Genetik. Biologisk översiktskurs VT Hemtenta. Finns på studentportalen Ska vara inlämnad 25 Februari Ska skickas till urkund

Transkript

1 Genetik Biologisk översiktskurs VT 2011 Hemtenta Finns på studentportalen Ska vara inlämnad 25 Februari Ska skickas till urkund 1

2 Frågor? Peter Halvarsson Populationsbiologi, Norbyvägen 18D Vad är genetik? Studerandet av gener -Vad är en gen? - Hur fungerar den? - Hur fungerar gener tillsammans? 2

3 Genetik och genteknik idag Forskning medicinsk, biologi (utvecklings, ekologi och evolution) geologi Sjukvård diagnostik, arv, behandling Industri och förvaltning - vilt och jakt, växtförädling Genteknik Kloning Genmodifiering Transgena organismer Dolly

4 Kartering av sjukdomsgener Databas på Island sedan1998 -över samtliga invånare! Barn liknar sina föräldrar 4

5 Gregor Mendel, Versüche über Pflantzen- Hybriden, 1865 Mendel Korsningar mellan ärtväxtlinjer med olika egenskaper ledde honom att fastställa grundläggande principer för nedärvning Dessa är grunden till vad som kallas klassisk (Mendelsk) genetik Interaktivt ärtparningsexperiment: 5

6 Charles Darwin On the Origin of Species by Means of Natural Selection, 1859 Voyage of the Beagle, Darwins finkar på Galapagosöarna hade olika näbbstorlekar på varje respektive ö beroende av lokalt födoval 6

7 Darwins evolutionsteori baserad på naturligt urval: Malthus: Essay on the Principles of Population, 1798 Begränsade resurser konkurrens Variation mellan individer Ärftliga anlag Mendels arbete återupptäcks (av botanisterna Correns, Tschermak och devries) devries myntar termen mutation för att beskriva en plötslig och bestående förändring i arvsanlaget kromosomerna anses (av Sutton och Boveri) vara bärarna av arvsanlagen, överförs via könscellerna till nästa generation och meiosen förklarar Mendelsk nedärvning Blodgruppsystemet ABO visas följa Mendels lagar 7

8 Beadle och Tatum, 1941 En gen - ett enzym [sic] Thomas Hunt Morgan Bananflugans (Drosophila) spottkörtelkromosomer Visade att generna är linjärt ordnade på kromosomerna och att de är kopplade vid nedärvning genkartering blev möjlig 8

9 Beadle och Tatum, 1941 Numera En gen en popypeptid Oswald T. Avery, 1944 med kollegorna MacCleod och McCarty DNA är bärare av arvsanlagen 9

10 DNAs struktur kartlagd 1953 James Watson & Francis Crick, 1953 Röntgendiffraktionsbilder av Rosalynd Franklin Med DNA-strukturen fastställd kunde replikationen av DNA modelleras - s.k. semi-konservativ replikation Och därmed fanns en modell för hur informationen går i arv -informationsinnehållet började kartläggas Med fyra nukleinsyrebaser (A,C, G, T) som skulle koda för 20 aminosyror, framstod en kod baserad på tripletter som logisk 10

11 Den genetiska koden knäcks på 60-talet Celler och cellcykeln Kap 8 11

12 Organismer Prokaryoter saknar cellkärna arkéer och bakterier (pro=före, karyon=kärna) Eukaryoter har cellkärna djur, växter, proteister och svampar (eu=äkta) Celldelning Varför behövs celldelning? - Reproduktion -Tillväxt - Reparation 12

13 3 steg i celldelningen Replikation kopiering av det genetiska materialet Segregering Delning av det genetiska materialet i de båda cellerna Cytokines Delning av cytoplasman Prokaryoter En plasmid cirkelformad kromosom Celldelningen sker genom att cellen delar sig i två Prokaryoter saknar mitokondrier, kloroplaster och kärnmembran 13

14 Figure 9.3 Eukaryoter 14

15 Två typer av celldelning Mitos vanlig celldelning Meios -reduktionsdelning Cellcykelns huvudfaser Interfas Mitos 15

16 Kromosomer Under celldelningen består kromosomen av två kromatoider(syster kromatider) som hålls ihop i en punkt av centromeren Varje kromatoid består av en DNA-molekyl som packas med hjälp av proteiner, kromatiner T Mitos - Interfas Under interfasen (s-fas) replikeras DNA DNAt är kondenserat, upplöst i cellkärnan Cellen fördubblar sitt innehåll. 16

17 Profas Kromosomerna formas och blir synliga - systerkromatoiderna syns Mikrotubili bildas och centrosomerna vandrar till var sin sida av cellkärnan Kärnspolen börjar formas (spindle) Kinetochorerna bildas vid centromererna 17

18 Prometafas Kärnmembranet upplöses (nuclear envelope) Mikrotubili växer och hakar fast i kinetochorerna på kromosomerna Kärnspolen (spindle) flyttar kromosomerna till mitten av cellen Figure

19 Metafas När alla kinetochorerna är uppradade längs med mitten så separerar kromatiderna Anafas Dotterkromosomerna rör sig mot var sin sida av cellen Polerna ökar avståndet Mikrotubili dras mot centrosomerna 19

20 Telofas De nya cellerna bildas Cytokines avslutar telofasen Växtceller bildar cellvägg och delar cellen i två Djurceller snörps av 20

21 Homologa par I varje normal cell (somatisk cell) finns det två kopior av varje kromosom Varje kromosompar kallas homologa (ej könskromosomer) eftersom de bär gener som har samma funktion Könskromosomer Kromosomer som bestämmer kön kallas könskromosomer De andra kallas autosomala kromosomer 21

22 Karyotyp Studer av antal, form och storlek på en individs kromosomer Går bäst att urskilja i prometafas Kromosomer 22

23 Kromosomer Fortplantning Två typer av fortplantning Asexuell förökning ger identiska individer Sexuell förökning kan ge genetiskt olika individer 23

24 Fråga: Hur kan sex ge genetisk variation? Svar: Varje könscell innehåller en av de homologa kromosomerna. Slumpen avgör vilken. Varje individ formas av två könsceller. D Meios (reduktionsdelning!!!) Haploida könsceller produceras av av diploida individer. De homologa kromosomerna fördelas slumpmässigt mellan könscellerna genom meios. 24

25 Syfte med meios Halvera antalet kromosomer - diploid haploid Kromosomuppsättningen ska vara halverad och komplett i varje gamet Skapa genetisk olikhet mellan gameterna 2 steg Meiosen består av två steg: -Meios I (liknar mitos) -Meios II Celldelningen startar med interfas där varje kromosom kopieras och systerkromatider bildas 25

26 Viktigt att komma ihåg Vid anafas I så är det kromosomparen som vandrar, inte kromatiderna 26

27 Systerkromatider Gameter 27

28 Meios II Systerkromatiderna separerar i anafas II -samma process som i mitos Meios II Systerkromatiderna separerar i anafas II -samma process som i mitos MEN!!! Systerkromatiderna är inte kopior längre... Varför? 28

29 Summering Mitos står för konservering - alla dotterceller är likadana och är diploida Meios diversitet - alla dotterceller är olika och är haploida Meios skapar variation Genetisk variation skapas av - överkorsning under profas I -Slumpmässig fördelning av kromosomerna under anafas I 29

30 Haploid -diploid - termer att känna till En haploidcell har bara en uppsättning kromosomer av varje slag En diploid cell har två homologer av varje kromosompar Triploida / tetraploida celler har tre resp fyra homologer av varje kromosompar Polyploida celler har minst tre uppsättningar av varje kromosompar Fel i meios I Kromosomer vandrar till samma pol och separeras inte Nondisjunction Leder till triploid karyotyp för en kromosom 30

31 Klassisk (Mendelisk) genetik Ärftlighetslära Växt och djurförädling har gamla anor 31

32 Släkttavla för hästar från Kaldéen 6000 år sedan? Stallinventarium av åsnor från Elam för år sedan? 32

33 33

34 Ärftlighetslära innan Mendel Hurdjurs- och växtförädling -drag ärvs Hippocrates (~400 f. kr): Arvsubstans utsöndrades från kroppens organ till blodet och blandades vid befruktningen. Blending T.o.m talet: Arvssubstans från föräldrarna blandades Ärftlighetsfaktorer kan inte separeras 34

35 Blending T.o.m talet: Arvssubstans från föräldrarna blandades Ärftlighetsfaktorer kan inte separeras + = Gregor Mendel ( ) 35

36 Mendel använde trädgårdsärt Två linjer: En gav bara lila blommor En gav bara vita blommor 36

37 P Lila x Vita F1 Lila F2 Lila + Vita Blending Lila F1 ger vita avkommor teorin avfärdas 37

38 38

39 Mendel kom fram till: Lilablommor har två anlag för lilafärg Vitablommor har två anlag för vit färg MEN!! F2 har både lila och vita blommor så F1 har både lila och vita anlag, den vita färgen döljs av den lila färgen Den lila är dominantoch den vita är recessiv Lokus (Loci plur.) Den plats som en gen (arvsanlag) sitter Alleler är varianter av samma gen Homozygot: Samma allel finns i ett lokus på bägge kromosomerna Heterozygot: Olika alleler finns i ett lokus på bägge kromosomerna Genotyp: Alleluppsättningen i en individ hos ett lokus eller flera loci Fenotyp: Genotypens uttryck i en miljö 39

40 Mendels första ärftlighetslag Generna (arvsanlagen) är fasta Varje förälder bär på två gener Dessa två gener segregerar i könscellerna Endast en gen överförs från en förälder till avkomman Punnett-ruta Reginald Punnett ( ) 40

41 Mendel studerade två karaktärer som nedärvdes samtidigt: Han upptäckte att de nedärvs oberoendeav varandra!!! Mendels andra lag: Lagen om oberoende nedärvning 41

42 42

43 43

44 Figure 10.7 Variationer på Mendels lagar - Alleler kan vara: Helt dominant allelen har samma effekt i en eller två kopior Ofullständigt dominant fenotypen ligger mittimellan föräldrarnas Kodominant båda allelerna är uttryckta lika mycket hos en heterozygot individ 44

45 Ofullständigt dominant När heterozygotens fenotyp ligger någonstans emellan homozygoternas fenotyper + = Variationer på Mendels lagar - Alleler kan vara: Helt dominant allelen har samma effekt i en eller två kopior Ofullständigt dominant fenotypen ligger mittimellan föräldrarnas Kodominant båda allelerna är uttryckta lika mycket hos en heterozygot individ 45

46 Kodominans När två alleler uttrycks lika mycket i fenotypen Ex. sickle-cell anemi Om man korsar två individer med genotypen A/T (tex heterozygot för sickel-cell anemi), vad är sannolikheten för att: - Avkomman ärver ett A från mamman? - Avkomman blir T/T (får sickel-cell anemi)? - Avkomman blir A/T (anlagsbärare)? - Avkomman ärver ett A (från endera förädern)? 46

47 Att tänka på! Gener måste inte vara fullständigt dominanta eller recessiva för att Mendels lagar ska hålla De beskriver nedärvning, inte geners funktion! Codominans 47

48 CC Cc cr c cr c cr Dominant Recessiv 48

49 Vad är sannolikheten att få en skimmelfärgad häst om man parar två skimmelfärgade hästar? Vad är sannolikheten att få en siamesfärgad katt om man parar två siamesfärgade katter? Vad är sannolikheten att få en blåögd häst om man parar två hästar med gul-bruna ögon? Två brunögda? (Brun är dominant) Figure

50 DNA, RNA och proteinsyntesen Kap 10 Cell 50

51 Cell Cellkärna 51

52 Cellkärna Kromosomer 52

53 Kromosomer Kromosomer 53

54 DesoxyriboNucleinAcid (DNA) 54

55 DNA nukleärt DNA Mitokondrie- DNA Kloroplast- DNA + bakterier och virus DNA diploid (mor och far) en kärna / cell haploid (mor) Många per cell 55

56 Rosalind Franklin räknade ut att fosfat och socker var på utsidan av vad som såg ut som en spiralform - eller hur? (Originalbild av en av hennes röntgendiffraktionsbilder på DNA) 56

57 Puriner Adenin (A) Guanin (G) Pyrimidiner Cytosin (C) Tymin (T) 57

58 DNA-strukturen Om ena DNA-strängen har sekvensen ATGCTTACC vilken sekvens har då den andra? TACGAATGG 58

59 DNA används för två uppgifter 1. Replikation-för att informationen ska gå i arv 2. Transkription DNA transkripteras (översätts) till RNA för att kunna göra peptider 59

60 DNA replikeras, dvs kopieras genom semikonservativ kopiering Det innebär att ena strängen fungerar som templat, mall för den sträng som tillverkas

61 Hur kopieringen till? DNA kedjorna lossnar från varandra (denaturerar) Fria nukleotider med två extra fosfatgrupper finns färdigbildade i cellen Dessa nukleotider binds till komplementära baser i de öppna kedjorna 61

62 Figure Figure

63 Det går snabbt Ca 30 baser per sekund hos eukaryoter 1000 baser/s för E. coli Fort men fel?? DNA proof-reading DNA polymeras kollar under själva replikationen att inte fel baspar binder Mismatch repair sker efter replikationen Excision repair ett helt segment av DNA byts ut runt en skadad bas 63

64 DNA används för två uppgifter 1. Replikation-för att informationen ska gå i arv 2. Transkription DNA transkripteras (översätts) till RNA för att kunna göra peptider 64

65 RNA används för två uppgifter 1. Replikation-för att informationen ska gå i arv 2. Transkription DNA transkripteras (översätts) till RNA för att kunna göra peptider 3. Translation RNA översätts till peptider RNA = RiboNicleinAcid Vad är RNA? Det skiljer sig på tre sätt från DNA 1. Det är enkelsträngat 2. Ribos istället för deoxyribos 3. Uracil istället för tymin 65

66 14.2 DNA översätts till RNA Transkription Enzym: RNA polymeras RNA-baser DNA som ska översättas 66

67 Kom ihåg! Bara ena DNA-strängen transkriberas men olika gener på en kromosom kan transkriberas på olika strängar Transkriptionen har tre steg 1. Initiering 2. Elongering 3. Terminering 67

68 Promotor Transkriptionen börjar, initieras, vid en speciell DNA-sekvens, promotor, där RNApolymeraset binder. 68

69 Elongering RNA transkriberas i samma rikning som DNA 5 3 RNA polymeras har ingen felkontroll 69

70 Terminering Efter genen finns det en sekvens som talar om att RNA polymeraset ska sluta transkriptionen termination site 70

71 RNA splicing En kodande gen består av två delar Exon kodande regioner av en gen Intron ickekodande regioner av en gen Innan ett mrna är klart måste intronen tas bort RNA splicing 71

72 Olika typer av RNA Det finns många typer av RNA som behövs för att kunna tillverka protein mrna = messenger RNA trna = transfer RNA rrna = ribosomalt RNA En enda gen (rrna) som transkriberas i en salamander, Notophthalamus 72

73 Vad händer efter transkriptionen? Vad händer med mrna:t? Translation Informationen i mrna omvandlas till polypeptider som består av aminosyror Hos eukaryoter måste mrna forslas ut genom cellkärnans porer till cytoplasman där ribosomerna finns 73

74 Genetiska koden Den genetiska koden består av kodoner, som är tripletter av baspar. Det finns 64 kodon eftersom det finns fyra baspar (4x4x4). Men(!) det finns bara 20 aminosyror Figure

75 75

76 trna Binda till mrna i ribosomen Bära med sig rätt aminosyra 76

77 Ribosomer Ribosomen består av rrna Translationen sker i ribosomen. Ribosomen består av två subenheter, den lilla och den stora (small subunit resp. large subunit) 77

78 78

79 Terminering Vid ett stopkodon binds ett protein, release factor, istället för ett trna Istället för en aminosyra bind en vattenmolekyl till peptiden 79

80 14.2 DNA Protein -DNA Det går att göra protein med DNA som mall Det går inte att göra DNA med protein som mall 80

81 Överföring av DNA hos bakterier Konjugering Transformering Transduktion Konjugering Genetiskt material överförs mellan bakterier 81

82 Transformering Bakterier kan också ta upp kromosomfragment direkt från sin miljö och införliva det i sin kromosom Transduktion Bakteriofager ( bakterieätande virus) överför kromosomfragment från en bakteriecell, som de upplöst och dödat, till en annan 82

83 Virus Virus betraktas oftast inte som levande organismer eftersom De inte är celler Saknar egen metabolism De inte kan reproducera utan att parasitera på en levande cells metaboliska maskineri 83

84 Genreglering Kap 11 84

85 En enda gen (rrna) som transkriberas i en salamander, Notophthalamus Konstitutiva enzym -uttrycks konstant Inducerbara enzym -uttrycks vid behov - Hur fungerar det? 85

86 Lac operonet Operator Ligger mellan promotor och strukturella gener På denna sekvens kan en repressor binda, dvs ett protein som blockerar transkription av de strukturella generna. Om ingen repressor sitter på operatorn sker transkription av de strukturella generna 86

87 Repressor Blockerar transkription av strukturella gener Inaktiveras genom bindning till laktos Konstitutivt (uttrycks jämt) enzym med långsam transkriberingshastighet

88 Ett operon består av Promotor Operator Strukturella gener De gener som kodar för repressorn kallas för regulatoriska gener CAP- Catabolite Activating Protein 1. Frånvaro av glukos - ökad mängd camp 2. CAP-cAMP komplex bildas 3. Binder till CAP-site på lac-operonets promotor 4. RNA polymeras binder lättare till promotorn 5. Transkription av strukturella gener induceras 88

89 Lac-operonet Exempel på hur transkription av strukturella gener bara sker i närvaro av induktor 89

90 Trp-operonet Transkription sker alltid förutom när tryptofan (co-repressorn) binder till repressorn och därmed aktiverar den Då binds repressorn till operatorn så att transkription hindras

91 Vilka gener är aktiva i en viss vävnad eller cell? 91

92 DNA microarray teknologi RT-PCR (Reverse Transcriptase-) av mrna Inmärkt PCR produkt får hybridisera mot korta oligonukleotider (specifika för varje gen) som sitter fast på ett mikrochip Genteknik Man behöver inte vara beroende av växtens naturliga förökning Man kan föra in andra organismers gener eller nya gener 92

93 GenMOdifierad mat Kan generna spridas till naturliga populationer? Är det farligt att äta genmodifierad mat? Är det oetiskt att genmanipulera organsimer? Behövs traditionell förädling fortfarande? Många egenskaper bestäms inte av en gen Genomik Studer av en hel uppsättning gener i ett genom Det mänskliga genomet sekvenserat 2003 Chimpans 2005 Jämförande studier 93

94 Teknik Sekvensering Hel-genom sekvensering 94

95 Laktosintolerans Population Frekvens intoleranta Svenskar 2 % Finnar 18 % Beduiner 25 % Balkan 55 % Massajer 62 % Grekcyprioter 66 % Eskimåer 80 % Kineser 93 % Indianer 100 % 95