Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

1

Az öröklődés mendeli, cito- és molekuláris genetikai alapjai

Audience Response System – saját telefonról, tábláról• Magázódás a tegeződés reményében! „a nyelv beszél (minket) – M. Heidegger”• Évfolyamfelelős – jár előadásokra(elsőn is volt), válaszol a levélre, listát eléri• 2x 42p +5 perc mosdó szünet. Kérem, hogy senki ne maradjon a helyén!• ARS - órai aktivitás fenntartására, ellenőrző kérdések,

• https://www.socrative.com/apps.html• Teremszám: F32BB0XN

• Első ARS!! ←←

•Utódok és szülők hasonlatosságának felismerése és magyarázata •Pángenezis: a szerzett tulajdonságok is öröklődnek (Aristoteles, Ch.

Darwin, J.B. Lamarck). Ma: epigenetika néven aktuális! epigenetika: szekvencia változás nélküli működésváltozás

•Preformáció: ivarsejtekben kicsinyített formában jelen vannak a jövendő élőlények •Epigenezis: megtermékenyített, differenciálatlan petesejt átalakulásával új élőlény jön létre•ú.n. "ősörökség-törvény" (F. Galton, 1822-1911) regresszió-törvénye, a szerzett tulajdonságok nem öröklődnek

Genetika kifejezés használata (Gróf Festetics Imre, 1819), Ökonomische Neuigkeiten und Verhandlungen c. brünni szaklap 22. száma, juhtenyésztési vitacikkben elsõként említi …”genetischeGesetze der Natur.”

Mendelt megelőző öröklési elméletek

Falus_Epigenetika.pdf

•Ágostonrendi szerzetes, majd főapát Brünnben. Kitűnő tanár, zseniális és szerencsés kutató. •Modern örökléstan megalapítója: törvények, öröklésmenetek, anyagi alapok, „faktorok” leírása, borsón és csodatölcséren végzett kísérletekben.

•Tézisek ismertetése ellenére (Brünn Society forNatural History, 1865-66) munkássága értékét kora nem ismerte fel.

Gregor Johann Mendel (1822-1884)

•Fél évszázaddal később H. De Vries (1848-1935), K. E. Correns (1864-1933), E. Tschermak (1871-1962) és W. Bateson (1861-1926), vizsgálataikkal, állatokban is, igazolták Mendel „alaptörvényeit”

•Weissmann: sejtmag döntő szerepe, csírapálya folytonosság •T. H. Bover (1862-1915) és W. S. Sutton (1877-1916): kromoszómák szerepe (homológ kromoszómák) •W. L. Johanssen (1857-1927): mendeli szabályok érvényessége, tiszta vonalak jelentősége, "gén" fogalom, öröklött és környezeti hatására létrejött variabilitás, geno- és fenotípus megkülönböztetése •H. de Vries (1848-1935), C. Correns, E. von Tschermak: Mendel szabályok újrafelfedezése; a mutációk fontossága •H. J. Muller (1890-1967): mutáció egyik oka a röntgensugárzás

•T. H. Morgan (1866-1945): –kromoszómák és átöröklés összefüggései Drosophila-(ecetmuslica klasszikus modellállat) fajon, –ivarhoz kötött öröklés, ivar kialakulása, génkapcsolódás, crossing over.-genetikai távolság cM

A genetika kiemelkedő személyiségei Mendel után

•K. Pearson (1857-1936), R. C. Punnett (1875-1967), G. H. Hardy (1877-1947), W. Weinberg (1862-1937), Fisher (1890-1962), S. Wright (1889-1988): öröklődés matematikai törvényszerűségei •G. W. Beadle (1903- ) és E. L. Tatum (1909-1975): gének és enzimműködések összefüggései •Zsákutcák (I. V. Micsurin, T. D. Liszenkó)

DNS korszak •J. D. Watson (1928- ), F. H. C. Crick (1916-2002 ) és H. W. Wilkins (1916- ): DNS felépítésének tisztázása, kettős spirál, röntgen-diffrakció, Nobel-díj,

A genetika kiemelkedő személyiségei Mendel után

2013

https://vimeo.com/75428437

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

2

•Genomika időszaka –DNS szekvenálás (Fred Sanger, 1977), DNS fingerprinting (Alec Jeffrey, 1989), PCR, genomika, transzkriptomika, proteomika stb.) Kary Banks Mullis (1944.–), PCR Nobel-díj–Genom Projektek befejezése (humán, 2003), gén/mutáció localizáció , • Szekvenálás (NGS),• Oxford Nanopore-Craig Venter

• Új generációk

-Bioinformatika

A genetika kiemelkedő személyiségei Mendel után

„Bioinformatika egy új, multidiszplicináris terület, amely a matematika, informatika, biológia, farmakológia és orvostudomány határterületén területén levő kérdésekkel foglalkozik.”- előadás, laptopos (utolsó) gyakorlat

https://www.ted.com/talks/craig_venter_is_on_the_verge_of_creating_synthetic_life?language=hu

•Gén (allél) és génhely (lokusz) szimbólumok (nemzetközi): B-, aa, Bb, +, Xh, FecB, FecX, DMD, Ryr1, Tyr (=C, tirozináz) stb., nemzetközi kódok GENBANK

•Genotípusok: –Homozigóta (AA, aa), heterozigóta (Aa), –hemizigóta (X-, és Z-hez kötött tulajdonságnál,. XhY, hemofilia), –autozigóta (populációban több nemzedéken át homozigóta fixáltság)

•Tulajdonságok (fenotípus): –monogénes (nagyhatású gének), –poligénes (kishatású gének)

Öröklődési alapfogalmak (mendeli genetika) 1

•Intralokális génkölcsönhatások (azonos lokuszon!)

–Dominancia, recesszivitás (domináns-recesszív), heterodinám öröklésmenet (pl. szmfekete és vörös szín) –Kodominancia, szemidominancia (inkomplett dominancia), homodinám (intermedier) öröklésmenet (pl. polimorf vércsoportok és fehérjék, szm: deres shorthorn, ló: palomino és buckskin stb.) –Szuperdominancia (overdominancia, heterozigóta előny a fittneszben!) Pleitrópia

A pleitrópia azt jelenti, hogy ugyanazon gén több tulajdonságot alakít ki. Az adott génnek mellékhatása lehet. Előfordulhat, hogy a két domináns allél együtt letális, vagy ivar átfordítást eredményez.

Öröklődési alapfogalmak (mendeli genetika) 2

episztázis: epi-, hiposztatikus allélek (interlokális kölcsönhatás)

Az episztázis különböző génhelyek (lokuszok) közötti kölcsönhatás. • az egyik lokuszon lévő gén (episztatikus gén) elnyomja a másik lokuszon lévő gén

(hiposztatikus gén) hatását, • intermedier (köztes) jelleg is.• többszörös episztázis, amikor egy-egy tulajdonság poligén jellegű, azaz több gén

hatására alakul ki. A gének kölcsönhatásba kerülve módosíthatják egymás hatását (komplementer hatás).

Öröklődési alapfogalmak (mendeli genetika) 3

Domináns-recesszív öröklésmenet: Fekete (B-) és vörös (bb) szín: Szabályok: Szülők genetikai tisztasága, F1 uniformitás, Szegregáció.

Monohibrid keresztezés - Domináns-recesszív

(baromfi fodros tollazat, frizzle, FF, Ff, ff, domináns dózishatással, homo- és heterozigóták különböznek)

Intermedier (inkomplett domináns) öröklés

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

3

Intermedier (episztázisos) öröklés

(vörös/sárga, kremello/krém, palominolószínek): geno- és fenotípusok

Intermedier (episztázisos) öröklés

Sárga (vörös): ee/CC Palomino, aranysárga, lenszőke, mosott sörényű: ee/CCcr Kremello (krémszín): ee/CcrCcr Lokusz szimbólumok: E (extension, =MCR1, melanokortin-receptor, ee=vörös); C (colour, tyr, tirozináze) Cr (cremello, krémszín)

Mendeli öröklés szabályai

•Feltételek: Monogénes, egy lokuszos, eltérő kromoszómákon lévő(nem kapcsolt!), nem X-hez kötött tulajdonságoknál!

1. Ivarsejtek tisztasága a szülői nemzedékekben. 2. F1 Uniformitás és reciprocitás, az első nemzedék geno- és fenotípusos azonossága homozigóta szülőknél, függetlenül attól, hogy melyik szülői ivar hordozza a domináns vagy a recesszív alléleket (homodinám, heterodinám öröklés). 3. A tulajdonságok szétválása (szegregáció, 1:2:1, 3:1) és ismételt megjelenése a második (F2) nemzedékben. 4. Szabad kombinálódás, új kombinációk (9:3:3:1) megjelenése eltérő kromoszómákon és lokuszokon öröklődő több tulajdonság esetében: interkromoszómális vagy mendeli rekombináció mono-, di-, tri-, polihibridkeresztezésekben.

Minőségi és mennyiségi tulajdonságok

•Monogénes (mendeli, faktoriális, kvalitatív) öröklődés: –Nagyhatású (major) gén, monogén hatás. –Minőségi jellegű tulajdonság. –Igen vagy nem jellegű, diszkontinuitás. –Szétváló, független tulajdonságok.

•Poligénes (kvantitatív, populációgenetika módszereivel követhető, h2) öröklődés: –Sok kishatású (minor) gén, poligén hatás (QTL, quantitative trait loci). –Mennyiségi jellegű tulajdonság, mérhető. –Átmenetek, közbülső formák megjelenése, kontinuitás (normális eloszlás). –A tulajdonság populációs szinten nagy változatosságot mutat.

•Genotípus: –nukleáris és mitokondriális GENOM, –2n kariotípus, diploid kromoszómaszám, –teljes DNS és génkészlet.

•Fenotípus, paratípus (környezeti hatásra kialakult fenotípus)

•Meiózis, mitózis (oogenezis, sarki test, spermatogenezis)

•Genomstruktúrálódás: kromoszómák: –autoszómák és gonoszómák (ivari), –meta- szubmeta-, akro- és telocentrikus kromoszómák, –ábrázolás, megjelenítés: kariogram, idiogram.

Citogenetikai alapfogalmak Kutya kromoszómakészlete (kariotípus, kariogram)

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

4

A kutya mitokondriális DNS-e (mtDNS) ARS01: A PCR reakcióban:

1. Felsokszorozdik a célzott DNS szakasz2. Megkétszereződik a kiválasztott genomiális szakasz3. Specifikus genomiális szekvenciáknál a hasítóenzimek elvágják a DNS molekulát4. Felsokszorozdik a primer szekvencia

ARS02: A kariogramm

1. Az ideális ivararány megjelenítése a korfa eltérő paraméterei mellett.2. A karácsonyi családi ajándékozási kapcsolatokat ábrázoló diagramm.3. Fajra jellemző mitokondriális felépítés ábrázolása.4. Egy sejt kromoszómaszerelvényének fényképes vagy rajzos ábrázolása.

ARS03: A Gauss-görbe, egy olyan diagramm, amely ábrázolja a:

1. A tompaszögű háromszögek kiegészítő szögeinek összegét határozza meg.2. A telítődési folyamatok egyedszámváltozást jelző (Δn) mutatóját3. A binomiális tételben szereplő kitevők eloszlását4. A statisztikai normál eloszlást

ARS04: A Humán Genom Projekt egyik résztvevője volt:

1. Kary Banks Mullis2. R.C.Punneth3. Craig Venter4. H. W. Wilkins

https://www.youtube.com/watch?time_continue=55&v=v-gS1-IMC0I

ARS05: A szuperdominancia jelensége:

1. Az overdominancia speciális esete, letális tulajdonság.2. A heterozigóták mindig jobb fittnesszel rendelkeznek mint a

homozigóták.3. Letális mutációk esetében előforduló, a homozigóták túlélését

javító jelenség.4. Váratlan fenotípusok megjelenésével járó jelenség.

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

5

Szünet! 5 perc, mozgás, ablak - ajánló sajtó helyett:Evolúció és kariotípus összefüggései emlősökben

• Örökletes anyag (nukleáris genom, 99%): – A fajok 2n kromoszómaszáma változatos. – A DNS teljes mennyisége csaknem azonos az emlős fajokban. – Evolúció: Örökletes anyag újra szerveződése az egyes fajokban. – A kromoszómák hosszú karjainak teljes száma (Nombre Fondamental, NF) gyakorlatilag állandó az emlősfajokban. – A fajok analóg kromoszóma karjainak felépítése (sávok, géntérképek és lokalizációk) is nagyon hasonlóak.

• Fajok hibridizációja (sikeresség): – Változatok: nincs termékenyülés és fogamzás-tól életképes és termékeny utódok-ig. – Fenti két szélsőség közötti számos változat kialakulása . – A kromoszómaszám és felépítés fontosabb a külső hasonlóságnál. – Haldane-szabály: a fajhibrid utódok között a hiányzó vagy terméketlen utód a heterogametikus ivar (emlősökben a hím, madarakban a tojó). Magyarázat: diszharmonikus interakció az X- és Y-hoz kötött termékenységi gének között.

Faj teljes diploid (2n) szám, metacentrikus, akrocentrikus• Macska, Felis catus 38 16, 2 • Kutya, Canis familiaris 78 0, 38 • Sertés, Sus scrofa dimesticus 38 12, 6 • Kecske, Capra hircus 60 0, 29 • Juh, Ovis aries 54 3, 23 • Szarvasmarha, Bos taurus 60 0, 29 • Ló, Equus caballus 64 13, 18 • Szamár, Equus asinus 62 24, 6 • Alpaka, Lama pacos 74 16, 20 • Láma, Lama glama 74 16, 20 • Teve, Camelus ferus 74 16, 20 • Nyúl, Oryctolagus cuniculus 44 19, 2 • Tyúk, Gallus domesticus 78 (Mikrokromoszomák!)

Meta- és akrocentrikus kromoszómák száma néhány fajban

• DNS, Gén-allél, génlokusz, lokusz. • Fizikai, kapcsoltsági, hibridizációs géntérképek. • Genomika éra (DNS szekvenálás, PCR, gén és mutáció lokalizálás és szekvenálás, gén expresszió): – Genom projektek: Humán, kutya, más háziállatok, stb., ma már több száz faj genomszekvenciája ismert. – Géntérképezés: meiotikus kapcsoltsági, radiációs hibrid, fizikai térképek, gén és QTL térképezés, mutációk, génhelyek, szekvenciák meghatározása, lokalizálása a genomban (összehasonlító géntérképek - Géntérképezés, QTL-vizsgálat, genomi vizsgálatok alkalmazása). – Transzkriptomika: génátírás, transzkripciós faktorok, mRNS minták. – Proteomika: gén termékek, fehérje mintázatok. – Metabolomika: anyagcsere termékek és mintázatok.

Molekuláris genetikai alapfogalmak

• Epigenetika, epigenomika: gén expresszió és átírás módosulásai – Transzkripciós faktorok működése, – Nem DNS-alapú (miRNS) öröklés, – Citoplazmatikus tényezők hatása a DNS-re, DNS-metilálás, acetilálás, foszforilálás, hisztonok

kapcsolódása, sejtmemória, – Genomiális imprinting (uniparentális öröklés), gén inaktiválás, csendesítés: génexpresszió,

„gén-megszólalás” térbeli és időbeli szabályozása – Egyedi szintű és transzgenerációs hatások és öröklődési következmények, szerzett

tulajdonságok, környezethatások is „öröklődhetnek”, sejtemlékezet több (2-3) nemzedéken át.

Epigenetika, epigenomika Gén és átírása

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

6

• Kromoszómaszám (n): ivarsejtekben haploid (n), testi sejtekben diploid (2n) • Kromoszóma-rendellenességek • Strukturális : transzlokáció, duplikáció, inverzió, deléció• Számbeli

• Euploidia: mono-, di- (2n), tri- (3n), tetra- (4n), poliploidia• Aneuploidia: triszómia, Down-kór (21. kromoszóma), Klinefelter-szindróma (XXY)

• Monoszómia, Turner-szindróma (XO) • Fisszió (vaddisznó/házisertés, 46/48) • Fúzió (ló,

Kromoszómák és rendellenességeik (genommutációk!)

Génanyag hirtelen és maradandó változása, DNS másolási hibák, nukleotid- és báziscserék, módosulások, variabilitást növelő evolúciós jelenség

• Stabil (konzervatív) és könnyen mutálódó DNS szakaszok • Szomatikus, csírasejt (autoszomális, gonoszómális), spontán és indukált génmutáció • Pontmutáció: bázis-nukleotid-triplet, aminosav-fehérje (enzim) változás (SNP, singlenukleotid polimorphism)

• Exon, intron, mis-sense, non-sense, frameshift, csendes, triplet expanziós, inzerciósstb. mutációk • Mutációs ráta

DNS mutációk (génekben és inaktív részekben)

CRISPR - Cas9

A CRISPR (kiejtése: kriszper, a clustered regularly interspaced short palindromic repeats, azaz „halmozottan előforduló, szabályos közökkel elválasztott palindromikus ismétlődések” a baktériumok genomjában található rövid, ismétlődő DNS-szakaszok neve. Minden szakaszt egy rövid „helykitöltő” (spacer) DNS-szekvencia követ, amely megfelel egy olyan vírus vagy plazmidegy szakaszának, amellyel a baktérium korábban már találkozott.

https://hu.wikipedia.org/wiki/CRISPR

prokarióták védekezési módszere a vírusok és káros plazmidok ellen; valójában egyfajta immunrendszer.

• A Cas fehérjék a CRISPR-ek közötti helykitöltők alapján felismerik a baktériumsejtbe behatoló idegen nukleinsavakat és darabokra vágják őket. Hasonló rendszer az eukariótákban is működik, ott RNS-interferenciának nevezik a jelenséget.

• A CRISPR-ek az ismert genomú baktériumok 40%-ában , archeák 90%-ában megtalálhatóak

https://www.youtube.com/watch?v=4YKFw2KZA5o

CRISPR - Cas9

laboratóriumban • a Cas9 enzim és a megfelelő RNS-szakasz sejtbe bevitelével, az enzim meghatározott

helyen vágja el a sejt DNS-ét• pontosabb módosítás

„Az MTA egyik legfontosabb megállapítása – összhangban az európai akadémiákkal –, hogy a genomszerkesztés mint precíziós nemesítés alapvetően különbözhet a genetikailag módosított organizmusok (GMO) létrehozásától.”MTA

Xenotranszplantáció – sertésben endogén sertés retrovírus (PERV) szekvenciák kivágásával biztonságos transzplantáció

Modell szervezetekben, akár időlegesen kikapcsolva egyes géneket funkció kutatáshozAIDS – a vírus replikáció gátlása…

CRISPR - Cas9

https://www.youtube.com/watch?v=TdBAHexVYzc

Maróti-Agóts Ákos - Mendeli genelika EA 2018. 09. 19.

7

https://www.the-scientist.com/features/gene-editing-could-one-day-treat-muscle-disorders-64707

CRISPR Helps Mice Hear

Gene Editing Could One Day Treat Muscle Disorders

CRISPR - Cas9 –genom szerkesztés, génterápia ARS06: A frame shift mutáció:

1. A promóter régió funkcióját változtatja meg2. A leolvasási keretet változtatja meg3. A miRNS képződést megakadályozza4. A diploid sejt osztódási keretét zavarja meg.

ARS06: A frame shift mutáció:

1. A promóter régió funkcióját változtatja meg2. A leolvasási keretet változtatja meg3. A miRNS képződést megakadályozza4. A diploid sejt osztódási keretét zavarja meg.

https://www.youtube.com/watch?v=_qgSz1UmcBM

Köszönöm a figyelmet!

Kedd esti program:• Jim Al-Khalili | TED Talks –• A kvantumbiológia• https://indavideo.hu/video/A_kvantumfizika_titokzatos_vilaga_-_Az_elet_nagy_jateka