2011-01-20
Genetik
Biologisk översiktskurs VT 2011
Hemtenta
• Finns på studentportalen
• Ska vara inlämnad 25 Februari
• Ska skickas till urkund
1
2011-01-20
Frågor?
Peter Halvarsson
[email protected]
Populationsbiologi, Norbyvägen 18D
Vad är genetik?
• Studerandet av gener
- Vad är en gen?
- Hur fungerar den?
- Hur fungerar gener tillsammans?
2
2011-01-20
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 1997
3
2011-01-20
Kartering av sjukdomsgener
Databas på Island sedan1998
-över samtliga invånare!
Barn liknar sina föräldrar
4
2011-01-20
Gregor Mendel, 1822 -1884
“Versüche über PflantzenHybriden”, 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: http://www.sonic.net/~nbs/projects/anthro201/
5
2011-01-20
Charles Darwin 1809-1882
On the Origin of
Species by Means of
Natural Selection,
1859
Voyage of the Beagle, 18311836
“Darwins” finkar på Galapagosöarna hade
olika näbbstorlekar på varje respektive ö
beroende av lokalt födoval
6
2011-01-20
Darwins evolutionsteori baserad på naturligt
urval:
Malthus: “Essay on the Principles of Population”, 1798
• Begränsade resurser konkurrens
• Variation mellan individer
• Ärftliga anlag
1900 - Mendels arbete återupptäcks (av
botanisterna Correns, Tschermak och deVries)
1901 - deVries myntar termen “mutation” för att
beskriva en plötslig och bestående förändring i
arvsanlaget
1902 - kromosomerna anses (av Sutton och
Boveri) vara bärarna av arvsanlagen, överförs via
könscellerna till nästa generation och meiosen
förklarar Mendelsk nedärvning
1911 - Blodgruppsystemet ABO visas följa
Mendels lagar
7
2011-01-20
Beadle och Tatum, 1941
“En gen - ett enzym” [sic]
Thomas Hunt Morgan
1866-1945
Bananflugans (Drosophila)
spottkörtelkromosomer
Visade att generna är linjärt
ordnade på kromosomerna
och att de är kopplade vid
nedärvning
genkartering blev möjlig
8
2011-01-20
Beadle och Tatum, 1941
Numera “En gen – en popypeptid”
Oswald T. Avery, 1944
med kollegorna
MacCleod och McCarty
DNA är bärare av
arvsanlagen
9
2011-01-20
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
2011-01-20
Den genetiska koden knäcks på 60-talet
Celler och cellcykeln
Kap 8
11
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Figure 9.3
Eukaryoter
14
2011-01-20
Två typer av celldelning
Mitos – vanlig celldelning
Meios - reduktionsdelning
Cellcykelns huvudfaser
• Interfas
• Mitos
15
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Prometafas
• Kärnmembranet upplöses (nuclear envelope)
• Mikrotubili växer och hakar fast i
kinetochorerna på kromosomerna
• Kärnspolen (spindle) flyttar kromosomerna till
mitten av cellen
Figure 9.9
18
2011-01-20
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
2011-01-20
Telofas
• De nya cellerna bildas
• Cytokines avslutar telofasen
• Växtceller bildar cellvägg och delar cellen i två
• Djurceller snörps av
20
2011-01-20
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
2011-01-20
Karyotyp
• Studer av antal, form och storlek på en
individs kromosomer
• Går bäst att urskilja i prometafas
Kromosomer
22
2011-01-20
Kromosomer
Fortplantning
Två typer av fortplantning
• Asexuell förökning ger identiska individer
• Sexuell förökning kan ge genetiskt olika
individer
23
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Viktigt att komma ihåg
Vid anafas I så är det kromosomparen som
vandrar, inte kromatiderna
26
2011-01-20
Systerkromatider
Gameter
27
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Haploid - diploid - …
… termer att känna till
• En haploid cell 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
2011-01-20
Klassisk (Mendelisk) genetik
Ärftlighetslära
Växt och djurförädling har gamla anor
31
2011-01-20
Släkttavla för hästar från Kaldéen
6000 år sedan?
Stallinventarium av åsnor från
Elam för 5000+ år sedan?
32
2011-01-20
33
2011-01-20
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. 1800-talet:
Arvssubstans från föräldrarna blandades
Ärftlighetsfaktorer kan inte separeras
34
2011-01-20
”Blending”
T.o.m. 1800-talet:
Arvssubstans från föräldrarna blandades
Ärftlighetsfaktorer kan inte separeras
+
=
Gregor Mendel (1822-1884)
35
2011-01-20
Mendel använde trädgårdsärt
Två linjer:
En gav bara lila blommor
En gav bara vita blommor
36
2011-01-20
P Lila x Vita
F1
Lila
F2 Lila +
Vita
”Blending”
Lila F1 ger vita avkommor teorin avfärdas
37
2011-01-20
38
2011-01-20
Mendel kom fram till:
Lila blommor har två anlag för lila färg
Vita blommor 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 dominant och 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
2011-01-20
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 (1875-1967)
40
2011-01-20
Mendel studerade två karaktärer som nedärvdes
samtidigt:
Han upptäckte att de nedärvs oberoende av
varandra!!!
Mendels andra lag: Lagen om oberoende
nedärvning
41
2011-01-20
42
2011-01-20
43
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Cccr
CC
ccrccr
Dominant
Recessiv
48
2011-01-20
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
10.17
49
2011-01-20
DNA, RNA och proteinsyntesen
Kap 10
Cell
50
2011-01-20
Cell
Cellkärna
51
2011-01-20
Cellkärna
Kromosomer
52
2011-01-20
Kromosomer
Kromosomer
53
2011-01-20
DesoxyriboNucleinAcid (DNA)
54
2011-01-20
DNA
nukleärt DNA
MitokondrieDNA
KloroplastDNA
+ bakterier och virus
DNA
diploid
(mor och far)
haploid
(mor)
en kärna / cell
Många per cell
55
2011-01-20
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
2011-01-20
Puriner
Adenin (A)
Guanin (G)
Pyrimidiner
Cytosin (C)
Tymin (T)
57
2011-01-20
DNA-strukturen
Om ena DNA-strängen har sekvensen
ATGCTTACC
vilken sekvens har då den andra?
TACGAATGG
58
2011-01-20
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
2011-01-20
DNA replikeras, dvs kopieras genom
semikonservativ kopiering
Det innebär att ena strängen fungerar som
templat, mall för den sträng som tillverkas
14.2
60
2011-01-20
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
2011-01-20
Figure 11.11
Figure 11.16
62
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
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
Vad är RNA?
RNA = RiboNicleinAcid
Det skiljer sig på tre sätt från DNA
1. Det är enkelsträngat
2. Ribos istället för deoxyribos
3. Uracil istället för tymin
65
2011-01-20
14.2
Transkription
DNA översätts till RNA
Enzym: RNA polymeras
RNA-baser
DNA som ska översättas
66
2011-01-20
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
2011-01-20
Promotor
• Transkriptionen börjar, initieras, vid en
speciell DNA-sekvens, promotor, där RNApolymeraset binder.
68
2011-01-20
Elongering
• RNA transkriberas i samma rikning som DNA
5’ – 3’
• RNA polymeras har ingen felkontroll
69
2011-01-20
Terminering
Efter genen finns det en sekvens som talar om
att RNA polymeraset ska sluta transkriptionen
termination site
70
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
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 12.5
74
2011-01-20
75
2011-01-20
tRNA
• Binda till mRNA i ribosomen
• Bära med sig rätt aminosyra
76
2011-01-20
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
2011-01-20
78
2011-01-20
Terminering
• Vid ett stopkodon binds ett protein, release
factor, istället för ett tRNA
• Istället för en aminosyra bind en
vattenmolekyl till peptiden
79
2011-01-20
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
2011-01-20
Överföring av DNA hos bakterier
• Konjugering
• Transformering
• Transduktion
Konjugering
Genetiskt material överförs
mellan bakterier
81
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Genreglering
Kap 11
84
2011-01-20
En enda gen (rRNA) som transkriberas i en salamander,
Notophthalamus
• Konstitutiva enzym - uttrycks
konstant
• Inducerbara enzym - uttrycks vid
behov
- Hur fungerar det?
85
2011-01-20
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
2011-01-20
Repressor
• Blockerar transkription av strukturella
gener
• Inaktiveras genom bindning till laktos
• Konstitutivt (uttrycks jämt) enzym med
långsam transkriberingshastighet
13.15
87
2011-01-20
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
2011-01-20
Lac-operonet
Exempel på hur transkription av
strukturella
gener bara sker i närvaro av induktor
89
2011-01-20
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
13.18
90
2011-01-20
Vilka gener är aktiva i en viss
vävnad eller cell?
91
2011-01-20
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
2011-01-20
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
2011-01-20
Teknik
• Sekvensering
• Hel-genom sekvensering
94
2011-01-20
Laktosintolerans
Population
Svenskar
Finnar
Beduiner
Balkan
Massajer
Grekcyprioter
Eskimåer
Kineser
Indianer
Frekvens intoleranta
2%
18 %
25 %
55 %
62 %
66 %
80 %
93 %
100 %
95
