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

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΘΡΩΠΟΛΟΓΙΑ Διαλέξεις Κεφάλαιο 3 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; 24,25/10/2017 Π.Παπαζαφείρη Τι είναι η γονιδιακή δεξαμενή, και γιατί εξετάζουμε τη γενετική των πληθυσμών για να κατανοήσουμε την εξέλιξη;

2 Κληρονομικότητα είναι η μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά φαινότυπος

3 Κληρονομικότητα είναι η μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά Γονότυπος και φαινότυπος

4 Εισαγωγή στη Γενετική και στη Γονιδιωματική:όροι, ορισμοί και στοιχεία μοριακής εξέλιξης Το DNA είναι το μόριο της κληρονομικότητας δύο διαφορετικά είδη DNA: αυτό που βρίσκεται στον πυρήνα των κυττάρων και αυτό των μιτοχονδρίων (mtdna). Το mtdna είναι πολύ μικρότερο από το πυρηνικό DNA και κληρονομείται αποκλειστικά από τη μητέρα, επειδή τα μιτοχόνδρια βρίσκονται στα ωάρια και όχι στα σπερματοζωάρια. ΤΕΛΙΚΑ στο ανθρώπινο σώμα υπάρχουν δύο ομάδες DNA, μια στον πυρήνα που είναι ένας συνδυασμός του πυρηνικού DNA και των δύο γονέων και μια στα μιτοχόνδρια που κληρονομείται αποκλειστικά από τη μητέρα. Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει το χρωμόσωμα Υ (κληρονομείται μόνο από τον πατέρα)

5 Κύτταρο-γονιδίωμα-γονίδιο-γονότυπος-(κληρονομικότητα)-φανότυποςποικιλομορφία ανθρώπινο γονιδίωμα όλο το DNA στο ανθρώπινο είδος γενετική μελέτη της βασικής δομής και των διεργασιών του DNA γονιδιωματική μελέτη του DNA που συμπεριλαμβάνει όλα τα συνδεδεμένα μόρια, τις χημικές ουσίες, και τα εξελικτικά μοτίβα Νουκλεοτιδικές βάσεις : οι τέσσερις χημικές βάσεις που συνθέτουν το βασικό τμήμα του DNA (αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη, και θυμίνη) Χρωμοσώματα : πολύπλοκες δομές που στεγάζουν το υπέρπεριελιγμένο DΝΑ στον πυρήνα

6 DNA: ο γενετικός κώδικας Το DNA παρέχει τις οδηγίες για τις βιολογικές δομές και τις λειτουργίες τους αλλά και την επιδιόρθωση αυτών. Η θεώρηση του DNA, απαραίτητη προϋπόθεση για τη κατανόηση των διαδικασιών της γενετικής κληρονομικότητας και της εξέλιξης Εξέλιξη: μεταφορά της πληροφορίας από μια γενιά στην επόμενη, με την πιθανότητα αυτή η πληροφορία να μπορεί να αλλάξει Δομή: «αλφάβητο» των 4 βάσεων με την εκπληκτική ικανότητα να καθορίζουν λεπτομερώς όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τη σύνθεση και τη λειτουργία των πρωτεϊνών

7 DNA: ο γενετικός κώδικας συρραφή Λειτουργίες: αντιγραφή, μεταγραφή, μετάφραση «ο ένας κλώνος του DNA παράγει το συμπληρωματικό κλώνο του αγγελιοφόρου RNA, ο οποίος έλκει ένα συμπληρωματικό κλώνο του μεταφορικού RNA που μεταφέρει το καθορισμένο αμινοξύ

8 Χρωμοσώματα και γονίδια Ορισμοί Γονιδίωμα, το συνολικό DNA ενός οργανισμού Χρωμόσωμα, ένας επιμήκης κλώνος αλληλουχιών DNA Γονίδιο, ένα τμήμα του το οποίο περιέχει τον κώδικα για μια ανιχνεύσιμη δομή ή λειτουργία Εξώνιο, ένα τμήμα του γονιδίου που κωδικοποιεί τα αμινοξέα τα οποία θα συγκροτήσουν τη πρωτεΐνη Εσώνιο, ένα τμήμα του γονιδίου με μη-κωδικοποιημένες αλληλουχίες (το μεγαλύτερο μέρος των αλληλουχιών είναι δομημένο από μη-κωδικοποιμένες αλληλουχίες με άγνωστη προς το παρόν σημασία) (Ρυθμιστικά γονίδια, υπεύθυνα για την έκφραση πολλών βιολογικών χαρακτηριστικών στον κατάλληλο χρόνο, ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας άλλα γονίδια)

9 Human Genome Project Στον άνθρωπο, το γονιδίωμα αποτελείται από 3 δισεκατομμύρια ζευγάρια βάσεων 1,1-1,5 % κωδικοποιεί πρωτεΐνες ;;;;;;;;;;; κατανόηση της λειτουργίας ή της σχέσης των διαφορετικών γονιδίων με τις πραγματικές βιολογικές δομές Η ποσότητα του DNA στο απλοειδές γονιδίωμα διαφόρων οργανισμών δεν έχει ιδιαίτερη σχέση με τη πολυπλοκότητα του οργανισμού

10 Η υψηλή πιστότητα διατήρησης του DNA σημαίνει ότι συγγενικά είδη έχουν πρωτεΐνες με πολύ παρόμοιες αλληλουχίες Σύγκριση ενός τμήματος του γονιδίου καθορισμού του φύλου σε δύο διαφορετικά ζώα!

11 Τα χρωμοσώματα στον άνθρωπο

12 Οργάνωση γονιδίων Δυνατότητα : 3 εκατομμύρια πρωτεΐνες Πραγματικότητα : Δορυφορικό, εσώνια, μεταθετά στοιχεία

13 Η αντιγραφή του DNA είναι απαραίτητη για δύο σημαντικές λειτουργίες των κυττάρων: μίτωση και μείωση. Η μίτωση είναι η δημιουργία δύο κυττάρων από ένα -διαδικασία, με την οποία το σώμα μας αυξάνεται και αναπλάθει τμήματά του ενώ ένα μόνο κύτταρο αναπτύσσεται σε έναν οργανισμό που αποτελείται από δισεκατομμύρια κύτταρα.

14 Μίτωση και Μείωση Είναι απαραίτητο όλες οι γενετικές πληροφορίες που βρίσκονται στο «αρχικό» κύτταρο ενός οργανισμού να μεταφερθούν ΣΩΣΤΑ (αντιγραφή) σε όλα τα μελλονικά κύτταρα Διαφορετική διαδικασία για να περάσει η πληροφορία από τη μια γενιά στην επόμενη με τη δημιουργία των γενετικών κυττάρων (γαμετών)

15 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

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

17 Ανασυνδυασμός: ανακάτεμα των μητρικών και πατρικών χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μείωσης Αν και δεν εισάγει νέες γενετικές παραλλαγές, ο ανασυνδυασμός εξασφαλίζει ότι κάθε γαμέτης θα έχει ένα νέο συνδυασμό γενετικού υλικού από τους γονείς του. Αυτό συμβαίνει γιατί παρότι τα ομόλογα χρωμοσώματα (τα ίδια χρωμοσώματα, για παράδειγμα, το χρωμόσωμα 1 από τη μητέρα και το χρωμόσωμα 1 από τον πατέρα) έχουν το ίδιο είδος των γενετικών πληροφοριών, κάθε ένα είναι ελαφρώς διαφορετικό σε ορισμένες λεπτομέρειες. Αυτές οι λεπτομέρειες, όταν αναδιατάσσονται με νέους τρόπους, μπορούν να παράγουν μοναδικές σειρές των υφιστάμενων γενετικών πληροφοριών. Ο ανασυνδυασμός μπορεί να εξηγήσει γιατί κάθε ένας από τους απογόνους δύο γονέων είναι διαφορετικός και γιατί κάθε άνθρωπος είναι μοναδικός

18 Επιδιόρθωση του DNA Θερμική διάσπαση πουρινών Απαμίνωση κυτοσίνης Υπεριώδης ακτινοβολία Ελεύθερες ρίζες οξυγόνου >99.9% επιδιορθώνονται (σταθεροποιητική επιλογή)

19 Πρωτεΐνες: ποια η σημασία τους στη θεώρηση του φαινοτύπου; Πως συνεργάζονται για τον σκοπό αυτό με το DNA;

20 Το DNA έχει περιορισμένη δομική ποικιλομορφία και γραμμική μορφή, αλλά οι πρωτεΐνες που προκύπτουν έχουν τεράστια ποικιλομορφία παρότι αποτελούνται από αλυσίδες 20 μόνο διαφορετικών αμινοξέων κάθε μια από τις οποίες έχει χαρακτηριστική τρισδιάστατη δομή και συνεπώς τη δική της βιοχημική ταυτότητα. Αλλαγές του DNA που επηρεάζουν σημαντικά τη δομή των πρωτεïνών μπορεί να είναι σημειακές μεταλλαγές, ελλείψεις ή διπλασιασμοί. Η σημαντικότερη αλλαγή είναι όμως ο ανασυνδυασμός Μοριακό επίπεδο εξέλιξης

21 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης

22 Ελεγχος της πρωτεïνικής δράσης Επίδραση δέσμευσης ανασταλτικού προσδέτη στην ενζυμική δραστικότητα μονομερών ή πολυμερών αλλοστερικών ενζύμων. Με μια μόνο υπομονάδα, οι επιδράσεις είναι σχετικά αργές και απαιτούνται υψηλές συγκεντρώσεις για αναστολή 90% ενώ για ένα τετραμερές, η αναστολή είναι πολύ πιο γρήγορη

23 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Ο υποκινητής βρίσκεται σχετικά κοντά στο γονίδιο μαζί με την RNA πολυμεράση και γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες. Η περιοχή του υποκινητή περιέχει πάντα μια μικρή έκταση επαναλαμβανόμενων ΤΑΤΑ που αναγνωρίζονται από έναν μεταγραφικό παράγοντα κλειδί. Πιο μακρυά υπάρχουν περιοχές που αναγνωρίζονται από πρωτεΐνες γονιδιακής ρύθμισης που λειτουργούν σαν συμπλέγματα.

24 Στάδια ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης Το σημαντικό στοιχείο της γονιδιακής ρύθμισης από πρωτεΐνες είναι ότι η έλικα του DNA μπορεί να «αναγνωριστεί» από την εξωτερική της πλευρά χωρίς δηλαδή τη διάσπαση των δυο αλυσίδων Τελικά, ειδικές ακολουθίες νουκλεοτιδίων διαβάζονται από ειδικά μοτίβα των ρυθμιστικών παραγόντων: Έλικα-στροφή-έλικα Δάκτυλος ψευδαργύρου Φερμουάρ λευκίνης Το ταίριασμα της έλικας του DNA και της ρυθμιστικής πρωτεΐνης είναι τόσο ακριβές, ώστε να μπορούν να αναπτυχθούν μέχρι και 20 διαφορετικά είδη δεσμών μεταξύ αυτών των δυο «μορίων»

25 ρυθμιστικά γονίδια Μπορεί να έχουν τεράστια εξελικτική σημασία: Εξήγηση των μεγάλων φυσικών διαφορών ανάμεσα στον χιμπατζή και τον άνθρωπο που παρουσιάζουν πάνω από 98% ομοιότητα στα δομικά τους γονίδια. Γονίδια ομοιοακολουθίας, με σημαντική συμμετοχή στη ρύθμιση της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Τα γονίδια αυτά είναι παρόμοια σε πολλούς πληθυσμούς : έντομα, ποντίκια, άνθρωπος η διαδικασία της εμβρυονικής ανάπτυξης σε κεφάλι, θώρακα και ουρά, μπορεί να λάβει χώρα μόνο μια φορά στην εξέλιξη... Τα ίδια γονίδια μπορεί να παρεμποδίζουν την ανάπτυξη κάποιου φαινοτυπικού χαρακτηριστικού σε μεταγενέστερες μορφές Σύνδρομο Marfan (?)

26 Ο ρόλος των πρωτεϊνών στη ρύθμιση της μεταγραφής το σύμπλεγμα που ελέγχει τη μεταγραφή μπορεί να είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο και να καταλαμβάνει μέχρι και ζεύγη βάσεων Μια ρυθμιστική πρωτεΐνη μπορεί να δρα σαν ενεργοποιητής σε ένα σύμπλοκο και σαν καταστολέας σε ένα άλλο Η ανόμοια κατανομή των μεταγραφικών παραγόντων κατά μήκος ενός εμβρύου, καθορίζει τη χωροθέτηση της πληροφορίας έτσι ώστε τα χρωμοσώματα των κυττάρων ή των πυρήνων να εκτίθενται σε διαφορετικό ρυθμιστικό περιβάλλον Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης μπορεί να μεταβιβάζεται από κύτταρο σε κύτταρο και στο χώρο και στο χρόνο (κυτταρική μνήμη) Προσαρμοστική αλλαγή: μέσω μεταλλαγών στα γονίδια που κωδικοποιούν γι αυτούς τους παράγοντες ή μέσω επανα-διευθέτησης των ρυθμιστικών κέντρων, δημιουργώντας έτσι ένα νέο κύκλωμα και τροποποιώντας τους υπάρχοντες ελέγχους.

27 Μοριακό επίπεδο εξέλιξης Διπλασιασμός (από ανασυνδυασμό): πολλαπλά διαθέσιμα αντίγραφα γονιδιακές οικογένειες Συρραφή (εναλλακτική) Ενσωμάτωση εσωνίων :νέες πρωτεïνες με νέες λειτουργίες από τμήματα προϋπαρχουσών Μεταθετά στοιχεία συνδετικός κρίκος μεταξύ περιβάλλοντος και προσαρμογής Ανασυνδυασμός ακολουθιών που κωδικοποιούν για σταθερές επικράτειες Μετα-μεταφραστική σύνδεση Πολλαπλές εσωτερικά επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες Πολύ μικρή πιθανότητα δημιουργίας μιας νέας πρωτείνης : μεταλλαγές παλιών Η εξέλιξη των πρωτεινών στηρίζεται σε ένα σύστημα «δοκιμής-λάθους» Ισομορφές ισοένζυμα - αλλοένζυμα

28 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;

29 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

30 Κλασική Γενετική - Κληρονομικότητα

31 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 προκαλεί τη δημιουργία ενός παρατηρήσιμου χαρακτηριστικού σε έναν οργανισμό

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

33 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

34 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

35 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)

36

37 Ο νόμος του ανεξάρτητου διαχωρισμού

38 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 στην ίδια θέση

39 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

40

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

42 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.

43 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;;;

44 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;;

45 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.

46 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

47 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- έλλειψη 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

48 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

49 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!

50 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

51 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

52 Πληθυσμιακή γενετική Ποια είναι η προέλευση των βασικών μονάδων της γενετικής ποικιλίας σε γονιδιακό και χρωματοσωματικό 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

53 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.

54 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.

55 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

56 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

57 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.