Outline for a laboratory course in genetics, recommended for use in connection with the text-book Genetics and eugenics,

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Genetics & human heredity.

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Multivariate quantitative genetics and the Lek Paradox: Genetic variance in male sexually selected traits of Drosophila serrata under field control

Single male sexually selected traits have been found to exhibit substantial genetic variance, even though natural and sexual selection are predicted to deplete genetic variance in these traits. We tested whether genetic variance in multiple male display traits of Drosophila serrata was maintained under field conditions. A breeding design involving 300 field-reared males and their laboratory-reared offspring allowed the estimation of the genetic variance-covariance matrix for six male cuticular hydrocarbons (CHCs) under field conditions. Despite individual CHCs displaying substantial genetic variance under field conditions, the vast majority of genetic variance in CHCs was not closely associated with the direction of sexual selection measured on field phenotypes. Relative concentrations of three CHCs correlated positively with body size in the field, but not under laboratory conditions, suggesting condition-dependent expression of CHCs under field conditions. Therefore condition dependence may not maintain genetic variance in preferred combinations of male CHCs under field conditions, suggesting that the large mutational target supplied by the evolution of condition dependence may not provide a solution to the lek paradox in this species. Sustained sexual selection may be adequate to deplete genetic variance in the direction of selection, perhaps as a consequence of the low rate of favorable mutations expected in multiple trait systems.

Genetics and genomics of osteoclast differentiation: Integrating cell signaling pathways and gene networks

The regulation of osteoclast differentiation in the bone microenvironment is critical for normal bone remodeling, as well as for various human bone diseases. Over the last decade, our knowledge of how osteoclast differentiation occurs has progressed rapidly. We highlight some of the major advances in understanding how cell signaling and transcription are integrated to direct the differentiation of this cell type. These studies used genetic, molecular, and biochemical approaches. Additionally, we summarize data obtained from studies of osteoclast differentiation that used the functional genomic approach of global gene profiling applied to osteoclast differentiation. This genomic data confirms results from studies using the classical experimental approaches and also may suggest new modes by which osteoclast differentiation and function can be modulated. Two conclusions that emerge are that osteoclast differentiation depends on a combination of fairly ubiquitously expressed transcription factors rather than unique osteoclast factors, and that the overlay of cell signaling pathways on this set of transcription factors provides a powerful mechanism to fine tune the differentiation program in response to the local bone microenvironment.

Behavior Genetics and Post Genomics

The science of genetics is undergoing a paradigm shift. Recent discoveries, including the activity of retrotransposons, the extent of copy number variations, somatic and chromosomal mosaicism, and the nature of the epigenome as a regulator of DNA expressivity, are challenging a series of dogmas concerning the nature of the genome and the relationship between genotype and phenotype. DNA, once held to be the unchanging template of heredity, now appears subject to a good deal of environmental change; considered to be identical in all cells and tissues of the body, there is growing evidence that somatic mosaicism is the normal human condition; and treated as the sole biological agent of heritability, we now know that the epigenome, which regulates gene expressivity, can be inherited via the germline. These developments are particularly significant for behavior genetics for at least three reasons: First, these phenomena appear to be particularly prevalent in the human brain, and likely are involved in much of human behavior; second, they have important implications for the validity of heritability and gene association studies, the methodologies that largely define the discipline of behavior genetics; and third, they appear to play a critical role in development during the perinatal period, and in enabling phenotypic plasticity in offspring in particular. I examine one of the central claims to emerge from the use of heritability studies in the behavioral sciences, the principle of “minimal shared maternal effects,” in light of the growing awareness that the maternal perinatal environment is a critical venue for the exercise of adaptive phenotypic plasticity. This consideration has important implications for both developmental and evolutionary biology

Genetics and race variability of the lucerne - Colletotrichum trifolii pathosystem in Australia

The Australian-bred lucerne cultivars, Trifecta and Sequel, were found to possess useful levels of resistance to both Colletotrichum trifolii races 1 and 2. Race 2 has only been previously observed in the United States and surveys did not reveal its presence in Australia. Multilocus fingerprinting using random amplified polymorphic DNA (RAPDs) analysis revealed low diversity (<10% dissimilarity) within Australian C. trifolii collections, and between the Australian race 1 isolates and a US race 2 isolate. Studies on the inheritance of resistance to C. trifolii race 1 in individual clones from Trifecta and Sequel revealed the presence of 2 different genetic mechanisms. One inheritance was for resistance as a recessive trait, and the other indicated that resistance was dominant. The recessive system has never been previously reported, whereas in the US, 2 completely dominant and independent tetrasomic genes Anl and Ant have been reported to condition C. trifolii resistance. It was not possible to fit the observed segregations from our studies to a single-gene model. In contrast to US studies, clones of cv. Sequel exhibiting the recessive resistance reacted differently to spray and stem injection with C. trifolii inoculum, being resistant to the former and susceptible to the latter, providing additional evidence for the presence of a different genetic mechanism conditioning resistance to those previously reported in the US. As C. trifolii is one of the most serious diseases of lucerne worldwide, the future development of molecular markers closely linked to the dominant and recessive resistances identified in these studies, and the relationships between these resistances and Anl and Ans as determined by genetic mapping, appear to be useful areas of future study.

MAX4 and RMS1 are orthologous dioxygenase-like genes that regulate shoot branching in Arabidopsis and pea

Shoot branching is inhibited by auxin transported down the stem from the shoot apex. Auxin does not accumulate in inhibited buds and so must act indirectly. We show that mutations in the MAX4 gene of Arabidopsis result in increased and auxin-resistant bud growth. Increased branching in max4 shoots is restored to wild type by grafting to wild-type rootstocks, suggesting that MAX4 is required to produce a mobile branch-inhibiting signal, acting downstream of auxin. A similar role has been proposed for the pea gene, RMS1. Accordingly, MAX4 and RMS1 were found to encode orthologous, auxin-inducible members of the polyene dioxygenase family.

Special twin environments, genetic influences and their effects on the handedness of twins and their siblings

It has been suggested that twinning may influence handedness through the effects of birth order, intra-uterine crowding and mirror imaging. The influence of these effects on handedness (for writing and throwing) was examined in 3657 Monozygotic (MZ) and 3762 Dizygotic (DZ) twin pairs (born 1893-1992). Maximum likelihood analyses revealed no effects of birth order on the incidence of left-handedness. Twins were no more likely to be left-handed than their singleton siblings (n = 1757), and there were no differences between the DZ co-twin and sibling-twin covariances, suggesting that neither intra-uterine crowding nor the experience of being a twin affects handedness. There was no evidence of mirror imaging; the co-twin correlations of monochorionic and dichorionic MZ twins did not differ. Univariate genetic analyses revealed common environmental factors to be the most parsimonious explanation of familial aggregation for the writing-hand measure, while additive genetic influences provided a better interpretation of the throwing hand data.

Phylogeography, conservation genetics and parasitology of chimpanzees (Pan troglodytes versus) in Guinea-Bissau, West Africa

Tese de doutoramento em Antropologia, especialidade em Antropologia Biológica e Etnoecologia

Pyruvate kinase and glucose-6-phosphate dehydrogenase deficies and their association with malaria - population genetics and proteomic studies

A malária é reconhecida como uma das principais forças selectivas a actuar na história recente no genoma humano. Inúmeros polimorfismos genéticos têm sido descritos como protectores contra a gravidade da malária, como o alelo HbS (designado de traço falciforme) e o alelo G6PD A- (associado à deficiência de G6PD). Mais recentemente, também a deficiência de PK foi associada com a protecção contra a malária. Evidências desta associação foram obtidas em estudos com modelos de roedor e estudos in vitro utilizando GV humanos deficientes em PK. Até à data, não foram obtidos dados em populações humanas que revelem esta associação: ainda não foi identificada uma variante de PK com uma prevalência elevada em regiões endémicas de malária e não foram identificadas marcas de selecção na região do gene que codifica para a PK (gene PKLR). Além disso, os mecanismos subjacentes à protecção contra a malária por deficiências enzimáticas dos GV não estão bem esclarecidos. Assim, os objectivos do presente estudo foram: investigar os polimorfismos genéticos humanos com associação com a malária em Cabo Verde; pesquisar marcas de selecção da malária na região do gene PKLR em populações Africanas; determinar a frequência da deficiência em PK e identificar uma eventual variante da enzima que possa estar sob selecção positiva em regiões endémicas de malária; avaliar o efeito das duas deficiências enzimáticas (PK e G6PD) na invasão e maturação do parasita em culturas in vitro de Plasmodium usando GV normais e deficientes; e analisar o perfil proteómico de GV infectados e não infectados, normais e com deficiência (em PK e G6PD), bem como de parasitas isolados de GV tanto deficientes como normais. Em Cabo Verde (área epidémica), não foram identificadas marcas de selecção pela malária, através da análise dos vários polimorfismos. No entanto, quando a análise foi realizada em dois países endémicos (Angola e Moçambique), foram detectadas várias marcas de selecção: a genotipagem de microssatélites (STRs) e polimorfismos de base única (SNPs) localizados na vizinhança do gene PKLR revelou uma diferenciação consideravelmente maior entre as populações Africana e Europeia (Portuguesa), do que a diferenciação determinada aquando da utilização de marcadores genéticos neutros. Além disso, uma região genómica de maior amplitude apresentou um Desequilíbrio de Ligação (LD) significativo no grupo de malária não grave (e não no grupo de malária grave), sugerindo que a malária poderá estar a exercer pressão selectiva sobre a região do genoma humano que envolve o gene PKLR. No estudo que incidiu na determinação da prevalência da deficiência de PK no continente Africano (realizado em Moçambique), esta revelou-se elevada - 4,1% - sendo o valor mais elevado descrito até ao momento a nível mundial para esta enzimopatia. Na pesquisa de mutações que pudessem estar na causa deste fenótipo (baixa actividade de PK), foi identificada uma mutação não sinónima 829G>A (277Glu>Lys), significativamente associada à baixa actividade enzimática. Esta mutação foi também identificada em Angola, São Tomé e Príncipe e Guiné Equatorial, onde a frequência de portadores heterozigóticos foi entre 2,6 e 6,7% (valores que se encontram entre os mais elevados descritos globalmente para mutações associadas à deficiência em PK). Não foi possível concluir acerca da associação entre a deficiência de PK e o grau de severidade da malária e da associação entre o alelo 829A e a mesma, devido ao baixo número de amostras. Os resultados dos ensaios de invasão/maturação do parasita sugeriram que, nos GV com deficiência de PK ou G6PD, a invasão (onde está envolvida a membrana do GV hospedeiro e o complexo apical do parasita) é mais relevante para a eventual protecção contra a malária do que a maturação. Os resultados da análise proteómica revelaram respostas diferentes por parte do parasita nas duas condições de crescimento (GV com deficiência de PK e GV com deficiência de G6PD). Esta resposta parece ser proporcional à gravidade da deficiência enzimática. Nos parasitas que cresceram em GV deficientes em G6PD (provenientes de um indivíduo assintomático), a principal alteração observada (relativamente às condições normais) foi o aumento do número de proteínas de choque térmico e chaperones, mostrando que os parasitas responderam às condições de stress oxidativo, aumentando a expressão de moléculas de protecção. Nos parasitas que cresceram em condições de deficit de PK (GV de indivíduo com crises hemolíticas regulares, dependente de transfusões sanguíneas), houve alteração da expressão de um maior número de proteínas (relativamente ao observado em condições normais), em que a maioria apresentou uma repressão da expressão. Os processos biológicos mais representados nesta resposta do parasita foram a digestão da hemoglobina e a troca de proteínas entre hospedeiro e parasita/remodelação da superfície do GV. Além disso, uma elevada percentagem destas proteínas com expressão alterada está relacionada com as fendas de Maurer, que desempenham um papel importante na patologia da infecção malárica. É colocada a hipótese de que a protecção contra a malária em GV deficientes em PK está relacionada com o processo de remodelação da membrana dos GV pelo parasita, o que pode condicionar a invasão por novos parasitas e a própria virulência da malária. Os resultados da análise do proteoma dos GV contribuirão para confirmar esta hipótese.