Hoofdstuk 3: GENETISCHE OVERERVING –REGELS & PRINCIPES
1. Mendeliaanse overerving
Mendel:
-
Ontdekker basisprincipes van de erfelijkheid
Hij werkte met erwten → snel te kweken + gerichte kruisingen
1.1 MONOHYBRIDE KRUISINGEN (eerste 2 wetten)
- Kruisen zuivere lijnen die in één kenmerk verschillen
- Segregatie van ouderkenmerken
- Individu krijgt 2 gameten die samen de kenmerken bepalen
Fenotype = uiterlijke expressie van één of meerdere kenmerken
Genotype = genetische determinatie van één of meerdere kenmerken
→ bepaald door discrete factoren = genen
→ 2 verschillende varianten van een gen = allelen → deze kunnen dominant/recessief zijn
Homozygoot = zelfde allelen voor een gen
Genotype bepaalt fenotype
1.1.1
Eerste wet van mendel: Wet van Dominantie
= Wanneer twee allelen op een locus verschillend zijn (A, a) dan bepaalt er één, nl. het dominante allel
(A), de uiterlijke expressie of het fenotype van het organisme, terwijl de andere, nl. het recessieve allel
(a), geen effect heeft op het uiterlijke kenmerk van het organisme
= enkel dominante fenotype komt voor in de F1-generatie
1.1.2
Tweede wet van Mendel: Wet van Segregatie
•Tijdens de meiose worden twee allelen gesplitst (=segregeren)
•Elke gameet (pollen/ovule) krijgt één enkele vorm v/h gen
•Een Aa ouder maakt 50% A en 50% a gameten
•Random fusie van gameten → nakomeling krijgt twee allelen van elk gen
= F2-generatie toont een fenotypische 3:1 segregatie
1.2 Predictie van fenotypische segregatie bij kruisingen
Dit is kansberekening:
-
elke fusie van gameten is onafhankelijk
exclusieve events (R of r)
gebruik Punnetvierkant: gameten vader (kolommen) en moeder (rijen) → random combinatie
van alle allelen waaruit je de frequenties kan afleiden
1
1.3 DYHIBRIDE KRUISINGEN
= een kruising tussen twee pure individuen die verschillen in twee onderscheidbare kenmerken
Elke gameet bevat 2 kenmerken en dit is 1 allel van de zygote die wordt gevormd !!!
Tijdens onderzoek bleek dat de overerving bij dyhibride kenmerken onafhankelijk gebeurt → 3e wet
1.3.1
Derde wet van Mendel: wet van onafhankelijke segregatie
= De allelen van één gen erven onafhankelijk over t.o.v. de allelen van een ander gen (i.e.
“independent assortmentof alleles”)
-
Tijdens eerste meiotische deling (MI): random segregatie van homologe chromosomen (en
dus genen) in meiosis I → gameten met alle types van allelische combi’s
VOORWAARDE: Enkel voor genen die niet met elkaar gelinkt zijn: i.e. dus voor genen die op
een verschillend chromosoom liggen
Uitzondering!!: gekoppelde genen tonen wel afhankelijke segregatie (geneticlinkage) –zie
verder in cursus !!
2
2. Chromosomale theorie van overerving
Sutton & Boveri:
-
Toonden aan dat de Mendeliaanse overerving gebeurde door discrete factoren (genen)
gelegen op chromosomen
Stelden de chromosomal theory of inheritance op
▪ Chromosomen en genen komen voor in paren in een diploïde cel
▪ Elk chromosoom bevat slechts één vorm van het gen = 1 allel
▪ Homologe chromosomen worden van elkaar gescheiden tijdens meiose
▪ Producten van meiose hebben één van beide homologe chromosomen
▪ Bevruchting hersteld het diploïde aantal chromosomen in de cel
Pedigree charts
= nakomelingen analyse
Wanneer het moeilijk is om een kwantificatie te maken van de nakomelingen van een soort, dan is het
moeilijk om een Punnetvierkant op te stellen
Belangrijkste symboliek kennen!
Testkruising
= bepaling genotype van een onbekend individu op basis van Mendeliaanse overerving door kruising
met een homozygoot recessief genotype
Het wordt meestal uitgevoerd bij dominante fenotypes omdat er dan twee mogelijke genotypes zijn.
3
3. Niet-Mendeliaanse overerving
De overerving gebeurt meestal NIET een perfecte mendeliaanse overving in de natuur. De wetten van
Mendel zijn vaak een oversimplificatie.
-
Intermediaire fenotypes
Meer dan twee discrete fenotypes → kenmerk bepaald door meer dan 1 gen
Fenotype expressie soms afhankelijk van omgeving
Afwijkende fenotypische segregatie
soms geen onafhankelijke overerving → gekoppelde genen
De oorzaken zijn GEN-EFFECTEN en OMGEVING
❖ Intralocus gen-effecten = op niveau van allel binnen één gen
❖ Interlocus gen-effecten = door verschillende genen op verschillende loci (= polygenetisch)
3.1 INTRALOCUS gen-effecten
3.1.1 Co-dominantie
- 1:2:1 segregatie
- Beide allelen zijn even dominant → beide hoofdletter
- Derde fenotype bij 2 allelen
- Beide ouderkenmerken zijn nog herkenbaar (rood + wit → rode en witte spikkels)
- = afwijking van volledige dominantie
Verklaring:
-
Gen-expressie: TF heeft geen voorkeur voor promotor van bepaald allel MAAR wel
exclusiviteit (= bindt maar 1 allel)
Eiwitfunctionaliteit: allelen coderen voor verschillende eiwitten
3.1.2 incomplete of partiële dominante
- 1:2:1 segregatie
- beide allelen zijn niet helemaal dominant tegenover elkaar, maskeren elkaar niet volledig →
hoofdletter met sub/superscript
- heterozygoot vertoont derde fenotype = blend = intermediair
- beide ouderkenmerken niet meer zichtbaar (rood + wit → roos)
- = afwijking van volledige dominantie
Verklaring
-
Gen-expressie: TF heeft geen voorkeur voor promotor MAAR beide allelen komen tot
expressie
Eiwit-niveau: geen volledige dominantie tussen eiwitten, het iets dominantere kan het
recessieve niet volledig onderdrukken
Beide (incomplete en co-dominante) kunnen beide voorkomen in de F2 generatie van 1 kruising, het is
niet dat het altijd maar 1 van de 2 is
4
3.1.3 Overdominantie
- Superieur genotype → beter dan ouders = heterozygote advantage
- Fitness-gerelateerd
- = afwijking van volledige dominantie
- Dominante gen-effect > additieve gen-effect:
▪ Additief effect (a) = toegevoegde waarde van een allel aan het fenotype (= verschil in
toegevoegde waarde tss recessief en dominant allel)
▪ Dominante effect (d) = afwijking van de heterozygoot tov van wat je verwacht op basis
van pure additiviteit
Pure dominantie (zoals bij mendel) dan is a=d
k is de relatieve dominantie = d/a
Verklaring: moleculair mechanisme onbekend maar wss door interactie beide allelproducten
➔ In homozygoten heb je enkel additieve gen-effecten, in heterozygoten enkel dominante geneffecten.
3.1.4 Lethale allelen
- = genvariaties die lethaliteit veroorzaken in F2-generatie (dominant of recessief)
- Gebeurt wel volgens wetten van Mendel MAAR fenotypische distorsie = afwijkende segregatie
- 2 mogelijkheden
▪ Lethaal dominant: 0:1 of 2:1 uitsplitsing afhankelijk van het stadium van ontwikkeling
▪ Lethaal recessief: 3:0 uitsplitsing
- Kunnen in verschillende levensstadia voorkomen !
▪ Early onset
▪ Late onset
▪ Conditioneel
- Pseudo-dominantie = homozygoten sterven vroeg af en bij heterozygoten is de lethaliteit
meer gemaskeerd en komt pas later tot expressie (2:1 segregatie)
Verklaring: loss-of-function van essentiële genen
3.1.5 Pleiotropie
- = één gen bepaalt twee of meer verschillende ongerelateerde fenotypische kenmerken
- Effect kan positief of negatief zijn
▪ Agonistic pleiotropy = zelfde effect op verschillende kenmerken
▪ Antagonistische pleiotropy = omgekeerd effect op verschillende kenmerken
5
-
-
Onderverdeling op basis van timing expressie
▪ Synchroon = kenmerken komen op zelfde moment tot uiting
▪ Asynchroon = expressie op verschillende momenten
Kan verschillend genetische effect hebben voor kenmerken: bvb dominant voor kenmerk A en
recessief voor kenmerk B
Verklaring: genen coderen voor eiwitten die effect hebben op verschillende eigenschappen, ze hebben
maar 1 functie maar deze uit zich in verschillende kenmerkend
3.1.6 Multipele allelie
- = meer dan twee allelen bestaan in een populatie voor één en hetzelfde gen
- Gaat in tegen de wetten van Mendel (2 allelen voor elk gen) → komt door mutaties
- Niet echt een intra-locus interactie → er zijn verschillende allelen en deze kunnen elk op een
andere manier met elkaar interageren
Het is een heel belangrijke vorm van genetische variatie en evolutie !!
-
= functioneel allel
De generische bijdrage aan fenotype kan verschillen
Leidt tot een grote fenotypische verscheidenheid WANT beste fenotype wordt geselecteerd
door evolutie
Voorbeeld: ABO bloed groep
Bepaald door het I-gen, hiervan zijn 3 allelen waarvan 2 co-dominant zijn en 1 recessief. Deze allelen
coderen voor verschillende suikers (antigenen) op het opp van de bloedcellen. Combinaties van deze
allelen leiden tot 4 verschillende fenotypes.
Voorbeeld: vachtkleur konijn
3.1.7
Omgevingscondities
Mendel dacht dat het fenotype enkel werd bepaald door genotype MAAR er is nog een invloed:
-
Genotype
Omgeving: 2 soorten effecten
▪ Wijzigt fenotype ongeacht genotype
▪ Wijziging fenotype is genotype-afhankelijk
De omgeving kan bestaan uit interne of externe factoren.
Verklaring:
- omgeving beïnvloedt genexpressie (ander eiwit wordt gevormd)
- direct effect op functie of activiteit eiwit
3.2 INTERLOCUS gen-effecten
6
4. Overerving van polygene eigenschappen
4.1 Mendeliaanse overerving
elk kenmerk wordt bepaald door één gen
- Elk gen heeft 2 allelen (dominant en recessief) → 2 fenotypen
4.2 Polygenetische of multigenetische controle
= genetische controle van een kenmerk door meer dan één gen
-
↔ monogenetische controle
Hoe meer genen hoe meer genotypische en fenotypische klassen
Genen kunnen ook meerdere allelen bevatten → meerdere fenotypen
Het fenotype wordt bepaald door polygenetische controle en omgevingsfactoren.
Er zijn 2 types van fenotypische expressie, bij een grote hoeveelheid aan genotypes:
1) Additieve model: continue variatie
2) Threshold model: discrete klassen
4.2.1 Additieve model van polygenetische overerving
- Variatie in polygenetisch kenmerk door additieve gen-effecten
- Elk gen = klein additief effect op fenotype → veel fenotypes
- Continue distributie van het fenotype door strikt additief effect
Hoe groter het aantal genen (n), hoe meer fenotypische klassen in de F2 generatie = 2n+1
Bij veel genen met elk twee of meer allelen vertoont het fenotypische distributie een normale verdeling.
De fenotypische variatie is dan continue, er zijn geen onderscheidbare klassen meer. Hoe groter de
sigma, hoe groter de spreiding in het kenmerk.
Voorbeeld: huidskleur mens:
-
3 genen elk met 2 allelen: dominant allel produceert melanine recessief niet
De dominante allelen hebben een gelijk additief effect = geen dominante effecten over elkaar
Grote invloed van de OMGEVING = UV
Punnetvierkant: bij elke ouder wordt elk type gameet gemaakt aan gelijke frequentie, deze gaan
fuseren. Met de formule kan je het aantal fenotypes bepalen: 3³ genotypes en 7 fenotypes. Het aantal
dominante allelen bepaalt dan de melanine productie. De ‘gemiddelde huidskleur’ komt het meeste
voor bij een kruising tussen lichte en donkere huid.
Voorbeeld: lichaamslengte mens
Voorbeeld: graankleur in tarwe
7
4.2.2 Threshold model
- De gevoeligheid wordt bepaald door additieve gen-effecten → de gevoeligheid volgt WEL een
normale verdeling het fenotype NIET → de expressie van het fenotype hangt af van dat de
gevoeligheid een bepaalde waarde overschrijdt
- Enkel degenen die de threshold overschrijden hebben een ander fenotype → het aantal
thresholds is variabel
- Een threshold is specifiek voor één populatie in éénzelfde omgeving
- Discrete klassen
Voorbeeld: genetische ziekten
Pylorus stenose = vernauwde maaguitgang bij baby’s → threshold ligt anders bij jongens dan bij
meisjes en hierdoor komt de fenotypische expressie vaker voor bij jongetjes
8
5. Inter-locus geneffecten of Epistasie
Van elk inter-locus effect een voorbeeld kunnen reproduceren !
Genetische controle door:
-
Additiviteit
Interlocus effecten
Intra-locus efefcten
Interlocus gen-effecten = twee of meerdere genen beïnvloeden elkaars impact bij de determinatie van
één enkel fenotypisch kenmerk → door interactie of afhankelijkheid van genproducten
-
-
Afwijkingen van Mendeliaanse segregatie
Niet alle fenotypen kunnen worden verklaard met additiviteit en dominantie → door
afhankelijkheid van genproducten
Verschillende types:
▪ Complementaire genen (9:7)
▪ Polymerische geninteractie (9:6:1)
▪ Epistasis sensu strictu: dominant (12:3:1) of recessief (9:3:4)
▪ Suppressie of inhiberende gen-interactie (13:3)
▪ Gedupliceerde genen (15:1)
Elk type heeft een ander effect op het segregatie patroon !!
5.1 Complementaire gen interactie → 9:7
- Voor beide genen moet het dominant allel minstens één keer aanwezig zijn om het dominante
kenmerk tot expressie te laten komen
- 2 fenotypes
Verklaring:
-
Wanneer genen samenwerken samen of in tandem voor één eiwitproduct → 1 fenotype
Of bvb in 2 stappen waarbij beide dominante allelen nodig zijn om bepaalde enzymen te
creëren om het finale product te bekomen (onderaan slide)
Genetische heterogeniteit: mutaties in 2 verschillende genen kunnen tot hetzelfde fenotype leiden
Principe Complementatie test: hierbij wordt nagegaan of 2 individuen een defect hebben in hetzelfde
gen of niet, dat niet fenotypisch zichtbaar is. Dit kan je afleiden uit het fenotype van de F1-generatie
ervan. In dit voorbeeld is de mutatie in een verschillend gen want het individu heeft voor beide een
dominant allel en je hebt een rode oogkleur. Als de mutaties in hetzelfde gen zouden zijn dan zou je een
nakomeling krijgen die homozygoot recessief is voor dat gen en die de witte oogkleur heeft.
5.2 Polymerische geninteractie → 9:6:1
- 2 genen die hetzelfde fenotype produceren wanneer één dominant allel aanwezig is
- Wanneer 2 dominante allelen samen voorkomen → ander fenotype
- = additieve of dominante interlocus gen interactie
Verklaring: coderen voor 2 eiwitten die redundant (= gelijke functie), ze kunnen deze van elkaar
overnemen. Wanneer beide eiwitten voorkomen hebben ze een andere functionaliteit → ander
fenotype
9
5.3 Epistasis sensu strictu
= meerdere genen bepalen het kenmerk MAAR één gen maskeert het effect van een ander gen
-
Het gen dan het ander maskeert = epistatisch gen, het gen dat wordt gemaskeerd =
hypostatische gen
- 2 vormen:
▪ Recessieve epistasie (9:3:4):
= het recessieve allel (aa) van gen A gaat het effect van het dominante alles van gen B
maskeren
= supplementaire gen actie
Voorbeeld Albino’s: gen B is isostatisch tegenover A. Enkel wanneer gen B homozygoot
recessief is komt het albino tot uiting. Als B dominant is (bB of BB) dan pas heeft A een effect
en zie je een verschil tussen recessief homozygote A en dominante A.
→ Dus het epistatische gen is onafhankelijk en het hypostatische gen is afhankelijk en is enkel
effectief in combinatie met het dominante allel van het eerste gen.
Verklaring = het hypostatische eiwit is enkel functioneel als het eiwit van de dominante versie
van het epistatisch gen tot uiting komt
▪
Dominante epistasie (12:3:1)
= het dominante allel van gen A gaat het effect van het dominante allel van gen B maskeren
Het gen B zal enkel tot expressie komen wanneer het gen A homozygoot recessief is, A is
epistatisch over gen B en bepaalt het fenotype. Wanneer het dominant allel A niet aanwezig is,
zijn 2 fenotypes mogelijk, afhankelijk van gen B.
Verklaring: wanneer het eiwit van het dominante alles van gen A aanwezig is wordt het effect
van het genproduct van gen B ‘overruled’
5.4 Suppressie of inhiberende gen-interactie → 13:3
- één gen A bepaalt volledig het fenotype, het andere gen B bepaalt geen specifiek fenotype
- MAAR het dominante allel van B inhibeert volledig de fenotypische expressie van het
dominante allel van gen A
- 2 fenotypes
- Er zijn maar twee genotypes waarbij gen A niet wordt geïnhibeerd: Aabb en AAbb
Verklaring: het genproduct van het dominante allel B zorgt voor de inhibitie van de functie van het
genproduct van het dominante allel A
5.5 Gedupliceerde genen → 15:1
- Beide dominante allelen produceren hetzelfde fenotype = geen bijkomend effect, enkel
wanneer beide genen homozygoot recessief zijn komt het ander fenotype voor
- Vanaf 1 dominant allel van één van de twee genen → dominant fenotype
Verklaring: komt voor bij gedupliceerde genen (2 kopijen van éénzelfde gen in één genoom →
produceren dus zelfde eiwit). Er is GEEN doseringseffect, het aantal eiwitten maakt dus niet uit voor
het fenotype om tot uiting te komen.
10
11
NIET-MENDELIAANSE OVERERVING
6. Gekoppelde genen
Chromosome inheritance model: Genetische overerving wordt bepaald door genen en hun allelen die
op chromosomen liggen en volgt dus de segregatie van chromosomen in meiose I en de random fusie
bij fertilisatie (volgt uit mendel)
Gevolg: alle allelen die op hetzelfde chromosoom liggen moeten samen worden overgeërfd
MAAR dit is niet zo !
→ er is fysieke uitwisseling van allelen tussen homologe chromosomen tijdens de meiotische celdeling
➔ = homologe recombinatie of crossing-over
➔ Hoe dichter de allelen op het chromosoom liggen hoe kleiner het recombinatiepercentage
Gekoppelde genen = genen die op hetzelfde chromosoom liggen, en vooral genen die dicht bij elkaar
liggen, erven samen over
-
-
-
hierdoor treedt afhankelijke segregatie van allelen op
bepaalde allelencombinaties komen meer voor dan andere in gameten
genetische afstand = recombinatiefrequentie
afhankelijk van afstand tussen loci van 2 genen:
▪ geen koppeling
▪ complete koppeling
kunnen in 2 tranfiguraties voorkomen:
▪ cis-configuratie: dominante allelen op zelfde homoloog van chromosoom
▪ trans-configuratie: dominante allelen op verschillend homoloog van chromosoom
genotypische koppeling nagaan ? → testkruising met chi-kwadraattest met verwachte
segregatie 1:1:1:1
7. Geslachtsgebonden genen
-
Geslachtschromosomen bepalen het geslacht
Deze chromosomen bevatten ook genen die coderen voor ANDERE kenmerken = seks-linked
traits → worden mee overgeërfd
Notatie: geslachtschromosoom met als superscript het allel
Mensen hebben een X-Y systeem geslachtsdeterminatie
-
-
Vaders kunnen X enkel doorgeven aan dochters, niet zonen
Moeders geven X aan beide door
Mannen zijn gevoeliger voor geslachtsgebonden mutaties omdat recessieve allelen van
mutaties niet kunnen worden gemaskeerd door een dominant allel dat op een ander Xchromosoom ligt (dus wel bij vrouwen)
Mannen en vrouwen hebben ongelijk aantal X-chromosomen
→ compensering: inactivatie van één van de twee X-chromosomen gesilenced (door
epigenetische mechanismen vooral condensatie)
→ zo wordt een Barr-body gecreëerd van 1 X-chromosoom → RANDOM in elke cel waardoor
je een mozaïek fenotype krijgt
Lappjeskat: komt enkel voor in vrouwtjes omdat je heterozygotie nodig hebt en het gen is gelegen op
het X-chromosoom
12
8. Genomic imprinting
= expressie van een gen wordt bepaald door parentale origine- van vader of moeder
= parent-specific gene expression
- Gen krijgt verschillende markering in gametogenese van vader en moeder
- Verschillende gemarkeerde allelen → inactivatie van één allel oftewel van de moeder of vader
➔ Haploïde zygote
9. Extranucleaire overerving
= overerving wordt bepaald door genetisch materiaal dat niet in de nucleus zit (genen niet op
chromosomen)
-
-
Extra-nucleaire genen
▪ Mitochondriën
▪ Chloroplasten
▪ Plasmiden
Delen onafhankelijk van de nucleus
Genen worden overgeërfd van één ouder, meestal moeder = cytoplasmatische of extrachromosomale overerving → deze uniparentale overerving zorgt voor afwijking van wetten
van Mendel
13
Hoofdstuk 4: REPRODUCTIE: MECHANISMEN EN RELEVANTIE
1. Seksuele versus aseksuele voortplanting
Voortplanting = fenomeen dat leidt tot de vorming van nakomelingen uit een levend
organisme
Productie ↔ reproductie
1.1. Aseksuele voortplanting
- er is maar één ouder vereist → genetisch identieke nakomelingen
- Probleem: geen adaptatie en evolutie mogelijk = klonen
- Mechanisme: binary fission of mitotische deling
- Komt voor in
▪ Vooral in prokaryoten en lage eukaryoten (protista)
▪ Soms hogere eukaryoten
1.2. Seksuele voortplanting
- = fusie van mannelijke en vrouwelijke gameten (=syngamie) → genetisch nieuwe
nakomelingen
- mechanisme:
▪ vorming gameten (haploïd)
▪ vorming zygote = bevruchting (diploïd)
- nieuwe genetische variabiliteit
▪ door recombinatie in meiose + random seggregeren
▪ random fusie gameten
- nadeel: vereisen veel energie + traag
- altijd aanwezig of door inductie mogelijk (bij stress)
Levenscyclus:
-
Sporofyt = ontstaat uit zygote en vormt haploïde sporen
Gametofyt = ontstaat uit sporen en vormt haploïde gameten
Verschillende types:
▪ haplont
➢ protisten fungi en groene algen
▪ diplohalpont
▪ diplont
2. Voortplanting in prokaryoten
Prokaryoten:
-
Geen kern
Enkel aseksuele reproductive
2.1. Reproductie via deling
- OF binaire fissie = vorming 2 identieke dochtercellen
Mechanisme:
14
Start met replicatie van DNA, deze plaats = origin of replication. Er zijn 2 DNA-polymerase complexen
die elk in een andere richting werken. Zo worden beide de lagging en leading strand gerepliceerd en
wordt het DNA opgesplitst en worden 2 dubbelstrengen gemaakt. De replicatievorken lopen door tot
ze elkaar terug ontmoeten = termination of replication. Eens dat het DNA gedupliceerd is bewegen ze
weg van elkaar en vormt de cleavage furrow. Hierrond vormen FtsZ-proteïnen een ring en pinchen de
cel, hier wordt het septum gevormd. Hierop worden dan het celmembraan en de celwand op gevolgd
en de cel kan splitsen.
2.2. Genetische variatie
Hoe dan nieuwe organismen en evolutie ???
➔ Horizontale of laterale gentransfer
- Kan gebeuren tussen verschillende of 1 soort
- Telkens proces:
▪ Homologe recombinatie
- Komt voor bij
▪ Prokaryoten
▪ Soms eukaryoten bij infectie
- Verschillende mechanismen
▪ Transformatie
▪ Transductie
▪ conjugatie
➔ Verticale gentrasfer
- = overdracht van genen over generaties heen
- Door proliferatie (mitose) of reproductie (meiose en bevruchting)
2.2.1 Transformatie
-
-
Opname naakt DNA
▪ Plasmide
▪ DNA fragmenten (door celdood)
Niet in alle PRO + ze moeten competent zijn (=dense populaties)
Integratie in genoom door homologe recombinatie → VOORWAARDE: mate van homologie
zijn anders wordt DNA niet opgenomen in genoom
Kan in zelfde generatie een nieuw fenotype veroorzaken
2.2.2 Transductie
-
= transfer van DNA tussen bacteriën door virussen
Enkel tussen zelfde of gerelateerde soorten
2 soorten
▪ Generalized transduction
➢ Lytische faag infecteert bacterie met RANDOM stuk DNA
➢ DNA van bacterie desintegreert en DNA virus dupliceert
➢ Nieuwe aanmaak virus waarbij soms deel DNA bacterie in nieuw virus komt =
transducing phage
➢ Infectie met transducing phage
15
▪
➢ Integratie nieuw bacterieel DNA in DNA host door recombinatie (enkel bij
homologie)
Specialized transduction
➢ Overdracht SPECIFIEK stuk DNA door lysogenische bacteriofaag
➢ 1e stadia: lysogene staat = integratie DNA in DNA van bacterie
➢ 2e stadia: lythische staat = viraal DNA wordt uitgeknipt (= profaag genoom) en
in nieuwe virussen gezet
MAAR soms wordt het viraal DNA verkeerd uitgeknipt → soms ook bacterieel
DNA en zo kan het naar andere bacteriën worden overgebracht
➢ Infectie kan stabiel zijn als er geen bepaalde virusgenen aanwezig zijn
waardoor het virus niet meer kan infecteren
2.2.3 Conjugatie
-
-
Directe transfer van DNA via conjugatief plasmide of pilus
Rolling circle replication: de lagging streng wordt doorgegeven door de pilus en daar
gerepliceerd → zo wordt een plasmide gesplitst en gedupliceerd
F-factor: genen voor conjugatie
▪ Een F+ plasmide kan een F- omzetten naar een F+
▪ Bepaalde IS sites: hier kan F-factor integreren → vorming Hfr-cellen (= hoge
conjugatie capaciteit)
Hoe langer de interactie hoe meer genen kunnen worden doorgegeven
Doorgeven van DNA gebeurt lineair
2.2.4 Homologe gentransfer
Tijdens al deze horizontale gentransfer werd telkens (in transformatie, transductie en conjugatie)
hetzelfde moleculair proces gebruikt = homologe recombinatie
-
-
DNA fragmenten worden uitgewisseld of geïntegreerd tussen homologe DNA sequenties
VOORWAARDEN: het moeten homologe sequenties zijn! → zorgt voor herkenning en basis
voor uitwisseling
Komt voor bij
▪ Plasmiden
▪ Chromosomaal DNA
Door het RecBCD pathway (in bacteriën), 2
mogelijkheden
▪ Reciproke break → cross-over
▪ Non-reciproke break → introductie
sequentie, geen interactie met andere
homoloog
Vooral onthouden dat er bij de pathway 2 vormen zijn
16
3. Seksuele voortplanting in eukaryoten
3.1. Algemeen
In eukaryoten kan zowel seksuele als aseksuele reproductie voorkomen
-
-
Twee geslachtslijnen nodig → in 2 of 1 individu
Elke ouder vormt gameten
Gameten zitten vaak vervat in gametofyten → dieren hebben deze niet, ze vormen enkel
cellen (=gameten)
Germline: aparte somatische cellijn waaruit de gameten gevormd worden
Gameetvorming:
▪ Sporogenese: vorming haploïde sporen (meiose)
▪ Gametogenese: vorming gametofyt (mitose)
Genetische variabiliteit:
▪ Meiotische recombinatie
▪ Chromosoomsegregatie (anafase 1)
▪ Random fusie gameten
NADELEN
-
Energetische kost
Genetische kost: helft genetisch materiaal één ouder gaat verloren
▪ Zo kunnen bvb gunstige genotypes verloren gaan door recombinatie
Demografische kost: tragere en minder vorming nakomelingen
▪ ↔ aseksuele reproductie kan heel snel gebeuren = voordeel bij competitie
VOORDELEN
-
-
-
Genetische diversiteit
▪ Evolutie = fenotypische variatie die voordeel geven ad soort
▪ Micro-evolutie: adapatie bij wijzigende omstandigheden
▪ Nieuwe afweermechanismen
▪ Red queen hypothesis: continue aanpassingen voor competitief voordeel bij
predator/prooi
Verwijderen ongewenste mutaties
▪ Bij aseksuele reproductie zijn de populaties gedoemd uit te sterven door de
accumulatie van ongewenste mutaties (deze gaan niet weg want nakomelingen zijn
klonen)
▪ Bij seksuele reproductie zowel nakomelingen met en zonder ongewenste mutaties →
selectie en zo uit populatie verwijderd
Snelle vorming gewenste allelcombinaties
▪ Fisher-Muller: snellere natuurlijke selectie en evolutie door seksuele reproductie
▪ Accumulatie van gewenste mutaties → afhankelijk van type voortplanting
➢ Kans minder groot bij aseksuele voortplanting !!! (moet op 1 lijn voorkomen)
17
3.2. Meiose
3.2.1.
Algemene verschillen tussen MITOSE en MEIOSE
1) MI: homologe paring en recombinatie (cross-overs)
2) Sequentiële vrijstelling van zuster chromatid cohesie
➢ Zusterchromatiden worden bijeen gehouden door cohesine, die ringen vormen en
zich rond de zusterchromatiden begeven. Tijdens de S-fase worden deze ringen
errond gehangen.
➢ Bij mitose: bij alineëring tijdens de metafase wordt de ring over het gehele
chromosoom afgebroken (door afbraak Rad21) → meteen scheiden
➢ Meiose1: rond centromeer wordt cohesine niet afgebroken omdat Shugosin het
Rec8 proteïne beschermd → na meiose 1 is cohesine overal afgebroken buiten aan
centromeer → zo gaan enkel homologe chromosomen uit elkaar
➢ Meiose 2: het shugosin proteïne is weg waardoor nu wel cohesine aan centromeer
wordt afgebroken→ zusterchromatiden uiteen
3) Monopolaire oriëntatie van kinetochoren in MI
4) Suppressie van DNA replicatie tussen MI en MII
18
3.2.2. MEIOTISCHE HOMOLOGE RECOMBINATIE
-
Tijdens profase 1 van meiose 1
Chiasmata → Crossing over → genetische variatie
Complex proces met subprocessen:
▪ 1) Herkenning en paring homologen
➢ Telomeren linken met kernmembraan
➢ Vorming ‘telomeer bouquet’ → telomeren dicht bij elkaar = makkelijker om
homologie herkennen
➢ Vorming Double Strand Breaks = chromosoom knippen (gecontroleerd) →
leidt tot paring
➢ DSB’s vormen kleine tentakeltjes (ssDNA)die op zoek gaan naar homologe
sequenties (e bol foto)
▪ 2) vorming synaptonemaal complex
➢ Vorming recombinatie nodules = fysieke interactie tussen homologe
chromosomen (blauwe vierkanten) → naast de nodules worden eiwitten
(=synaptonemaal complex SC) gevormd die als rits dient en de homologen
naar elkaar toetrekt
➢ Zorgt voor volledige alineëring homologe chromosomen
▪ 3) vorming chiasmate en crossing-over
➢ Herstelling DSBs: deze kan gebeuren door zusterchromatide (geen
crosisnover) of door homoloog (= crossing over !)
➢ Chiasma = fysieke link tss homologen
➢ SC degradeert
➢ Homologen hangen enkel nog vast via chiasma’s
19
-
Complex MOLECULAIR proces
▪ SPO11 enzyme: geprogrammeerde inductie DSBs
▪ DSB wordt verwerkt tot ssDNA (uithangsels) door enzymatische 5’→3’ resectie
▪ Herkenning homologen door tentakels → paring
▪ D-loops: fysieke interactie tussen homologen met productie nieuw DNA op basis van
homoloog.
▪ Vorming eiwitstructuur die homologen aan elkaar hangt = synaptonemaal complex
▪ Herstel DSB kan door 2 pathways:
➢ DSBR of homologe recombinatie: vorming Double Holliday junction =
knippen fysieke links
→ crossing over
➢ SDSA of synthesis-dependant strand annealing: rejection ssDNA overhang
en herstel door zusterchromatiden
→ GEEN crossing over WEL gen conversie
20
Crossing-over → belangrijk voor seksuele reproductie !
- Fysieke basis voor homologe chromosoomsegregatie → zonder crossing-over blijven
homologen niet bij elkaar
- Reciproke uitwisseling = meer fenotypische variatie
- Co-segregatie: genen opzelfde chromosoom → gekoppelde genen: hoe dichter de loci hoe
groter de kans dat ze samen (afhankelijk) overerven
MAAR vorming crossing over → sterk gereguleerd
- Weinig CO
- Cross-over komt minder voor in centromerische gebieden en vaker in telomerische
3.2.3. Cross-over frequentie en distributie: de mechanismen
-
-
Enkel bij homologen
CO OBLIGATIE = minstens 1 CO per chromosoompaar → anders geen fysieke basis →
aneuploïdie
Onderdrukking rond centromeren → impact klein want weinig genen rond centromeer
CO INTERFERENTIE
▪ CO oefent fysieke repressie uit tov elkaar → gaan niet in nabijheid vormen
▪ = non-random distributie → sterk gereguleerd
CO HOMEOSTASIE: kleine fractie DSB wordt omgezet in crossing over → cel zorgt ervoor dat
aantal CO stabiel is en onafhankelijk van aantal DSB (mechanisme ongekend)
3.3. Biologische processen
➔ Niet gezien in de les!!!
➔ Geen detail/ specifieke vragen gewoon als achtergrondkennis !!
4. Aseksuele voortplanting in eukaryoten
4.1. Mechanismen
Deze is niet hetzelfde als de aseksuele voortplanting bij de PRO, deze zijn niet zo complex dus anders +
genetische info zit in een kern. Bij EU is aseksuele reproductie gebaseerd op proliferatie.
-
-
Proliferatie = vermeerdering door mitose
Mitose heeft 4 stadia
▪ S-fase: DNA replicatie
▪ M-fase: segregatie zusterchromatiden
▪ Cytokenese: scheiding cytoplasma ter vorming dochtercellen
Geen genetische variatie
Komt voor in
▪ Lagere eukaryoten
▪ Vaak optioneel: onder ideale omstandigheden → geen evolutie nodig
21
-
Verschillende mechanismen:
▪ Binaire deling
▪ Budding of knopvorming
▪ Sporen
▪ Fragmentatie & regeneratie
▪ Vegetatieve reproductie
▪ Parthenogenese
➔ Al deze mechanismen zijn te kennen (niet besproken in de les maar niet zo moeilijk)
4.2. Parthenogenese
= enige mechanisme dat wordt besproken
-
-
Embryovorming zonder bevruchting
De seksuele pathway voor aseksuele reproductie → virgin births
Mechanisme: autonome ontwikkeling onbevruchte cel tot embryo
▪ Eicel
▪ Ofwel andere cel die zich als eicel gedraagt
Verschillende types afhankelijk van de OORSPRONG:
▪ 1) Arrhenotokie of generatieve parthenogenese:
➢ Haploïde nakomelingen uit diploïde moeder
➢ MAAR geen klonale cellen want ze komen voor uit meiose → genetische
variatie
➢ Geen bevruchting WEL genetische uitsplitsing
▪ 2) Thelytokie of somatische parthenogenese
➢ Diploïde cel ontwikkelt autonoom tot embryo
• Automixis: wel meiose maar fusie of duplicatie gameten → zo eindig
je met diploïde cellen ook al doe je aan meiose
• Apomixis: geen meiose of omzetting naar mitose → klonen !
➢ Enkel genetische variatie bij automixie
22
Bij thelytoky → automixie: er gebeurt wel meiose ter vorming van haploïde sporen, deze worden op
verschillende manieren omgezet in diploïde cellen:
➔
-
Gameet duplicatie (homozygoot)
Centrale fusie (heterozygoot)
Terminale fusie (sterk homozygoot)
Niet genetisch identiek aan de ouder ! (bij apomixie wel)
4.2.1. Apomixis
Komt vooral voor in planten
Enkele afwijkingen van seksuele reproductie:
▪ Apomeiose: geen meiose → ofwel omgezet in mitose oftewel neemt een andere
somatische cel de rol van de megasporen over
→ Resultaat: megasporten die klonaal en diploïd zijn (ipv haploïd en gerecombineerd)
▪ Parthenogenese: inductie embryogenese
▪ Vorming endosperm: soms kan de centrale cel nog bevrucht worden → pseudogamie
Verschillende types in planten:
▪
▪
Sporofytische apomixie: embryo ontstaat direct uit somatische cel
➢ Vaak samen met seksuele embryo’s
➢ = adventieve of polyembryonie
Gametofytische apomixie: eerst vorming diploïde embryozak met vorming clonale
megaspore
➢ DIPLOSPORIE: megaspore uit megaspore moedercel (MMC)
➢ APOSPORIE: megaspore niet uit MMC
Parthenogenese kan nog verder onderverdeeld worden obv VOORKOMEN (hiervoor op basis van
oorsprong)
-
Obligate of constante parthenogenese
Occasionele parthenogenese → seksuele is de standaard, soms aseksueel
Facultatieve parthenogenese → inductie parthenogenese als er geen seksuele bevruchting is,
afhankelijk van externe condities (stress)
Cyclische parthenogenese → seksueel en aseksueel wisselen elkaar af
Indeling volgens MANNELIJKE STIMULUS
-
Autogamie: geen stimulus nodig door spermacel → eicel of andere kan autonoom tot embryo
ontwikkelen
Pseudogamie: inductie embryogenese vereist mannelijke stimulus → bevruchting nodig maar
niet per se fusie gameten
Samenvatting op slides !
23
24
Hoofdstuk 5: KWANTIATIEVE GENETICA EN VEREDELING
1. Genetische overerving van kwantitatieve kenmerken
-
-
Kwalitatieve kenmerken: discrete verdeling van het fenotype
▪ Gereguleerd door een of enkele genen: mono- of oligogene regulatie
▪ Enkel dominanten en additieve gen-effecten (geen epistatische)
▪ Weinig effect door omgeving
▪ Elk gen heeft een groot effect op genotype
Kwantitatieve kenmerken: continue verdeling fenotype
▪ Gereguleerd door meerdere genen
▪ Wel epistatische gen-effecten
▪ Omgeving groot effect
▪ Afhankelijk van heritabiliteit (h²) of overerfbaarheid van het kenmerk
▪ Meeste kenmerken zijn dit
Kwantitatieve genetica bestudeert genetische bepaling van kwantitatieve kenmerken → basisch voor
veredeling
Fenotypische variatie bij kwantitatieve kenmerken gaat over de gehele populatie, bij kwalitatief over
individuen:
➔ Fenotypische variatie = genetische variatie + variatie door omgeving (P=G+E)
➔ (uitgebreider): residuele effecten zijn er die niet verklaard kunnen worden
-
-
-
Additieve variatie Va: door additief effect allelen = verschil tussen allelen binnen 1 gen =
cumulatief effect allelen
▪ Basis voor veredeling door selectie op gewenste accumulatie
▪ → wordt overgeërfd (als enige) = fixatie
Dominante VD: variatie door dominante gen-effecten = wijzigingen in fenotype door interactie
2 allelen in één gen (INTRALOCUS)
▪ Er kan afwijking optreden van het heterozygoot genotype Aa → waarde d > de
verwachte waarde hiervoor → komt door de verschillende dominantie-effecten die
een heterozygoot kan hebben (overdominant,…)
▪ Heterosis: belangrijk voor veredeling → selectie op heterozygoten = hybriden
geen fixatie
Epistatische variatie Vi: variatie door interactie verschillende genen (INTERLOCUS)
▪ Bvb fenotype van gen A is afh status van gen B
▪ Afwijkingen Mendel
▪ Kan niet op geselecteerd worden !! geen fixatie (behalve klonaal)
25
2. Heritabiliteit en genetische winst
2.1 Heritabiliteit of overerfbaarheid
= de fractie genetische variatie in de totale fenotypische variatie
= mate van overerving van een bepaald kenmerk van ouder naar jong
→ bepaald op populatie niveau !
2.2 Ruime overerfbaarheid H² = geeft weer hoeveel van fenotypische variatie in een populatie bepaald
wordt door het genotype
➔ Omgevingseffect negeren
-
Kwalitatieve kenmerken: bijna geen invloed door omgeving → H² =1
Kwantitatieve kenmerken: wel invloed → fractie variatie bepaald door genotype H²<1
2.3 Nauwe overerfbaarheid h² = proportie fenotypische variatie die bepaald wordt door de additieve
genetische variatie (enkel deze variatie wordt doorgegeven door ouder = enige die gefixeerd kan
worden)
= fenotypische variatie die overerfbaar is
-
-
Meestal h² < H²
Grafiek: je selecteert een klein deel van de populatie met de extreemste kenmerken van de
ouders (met gemiddelde ¨Pp) → de F1 generatie heeft dan een gemiddelde dat afwijkt van Pp
→ deze wordt bepaald door h² !!! (= verandering in populatiegemiddelde bij selectie)
→ het verschil = genetische winst
h² bepaalt evolutionaire voortgang bij bepaalde selectie
Berekening?
o Regressie tss fenotype ouder en nakomeling
o Veredelingsprogramma’s = R/S = genetische winst / selectie
2.4 Genetische winst
= Verbetering van de gemiddelde genetische waarde van een subpopulatie geselecteerde individuen
ten opzichte van de volledige ouderpopulatie
Genetische winst bepaalt door 3 factoren:
-
Genetische variabiliteit VG
Selectie parameters
h² (hoge h² = hoge genetische winst = veel additieve effecten)
Om genetische winst te berekenen → breeders equation
26
➔ Genetische winst is basis voor selectieveredeling !
Hoe?
-
-
Door alternerende cycli
o Bij elke selectiecyclus genetische winst maximaliseren
o Accumulatie additieve gen-effecten
o Genetische winst afhankelijk van h²
Probleem: limiet aan selectie
o Beperkte gentische basis
▪ Genetische winst kan niet blijven toenemen
▪ h² (genetische variatie) gaat altijd dalen
o antagonistische pleiotropie
▪ tegengestelde resultaten door selectie (grotere kip → dunnere schaal)
o beperkt (begin)populatieaantal:
o Niet-additieve gen-effecten
▪ De dominante en episatische zijn niet-additief
▪ VB: je ziet een individu met variatie in fenotype en selecteert hier op maar de
kenmerken kwamen door niet-additieve gen-effecten en worden dus niet
doorgegeven = weinig genetische winst
o Inteelt of inbreeding
3. Inteelt en heterosis
= 2 belangrijke effecten bij kwantitatieve kenmerken
1) Inteelt
= Kruising van twee individuen die genetisch identiek of sterk gelijkend zijn door gemeenschappelijke
afkomst
-
Hierdoor accumulatie homozygote loci en verdwijning allelische variatie
Gebruikt bij planten → pure lijnen = 100% homozygoot
Impact inteelt op genotype en fenotype:
o
o
o
o
Meer homozygoten in populatie
Daling fitness organisme = inteeltdepressie, komt door 2 dingen:
▪ Verhoogde homozygotie met nefaste recessieve allelen (=genetic load)
▪ Verminderde heterozygotie van loci met positieve dominantie
Meer fenotypische expressie van letale recessieve allelen (normaal gemasked) =
tegenselectie hierop want ze sterven af en dus minder van de allelen in populatie
Meer extreme fenotype = meer variatie
Inteelt depressie is afhankelijk van the genitic load
27
-
-
Genetic load
= mate waarin een populatie afwijkt van de perfecte genetische
samenstelling
= maat voor aantal ongewenste recessieve allelen in populatie
Inteeltcoëfficiënt F = de kans dat een individu op eender welk locus
twee identieke allelen bevat die van dezelfde voorouder komen
o In populatie: afwijking verwachte en geobserveerde aantal
heterozygoten
o F= 1 → inteelt (max)
o Hoe groter F hoe groter kans op inteelt depressie
1) 2) Heterosis
= fenomeen waarbij de F1-nakomeling kenmerken vertoont die buiten het bereik liggen van de
fenotypes van beide ouders
= F1 hybride is superieur of inferieur tov beide ouders
-
-
Voor bij kwantitatieve kenmerken !!! → mate van performantie
Sterk gelinkt met accumulatie heterozygote loci
Effect is groter dan de additieve effecten
Verschillende genetische mechanismen
o Dominantie-effecten (pseudo- over-,…)
o Epistasie
Belangrijke kenmerken !
o Komt specifiek voor in een deel van het lichaam, niet overal
o Enkel in F1 generatie → verdwijnt sterk in F2 (homozygotie)
o Maar als je de ouders weet kan je telkens F1 terug vormen
➔ Basis voor hybrideveredeling (traditionele veredeling)
➔ DOEL: productie van heterozygote cultivar met sterk heterosiseffect, je begint hiervoor met
allemaal homozygote ouders
4. Moleculaire merkers
Moleculaire merkers = een bepaalde DNA of eiwit sequentie die (1) specifiek is voor een individu,
familie of organisme en die (2) gemakkelijk en snel geanalyseerd kan worden (reproductief) en (3)
waarvan de overerving gemakkelijk bepaald kan worden. 2 Verschillende types:
-
Biochemische merkers (proteïne-based)
DNA-based merkers (genetische merkers)
Genetische merkers: Elk genetisch element (allel, locus, DNA sequentie) dat specifiek is voor een
bepaald individu en makkelijk gedetecteerd kan worden. Het is gebaseerd op het voorkomen van
polymorfismen in het genoom. Polymorfismen zijn verschillen in DNA-sequenties tss individuen,..
➔
Significant polymorfisme: >1% van de populatie
Heel veel verschillende polymorfismen
Kan een fenotypisch effect hebben = morfologische merker
DNA merker techniek: moleculaire technieken om polymorfismen te detecteren en analyseren
28
Algemeen principe van de DNA merker techniek
-
-
-
DNA extractie
o Meestal gDNA maar soms ook cDNA (dit maak je door mRNA te extraheren en dit om
te zetten naar cDNA = de sequentie die worden afgeschreven = de exons
o Dit doe je bij 2 verschillende individuen en deze vergelijk je voor polymorfismen
Inzoomen op DNA → bepaalde regio’s bekijken
o PCR
o DNA restrictie
Selectie van de benodigde delen DNA
Karakterisatie/visualisatie fragmenten (bvb gelelektroforese)
Interpretatie
Verschillende types DNA merker technieken
SSLP Merker ‘simple sequence lengt polymorphism’
-
= moleculaire merker gebaseerd op verschillen in de lengte van een specifieke DNA sequentie
tussen één of meerdere individuen, families,..
Gebaseerd op verschillende types polymorfismen in DNA lengte
Techniek dmv PCR
2 types:
o Één specifiek locus amplificeren (= detecteren van één polymorfisme)
o Verschillende loci = genome-wide typering
Toepassingen van moleculaire merkers:
-
Bepaling genetische variatie: polymorfismen ~ genetische variatie
Verwantschapsanalyse
DNA fingerprinting
Genetic linkage mapping
QTL mapping (quantitative trait loci) → de locatie bepalen van bepaalde loci die bijdragen tot
een kwantitatief kenmerk
Merker-gestuurde selectie → veredelingsprogramma: selectie op genotype (↔klassieke
veredeling: selectie op fenotype)
5. Genetische afstand
Genetische linkage of genkoppeling = mate waarin 2 allelen samen overerven tijdens meiose
-
Loci op verschillende chromosomen = geen genetische koppeling
Loci op zelfde chromosoom: afhankelijk van recombinatie frequentie tussen loci
Genetische afstand GA = mate van linkage/koppeling tussen twee loci
-
Bepaald door recombinatie frequentie
1 cM = 1% recombinatiefrequentie
Bepaald door segregatie-analyse met een two-poin test-cross (kruisen met HoZ)
Hoe meten?
o Tellen van meioses met Cross-over tussen loci is moeilijk
o Dus kijken naar # recombinante chromatiden in de gameten → makkelijker te meten
→ genotypering doen (genotype bepalen)
29
ASSUMPTIE: maximaal CO per homoloog chromosoom paar (dus max 2 van de 4 chromatiden zijn
recombinant) → dit is geen realiteit ! (soms meerdere CO !)
→ dus maximaal aantal RC < 50 % (schatting)
MAAR soms zijn er onderschattingen door bepalen genetische afstand via recombinatie van het RP
➔ Oplossing: MAPPING FUNCTION
- Hangen vooral af van de crossing-over interferentie i = één cross-over inhibeert vorming
cross-over in naburig gebied
- Verschillende mogelijkheden:
o bij complete CO interferentie (sterke inhibitie = één CO) → i =1
o geen CO interferentie (vorming random CO) → i = 0
o 0< i < 1 → afhankelijk van de afstand tot andere CO
- Voor deze 3 waarden is een mapping functie ontworpen
6. Genetische kaarten
Genetische map of linkage map = volledig overzicht van de relatieve genetische positie van alle
gekende genen en merkers in het genoom van een EU organisme → volgorde van alle genen en
merkers op verschillende chromosomen met genetische afstand
Hoe ?
-
Segregatie-analyse van heterozygote loci via three-point test cross
Genetische afstand < 50cM → gelinkt = linkage groups LG
Saturatie?
o Als # LG > chromosomen: geen saturatie = bepaalde chromosomen zijn dan
opgesplitst in verschillende LG doordat er stukken zijn waar geen genen op een
afstand kleiner dan 50 cM liggen → er zijn niet voldoende merkers gebruikt
o Als # LG = chromosomen: saturatie: elke chromosoom vormt 1 grote linkage group
= volledige linkage
Gentic linking stappen:
1) Identificatie van twee genetisch verschillende HoZ ouderlijnen
o Identificatie van polymorfismen
2) Aanmaak segregerende mapping populatie: je hebt je twee ouders en nu moet je een
populatie maken om detectie te doen tussen linkage genen
o Er MOET segregatie zijn (anders geen recombinatie = kan je geen genetische afstand
meten)
3) Genotypering van alle individuen in mapping populatie
o Door merkers (hoe meer hoe beter de resolutie)
4) Aanmaak genetische kaart
o Berekening RF
o Linkage groups maken
30
7. Fysieke kaarten
Fysieke kaart = overzicht fysieke locatie van verschillende merkers of genen in het genoom van een
organisme (=absolute afstand in bp ↔ genetische kaart: relatieve afstand in cM)
-
Door directe analyse van de genomische DNA sequenties
4 algemene fysieke kaarten
o Restriction maps:
o Chromosome maps
o Sequence-tagged site maps
o Whole genome sequence maps
Restriction maps: met restrictie-enzymen DNA in stukken knippen, daarna A, B en AB apart analyseren
per lengte van fragmenten en zo kan je bepalen in welke volgorde en van welk enzym de fragmenten
komen → als je geen AB mengsel maakt weet je niet in welke volgorde de fragmenten liggen, je weet
nekel de grootte
→ enkel kleine DNA-fragmenten
Chromosome (cytologische) kaarten: cytologie = kleuren DNA (hebben we al is gezien)
-
Hiermee kan je bepalen hoeveel chromosomen er zijn en hoeveel kopijen er zijn → karyotype
bepalen
FISH: DNA probes die een bepaalde sequentie gaan herkennen met fluorescente label
Detectie chromosomale afwijkingen
Sequence-tagged maps
-
Voor eerder grote genomen
STS = specifieke DNA sequenties in genoom die via PCR gedetecteerd worden
Hoe? Je fragmenteert het DNA in een bepaalde lengte en je gaat deze genotyperen met de
STS-merkers. Als twee STS op één of meerdere fragmenten bevinden. Je de fragmenten
overlappen door gemeenschappelijke STS merkers te vergelijken (zie figuur) → zo bekom je de
sequentie volgorde
→ STS bevinden zich fysiek heel dicht bij elkaar op het genoom
→ Dus de mate waarin STS merkers samen voorkomen kan je ze in kaart brengen
Whole genome sequencing
-
BAC clone sequencing (Sanger) → hoofdstuk 2
Next-generation sequencing → volledig genoom sequentie met een haploïd of homozygoot
individu
Er zijn veel verschillende andere technieken ontworpen: Bvb Pac Bio: kan heel grote stukken
DNA lezen maar wel met een hoge foutenmarge (voorkeur) en dan daarna gaat men
nauwkeurige methoden gebruiken om de fouten er uit te halen
31
Hoofdstuk 6
1. Evolutie – algemeen
Evolutie
= de verandering van de genetische samenstelling of constellatie van een groep organismen (i.e.
populatie) over de tijd
= genetische verandering in een populatie die overgeërfd wordt naar de volgende generatie (wel of
geen impact op fenotype → nieuwe soorten)
Evolutie gebeurt altijd op populatieniveau – niet individu
-
Evolutie verklaart grote biodiversiteit
Tree of life: alle organismen uit 1 cel (LUCA)→ opbouw complexiteit
Evolutie gebeurt constant
Er zijn 2 niveaus van evolutie:
o Micro-evolutie
▪ Binnen bepaalde soort/ populatie over een paar generaties
▪ Nieuwe fenotypen vaak meteen waarneembaar = bewijs
▪ Verschillende mechanismen
➢ Gene flow, genetische drift
o Macro-evolutie
▪ Lange tijdsspanne (daarom niet direct observeerbaar)
▪ = gevolg accumulatie micro-evolutie
▪ Evolutie over soorten heen → nieuwe soort ontstaat
Historiek: evolutie theorieën:
-
-
-
Lamarck:
o Keek vooral naar fossielen → zag dat ze veranderen over de tijd
o THEORIE: Fenotypische wijzigingen gebeuren tijdens de levensperiode van het
organisme (reactie op omgeving)
▪ Inheritance of acquired traits
o = law of use and disuse (streeft naar perfectie)
Darwin:
o Principe: biodiversiteit + selectiedruk → evolutie
▪ Individuen verschillend en variatie is overerfbaar
▪ Er is competitie
▪ Best aangepast (≠ sterkste) overleven
▪ Hogere frequentie van gewenste knemmerken in nakomelingen
o Dit model verklaart ook adaptatie en biodiversiteit (want species passen zich aan aan
hun eigen omgeving)
o Basis voor artificiële selecite (bvb selecteren op grote zaden)
Huidige theorie: modern syntesis
o Darwin + nieuwe inzichten → neo-darwinisme
o Basis principe: spontane mutagenese + natuurlijke selectie
▪ Mutaties → nieuwe allelen → nieuwe fenotypes
▪ Selectiedruk: hoge fitness = hoog reproductief voordeel
▪ Nakomelingen: grotere frequentie van bepaalde allelen
▪ Leidt tot micro-evolutie = genetische wijziging populatie over de tijd
32
▪ Populatie genetica bestudeert micro-evolutie
Gradualisme = speciatie door graduele accumulatie genetische wijzigingen
▪ Nieuwe soorten = macro-evolutie
▪ Fylogenetica bestudeert dit
Integrated synthesis theory
o Integratie delen van Lamarck
o Niet enkel natuurlijke selectie: ook genetische drift, non-random mating,..
o Omgeving kan zorgen voor genetische wijziging tijdens leven van organisme (=
epigentische wijzigingen)
o Een paar dingen van het neo-darwinisme worden niet overgenomen (zie venndiagram)
o
-
2. Micro-evolutie
1) Populatie genetica
Populatiegenetica = de studie van genetische variatie en verandering in populaties
-
-
Bepalen genetische variatie en mechanismen ervan
Basisiconcept: dynamiek en frequentie van genen/allelen in een populatie
Berekening genetische variatie:
o Allelfrequenties
o Genotype frequenties
3 belangrijke concepten:
o Hardy-weinberg theorema
o Verschillende bronnen van genetische variatie – verandering aantal allelen
o Meerdere mechanismen die allel- en genotypefrequentie beïnvloeden
▪ Natuurlijke selectie,..
2) Hardy-Weinberg principe
Allelen = verschillende variantien van één gen
Berekeningen?
-
-
Genotypefrequenties en allel-frequenties
VOORWAARDE: populatie is in evenwicht!
(= allelfrequenties veranderen niet over
generaties)
Als de genotypefrequenties niet
overeenkomen met de formules → komt omdat de populatie is aan het evolueren
Hardy-Weinbergequilibrium = genenpoel (=allelfreq) verandert niet over de tijd → GEEN EVOLUTIE
-
5 vereistes om in equilibrium te zijn:
o Geen mutaties
o Geen gene flow
o Grote populaties
o Random mating
o Geen natuurlijke selectie
33
-
Als aan 1 niet wordt voldaan → geen equilibrium → genetische verandering in de tijd = microevolutie
3) Mechanismen van micro-evolutie
Er zijn 5 mechanismen van micro-evolutie de eerste 2 zorgen voor een toename in genetische variatie
en 3 andere voor een daling in genetische variatie
Mutatie
= spontane mutagenense = elke evrandering in de sequentie van het DNA
-
-
Verschillende oorzaken
o Spontaan/ externe stimuli
Verschillende genomische impacten
o DNA, chromosoom, karyotype
Veschillende fenotypische effecten
o Mutatie moet fenotypisch effect hebben om op geselecteerd te kunnen worden
(neutraal)
= de basis voor micro-evolutie
o Mutaties zijn enige manier om nieuwe allelen te verkrijgen
BELANGRIJK: de mutatie moet voorkomen in de germline (moet kunnen worden door gegeven naar
nakomelingen – dus niet in somatische cellen)
Voorbeelden:
-
Lactase enzyme
Verdubbeling genoom (=tetraploïd)
➔ Toename genetische variatie
Gene flow
= uitwisselen van allelen tussen verschillende populaties van één species
-
-
-
Hoe?
o Emigratie/immigratie met participatie in reproductie
o Verspreiding gameten (bvb pollen)
Impact?
o Genetische buffer
o Naburige populaties worden genetisch gelijkend door cte uitwisseling allelen = houdt
evolutie tegen
o → gene flow vermindert het effect van natuurlijke selectie en genetische drift
Vormen
o Hoge gene flow
o Lage gene flow → meer kans op evolutie
➔ Toename genetische variatie
34
Genetische drift
= verandering in de frequentie van één of meerdere allelen in een populatie door toeval (= bepaalde
ouders gaan meedoen aan reproductie – door toeval → random wijziging allelen frequentie)
-
-
Afhankelijk van 2 parameters
o Probaliteit: kans dat niet alle allelen evenveel vertegenwoordigd zijn
▪ Wie participeert in reproductie? → geen selectiedruk, puur random
o Populatiegrootte:
▪ Hoe kleiner populatie → hoe sneller allelfixatie (zie grafiek)
Gentische drift is random → effecten kunnen positief, neutraal nefast zijn
(Voordeel): wanneer populaties die initieel zelfde allelfrequenties voorkomen in verschillende
niches (zonder selectie druk) → beide ondervinden genetische drift → MAAR genetische drift
is onafhankelijk → random fluctuatie → random fixatie allelen → kan leiden tot nieuwe
soorten
➔ genetische drift leidt tot een reductie in genetische variatie en lager adaptatie vermogen
(want niet enkel selectie of goede fitness dus bij probleem minder kans dat ze deze kunnen
overleven)
2 effecten van Genetische drift
-
-
Founders effect: Allel-frequenties veranderen als gevolg van de isolatie of migratie van een
kleine subgroep van een populatie
o Random geen selectie
Bottleneck effect: Verandering in allel-frequenties door een sterke vermindering in
populatiegrootte → vaak door wijziging in omgeving (~shock)
o Door extreme verandering van omgeving
o Duurt heel lang om originele variatie terug te krijgen
o Vaak oorzaak extinctie omdat er minder fitness is om aan bepaalde selectiedrukken te
weerstaan
Non-random mating
= random fusie van gameten EN random keuze partner (belangrijke VW voor HW-equilibri)
-
-
In natuur: vaak voorkeur = non-random mating
o Theory of the selfish game: individuen neigen meer naar partners met zelfde genen
o Leidt tot vermindering van genotypes (verdwijnen heterozygoten)
→ effect op genotype MAAR allelfrequenties blijven stabiel
➔ Reductie genetische variatie
-
Verschillende types:
o Inbreeding:
▪ = reproductie tussen gerelateerde individuen
▪ Hoger aandeel homozygoten → kan leiden tot inteeltdepressie
o Assortatieve mating
35
▪
▪
o
= reproductie tss individuen die fenotypisch gelijkend zijn (theory of selfish
game)
Hoger aandeel homozygoten
↔Disassortatieve mating:
▪ = reproductie tss individuen die fenotypisch verschillen → omdat individuen
met zelfde fenotype vaak niet kunnen reproduceren (bvb fysiek niet mogelijk
bij slakken
▪ Hoger aandeel heterozygoten
Inteelt: bepaling genotypes
-
-
= reproductie tussen individuen met bepaalde verwantschap
Inteeltcoëfficiënt F: verwachte heterozygotie tov geobserveerde
o F is groter als verwantschap toeneemt
o Homozygote loci:
▪ Autozygoot: allelen afkomstig van zelfde voorouder
▪ Allozgoot: niet afkomstig van zelfde voorouder maar bvb door mutatie
Je kan F gebruiken om genotypefrequentie bepalen indien er inteelt is
Frequentie van heterozygoot neemt af ! → minder genetische variatie !
Natuurlijke selectie
= verandering in de frequentie van één of meerdere allelen in een populatie door (natuurlijke)
selectie van bepaalde genotypes
-
-
Hoe?
o Omgevingsfactoren (niet constant !) = selectie-agentia
VOORWAARDEN VOOR SELECTIE
o Aanwezigheid fenotypische variatie (want selectie gebeurt op fenotype)
o Fenotypen moeten bepaald voordeel/nadeel hebben = fitness
o Variatie moet genetisch bepaald zijn EN erfelijk
Survival of the fittest:
o Fenotype bepaalt fitness
o Hoge fitness → reproductie onder selectiedruk → adaptatie
Dit is het enige mechanisme dat consistent leidt tot adaptieve evolutie!
→ selectie leidt snel tot allelfixatie = snelle aanpassing aan omgeving
→ snelheid allelfixatie afhankelijk van genetische determinatie (recessief/dominant)
→ selectie-intensiteit: hoe groter, hoe minder het aandeel van de homozygote recessieve = snellere
opbouw allelfixatie
➔ Reductie genetische variatie onder selectiedruk
36
4 types van natuurlijke selectie
o
o
o
o
Stabiliserende selectie
▪ Gemiddeld fenotype
▪ Zelfde gemiddelde → daling genetische variatie
Directionele selectie
▪ Extreem fenotype
▪ =verlies allelen
▪ Shift gemiddelde → daling genetische variatie
Disruptieve selectie
▪ Extreme fenotypes hogere fitness dan gemiddelde
▪ Zelfde gemiddelde → variatie neemt toe
Balancing selectie
▪ Allelfrequentie blijven gelijk → genotypefreq niet
▪ Genetische variatie blijft hetzelfde !
➔ Balancing selectie heeft drie mechanismen:
1. Heterozygote advantage
o Geen verlies allelen (want heterozygoot bevat ook recessief allel)
o Wel accumulatie genotype frequentie
o Convergentie allelen naar equilibrium
2. Frequency-dependant selection
o = fitness is variabel en afhankelijk van voorkomen fenotype
o Positief afhankelijk: meer fenotype = meer fitness
▪ = sneeuwbaleffect (meer fitness → meer nakomelingen → meer voorkomen
→ nog meer fitness..)
▪ allelfixatie
o Negatief afhankelijk: minder fenotype = meer fitness
▪ Allelfrequentie evolueren naar equilibrium
▪ Lage frequentie = meer fitness = toename = minder fitness = … → leidt tot
evenwicht
3. Fluctuating selection:
o Fitness van fenotype is variabel in de tijd (MAAR niet afhankelijk van frequentie
fenotype) → variabiliteit komt door omgeving bvb seizoenaliteit
o = fenotype selectie varieert id tijd
o → leidt tot stabilisatie v genetische variatie
Berekening van allelfrequenties na selectie:
-
-
Fitness W = overlevingsfrequentie
Relatieve fitness w = gemiddeld aantal nakomelingen van één genotype tov genotype met
hoogste fitnes
o Genotype met hoogste fitness → w=1
o Bepaald door:
▪ Selectie coëfficiënt s = sterkte selectie tegen zwakste fenotype (s=1-w)
➢ = variatie in fitness door additiviteit
▪ Heterozygoot effect h = impact heterozygotie op s
➢ = variatie in fitness door dominante genactie
→ berekenen van allelfrequenties op basis hiervan
37
3. Macro-evolutie
Enkel slide 6 en 13-17
Macro-evolutie:
-
-
2 belangrijke processen:
o Speciatie = nieuwe soorten
o Extinctie = uitsterven soorten
Netto diversicatie = maat voor dynamiek biodiversiteit
o = verschil speciatie en extinctie
Speciatie
-
-
= 2 soorten kunnen niet meer reproductief interageren
Door reproductieve barrières
o Pre-zygotisch: geen kruising
o Post-zygotisch:
Algemeen proces:
o Door genetische isolatie → geen genetische uitwisseling
o Allelfrequenties veranderen onafhankelijk → micro-evolutie
o Natuurlijke selectie en genetische drift kunnen optreden (founders&bottleneck)
o → reproductieve isolatie
Patronen van macro-evolutie
-
-
-
Divergente evolutie
o = evolutie van nieuwe soort uit gem. voorouder met steeds meer en meer verschillen
bij nakomelingen
▪ Adaptie onder verschillende selectiedruk (omgeving)
▪ = resulteert in verschillende soorten =species radiation
o Sterke homologie op genetische basis (orthologe genen) + conservatie bepaalde DNAsequenties
o = kleine morfologische adaptaties aan verschillende ecologische niches
o Vb: vinken in galapagos eiland
Parallelle evolutie
o = twee gerelateerde species op onafhankelijke wijze gelijkaardige kenmerken vormen
tijdens evolutie (= gelijkaardig fenotype in verschillende evolutionaire lijnen)
o Gemeenschappelijke voorouder
▪ Adaptatie onder dezelfde selectiedruk
▪ Selectie zelfde fenotypische kenmerken
o DNA&genoom
▪ Zelfde mutaties
▪ Orthologe genen
▪ → vorming zelfde structuren
o Vb: buideldieren
Convergente evolutie
o Ongerelateerde soorten ontwikkelen dezelfde of gelijkende kenmerken door
éénzelfde levenswijze (gelijkenissen bij ongerelateerde soorten)
38
o
-
Geen gem. voorouder
▪ verschillende genetische adaptatie MAAR onder dezelfde selectiedruk
▪ Analoge structuren/ lichaamsdelen
o vb: optreden vleugels: de genetische wijzigingen zijn niet hetzelfde maar wel onder
zelfde selectie nl. het kunnen vliegen
co-evolutie:
o = verandering genetische samenstelling van één species leidt tot genetische wijziging
in ander species (beïnvloeden elkaar evolutie)
o Bij soorten die afhankelijk zijn
o Verandering kenmerk van de ene → selectiedruk voor de andere → adaptatie
(genetische verandering = co-evolutie → radiatie in fenotypische kenmerken
o Op basis van competitie of symbiose
o Vb roofdieren en prooien (= wapenwedloop)
39
-
GSD = genetic seks determination
Dysploïdie = chromosoom mutaties
Karyotype wijzigingen
o Polyploïdie = >2x de basisset aan chromosomen
▪ Autopolyloïdie
▪ allopolyloïdie
o Aneuploïdie = : onevenredig aantal kopijen van elk chromosoom
▪ Hypoploïdie
▪ hyperploïdie
o Euploïdie = evenveel kopijen van elke chromosoom in een cel/weefsel
40