Základy genetiky

Genetika jako věda je neodmyslitelně úzce spjata s evoluční naukou na jedné straně a s cytologií a molekulární biologií na straně druhé. V důsledku toho je genetika nezbytná pro správné pochopení biologických procesů na všech úrovních organizace živé hmoty. Tato krátká příručka představuje nejčastější problémy na úrovni olympiády v genetice a návody nutné k jejich řešení, formuluje běžně používané pojmy a ukazuje správný způsob vnímání biologické reality z hlediska moderní vědy.

Tento text předpokládá, že čtenáři mají primární znalosti z genetiky, konkrétně znalost základních pojmů genetiky používaných při řešení genetických problémů pomocí symboliky a Mendelových zákonů.

V moderní genetice se ke studiu vzorců dědičnosti používají následující metody:

• Hybridologické – vytváření systémů křížení, které umožňují vysledovat vzorce dědičnosti znaků přísným výběrem rodičů, kteří se liší v kontrastních znacích, přísným kvantitativním účtováním distribuce znaků u kříženců a individuálním posuzováním potomků v řadě generací
• Genealogické – sestavování a rozbor rodokmenů
• Dvojče – studium dvojčat nám umožňuje určit, do jaké míry závisí stupeň projevu znaku na genotypu a vnějším prostředí
• Molekulární biologie – studium primární struktury dědičných molekul na úrovni od genů po chromozomy
• Populační genetika – studium genetické struktury populací a souvisejících evolučních vzorců.

DNA a její studium v genetice

Deoxyribonukleová kyselina hraje ústřední roli v procesu ukládání informací ve všech buněčných organismech. To je důvod, proč jsou metody molekulární biologie, které pracují specificky s tímto polymerem, tak rozmanité: sekvenování nukleotidové sekvence, polymerázová řetězová reakce, gelová elektroforéza, restrikční analýza a Southern blotting.

• Sekvenování je proces stanovení sekvence dusíkatých bází v řetězci DNA. V současné době se používá k získání kompletních genomů organismů a úkolů podobného rozsahu.
• Polymerázová řetězová reakce je proces produkce četných kopií úseku DNA (asi tisíc párů bází) uzavřených mezi speciálně vybrané krátké sekvence (primery). Toto je obvykle přípravná fáze pro jiné metody.
• Gelová elektroforéza je metoda separace lineárních fragmentů DNA v agarózovém gelu v závislosti na jejich délce (kratší migrují rychleji) pomocí energie elektrického pole a následné vizualizace pomocí fluorescenčních barviv, která specificky interagují s DNA. Často je paralelně se studovanými vzorky z forézy předán soubor lineárních fragmentů DNA známé délky, což umožňuje přesněji odhadnout délku počátečních fragmentů.
• Restrikční analýza je studium DNA pomocí restrikčních endonukleáz, tedy enzymů, které zavádějí dvouvláknový zlom do DNA, ale pouze v těch místech, kde se vyskytuje nukleotidová sekvence specifická pro každý konkrétní restrikční enzym.
• Southern blotting je metoda hledání určitých sekvencí ve studované DNA, které jsou komplementární ke známé sekvenci DNA tagu. Této fázi předchází gelová elektroforéza. Metoda pomáhá při hledání homologních genů a genových kopií v genomu.

Pomocí těchto metod je možné doložit rozdíly v genotypech organismů na molekulární úrovni a vizualizovat různé mutace. Kombinací gelové elektroforézy s použitím restrikčních enzymů lze mapovat DNA. Za tímto účelem porovnejte výsledky hydrolýzy studovaného fragmentu s každým restrikčním enzymem jednotlivě a jejich kombinacemi. Tyto fragmenty se pak oddělí pomocí elektrického pole a vyhodnotí se jejich velikost. Výsledky společné hydrolýzy ukazují, zda jsou ve fragmentu izolovaném konkrétním restrikčním enzymem obsažena rozpoznávací místa pro různé restrikční enzymy. Pokud jsou přítomny, pak takový fragment zmizí v gelu a změní se na dva nebo více subfragmentů o stejné celkové délce. Porovnáním velikostí fragmentů lze určit lokalizaci restrikčních míst.

Mnoho bakterií má speciální enzymy – restrikční enzymy – na ochranu před viry. Štěpí DNA v určitých sekvencích, které v DNA bakterií daného druhu chybí nebo jsou modifikovány přidáním methylové skupiny k bázi. Tyto enzymy jsou pojmenovány podle prvních písmen latinského názvu rodu a druhu bakterií, např. Eso – Е scherichia co li – restrikční enzym z Escherichia coli. Když takový enzym působí na purifikovanou DNA, dochází na přesně definovaných místech ke zlomům a vznikají fragmenty DNA o určité délce.

Porovnáním štěpení zkoumané DNA s různými restrikčními enzymy a jejich kombinacemi je možné určit relativní umístění bodů štěpení a zkonstruovat mapa omezení danou sekvenci DNA. Z bakteriálních buněk byl izolován malý kruhový DNA plazmid nesoucí gen rezistence na penicilin. Štěpení tohoto plazmidu třemi restrikčními enzymy poskytlo následující fragmenty (viz tabulka). Pomocí těchto dat zkonstruujte restrikční mapu plazmidu a umístěte na ni všechny body štěpení. Zdůvodněte svou odpověď a naformátujte ji podle vzoru (jako na obrázku).

rozhodnutí

Jedním z přístupů k řešení tohoto problému je uvažovat vzájemnou polohu Sal a Hind restrikčních míst. Sal produkuje dva fragmenty stejné délky (5 kb), po zpracování Sal+Hind jsou získány fragmenty 4; 3; 2 a 1. Dále pomocí elementární aritmetiky můžete určit, že jeden z fragmentů Sal je Hindem rozřezán na fragmenty 4 a 1 (4 + 1 = 5) a druhý na fragmenty 3 a 2 (3 + 2 = 5 ).

Restrikční enzym Hind produkuje fragmenty o velikosti 6 a 4 kb. Po zpracování pomocí Sal+Hind byl získán fragment o velikosti 6 kb. je rozřezán na fragmenty 4 a 2 tisíce bp a fragment má 4 tisíce bp. – o 3 a 1, v tomto pořadí. Tato data jsou dostatečná pro zahájení konstrukce restrikční mapy plazmidu. Pro usnadnění označme každý z párů sestávajících z restrikčního místa Sal a blízkého místa Hind různými barvami.

Nyní můžete nastavit relativní umístění stránek Sal a Ava. Kombinované působení Sal+Ava vede ke čtyřem fragmentům: 3,5 tisíce bp; 3 tisíce bp, 2 tisíce bp a 1,5 tisíce bp. Je zřejmé, že jeden z fragmentů Sal je štěpen Ava na 3,5 a 1,5 kb. (3,5 + 1,5 = 5) a druhý – na 3 a 2 tisících bp. (3 + 2 = 5). Podobně můžete sestavit mapu pro Sal a Avu.

Nyní postavme další pomocnou mapu pro Hind a Avu. Je zřejmé, že Hind fragment je dlouhý 6 kb. Ava je rozřezána na fragmenty 4 a 2 tisíce bp a Hind fragment má 4 tisíce bp. Ava je rozřezána na fragmenty o velikosti 2,5 a 1,5 kb. V tomto případě by fragmenty 4 a 1,5 měly být poblíž (stejně jako fragmenty 2 a 2,5). Vyplývá to z údajů o zpracování plazmidu pouze Ava. Mapa pro Hind a Avu vypadá takto.

Pro konečné řešení je nutné zkombinovat všechny výsledné mapy omezení. V tomto případě se můžeme setkat se situací, kdy jedna z karet bude muset být buď zobrazena symetricky, nebo otočena o určitý úhel. Pro takovou kombinaci existují dvě možnosti.

Zvažme obě možnosti.

1. V případě Hind(1)=Zadní* Místa omezení Sal musí být umístěna ve vzdálenosti 2 ( Sal* ) a 3 tisíce bp. ( Sůl ). Pak bude restrikční bod Sal ve vzdálenosti 0,5 tisíce bp. z Ava (1) (Viz obrázek B). Při kombinaci s plazmidem Sal+Ava na DNA by měl být získán fragment o délce 0,5 tisíc bp. To je však v rozporu s podmínkou: získávají se fragmenty kratší než 1,5 tisíce bp.
2. V případě Hind(1)=Zadní Místa omezení Sal musí být umístěna ve vzdálenosti 1 ( Sůl ) a 4 tisíce bp. ( Sal* ). V tomto případě web Sůl bude ve vzdálenosti 1,5 od místa Ava(1) a web Sal* – ve vzdálenosti 2,0 od místa Ava(2) . Tedy srovnání Obr. B a Obr. B, najdeme to Ava(1) = ava* , zatímco Ava(2) = Ava a musíme zobrazit mapu na Obr. B se zrcadlí. Konečná mapa omezení vypadá takto.

Odpověď: rýže

Pokud je mapa zrcadlově symetrická k té uvedené v odpovědi a/nebo otočená o určitý úhel, nejedná se o chybu. Problém by se také mohl začít řešit konstrukcí počáteční mapy pro jakýkoli jiný restrikční enzym.

Struktura genu a její působení prostřednictvím produktu

Naprostá většina genů vyjadřuje svou funkci prostřednictvím proteinu, který kódují (strukturální geny). Během procesu translace se podle sekvence bází nukleových kyselin v souladu s genetickým kódem vytvoří sekvence aminokyselin. Genetický kód má následující vlastnosti:

1. Triplety – každá aminokyselina je kódována sekvencí tří nukleotidů
2. Jednoznačnost – každý triplet kóduje jednu aminokyselinu nebo translační koncový signál
3. Degenerace – většina aminokyselin má několik různých tripletů
4. Interpunkční znaménka v genu chybí a musí se vyskytovat na konci jeho sekvence
5. Univerzálnost – stejné triplety kódují stejné aminokyseliny v různých formách života

Nejsnáze sledovatelné jsou ty proteiny, které katalyzují nějaký druh chemické reakce. Například studiem mutantních buněk, které nejsou schopny syntetizovat žádnou látku, je možné stanovit sekvenci chemických reakcí v metabolické dráze. V olympijské praxi to může vypadat jako problém s testem na syntrofismus. Podívejme se na takový problém navržený v teoretickém kole B Mezinárodní biologické olympiády 2014.

Tři mutantní kmeny bakterií TrpB-, TrpE- a TrpD-, defektní v jednom z kroků dráhy biosyntézy tryptofanu, byly naneseny na Petriho misku (viz obrázek níže). V médiu byla omezená koncentrace tryptofanu, což umožnilo růst tenkých pruhů, než tryptofan v médiu došel. Ale některé úlomky tahů dál rostly a ztloustly. Během syntézy tryptofanu se chorismát přeměňuje na antranilát, indol a nakonec tryptofan.

Určete pravdivost následujících tvrzení:

1. Z výsledků vyplývá, že meziprodukty jsou aktivně vylučovány kultivačními buňkami
2. TrpD má mutaci v enzymu, který katalyzuje přeměnu indolu na tryptofan
3. TrpE- je schopen syntetizovat tryptofan, pokud médium obsahuje antranilát nebo indol
4. Indol se hromadí v prostředí, ve kterém se buňky TrpB- nacházejí v těsné blízkosti TrpD-

řešení: Test na syntrofismus je založen na skutečnosti, že mutace se ztrátou funkce znamená zastavení dalšího používání intermediárního metabolitu, který zaujímá místo v biosyntetickém řetězci bezprostředně před zablokovaným stádiem. V důsledku toho se přechodný metabolit hromadí v mutantní buňce a může být uvolněn do růstového média. Takové mutantní buňky jsou schopny podporovat, s pomocí metabolitu, který vylučují, růst jiných mutantních buněk, ve kterých jsou blokována dřívější stadia tohoto řetězce biosyntézy. Omezené množství konečného produktu biosyntetické dráhy, v tomto případě tryptofanu, je nezbytné k udržení slabého proužkového růstu mutantních buněk, což jim umožňuje uvolňovat difúzní metabolity do prostředí. Hojný růst na koncích strií buněk TrpD a TrpE se vysvětluje tím, že metabolit nezbytný pro svůj růst přijímají z buněk TrpB a buněk TrpE také z TrpD. Protože buňky TrpB podporují růst TrpD a TrpE, gen TrpB se v biosyntéze tryptofanu řadí za TrpD a TrpE. Buňky TrpD podporují růst TrpE, proto je gen TrpD umístěn za genem TrpE. Pořadí genů v řízení procesu biosyntézy tryptofanu:

Nyní zvažte pravdivost tvrzení:

1. Z výsledků vyplývá, že meziprodukty jsou aktivně vylučovány z buněk. Nesprávné, protože experiment nezahrnoval aktivní transport.
2. TrpD má mutaci v enzymu, který katalyzuje přeměnu indolu na tryptofan. Nesprávné, protože TrpD má mutaci v enzymu, který přeměňuje antranilát na indol.
3. TrpE- je schopen syntetizovat tryptofan, pokud je v médiu antranilát nebo indol. Pravda, protože dřívější fáze biosyntetické dráhy je narušena.
4. Indol se bude hromadit v prostředí, ve kterém jsou TrpB-buňky umístěny v těsné blízkosti TrpD-buněk. Špatně. Přestože buňky TrpB uvolňují indol do prostředí, nebude se hromadit, protože TrpD je schopen syntetizovat tryptofan z indolu a spotřebovává jej z prostředí.

Křížení za podmínky absence vzájemného propojení genů

Tato část pojednává o případech, kdy je znak kódován jedním genem, geny nejsou zahrnuty do vazebných skupin a jejich produkty spolu nijak neinteragují. Zdánlivá jednoduchost takových problémů však může negativně ovlivnit schopnost je vyřešit, pokud si nepamatujete následující potíže:

1. Úplná/neúplná dominance. Pokud se fenotyp heterozygota shoduje s fenotypem dominantního homozygita, alelické geny interagují podle principu úplné dominance. V případě neúplné dominance se fenotyp heterozygota neshoduje s fenotypy homozygotů a je průměrem (meziproduktem) mezi dominantním a recesivním fenotypem.
2. Penetrabilita – poměr frekvence projevu fenotypu k frekvenci genotypu
3. Pleiotropismus je mnohočetný účinek genů v důsledku rozmanitosti rolí produktů. Příklad: Morphan syndrom. Mutace v genu pro fibrillin-1 vede k rozvoji pavoučích prstů, posunu čočky a prolapsu srdečních chlopní v nosiči.
4. Mnohočetný alelismus – přítomnost dvou nebo více variant alel v genu
5. Kodominance je vznik fenotypu odlišného od fenotypu homozygotů u heterozygota v důsledku přítomnosti produktů obou alel. Například čtvrtá krevní skupina se u lidí vyskytuje v důsledku přítomnosti obou variant antigenů na povrchu červených krvinek
6. Převaha – heterozygoti jsou obvykle silnější a lépe adaptovaní než oba homozygoti. Příkladem je srpkovitá anémie u lidí v oblastech s vysokou hrozbou malárie. Recesivní homozygoti pro tuto vlastnost umírají v dětství a pro plazmodium je obtížnější reprodukovat se v erytrocytech heterozygotů než u normálních. Dominantní homozygoti mají normální červené krvinky.

Musíte také věnovat pozornost tomu, zda jsou genotypy v problému specifikovány přímo nebo nepřímo. Ilustrujme si to na příkladu problému z krajského stupně VOŠ biologie pro akademický rok 16/17

U psů je běžná recesivní hluchota, která není vázaná na pohlaví. Tato vlastnost je určena jedním genem. Pořídili jste si pár psů s normálním sluchem, a přestože všichni jejich rodiče měli normální sluch, pejsek i fenka měli sourozence (bratry a sestry) s hluchotou. Jaká je pravděpodobnost, že tento pár bude mít hluché štěně?

Abychom zjistili pravděpodobnost, že budeme mít hluché štěně, nejprve určíme genotypy rodičů a starší generace. Vzhledem k tomu, že rodiče mají hluché sourozence (recesivní homozygoti) a celá starší generace je zdravá, jsou oba rodiče tohoto páru psů heterozygoti. Vzhledem k tomu, že původní pár je zdravý, pak s tímto fenotypem pro každého z nich existuje pravděpodobnost, že jsou heterozygoti, což se rovná 2/3, a 1/3, že jde o dominantní homozygoty. Štěně bude hluché pouze tehdy, když se narodí heterozygotním rodičům (4/9 šance, že pár bude heterozygotní) a od každého obdrží recesivní gen (1/4 šance). Konečná pravděpodobnost požadované události je tedy 1/9.

Úloha ze závěrečného ročníku SPŠ biologie 14/15

Chovatel ve snaze vytvořit čistou linii krátkonohých kuřat mezi sebou křížila krátkonohá kuřata po deset generací, ale vždy asi třetina kuřat měla normální nohy a asi dvě třetiny krátké. To je způsobeno tím, že:

1. gen pro krátké nohy se nachází na chromozomu X a projevuje se u mužů; Špatně, protože o pohlaví se nic neříká. Poměr pohlaví u kuřat je 1:1
2. gen pro krátké nohy je smrtelný u homozygotů a projevuje se u heterozygotů; Přesně tak, příklad pleiotropního působení genu.
3. gen pro krátké nohy se projevuje odlišně u mužů a žen; Špatně, poměr pohlaví kuřat je 1:1, o pohlaví potomků se nic neříká.
4. krátké nohy jsou spojeny s několika nezávisle zděděnými geny. Falešné, rozdělení s několika nezávislými geny není tak jednoduché.

Interakce nealelických genů

Mnoho biologických procesů se skládá z několika fází. Kromě toho může genom obsahovat regulační prvky, které ovlivňují možnost projevu znaku. Tradičně jsou následující jevy klasifikovány jako nealelické interakce:

1. Komplementarita – znak vzniká spojením produktů dominantních alel. Ukázka zadání ze závěrečného stupně VOŠ biologie 14/15.

Ve školní laboratoři studovali středoškoláci syntézu pigmentu v okvětních lístcích určitého druhu rostliny. Pro pokus jsme použili dvě odrůdy s květy s bílými korunami. Nejprve kluci rozdrtili okvětní lístky a poté vytvořili extrakty. Při míchání výsledných roztoků získala původně bezbarvá kapalina časem fialový odstín. Podívejte se na experimentální design. Je známo, že za znak jsou zodpovědné dva geny. Jakou segregaci lze očekávat v F2, pokud jsou rostliny odrůdy #1 a odrůdy #2 vzájemně kříženy? Vezměte v úvahu, že obě variety jsou čisté linie (tj. homozygotní pro všechny geny).