Genetyka i przyszłość człowieka

75  Download (0)

Pełen tekst

(1)

Genetyka i przyszłość człowieka

Prezentacja: http://www.igib.uw.edu.pl

(2)

Pierwsze próby opisania dziedziczenia

Zjawisko dziedziczenia zauważyli i próbowali wyjaśniać klasycy filozofii greckiej

(3)

Hipokrates i jego szkoła

Dziedziczy się fizyczny materiał z poszczególnych narządów

Elementy z narządów poprzez krew gromadzą się w nasieniu i krwi

menstruacyjnej

wcześniej uważano, że tylko mężczyzna przekazuje cechy potomstwu

Dziedziczenie cech nabytych - rozwinięte mięśnie zapaśnika

wytworzą wiele “nasion” mięśni w nasieniu

~460 p.n.e - 370 p.n.e

(4)

Arystoteles

Zauważył, że:

kaleka może mieć zdrowe dzieci

niektóre cechy (np. siwe włosy czy skłonność do łysienia) objawiają się późno

nie mogą być przekazywane przez materialne “nasiona”

Dziedziczy się forma nadająca kształt materii

Dziedziczenie nie ukształtowanej materii, ale “programu”

384 p.n.e - 322 p.n.e

D. Henry. J. Hist. Biol. (2006) 39:425-55

(5)

Przeskakiwanie pokoleń

Kuzari (Kitab al Khazari, ’’Księga

argumentów na korzyść pogardzanej religii”)

“Obserwujemy podobne zjawisko w naturze. Wielu ludzi nie przypomina swych ojców, ale podobni są do

dziadków. Nie może więc być wątpliwości, że ta natura i

podobieństwo były ukryte u ojca, ale nie były na zewnątrz widoczne…”

Juda HaLevi (יולה הדוהי) 1075-1141

(6)

Genetyka klasyczna

Za dziedziczenie każdej cechy

odpowiadają wyodrębnione jednostki (geny), które się nie mieszają i nie

zmieniają

Każdy organizm posiada dwie kopie (allele) każdego genu

Każda gameta wytwarzana przez

organizm posiada tylko jeden allel z danej pary alleli genu. Rozdział alleli zachodzi z jednakowym prawdopodobieństwem

Gdy organizm posiada dwa warianty

(allele) danego genu, w fenotypie ujawnia się tylko jeden z nich - dominacja

Gregor Mendel (1822-1884)

(7)

Mendlowska krzyżówka jednogenowa

Roślina wysoka produkuje gamety T Roślina niska produkuje gamety t

Roślina F1 to heterozygota, objawia się allel dominujący T

Heterozygoty produkują gamety T oraz t (po 50%)

Stosunek fenotypów 3:1 Stosunek genotypów 1:2:1

(8)

Metoda kwadratu Punnetta

TT Tt Tt tt

T t

T t

Gamety

(9)

xkcd.com

(10)

Człowiek mendlowski?

(11)

Fenotypy badane w genetyce człowieka

W większości choroby

jednogenowe (Mendlowskie)

wieloczynnikowe

nowotwory (mutacje somatyczne)

zaburzenia chromosomowe

Inne cechy (elementy zmienności prawidłowej)

jednogenowe (rzadko)

wieloczynnikowe

np. inteligencja, cechy behawioralne

(12)

Odziedziczalność

Za każdy fenotyp odpowiada interakcja genotypu ze środowiskiem

Odziedziczalność: proporcja zmienności fenotypowej wyjaśnianej zmiennością genetyczną w populacji

(13)

Badania bliźniąt - przykład

Wikimedia Commons

(14)

Agregacja rodzinna

Czy prawdopodobieństwo

wystąpienia cechy jest znacząco wyższe u bliskich krewnych osób mających tę cechę w stosunku

do całej populacji

(15)

Cechy jednogenowe

Prosty wzór dziedziczenia

Bardzo wysoka odziedziczalność (często ~100%)

Oprócz chorób

nieliczne cechy o charakterze anegdotycznym

zdolność do zwijania języka w trąbkę, odstający płatek uszny, smak PTC, itp.

rude włosy (80% - recesywny allel genu MC1R)

markery immunologiczne (grupy krwi)

układ AB0, czynnik Rh

markery molekularne

(16)

Choroby jednogenowe

Znanych jest bardzo wiele (~5800) chorób jednogenowych

Większość jest bardzo rzadka (najczęstsze ~1/1000 - 1/2000 urodzeń)

W sumie ~4/1000 żywych urodzeń

Dane wg. http://omim.org/statistics/entry

(17)

Choroby dziedziczne

Znane od starożytności

Talmud, Yebamoth 64b - jeżeli pierwszych dwóch synów kobiety umrze po obrzezaniu, nie może poddać obrzezaniu kolejnych synów -

hemofilia

Az-Zahrawi Abu Al-Kasim (Abulcasis, 912-1013) - opis hemofilii i jej dziedziczenia

Nieszczęsne dziecko, które pocałowane w czoło zostawia na ustach słony smak. Jest nawiedzone przez złe duchy i wkrótce umrze (saga skandynawska z IX w.) - mukowiscydoza

(18)

Geny człowieka i ewolucja

(19)

Przepowiednie

Rozwój medycyny doprowadzi do utraty naturalnej odporności człowieka?

Pomaganie chorym na schorzenia genetyczne doprowadzi do

“pogorszenia” puli genowej?

eugenika - czy to może działać?

Podziały społeczne doprowadzą do powstania dwóch gatunków człowieka?

(20)

Przepowiednie

Rozwój medycyny doprowadzi do utraty naturalnej odporności człowieka?

Nie.

Gatunek ludzki, jak każdy inny, podlega ewolucji biologicznej.

Tempo ewolucji biologicznej człowieka jest znacznie niższe, niż tempo przemian kulturowo - cywilizacyjnych.

(21)

Dlaczego?

Cechy recesywne - aby się ujawniły, zmienione muszą być obie kopie (allele) genu.

Jeżeli częstość allelu wynosi q, to w populacji osób mających oba takie allele to q2.

Przykład: mukowiscydoza

chorzy (Europa północna) ~1/2000 urodzeń

nosiciele (jeden z dwóch alleli z mutacją) ~ 1/23 osoby!

Losy chorych (homozygot) nieistotne dla puli allelu zmutowanego

(22)

CCR5 i AIDS u człowieka

Gen CCR5 koduje receptor cytokin (sygnały układu

odpornościowego

Białko CCR5 jest

wykorzystywane przez wirusa

HIV przy wnikaniu do komórki (w roli pomocniczej)

(23)

Allel CCR5-Δ32

Rzadko spotykany

Homozygoty Δ32/Δ32 są oporne na infekcję HIV

Allel najczęściej występuje w Europie, w Afryce jest rzadki

(24)

Allel CCR5-Δ32

Epidemia AIDS trwa zbyt krótko, by wpłynąć na częstości allelu (u człowieka 1 pokolenie to ~25 lat)

Możliwe przyczyny takiego rozmieszczenia

Allel pojawił się w Skandynawii i rozprzestrzeniał po Europie podczas najazdów Wikingów (VIII-X w.)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

(25)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

Wysoka częstość początkowa i silny dobór

p = 0,2 (najwyższa notowana wartość)

25% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa

A1A1: w11 = 1

A1A2: w12 = 0,75 A2A2: w22 = 0,75

(26)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

Wartości te nie są realistyczne

p = 0,2 tylko w niektórych populacjach w Europie

(Aszkenazyjczycy)

25% śmiertelność tylko w niektórych rejonach Afryki

(Botswana, Namibia, Zmimbabwe)

(27)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

Wysoka częstość początkowa i słaby dobór

p = 0,2 (najwyższa notowana wartość)

0,5% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa

A1A1: w11 = 1

A1A2: w12 = 0,995 A2A2: w22 = 0,995

(28)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

p = 0,2 (najwyższa notowana wartość)

0,5% osobników +/+ i +/Δ32

umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa

Wartości te są realistyczne dla Europy

(29)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

Niska częstość początkowa i silny dobór

p = 0,01

25% osobników +/+ i +/Δ32 umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa

A1A1: w11 = 1

A1A2: w12 = 0,75 A2A2: w22 = 0,75

(30)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

p = 0,01

25% osobników +/+ i +/Δ32

umiera na AIDS nie wydawszy na świat potomstwa

Wartości te są realistyczne dla niektórych części Afryki

(31)

Czy presja selekcyjna HIV spowoduje znaczący wzrost częstości allelu Δ32 u człowieka?

Nie w czasie najbliższych kilkustet lat

(32)

Czy wyginą rudowłosi

Rude włosy, jasna nieopalająca się skóra - recesywny allel genu MC1R

4% populacji europejskiej (Szkocja - 13%)

W 2007 r. artykuły w prasie codziennej sugerujące, że cecha w niedalekiej przyszłości zaginie

Źródło “Oxford Hair Foundation”

(33)

Czy wyginą rudowłosi

Rude włosy, jasna nieopalająca się skóra - recesywny allel genu MC1R

4% populacji europejskiej (Szkocja - 13%)

Przy rzadkich allelach recesywnych większość puli allelu u heterozygot - fenotyp pozostaje rzadki, ale allel nie ginie

Źródło “Oxford Hair Foundation”

“Fundacja” stworzona przez producenta farb do włosów (Procter&Gamble)

(34)

Eugenika

Poprawa jakości gatunku ludzkiego poprzez kierowanie rozrodczością

pozytywna - kojarzenie ludzi o pożądanych cechach

negatywna - redukcja rozrodczości ludzi o cechach niepożądanych

Zastosowanie praktyk hodowli zwierząt gospodarskich do człowieka

(35)

Francis Galton

Jako pierwszy zastosował

statystykę w antropologii, badał odziedziczalność inteligencji

Hereditary Genius (1869)

Eugenics Education Society (1909)

(36)

Eugenika w Wielkiej Brytanii

Nie była organizowana przez państwo, ale była wspierana przez wielu znanych ludzi:

John Maynard Keynes

George Bernard Shaw

Herbert G. Wells

Winston Churchill

John B.S. Haldane

Ustawa Mental Deficiency Act (1913) - przymusowa sterylizacja - nie wprowadzona w życie

(37)

Eugenika w USA

~1925

(38)

Eugenika w USA

American Breeder’s Association (1906)

Eugenics Record Office (1911)

Charles Davenport:

ograniczenia imigracji

przymusowa sterylizacja

„Musimy osuszyć źródła,

zatamować napływ zdefektowanej, zdegenerowanej protoplazmy”

(39)

Eugenika w USA

Henry H. Goddard, 1914

“Opóźnienie umysłowe” – 1% populacji

Alexander G. Bell - proponował przymusową sterylizację głuchoniemych

Na konferencji oftalmologów w latach 20. propozycja wyeliminowania wszystkich noszących okulary

William Robinson (lekarz, urolog) w 1917 o dzieciach osób niepełnosprawnych

“Najlepiej byłoby te dzieci delikatnie uśpić chloroformem, albo podać im dawkę cyjanku potasu.”

(40)

Eugenika w USA

Przymusowe sterylizacje - w sumie ponad 65 000 osób

Ograniczenia imigracyjne

Carrie Buck z matką w domu opieki społecznej !

Przymusowa sterylizacja wyrokiem sądu w 1927

(41)

Szwecja

Ustawa o sterylizacji, 1934

W latach 1934 - 1975: ponad 62 000 osób

w Europie więcej tylko w III Rzeszy

(42)

Eugenika

Henry H. Goddard, 1914

“Opóźnienie umysłowe” – 1% populacji, co daje q = 0,1

(43)

Eugenika

Pomijając kwestie etyczne – czy to ma sens?

Przymusowe sterylizacje w USA – “opóźnienie umysłowe”, ~1%

populacji, q = 0,1 Po 10 pokoleniach

q = 0,05

Po 40 pokoleniach q = 0,02

(44)

Eugenika?

“Opóźnienie umysłowe” to nie jest jednolita, jednogenowa choroba

Najczęstsza (w Europie) choroba jednogenowa – mukowiscydoza: 1/2000 urodzeń

Założenie, że wszyscy chorzy giną bezpotomnie, po 500 latach: 1/4400 urodzeń

Nie bierze pod uwagę pojawiania się nowych mutacji

Wniosek: dla rzadkich cech recesywnych sukces reprodukcyjny homozygot ma nieznaczny wpływ na pulę genową!!

(45)

Zmienność genetyczna człowieka

(46)

Polimorfizmy sekwencyjne

Zmapowano obecnie ok. 3×106 - 10×106 pozycji, w których występują zmiany

Szacuje się, że w genomie może być w sumie do 15×106 takich pozycji

Większość to neutralne polimorfizmy, ale poszukuje się asocjacji z różnymi fenotypami (choroby i cechy wieloczynnikowe)

(47)

Różnorodność genetyczna człowieka

Projekt “1000 genomów” – poszukiwanie różnic w genomach różnych ludzi (2500 osób)

Wstępne dane (2010) – 15 mln. miejsc zmiennych

Czy to dużo

0,5-1% genomu

Więcej nukleotydów, niż w całym genomie drożdży

Ale...

(48)

Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka

Przyczyna – szybka ekspansja populacji

Analiza mtDNA Analiza nDNA

(49)

Asocjacja

Nieprzypadkowe współwystępowanie czynników (alleli i fenotypów) na poziomie populacji

Czy zawsze asocjacja oznacza zależność przyczynową?

Czy każda asocjacja ma wartość diagnostyczną?

Czy asocjacja odkrywa “gen na ....”?

(50)

Geny na...?

(51)

A w rzeczywistości...

Ryzyko u posiadaczy wariantu wzrasta z ~2% (w populacji) do ~4,5%

(posiadający wariant)

>95% posiadających wariant nie zachoruje

(52)

Ważne!!

Asocjacja to nie jest “gen na...”!

Czynnik ryzyka nie ma zwykle znaczenia diagnostycznego

Zależnie od częstości w populacji (dla rzadkich – mniej)

Może być przydatny w diagnostyce różnicowej

Zawsze należy analizować asocjację na tle ogólnego ryzyka w populacji, jakie są wartości bezwzględne

(53)

O korelacji i wynikaniu…

(54)

Genom i wzrost

Na zróżnicowanie wzrostu

człowieka wpływają warianty ponad 150 genów

GIANT (Genetic Investigation of

Anthropometric Traits), Lango et al.

Nature. 2010 467(7317):832-8.

(55)

“Jeden gen – jedna cecha”?

Proste przełożenie jednego genu na jedną cechę fenotypową (jak u Mendla) zdarza się rzadko

Na powstanie wielu cech wpływają interakcję wielu różnych genów

Powstają złożone sieci współzależności – złożoność budowana przez oddziaływania i kombinacje, a nie liczbę elementów

składowych

(56)

Informacja w biologii

Informacja genetyczna nie jest gotowym opisem, jest przepisem

(57)

Tymczasem

(58)

Czy powierzyć swój genom google?

(59)

Problem ras ludzkich

Zagadnienie zmienności genetycznej człowieka

Czy biologia uzasadnia podziały rasowe?

Nott JC i Gliddon GR (1868) Indigenous Races of the Earth

(60)
(61)

Georges Cuvier

Tableau élémentaire de l'histoire naturelle des animaux (1798)

podział ludzkości na trzy rasy: kaukaską, mongolską i etiopską

Adam i Ewa byli rasy kaukaskiej

“rasa biała przewyższa inne pod względem geniuszu, odwagi i aktywności”

(62)

Arthur de Gobineau

Essai sur l'inégalité des races humaines (1853)

Twórca koncepcji “rasy aryjskiej”

(63)

A Darwin?

Używał terminu “rasa” wobec odmian zwierząt i roślin

U człowieka rozróżnienie kulturowe, a nie biologiczne

“dzicy” i “cywilizowani”

Podkreślał, że człowiek to jeden gatunek

(64)

Zagadnienie ras ludzkich

Argument Lewontina (1972)

zmienność wewnątrz grup większa niż między grupami

cechy jednoznacznie odróżniające “rasy” - ~6% zmienności

(65)

Kontrargument Edwardsa (2003)

Analiza Lewontina dotyczyła pojedynczych genów

Korelacja zmienności dla

większej liczby genów pozwala na rozróżnianie populacji z

różnych kontynentów

(66)

Zmienność a rasy

Istnieją cechy, których zmienność wykazuje korelację (kowariancja)

nie tworzą wyraźnych zgrupowań, tylko gradienty

nie dzielą na tradycyjnie pojmowane rasy

dają różne wyniki zależnie od wybranych do analizy genów

(67)

Zagadnienie ras ludzkich

Tradycyjne podziały rasowe oparte na cechach, które nie są dobrą miarą różnorodności genetycznej

kolor skóry (~6 genów), kształt nosa i oczu – wpływ doboru

(68)

Rasy a taksonomia

Przy analizie genetycznej

wszystkie populacje spoza Afryki są odgałęzieniem jednej z grup

afrykańskich

Różnorodność największa w Afryce

(69)

Zagadnienie ras ludzkich

Zmienność i zróżnicowanie genetyczne to fakt

Istnieją genetyczne wyróżniki poszczególnych populacji, związane z ich historią

Łączenie różnych populacji w duże zgrupowania na podstawie koloru skóry, zamieszkiwanego kontynentu itp. nie ma sensu biologicznego

Współcześni biolodzy mówiąc o “rasach” w istocie mówią o zróżnicowaniu genetycznym, które ma charakter ciągły

Patrz:

http://raceandgenomics.ssrc.org/

(70)

Zagadnienie ras

Zmienność genetyczna jest faktem - ma charakter ciągły

Ustalanie absolutnych granic jest arbitralne - rasy to konstrukt społeczny, a nie biologiczny

Rasy u zwierząt odpowiadają znacznie większym różnicom między osobnikami, niż u człowieka

Nie ma dowodów na determinowane biologicznie różnice predyspozycji fizycznych na poziomie “ras”

niekiedy są na poziomie mniejszych populacji

nie ma dowodów na różnice w cechach “charakteru”

(71)

Różnorodność genetyczna ludzi jest stosunkowo niewielka

Przyczyna – szybka ekspansja populacji Analiza mtDNA

Analiza nDNA

(72)

Różne geny - różne historie

mtDNA chr. Y

(73)

Przepowiednie

Podziały społeczne doprowadzą do powstania dwóch gatunków człowieka?

Biorąc pod uwagę to, że:

bariery wewnątrz gatunkowe są mniejsze, niż kiedykolwiek w historii, a

wyjściowa pula zmienności jest niewielka,

jest to wątpliwe.

(74)

Czy jest się czego bać?

Biorąc pod uwagę dużą liczebność populacji (równoważy niewielką różnorodność) i trendy demograficzne, przyczyną ewentualnej

ekstynkcji człowieka nie będzie struktura genetyczna populacji

inne przyczyny: przeludnienie, zmiana klimatu

(75)

Uzasadnione obawy

Kwestie prywatności danych genetycznych

szerszy problem prywatności danych osobistych

Poglądy o wyższości ras czy grup nad innymi

nie mają uzasadnienia naukowego, ale ludzie je wyznający są realnym zagrożeniem

Prezentacja: http://www.igib.uw.edu.pl

Obraz

Updating...

Cytaty

Powiązane tematy :