Dědičnost
DĚDIČNOST
Jak funguje dědičnost
Dědičnost je ojedinělá vlastnost živých organismů. Díky ní dochází k přenosu určitých znaků z rodičovské generace na generaci potomků. Tento přenos z generace na generaci označujeme jako vertikální přenos dědičné informace (shora dolů - jak můžeme pozorovat v rodokmenu). Mimo to existuje i horizontální přenos dědičné informace (mezi jedinci téže generace), což je typické například pro bakterie.
Budeme-li se zabývat dědičností znaků, je důležité si uvědomit, jakým způsobem se příslušný druh rozmnožuje. Například u člověka, který se rozmnožuje pohlavně, získává nový jedinec polovinu genetické informace od otce a polovinu od matky. Naopak třeba u bakterií, nebo i u jiných nepohlavně se rozmnožujících organismů, vzniká nový jedinec z jedince původního. V případě bakterie vzniknou dělením mateřské buňky dvě identické buňky dceřiné. V případě tasemnice, vznikají potomkové různí, neboť tasemnice je hermafrodit, který tvoří samčí i samičí gamety (pohlavní buňky). Dědičná informace v těchto gametách však může být různá (viz dále) - potomci tasemnice tak nejsou všichni identičtí, jak je tomu v případě bakterie.
Bakterie a ostatní prokaryotní organismy mají ještě jednu zvláštnost. Jsou trvale haploidní - tudíž mají pouze jednu kopii od každého svého genu. Dceřiné bakteriální buňky vzniklé dělením buňky mateřské získají navlas stejnou dědičnou informaci. V případě vyšších eukaryotních organismů (které jsou diploidní) je dědičnost většinou založena na tvorbě gamet. Ty vznikají redukčním dělením - meiosou, která dává za vznik haploidním gametám. V praxi to znamená to, že rodič může potomkovi předat pouze některé své geny - z každého genového páru pouze jeden (v tomto případě je již přesnější mluvit o alelách).
Uvedeme si příklad - u diploidního organismu budeme sledovat vybrané 3 geny a bude nás zajímat, jaké gamety bude tento organismus tvořit:
Gen 1 - genotyp: AA
Gen 2 - genotyp: Bb
Gen 3 - genotyp: cc
V případě genu 1 a genu 3 se jedná o homozygota; v případě genu 2 o heterozygota. U genů, ve kterých je daný organismus homozygotem, je situace jednoduchá - do gamety je vždy předána stejná alela (jinou alelu nemá organismus k dispozici). Naopak pokud je organismus v daném genu heterozygotem, existuje pro každou alelu z páru 50% šance, že se dostane do gamety a tudíž bude předána do další generace.
V našem hypotetickém případě by tak organismus s genotypem AABbcc tvořil gamety s následujícím genotypem:
1. možnost: ABc (pravděpodobnost 50%)
2. možnost: Abc (pravděpodobnost 50%)
V následujících odstavcích se již budeme věnovat základním zákonitostem dědičnosti (vztažených na eukaryotní organismy).
Autozomální dědičnost kvalitativních znaků
Autozomální dědičnost se týká dědičných znaků uložených na autosomech. V klasickém pojetí, které je nazýváno Mendelovská dědičnost, uvažujeme právě tuto dědičnost, bez ohledu na genovou vazbu.
U každého diploidního potomka se alelární pár skládá z jedné alely otcovské a jedné alely mateřské. Přenos alel na potomky podléhá základním pravidlům kombinatoriky. Jako první vyřešil tuto problematiku právě Mendel. Od něj taktéž pochází kombinační (Mendelovské) čtverce. Jeho poznatky shrnují 3 Mendelovy zákony:
1. Mendelův zákon
Zákon o uniformitě F1 (1. filiální = první generace potomků) generace. Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. Pokud jde o 2 různé homozygoty jsou potomci vždy heterozygotními hybridy.
Při křížení dvou homozygotů (dominantního - AA a recesivního - aa) vzniká jednotná generace potomků - heterozygotů se stejným genotypem (Aa) i fenotypem.
2. Mendelův zákon
Zákon o náhodné segregaci genů do gamet. Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím pádem i fenotypovému štěpení = segregaci. Pravděpodobnost pro potomka je tedy 25% (homozygotně dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25% (homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1, pokud je mezi alelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový štěpný poměr štěpnému poměru genotypovému (tj. 1:2:1).
Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující zpětné křížení dvou heterozygotů. Genotypový štěpný poměr je 1:2:1, fenotypový štěpný poměr je 3:1 při úplné dominanci nebo 1:2:1 při neúplné dominanci.
3. Mendelův zákon
Zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel. Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2 gamet vzniká 16 různých zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů (poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1). Nabízí se nám pouze 4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1. recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní). Fenotypový štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento zákon platí pouze v případě, že sledované geny se nachází na různých chromozomech, nebo je jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti.
Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr genotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný genotyp.
Obrázek představuje kombinační čtverec, znázorňující poměr fenotypů při dvojnásobném křížení. Stejné zabarvení značí stejný fenotyp.
Gonozomální dědičnost
Gonozomální dědičnost se týká dědičných znaků, uložených na gonosomech - tedy na chromosomech pohlavních. Jde tedy primárně o znaky určující pohlaví.
Pohlaví gonochoristických organismů bývá určeno vzájemnou kombinací gonosomů (X a Y). Existují různé typy určení pohlaví:
a) Savčí typ (drosophila): Je nejčastější - savci, plazi, obojživelníci, většina hmyzu a dvoudomých rostlin. Samičí pohlaví XX (samičí gameta vždy jen chromozóm X). Samčí pohlaví XY (samčí gameta nese chromozom X nebo Y, šance 50:50).
b) Ptačí typ (abraxas): Vyskytuje se u ptáků, motýlů a některých ryb. Samice XY, samec XX.
Navíc některé řády hmyzu nemají chromozom Y, samčí pohlaví je určeno přítomností jednoho chromozomu X. U jiných druhů hmyzu zase pohlaví jedince může být určeno vnějšími znaky (včela).
Gonozomálně se dědí ovšem i další dědičné znaky uložené na gonosomech, navíc i některé choroby. Často uváděným příkladem je hemofilie = chorobná nesrážlivost krve. Chorobu podmiňuje recesivní alela z chromozomu X.
Možnosti jsou takovéto (X - zdravá alela, x - mutovaná alela) - Muž: XY-zdravý, xY-nemocný; žena XX-zdravá, Xx-přenašečka, xx-nemocná. Je tedy jasné, že tato choroba postihuje především muže, u žen přenašeček se choroba neprojevuje.
Dědičnost kvantitativních znaků:
Je mnohem složitější, než dědičnost znaků kvalitativních. Na vzniku znaku se podílí více genů malého účinku a nezanedbatelný vliv zde má i vnější prostředí (potrava, světlo, teplota...) - odpovídá tedy multifaktoriální dědičnosti - viz níže. Alely buď mohou mít podíl na základní hodnotě znaku (neutrální alely), nebo tuto základní hodnotu nějakým způsobem upravují (aktivní alely). Pro přenos těchto alel opět platí pravidla monohybridismu. Projev znaku v generaci vyjadřuje Gaussova křivka. Průměrné hodnoty tudíž mají v populaci největší procento zastoupení, jedinců s extrémními hodnotami (ať již nízkými či vysokými) je mnohem méně. Mezi takovéto znaky, patří například výška jedince či průměrná hodnota krevního tlaku.
Polygenní a multifaktoriální dědičnost
V předchozím odstavci jsme se věnovali obecně dědičnosti kvantitativních znaků. Tato dědičnost může být polygenní či multifaktoriální. Oba tyto typy dědičnosti se významně liší od monogenního typu dědičnosti (kterému se věnujeme výše, v odstavcích věnovaných dědičnosti kvalitativních znaků). Rozdíl mezi pojmy polygenní a multifaktoriální dědičnost se leckdy stírá a považují se za synonyma. Ne ní to však zcela pravda. Zatímco polygenní dědičnost odkazuje na typ dědičnosti podmíněný pouze více geny, u multifaktoriální dědičnosti se zásadním způsobem uplatňují i vlivy prostředí, které pak "dotvoří" finální podobu znaku.
Heritabilita čili dědivost znaků
Pro výzkum polygenní a multifaktoriální dědičnosti lidských dědičných znaků je obzvláště užitečné sledování dvojčat. Dizygotní dvojčata, vyrůstající ve stejném prostředí, nám podávají obrázek o tom, jak působí stejné vnější faktory na dva jedince s odlišným (byť mírně) genotypem. Naopak monozygotní dvojčata nám poskytují unikátní možnost hodnotit dva jedince se stejným genotypem. Pokud tato monozygotní dvojčata navíc vyrůstají každé v jiném prostředí, můžeme hodnotit vliv různého prostředí na jedince se stejným genotypem. Obecně hodnotíme konkordanci (shoda - oba jedinci mají sledovaný znak) nebo diskordanci (neshoda - jedno z dvojčat daný znak nemá) pro určitý znak. Porovnáváním těchto konkordancí či diskordancí můžeme zjistit, jaká je heritabilita sledovaného znaku.
Heritabilita neboli dědivost je hodnota, udávající, do jaké míry je hodnota znaků závislá na genotypu jedince a nakolik je konečná hodnota znaku výsledkem působení vnějších faktorů. Označení heritability je h2.
Mimojaderná dědičnost
Jak jsme si již řekli, eukaryotní buňky mají genetickou informaci obsaženu i mimo jádro (mitochondrie, plastidy). Protože tyto organely se při dělení buňky dělí nerovnoměrně, dělí se mezi dceřiné buňky nerovnoměrně i tato genetická informace. Při pohlavním rozmnožování je nositelem této informace vždy samičí gameta. Potomstvo má v drtivé většině případů dědičný znak matky (maternita). Např. pokud je rostlina, jejíž chloroplasty mají poškozenou tvorbu chlorofylu, opylena pylem zdravé rostliny, bude muset s tímto poškozením žít i potomek. Naopak pokud je zdravá rostlina opylena pylem "nemocné" rostliny je potomek zdravý (normální tvorba chlorofylu).
Pro člověka má význam mitochondriální dědičnost. Přestože mitochondriální DNA (mtDNA) má zanedbatelný objem proti jaderné DNA, mutace v mtDNA mohou způsobit závažné choroby, nebo jsou dokonce letální. Při posuzování mitochondriální dědičnosti musíme mít na paměti zejména dvě věci:
1) Veškeré mitochondrie zdědí každý jedinec výhradně po matce. Mitochondrie zygoty jsou totiž všechny původem z vajíčka; všechny mitochondrie spermie totiž zanikají.
2) V každé buňce je okolo 1000 mitochondrií - jedna mitochondrie s mutovanou mtDNA tudíž na buňku nemá žádný vliv. Zda se mutace v mtDNA nějakým způsobem projeví na úrovni buňky nebo celého organismu závisí na tom, kolik procent mitochondrií má mutovanou genetickou informaci. Stav, kdy jsou v buňce všechny molekuly mtDNA stejné označujeme jako homoplazmie; stav, kdy existují mezi mtDNA rozdíly označujeme jako heteroplazmie.
Nemendelovská dědičnost
Někdy se můžeme zejména při hodnocení rodokmenů setkat se skutečnostmi, kdy Mendelovy zákony úplně neplatí. Mohou to být tyto situace, obecně nazývané odchylky od mendelových pravidel (vztaženo na genetiku lidského jedince):
- Sledované dva geny (či více genů) jsou ve vazbě. Potom neplatí zákon o nezávislé kombinovatelnosti alel.
- Sledujeme geny umístěné na X chromosomu. Z tohoto pohledu je každý muž hemizygotem, má pouze jednu kopii sledovaného genu. Ženy mají dva X chromosomy a tím pádem i dvě kopie genu. Naopak Y chromosom mají pouze muži a tak se Y-vázané geny dědí pouze z otce na syna (holandrická dědičnost).
- Došlo k výskytu nové mutace. V tomto případě sledujeme výskyt znaku (choroby) u potomka, zatímco ani jeden rodič tuto mutaci nenese.
- Gen, kódující příslušný znak, nemá šanci se projevit, protože jemu nadřazený gen to nedovolí. Tento stav se nazývá epistáze (mezialelické vztahy). Příkladem takovéto recesivní epistáze je Bombay fenotyp u člověka (krevní skupiny).
- Díky vlivu genového imprintingu nemají maternální a paternální kopie genu stejnou hodnotu.
- Znak (choroba) má neúplnou penetranci. To znamená, že se znak nemusí projevit u 100% jedinců, ale u některých osob k projevu nedojde, nebo je znak zastřený a nesnadno pozorovatelný.
- Znak (choroba) má variabilní expresi. To znamená, že u lidí se stejným genotypem pozorujeme různě závažné projevy téhož znaku.
- Pleiotropie je stav, kdy jedna a ta samá alela může způsobovat několik různých (odlišných) fenotypových znaků.
- V rodokmenu se vyskytuje fenokopie znaku. Fenokopie je stav, kdy jedinec, který, ač genotypově normální, má stejný fenotypový projev určitého znaku jako jedinci s příslušnou mutací.
- Podobně se může vyskytnout genokopie, což označuje stav, kdy jeden fenotypový projev může být podmíněn různými genotypy. Samotná přítomnost znaku tak ještě neukazuje na konkrétní gen.