά σύνθετα χαρακτηριστικά είνα πολυγονιδιακά, δηλαδή το αποτέλεσμα δύο ή περισσότερων γενετικών τόπων (χρώμα, ανάστημα) ενώ, πλειοτροπία είναι η επίδραση ενός μόνο αλληλομόρφου σε πολλαπλά χαρακτηριστικά (δρεπανοκυττάρωση) Ένας οργανισμός ΔΕΝ είναι απλά μια συλλογή ανεξάρτητων γενετικών τόπων

32 Κληρονομισημότητα Κληρονομισημότητα είναι η αναλογία της συνολικής ποικιλομορφίας σε ένα χαρακτηριστικό, που αποδίδεται στη γενετική ποικιλομορφία σε ένα συγκεκριμένο πληθυσμό γενετική ποικιλομορφία Κληρονομισημότητα = συνολική ποικιλομορφία Είναι μια σχετική μέτρηση -που μπορεί να ποικίλει από έναν πληθυσμό σε έναν άλλο- του βαθμού της γενετικής ποικιλομορφίας σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον.