Λέκτορας, Εργαστήριο Γενετικής Γονότυπος και περιβάλλον (2/2) βιβλίο κ. Λουκά – κεφάλαιο 3 βιβλίο Klug – ενότητα 4.13, 23.4, 23.5, 19.8 Λίλα Κουμάντου Λέκτορας, Εργαστήριο Γενετικής Τμήμα Βιοτεχνολογίας koumandou@aua.gr 210-5294645 17 Δεκεμβρίου 2018
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Γονότυπος + Περιβάλλον = Φαινότυπος Γονότυπος: σταθερός Φαινότυπος: μεταβάλλεται συνεχώς Τι είναι πιο σημαντικό στην διαμόρφωση του φαινότυπου, ο γονότυπος ή το περιβάλλον; Τι ποσοστό της ποικιλότητας που παρατηρείται σε έναν πληθυσμό οφείλεται σε γενετικές διαφορές, και τι σε περιβαλλοντικές επιδράσεις; Η δεύτερη ερώτηση, επηρεάζεται και από αλληλεπιδράσεις γονότυπου και περιβάλλοντος.
Γονότυπος + Περιβάλλον = Φαινότυπος Περιβάλλον: Εξωτερικές συνθήκες (π.χ. θερμοκρασία, φως, υγρασία) Εσωτερικές συνθήκες (π.χ. oρμόνες, μεταβολισμός, φύλο) Χημικά (π.χ. παρασιτοκτόνα, ατμοσφαιρικοί ρύποι) Δεν υπάρχουν δύο άτομα με τον ίδιο ακριβώς φαινότυπο. Το περιβάλλον μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικό στα αρχικά στάδια ανάπτυξης του οργανισμού. Φαινοτυπική πλαστικότητα Αναπτυξιακός θόρυβος/φαινοτυπική ποικιλότητα Συσχέτιση Γονότυπου & Περιβάλλοντος Σε ένα βαθμό «επιλέγουμε» το περιβάλλον μας, με βάση τις συνήθειές μας, π.χ. Διατροφή, κάπνισμα κλπ Φαινοτυπική πλαστικότητα: o βαθμός κατά τον οποίον το περιβάλλον μεταβάλλει το φαινότυπο (διαφορετικό ανά είδος και χαρακτηριστικό) π.χ. νυφίτσα με άσπρο τρίχωμα το χειμώνα και καφέ το καλοκαίρι, φυτά με σκληρά κηρώδη φύλλα όταν αναπτύσσονται στον ήλιο και πιο λεπτά όταν αναπτύσσονται στη σκιά. Αναπτυξιακός θόρυβος: μικροπεριβαλλοντικές επιδράσεις λόγω τυχαίων γεγονότων μπορεί να οδηγήσουν σε μικροδιαφορές ακόμα και σε άτομα που μεγαλώνουν/ζουν στο ίδιο ακριβώς περιβάλλον (φαινοτυπική ποικιλότητα). Συσχέτιση Γονότυπου-Περιβάλλοντος: Μη τυχαία κατανομή γονοτύπων στα διαφορετικά περιβάλλοντα Συχνά, καλύτερα περιβάλλοντα παρέχονται σε καλύτερους γονότυπους, π.χ: Διατροφή γαλακτοπαραγωγών αγελάδων (περισσότερη τροφή δίνεται συνήθως σε ζώα με μεγαλύτερη γαλακτοπαραγωγή λόγω γονότυπου) Καλύτεροι προπονητές και αναβάτες (περιβάλλον) στα καλύτερα άλογα ιπποδρόμου (γονότυπος) - Επίσης οι γονείς επιλέγουν συνήθως καλύτερα σχολεία (περιβάλλον) για παιδιά με υψηλό δείκτη ευφυΐας (γονότυπος)
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Το σύνολο των φαινοτύπων που μπορεί να παρουσιάσει ένας γονότυπος σε όλα τα δυνατά περιβάλλοντα. Συνήθως η μελέτη περιορίζεται σε ένα γονότυπο και για ορισμένες μόνο περιβαλλοντικές παραμέτρους, για χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν μεγάλο οικονομικό ενδιαφέρον, π.χ. η ανθεκτικότητα μιας ποικιλίας φυτών στην ξηρασία, στο ψύχος, στον παγετό, σε ασθένειες, σε όξινα ή αλκαλικά εδάφη, σε συνθήκες χαμηλού οξυγόνου, κλπ. Aν γνωρίζουμε τον γονότυπο και το περιβάλλον μπορούμε να προβλέψουμε τον φαινότυπο
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Επίδραση θερμοκρασίας Αν αφαιρέσουμε ένα λευκό τμήμα του τριχώματος και διατηρήσουμε την περιοχή σε χαμηλή θερμοκρασία (με ψυχρά επιθέματα) τότε θα αναπτυχθεί μαύρο τρίχωμα. Αν αφαιρέσουμε το μαύρο τρίχωμα από τα άκρα και μετά διατηρήσουμε τα άκρα ζεστά (θερμοκρασία ίση με το υπόλοιπο σώμα), τότε θα αναπτυχθεί λευκό τρίχωμα. Παραγωγή μαύρης χρωστικής από τον αλληλόμορφο ch ή cs μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες. Κουνέλια με τον Ιμαλαϊκό φαινότυπο ή σιαμέζες γάτες: ομοζυγώτες για το υπολειπόμενο αλληλόμορφο ch ή cs που παράγει την πρωτεΐνη τυροσινάση η οποία εμπλέκεται στην παραγωγή μελανίνης. Η πρωτεΐνη απενεργοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες (άρα δρα μόνο στα άκρα). Οι θερμοευαίσθητες μεταλλαγές (υπό συνθήκη μεταλλαγές) δίνουν το μεταλλαγμένο φαινότυπο μόνο σε ορισμένο εύρος θερμοκρασιών, και το φαινότυπο άγριου τύπου σε ένα άλλο εύρος θερμοκρασιών, π.χ. Στη δροσόφιλα, θερμοευαίσθητες μεταλλαγές που επηρεάζουν την ανάπτυξη, τη μορφολογία και τη συμπεριφορά, προκαλούν αβιωσιμότητα σε θερμοκρασίες >28οC , ενώ δεν έχουν καμία επίδραση στη βιωσιμότητα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Αντίστοιχα στο ζυμομήκυτα για >36οC Κουνέλια με τον Ιμαλαϊκό φαινότυπο ή σιαμέζες γάτες: λευκό/ανοιχτόχρωμο τρίχωμα εκτός από τα άκρα. Θερμοευαίσθητες μεταλλαγές
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Τροφικές επιδράσεις Ένα στέλεχος το οποίο αναπτύσσεται μόνο όταν στο ελάχιστο τροφικό μέσο προστεθούν ορισμένοι παράγοντες ονομάζεται αυξοτροφικό (σε αντίθεση με το πρωτοτροφικό) Στους μικροοργανισμούς πολλές μεταλλαγές επηρεάζουν τη σύνθεση ορισμένων ουσιών απαραίτητων για την κανονική αύξηση και ανάπτυξη. Υπό κανονικές συνθήκες οι μικροοργανισμοί (βακτήρια, μύκητες) μπορούν να συνθέσουν όλα τα αμινοξέα. Αν όμως π.χ. ένας οργανισμός δεν μπορεί να συνθέσει το αμινοξύ λευκίνη, τότε πρέπει να προστεθεί λευκίνη στο ελάχιστο θρεπτικό μέσo για να μπορέσει να συνθέσει πρωτεΐνες. Το ένζυμο λακτάση μεταβολίζει τη λακτόζη, το σάκχαρο του γάλακτος, σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Το γονίδιο της λακτάσης εκφράζεται στα βρέφη, τα οποία είναι ανθεκτικά στη λακτόζη. Μετά τη διακοπή του θηλασμού, οι άνθρωποι παύουν να παράγουν λακτάση και άρα δεν μπορούν να χωνέψουν το γάλα. Κάποιοι άνθρωποι όμως φέρουν μια μεταλλαγή η οποία επιτρέπει στο γονίδιο της λακτάσης να συνεχίσει να εκφράζεται σε όλη τους τη ζωή. Οι πληθυσμοί της Βόρειας Ευρώπης και κάποιων περιοχών της Αφρικής έχουν μεταλλαγές που επιτρέπουν την παραγωγή λακτάσης στους ενήλικες. Αυτή η «διατήρηση της λακτάσης» θεωρείται μια εξελικτική προσαρμογή του ανθρώπου στην κατανάλωση γάλακτος από εξημερωμένα ζώα. Η μεταλλαγή εμφανίστηκε περίπου την ίδια περίοδο που εξημερώθηκαν τα βοοειδή, σύμφωνα με αρχαιολογικές μελέτες. Δυσανεξία στη λακτόζη
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Φαινοτυπικά αντίγραφα Για πολλές τροφικές επιδράσεις, με κατάλληλη αλλαγή του περιβάλλοντος (κατάλληλη διαιτητική αγωγή), άτομα με ελαττωματικό γονότυπο μπορούν να εμφανίσουν τον κανονικό (άγριου τύπου) φαινότυπο. Σε άλλες περιπτώσεις όμως, είναι δυνατό άτομα με κανονικό γονότυπο να εμφανίσουν τον σπάνιο φαινότυπο μιας μεταλλαγής. Τέτοιες περιβαλλοντικά επαγόμενες μιμήσεις (ή αντίγραφα) μεταλλαγών ονομάζονται φαινοαντίγραφα, ή φαινοτυπικά αντίγραφα.
Φαινοτυπικά αντίγραφα ΦΩΚΟΜΕΛΙΑ : Υπολειπόμενο αυτοσωματικό γονίδιο Χρωμόσωμα 8 Υποπλασία των μακρών οστών των άκρων του σώματος, με αποτέλεσμα τα άκρα των χεριών ή των ποδιών να εκφύονται απευθείας από τον κορμό, όπως τα πτερύγια της φώκιας. Στα τέλη της δεκαετίας του ‘50 – αρχές ‘60 γεννήθηκαν πολλά μωρά στη Δ. Ευρώπη με σοβαρές ανωμαλίες που θύμιζαν αυτή τη σπάνια γενετική ασθένεια.
Φαινοτυπικά αντίγραφα Περιβαλλοντικά επαγόμενες μιμήσεις μεταλλαγών: π.χ φωκομελία και θαλιδομίδη («φάρμακο» κατά της ναυτίας) ΘΑΛΙΔΟΜΙΔΗ
Φαινοτυπικά αντίγραφα Στις κότες, ο φαινότυπος creeper μοιάζει με τη φωκομέλια και οφείλεται σε μια σπάνια μεταλλαγή. Μπορεί όμως επίσης να προκληθεί με επίδραση ινσουλίνης ή βορικού οξέως στο στάδιο του εμβρύου. Επίσης, σε πειραματόζωα έχει προκληθεί διαβήτης με χημικές ουσίες, όπως η alloxan, με ορμόνες του θυροειδούς, ή με εισαγωγή αντισωμάτων εναντίον της ινσουλίνης.
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Αλληλεπίδραση Γονότυπου & Περιβάλλοντος Συνήθως, οι περιβαλλοντικές επιδράσεις είναι προσθετικές (κάθε περιβάλλον προσθέτει ή αφαιρεί την ίδια ποσότητα από το φαινότυπο ανεξάρτητα από το γονότυπο, π.χ. παράδειγμα με γαλακτοπαραγωγή αγελάδων νωρίτερα). Όταν οι περιβαλλοντικές επιδράσεις στο φαινότυπο διαφέρουν ανάλογα με το γονότυπο (δηλαδή κάθε γονότυπος αντιδρά διαφορετικά στο περιβάλλον), τότε έχουμε αλληλεπίδραση γονότυπου-περιβάλλοντος. Συχνή χρήση στη βελτίωση φυτών και ζώων Διαφορετικές ποικιλίες φυτών σε διαφορετικές περιοχές της χώρας (ποικιλίες σιταριού προσαρμοσμένες στην Λάρισα και όχι στην Καβάλα)
Αλληλεπίδραση Γονότυπου & Περιβάλλοντος φ = Γ + Π + ΓxΠ
Αλληλεπίδραση Γονότυπου & Περιβάλλοντος Παραδείγματα: Ύψος φυτών (φαινότυπος) σε διαφορετικά υψόμετρα (περιβάλλον) Απόδοση καλλιέργειας (π.χ. αραβόσιτος) σε διαφορετικής ποιότητας περιβάλλοντα Αύξηση/μείωση του αριθμού των οματιδίων στους σύνθετους οφθαλμούς της δροσόφιλας σε διαφορετικές θερμοκρασίες Παραγωγή μαλλιού στα πρόβατα μερινός σε διαφορετικά περιβάλλοντα.
Αλληλεπίδραση Γονότυπου & Περιβάλλοντος • Achillea millefolium • 7 γονότυποι • 3 υψόμετρα
Αλληλεπίδραση Γονότυπου & Περιβάλλοντος
Πρακτικές εφαρμογές Σταθεροί περιβαλλοντικοί παράγοντες: ποιότητα και είδος τροφής, ασθένειες, κλίμα, (ξηρασία, παγετός, ασφυξία), pH και γονιμότητα εδάφους • Επιλογή γoνοτύπων (φυτών ή ζώων) με την καλύτερη επίδοση στο προοριζόμενο περιβάλλον Απρόβλεπτοι περιβαλλοντικοί παράγοντες: καιρικές συνθήκες, έτος, μεταλλαγή παθογόνων • Επιλογή γoνοτύπων με την καλύτερη επίδοση σε ένα εύρος περιβαλλόντων
Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Επιμέρους Ενότητες Γονότυπος + περιβάλλον = φαινότυπος Πεδίο ή φάσμα αντίδρασης ενός γονότυπου Επίδραση θερμοκρασίας Τροφικές επιδράσεις Φαινοτυπικά αντίγραφα (φαινοαντίγραφα) Αλληλεπίδραση γονότυπου & περιβάλλοντος Μελέτες διδύμων
Δημιουργία ατόμων με τον ίδιο γονότυπο Στα φυτά με συνεχείς αυτογονιμοποιήσεις – άτομα ομοζυγωτά για όλους του γόνους (καθαρή σειρά). Στα ζώα με συνεχείς διασταυρώσεις μεταξύ συγγενών ατόμων (ομοιομεικτικές διασταυρώσεις). Οι F1 απόγονοι της διασταύρωσης δύο καθαρών σειρών έχουν τον ίδιο γονότυπο. Στα φυτά, όσα άτομα προέρχονται από αγενή πολλαπλασιασμό (μοσχεύματα κλπ) είναι κλώνοι. Στα θηλαστικά οι ομοζυγωτικοί δίδυμοι έχουν τον ίδιο γονότυπο. Με κλωνοποίηση (μεταφορά πυρήνα από έμβρυο νεαρής ηλικίας σε ώριμα ωοκύτταρα).
Κλωνοποίηση (Dolly 1996) http://alexa-dollythesheep.blogspot.gr/2012/04/dolly-sheep.html http://en.wikipedia.org/wiki/Dolly_(sheep)#cite_note-10 http://www.geneticsandsociety.org/article.php?id=6410 http://www.lifesciencesfoundation.org/events-Dolly_the_Sheep.html We are now able to clone endangered species, improving their chance for survival. We could use cloning to cure diseases. Cloning could be a viable tool used to revive extinct species. Dolly has made people aware of the possibilities the future holds, to the point of genetically modifying pigs so we can use their organs for human organ transplants, or modifying fruit to give an oral vaccine. A British cell biologist central to the cloning of the first adult mammal died at his home in England last Friday, aged 58. Keith Campbell and colleague Ian Wilmut announced their success with cloning Dolly the sheep in 1997, achieving what experts had believed impossible—and sparking a major ethical debate over the possibility of cloning humans. Campbell himself was deeply opposed to the idea, the New York Times notes in its obituary for the scientist. "Why would anyone want to clone, anyway? It’s far too expensive and a lot less fun than the original method," he once said. http://www.newser.com/story/155685/scientist-who-cloned-dolly-dead-at-58.html
Περιβαλλοντική αιτιοκρατία Μελέτες διδύμων Γενετική αιτιοκρατία ή Περιβαλλοντική αιτιοκρατία Μονοζυγωτικά Τετράδυμα: Αrmadillos (Dasypus novemcinctus) Έρευνα 20 φαινοτυπικών χαρακτήρων Κάποια διαφέρουν κατά 140 x Κάποια ελάχιστα
Μελέτες διδύμων Trait A: low genetic bias, mostly affected by family environment Trait B: high genetic bias, less effect of environment Trait C: low genetic bias, mostly affected by non-family environment
Μελέτες διδύμων Μονοζυγωτικοί δίδυμοι: προέρχονται από το ίδιο γονιμοποιημένο ωάριο, άρα έχουν τον ίδιο γονότυπο. Άρα, τυχόν διαφορές στο φαινότυπο προέρχονται από περιβαλλοντικές επιδράσεις. Διζυγωτικοί δίδυμοι: προέρχονται από διαφορετικά ωάρια, άρα έχουν διαφορετικό γονότυπο. Τυχόν διαφορές στο φαινότυπο προέρχονται από γενετικές και περιβαλλοντικές επιδράσεις. Αν η φαινοτυπική ομοιότητα για ένα χαρακτηριστικό στους ΜΔ > ΔΔ τότε έχει γενετική βάση. Αν η φαινοτυπική ομοιότητα για ένα χαρακτηριστικό στους ΜΔ = ΔΔ τότε καθορίζεται από το περιβάλλον.
Μελέτες διδύμων
Κληρονομικότητα: 0.0 – 1.0 Αποκλειστικά σε επίπεδο πληθυσμού
Μονογονιδιακές & πολυπαραγοντικές ασθένειες http://cpmc.coriell.org/Sections/Medical/GeneInteraction_mp.aspx?PgId=93
Genome-wide association studies Lander 2011 Nature 470:187
Γονότυπος + Περιβάλλον = Φαινότυπος Γονότυπος: σταθερός Φαινότυπος: μεταβάλλεται συνεχώς Τι είναι πιο σημαντικό στην διαμόρφωση του φαινότυπου, ο γονότυπος ή το περιβάλλον; Τι ποσοστό της ποικιλότητας που παρατηρείται σε έναν πληθυσμό οφείλεται σε γενετικές διαφορές, και τι σε περιβαλλοντικές επιδράσεις; Η δεύτερη ερώτηση, επηρεάζεται και από αλληλεπιδράσεις γονότυπου και περιβάλλοντος.