Toegepaste Genetica
Gegeven door Prof Van Leeuwen
▪ Gesloten boek gedeelte → theorie vragen (5/20)
▪ Open boek gedeelte → oefeningen zoals in werkcolleges maar uitdagender (cursus, rekenmachine, slides, …) (15/20)
Hoofdstuk 0 | Achtergrond voor deze cursus
Om de complexe genetica en wiskundige berekeningen in deze cursus te begrijpen, is het cruciaal om de
basisprincipes van de celbiologie en overerving in het achterhoofd te houden → opfrissing
▪ Gen = erfelijke factor (stuk DNA) die codeert voor een bepaald eiwit of kenmerk, ligt op een specifiek chromosoom
▪ Locus = de exacte specifieke fysieke plaats op een chromosoom waar een bepaald gen zich bevindt
▪ Genotype = genetische samenstelling van een individu voor een bepaald kenmerk = verzameling allelen voor een gen in de cel
▪ Fenotype = uiterlijke verschijningsvorm als resultaat van het genotype én eventuele milieu-invloeden (epigenetica)
Chromosomen, Ploïdie en Allelen
Het DNA is opgerold in chromosomen, waarvan
Diploïde organismen 2 sets hebben van het basis-
chromosomen aantal, een van vader/moeder
= homologe chromosomen
Allelen = varianten van eenzelfde gen op één chromosoom
Elke diploïde cel bevat dus 2 allelen van elk gen, één op elk → dus per kenmerk heb je 2 allelen
o Dominant allel (A) → zorgt wel voor genexpressie → functioneel genproduct (meestal enzym)
o Recessief allel (a) → zorgt vaak voor geen genexpressie of een inactief genproduct (loss-of-function mutatie)
Homozygoot = twee allelen voor een kenmerk zijn identiek (AA of aa) = raszuiver = zaadvast
o Recessief (aa): individu heeft op beide homologe chromosomen, de ‘defecte’ of ‘stille’ versie van het gen → hierdoor
kan bepaalde biochemische stap niet doorgaan omdat bv een functioneel enzym of eiwit niet geproduceerd wordt →
dit gebrek leidt tot een specifiek (recessief) uiterlijk kenmerk (fenotype) bv albinisme met gebrek aan pigmenten die
niet gevormd zijn of niet kunnen transporteren bv doordat enzym niet werkt
o Dominant (AA): beide ‘goeie’ allelen zullen leiden tot het dominante fenotype
Heterozygoot = twee allelen voor een kenmerk zijn verschillend (Aa)
o Hebt dus goed en slecht allel, meestal beide afgeschreven dus hebt enzym A en inactieve enzym a dat voor ander
uiterlijk kenmerk zal zorgen omdat een bepaalde reactiepathway niet meer gekatalyseerd kan worden bv
Term dominant omdat het goeie enzym A ook in kleine mate al voldoende is om een volledig proces te katalyseren,
daarom zal dat uiterlijk tot stand komen → dus Aa genotype → 50% goeie enzym A → genoeg voor dominant fenotype
en ziet er hetzelfde uit als een AA-individu
Als er meer dan twee varianten voor 1 gen bestaan = multipele allelie (bv 𝐴1 , 𝐴2 , 𝐴3 , 𝐴4 )
,Allelen kunnen zich dus dominant of recessief tov een andere gedragen, maar er zijn gradaties in het type dominantie
▪ Volledige dominantie: zoals hierboven, één dosis van A-allel is genoeg voor het volledige effect (in Aa)
▪ Intermediaire dominantie: beide allelen komen gemengd tot uiting in de heterozygoot (bv wit, rood en roze bloem)
▪ Co-dominantie: beide allelen produceren een werkend product en komen beide onafhankelijk tot uiting (bloedgroep AB bv)
Ploïdie = aantal keer dat de basisset van chromosomen in een cel voorkomt → 2x bij ons (een van beide ouders) → diploïd
▪ Diploïd = 2n = somatische cellen hebben chromosomen in paren triploïd (3 kopieën chromosoom) ….
▪ Haplo¨¨id = n = geslachtscellen (gameten) hebben slechts één set (telkens maar 1 van de 2 aanwezig, random keuze dewelke)
Soort chromosomen
▪ Autosomen = alle gewone chromosomen in de cel die de lichaamskenmerken bepalen (44 van de 46 in mens)
▪ Geslachtschromosomen = bepalen het geslacht van een individu (2 van de 46 chromosomen in mens → X en Y vorm)
o Isogaam geslacht = heeft twee identieke geslachtschromosomen (XX) → wel één van beide ouders
▪ Y-chromosoom bevat nauwelijks genen! → drm komt YY isogaam in de natuur niet voor (niet levensvatbaar)
▪ Bij vogels is het mannetje isogaam (ZZ) vrouwtje heterogaam (ZW)
▪ Lyonisatie en Barr-lichaampje: een van de twee identieke chromosomen wordt volledig uitgeschakeld
(random) → voorkomt dubbele dosis van genproducten heterogaam
o Heterogaam geslacht = heeft twee verschillende geslachtschromosomen → bepaald geslacht nakomeling
Nakomelingen en celdeling
Mitose = gewone celdeling
→ eerst S-fase → chromosomen worden 2 zusterchromatiden (exacte kopie van elkaar) en krijgt zo typische (X) vorm, gaan allemaal in
evenwichtsvlak liggen en de zusterchromatien worden uit elkaar getrokken → 2 cellen met exact zelfde chromosomen
Meiose = vorming gameten (n) voor bevruchting
→ eerst S-fase → vorming X-chromosomen → homologe chromosomen gaan tegenover elkaar gaan liggen in evenwichtsvlak → hier kan
crossing-over optreden → uitelkaar getrokken → 2 dochtercellen met dus elk een van de twee homologe chromosomen → dan 2de
meiose waar ze weer in evenwichtsvlak getrokken worden en splitsen (X splitst) → 4 gameten (n)
Kansrekenen
Stamboomonderzoek → hoe wordt kenmerk overgeërfd → Autosomaal of geslachtsgebonden (X- of Y-gebonden) | Dominant of recessief
,Hoofdstuk 1 | Mendelwetten
Toegepaste genetica = niet theorie rond genetica, maar de praktijk waarin data wordt geïnterpreteerd en er betekenis aan gegeven wordt
Geschiedenis
▪ Gregor Mendel = vader van genetica omdat zijn aanpak kwantitatief was = exact tellen en statistisch analyseren nakomelingen
o Experiment = vanaf 1858 kruiste Mendel zaadvaste rassen van erwt die verschilden in 7 stabiele kenmerken
▪ Zaadkleur, zaadvorm, plantlengte, … (Pisum sativum)
▪ Niet eerste die kruisingen deed maar wel de eerste die dit kwantificeerde en er wetmatigheden uithaalde
o Kwantitatieve ontdekking = in zijn monohybride kruisingen kreeg hij in de 𝐹2 -generatie een 3:1 fenotypische
verhouding → vormde de basis voor zijn wetmatigheden
o Waarom succesvol experiment (geluk)
▪ Ideaal organisme: erwten zijn makkelijk te kweken, leveren veel zaad en hebben korte generatietijd, ze zijn
van nature zelfbestuivers, maar je kunt ze makkelijk geforceerd kruisbestuiven
• Zelfbestuiving = selfing = eigen stuifmeel op stempel
• Kruisbestuiving = pollen van ene plant overbrengen op stempel van de andere
▪ Zuivere lijnen (zaadvast): begon met planten die al generaties lang homozygoot waren voor bepaalde
kenmerken = zien er generatie na generatie hetzelfde uit
▪ Heldere kenmerken: koost 7 duidelijke eigenschappen die geen continue variaite vertoonden, gelukkig lagen
deze genen voor de 7 kenmerken op verschillende chromosomen → onafhankelijke overerving
▪ Statistische aanpak: hij werkte met enorme aantallen (28k planten) → toevalsfouten uitgevlakt
▪ Thomas Hunt Morgan en de fruitvlieg (Drosophila)
o Ging verder met genetica door te gaan kijken naar mutaties en ontdekte fenomenen die met de Wetten van Mendel
niet verklaar konden worden
o Gebruikte fruitvlieg (Drosophila melanogaster) als modelorganisme → nog steeds vandaag gebruikt
▪ Zeer snelle generatietijd → volwassen na 12 dagen en leveren tot 30 generaties per jaar op
▪ Goedkoop en makkelijk te houden → kleine bokaal met wat bananenpuree
▪ Heeft enorme hoeveelheid nakomelingen
▪ Eenvoudig genoom → 4 chromosomen → door hun grote makkelijk onder microscoop te zien
o Legde de basis (hypothese) voor onderling dat genen lineair op chromosomen liggen
▪ Want mannenvliegen met witte ogen (enkel bij mannen) hadden altijd gele vleugels, opeens zag hij eentje
met grijze vleugels → ‘moet fout tijdens celdeling gebeurt zijn → chromosoom kapot en terug aan elkaar
gezet maar foute manier’ → bleek om crossing-over te gaan
▪ Vandaar ook Centi Morgan als eenheid → zie gekoppelde genen
▪ George Beadle: één gen, één enzym
o Focust verschuift naar de werking van genen → onderzocht broodschimmel Neurospora crassa
o Bestraalde ze met radioactiviteit om mutaties uit te lokken → ontdekt dat mutanten opeens niet meer groeien tenzij
hij vitamine B6 toevoegt → trok revolutionaire conclusie dat genen coderen voor de aanmaak van eiwitten/enzymen
▪ Fred Griffith (en Avery)
o Men dacht dat eiwitten het erfelijk materiaal waren
o Zag dat als hij gedode, ziekmakende pneumokokken-bacteriën mengde met levende, niet-ziekmakende stam, ze de
eigenschappen van de dode bacteriën hadden overgenomen → fysieke dragen van erfelijke info uitgewisseld
o Avery bevestigd jaren later dat die dragen DNA was, en geen eiwit
▪ Watson, Crick en Franklin
o Slaagden erin om 3D structuur van DNA in kaart te brengen → de dubbele helix
o Verklaard op moleculair niveau hoe DNA zichzelf kan kopiëren en hoe Mendels erfelijke factoren fysiek worden
doorgegeven
,Convecties met betrekking tot genen
Genotype → cursief bv AaBC
▪ Dominant allel (A – grote letter), recessief allel (a – kleine letter)
→ recessief komt enkel tot uiting indien er twee van zijn (homozygoot recessief)
▪ Allelen en genen worden dus aangeduid met letters, soms in combinatie met cijfers of sub- of superscripts Cw, cw, cb
▪ Notatie voor dubbel dominant allel = AA of A-
Genproduct → niet cursief bv AaBC
Voor diploïden met n allelen per locus (gen) geldt:
Verschillende allelen voor een gen = multipelie (zie hfst 2)
is een bron van grote genetische diversiteit
Convecties met betrekking tot kruisingen
▪ 𝑷 = parentale generatie (ouders)
▪ 𝑭𝟏 = eerste filiale generatie (nakomelingen P)
▪ 𝑭𝟐 = tweede filiale generatie (nakomelingen door zelfbestuiving of onderlinge kruising van de 𝐹1 )
▪ 𝑩𝑪= Backcrossing = kruisen van de 𝐹1 met een van de ouderlijke genotypen
▪ Reciproke kruising (wederkerig) = de oudergeslachten (man en vrouw) met elk een ander kenmerk worden omgewisseld en
opnieuw gekruist → controle of kenrmek geslachtsgebonden/autosomaal overgeërfd wordt
Kenmerk versus eigenschap
▪ Kenmerk = algemene categorie dat je beschrijft bv oogkleur, haarkleur
o Kwalitatief = omgeving speelt vrijwel geen rol, fenotype 100% bepaald door genotype (bloedgroep, bloemkleur)
o Kwantitatief = zeer sterk afhankelijk van de omgeving en interactie tussen genen x omgeving (gewicht, lengte)
▪ Eigenschap = concrete invulling of uiterlijke vorm die het kenrmerk aanneemt bij een specifiek individu bv blauwe ogen
= het fenotype = resultaat van interactie tussen genotype (erfelijke aanleg) en de omgeving
Zie hoofdstuk 10: 𝑷 = 𝑮 + 𝑬 + 𝑮 × 𝑬 + 𝝈𝟐𝒆
Modelorganisme= zijn organismen die gekozen werden om als model te dienen voor het genetisch en ontwikkelingsbiologisch onderzoek.
Deze organismen zijn makkelijk te kweken, hebben veel nakomelingen, korte generatietijd en gedetailleerde genetische kaart is gekend.
▪ Tuinerwt (Pisum sativum): Het klassieke model waarmee Mendel de basiswetten van erfelijkheid blootlegde
▪ Fruitvlieg (Drosophila melanogaster): Cruciaal voor het aantonen van geslachtsgebonden overerving en de lineaire
ordening van genen op chromosomen
▪ Twee-vlek spintmijt (Tetranychus urticae): Veelgebruikt in toxicologisch onderzoek naar de opbouw van
resistentiemechanismen → korte levenscyclus, groeit op modelplanten
▪ Zandraket (Arabidopsis thaliana): De standaard binnen de plantenveredeling vanwege het compacte genoom en de
snelle levenscyclus
1.3 | Wetten van Mendel
De klassieke genetica volgens Gregor Mendel rust op een strikt set aannames
▪ Autosomale overerving (loci liggen autosomaal) geslachtsgebonden
▪ Volledige dominantie
▪ Monogenisch = één gen bepaald één kenmerk polygenetisch
▪ Éen gen heeft twee varianten pleitroop gen (bij multipele allelie)
▪ Ze ervan onafhankelijk over (gekoppeld) = #genen liggen ver van elkaar op één chromosoom of op verschillende
▪ Er is vrije, gelijke kans op zygotecombinaties zonder incompatibiliteitsproblemen
,Op basis van kruisingen met homozygote ouders die verschillen in toestanden van een kenmerk (aa en AA)
formuleerde Mendel drie fundamentele principes:
1) De uniformiteitswet (𝑷 → 𝑭𝟏 )
Wanneer twee homozygote ouders die verschillen in één kenmerk (aa en AA) worden gekruist worden, is de 𝐹1 -generatie
volledig uniform (Aa), zowel genotypisch als fenotypisch. Het allel dat tot uiting komt is dominant andere recessief
→ reciproke kruisingen geven hierbij hetzelfde resultaat
2) De segregatiewet (splitsing) (𝑭𝟏 → 𝑭𝟐 )
Bij vorming van de gameten scheiden de twee allelen van een genenpaar (op homologe chromosomen) zich zuiver van elkaar af.
Bij onderlinge krusing van de heterozygatie 𝐹1 -individuen (uit P) treedt in de 𝐹2 generatie maximale segregatie op. Dir
resulteert in een 3:1 fenotypische en 1:2:1 genotypische verhouding (bij volledige dominantie)
→ de segragatieverhoudingen zijn afhankelijk van de relaties tussen de verschillende allelen (dominant, intermediair, co)
(zie verder naar onder)
------------------------------------
Reciprociteitswet = direct gevolg eerste twee wetten bij autosomale overerving
Reciproke gelijkheid → wissel je kenmerken van ouders om (vader krijgt die van moeder en omgekeerd), dan zou je
hetzelfde resultaat moeten zien in de 𝐹1 bij beide → mendeliaanse overerving gaat dus uit van autosomale overerving
-----------------------------------
3) De onafhankelijkheidswet
Verschillende kenmerken (dihybride kruising of meer) worden onafhankelijk van elkaar overgeërfd, mits de betrokken genen op
verschillende chromosomen liggen (of mathematisch ver van elkaar verwijderd zijn op hetzelfde chromosoom
gekoppelde genen
Monohybride, dihybride en hogere orde kruisingen
→ geven aan hoeveel verschillende kenmerken je tegelijkertijd volgt in een kruisingsschema
▪ Monohybride = 1 eigenschap
▪ Dihybride = 2 eigenschappen (bv kleur en vorm)
o !Zie voorbeeld co-dominantie: 2 genen die soort hanenkam bepalen
o Gaat dus over zelfde eigenschap maar uitgesplitst als dihybride
F1 generatie uniform, de F2 generatie wordt bepaald
aan de hand van een Punnet Vierkant
→ obv mogelijke gameten die gevormd kunnen worden
door de ouders → mogelijlkse combo’s, hier opgesteld
voor een dihybride kruising
Hoe zie je of verschillende kenmerken (bv vorm en kleur in dihybride kruising) onafhankelijk van elkaar overerven?
▪ Door te kijken naar de afzonderlijke uitsplitsingen van kenmerken in de 𝐹2
▪ Volgens wet van mendel (segregatiewet) verwacht je voor elk individueel dominant-recessief kenmerk een 3:1 verhouding
o Zaadvorm ¾ Rond en ¼ Gerimpeld (r)
o Zaadkleur ¾ Geel en ¼ Groen (g)
▪ De productregel toepassen → als genen onafhankelijk splitsen, moet de kans dat 2 afzonderlijke gebeurtenissen plaatsvinden
exact gelijk zijn aan het product van de afzonderlijke kansen 𝑷(𝑨 𝒆𝒏 𝑩) = 𝑷(𝑨) ∙ 𝑷(𝑩)
o Rond en Geel = ¾ x ¾ = 9⁄16
o Rond en Groen = ¾ x ¼ = 3⁄16
o Gerimpeld en Geel = ¼ x ¾ = 3⁄16
o Gerimpeld en Groen = ¼ x ¼ = 1⁄16
,Uitbreiding van de Mendelwetten: Allelische Interacties
Mendel stelt in zijn wetten dat er altijd volledige dominantie is, maar tegenwoordig ook onvolledige en co-dominantie als uitbreidingen
gezien van de wetten van mendel → schaden segregatie wet wat omdat ze afwijken van de klassieke segregatieverhoudingen
!𝑭𝟏 wel nog steeds uniform in genotype en fenotype
▪ Volledige dominantie: zoals hierboven, één dosis van A-allel is genoeg voor het volledige effect (in Aa)
▪ Intermediaire dominantie: het heterozygote individu (Aa) krijgt een mengvorm als fenotype
o Heterozygoot (𝐹1 ) heeft een intermediair fenotype dat tussen de beide #homozyogte ouderfenotypen in ligt
(fenotype 𝐹1 ≠ 𝑃) → krijgt andere verhoudingen 3: 1 → 1: 2: 1
o Bv rode kleur bloem door enzym, helft uitgeschakeld bij Aa → genoeg voor roze kleur bij dominantie wel genoeg
▪ Co-dominantie: beide allelen produceren een werkend product en komen beide onafhankelijk tot uiting (bloedgroep AB bv)
o Heterozygoot (𝐹1 ) brengt beide fenotypes van de ouders tegelijk tot uitdrukking
(fenotype 𝐹1 ≠ 𝑃) → krijgt andere verhoudingen 3: 1 → 1: 2: 1
o Bv AB bloedgroep, Sikkelcelanemie
Kenmerk Aantal genen Aantal allelen Genotypische verhouding Fenotypische verhouding
(eigenschappen) (2 per gen) 𝑭𝟐 (P = 2 heterozygoten) 𝑭𝟐 (P = 2 heterozygoten)
Monohybride 1 2 1:2:1 3:1
1:2:1
Dihybride 2 4 (1:2:1)² 9:3:3:1
Trihybride 3 6 (1:2:1)3 27:9:9:9:3:3:3:1
Monohybride kruising: één kenmerk → soort allelische interacties bepaald de segregatie verhoudingen
▪ Volledige dominantie (AA x aa) 3:1 fenotype in 𝐹2
▪ Intermediaire overerving (AA x BB) 2:1 fenotype in 𝐹2 met intermediaire eigenschap → witte, roze en rode bloem
▪ Co-dominantie (AA x BB) 2:1 fenotype in 𝐹2 met beide eigenschappen tot expressie → spikkelkip
Autosomale aandoeningen
Dominant (AA of Aa) → achondroplasie (dwerggroei), pseudoachondroplasie
Recessief (aa) → albinisme, phenylketonurie
Dihybride kruising: twee kenmerken
Elke ouder dus 2 genen (een voor elk kenmerk) met elk twee allelen (op homologe chromosomen)
→ elke ouder kan 4 mogelijke gameten vormen → punnet diagram van 4x4 voor 𝐹1
Erven onafhankelijk van elkaar over als de beide genen (rood en geel) ver genoeg van elkaar
liggen op hetzelfde chromosoom of als ze op verschillende chromosomen liggen = 3de wet M
Als je twee ouders voor P pakt die voor de kenmerken zygoot zijn (AAbb x aaBB) → 𝐹1 = uniform
en dan zal je in de 𝐹2 een 9:3:3:1 verhouding krijgen voor het fenotype = segragatiewet (voor dominant)
Hoe punnetdiagram makkelijker maken ipv helemaal uit te werken
Schrijf de genotypes voor dezelfde kenmerken van de ouders naast elkaar
Werk ze distributief uit → 4 genotypes elk
Schrijf nu alle kansen op: P(geel) = P(Gg of GG), … = somregel
De kans op P(geel en rond) kan je nu berekenen = productregel
Hiermee kan je makkelijk ook trihybride (AaBBcc x AABbCC) …. uitwerken
▪ 2 dominante kenmerken bij verschillende ouders (AAbb x aaBB)
o Cavia’s met wit of zwart haar en lang of kort haar → 9:3:3:1 fenotype verhouding in 𝐹2
▪ 1 dominant en 1 intermediair kenmerk
o Bv katten met korte staart: (AA/Aa = wit, aa = bruin | BB = lange staart, bb = korte staart, Bb = stompstaart)
▪ 2 intermediaire kenmerken
o Bloemen met lange – middellange – korte steel en vroege – matige – lange bloeittijd
, Trihybride kruising: 3 kenmerken (AABBCC x aabbcc)
Kan makkelijk berekend worden via gevorkte schrijfwijze aan de hand van
oplossingmethode op de pagina hierboven beschreven → Punnet vermeden
Voorbeeld van trihybride met 2 dominante kenmerken en 1 intermediaire
→ dominante afzonderlijk 3:1 fenotypische verhouding, intermediair 1:2:1
Formules voor n-hyrbide kruisingen (n = kenmerken) n = 1 =2 =3
▪ Aantal combinaties gameten = 𝟒𝒏 4 16 64
▪ Aantal combinaties genotype = 𝟑𝒏 3 9 27
▪ Aantal combinaties fenotype = 𝟐𝒏 2 4 8
→ geldt enkel voor allemaal dominante kenmerken, bv in voorbeeld van
trihybride met 1 intermediair kenmerk → 12 fenotypes in 𝐹2 ≠ 8
Deze Mendelwetten zijn enkel van toepassing voor kerngenen niet voor extra-nucleaire genen en geslachtsgebonden kenmerken.
Wanneer er bij planten incompatibiliteitsgenen in het spel zijn, gelden deze regels evenmin
Niet-mendeliaanse overerving
= alle genetische overervingspatronen die afwijken van de klassieke wetten van Mendel
→ zoals uniformiteit, onafhankelijke segregatie, gelijke genexpressie of reciproke gelijkheid (tegen Mendel zijn wetten in)
1° Geslachtsgebonden overerving (hfst 5) uniforme wet
De betrokken genen voor een kenmerk liggen de op geslachtschromosomen, omdat mannen en vrouwen een verschillende combinatie
hebben (XX en XY) gelden de standaard 3:1 en 9:3:1 verhoudingen van Mendel hier niet
Schendt de wetten van Mendel op twee cruciale punten
▪ Reciproke gelijkheid
o Reciproke kruising moet normaal exact hetzelfde resultaat opleveren
o Bij geslachtsgebonden overerving is uitkomst verschillend afh van welke ouder de eigenschap draagt
→ ontdekking Thomas Hunt Morgan bij fruitvliegjes (Drosophila)
▪ Kruiselingse overerving = Criss-Cross inheritance
o Zonen erven X altijd van moeder, Y van vader dochters één van moeder, een van vader
o Een recessieve geslachtsgebonden eigenschap wordt hierdoor vaak door een gezonde, dragende moeder doorgegeven
aan haar zonen (bv rood-groenkleurenblindheid en hemofilie bij de mens)
o Want zoon heeft maar 1 X → als die slechte van moeder krijgt heeft hij de aandoening sws dochter kan dit nog
maskeren door een gezonde die ze van de vader/moeder krijgt
2° Maternale (extra-nucleaire) overerving (hfst 1) uniformiteitswet
Genen die niet in de celkern liggen, maar in het DNA van mitochondriën of in chloroplasten, volgen de wetten van Mendel niet. Omdat een
spermacel of pollenkorrel vrijwel geen cytoplasma afgeeft (en dus geen organellen) bij de bevruchting, ervan nakomelingen deze genen
uitsluitend via de moeder → schaadt reciproke gelijkheid: reciproke kruising levert andere uitkomst op
Case study uit de slides: Bifenazaat resistentie bij de spintmijt (Tetranychus urticae)
▪ Vormt ideaal modelorganisme om resistentie te bestuderen
o Haplo-diploïdie: vrouw ontstaat uit bevruchte eicel en zijn diploïd (2n) man uit onbevruchte eicel (n)
→ voordeel voor genetisch onderzoek: er is geen dominant/recessieve interactie bij haploïde mannetjes
→ elke recessieve mutatie komt direct tot uiting in het fenotype bij mannetjes
o Diapauze: vrouw (2n) kunnen in metabolische rusttoestand gaan bij stressfactoren → mutante lijnen opslaan in frigo
o Korte levenscyclus & adaptatie: vermenigvuldigen razendsnel en is evolutionair de meest resistente species
, ▪ Mechanisme van de resistentie
o Bifenazaat = krachtig bestrijdingsmiddel tegen mijten en teken (acaricide)
→ bindt aan cytochroom b complex in mitochondriën en legt energieproductie stil
o Bij resistente spintmijten → mutatie in cytochroom b gen (CytbB) → is mitochondriaal DNA! (mtDNA)
o Wat doet mutatie?
▪ Veranderd bindingplaats op enzym → Bifenazaat kan niet meer binden
▪ Spintmijt overleeft bespuiting want ATP-productie kan gewoon doorgaan
▪ Ultieme bewijs → Complete Maternal Effect
o CytB gen ligt in mitochondriën dus zien bij kruisingen 100% maternaal effect reciproke wet
o Bewezen in labo door twee reciproke kruisingen uit te voeren met volledig Resistente (R) en Gevoelige (S) lijn
▪ Resistente moeder (R) x Gevoelige vader (S) → 100% van 𝑭𝟏 -NK resistent
▪ Resistente vader (R) x Gevoelige moeder (S) → 100% van 𝑭𝟏 -NK gevoelig
o Conclusie: vaderlijke inbreng maat absoluut niets uit beide ouders dragen 50% bij aan fenotype nakomelingen
▪ Mitochondriale heteroplasmie
o Wanneer er meer dan één mtDNA binnen één cel of organisme voorkomen → geval bij spintmijt
o Bij mijten die resistent zijn (overgeërfd van moeder) vindt men vaak genetisch mengsels terug in mitochondriën van
de gemuteerde als niet gemuteerde variant → mate van heteroplasmie kan bepalend zijn voor hoe snel populatie
volledig resistent wordt onder selectiedruk van bifenazaat
3° Gekoppelde genen (Linkage) (hfst 6) onafhankelijkheidswet
Mendel stelde dat kenmerken onafhankelijk overerven. Als twee genen echter heel dicht bij elkaar op hetzelfde chromosoom liggen,
reizen ze samen mee tijdens de meiose. Ze splitsen dus niet onafhankelijk, tenzij er crossing-over (recombinatie) plaatsvindt. Dit
verandert de verwachte 9:3:3:1 verhouding drastisch.
4° Incompatibiliteit
Incompatibiliteit = onevenredigheid → paring of bevruchting mislukt of resulteert in niet levensvatbare embryo, reden dat het niet onder
klassieke mendeliaanse overerving valt
▪ Schendt wet van vrije en gelijke zygotecombinaties: elke gameet (spermacel, stuifmeelkorrel) heeft gelijke kans om te
versmelten met de eicel en dat de genotypen levensvatbaar zijn volgens Mendeliaanse overerving
o Eicel blokkeert specifieke gameten (met specifiek allel in) als die bepaald allel dragen
o Vaak als het allel van de pollenkorel of spermacel identiek is aan die van de moederplant
o Krijgt selectieve bevruchting → 1:2:1 of 3:1 volledig verstoort
▪ Reciproke gelijkheid doorbroken: kan ervoor zorgen dat reciproke kruising niet meer dezelfde uitkomst heeft
▪ Multipele allelen en lethale effecten: zelfbestuiving of een kruising tussen identieke incompatibiliteitstypes leidt vaak tot het
niet-ontkiemen of tot vroege embryonale sterfte → bepaalde homozygote klassen worden nooit geboren/ontstaan nooit
o Incompatibiliteitssystemen werken bijna altijd via multipele allelie
Incompatibiliteit bij plantenveredeling → zelfbestuiving onmogelijk door incompatibiliteits-allelen in stempel bloem (hfst 1)
Zie ook bloedgroepenincompatibiliteit (rhesus-antagonisme) (hfst 2) en MHC (hfst 8) → sweaty T-shirt experimenten
5° Epigenetica en Imprinting (hfst 1) uniformiteitswet en wet van gelijke expressie
Bij klassieke Mendeliaanse overerving hebben beide allelen van zowel vader als moeder een gelijke kans om tuit uiting te komen in een
individu, epigenetica doorbreekt dit principe
▪ Epigenetica = expressie van gen veranderd zónder dat DNA-sequentie wijzigt, meestal via DNA-methylatie dat beïnvloed wordt
door externe milieufactoren (zoals hongersnood) → verworven status kan generaties lang overerven
▪ Gene imprinting = specifieke vorm van epigenetica
o Individu heeft paternaal als maternaal allel in de celkern, maar komt slechts één van beide allelen tot expressie
o Dit allel krijgt stempel (imprint) mee vanuit eicel/zaadcel en wordt het zwijgen opgelegd (silenced)
→ Oefeningen 1.3.1
,1.4 | Testkruisingen
Testkruising = test waarbij we een individu met een dominant fenotype (Aa of AA) kruisen met een homozygoot recessieve tester om het
onbekende genotype te achterhalen → homozygoot dominant of heterozygoot?
▪ Zijn alle NK identiek → dan was de ouder homozygoot dominant (AA) (100% dominant, intermediair, co-dominant fenotype)
▪ Krijg je segregatie onder NK → dan was de ouder heterozygoot (Aa)
o Obv het soort segregatie-verhouding en dus fenotypes kan je bepalen welk soort dominantie
Volledige dominantie 50% dominant (Aa), 50% recessief fenotype (aa))
Intermediaire dominantie 50% intermediair (Aa), 50% recessief fenotype (aa)
Co-dominantie 50% co-dominant (Aa), 50% recessief fenotype (aa)
Modern genetisch onderzoek: GWAS en MR
In de moderen genetica volstaat het vaak niet om enkel kruisingen uit te voeren en zo te zien of er een causaal verband is tussen een
blootstelling en een aandoening. Om complexe ziektes te gebruipen moeten grote datasets en statistische tools gebruit worden die direct
steunen op de wetten van mendel. Om van associatie → causaal verband of niet te gaan
▪ GWAS = genome wide association studie → vindt associatie
o Onderzoekmethode waarbij men volledige genoom van grote groep individuen scant
o Men kijkt of bepaalde genetische variant (bv één specifieke base of SNP) vaker voorkomt bij de groep mèt een
bepaalde aandoening dan bij de groep zònder → indien wel heb je associatie
▪ Resultaat = GWAS levert genetische ‘mapping’ op. Je vindt associatie tussen specifieke locatie op het genoom
en een fenotype
▪ Probleem = het is geen causaal verband (oorzaak-gevolg). Soms lijken twee zaken verbonden maar worden
ze beïnvloed door externe confounders
▪ Probleem van confounders
o Confounder = variabele die zowel de blootstelling (input) als de uitkomst (output) beïnvloedt waardoor het lijkt alsof
input de output veroorzaakt, ookal is dat zo niet
o Voorbeeld uit slides: Vitamine D tekort → botbreuken?
▪ Observatie: mensen met laag vitamine D-gehalte hebben vaker botbreuken (associatie), dus kunnen we
botbreuken vermeiden door vitamine D pillen te geven?
▪ Confounders: sporten beïnvloed of iemand veel buiten komt, door te sporten heb je sterkere botten en door
buitenkomen heb je zonlicht dat voor de aanmaak van vitamine D zorgt wie niet sport, heeft minder
vitamine D en zwakkere botten → sporten en zon zijn confounders
▪ Traditioneel onderzoek: experimenten met mensen door groep extra vitamine D te geven en andere niet en
dan in verloop van tijd kijken hoeveel botbreuken ze hebben → ethisch onverantwoord
→ + bestaande statistische tools om confounders weg te werken zijn vaak imperfect
▪ Mendelliaanse Randomisatie (MR) → bewijst/ontkracht causaal verband | mogelijks kleine vraag op examen (leg uit met vb)
= onderzoeksmethode die genetische varianten (allelen) gebruikt als natuurlijke controlegroep (zonder die zelf te moeten
maken → ethische kant) om causaliteit aan te tonen tussen een blootstelling X (risicofactor) en een ziekte/aandoening Y
o Werking: steunt op wetten van Mendel, tijdens meiose worden allelen willekeurig verdeeld over gameten en
doorgegeven aan kind → welk gen is dus puur toeval → krijgt van nature groepen die sterk gerandomiseerd
o Link met voorbeeld: naast zonlicht heb je specifieke genen die ervoor zorgen dat je van nature lage vitamine D-spiegel
hebt → erven van dit “slechte” gen is puur willekeurig → niets met weinig zon/sport te maken (confounder weg)
o Causaal bewijs: Stelt dat lage vitamine D-spiegel effectief oorzaak is van botbreuken, dan moet de groep mensen met
de “slechte” genen ook significant meer botbreuken hebben
▪ Indien het geval→ causaal verband aangetoond van associatie → toedienen van vitamine D supplementen
zal medisch nuttig zijn indien niet, dan hebben supplementen geen extra effect
Zie ook gastles Bjorn Menten over humane genetica (hfst X)
, 1.5 | Kansrekenen en statistiek in de genetica
Genetica draait om kansen op bepaalde nakomelingen, en steunt hierbij zwaar op de theorie van kansrekenen en statistiek
Kansen berekenen
▪ P(A of B) = P(A u B) = P(A) + P(B) voor 2 onafhankelijke gebeurtenissen = somregel
▪ P(A en B) = P(A n B) = P(A)*P(B) voor 2 onafhankelijke gebeurtenissen = productregel
▪ Binomiaalverdeling en Driehoek van Pascal → probabiliteit herhaalde experimenten/gebeurtenis
o Kans dat in n experimenten fenotype G1 (kans p) s keer voorkomt en G2 (kans q) t keer
4!
→ kans gezien van 4 kinderen dat 3 jongen zijn → (3!1! 0.53 ∙ 0.51 )
o Kan dit uitbreiden naar grotere problemen van hogere orde
Bv kruising 2 hoenders met notenkam (RrPp) → 12 eieren, kans 6 noten-, 3 erwten-, 2 rozen- en 1 enkelvoudige kam?
▪ Start: definiëren van gebeurtenissen G1, G2, G3, G4 = heeft een … kam
▪ Bereken de respectievelijke kansen p, q, r en s op die gebeurtenis (kruisschema of gevorkt)
▪ Invullen in uitgebreide formule
→ zie oef 5 ook voor praktische uitwerking
𝝌𝟐 -test (chi-kwadraat test)
Is een statistische test om na te gaan of de verhouding tussen ___ overeenstemmen
▪ De fenotypes bekomen na het uitvoeren van een kruising → O = waargenomen fenotypes van bepaalde klasse (bv 8)
▪ De fenotypes bekomen volgens de wetten van Mendel → E = verwachte fenotypes volgens Mendel van klasse (bv 9)
Je kan deze verhouding voor elk fenotype gaan berekenen en deze gaan sommeren
Waarom doen we dit? → hebt bv 400 nakomelingen na kruising met 2 fenotypes: 250 van ene en 150 van tweede
→ lijkt in benadering op 1:1 verhouding of met enige verbeelding een 3:1 verhouding → testen via nulhypothese 𝑯𝟎 met 𝝌𝟐
▪ 𝐻0 = wat we verwachten volgens de wetten van mendel → O = E
▪ Voor elke klasse uitrekenen → 𝜒 2 berekenen
▪ Dan kijken of de kans dat we de uitgekomen waarde van 𝜒 2 in een 𝜒 2 -verdeling zouden trekken, kleiner is dan p = 0,05
o Indien wel? → kans heel klein dat we dit toevallig trekken → 𝐻0 fout → afwijking significant → dus géén toeval!
o Indien niet → 𝐻0 blijft overeind
▪ Aantal vrijheidsgraden voor 𝝌𝟐 -distributie = aantal mogelijke fenotypes (n) – 1 → bepaald vorm distributie
Wat nu als we de nulhypothese 𝑯𝟎 verworpen hebben?
→ mss was er geen onafhankelijke overerving of mss was bepaald fenotype ondermaats aanwezig omdat deel is afgestorven (lethaal)
Gegeven door Prof Van Leeuwen
▪ Gesloten boek gedeelte → theorie vragen (5/20)
▪ Open boek gedeelte → oefeningen zoals in werkcolleges maar uitdagender (cursus, rekenmachine, slides, …) (15/20)
Hoofdstuk 0 | Achtergrond voor deze cursus
Om de complexe genetica en wiskundige berekeningen in deze cursus te begrijpen, is het cruciaal om de
basisprincipes van de celbiologie en overerving in het achterhoofd te houden → opfrissing
▪ Gen = erfelijke factor (stuk DNA) die codeert voor een bepaald eiwit of kenmerk, ligt op een specifiek chromosoom
▪ Locus = de exacte specifieke fysieke plaats op een chromosoom waar een bepaald gen zich bevindt
▪ Genotype = genetische samenstelling van een individu voor een bepaald kenmerk = verzameling allelen voor een gen in de cel
▪ Fenotype = uiterlijke verschijningsvorm als resultaat van het genotype én eventuele milieu-invloeden (epigenetica)
Chromosomen, Ploïdie en Allelen
Het DNA is opgerold in chromosomen, waarvan
Diploïde organismen 2 sets hebben van het basis-
chromosomen aantal, een van vader/moeder
= homologe chromosomen
Allelen = varianten van eenzelfde gen op één chromosoom
Elke diploïde cel bevat dus 2 allelen van elk gen, één op elk → dus per kenmerk heb je 2 allelen
o Dominant allel (A) → zorgt wel voor genexpressie → functioneel genproduct (meestal enzym)
o Recessief allel (a) → zorgt vaak voor geen genexpressie of een inactief genproduct (loss-of-function mutatie)
Homozygoot = twee allelen voor een kenmerk zijn identiek (AA of aa) = raszuiver = zaadvast
o Recessief (aa): individu heeft op beide homologe chromosomen, de ‘defecte’ of ‘stille’ versie van het gen → hierdoor
kan bepaalde biochemische stap niet doorgaan omdat bv een functioneel enzym of eiwit niet geproduceerd wordt →
dit gebrek leidt tot een specifiek (recessief) uiterlijk kenmerk (fenotype) bv albinisme met gebrek aan pigmenten die
niet gevormd zijn of niet kunnen transporteren bv doordat enzym niet werkt
o Dominant (AA): beide ‘goeie’ allelen zullen leiden tot het dominante fenotype
Heterozygoot = twee allelen voor een kenmerk zijn verschillend (Aa)
o Hebt dus goed en slecht allel, meestal beide afgeschreven dus hebt enzym A en inactieve enzym a dat voor ander
uiterlijk kenmerk zal zorgen omdat een bepaalde reactiepathway niet meer gekatalyseerd kan worden bv
Term dominant omdat het goeie enzym A ook in kleine mate al voldoende is om een volledig proces te katalyseren,
daarom zal dat uiterlijk tot stand komen → dus Aa genotype → 50% goeie enzym A → genoeg voor dominant fenotype
en ziet er hetzelfde uit als een AA-individu
Als er meer dan twee varianten voor 1 gen bestaan = multipele allelie (bv 𝐴1 , 𝐴2 , 𝐴3 , 𝐴4 )
,Allelen kunnen zich dus dominant of recessief tov een andere gedragen, maar er zijn gradaties in het type dominantie
▪ Volledige dominantie: zoals hierboven, één dosis van A-allel is genoeg voor het volledige effect (in Aa)
▪ Intermediaire dominantie: beide allelen komen gemengd tot uiting in de heterozygoot (bv wit, rood en roze bloem)
▪ Co-dominantie: beide allelen produceren een werkend product en komen beide onafhankelijk tot uiting (bloedgroep AB bv)
Ploïdie = aantal keer dat de basisset van chromosomen in een cel voorkomt → 2x bij ons (een van beide ouders) → diploïd
▪ Diploïd = 2n = somatische cellen hebben chromosomen in paren triploïd (3 kopieën chromosoom) ….
▪ Haplo¨¨id = n = geslachtscellen (gameten) hebben slechts één set (telkens maar 1 van de 2 aanwezig, random keuze dewelke)
Soort chromosomen
▪ Autosomen = alle gewone chromosomen in de cel die de lichaamskenmerken bepalen (44 van de 46 in mens)
▪ Geslachtschromosomen = bepalen het geslacht van een individu (2 van de 46 chromosomen in mens → X en Y vorm)
o Isogaam geslacht = heeft twee identieke geslachtschromosomen (XX) → wel één van beide ouders
▪ Y-chromosoom bevat nauwelijks genen! → drm komt YY isogaam in de natuur niet voor (niet levensvatbaar)
▪ Bij vogels is het mannetje isogaam (ZZ) vrouwtje heterogaam (ZW)
▪ Lyonisatie en Barr-lichaampje: een van de twee identieke chromosomen wordt volledig uitgeschakeld
(random) → voorkomt dubbele dosis van genproducten heterogaam
o Heterogaam geslacht = heeft twee verschillende geslachtschromosomen → bepaald geslacht nakomeling
Nakomelingen en celdeling
Mitose = gewone celdeling
→ eerst S-fase → chromosomen worden 2 zusterchromatiden (exacte kopie van elkaar) en krijgt zo typische (X) vorm, gaan allemaal in
evenwichtsvlak liggen en de zusterchromatien worden uit elkaar getrokken → 2 cellen met exact zelfde chromosomen
Meiose = vorming gameten (n) voor bevruchting
→ eerst S-fase → vorming X-chromosomen → homologe chromosomen gaan tegenover elkaar gaan liggen in evenwichtsvlak → hier kan
crossing-over optreden → uitelkaar getrokken → 2 dochtercellen met dus elk een van de twee homologe chromosomen → dan 2de
meiose waar ze weer in evenwichtsvlak getrokken worden en splitsen (X splitst) → 4 gameten (n)
Kansrekenen
Stamboomonderzoek → hoe wordt kenmerk overgeërfd → Autosomaal of geslachtsgebonden (X- of Y-gebonden) | Dominant of recessief
,Hoofdstuk 1 | Mendelwetten
Toegepaste genetica = niet theorie rond genetica, maar de praktijk waarin data wordt geïnterpreteerd en er betekenis aan gegeven wordt
Geschiedenis
▪ Gregor Mendel = vader van genetica omdat zijn aanpak kwantitatief was = exact tellen en statistisch analyseren nakomelingen
o Experiment = vanaf 1858 kruiste Mendel zaadvaste rassen van erwt die verschilden in 7 stabiele kenmerken
▪ Zaadkleur, zaadvorm, plantlengte, … (Pisum sativum)
▪ Niet eerste die kruisingen deed maar wel de eerste die dit kwantificeerde en er wetmatigheden uithaalde
o Kwantitatieve ontdekking = in zijn monohybride kruisingen kreeg hij in de 𝐹2 -generatie een 3:1 fenotypische
verhouding → vormde de basis voor zijn wetmatigheden
o Waarom succesvol experiment (geluk)
▪ Ideaal organisme: erwten zijn makkelijk te kweken, leveren veel zaad en hebben korte generatietijd, ze zijn
van nature zelfbestuivers, maar je kunt ze makkelijk geforceerd kruisbestuiven
• Zelfbestuiving = selfing = eigen stuifmeel op stempel
• Kruisbestuiving = pollen van ene plant overbrengen op stempel van de andere
▪ Zuivere lijnen (zaadvast): begon met planten die al generaties lang homozygoot waren voor bepaalde
kenmerken = zien er generatie na generatie hetzelfde uit
▪ Heldere kenmerken: koost 7 duidelijke eigenschappen die geen continue variaite vertoonden, gelukkig lagen
deze genen voor de 7 kenmerken op verschillende chromosomen → onafhankelijke overerving
▪ Statistische aanpak: hij werkte met enorme aantallen (28k planten) → toevalsfouten uitgevlakt
▪ Thomas Hunt Morgan en de fruitvlieg (Drosophila)
o Ging verder met genetica door te gaan kijken naar mutaties en ontdekte fenomenen die met de Wetten van Mendel
niet verklaar konden worden
o Gebruikte fruitvlieg (Drosophila melanogaster) als modelorganisme → nog steeds vandaag gebruikt
▪ Zeer snelle generatietijd → volwassen na 12 dagen en leveren tot 30 generaties per jaar op
▪ Goedkoop en makkelijk te houden → kleine bokaal met wat bananenpuree
▪ Heeft enorme hoeveelheid nakomelingen
▪ Eenvoudig genoom → 4 chromosomen → door hun grote makkelijk onder microscoop te zien
o Legde de basis (hypothese) voor onderling dat genen lineair op chromosomen liggen
▪ Want mannenvliegen met witte ogen (enkel bij mannen) hadden altijd gele vleugels, opeens zag hij eentje
met grijze vleugels → ‘moet fout tijdens celdeling gebeurt zijn → chromosoom kapot en terug aan elkaar
gezet maar foute manier’ → bleek om crossing-over te gaan
▪ Vandaar ook Centi Morgan als eenheid → zie gekoppelde genen
▪ George Beadle: één gen, één enzym
o Focust verschuift naar de werking van genen → onderzocht broodschimmel Neurospora crassa
o Bestraalde ze met radioactiviteit om mutaties uit te lokken → ontdekt dat mutanten opeens niet meer groeien tenzij
hij vitamine B6 toevoegt → trok revolutionaire conclusie dat genen coderen voor de aanmaak van eiwitten/enzymen
▪ Fred Griffith (en Avery)
o Men dacht dat eiwitten het erfelijk materiaal waren
o Zag dat als hij gedode, ziekmakende pneumokokken-bacteriën mengde met levende, niet-ziekmakende stam, ze de
eigenschappen van de dode bacteriën hadden overgenomen → fysieke dragen van erfelijke info uitgewisseld
o Avery bevestigd jaren later dat die dragen DNA was, en geen eiwit
▪ Watson, Crick en Franklin
o Slaagden erin om 3D structuur van DNA in kaart te brengen → de dubbele helix
o Verklaard op moleculair niveau hoe DNA zichzelf kan kopiëren en hoe Mendels erfelijke factoren fysiek worden
doorgegeven
,Convecties met betrekking tot genen
Genotype → cursief bv AaBC
▪ Dominant allel (A – grote letter), recessief allel (a – kleine letter)
→ recessief komt enkel tot uiting indien er twee van zijn (homozygoot recessief)
▪ Allelen en genen worden dus aangeduid met letters, soms in combinatie met cijfers of sub- of superscripts Cw, cw, cb
▪ Notatie voor dubbel dominant allel = AA of A-
Genproduct → niet cursief bv AaBC
Voor diploïden met n allelen per locus (gen) geldt:
Verschillende allelen voor een gen = multipelie (zie hfst 2)
is een bron van grote genetische diversiteit
Convecties met betrekking tot kruisingen
▪ 𝑷 = parentale generatie (ouders)
▪ 𝑭𝟏 = eerste filiale generatie (nakomelingen P)
▪ 𝑭𝟐 = tweede filiale generatie (nakomelingen door zelfbestuiving of onderlinge kruising van de 𝐹1 )
▪ 𝑩𝑪= Backcrossing = kruisen van de 𝐹1 met een van de ouderlijke genotypen
▪ Reciproke kruising (wederkerig) = de oudergeslachten (man en vrouw) met elk een ander kenmerk worden omgewisseld en
opnieuw gekruist → controle of kenrmek geslachtsgebonden/autosomaal overgeërfd wordt
Kenmerk versus eigenschap
▪ Kenmerk = algemene categorie dat je beschrijft bv oogkleur, haarkleur
o Kwalitatief = omgeving speelt vrijwel geen rol, fenotype 100% bepaald door genotype (bloedgroep, bloemkleur)
o Kwantitatief = zeer sterk afhankelijk van de omgeving en interactie tussen genen x omgeving (gewicht, lengte)
▪ Eigenschap = concrete invulling of uiterlijke vorm die het kenrmerk aanneemt bij een specifiek individu bv blauwe ogen
= het fenotype = resultaat van interactie tussen genotype (erfelijke aanleg) en de omgeving
Zie hoofdstuk 10: 𝑷 = 𝑮 + 𝑬 + 𝑮 × 𝑬 + 𝝈𝟐𝒆
Modelorganisme= zijn organismen die gekozen werden om als model te dienen voor het genetisch en ontwikkelingsbiologisch onderzoek.
Deze organismen zijn makkelijk te kweken, hebben veel nakomelingen, korte generatietijd en gedetailleerde genetische kaart is gekend.
▪ Tuinerwt (Pisum sativum): Het klassieke model waarmee Mendel de basiswetten van erfelijkheid blootlegde
▪ Fruitvlieg (Drosophila melanogaster): Cruciaal voor het aantonen van geslachtsgebonden overerving en de lineaire
ordening van genen op chromosomen
▪ Twee-vlek spintmijt (Tetranychus urticae): Veelgebruikt in toxicologisch onderzoek naar de opbouw van
resistentiemechanismen → korte levenscyclus, groeit op modelplanten
▪ Zandraket (Arabidopsis thaliana): De standaard binnen de plantenveredeling vanwege het compacte genoom en de
snelle levenscyclus
1.3 | Wetten van Mendel
De klassieke genetica volgens Gregor Mendel rust op een strikt set aannames
▪ Autosomale overerving (loci liggen autosomaal) geslachtsgebonden
▪ Volledige dominantie
▪ Monogenisch = één gen bepaald één kenmerk polygenetisch
▪ Éen gen heeft twee varianten pleitroop gen (bij multipele allelie)
▪ Ze ervan onafhankelijk over (gekoppeld) = #genen liggen ver van elkaar op één chromosoom of op verschillende
▪ Er is vrije, gelijke kans op zygotecombinaties zonder incompatibiliteitsproblemen
,Op basis van kruisingen met homozygote ouders die verschillen in toestanden van een kenmerk (aa en AA)
formuleerde Mendel drie fundamentele principes:
1) De uniformiteitswet (𝑷 → 𝑭𝟏 )
Wanneer twee homozygote ouders die verschillen in één kenmerk (aa en AA) worden gekruist worden, is de 𝐹1 -generatie
volledig uniform (Aa), zowel genotypisch als fenotypisch. Het allel dat tot uiting komt is dominant andere recessief
→ reciproke kruisingen geven hierbij hetzelfde resultaat
2) De segregatiewet (splitsing) (𝑭𝟏 → 𝑭𝟐 )
Bij vorming van de gameten scheiden de twee allelen van een genenpaar (op homologe chromosomen) zich zuiver van elkaar af.
Bij onderlinge krusing van de heterozygatie 𝐹1 -individuen (uit P) treedt in de 𝐹2 generatie maximale segregatie op. Dir
resulteert in een 3:1 fenotypische en 1:2:1 genotypische verhouding (bij volledige dominantie)
→ de segragatieverhoudingen zijn afhankelijk van de relaties tussen de verschillende allelen (dominant, intermediair, co)
(zie verder naar onder)
------------------------------------
Reciprociteitswet = direct gevolg eerste twee wetten bij autosomale overerving
Reciproke gelijkheid → wissel je kenmerken van ouders om (vader krijgt die van moeder en omgekeerd), dan zou je
hetzelfde resultaat moeten zien in de 𝐹1 bij beide → mendeliaanse overerving gaat dus uit van autosomale overerving
-----------------------------------
3) De onafhankelijkheidswet
Verschillende kenmerken (dihybride kruising of meer) worden onafhankelijk van elkaar overgeërfd, mits de betrokken genen op
verschillende chromosomen liggen (of mathematisch ver van elkaar verwijderd zijn op hetzelfde chromosoom
gekoppelde genen
Monohybride, dihybride en hogere orde kruisingen
→ geven aan hoeveel verschillende kenmerken je tegelijkertijd volgt in een kruisingsschema
▪ Monohybride = 1 eigenschap
▪ Dihybride = 2 eigenschappen (bv kleur en vorm)
o !Zie voorbeeld co-dominantie: 2 genen die soort hanenkam bepalen
o Gaat dus over zelfde eigenschap maar uitgesplitst als dihybride
F1 generatie uniform, de F2 generatie wordt bepaald
aan de hand van een Punnet Vierkant
→ obv mogelijke gameten die gevormd kunnen worden
door de ouders → mogelijlkse combo’s, hier opgesteld
voor een dihybride kruising
Hoe zie je of verschillende kenmerken (bv vorm en kleur in dihybride kruising) onafhankelijk van elkaar overerven?
▪ Door te kijken naar de afzonderlijke uitsplitsingen van kenmerken in de 𝐹2
▪ Volgens wet van mendel (segregatiewet) verwacht je voor elk individueel dominant-recessief kenmerk een 3:1 verhouding
o Zaadvorm ¾ Rond en ¼ Gerimpeld (r)
o Zaadkleur ¾ Geel en ¼ Groen (g)
▪ De productregel toepassen → als genen onafhankelijk splitsen, moet de kans dat 2 afzonderlijke gebeurtenissen plaatsvinden
exact gelijk zijn aan het product van de afzonderlijke kansen 𝑷(𝑨 𝒆𝒏 𝑩) = 𝑷(𝑨) ∙ 𝑷(𝑩)
o Rond en Geel = ¾ x ¾ = 9⁄16
o Rond en Groen = ¾ x ¼ = 3⁄16
o Gerimpeld en Geel = ¼ x ¾ = 3⁄16
o Gerimpeld en Groen = ¼ x ¼ = 1⁄16
,Uitbreiding van de Mendelwetten: Allelische Interacties
Mendel stelt in zijn wetten dat er altijd volledige dominantie is, maar tegenwoordig ook onvolledige en co-dominantie als uitbreidingen
gezien van de wetten van mendel → schaden segregatie wet wat omdat ze afwijken van de klassieke segregatieverhoudingen
!𝑭𝟏 wel nog steeds uniform in genotype en fenotype
▪ Volledige dominantie: zoals hierboven, één dosis van A-allel is genoeg voor het volledige effect (in Aa)
▪ Intermediaire dominantie: het heterozygote individu (Aa) krijgt een mengvorm als fenotype
o Heterozygoot (𝐹1 ) heeft een intermediair fenotype dat tussen de beide #homozyogte ouderfenotypen in ligt
(fenotype 𝐹1 ≠ 𝑃) → krijgt andere verhoudingen 3: 1 → 1: 2: 1
o Bv rode kleur bloem door enzym, helft uitgeschakeld bij Aa → genoeg voor roze kleur bij dominantie wel genoeg
▪ Co-dominantie: beide allelen produceren een werkend product en komen beide onafhankelijk tot uiting (bloedgroep AB bv)
o Heterozygoot (𝐹1 ) brengt beide fenotypes van de ouders tegelijk tot uitdrukking
(fenotype 𝐹1 ≠ 𝑃) → krijgt andere verhoudingen 3: 1 → 1: 2: 1
o Bv AB bloedgroep, Sikkelcelanemie
Kenmerk Aantal genen Aantal allelen Genotypische verhouding Fenotypische verhouding
(eigenschappen) (2 per gen) 𝑭𝟐 (P = 2 heterozygoten) 𝑭𝟐 (P = 2 heterozygoten)
Monohybride 1 2 1:2:1 3:1
1:2:1
Dihybride 2 4 (1:2:1)² 9:3:3:1
Trihybride 3 6 (1:2:1)3 27:9:9:9:3:3:3:1
Monohybride kruising: één kenmerk → soort allelische interacties bepaald de segregatie verhoudingen
▪ Volledige dominantie (AA x aa) 3:1 fenotype in 𝐹2
▪ Intermediaire overerving (AA x BB) 2:1 fenotype in 𝐹2 met intermediaire eigenschap → witte, roze en rode bloem
▪ Co-dominantie (AA x BB) 2:1 fenotype in 𝐹2 met beide eigenschappen tot expressie → spikkelkip
Autosomale aandoeningen
Dominant (AA of Aa) → achondroplasie (dwerggroei), pseudoachondroplasie
Recessief (aa) → albinisme, phenylketonurie
Dihybride kruising: twee kenmerken
Elke ouder dus 2 genen (een voor elk kenmerk) met elk twee allelen (op homologe chromosomen)
→ elke ouder kan 4 mogelijke gameten vormen → punnet diagram van 4x4 voor 𝐹1
Erven onafhankelijk van elkaar over als de beide genen (rood en geel) ver genoeg van elkaar
liggen op hetzelfde chromosoom of als ze op verschillende chromosomen liggen = 3de wet M
Als je twee ouders voor P pakt die voor de kenmerken zygoot zijn (AAbb x aaBB) → 𝐹1 = uniform
en dan zal je in de 𝐹2 een 9:3:3:1 verhouding krijgen voor het fenotype = segragatiewet (voor dominant)
Hoe punnetdiagram makkelijker maken ipv helemaal uit te werken
Schrijf de genotypes voor dezelfde kenmerken van de ouders naast elkaar
Werk ze distributief uit → 4 genotypes elk
Schrijf nu alle kansen op: P(geel) = P(Gg of GG), … = somregel
De kans op P(geel en rond) kan je nu berekenen = productregel
Hiermee kan je makkelijk ook trihybride (AaBBcc x AABbCC) …. uitwerken
▪ 2 dominante kenmerken bij verschillende ouders (AAbb x aaBB)
o Cavia’s met wit of zwart haar en lang of kort haar → 9:3:3:1 fenotype verhouding in 𝐹2
▪ 1 dominant en 1 intermediair kenmerk
o Bv katten met korte staart: (AA/Aa = wit, aa = bruin | BB = lange staart, bb = korte staart, Bb = stompstaart)
▪ 2 intermediaire kenmerken
o Bloemen met lange – middellange – korte steel en vroege – matige – lange bloeittijd
, Trihybride kruising: 3 kenmerken (AABBCC x aabbcc)
Kan makkelijk berekend worden via gevorkte schrijfwijze aan de hand van
oplossingmethode op de pagina hierboven beschreven → Punnet vermeden
Voorbeeld van trihybride met 2 dominante kenmerken en 1 intermediaire
→ dominante afzonderlijk 3:1 fenotypische verhouding, intermediair 1:2:1
Formules voor n-hyrbide kruisingen (n = kenmerken) n = 1 =2 =3
▪ Aantal combinaties gameten = 𝟒𝒏 4 16 64
▪ Aantal combinaties genotype = 𝟑𝒏 3 9 27
▪ Aantal combinaties fenotype = 𝟐𝒏 2 4 8
→ geldt enkel voor allemaal dominante kenmerken, bv in voorbeeld van
trihybride met 1 intermediair kenmerk → 12 fenotypes in 𝐹2 ≠ 8
Deze Mendelwetten zijn enkel van toepassing voor kerngenen niet voor extra-nucleaire genen en geslachtsgebonden kenmerken.
Wanneer er bij planten incompatibiliteitsgenen in het spel zijn, gelden deze regels evenmin
Niet-mendeliaanse overerving
= alle genetische overervingspatronen die afwijken van de klassieke wetten van Mendel
→ zoals uniformiteit, onafhankelijke segregatie, gelijke genexpressie of reciproke gelijkheid (tegen Mendel zijn wetten in)
1° Geslachtsgebonden overerving (hfst 5) uniforme wet
De betrokken genen voor een kenmerk liggen de op geslachtschromosomen, omdat mannen en vrouwen een verschillende combinatie
hebben (XX en XY) gelden de standaard 3:1 en 9:3:1 verhoudingen van Mendel hier niet
Schendt de wetten van Mendel op twee cruciale punten
▪ Reciproke gelijkheid
o Reciproke kruising moet normaal exact hetzelfde resultaat opleveren
o Bij geslachtsgebonden overerving is uitkomst verschillend afh van welke ouder de eigenschap draagt
→ ontdekking Thomas Hunt Morgan bij fruitvliegjes (Drosophila)
▪ Kruiselingse overerving = Criss-Cross inheritance
o Zonen erven X altijd van moeder, Y van vader dochters één van moeder, een van vader
o Een recessieve geslachtsgebonden eigenschap wordt hierdoor vaak door een gezonde, dragende moeder doorgegeven
aan haar zonen (bv rood-groenkleurenblindheid en hemofilie bij de mens)
o Want zoon heeft maar 1 X → als die slechte van moeder krijgt heeft hij de aandoening sws dochter kan dit nog
maskeren door een gezonde die ze van de vader/moeder krijgt
2° Maternale (extra-nucleaire) overerving (hfst 1) uniformiteitswet
Genen die niet in de celkern liggen, maar in het DNA van mitochondriën of in chloroplasten, volgen de wetten van Mendel niet. Omdat een
spermacel of pollenkorrel vrijwel geen cytoplasma afgeeft (en dus geen organellen) bij de bevruchting, ervan nakomelingen deze genen
uitsluitend via de moeder → schaadt reciproke gelijkheid: reciproke kruising levert andere uitkomst op
Case study uit de slides: Bifenazaat resistentie bij de spintmijt (Tetranychus urticae)
▪ Vormt ideaal modelorganisme om resistentie te bestuderen
o Haplo-diploïdie: vrouw ontstaat uit bevruchte eicel en zijn diploïd (2n) man uit onbevruchte eicel (n)
→ voordeel voor genetisch onderzoek: er is geen dominant/recessieve interactie bij haploïde mannetjes
→ elke recessieve mutatie komt direct tot uiting in het fenotype bij mannetjes
o Diapauze: vrouw (2n) kunnen in metabolische rusttoestand gaan bij stressfactoren → mutante lijnen opslaan in frigo
o Korte levenscyclus & adaptatie: vermenigvuldigen razendsnel en is evolutionair de meest resistente species
, ▪ Mechanisme van de resistentie
o Bifenazaat = krachtig bestrijdingsmiddel tegen mijten en teken (acaricide)
→ bindt aan cytochroom b complex in mitochondriën en legt energieproductie stil
o Bij resistente spintmijten → mutatie in cytochroom b gen (CytbB) → is mitochondriaal DNA! (mtDNA)
o Wat doet mutatie?
▪ Veranderd bindingplaats op enzym → Bifenazaat kan niet meer binden
▪ Spintmijt overleeft bespuiting want ATP-productie kan gewoon doorgaan
▪ Ultieme bewijs → Complete Maternal Effect
o CytB gen ligt in mitochondriën dus zien bij kruisingen 100% maternaal effect reciproke wet
o Bewezen in labo door twee reciproke kruisingen uit te voeren met volledig Resistente (R) en Gevoelige (S) lijn
▪ Resistente moeder (R) x Gevoelige vader (S) → 100% van 𝑭𝟏 -NK resistent
▪ Resistente vader (R) x Gevoelige moeder (S) → 100% van 𝑭𝟏 -NK gevoelig
o Conclusie: vaderlijke inbreng maat absoluut niets uit beide ouders dragen 50% bij aan fenotype nakomelingen
▪ Mitochondriale heteroplasmie
o Wanneer er meer dan één mtDNA binnen één cel of organisme voorkomen → geval bij spintmijt
o Bij mijten die resistent zijn (overgeërfd van moeder) vindt men vaak genetisch mengsels terug in mitochondriën van
de gemuteerde als niet gemuteerde variant → mate van heteroplasmie kan bepalend zijn voor hoe snel populatie
volledig resistent wordt onder selectiedruk van bifenazaat
3° Gekoppelde genen (Linkage) (hfst 6) onafhankelijkheidswet
Mendel stelde dat kenmerken onafhankelijk overerven. Als twee genen echter heel dicht bij elkaar op hetzelfde chromosoom liggen,
reizen ze samen mee tijdens de meiose. Ze splitsen dus niet onafhankelijk, tenzij er crossing-over (recombinatie) plaatsvindt. Dit
verandert de verwachte 9:3:3:1 verhouding drastisch.
4° Incompatibiliteit
Incompatibiliteit = onevenredigheid → paring of bevruchting mislukt of resulteert in niet levensvatbare embryo, reden dat het niet onder
klassieke mendeliaanse overerving valt
▪ Schendt wet van vrije en gelijke zygotecombinaties: elke gameet (spermacel, stuifmeelkorrel) heeft gelijke kans om te
versmelten met de eicel en dat de genotypen levensvatbaar zijn volgens Mendeliaanse overerving
o Eicel blokkeert specifieke gameten (met specifiek allel in) als die bepaald allel dragen
o Vaak als het allel van de pollenkorel of spermacel identiek is aan die van de moederplant
o Krijgt selectieve bevruchting → 1:2:1 of 3:1 volledig verstoort
▪ Reciproke gelijkheid doorbroken: kan ervoor zorgen dat reciproke kruising niet meer dezelfde uitkomst heeft
▪ Multipele allelen en lethale effecten: zelfbestuiving of een kruising tussen identieke incompatibiliteitstypes leidt vaak tot het
niet-ontkiemen of tot vroege embryonale sterfte → bepaalde homozygote klassen worden nooit geboren/ontstaan nooit
o Incompatibiliteitssystemen werken bijna altijd via multipele allelie
Incompatibiliteit bij plantenveredeling → zelfbestuiving onmogelijk door incompatibiliteits-allelen in stempel bloem (hfst 1)
Zie ook bloedgroepenincompatibiliteit (rhesus-antagonisme) (hfst 2) en MHC (hfst 8) → sweaty T-shirt experimenten
5° Epigenetica en Imprinting (hfst 1) uniformiteitswet en wet van gelijke expressie
Bij klassieke Mendeliaanse overerving hebben beide allelen van zowel vader als moeder een gelijke kans om tuit uiting te komen in een
individu, epigenetica doorbreekt dit principe
▪ Epigenetica = expressie van gen veranderd zónder dat DNA-sequentie wijzigt, meestal via DNA-methylatie dat beïnvloed wordt
door externe milieufactoren (zoals hongersnood) → verworven status kan generaties lang overerven
▪ Gene imprinting = specifieke vorm van epigenetica
o Individu heeft paternaal als maternaal allel in de celkern, maar komt slechts één van beide allelen tot expressie
o Dit allel krijgt stempel (imprint) mee vanuit eicel/zaadcel en wordt het zwijgen opgelegd (silenced)
→ Oefeningen 1.3.1
,1.4 | Testkruisingen
Testkruising = test waarbij we een individu met een dominant fenotype (Aa of AA) kruisen met een homozygoot recessieve tester om het
onbekende genotype te achterhalen → homozygoot dominant of heterozygoot?
▪ Zijn alle NK identiek → dan was de ouder homozygoot dominant (AA) (100% dominant, intermediair, co-dominant fenotype)
▪ Krijg je segregatie onder NK → dan was de ouder heterozygoot (Aa)
o Obv het soort segregatie-verhouding en dus fenotypes kan je bepalen welk soort dominantie
Volledige dominantie 50% dominant (Aa), 50% recessief fenotype (aa))
Intermediaire dominantie 50% intermediair (Aa), 50% recessief fenotype (aa)
Co-dominantie 50% co-dominant (Aa), 50% recessief fenotype (aa)
Modern genetisch onderzoek: GWAS en MR
In de moderen genetica volstaat het vaak niet om enkel kruisingen uit te voeren en zo te zien of er een causaal verband is tussen een
blootstelling en een aandoening. Om complexe ziektes te gebruipen moeten grote datasets en statistische tools gebruit worden die direct
steunen op de wetten van mendel. Om van associatie → causaal verband of niet te gaan
▪ GWAS = genome wide association studie → vindt associatie
o Onderzoekmethode waarbij men volledige genoom van grote groep individuen scant
o Men kijkt of bepaalde genetische variant (bv één specifieke base of SNP) vaker voorkomt bij de groep mèt een
bepaalde aandoening dan bij de groep zònder → indien wel heb je associatie
▪ Resultaat = GWAS levert genetische ‘mapping’ op. Je vindt associatie tussen specifieke locatie op het genoom
en een fenotype
▪ Probleem = het is geen causaal verband (oorzaak-gevolg). Soms lijken twee zaken verbonden maar worden
ze beïnvloed door externe confounders
▪ Probleem van confounders
o Confounder = variabele die zowel de blootstelling (input) als de uitkomst (output) beïnvloedt waardoor het lijkt alsof
input de output veroorzaakt, ookal is dat zo niet
o Voorbeeld uit slides: Vitamine D tekort → botbreuken?
▪ Observatie: mensen met laag vitamine D-gehalte hebben vaker botbreuken (associatie), dus kunnen we
botbreuken vermeiden door vitamine D pillen te geven?
▪ Confounders: sporten beïnvloed of iemand veel buiten komt, door te sporten heb je sterkere botten en door
buitenkomen heb je zonlicht dat voor de aanmaak van vitamine D zorgt wie niet sport, heeft minder
vitamine D en zwakkere botten → sporten en zon zijn confounders
▪ Traditioneel onderzoek: experimenten met mensen door groep extra vitamine D te geven en andere niet en
dan in verloop van tijd kijken hoeveel botbreuken ze hebben → ethisch onverantwoord
→ + bestaande statistische tools om confounders weg te werken zijn vaak imperfect
▪ Mendelliaanse Randomisatie (MR) → bewijst/ontkracht causaal verband | mogelijks kleine vraag op examen (leg uit met vb)
= onderzoeksmethode die genetische varianten (allelen) gebruikt als natuurlijke controlegroep (zonder die zelf te moeten
maken → ethische kant) om causaliteit aan te tonen tussen een blootstelling X (risicofactor) en een ziekte/aandoening Y
o Werking: steunt op wetten van Mendel, tijdens meiose worden allelen willekeurig verdeeld over gameten en
doorgegeven aan kind → welk gen is dus puur toeval → krijgt van nature groepen die sterk gerandomiseerd
o Link met voorbeeld: naast zonlicht heb je specifieke genen die ervoor zorgen dat je van nature lage vitamine D-spiegel
hebt → erven van dit “slechte” gen is puur willekeurig → niets met weinig zon/sport te maken (confounder weg)
o Causaal bewijs: Stelt dat lage vitamine D-spiegel effectief oorzaak is van botbreuken, dan moet de groep mensen met
de “slechte” genen ook significant meer botbreuken hebben
▪ Indien het geval→ causaal verband aangetoond van associatie → toedienen van vitamine D supplementen
zal medisch nuttig zijn indien niet, dan hebben supplementen geen extra effect
Zie ook gastles Bjorn Menten over humane genetica (hfst X)
, 1.5 | Kansrekenen en statistiek in de genetica
Genetica draait om kansen op bepaalde nakomelingen, en steunt hierbij zwaar op de theorie van kansrekenen en statistiek
Kansen berekenen
▪ P(A of B) = P(A u B) = P(A) + P(B) voor 2 onafhankelijke gebeurtenissen = somregel
▪ P(A en B) = P(A n B) = P(A)*P(B) voor 2 onafhankelijke gebeurtenissen = productregel
▪ Binomiaalverdeling en Driehoek van Pascal → probabiliteit herhaalde experimenten/gebeurtenis
o Kans dat in n experimenten fenotype G1 (kans p) s keer voorkomt en G2 (kans q) t keer
4!
→ kans gezien van 4 kinderen dat 3 jongen zijn → (3!1! 0.53 ∙ 0.51 )
o Kan dit uitbreiden naar grotere problemen van hogere orde
Bv kruising 2 hoenders met notenkam (RrPp) → 12 eieren, kans 6 noten-, 3 erwten-, 2 rozen- en 1 enkelvoudige kam?
▪ Start: definiëren van gebeurtenissen G1, G2, G3, G4 = heeft een … kam
▪ Bereken de respectievelijke kansen p, q, r en s op die gebeurtenis (kruisschema of gevorkt)
▪ Invullen in uitgebreide formule
→ zie oef 5 ook voor praktische uitwerking
𝝌𝟐 -test (chi-kwadraat test)
Is een statistische test om na te gaan of de verhouding tussen ___ overeenstemmen
▪ De fenotypes bekomen na het uitvoeren van een kruising → O = waargenomen fenotypes van bepaalde klasse (bv 8)
▪ De fenotypes bekomen volgens de wetten van Mendel → E = verwachte fenotypes volgens Mendel van klasse (bv 9)
Je kan deze verhouding voor elk fenotype gaan berekenen en deze gaan sommeren
Waarom doen we dit? → hebt bv 400 nakomelingen na kruising met 2 fenotypes: 250 van ene en 150 van tweede
→ lijkt in benadering op 1:1 verhouding of met enige verbeelding een 3:1 verhouding → testen via nulhypothese 𝑯𝟎 met 𝝌𝟐
▪ 𝐻0 = wat we verwachten volgens de wetten van mendel → O = E
▪ Voor elke klasse uitrekenen → 𝜒 2 berekenen
▪ Dan kijken of de kans dat we de uitgekomen waarde van 𝜒 2 in een 𝜒 2 -verdeling zouden trekken, kleiner is dan p = 0,05
o Indien wel? → kans heel klein dat we dit toevallig trekken → 𝐻0 fout → afwijking significant → dus géén toeval!
o Indien niet → 𝐻0 blijft overeind
▪ Aantal vrijheidsgraden voor 𝝌𝟐 -distributie = aantal mogelijke fenotypes (n) – 1 → bepaald vorm distributie
Wat nu als we de nulhypothese 𝑯𝟎 verworpen hebben?
→ mss was er geen onafhankelijke overerving of mss was bepaald fenotype ondermaats aanwezig omdat deel is afgestorven (lethaal)
